JP4775136B2 - スクリーン印刷装置及びその印刷方法 - 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装置及びその印刷方法に係り、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装置及びその印刷方法に関する。

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マスク穴Ｓ₁が開けられたスクリーンマスクＳをワークＷ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４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５に示されるスキージ型印刷ヘッドか又は図６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７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７（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５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との間隙から流れ出るため、図７（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、半田コストの低減及び生産性の向上を可能としたスクリーン印刷装置及びその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装置及び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装置は、半田ペーストＰをワークＷ上に印刷するノズル４２を有する印刷ヘッド４の外部に、このノズル４２内の半田ペーストＰを撹拌するための撹拌機構７を設けていて、該撹拌機構７がノズル４２内に出入する撹拌プレート７１と、この撹拌プレート７１を動作させる第３ピストン７３とを有しており、該撹拌機構７がスクリーンマスクＳに対して印刷ヘッド４と反対側であるスクリーンマスクＳの下側に設けられると共に、スクリーンマスクＳには、撹拌プレート７１を通す通過穴Ｓ ₂ が設けられたものであり、これにより、数回の印刷毎にノズル４２先端のフラックスが減少した半田ペーストＰを撹拌機構７によって撹拌することで、ノズル４２内の半田ペーストＰのフラックス濃度のアンバランスを解消し、フラックスが減少した半田ペーストＰの廃棄作業を不要としたメンテナンスフリーで連続印刷を可能としている。したがって、省資源で生産性の向上した半田印刷を行うことができる。

また、請求項１の該印刷装置では、撹拌機構７がノズル４２内に出入する撹拌プレート７１と、この撹拌プレート７１を動作させる第３ピストン７３とを有しているので、撹拌時に撹拌プレート７１をノズル４２先端に挿入することで撹拌が行え、印刷時には、撹拌プレート７１はノズル４２の外に引き出された状態で印刷が行える。
さらに、請求項１の該印刷装置では、撹拌機構７がスクリーンマスクＳに対して印刷ヘッド４と反対側であるスクリーンマスクＳの下側に設けられ、スクリーンマスクＳには、撹拌プレート７１を通す通過穴Ｓ₂が設けられているので、撹拌時に印刷ヘッド４と撹拌機構７とをスクリーンマスクＳを挟んで上下に配置することができ、撹拌プレート７１を通過穴Ｓ₂を通ってノズル４２先端口から容易に挿入できる。また、撹拌時にスクリーンマスクＳ上の印刷エリアから撹拌エリアに印刷ヘッド４をヘッド往復駆動部６により横方向に少し移動させるだけで、撹拌作業を行うことが可能となる。

請求項２に記載のスクリーン印刷方法は、数回の印刷動作毎に印刷ヘッド４をスクリーンマスクＳの撹拌エリアに移動し、撹拌機構７の撹拌プレート７１を印刷ヘッド４のノズル４２内に挿入し、その内部の半田ペーストＰをノズル内壁面に押し付ける撹拌動作を行うと共に、該撹拌動作が、撹拌プレート７１をノズル４２内に挿入する動作と、撹拌プレート７１がノズル４２内に挿入された状態で印刷ヘッド４を横方向に移動する動作とを含んでいるものである。これは、請求項１の装置発明を方法発明に変えたものであり、その作用効果は装置発明と同様である。
また、撹拌動作が、撹拌プレート７１をノズル４２内に挿入する動作と、撹拌プレート７１がノズル４２内に挿入された状態で印刷ヘッド４を横方向に移動する動作を含んでいるので、ノズル４２先端内のフラックスが減少した半田ペーストＰをノズル内壁面に押し付け、その空きスペースに新らたに半田ペーストＰが供給されることで、半田ペーストＰ内の撹拌が起こり、フラックスの割合が均一化する。

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。本発明の実施の形態のスクリーン印刷装置もその基本的構造は、従来のスクリーン印刷装置と同様であるので、まず図４に基づいてスクリーン印刷装置の全体構成について説明する。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Ｓ」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４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の先端部位に印刷ヘッド４が設けられている。このようにして、印刷ヘッド４は、ワークＷが保持されるテーブル２１の上方で、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。

