JP6894141B2 - メタルマスク、及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、電子回路製造工程において、基板やシリコンウエハーなどにはんだ等の導電性ペーストを印刷するためのメタルマスク、及びその製造方法に関するものである。

電子回路製造工程や半導体製造工程において、部品実装をしたり、バンプ電極を形成したりするときは、基板やシリコンウエハーなどのワーク上に、はんだ等の導電性ペーストを印刷し、これをリフロー炉で高温処理をして溶接する方法が一般的に用いられている。

はんだ印刷には、金属の薄板に微細な開口が形成されたメタルマスクが一般に使用されている。メタルマスクの開口は、ワーク上の電極に対応するパターンで形成されており、メタルマスクがワークに対して適正な位置に配置されたとき、開口を介して電極上に適正にはんだを印刷できるように設定されている。

メタルマスクは、一般にはアルミなどの金属枠に、ポリエステルのメッシュスクリーンを介して張設した、メタルマスク印刷版として使用する。そして、一面（印刷面）がワークに対向する状態で設置して、反対面（スキージ面）よりスキージでペースト等を開口に充填して、ワーク上に印刷をする。

一般にメタルマスクによる印刷は、印刷時にメタルマスクの印刷面が、ワークに一定以上の圧で接触するコンタクト印刷法といわれる方法が用いられている。ここで、コンタクト印刷法では、接触時の圧力や、スキージによる圧力により、ワークとメタルマスクが強く密着する場合があり、両者を乖離する（版離れ）ときに、メタルマスク全体が一括してスムーズに版離れがされず、場所により版離れのタイミングが異なったり、瞬間的に不測の力がワークとメタルマスクにかかったりすることで、印刷されたはんだの形状が崩れたり、位置がずれたりして、印刷品質を低下させることがあった。このように、メタルマスクの版離れ性は、印刷品質の向上に対し、重要な特性である。

この点、印刷機の設定を調整して、メタルマスクとワークの密着力を弱くし、機械的に版離れ性を良くした場合には、ワークと印刷面の間に隙間が生じやすく、はんだが滲み出やすくなったり、印刷されたはんだの量や形状に支障があったりしやすいので、印刷品質を低下させるおそれがある。

一方、フォトリソグラフィ法と電解ニッケルめっきでメタルマスクを作製するアディティブ法において、光沢剤が添加されていない（または極めて少量しか添加されない）めっき浴を使用して作製することで、ニッケル皮膜の表面性状を梨地にし、ワークとメタルマスクの間に空気が入り込みやすくして、構造的に密着力を低下させて、版離れ性を向上させる方法がある（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、メタルマスクの開口の精度や大きさは、フォトリソグラフィ法における画像形成能力に依存しているため、この方法では、微細開口を有するニッケルめっき皮膜を一定以上の厚さ（最低４０μｍ）で形成することは、困難な場合があり、微細開口の形成と、それによる微細パターンの印刷には対応が難しかった。また、開口が密集するようなデザインの場合、電解ニッケルめっきの特性により、開口密集部に電流密度が集中してめっき析出のバラつきが顕著になり、メタルマスクの面内の厚さのバラつきが大きくなり、はんだ印刷に影響を及ぼす、という問題がある。さらに、めっき浴に応力緩和剤たる光沢剤を十分に添加しないため、めっき皮膜に残留応力が蓄積し、めっき中にめっき基材から剥がれたり、歪みにより寸法の不安定になったりすることで、メタルマスクの生産性が低下するという問題がある。

特開２００４−１６７７１３号公報

この発明の目的は、上記事情に鑑み、微細部品実装に対応可能であり、従来のものに比べ、スムーズな版離れ性を有するとともに、印刷面へのはんだの滲みが少なく、優れた印刷性能を有するメタルマスクと、電解ニッケルめっきの残留応力の懸念がなく、安定した生産性を有する製造方法を提供することである。

