JP4989994B2 - スクリーン印刷方法およびスクリーン印刷装置 - Google Patents

Description

本発明は、電子回路基板に導電性の印刷材料を印刷するスクリーン印刷方法に関する。

電子回路基板の製造においては、基板上にスクリーン印刷によって導電性ペーストを印刷して、そこにチップ部品などの電子部品を配置し、半田付けして、配線パターンのランドに電子部品を実装して電子回路が構築されている。

その印刷の際に用いられる、従来の印刷装置の一例を図４と図５に示す。
図４に示す印刷装置では、基板４の印刷面にマスク６がセットされており、マスク６に形成されている開口部６ａに印刷材料を充填するために、印刷方向（矢印Ｆ方向）を左から右となるように見たとき、スキージ１の前方にあるローラ１０を反時計回りに回転させることにより、ローラ１０の後部にて印刷面に対して印刷材料１１が対流する高圧部１２を作り出して、開口部６ａに印刷材料を充填している。

または、図５に示すように、スキージ１とローラ１３の間に印刷材料１１の密閉空間をつくり、ローラ１３を印刷方向（矢印Ｆ方向）に回転させて印刷材料１１を密閉空間へ掻きこむことにより高圧領域を作り出し、印刷材料をスクリーン６の開口部６ａに充填している。
特開平０９−２３９９５５号公報 特開２００５−２２９０９４公報

図４の方法では、マスク６の開口部６ａにおける印刷材料の圧力が低いため、高アスペクト比の穴への印刷材料充填力は不十分である。また、図５の方法では、印刷材料の対流の印刷面に対して垂直方向成分の発生が小さく、高アスペクト比の穴への印刷材料充填力は不十分である。

さらに、前記２つの方法では、ローラ１３の後部のスキージ１と印刷面との間の空間、とりわけスキージ印刷面の接触部近傍が高圧となるために、図６に示すように、スキージ通過後に（ｂ）で示したように印刷材料が残るという課題もある。

その課題を解決するためにスキージの印刷面への押圧を高めると、マスク６や基板４、さらにはスキージ１へのダメージが発生し、スキージ１やマスク６などの印刷部材の耐久性や、印刷精度を悪化させる原因となっている。

また、スキージ１の直前部の圧力が高く、かつ印刷面に大きな開口が存在する場合には、図５に示すように、開口部を介してスキージ前部の圧力によってスキージ後部の印刷材料が（ａ）で示すように盛り上がってしまうという現象も発生する。

さらに、図７に示すように、スキージ１がやわらかい樹脂などの材質である場合は、スキージ１の押圧が高い場合は、印刷面の大きな開口の時に、開口部６ａの内までスキージ１を潜り込ませてしまい、（ｃ）で示すように印刷材料が必要量よりも少なく充填されてしまう。一方で、スキージ１の材質が硬い場合には、印刷材料の充填量の減少は軽減されるが、印刷面のマスク６、もしくは電子回路基板、スキージへのダメージが発生し、それぞれの部材の耐久性が損なわれたり、印刷精度の悪化が発生するなどの不具合が起こる。

本発明は、高アスペクト比の開口部への印刷材料の充填力が十分で、印刷材料を十分に充填させ、かつ、その動作を高速に安定させて行うことができるスクリーン印刷方法及びスクリーン印刷装置を提供することを目的とする。

本発明の請求項１記載のスクリーン印刷方法は、印刷方向に対して後部が印刷用マスクの表面に接したスキージを前記印刷方向に動かして印刷材料を掻くとともに、前記印刷用マスクと平行な第１，第２のローラを、第１，第２のローラの間の隙間よりも、それぞれのローラと印刷用マスクとの隙間が狭く配置し、第１のローラを第２のローラに向かって回転させ、第２のローラを第１のローラに向かって回転させて、前記板状のスキージによって掻かれて移動する印刷材料を、第１，第２のローラの間の隙間から前記印刷用マスクの上に向かって供給することを特徴とする。

本発明の請求項２記載のスクリーン印刷方法は、真空中において、印刷方向に対して後部が印刷用マスクの表面に接した板状のスキージを前記印刷方向に動かして印刷材料を掻くとともに、前記板状のスキージによって掻かれて移動する印刷材料を前記印刷用マスクと平行な第１，第２のローラによって、第１のローラを第２のローラに向かって回転させ、第２のローラを第１のローラに向かって回転させて、第１，第２のローラの間の隙間から前記印刷用マスクの上に向かって供給することを特徴とする。
本発明の請求項３記載のスクリーン印刷方法は、請求項１または請求項２において、前記スキージと第１，第２のローラを前記印刷方向に同じ速度で移動させることを特徴とする。

