JP4682924B2 - スクリーン印刷方法 - Google Patents

Description

本発明は、半田ペースト等をスクリーンマスクを介して基板に印刷するスクリーン印刷方法に係り、特に高密度・高多層基板のスクリーン印刷を得るのに好適なスクリーン印刷方法に関する。

一般にプリント基板と半導体チップを接続する技術としてフリップチップ（ＦＣ）方式と呼ばれる半田バンプ（微細な半田の突起物）を使用して接合する方式が採用されている。この方式は、平面的に半田バンプを配置することで数千から数万の接続点数を一度に接続できるため、ＩＴ化の進展によって益々高機能化する半導体チップの接続条件は微細・高密度・高点数化が急速に進んでいる。この近年の半導体の高機能化、高集積化の流れから、パッケージ基板の半田バンプにおいても、印刷バンプの益々の微細化が求められている。

半田バンプの印刷装置は印刷パターンに合わせて穴Ｓ₁が開けられたスクリーンマスクをワーク上に載せ、印刷ヘッドにより半田ペーストをマスク穴Ｓ₁に充填することで印刷を行う装置であり、従来では図５に示すようなスクリーン印刷装置が用いられている。このスクリーン印刷装置１は、ワーク（基板）Ｗの位置決めを行うワークアライメント部２、スクリーンマスクＳを上下に昇降するマスク上下駆動部３、印刷ヘッド４、該印刷ヘッド４を上下に昇降するヘッド上下駆動部５及び該印刷ヘッド４を左右に往復移動するヘッド往復駆動部６等より基本的に構成されている。この印刷装置１では、ワークＷをワークアライメント部２のテーブル上に載置した後、ワークＷの位置決めを行い、次いで半田印刷装置でマスク上下駆動部６によりスクリーンマスクＳをワークＷ上に重ね、ヘッド往復駆動部６及びヘッド上下駆動部５によって印刷ヘッド４を移動して半田ペーストＰをスクリーンマスクＳを介してワークＷ上に塗布することによって、ワークＷ上に半田バンプＢを印刷している。

この従来の印刷装置１では、印刷ヘッド４として一般に図６に示されるスキージ型印刷ヘッドか又は図７に示される密閉型印刷ヘッドが使用されている。スキージ型印刷ヘッド４は、半田ペーストＰをスキージ４１で挟んでスクリーンマスクＳ上を移動してワークＷ上にバンプ印刷を行うものであり、一方、密閉型印刷ヘッド４は、その先端にノズル４２を有していて、半田ペーストＰを吐出するノズル４２をスクリーンマスクＳに接触した状態でこの上を移動させてワークＷ上にバンプ印刷を行うものである。

近年、印刷バンプの微細化に応じてスクリーンマスクＳのマスク穴Ｓ₁も微細化し、半田ペーストＰも印刷だれ防止のために高粘度化していることから、従来のスキージ型印刷ヘッドのスキージ４１による印圧ではペーストのマスク穴Ｓ₁への充填が難しくなり、高圧で充填可能な密閉型印刷ヘッドが主流になりつつある。しかしながら、スキージ型印刷ヘッドに比べ、密閉型印刷ヘッドではノズル４２先端の半田ペーストＰが固着して印刷不良を起こすという問題がある。

図８は、（ａ）ノズル先端に半田ペーストＰの固着が発生する前と（ｂ）固着が発生した後の状態とを説明する図である。即ち、半田ペーストＰは、固体の半田粒子とフラックス溶剤の混合物であり、図８（ａ）に示すように半田粒子間がフラックス溶剤で満たされているため、半田ペーストＰは流動性を保っている。この点、スキージ型ヘッドでは図６に示すように印刷動作により半田ペーストＰは全体に流動・撹拌するため凝集が防止され流動性を維持するが、密閉型ヘッドでは半田ペーストＰはノズル４２内に拘束されるため、印刷動作により流動することも無く特にノズル先端付近の半田粒子はほとんど流動せず、液体のフラックス溶剤のみがノズル４２とスクリーンマスクＳとの密着面やスクリーンマスクＳとワークＷとの間隙ｇから流れ出るため、図８（ｂ）に示すように半田粒子同士が凝集・固着し流動性を失う。流動性を失った半田ペーストＰは印刷の際にスクリーンマスクＳのマスク穴Ｓ₁の中に十分に流入せず、バンプ欠け不良の原因になる。