上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、平板状のステンレスからなる第一金属層と、前記第一金属層の片側の面に１〜１０μｍでの厚さで一体的に積層された第二金属層と、を備え、前記第一金属層と前記第二金属層は、面内に印刷パターンに対応した開口が形成され、前記第二金属層はニッケルを主成分とし、前記第二金属層の反第一金属層側の表面は、５〜１００μｍの有機物エマルション粒子の大きさと形状に相当したクレーターが形成された梨地状であり、その表面粗さＲａの平均値が０．３μｍ以上であり、表面エネルギー３０ｍＮ／ｍの液体が液滴を形成する、ことを特徴とする、メタルマスクである。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のメタルマスクであって、前記第二金属層が、前記開口の側壁を被覆している、ことを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、ステンレス製の平板からなる第一金属層の面内に、エッチング法またはレーザ加工法により印刷パターンに対応する開口を形成する工程と、硫酸ニッケルをベースとし、光沢剤が添加されためっき浴中に５〜１００μｍの有機物エマルション粒子を添加して、５０〜５４℃の温度範囲を保つことでエマルションの分散を形成・維持する工程と、前記めっき浴による電解ニッケルめっき法により、前記第一金属層の片面と前記開口の側壁に、１〜５Ａ／ｄｍ^２の電流密度で、１〜１０μｍの均等な厚さからなり、その反第一金属層側の表面は、前記エマルションの大きさと形状に相当したクレーターが形成された梨地状であり、その表面粗さＲａの平均値が０．３μｍ以上であり、表面エネルギー３０ｍＮ／ｍの液体が液滴を形成する第二金属層を形成し、マスク母体を作製する工程と、を含むことを特徴とする、メタルマスクの製造方法である。
請求項４に記載の発明は、硫酸ニッケルをベースとし、光沢剤が添加されためっき浴中に５〜１００μｍの有機物エマルション粒子を添加して、５０〜５４℃の温度範囲を保つことでエマルションの分散を形成・維持する工程と、前記めっき浴による電解ニッケルめっき法により、ステンレス製の平板からなる第一金属層の片面に、１〜５Ａ／ｄｍ^２の電流密度で、１〜１０μｍの均等な厚さからなり、その反第一金属層側の表面は、前記エマルションの大きさと形状に相当したクレーターが形成された梨地状であり、その表面粗さＲａの平均値が０．３μｍ以上であり、表面エネルギー３０ｍＮ／ｍの液体が液滴を形成する第二金属層を形成し、マスク母体を作製する工程と、前記マスク母体の前記第二金属層側から、エッチング法またはレーザ加工法により、印刷パターンに対応する開口を形成する工程と、を含むことを特徴とする、メタルマスクの製造方法である。

請求項１に記載の発明によれば、メタルマスクの印刷面が第二金属層であり、適当な粗さを有するため、はんだ印刷時に基板との間に空気が入りやすくなるので密着が抑制され、版離れ性が向上するとともに、はんだの印刷面への滲みを抑制し、印刷品質を向上させることが可能となる。

請求項２に記載の発明によれば、第二金属層が開口の側壁にも形成されているため、印刷時に開口側壁に充填されたはんだと開口側壁の間に空気が入りやすくなるとともに、はんだが開口側壁に滑りやすくなるため、基板へのはんだの転写量と、形状保持性を向上させることが可能となる。

請求項３、４に記載の発明によれば、添加するエマルション粒子の濃度や電流密度を調整することにより、従来から使われている硫酸ニッケル浴を用いて、所望の表面粗さを有するメタルマスクを得ることが可能となる。また、応力緩和剤たる光沢剤が添加されているため、残留応力の心配がなく、安定した生産性を実現することが可能となる。

本発明の実施の形態に係る、メタルマスクの概略の正面図（ａ）と、側面断面図（ｂ）である。 本発明の実施の形態に係る、メタルマスクの製造方法に関して、電解ニッケルめっきにおける電流密度とニッケル皮膜の表面粗さの概略の関係図である。