本発明の請求項４記載のスクリーン印刷装置は、印刷方向に対して後部が印刷用マスクの表面に接した板状のスキージと、前記板状のスキージと印刷用マスクの間に溜まった印刷材料の中に配置され前記印刷用マスクと互いに平行な第１，第２のローラと、印刷用マスクと板状のスキージを相対移動させて前記印刷材料を掻くとともに、第１のローラを第２のローラに向かって回転させ、第２のローラを第１のローラに向かって回転させて、第１，第２のローラの間の隙間から前記印刷用マスクの上に向かって供給する駆動手段とを設け、第１，第２のローラの間の隙間よりも、それぞれのローラと印刷用マスクとの隙間が狭いことを特徴とする。
本発明の請求項５記載のスクリーン印刷装置は、真空中に配置され印刷方向に対して後部が印刷用マスクの表面に接した板状のスキージと、真空中に配置され前記板状のスキージと印刷用マスクの間に溜まった印刷材料の中に配置され前記印刷用マスクと互いに平行な第１，第２のローラと、印刷用マスクと板状のスキージを相対移動させて前記印刷材料を掻くとともに、第１のローラを第２のローラに向かって回転させ、第２のローラを第１のローラに向かって回転させて、第１，第２のローラの間の隙間から前記印刷用マスクの上に向かって供給する駆動手段とを設けたことを特徴とする。

本発明の請求項６記載のスクリーン印刷装置は、請求項４または請求項５において、前記スキージ及び第１，第２のローラを前記印刷方向に同じ速度で移動させることを特徴とする。

本発明の請求項７記載のスクリーン印刷装置は、請求項３または請求項４または請求項５において、第１，第２のローラのうちの前記印刷方向に対して後方の第２のローラと前記スキージとの隙間が、第２のローラと前記印刷用マスクとの隙間よりも広いことを特徴とする。
本発明の請求項８記載のスクリーン印刷装置は、請求項４〜請求項７のいずれかにおいて、第１，第２のローラが互いに同径であることを特徴とする。

本発明の請求項９記載のスクリーン印刷装置は、請求項４〜請求項８のいずれかにおいて、前記駆動手段は、第１，第２のローラ及び前記スキージの進行速度よりも、第１，第２のローラの表面の速度が速くなるように第１，第２のローラを回転駆動するよう構成したことを特徴とする。
本発明の請求項１０記載のスクリーン印刷方法は、請求項２において、前記印刷装置が、印刷後に大気中に置かれるステップが含まれることを特徴とする。

本発明の請求項１１記載のスクリーン印刷装置は、請求項５において、真空中で前記印刷材料を前記スキージ及び第１，第２のローラの周りを循環させて脱泡させることを特徴とする。

この構成によると、印刷材料の印刷面への充填力を高めることができ、それによってより高いアスペクト比の開口部へ、高速かつ高精度に印刷材料を充填させることができ、かつ、スキージ押圧からくる不具合や、スキージと印刷用マスクの接触箇所近傍での印刷材料の圧力が高くなることによる不具合を解決できる。

以下、本発明のスクリーン印刷方法を具体的な各実施の形態に基づいて説明する。
（実施の形態１）
図１は本発明のスクリーン印刷方法を実行するスクリーン印刷装置を示す。具体的には、ステージ７に電子回路基板４がセットされている。印刷材料としての導電性ペースト３を、電子回路基板４の穴などの開口部６ａへ充填する目的で印刷を行うものである。

多数の開口部６ａが存在する多層の電子回路基板４の表面には、マスク６が配置されている。開口部６ａは、基板を貫通するものや基板途中までの穴など、多種存在する。
そして、板状のスキージ１の後端を、そのマスク６の表面に接する状態で配置する。そして、第１，第２のローラ２１，２２を軸芯が印刷方向Ｆと交差する方向でマスク６と平行に配置する。具体的には、電子回路基板４とマスク６とが固定側で、矢印Ｆ方向が印刷方向である。