上記の問題に対し従来のスクリーン印刷装置では、定期的にノズル先端に固着した半田ペーストＰを掻き出して廃棄する方法で対処してきたが、現状でも５０回の印刷作業毎にこの廃棄作業が必要であり、更に微細バンプに対応した小型印刷ヘッドでは１０回の印刷毎に廃棄作業が必要となり、著しく生産性を低下させている。今後、更にバンプの微細化が進むことから半田ペーストＰの半田粒子の微細化・高機能化が要求されており、廃棄作業による従来の固着対応方法における半田コスト及び生産性の低下が問題となっているため、廃棄作業が不要でより高生産性・省資源な半田バンプの印刷方法が求められている。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、定期的に印刷ヘッドのノズル先端の固着した半田ペーストを掻き出して廃棄する従来の廃棄作業を必要とせず、印刷バンプの微細化に対してもメンテナンスフリーで対応でき、半田コスト及び生産性の向上を可能としたスクリーン印刷方法を提供することである。

本発明は、前記課題を解決するための手段として、特許請求の範囲の各請求項に記載のスクリーン印刷方法を提供する。
請求項１に記載のスクリーン印刷方法は、印刷時には、印刷ヘッド４のノズル４２をスクリーンマスク面に押し付ける押付け力Ｆ ₁ が、ノズル４２から半田ペーストＰを吐出する吐出力Ｆ ₂ よりも大きくなるようにして、ノズル先端をスクリーンマスク面に密着させることで印刷を行い、またノズルクリーニング時には、ノズル４２のスクリーンマスク面への押付け力Ｆ ₁ が半田ペーストＰの吐出力Ｆ ₂ よりも小さくなるようにして、ノズル４２の先端とスクリーンマスク面との間に間隙ｇを生じさせることで、フラックスが減少した半田ペーストＰを間隙から流出させるようにしたものである。これにより、印刷するときには、ノズル４２の先端をスクリーンマスク面にぴったりと密着させるようにして通常印刷動作を行え、ノズル先端に半田が凝集した際のノズル４２のクリーニング時には、ノズル先端とスクリーンマスク面との間に間隙ｇを形成することで凝集した半田ペーストＰを流出させることができ、メンテナンスフリーで印刷不良が生じずに１００回以上の連続印刷が可能となる。

以下、図面に従って本発明の実施の形態のスクリーン印刷装置及びその印刷方法について説明する。図１は、本発明の実施の形態のスクリーン印刷装置の全体構成を示す図である。本発明のスクリーン印刷装置１は、基本的に、テーブル２１上に載置した、パッケージ基板であるワークＷをＸ軸、Ｙ軸及びθ方向に位置決めするワークアライメント部２、スクリーンマスクＳ（以下、「スクリーン」と称す）を上下に昇降するマスク上下駆動部３、半田ペーストＰを吐出する印刷ヘッド４、この印刷ヘッド４を上下に昇降するヘッド上下駆動部５及び印刷ヘッド４を横方向（左右方向）に往復移動するヘッド往復駆動部６等より構成されている。

ワークアライメント部２は、ワークＷを載置して保持するテーブル２１、Ｘ軸方向に移動するＸ方向移動台２２、Ｙ軸方向に移動するＹ方向移動台２３及びθ方向に回動する回動台２４とより構成されていて、これらが一緒に組み合わされて印刷装置１の基台１１上に設置されている。テーブル２１の上面は、多数の吸引孔（図示せず）を有する吸着面であって、ワークＷを載せた状態でこれを吸着して位置決めすることができる。これら吸引孔は図示されない真空ポンプに接続している。テーブル２１は、Ｘ方向移動台２２上に支持され、Ｘ方向移動台２２はＹ方向移動台２３上に支持され、更にＹ方向移動台２３が回動台２４上に支持されている。これによって、テーブル２１上のワークＷの位置がＸ軸、Ｙ軸及びθ方向に修正できるようになっている。なお、Ｘ軸、Ｙ軸方向の移動及びθ方向の回動は、サーボモータ２５によってそれぞれ行われる。