次に本発明の特徴とする構成について図１に基づいて説明する。図１は、本願の実施の形態の印刷装置の主要部である印刷ヘッド及び撹拌機構の断面図である。印刷ヘッド４は、半田ペーストＰが導入される第１シリンダ４３と、この第１シリンダ４３に接続されているノズル４２と、作動流体が導入される第２シリンダ４４と、第１及び第２シリンダ４３，４４とに渡って摺動可能に挿入されている印刷ピストン４５とより構成されている。第１シリンダ４３は、ノズル４２より大きな内径であって、第２シリンダ４４の内径とほぼ同じ内径の円筒形状をしている。印刷ピストン４５は、第１シリンダ４３内を摺動する第１ピストン４５ａと、第２シリンダ４４内を摺動する第２ピストン４５ｂと、第１、第２シリンダ４３，４４を貫通して、それぞれの端部で第１及び第２ピストン４５ａ，４５ｂに連結しているロッド４５ｃより構成されていて、バーベル形状をしている。

第１シリンダ４３内には、外部から半田ペーストＰが補給されるようになっている。また、第２シリンダ４４内には、作動流体であるエアがエア供給源から導入されるようになっている。従って、第２シリンダ４４内に作動流体が導入されることによって、印刷ピストン４５（第２ピストン４５ｂと第１ピストン４５ａ）が図１において下方に移動し、第１シリンダ４３に接続されたノズル４２から半田ペーストＰが吐出されるようになっている。

ワークＷ上に載置されたスクリーンＳの下面には、撹拌機構７が設置されている。撹拌機構７は、ノズル４２内に挿入可能な撹拌プレート７１と、作動流体が導入される第３シリンダ７２と、撹拌プレート７１が取り付けられ、第３シリンダ７２内を摺動する第３ピストン７３よりなる。第３シリンダ７２は、エア供給源と接続していて、作動流体であるエアが導入されることによって、第３ピストン７３は第３シリンダ７２内を上昇する。第３ピストン７３のロッドの先端には、撹拌プレート７１が取り付けられており、第３ピストン７３の上昇と共に撹拌プレート７１も上昇し、後述するように印刷ヘッド４のノズル４２内に挿入される。作動流体の第３シリンダ７２内からの放出等により、第３ピストン７３は降下する。

スクリーンＳのマスク穴Ｓ₁が形成された印刷エリアからずれた、スクリーンＳの周辺部には撹拌エリアが設けられ、この撹拌エリアに撹拌機構７の撹拌プレート７１が通過する通過穴Ｓ₂が穿設されている。したがって、この通過穴Ｓ₂の開口断面は、撹拌プレート７１の断面と略同じである。また、通過穴Ｓ₂の真下に撹拌機構７が配置されるようになっている。したがって、撹拌時に印刷ヘッド４がスクリーンＳの撹拌エリア（通過穴Ｓ₂）上に移動したとき、印刷ヘッド４と撹拌機構７とはスクリーンＳ（通過穴Ｓ₂）を挟んで直線上に上下に配列されるようになる。

次に、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（ａ）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２（ｂ）は撹拌動作を説明する部分拡大図である。また、図３は本実施形態の作用効果を説明する図であり、撹拌動作により半田ペーストの固着が防止される様子を示している。

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、所定の力でスクリーンＳ面に押し付ける。こうしてノズル４２先端面とスクリーンＳ面としっかりと密着させた状態でヘッド往復駆動部６を作動して、スクリーンＳの印刷エリア上を印刷ヘッド４が繰り返えし往復移動すると同時に、印刷ヘッド４の印刷ピストン４５によってノズル４２内部の半田ペーストＰが加圧されノズル先端から吐出することにより、半田ペーストＰがスクリーンＳのマスク穴Ｓ₁を通じてワークＷに印刷される。ノズル４２先端とスクリーンＳ面とはしっかりと密着しているので、印刷動作に伴なうスクリーンＳとワークＷとの隙間からフラックスのみが流出し、フラックス濃度のアンバランスが生じる。したがって、印刷動作を繰り返えす毎に徐々にノズル４２の先端には、フラックスが減少した半田ペーストＰが堆積してくる。