この固定側に対して円柱状の第２のローラ２２を、スキージ１と電子回路基板４の印刷面と平行に、スキージ１の印刷方向前方に配置する。第２のローラ２２の印刷方向前方にもう第１のローラ２１を配置する。第１のローラ２１と第２のローラ２２は同じ直径である。

印刷方向に対して第１，第２のローラ２１，２２は、マスク６より１ｍｍ〜５ｍｍの隙間Ｇ１をあけて配置されている。第１，第２のローラ２１，２２の相互間の隙間Ｇ２は５ｍｍ〜２０ｍｍ程度に調整されている。そして、スキージ１と第２のローラ２２との最接近部の隙間Ｇ３はマスク６と第１，第２のローラ２１，２２との隙間よりも大きい、５ｍｍ〜１０ｍｍ程度に調整されている。

そこへ、第１，第２のローラ２１，２２がともに隠れるくらいの量の導電性ペースト３が供給されている。なお、スキージの材質には、ウレタンゴム等の硬質ゴムや、金属などが使用される。

ここでスキージ１と第１，第２のローラ２１，２２を印刷方向Ｆに同じ速度で移動させるように駆動手段が構成されている。さらに、この駆動手段は、印刷時には、印刷方向に対して前方の第１のローラ２１を印刷方向の逆方向へ回転させ、印刷方向に対して後方の第２のローラ２２は印刷方向に回転させる。これらの回転速度は、第１，第２のローラ２１，２２が印刷時に印刷方向Ｆへ移動する速度よりもそれぞれのローラ表面の周速度が大きくなるような速度となっている。その状態で、第１，第２のローラ２１，２２とスキージ１を同速度にて印刷方向Ｆへ移動する。印刷方向は、図右側であり、より具体的には、電子回路基板４と平行かつスキージと垂直な方向である。

スキージ１及び第１，第２のローラ２１，２２の位置はそれぞれ独立して調整可能な状態であり、スキージ１は、上下動を自動でさせることができるように取り付けされている。

また、印刷時には、図１に示したスクリーン印刷装置が閉じた空間、例えば真空環境に配置されており、真空状態にされてから印刷動作を行い、その後、印刷状態よりも高い圧力である大気圧へ戻し、もう１度印刷動作を行うよう構成されている。

このスクリーン印刷方法によって印刷することにより、下記のような現象が発生する。
まず、図１に示すようにＡ部、Ｂ部、Ｃ部を考え、ペースト外部の気圧をＰ０、ペースト表面部からローラ手前のＡ部の圧力をＰ１、第１，第２のローラ２１，２２によって発生するペーストの流動によって加圧された領域であるＢ部の圧力をＰ２、印刷方向最後部の後部ローラとスキージと印刷面との間の部分の圧力をＰ３とする。

Ａ部のうち、ペースト表面はほぼ外部気圧Ｐ０と等しい。そして、ペースト内部になるにつれて圧力は高くなる。また、第１，第２のローラ２１，２２によって流動が発生し、その流れ込む先の部分である領域Ｂは、前述のように第１，第２のローラ２１，２２とマスク６との隙間がペーストの流入元である２本のローラの間隔よりも狭いため、領域Ｂに流れ込もうとする量に比べ、領域Ｂから流れ出ようとするペースト量が少なくなる。そのため、Ｐ２の圧力は高くなる。

また、Ｐ３の圧力は、第１，第２のローラ２１，２２とスキージ１の前進に伴い、マスク６と印刷材料の摩擦からスキージ１とマスク６との接触部にペーストが集中しようとするが、後部の第２のローラ２２によって印刷材料を前上方へ掻き出し、圧力を低下させているため、Ｐ３の圧力は低くなる。なお、この圧力は後部の第２のローラ２２の回転速度で調整可能である。

これらの圧力は、印刷材料や印刷部周囲の真空度、印刷速度、ローラ回転速度、スキージ角度などによって変化するが、それらを適切に調整することにより、
Ｐ０ ＜ Ｐ３ ＜ Ｐ１ ＜ Ｐ２
とすることができる。

また、第１，第２のローラ２１，２２の回転によって、第１，第２のローラ２１，２２間のペースト流動は上方からマスク６へと発生するため、その慣性及び上方からの押し込みによっても、マスク６の開口部６ａへのペースト充填力は高まることになる。

この充填部でのペーストの高圧化と流動による慣性、押し込み力を同時に実現することによって、これまでの印刷方法では不可能であった高いアスペクト比の穴へのペーストの充填を精密かつ高速に行うことが可能となるのである。