スクリーンＳとは、マスクの表面に所定のパターン（マスク穴Ｓ₁）が形成されているもの、例えば、メタルマスクや、狭義のスクリーンマスクを含む概念である。このスクリーンＳは、マスク上下駆動部３によって上下に昇降することが可能である。即ち、マスク上下駆動部３は、基台１１上に立設された昇降ガイド体１２に取り付けられた昇降用シリンダ３１と、昇降用シリンダ３１内を摺動するピストン体３２と、このピストン体３２に固定されている昇降部材３３及びこの昇降部材３３に結合されている、スクリーンＳを両側で保持する保持部材３４より構成されており、昇降部材３３を上下動させることによって、保持部材３４により保持されたスクリーンＳが上下に昇降する。昇降部材３３は、例えば昇降用シリンダ３１内に導入される流体によって作動される。

印刷装置１の基台１１上に立設された左右の昇降ガイド体１２間を架設して横架体１３が設けられている。この横架体１３には、これに平行に横方向のガイド体１４が設けられている。ガイド体１４には、ガイド体１４に沿って横方向に往復摺動可能な往復移動部材１５が嵌合していて、この往復移動部材１５にヘッド上下駆動部５が取り付けられている。また、横架体１３上にはヘッド往復駆動部６が設置されており、このヘッド往復駆動部６の往復動部材６１の先端にヘッド上下駆動部５が取り付けられている。図１では、ヘッド往復駆動部６としてボールネジ機構が採用されている。したがって、ヘッド往復駆動部６の作動による往復動部材６１の横方向の前進／後退に従って、ヘッド上下駆動部５も横方向に移動する。

ヘッド上下駆動部５は、往復動部材６１の先端に固着されたシリンダ部５１と、このシリンダ部５１内を摺動するピストン部５２とから構成され、このピストン部５２の先端部位に本発明の特徴であり、後に詳述するノズル押付け力調整機構７、掻き取り機構９及び吐出力調整機構８を有する印刷ヘッド４等が設けられている。このようにして、印刷ヘッド４は、横方向への往復移動及び上下方向への昇降の動きが可能である。なお説明においては、マスク上下駆動部３及びヘッド上下駆動部５をピストン−シリンダ機構とし、ヘッド往復駆動部６をボールネジ機構として説明しているが、これらの駆動部３，５，６として直線往復動機構であれば、ピストン−シリンダ機構、ボールネジ機構、ラック−ピニオン機構、リニアモータ機構等の適宜の機構が採用可能である。

次に本発明の特徴であるノズル押付け力調整機構７、吐出力調整機構８及び掻き取り機構９について説明する。ヘッド上下駆動部５のピストン部５２におけるロッドの先端には、ノズル押付け力調整機構７及び掻き取り機構９を支持する第１支持部材５３が取り付けられている。ノズル押付け力調整機構７は、第１シリンダ７１と、この第１シリンダ７１内を摺動する第１ピストン７２と、第１ピストン７２のロッド先端に固定された第２支持部材７３とより構成されていて、第１シリンダ７１内に導入される作動流体によって第１ピストン７２、即ち第２支持部材７３を上下動する。そしてノズル押付け力調整機構７の第１シリンダ７１が第１支持部材５３上に載置され保持されている。

同様に掻き取り機構９も、第２シリンダ９１と、この第２シリンダ９１内を摺動する第２ピストン９２と、第２ピストン９２のロッド先端に取り付けられた、ゴムスキージ、金属ブレード等の掻き取り部９３とから構成されていて、第２シリンダ９１内に導入される作動流体によって第２ピストン９２、即ち掻き取り部９３を上下動する。そして、掻き取り機構９の第２シリンダもまた第１支持部材５３上に載置され保持されている。

ノズル押付け力調整機構７の第２支持部材７３には、印刷ヘッド４が取り付けられている。印刷ヘッド４は、円筒状のシリンダ部４３、このシリンダ部４３内を摺動するピストン部４４及びシリンダ部４３に連通するノズル４２とより構成されており、シリンダ部４３が第２支持部材７３に固定されている。したがって、上下駆動部５の作動は、ノズル押付け力調整機構７を介して印刷ヘッド４を上下に昇降する。