本発明の実施の形態について、添付の図面を参照しながら説明する。なお、図面において、図面中の各部の構成の大きさ、間隔、数、その他詳細は、視認と理解の助けのために、実際の物に比べて大幅に簡略化して表現している。

図１は、メタルマスク１の概略正面図（ａ）と側面断面図（ｂ）である。メタルマスク１は、マスク母体２と、その面内に、プリント基板への印刷パターンに対応して形成された開口３から構成される印刷孔版であり、されにマスク母体２は、第一金属層２１と、第二金属層２２から構成される。

第一金属層２１は、一辺が３００〜５００ｍｍの矩形状の金属製平板であり、厚さ４０〜１５０μｍである。素材は、本実施の形態においては、メタルマスクに広く用いられている、ＳＵＳ３０４が使用されている。

第二金属層２２は、第一金属層２１の片面に及び開口３の側壁に被覆しており、厚さ１〜１０μｍである。素材は、ニッケルを主成分としている。この金属層２２は、第一金属層２１と密着して一体的に形成され、マスク母体２を構成する。

第二金属層２２の表面（反第一金属層２１側）は、半光沢または無光沢の、いわゆる梨地面であり、表面粗さＲａが０．３μｍ以上である。一方、第一金属層２１の表面は、光沢面に、バフ研磨による整面筋が薄く形成されている。

また、第一金属層２１の表面は、表面エネルギー３０ｍＮ／ｍの液体が完全に濡れる（接触角０°）現象を示す。一方、第二金属層２２の表面は、同様の液体が２０°以上の接触角を示し、液滴を形成する。これは、微細な凹凸がある面は、平滑面よりも液体をはじき易くなる、ロータス効果によるものである。

マスク母体２の面内には、プリント基板への印刷パターンに対応するパターンと形状で、第一金属層２１と第二金属層２２を貫通するように、開口３が形成されている。開口３の寸法は、実装する部品に依存するが、例えば０６０３部品を実装する場合には、最小部が約０．３ｍｍ、０４０２部品の場合には最小部が約０．２ｍｍと、部品サイズとともに微細になり、またその間隔も狭くなる。

また、開口３の側壁には、第二金属層２２が被覆されている。これにより、開口側壁が液体をはじき易くなるため、開口３側壁に対してはんだが剥がれやすくなり、はんだの抜け性が上がるので、印刷品質が向上する。なお、開口３の側壁における第二金属層２２の厚さは、マスク母体の面内における厚さと同じ範囲に設定されている。ここで、第二金属層２２の厚さが、上記範囲より大幅に厚くなると、開口３のエッジが丸みを帯びて印刷時のはんだの滲みの原因となったり、電解ニッケルめっきの析出バラつきが顕在化して、開口３の寸法や形状が不安定になったりする。

次に、本発明の実施の形態に係るメタルマスク１の製造方法について説明する。

メタルマスク１の製造方法は、開口３形成工程（工程１）、エマルション形成工程（工程２）、電解ニッケルめっき工程（工程３）、を含む工程からなる。以下、工程１〜３までの各工程について説明をする。

開口３形成工程（工程１）
本工程では、予めバフ研磨により整面されたＳＵＳ３０４製の金属平板からなる第一金属層２１を素材とし、その面内に、レーザ加工法により印刷パターンに対応する開口３を形成する。このとき、レーザの熱により、酸化被膜や金属溶融物が発生し、開口３の側壁やエッジに付着するので、後工程で開口３の側壁に第二金属層を有効に形成するために、これを化学研磨法や電解研磨法といった後処理により除去をする。

