JP7158089B1

JP7158089B1 - メタルマスクとその製造方法、およびその使用方法

Info

Publication number: JP7158089B1
Application number: JP2022079217A
Authority: JP
Inventors: 貴寿原口; 雅文藤井
Original assignee: 株式会社プロセス・ラボ・ミクロン
Priority date: 2022-05-13
Filing date: 2022-05-13
Publication date: 2022-10-21
Anticipated expiration: 2042-05-13
Also published as: JP2023167767A

Abstract

【課題】微細部品と大型部品を同一基板上に同時に実装することができ、高い印刷精度を有するメタルマスクとその製造方法、およびその使用方法を提供する。【解決手段】金属シート１１の面内に、微細印刷に供する微細印刷領域と、前記微細印刷領域より段差状に厚く設定されている、１個または複数の段差構造１３と、を備え、微細印刷領域には微細部品用の印刷用開口１２ａが、段差構造には大型部品用の印刷用開口１２ｂが形成されているメタルマスク１であり、段差構造１３は、その断面において金属シート１１の厚さがなめらかに変化しており、エッジ部には、曲率半径が５００μｍ以上のＲ形状が形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、電子回路実装工程や半導体製造工程において、基板やウエハーなどのワークに、はんだなどのペーストを印刷するためのメタルマスクに関するものである。

電子回路実装工程や半導体製造工程において、電子部品を基板に実装をしたり、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、はんだなどの導電性のペーストを印刷し、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部が形成された孔版である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部は、ワーク上の電極に対応するパターンで形成されており、印刷機に設置されたメタルマスクが、ワークに対して適正な位置に配置されたとき、開口部を介して電極上に適正にペーストを印刷できるように形成されている。ここで、プリント基板上に印刷されたペーストに電子部品を搭載する基板実装は、表面実装といわれる。

メタルマスクは、一般には面内に開口部が加工された金属の薄い平板を、ポリエステルのメッシュスクリーンが所定の張力で張設されたアルミ製の金属枠（以下「スクリーン枠」という）に、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される。そして、一方の面（転写面）が基板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を開口に充填して、基板上に転写印刷をする。

基板上に印刷するペーストの量は、部品の大きさに応じて調整する。すなわち、大型部品の場合は、基板上の電極に確りと固定するために、印刷されるペーストの量は多くなる。そこで、従来のメタルマスク１００では、大型部品用の印刷用開口１０２ｂは大きく、厚さは厚く設計される傾向にあり、微細部品の実装の場合は、印刷用開口１０２ａは小さく、厚さは薄く設計されていた。

ところで、微細部品と大型部品を同一基板上に実装する場合においては、従来のメタルマスク１００は、微細部品用の印刷用開口１０２ａと、大型部品用の印刷用開口１０２ｂが金属シート１０１の面内に形成されているものを使用する。しかしながら、板厚を大型部品向けに厚くすると、微細印刷用の印刷用開口１０２ａからのペーストの抜け性が低下し、一方で、微細部品向けに板厚を薄くした場合には、大型部品印刷用の印刷用開口１０２ｂからのペーストの転写量が減少してしまう問題があった。

これに対し、大型部品と微細部品を別々に同一基板上に実装する方法がある。この場合には、大型部品用の印刷用開口１０２ｂだけが形成されたメタルマスクと、微細部品用の印刷用開口１０２ｂだけが形成されたメタルマスクを用意し、例えば、大型部品を先に実装し、その後微細部品を実装するが、この際使用される微細部品用のメタルマスクには、大型部品とメタルマスクが干渉しないように、ドーム状の部品逃げ部が形成されている（例えば特許文献１参照）。

しかしながら、この方法では、メタルマスクを２版用意する必要があるので工程が複雑になり、コストや作業効率の面から問題があるので、やはり２種類の部品を同時に実装できることが望まれた。