印刷ヘッド４のシリンダ部４３上には、半田ペーストＰの吐出力Ｆ₂を調整する吐出力調整機構８が設けられている。吐出力調整機構８は、シリンダ部４３上に載置され、固定された第３シリンダ８１と、この第３シリンダ８１内を摺動する第３ピストン８２とより構成されている。この吐出力調整機構８の第３ピストン８２と、印刷ヘッド４のピストン部４４とは、シリンダ部４３及び第３シリンダ８１とを貫通するロッド８３によって連結されていて、バーベル形状を形成している。第３シリンダ８１内には作動流体が導入されるようになっており、印刷ヘッド４のシリンダ部４３には半田ペーストＰが導入されるようになっている。従って、第３シリンダ８１内に作動流体が導入されることによって、第３ピストン８２が下降して印刷ヘッド４のシリンダ部４３に接続するノズル４２から半田ペーストＰが吐出されるようになっている。

上記構成よりなる本実施形態のスクリーン印刷装置１の動作（印刷方法）について説明する。図２は、実施形態のスクリーン印刷装置の印刷動作を説明する部分拡大図であり、図３は、実施形態のスクリーン印刷装置のノズルクリーニング（廃棄）動作を説明する部分拡大図であり、図４は、印刷動作時とノズルクリーニング時の制御方法を示すグラフである。なお、本発明のスクリーン印刷装置１においても通常と同様のワークＷのアライメント操作が行われ、マスク上下駆動部３の作動によってスクリーンＳが下降し、ワークＷ上に密着配置される。

印刷時においては、ヘッド上下駆動部５を作動させ、印刷ヘッド４を下降させてノズル４２をスクリーンＳの上面に接触させる。この場合、ノズル押付け力調整機構７によってノズル４２のスクリーンＳ面への押付け力（ノズル加圧力）Ｆ₁が調整される。また、印刷ヘッド４のノズル４２から吐出される半田ペーストＰの吐出力Ｆ₂も吐出力調整機構８により調整される。この印刷時では、図２及び図４のノズル４２の押付け力Ｆ₁が半田ペーストＰの吐出力Ｆ₂よりも大きくなるように制御される。これによって、ノズル４２とスクリーンＳとの密着力Ｆ₃が高くなり、ノズル４２とスクリーンＳ面とはしっかりと密着する。この状態でヘッド往復駆動部６を作動して、スクリーンＳ面上を印刷ヘッド４が繰り返えし往復移動することで、バンプ印刷が行われる。ノズル４２とスクリーンＳ面とはしっかりと密着しているので、印刷動作に伴なうノズル４２とスクリーンＳとの隙間からフラックスのみが流出する。

次にノズルクリーニング（廃棄）時の動作について説明する。このノズルクリーニングは所定の回数の印刷動作によってフラックスが流出し、ノズル４２内の半田粒子の凝集が高まる回数毎に行われるものである。この場合、図４に示すようにノズル４２から吐出される半田ペーストＰの吐出力Ｆ₂は、印刷時と同じ吐出力Ｆ₂にしておき、ノズル押付け力調整機構７によってノズル４２のスクリーンＳ面への押付け力Ｆ₁を半田ペーストＰの吐出力Ｆ₂よりも小さくなるように制御する。これにより、図３に示すような力のバランスに切り替わり、ノズル４２が半田ペーストＰの吐出の反力によってノズル４２とスクリーンＳとの密着力Ｆ₃が低下し、ノズル４２の先端とスクリーンＳの上面との間に隙間ｇが生じ、この隙間ｇから半田ペーストＰが一部流出する。またこのノズルクリーニング時においては、掻き取り機構９が作動され、掻き取り部９３が下降して、スクリーンＳの上面に接触する位置に配置される。この状態でヘッド往復駆動部６を作動して、スクリーンＳ面上を印刷ヘッド４が往復移動すると共に、この印刷ヘッド４の動きに追随して掻き取り部９３もスクリーンＳ面上を掻き取り動作しながら往復移動する。これにより、スクリーンＳ上に流出した半田ペーストＰを除去できるので、印刷を停止することなくノズルクリーニングを行える。

以上の印刷動作とノズルクリーニング動作とをノズル４２における半田凝集状況に合わせて組み合わせることで、ノズル４２の先端部での半田ペーストＰの状態を維持することができる。また、スクリーンＳ上に付着した余剰半田は、スクリーンＳ面を見切るための掻き取り機構９の掻き取り部９１によって除去されるため、スクリーンＳの清掃も同時に行われ、乾燥によって発生した異物の除去も行う構成となっている。