エマルション形成工程（工程２）
エマルションとは、微小な液滴（エマルション粒子）が水溶液中に分散して懸濁している溶液の事である。本実施の形態では、５〜１００μｍの有機物エマルション粒子を、硫酸ニッケル水溶液をベースとし、界面活性剤とめっき用の光沢剤（応力緩和剤）が添加されためっき浴に所定の濃度で添加し、エマルション粒子が分散する温度（曇天温度）以上であり、５０〜５４℃の範囲に温度を保つことで、エマルションを形成・維持している。ここで、有機エマルションの添加濃度は、ベースとなる硫酸ニッケル水溶液の濃度や、後述する電解ニッケルめっきの電流密度に応じて適当な値に調整する。また、光沢剤の添加量は、仮にエマルション形成をせずに電解ニッケルめっきをした場合に、第二金属層２２の表面が光沢を有する程度に十分に添加する。

電解ニッケルめっき工程（工程３）
工程２でエマルションを形成しためっき浴を使用した電解ニッケルめっきにより、工程１で開口３を形成した第一金属層２１の片面と開口３の側壁に、１〜１０μｍの均等な厚さのニッケル皮膜よりなる第二金属層２２を形成しマスク母体２を作製する。

このとき、電解ニッケルめっき中に、エマルション粒子がめっき析出面（第一金属層２１または第二金属層２２）に吸脱着を繰り返すことにより、めっき析出が阻害され、エマルション粒子の大きさと形状に相当したクレーターが形成されることで、第二金属層２２の表面が梨地状になる。

この様な梨地状表面の形成機構に起因して、その粗さは電流密度に依存する。工程３の電解ニッケルめっき工程において、電流密度の設定は、１〜５Ａ／ｄｍ^２とする。１Ａ／ｄｍ^２より低い場合には、表面粗さＲａが０．３μｍ未満となり、液体のはじき易さや版離れ性が低下する。また、５Ａ／ｄｍ^２より高い場合には、電解ニッケルめっきの析出バラつきが大きくなり、第二金属層２２の厚さが不均一になるので、好ましくない（図２）。

工程３の後、マスク母体２を３００〜５００ｍｍの所定の矩形状のサイズに裁断することで、メタルマスク１が完成する。

次に、本発明の作用である、メタルマスク１を使用した、はんだ印刷方法について説明する。

（メタルマスク印刷版完成）
まず、メタルマスク１を、ポリエステルのメッシュを介してスクリーン枠に、第二金属層２２がはんだ印刷時に基板と接触する側を向くように張設し、メタルマスク印刷版を完成させる。

（はんだ印刷準備）
印刷機に、メタルマスク印刷版とスキージを取り付け、ステージに基板を設置する。ここで、メタルマスクは、その印刷面（第二金属層２２の、反第一金属層２１側）が、被印刷物である基板に対向する向きで取り付ける。

次にはんだをスキージ面に載せ、メタルマスク印刷版の印刷面と基板とを、所定の圧力で接触させる。本実施の形態では、印刷面が所定の粗さを有しているため、基板と印刷面の間には、空気が入り込み、印刷面が光沢である場合に比べて弱く密着されている。

（はんだ印刷）
スキージを滑動させ、はんだをスキージ面でローリングさせながら開口３に充填をする。

（版離れ）
印刷機のステージを所定の版離れ速度で降下させ、基板の版離れをさせる。本実施の形態では、基板と印刷面の密着力が、比較的弱いため、スムーズに版離れが行われる。また、印刷面が適度な粗さを有するため、はんだの滲みが少ない。また、印刷面が液体をはじき易いため、滲んだはんだのふき取り性も良好である。

この発明によれば、メタルマスク１の印刷面が第二金属層２２であり、適当な粗さと液体のはじき易さを有するため、はんだ印刷時に基板との間に空気が入りやすくなるので密着が抑制され、版離れ性が向上するとともに、はんだの印刷面への滲みを抑制し、印刷品質を向上させることが可能となる。

また、第二金属層２２が開口３の側壁にも形成されているため、印刷時に開口３の側壁に充填されたはんだと開口３の側壁の間に空気が入りやすくなるとともに、はんだが開口３の側壁に滑りやすくなるため、基板へのはんだの転写量と、形状保持性を向上させることが可能となる。