特開平０６－０９２０５３号公報

この発明の目的は、上記事情に鑑み、微細部品と大型部品を同一基板上に同時に実装することができ、高い印刷精度を有するメタルマスクとその製造方法、およびその使用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、金属シートの面内に、印刷パターンに対応した大きさと形状で形成された複数の印刷用開口と、微細印刷に供する微細印刷領域と、前記微細印刷領域より段差状に厚く形成されている、１個または複数の段差構造と、を備え、前記段差構造に形成された前記印刷用開口の一部または全部が、前記微細印刷領域に形成された前記印刷用開口より大きい、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、前記段差構造は、その断面において前記金属シートの厚さがなめらかに変化しており、エッジ部には、曲率半径が５００μｍ以上のＲ形状が形成されている、ことを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、金属製の平らな板であるマスク母材に、フォトリソグラフィ法により、所定の形状と配置でレジストパターンを形成する工程と、前記マスク母材の片面を所定の条件でエッチングし、前記レジストパターンに対応した段差構造を形成する第一エッチング工程と、前記マスク母材から、前記レジストパターンを除去する工程と、前記マスク母材の面内に、印刷パターンに対応する大きさと配置で開口を形成する工程と、を備えることを特徴とする、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、金属製の平らな板であるマスク母材に、フォトリソグラフィ法により、所定の形状と配置でレジストパターンを形成する工程と、前記マスク母材の片面を所定の条件でエッチングし、前記レジストパターンに対応した段差構造を形成する第一エッチング工程と、前記マスク母材から、前記レジストパターンを除去する工程と、前記マスク母材の前記段差構造が形成された面の全体を所定の条件でエッチングして、その厚さを減耗させるとともに、前記段差構造のエッジ部に、曲率半径が５００μｍ以上のＲ形状を形成する第二エッチング工程と、前記マスク母材の面内に、印刷パターンに対応する大きさと配置で開口を形成する工程と、を備える、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５に記載の発明は、請求項２に記載のメタルマスクと、金属製スキージを備え、前記金属製スキージを、前記メタルマスクのスキージ面を滑動させることで、ペースト印刷を行う、ことを特徴とする、メタルマスクの使用方法である。

この発明によれば、段差構造においては、微細印刷領域より開口が大きく、厚さが厚く設定されているため、より多くのペーストを印刷することが可能であるので、段差構造と微細印刷領域でそれぞれに適したペースト印刷をすることができ、高品質の電子回路を製造することが可能となる。

請求項２、４に記載の発明によれば、印刷時にスキージがメタルマスクのスキージ面を滑動するとき、エッジ部のＲ形状に沿うことで、スキージがスムーズに段差構造を昇降することが可能となり、印刷品質の向上とスキージのダメージを軽減することが可能となる。

請求項５に記載の発明によれば、樹脂製スキージより剛性の高い金属製スキージをスムーズに滑動させることができるので、微細な印刷パターンを精度よくペースト印刷し、信頼性の高い電子回路を実装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段差構造周辺（Ａ部）の概略の側面断面の拡大図である。本発明の実施の形態に係るメタルマスクの製造方法の概略工程フロー図である。本発明の別の実施の形態に係るメタルマスクの概略の側面断面図である。本発明の別の実施の形態に係るメタルマスクの段差構造周辺（Ｂ部）の概略の側面断面の拡大図である。従来の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の概略の正面図（ａ）と側面断面図（ｂ）である。メタルマスク１は、金属シート１１の面内に形成された印刷用開口１２a、１２ｂと、段差構造１３から構成される印刷孔版である。

金属シート１１は、一辺が３００～５００ｍｍの矩形状かつ平板状の金属であり、厚さは段差構造１３を除いた、微細印刷に供する領域（以下「微細印刷領域」という）の厚さＴ１が０．０５～０．５ｍｍに、段差構造１３の厚さＴ２は、微細印刷領域よりも厚く設定されている。素材は、本実施の形態では、ステンレスであるＳＵＳ３０４の圧延材を使用している。また、厚さは、微細印刷領域と段差構造１３で設定値は異なるものの、それぞれの領域内では略均一である（すなわちメタルマスク１の強度やペーストの印刷に影響を与えるほどの厚さの変動はない）ものとし、本実施の形態では、上記の設定値の±１０％以内の範囲に収められている。

印刷用開口１２は、平板部１１の面内に、プリント基板への印刷パターンに対応した形状と配置で、複数形成されている。その形状は円状、四角形状等、印刷するペーストの形状に合わせたものに設定されており、直径若しくは一辺の長さは０．０５～０．５ｍｍである。ここで、段差構造１３内の印刷用開口１２ｂの一部または全部は、微細印刷領域内の印刷用開口１２ａより大きく設定されている。