同時に、スキージとマスク６の接触部付近の圧力を軽減させることもできるため、ペーストの掻きとり漏れ、スキージ押圧増加によるマスク６及び基板４、スキージ１へのダメージも軽減できる。

また、スキージ１の材料として軟らかいものを使用した場合にも考えうる、大きな開口部６ａでのスキージ押圧によるスキージ変形からくる、ペースト充填量の不足も防ぐことができる。

さらに、ペースト３がスキージ１及び第１，第２のローラ２１，２２の周りを循環して対流するため、前記印刷を真空中で行うことにより、ペースト３の脱泡も同時に行うことができる。

そして、真空中での印刷を行った場合、印刷動作後に大気圧に戻すと、印刷材料が印刷面の開口部に落ち込み、印刷面が不均一になる場合もある。その場合は、大気圧でもう一度印刷動作を行うことにより、高い最終印刷精度を確保することができる。

また、この形態では第１，第２のローラ２１，２２の径が同じであり、さらにそれぞれのローラと印刷面との隙間の量が同じである場合、スキージ１を印刷方向前面に、前後反対向きにも配置し、スキージの上下動を印刷の往路と復路で別途設定可能な状態にすることにより、往路だけでなく、復路でも印刷が可能となる。

（実施の形態２）
図２は本発明の実施の形態２を示す。
先の実施の形態１を示す図１では、第１，第２のローラ２１，２２は直径が同じであったが、実施の形態２では第１のローラ２１は第２のローラ２２よりも直径が太い。電子回路基板４、スキージ１及びローラの配置は実施の形態１とほぼ同じである。具体的には、第１のローラ２１の直径を第２のローラ２２の直径よりも１〜１０ｍｍ程度大きくした。

このように構成することによって、ペースト３の外部の気圧Ｐ０とペースト３の表面部から第１のローラ２１の手前のＡ部の圧力Ｐ１、第１のローラ２１によって発生するペーストの流動によって加圧された領域であるＢ１部の圧力Ｐ２１、第１，第２のローラ２１，２２と印刷面との間であるＢ２の圧力をＰ２２、印刷方向最後部の第２のローラ２２とスキージ１と印刷面との間の部分Ｃ部の圧力Ｐ３の関係は、
Ｐ０ ＜ Ｐ３ ＜ Ｐ１ ＜ Ｐ２１ ＜ Ｐ２２
とすることができ、実施の形態１と比べ、Ｂ２部での印刷面への圧力がさらに高くなることが期待できる。また、ペーストの高圧部にてペースト流動方向を印刷面に対して垂直方向成分を発生させることも同時に実現可能なため、高いアスペクト比の穴へのペースト充填が可能となる。同時に、実施の形態１と同様に、Ｐ３の圧力を低く保つことができるため、ペーストの掻きとり漏れ、スキージ押圧増加によるマスク及び基板、スキージへのダメージも軽減できる。

（実施の形態３）
図３は本発明の実施の形態３を示し、第１，第２のローラ２１，２２で構成されていた印刷材料加圧部を、第１，第２，第３のローラ２１，２２，２３のように３つ以上配置することにより、同様にＢ部の高圧化とペーストの流動方向を調整し、同様の効果を得ることができる。ここでは、第１，第２のローラ２１，２２は実施の形態１と同じ方向に回転駆動し、第３のローラ２３は第１のローラ２１と同方向に回転駆動している。

なお、上記の各実施の形態において、印刷材料加圧部のローラを印刷材料に埋没させない状態での印刷においても、印刷材料の流動と印刷面と複数のローラ間での高圧化ができる状態であれば、同様の効果が期待できる。

なお、上記の各実施の形態において、印刷材料加圧部のローラを円柱形以外の形状にしても、圧力の時間的な変化は生じるが、同様の効果が期待できる。
なお、上記の各実施の形態において、ペースト３の充填箇所やペースト状態、印刷対象物の開口箇所に応じて、印刷材料加圧部のローラの径や形状を軸方向で変化させることによって、仕上がり精度や印刷面の印刷精度均一性を調整することも可能である。

