JP4899400B2 - スクリーン印刷装置 - Google Patents

Description

本発明はスクリーン印刷装置に係り、特に印刷に用いるスキージに関する。

従来のスクリーン印刷装置では特許文献１に記載のように弾性を有するスキージ・ゴムを用いて、印刷ペーストがスクリーンを介して基板等に印刷されるものがある。

また、特許文献２に記載のように、スキージ本体をゴムに金属板を貼り合せ、ゴム部分をマスクに接触させる構成としたものや、逆に金属板部をマスクに接触させる構成としたものが特許文献３に開示されている。

特開２０００−６２１４０号公報 特開平１０−０８６３２７号公報 実開平０７−０１１３３８号公報

特許文献１や２のゴム製のスキージはエッジ部が磨耗し易く、１０００回程度の印刷回数でスキージ交換が必要であった。また、比較的に大口径のパターン開口に対しては、先端エッジ部の柔軟性によりスキージがマスク開口部内にもぐり、印刷ペーストをえぐり掻き出してしまうため、印刷膜厚が薄くなり、赤目と呼ばれる印刷不良の要因となっていた。

さらに特許文献３のように、金属製の薄い平板を使用したメタルスキージを使用することで、そのエッジ部を局部的に変位させないことにより、先のゴム製の場合に発生する、えぐれによる印刷不良を減らすようにできるが、板厚み、スキージホルダからの首下長さ、腰の強弱等の設定が困難であった。

本発明の目的は、０．４ｍｍピッチＣＳＰ、０６０３チップ部品、０４０２チップ部品のようなデバイス使用のための超ファインパターン印刷における、基板凹凸、マスク平坦度、スキージ平行度等の微小変位要因に対し、安定したスキージ性能を得る。更には低印圧印刷での超ファインピッチ印刷における転写量確保の為の、はんだ充填力アップとマスクへの負荷を軽減することであり、ユーザが簡単に使用でき、安定した印刷性を得ることができるスクリーン印刷装置用スキージおよび前記スキージを装備したスクリーン印刷装置を提供することである。

本発明の特徴とするところは、スキージの中間部をウレタンとし、スクリーンに接触する部位はメタルとし、メタル先端部に段付き形状を具備させた。その他の方法としてスキージ中間部にジャバラ形状をもたせ、先端部には階段状段付き形状を持たせた金属製の一体型スキージを具備させたことを特徴とする。

本発明の効果としては次の項目が挙げられる。
（１）外乱変動時においても、安定したスキージ性能により、印刷歩留まりの向上が図れ、印刷品質の安定化と不良低減に貢献する。
（２）低印圧印刷時でも印刷膜厚みを安定化させ、印刷厚みを確保する。
（３）マスクの歪変形を低減させ高精度印刷に寄与する。
（４）超薄型マスクの変形防止と長寿命化に寄与する。

図１、図２で本発明におけるスクリーン印刷装置の構成を説明する。図１（ａ）にスクリーン印刷装置の正面から見た構成とシステム構成図を示す。さらに図１（ｂ）にスクリーン印刷装置を側面から見た構成と印刷機制御部のブロック線図を示す。また図２（ａ）にスクリーン印刷装置を側面から見た構成で基板を搬入して位置合わせを行っている状態を、（ｂ）に印刷中の状態を示す。

本体フレームには版枠受けが設けられており、版枠受けには印刷パターンを開口部として持つスクリーン２１を張ったマスク２０がセットされるように構成されている。マスク２０の上方には、スキージヘッド２が配置され、スキージヘッド２にはスキージ３が装着されている。スキージヘッドはスキージ移動機構６により水平方向に移動が可能であり、スキージ３はスキージ昇降機構４によって上下方向に移動できる。マスク２０の下方にはマスク２０に対向するように印刷対象物である基板５を載置して保持する印刷テーブル１０が設けて有る。この印刷テーブル１０は、基板５を水平方向に移動してマスク２０との位置合わせを行うＸＹθテーブル１１と、基板５を受け取りコンベア２６から受け取り、かつ基板５をスクリーン２１面に近付けるか又は接触させるためのテーブル昇降機構１２とを備えている。印刷テーブル１０の上面には基板受け取りコンベア２６が設けられており、基板搬入コンベア２５によって搬入された基板５を印刷テーブル１０上に受け取り、印刷が終了すると基板搬出コンベア２７に基板５を排出する。

全自動スクリーン印刷装置においてはマスク２０と基板５の位置合わせを自動的に行う機能を備えている。すなわち、ＣＣＤカメラ１５によって、マスク２０と基板５のそれぞれに設けられている位置合わせ用マークを撮像し、画像処理して位置ずれ量を求めて、そのずれ量を補正するようにＸＹθテーブル１１を駆動して位置合わせを行うものである。