段差構造１３は、図１（ａ）のように正面視した場合に略矩形状をしている。この部分の厚さＴ２は、前述の通り、微細印刷領域より厚く設定されており、その段差の大きさΔＴは、本実施の形態では０．０１～０．２ｍｍである。ここで、段差の大きさΔＴは、ペーストの印刷量と関係するので、微細印刷領域における印刷用開口１２ａと、段差構造１３内における印刷用開口１２ｂの寸法差に依存しており、差が大きければ段差も大きくなる傾向にある。

段差構造１３のエッジ部ＥＤは、図２のような側面断面視した場合に、なめらかに湾曲している。すなわち、この段差構造１３と微細印刷領域の境目の段差では、金属シート１１の厚さがなめらかに変化しており、エッジ部ＥＤには、曲率半径が５００μｍ以上のＲ形状が形成されている。

次に、本実施の形態に係るメタルマスクの製造方法について、図３を参照しながら説明をする。

まず、メタルマスクの素材として、金属製の平らな板であるマスク母材Ｍを用意する。本実施の形態では、マスク母材Ｍの材質はＳＵＳ３０４等のステンレスを用い、厚さは０．１～０．５ｍｍのものを使用した。

次に、マスク母材Ｍの表面に、フォトレジストのドライフィルムをラミネートして、フォトリソグラフィ法により、所定の形状と配置でレジストパターンＦＲを形成する（図３（ａ））。ここで、レジストパターンＦＲの形状と配置は、段差構造１３に対応するものであり、段差構造１３が形成される部分がレジストで覆われる。また、段差構造１３を形成しない面（メタルマスク１の印刷面となる面）は、全面がフォトレジストで覆われている。

次に、マスク母材Ｍの片面（スキージ面となる面）を所定の条件でエッチングし、レジストパターンＦＲに対応した段差構造１３を形成する（図３（ｂ）第一エッチング工程）。本実施の形態では、第一エッチング工程では、０．０１～０．２ｍｍの厚さに相当する量のエッチングを行う。ここで、第一エッチング工程、第二エッチング工程とも、塩化第二鉄水溶液を主成分としたエッチング液を用いた。

次に、マスク母材Ｍを苛性ソーダ水溶液などのアルカリ水溶液に浸漬させて、レジストパターンＦＲを除去する（図３（ｃ））。

次に、段差構造１３が形成されていない面の全面に、エッチング液の影響を受けない素材（ガラスエポキシ樹脂など）で形成された平板状の基板ＳＢを貼付して、保護をし、その上でマスク母材Ｍの段差構造１３が形成された面の全体を所定の条件でエッチングして、その厚さを減耗させるとともに、段差構造１３のエッジ部ＥＤに、曲率半径が５００μｍ以上のＲ形状を形成する（図３（ｄ）第二エッチング工程）。

このとき、マスク母材Ｍの厚さは、Ｔ１、Ｔ２ともに減耗する。ここで、本実施の形態では、金属シート１１とは、マスク母材Ｍをエッチングにより設定された厚さに加工した状態のものをいう。すなわち、マスク母材Ｍの加工前の厚さから、第一エッチング工程におけるエッチング量Ｅ１と、第二エッチング工程におけるエッチング量Ｅ２の合計を差し引いたものが微細印刷用域の厚さＴ１であり、第二エッチング工程におけるエッチング量Ｅ２だけを差し引いたものが段差構造１３の厚さＴ２になる。また、第一エッチング工程におけるエッチング量Ｅ１は、Ｔ２とＴ１の差分であり、ΔＴと同義である。

マスク母材Ｍの面内に、レーザ加工により、印刷パターンに対応する大きさと配置で印刷用開口１２ａ、１２ｂを形成することで、メタルマスク１となる（図３（ｅ））。

メタルマスク１は、金属枠にポリエステルメッシュを介して張設することで、メタルマスク印刷版となり、この形態でペースト印刷に供する。ここで、メタルマスク１は、段差構造１３が形成された面をスキージ面（ペースト印刷時にスキージが滑動する面）、その反対側が印刷面（基板に対向する面）であり、印刷面が金属枠の外側を向くような方向性で張設される。