本発明の実施の形態１のスクリーン印刷装置を印刷方向に垂直な断面から見た構成図 本発明の実施の形態２のスクリーン印刷装置を印刷方向に垂直な断面から見た構成図 本発明の実施の形態３のスクリーン印刷装置を印刷方向に垂直な断面から見た構成図 樹脂対流を利用した従来の印刷装置の構成図 樹脂圧力を高めることによって印刷する従来の印刷装置の構成図 スキージと印刷面の接触箇所近傍に高圧が発生している状態での従来の印刷を示す図 スキージにやわらかい材質を使用し、スキージの押圧を高めた従来の印刷を示す図

符号の説明

１ スキージ
２１ 第１のローラ
２２ 第２のローラ
３ 導電性ペースト（印刷材料）
４ 電子回路基板
６ａ 開口部
６ マスク
７ ステージ

Claims (11)

1. 印刷方向に対して後部が印刷用マスクの表面に接した板状のスキージを前記印刷方向に動かして印刷材料を掻くとともに、前記印刷用マスクと平行な第１，第２のローラを、第１，第２のローラの間の隙間よりも、それぞれのローラと印刷用マスクとの隙間が狭く配置し、第１のローラを第２のローラに向かって回転させ、第２のローラを第１のローラに向かって回転させて、前記板状のスキージによって掻かれて移動する印刷材料を、第１，第２のローラの間の隙間から前記印刷用マスクの上に向かって供給する
   スクリーン印刷方法。
2. 真空中において、印刷方向に対して後部が印刷用マスクの表面に接した板状のスキージを前記印刷方向に動かして印刷材料を掻くとともに、前記板状のスキージによって掻かれて移動する印刷材料を前記印刷用マスクと平行な第１，第２のローラによって、第１のローラを第２のローラに向かって回転させ、第２のローラを第１のローラに向かって回転させて、第１，第２のローラの間の隙間から前記印刷用マスクの上に向かって供給する
   スクリーン印刷方法。
3. 前記スキージと第１，第２のローラを前記印刷方向に同じ速度で移動させる
   請求項１または請求項２記載のスクリーン印刷方法。
4. 印刷方向に対して後部が印刷用マスクの表面に接した板状のスキージと、
   前記板状のスキージと印刷用マスクの間に溜まった印刷材料の中に配置され前記印刷用マスクと互いに平行な第１，第２のローラと、
   印刷用マスクと板状のスキージを相対移動させて前記印刷材料を掻くとともに、第１のローラを第２のローラに向かって回転させ、第２のローラを第１のローラに向かって回転させて、第１，第２のローラの間の隙間から前記印刷用マスクの上に向かって供給する駆動手段と
   を設け、第１，第２のローラの間の隙間よりも、それぞれのローラと印刷用マスクとの隙間が狭い
   スクリーン印刷装置。
5. 真空中に配置され印刷方向に対して後部が印刷用マスクの表面に接した板状のスキージと、
   真空中に配置され前記板状のスキージと印刷用マスクの間に溜まった印刷材料の中に配置され前記印刷用マスクと互いに平行な第１，第２のローラと、
   印刷用マスクと板状のスキージを相対移動させて前記印刷材料を掻くとともに、第１のローラを第２のローラに向かって回転させ、第２のローラを第１のローラに向かって回転させて、第１，第２のローラの間の隙間から前記印刷用マスクの上に向かって供給する駆動手段と
   を設けた
   スクリーン印刷装置。
6. 前記スキージ及び第１，第２のローラを前記印刷方向に同じ速度で移動させる
   請求項４または請求項５記載のスクリーン印刷装置。
7. 第１，第２のローラのうちの前記印刷方向に対して後方の第２のローラと前記スキージとの隙間が、第２のローラと前記印刷用マスクとの隙間よりも広い
   請求項４または請求項５または請求項６記載のスクリーン印刷装置。
8. 第１，第２のローラが互いに同径である
   請求項４〜請求項７のいずれかに記載のスクリーン印刷装置。
9. 前記駆動手段は、
   第１，第２のローラ及び前記スキージの進行速度よりも、第１，第２のローラの表面の速度が速くなるように第１，第２のローラを回転駆動するよう構成した
   請求項４〜請求項８のいずれかに記載のスクリーン印刷装置。
10. 前記印刷装置が、印刷後に大気中に置かれるステップが含まれる
    請求項２記載のスクリーン印刷方法。
11. 真空中で前記印刷材料を前記スキージ及び第１，第２のローラの周りを循環させて脱泡させる
    請求項５記載のスクリーン印刷装置。

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