なお、各部駆動用の印刷制御部３６やＣＣＤカメラ１５からの画像信号を処理する画像入力部３７等を備えた印刷機制御部３０は、印刷機本体フレームの内部に設けてあり、制御用データの書き換えや、印刷条件の変更等を行うためのデータ入力部５０や、印刷状況等や取込んだ認識マークをモニタするための表示部４０が印刷機の外側に、配置してある。

次に本発明の印刷装置の動作を説明する。

クリームはんだを印刷される基板５は、基板搬入コンベア２５によって基板受け取りコンベア２６に供給され、印刷テーブル１０上の所定の位置に固定される。基板固定後、予め登録設定された基板マーク位置にＣＣＤカメラ１５を移動する。続いてＣＣＤカメラ１５が基板５及びマスク２０に設けられた位置認識用マーク（図示せず）を撮像し、印刷機制御部３０に転送する。制御部内の画像入力部３７に入力された画像信号は、相関値演算部３１、形状推定部３２にて予め登録されている辞書部３８のデータ等を用いてマークを認識し、位置座標演算部３３、寸法計算部３４でマスク２０と基板５の位置ずれ量を求め、その結果に基づいてＸＹθテーブル制御部３５がＸＹθテーブル１１を動作させてマスクに対する基板の位置を修正・位置合わせする。位置合わせ動作完了後、カメラ１５が印刷テーブル１０と干渉しない位置まで所定量退避動作する。カメラ１５が退避完了後、印刷テーブル１０が上昇し、基板５とマスク２０に張られているスクリーン２１とを接触させる。その後、スキージ昇降シリンダ４によってスキージ３がスクリーン面上に下降し、スキージヘッド２の移動によってスクリーン２１上に供給されていたクリームはんだ５０がスクリーン２１の開口部に充填され、基板５に転写される。スキージ３は水平方向に一定距離ストロークした後に上昇する。そして、印刷テーブル１０が下降し、スクリーン２１と基板５が離れ、スクリーン２１の開口部に充填されたクリームはんだが基板５に転写される。そして、クリームはんだが印刷された基板５は基板搬出コンベア２７を経て次工程に送られる。

なお、基板５とマスク２０には相対的に同一な箇所に認識位置合わせ用マークが２ケ以上設けられており、この双方のマーク各々を、上下方向２視野を有する特殊なＣＣＤカメラ１５により、マスク２０のマークは下から認識し、基板５のマークは上から認識して、所定の箇所のマーク全ての位置座標を読み取り、マスク２０に対する基板５のずれ量を位置演算・補正し、基板５をマスク２０に対して位置合わせする。

印刷機制御部には、図示していない印圧をコントロールする印圧制御部をもち、生産する基板の実装密度や開口径の違い及び使用するスキージのバネ定数によって適切な印圧を簡単にセレクト設定できる。また、マスクを介し基板に押圧されるスキージ先端の圧力が変動しないようフィードバック制御を行っている。

次に図３、図４を使用して、本発明のスクリーン印刷装置用スキージおよび前記スキージを装備したスクリーン印刷装置について説明する。

図３に、複合式メタルスキージの一事例を示す。

スキージホルダがスキージ３を固定する第２スキージホルダ５２と駆動部側に設けてある第１スキージホルダ５１との２つに分割され、その間に弾性部材５３を配置した構成としたものである。

スクリーン２１に接触するスキージ３部はメタルで構成してある。とし、第１スキージホルダと第２スキージホルダの中間部の弾性部材５３は、硬度８０度のウレタンゴムで形成されている。さらには、スキージ３は段付のメタルスキージとし、スキージホルダ側の厚みを０．２５ｍｍのメタル板として耐久性を持たせ、先端部の厚みは０．０５ｍｍとした。また、メタルスキージをアディティブ法で製作することにより、先端エッジ部の稜線粗さを０．５μm以下と高精度に製作できる。

図４に示すスクリーン印刷の事例のように、通常、基板５表面にコートされる回路絶縁用のパターンレジスト５５厚みは２０μm程度あり、印刷される基板の電極パッド５６部周囲に被さっているケースがあり、結果的にスクリーン２１と電極パッド５６間にギャップが開いてしまう。更にはレジスト５５の上にデバイス番号や、基板名称等を表記するためのシルク印刷５７も施されており、シルク印刷５７の厚みは３０〜４０μmと厚いため、前記レジスト５５の厚み分と合算すると５０〜６０μｍものギャップが発生してしまう。スクリーン２１表面から電極パッド５６表面までの深さが２０〜６０μｍものギャップに対しペースト５０を印刷するときにペースト５０を充填する力が無いと電極パッド５６表面までペースト５０が届かずに未転写部が発生することとなる。

本発明によれば、ウレタンゴム５３部の曲げ応力に対する反発力を利用しペースト５０が充填される力を発生することができる。図４（ｂ）の印圧Pに対し、F1及びF2は各々、F１＝Ｐ・COSΘ、Ｆ２＝Ｐ・COSΘであるので、ウレタンゴム５０部が撓むことによりΘが小さくなるのでＦ１＜Ｆ２となり、スキージ３に対して直角方向に作用する力が大きくなることで、印刷時におけるペーストのローリング力（矢印方向への移動力）も大きくなり、スクリーン開口部への充填力がアップし、スクリーン２１からのギヤップが大きい電極パッド５６上へもペースト充填が可能となる。