メタルマスク印刷版で印刷をする際において、スキージは金属スキージを使用した。ここで、金属スキージの素材は、例えばステンレス、具体的にはＳＵＳ３０４が代表的であるが、これに限られるものではない。金属スキージは、樹脂製のものに比べて剛性が高いため、金属スキージによるメタルマスクを押圧する応力（印圧）を確保することができ、高精度の印刷に好適である。

金属スキージがメタルマスク１のスキージ面を滑動してペーストを印刷する際に、段差構造１３のエッジ部ＥＤがＲ形状をしているために引っかからず、スムーズに段差構造を昇降する。

ここで、剛性の高い金属スキージに対しては、エッジ部ＥＤのＲ形状の曲率半径は、５００μｍ以上であるときに有効であるが、一方で５００μｍ以下であると効果が低い。

この発明によれば、段差構造１３においては微細印刷領域より開口１２ｂが大きく、厚さＴ２が厚く設定されているため、より多くのペーストを印刷することが可能であり、段差構造１３と微細印刷領域でそれぞれに適したペースト印刷をすることができ、高品質の電子回路を製造することが可能となる。

また、印刷時にスキージがメタルマスク１のスキージ面を滑動するとき、エッジ部のＲ形状に沿うことで、スキージがスムーズに段差構造１３を昇降することが可能となり、印刷品質の向上とスキージのダメージを軽減することが可能となる。

また、樹脂製スキージより剛性の高い金属製スキージをスムーズに滑動させることができるので、微細な印刷パターンを精度よくペースト印刷を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。

本実施の形態では、金属シート１１の素材は、ＳＵＳ３０４の圧延材を使用したが、これ以外のステンレスでもよいし、その他の金属・合金を使用しても良い。例えば、めっきで形成されたニッケル板を使用する場合、めっき条件により板厚を自在にコントロールすることができるし、硬度や弾性率などの諸々の物性、メタルマスク１の表面の粗さも、めっき条件やめっき液の組成によって変化させることが可能となり、より使用者のニーズに合わせることが可能となる。

また、印刷用開口１２の加工法は、レーザ加工に限られず、フォトリソグラフィ法で開口パターンに対応したフォトレジストパターンを形成して、エッチング法で開口を形成することも可能である。

さらに、図４、図５に示したメタルマスク２は、段差構造２３のエッジ部ＥＤがＲ形状を持たず、折線状に屈折している以外は、本実施の形態に係るメタルマスク１と同様な構成である。このような場合でも、印刷時に使用されるスキージが、例えばウレタンなどの樹脂製といった柔らかい素材である場合には、スキージがエッジ部ＥＤに引っかからず、スムーズに摺動することが可能である。

なお、メタルマスク２の製造方法は、第二エッチング工程がないこと以外は、本実施の形態に係るメタルマスク１の製造方法と同様である。すなわち、図２において（ｄ）に相当する工程を除いたものであり、これによりさらなる工程の簡略化が可能となる。

１、２メタルマスク
１１、２１金属シート
１２、２２印刷用開口
１３、２４段差構造
Ｍマスク母材
ＦＲフォトレジスト

Claims

金属製の平らな板であるマスク母材に、フォトリソグラフィ法により、所定の形状と配置でレジストパターンを形成する工程と、
前記マスク母材の片面を所定の条件でエッチングし、前記レジストパターンに対応した段差構造を形成する第一エッチング工程と、
前記マスク母材から、前記レジストパターンを除去する工程と、
前記マスク母材の前記段差構造が形成された面の全体を所定の条件でエッチングして、その厚さを減耗させる第二エッチング工程と、
前記マスク母材の面内に、印刷パターンに対応する大きさと配置で開口を形成する工程と、
を備えることを特徴とする、メタルマスクの製造方法。
請求項１に記載のメタルマスクの製造方法であって、
前記第二エッチング工程は、前記マスク母材の前記段差構造が形成された面の全体を所定の条件でエッチングして、前記段差構造のエッジ部に、曲率半径が５００μｍ以上のＲ形状を形成する、
ことを特徴とする、メタルマスクの製造方法。
金属製スキージを、請求項１又は２に記載の製造方法で製造された前記メタルマスクのスキージ面を滑動させることで、ペースト印刷を行う、
ことを特徴とする、メタルマスクの使用方法。