以上説明したように、本発明では、通常の印刷時には図２に示すように印刷ヘッド４のノズル４２とスクリーンＳとが密着することからフラックスのみが流出し、印刷面半田のフラックスが減少するが、ノズルクリーニング動作として定期的に図３に示すようにノズル４２とスクリーンＳとの間に間隙ｇを生じさせることで、フラックスが減少した印刷面半田を流出させることができる。ノズルクリーニング動作を数回の通常印刷動作毎に実施することで印刷面半田のフラックス濃度のアンバランスを防ぎ、印刷不良を防止することができる。
具体的には従来では、印刷を約１０回程度実施するとノズル印刷面の半田ペーストが固着し、印刷不良が発生するのに対し、本発明の方法により６回毎にノズルクリーニング動作を行うことで印刷不良が生じずにメンテナンスフリーで１００回以上の連続印刷が可能となる。

また、本発明の構成ではスクリーン面を見切るために掻き取り機構９により、余剰な半田を除去することができるため、ノズルクリーニング動作時もバンプ印刷には支障なく良好な印刷ができるため、ノズルクリーニング（廃棄）のために従来のように装置を停止する必要がなく、半田ペーストが尽きるまで連続印刷が可能となり、高い生産性が維持できる。
更に、従来の印刷装置はスクリーン上に流出したフラックスが乾燥して、汚れとなってスクリーンのマスク穴の目詰まりや印刷不良の原因となっていたが、本発明の構成では、ノズルクリーニング動作による余剰半田の除去動作によってフラックスの乾燥と異物との除去が行われ、スクリーン面の清浄度を維持することもできる。

本発明の実施の形態のスクリーン印刷装置の全体構成を示す図である。 本発明の実施の形態のスクリーン印刷装置の印刷動作を説明する部分拡大図である。 本発明の実施の形態のスクリーン印刷装置のノズルクリーニング動作を説明する部分拡大図である。 本発明のスクリーン印刷装置による印刷方法（制御方法）を説明するグラフである。 従来のスクリーン印刷装置の全体構成図である。 従来のスキージ型印刷ヘッドを説明する図である。 従来の密閉型印刷ヘッドを説明する図である。 従来の密閉型印刷ヘッド内部の半田ペーストとその印刷状態を、（ａ）固着発生前と（ｂ）固着発生後で説明する図である。

符号の説明

１ スクリーン印刷装置
１４ ガイド体
１５ 往復移動部材
２ ワークアライメント部
２１ テーブル
３ マスク上下駆動部
４ 印刷ヘッド
４２ ノズル
４３ シリンダ部
５ ヘッド上下駆動部
５３ 第１支持部材
６ ヘッド往復駆動部
７ ノズル押付け力調整機構
７１ 第１シリンダ
７２ 第１ピストン
７３ 第２支持部材
８ 吐出力調整機構
８１ 第３シリンダ
８２ 第３ピストン
８３ ロッド
９ 掻き取り機構
９１ 第２シリンダ
９２ 第２ピストン
９３ 掻き取り部
Ｗ ワーク
Ｓ スクリーンマスク（スクリーン）
Ｐ 半田ペースト
ｇ 間隙
Ｆ₁ 押付け力
Ｆ₂ 吐出力
Ｆ₃ 密着力

Claims (1)

1. 所定のパターンが印刷されるワーク（Ｗ）に所定のパターンが形成されたスクリーンマスク（Ｓ）を重ね、該スクリーンマスク（Ｓ）を介して半田ペースト（Ｐ）をワーク（Ｗ）上に印刷するスクリーン印刷方法において、
   印刷時には、印刷ヘッド（４）のノズル（４２）をスクリーンマスク面に押し付ける押付け力（Ｆ₁）が、前記ノズル（４２）から半田ペースト（Ｐ）を吐出する（Ｆ₂）吐出力よりも大きくなるようにして、前記ノズル（４２）の先端をスクリーンマスク面に密着させることで印刷を行い、また
   ノズルクリーニング時には、前記ノズル（４２）のスクリーンマスク面への押付け力（Ｆ₁）が半田ペースト（Ｐ）の吐出力（Ｆ₂）よりも小さくなるようにして、前記ノズル（４２）の先端とスクリーンマスク面との間に間隙（ｇ）を生じさせることで、フラックスが減少した半田ペースト（Ｐ）を前記間隙から流出させることを特徴とするスクリーン印刷方法。

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