また、ウレタンゴム５３部が柔軟に変形することにより、局部的な凹凸のみならず、基板全体がコンベックス状態もしくはコーンケーブ状態となっていても容易に追従が可能である。本構成とすることで、従来のメタルスキージ及びバックプレート付きメタルスキージにおける基板の凹凸に対する追従性の問題点を解決した。さらにはマスクとスキージの摺動時における微振動の発生を吸収し、印刷ビビリの無い良好な印刷仕上がり面を提供することが可能である。

更には、メタル先端の階段状段付き部メタルスキージは、開口部穴には落ち込まないが、シルク印刷部厚み等による微小な凹凸や段差部の変位に対しては、印刷時に感度良く追従することが出来るようにしている。ここでいう印刷時における感度の良さとは、スキージのバネ定数の大小の差である。バネ振り子の周期Tは次式Ｔ＝２π（Ｗ／ｇｋ）^１／２にて求められるので、バネ定数ｋが大きい程周期が短く、すなわち振動数が高く感度が良くなり、いわゆる敏感に反応ができることとなる。逆にバネ定数ｋが小さいほど、振動周期が長くなり、振動数が低くなり、スキージの反応としては鈍感となる。

図５に複合式メタルスキージの等価バネ系事例を示す。

スキージ中間部ウレタンゴム部によるたわみをδ１、メタルスキージ先端の段付き部のたわみをδ２とし、先端に加わる荷重Ｗのみに着目すると、図５に示すようなバネ定数ｋ１とバネ定数ｋ２の２つのバネを直列接続したものとみなすことができる。たわみの理論値はδ＝ＷＩ^３/３ＥＩより、スキージに使用されている材質及び断面寸法形状が分かればδ1及びδ2の値は計算が可能である。また、フックの法則により、ｋ＝Ｗ／δであるのでバネ定数を計算で求めることができる。ここで合成バネ定数をＫとすると、（１／Ｋ）＝（１／ｋ１）＋（１／ｋ２）より、図５に示す合成バネ定数を求めることが可能である。

図６（ａ）に原理説明図を、（ｂ）に異なるバネ定数をもつスキージのバネ部の実施例を、（ｃ）に全体構成を示す。本図は図３に示した発明に対して、更に別の方法により、スキージ高さ方向に2種以上のバネ定数を具備させた実施例である。スキージホルダとスキージとの中間部にスプリング形状の弾性体(バネ)を具備し、更に先端部に異なる折り曲げ回数と異なる折り曲げ長さを具備したスプリング形状、若しくは、階段状段付き形状を持たせた金属製の一体型スキージとして構成される。本構成とすることで図６(ａ)に示すように、垂直方向に柔軟に変位でき基板の凹凸に柔軟に追従できるものである。

本図の実施例によるスプリング状部を持つ一体型スキージを使用することで、図３に示した複合式スキージと同等な性能を実現できる。また、複合式スキージよりも大幅に使用部材点数を減らすことが出来ると同時に、一体型のため製作方法もアディティブ法や成型プレスなど多様な方法が考えられ、コストダウンが可能である。更にはスキージ質量を低減させ、より低印圧で効果的な充填力を発生させることが可能となり、良好な印刷結果が得られる。

スクリーン印刷装置の一事例を示す図である。 図１の装置の動作を説明するための図である。 複合式メタルスキージの一事例を示す図である。 図３のスキージによる印刷の一事例を示す図である。 複合式メタルスキージの等価バネ系 スチールバネでスキージを形成した例を示す図である。

符号の説明

１…印刷ユニット本体、２…スキージヘッド、３…スキージ、１０…印刷テーブル、１１…ＸＹθテーブル、１５…カメラ、２０…マスク、２１…基板。

Claims (2)

1. 基板表面の２箇所以上の任意パターンを使用し、画像処理に基づいて該基板をスクリーンに位置合わせし、基板面上にマスクを介してスキージにより、ペーストを塗布するスクリーン印刷装置において、
   スキージホルダが、駆動部側に設けられた第１のスキージホルダとウレタンゴムを介して連結された第２のスキージホルダとからなり、前記第２のスキージホルダにスキージを取り付け、前記スキージがメタルスキージで形成され、前記メタルスキージはホルダ側の厚みより先端側の厚みを薄く形成した段付き構成とすることで、スキージ先端部ほど３段にバネ定数が小さくなるようにしたことを特徴とするスクリーン印刷装置。
2. 請求項１に記載のスクリーン印刷装置において、
   前記メタルスキージが、スキージのホルダ側の厚みを０．２５ｍｍ、先端側の厚みを０．０５ｍｍとしたことを特徴とするスクリーン印刷装置。

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