次に撹拌時のノズル４２内の撹拌動作について説明する。この撹拌動作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内の半田粒子が凝集が高まる回数毎に行われるものである。撹拌時には、印刷ヘッド４内の印刷ピストン４２による半田ペーストＰへの加圧を停止し、ヘッド往復駆動部６によって印刷ヘッド４をスクリーンＳの撹拌エリアに移動する。こうして、印刷ヘッド４と撹拌機構７とが通過穴Ｓ₂を挟んで上下に配列された状態で、撹拌機構７を作動する。即ち、エア供給源からエアを第３シリンダ７２に供給し、第３ピストン７３を上昇する。これによって、撹拌プレート７１はスクリーンＳの通過穴Ｓ₂を通ってノズル４２の先端からノズル４２内に挿入される。撹拌プレート７１がノズル４２内に挿入された状態で、ヘッド往復駆動部６によって印刷ヘッド４を微小に横方向に移動する。この動作によってノズル４２内部の半田ペーストＰがノズル４２内壁面に押し付けられる。その後、撹拌プレート７１は下降して元の位置へと戻る。

この撹拌動作による作用を図３に従って説明する。印刷時に印刷面の半田ペーストＰからスクリーンＳとワークＷの隙間にフラックスが抜けるために、ノズル４２の先端部には図３（ａ）に示すようにフラックスが減少した半田ペーストＰが凝集する。そこで、図３（ｂ）に示すように撹拌プレート７１のノズル４２への挿入動作Ｆ₁と印刷ヘッド４のヘッド往復駆動部６による横方向への移動動作Ｆ₂とを組み合わせた撹拌動作により、フラックスが減少した半田ペーストＰをノズル４２の内壁面に押し付け、空いた空間Ｇに次回の印刷で新たな半田ペーストＰを供給し、図３（ｃ）に示すように半田ペーストＰ全体を撹拌・混合することにより、フラックス濃度のアンバランスを解消し、固着状態を未然に防止する。

具体的には、上記実施形態では撹拌動作を行わない場合では、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、印刷不良が発生していたが、撹拌動作を印刷５回毎に１回実施することで、半田廃棄作業で生産性を低下させることなく、メンテナンスフリーで１００回以上の連続印刷が可能になる。

本発明の実施の形態のスクリーン印刷装置の要部である印刷ヘッドと撹拌機構の拡大断面図である。 本実施形態のスクリーン印刷装置による、（ａ）印刷動作と（ｂ）撹拌動作とを説明する図である。 本発明の作用効果を説明する図である。 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
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
４５ 印刷ピストン
５ ヘッド上下駆動部
６ ヘッド往復駆動部
７ 撹拌機構
７１ 撹拌プレート
７２ 第３シリンダ
７３ 第３ピストン
Ｗ ワーク
Ｓ スクリーンマスク（スクリーン）
Ｓ₁ マスク穴
Ｓ₂ 通過穴
Ｐ 半田ペースト

Claims (2)

1. ワーク（Ｗ）を載置し、その位置決めを行うワークアライメント部（２）と、
   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）と、
   半田ペースト（Ｐ）をワーク（Ｗ）上に印刷するノズル（４２）を有する印刷ヘッド（４）と、
   前記印刷ヘッド（４）を横方向に往復移動するヘッド往復駆動部（６）と、
   前記印刷ヘッド（４）を上下に昇降するヘッド上下駆動部（５）と、
   を具備していて、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前記スクリーンマスク（Ｓ）を重ね、前記スクリーンマスク（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装置において、
   前記印刷ヘッド（４）の外部に前記ノズル（４２）内の半田ペースト（Ｐ）を撹拌するための撹拌機構（７）が設けられていて、
   前記撹拌機構（７）が、前記ノズル（４２）内に出入する撹拌プレート（７１）と、前記撹拌プレート（７１）を動作させる第３ピストン（７３）とを有しており、かつ
   前記撹拌機構（７）が前記スクリーンマスク（Ｓ）に対して前記印刷ヘッド（４）と反対側である前記スクリーンマスク（Ｓ）の下側に設けられると共に、前記スクリーンマスク（Ｓ）には、前記撹拌プレート（７１）を通すための通過穴（Ｓ ₂ ）が設けられていることを特徴とするスクリーン印刷装置。
2. 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、
   数回の印刷動作毎に印刷ヘッド（４）をスクリーンマスク（Ｓ）の撹拌エリアに移動し、撹拌機構（７）の撹拌プレート（７１）を前記印刷ヘッド（４）のノズル（４２）内に挿し、その内部の半田ペースト（Ｐ）をノズル内壁面に押し付ける撹拌動作を行っており、
   前記撹拌動作が、前記撹拌プレート（７１）を前記ノズル（４２）内に挿入する動作と、前記撹拌プレート（７１）が前記ノズル（４２）内に挿入された状態で、前記印刷ヘッド（４）を横方向に移動する動作とを含んでいることを特徴とするスクリーン印刷方法。

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