また、添加するエマルション粒子の濃度や電流密度を調整することにより、従来から使われている硫酸ニッケル浴を用いて、所望の表面粗さを有するメタルマスク１を得ることが可能となる。また、応力緩和剤たる光沢剤が添加されているため、残留応力の心配がなく、安定した生産性を実現することが可能となる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本願発明の範囲は以上の実施の形態に限られるものではなく、これと同視しうる他の形態に対しても及ぶ。

例えば、先に第一金属層２１の片面に第二金属層２２形成してマスク母体２を作製してから、レーザ加工で開口３を形成しても良い。この場合、より簡単にメタルマスク１を得ることが可能となる。

また、開口３を加工する方法は、レーザ加工に限られず、エッチングや機械加工でもよい。

さらに、印刷するものは、はんだ等の導電性ペーストに限られず、接着剤やフラックス等、印刷後に形状が保持しうる程度の粘度を有する流体であればよい。

１ メタルマスク
２ マスク母体
２１ 第一金属層
２２ 第二金属層
３ 開口

Claims (4)

1. 平板状のステンレスからなる第一金属層と、
   前記第一金属層の片側の面に１〜１０μｍでの厚さで一体的に積層された第二金属層と、を備え、
   前記第一金属層と前記第二金属層は、面内に印刷パターンに対応した開口が形成され、
   前記第二金属層はニッケルを主成分とし、
   前記第二金属層の反第一金属層側の表面は、５〜１００μｍの有機物エマルション粒子の大きさと形状に相当したクレーターが形成された梨地状であり、その表面粗さＲａの平均値が０．３μｍ以上であり、表面エネルギー３０ｍＮ／ｍの液体が液滴を形成する、
   ことを特徴とする、メタルマスク。
2. 前記第二金属層が、前記開口の側壁を被覆している、
   ことを特徴とする、請求項１に記載のメタルマスク。
3. ステンレス製の平板からなる第一金属層の面内に、エッチング法またはレーザ加工法により印刷パターンに対応する開口を形成する工程と、
   硫酸ニッケルをベースとし、光沢剤が添加されためっき浴中に５〜１００μｍの有機物エマルション粒子を添加して、５０〜５４℃の温度範囲を保つことでエマルションの分散を形成・維持する工程と、
   前記めっき浴による電解ニッケルめっき法により、前記第一金属層の片面と前記開口の側壁に、１〜５Ａ／ｄｍ^２の電流密度で、１〜１０μｍの均等な厚さからなり、その反第一金属層側の表面は、前記エマルションの大きさと形状に相当したクレーターが形成された梨地状であり、その表面粗さＲａの平均値が０．３μｍ以上であり、表面エネルギー３０ｍＮ／ｍの液体が液滴を形成する第二金属層を形成し、マスク母体を作製する工程と、
   を含むことを特徴とする、メタルマスクの製造方法。
4. 硫酸ニッケルをベースとし、光沢剤が添加されためっき浴中に５〜１００μｍの有機物エマルション粒子を添加して、５０〜５４℃の温度範囲を保つことでエマルションの分散を形成・維持する工程と、
   前記めっき浴による電解ニッケルめっき法により、ステンレス製の平板からなる第一金属層の片面に、１〜５Ａ／ｄｍ^２の電流密度で、１〜１０μｍの均等な厚さからなり、その反第一金属層側の表面は、前記エマルションの大きさと形状に相当したクレーターが形成された梨地状であり、その表面粗さＲａの平均値が０．３μｍ以上であり、表面エネルギー３０ｍＮ／ｍの液体が液滴を形成する第二金属層を形成し、マスク母体を作製する工程と、
   前記マスク母体の前記第二金属層側から、エッチング法またはレーザ加工法により、印刷パターンに対応する開口を形成する工程と、
   を含むことを特徴とする、メタルマスクの製造方法。

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