(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の印刷パターンに対応する開口部を有したマスクを、所定のギャップを隔てて基板に対向配設し、はんだ転写器具により前記マスク開口部を掃引してギャップ印刷を行う印刷装置において、
前記はんだ転写器具によってギャップの強制変位ｈが与えられたときの、弾性体平板（弾性係数Ｅ）のマスクの変形（ｘ方向の変位Δｕ、ｙ方向の変位Δｖ、ｚ方向の変位ｈ）を、３次元弾性体面外変形式（変形応力モデルの計算式）を用いて計算することによって、前記ギャップ印刷時の、前記印刷パターンと、該印刷パターンに対応する前記開口部との位置ずれを求める位置ずれ演算部と、
前記位置ずれ演算部で求められた位置ずれを相殺する位置に開口部を設けて成るマスクとを備えたことを特徴とする印刷装置。
【請求項２】
前記３次元弾性体面外変形式は、
Δｕ＝｛（ａ／２＋Δｘ1）−（（ａ／２＋ｕ）2＋ｈ2）1/2｝ｃｏｓα1
…（｛…｝＞０のとき）
Δｕ＝｛（ａ／２＋Δｘ1）−（（ａ／２＋ｕ）2＋ｈ2）1/2｝ｃｏｓα2
…（｛…｝≦０のとき）
Δｖ＝０．５Δｙ1ｃｏｓα3                    …（Δｙ1＞０のとき）
Δｖ＝０．５Δｙ1                            …（Δｙ1≦０のとき）
ここに、
α1＝ｔａｎ-1（ｈ／（ａ／２＋ｕ））
α2＝ｔａｎ-1（ｈ／（ａ／２−ｕ））
α3＝ｔａｎ-1（ｈ／（ｂ／２−ｃ／２））
Δｘ1，Δｙ1：変形による応力釣り合い式より求められる
すなわち、
Δｘ1＝∫（σx1−γσy1）ｄｘ1／Ε
Δｙ1＝∫（σx1−γσy1）ｄｙ1／Ε
である（但し、ａはマスクの長さ、ｕはマスク上のｘ座標、ｖはマスク上のｙ座標、ｈはギャップの強制変位）ことを特徴とする請求項１に記載の印刷装置。
【請求項３】
前記マスクは、コンピュータ援用設計システムのコンピュータに、変形応力モデルの計算式又は有限要素法のプログラムを組み込み、マスク設計のパラメータを入力することにより、設計されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の印刷装置。
【請求項４】
前記マスクは、コンピュータ援用生産システムのコンピュータに、変形応力モデルの計算式又は有限要素法のプログラムを組み込み、マスク設計のパラメータをティーチング時に入力することにより、製作されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の印刷装置。
【請求項５】
所定のギャップを隔てて基板に対向配設されるマスクであって、前記基板の印刷パターンに対応して設けられた開口部が、ギャップ印刷時にはんだ転写器具によって掃引される印刷装置のマスク設計方法において、
前記はんだ転写器具によってギャップの強制変位ｈが与えられたときの、弾性体平板（弾性係数Ｅ）のマスクの変形（ｘ方向の変位Δｕ、ｙ方向の変位Δｖ、ｚ方向の変位ｈ）を、３次元弾性体面外変形式（変形応力モデルの計算式）を用いて計算することによって、ギャップ印刷時に前記はんだ転写器具によってマスクが受ける応力による前記開口部の変位を求める変位演算処理と、
前記変位演算処理で求められた変位を相殺する位置に開口部を設計する設計処理とを備えたことを特徴とする印刷装置のマスク設計方法。
【請求項６】
コンピュータ援用設計システムのコンピュータに、変形応力モデルの計算式又は有限要素法のプログラムを組み込み、マスク設計のパラメータを入力することにより設計を行うことを特徴とする請求項５に記載の印刷装置のマスク設計方法。
【請求項７】
所定のギャップを隔てて基板に対向配設されるマスクであって、前記基板の印刷パターンに対応して設けられた開口部が、ギャップ印刷時にはんだ転写器具によって掃引される印刷装置のマスク製造方法において、
コンピュータ援用生産システムのコンピュータに、変形応力モデルの計算式又は有限要素法のプログラムを組み込み、マスク設計のパラメータをティーチング時に入力し、
前記はんだ転写器具によってギャップの強制変位ｈが与えられたときの、弾性体平板（弾性係数Ｅ）のマスクの変形（ｘ方向の変位Δｕ、ｙ方向の変位Δｖ、ｚ方向の変位ｈ）を、３次元弾性体面外変形式（変形応力モデルの計算式）を用いて計算することによって、ギャップ印刷時に前記はんだ転写器具によってマスクが受ける応力による前記開口部の変位を求める変位演算処理と、
前記変位演算処理で求められた変位を相殺する位置に開口部を製作する製作処理とを実行してマスクを製造することを特徴とする印刷装置のマスク製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばプリント回路基板、シリコンウェハ上のクリームはんだ印刷に用いるスクリーン印刷機（表面実装技術）に係り、印刷装置およびそのマスク設計方法およびそのマスク製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、はんだ印刷に用いられるマスクは、例えば縦横０．５ｍ、厚さ０．１ｍｍ相当のステンレス製の薄板が用いられる。マスクには微細な印刷パターンの開口部が数多く開けられている。これらの開口部は、基板に搭載する電子部品の電極やＩＣのピンが乗る基板のランドパターンに対応している。
【０００３】
はんだ印刷時は、スキージ（はんだ転写器具）から圧入されたはんだが、開口部を通して基板のランドパターン上に転写される。そしてはんだ印刷後に基板に部品を搭載しリフロー炉を通して表面実装を完了する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
クリームはんだのスクリーン印刷機には、印刷開始前にマスクがＸＹテーブル上プリント基板にぴったりと接触しているコンタクト印刷型と、マスクと基板間に僅かながら隙間を有するギャップ印刷型がある。
【０００５】
前記ギャップ印刷は、図３に示すようにテーブル１上に設けたプリント基板２に、開口部３を有し、四辺が固定具４で固定されたマスク５を、ギャップ６を隔てて対向配設し、スキージ７によりマスク５の開口部３を掃引して実施される。
【０００６】
この場合、スキージ７でマスク５を押さえつけながらマスク５の開口部３全域に渡って掃引するときに、周囲の四辺が固定され、スキージ７の圧力を受けるマスク５は、スキージ圧下点のまわりで撓む。これによって、マスク５上の開口部３がＸＹ方向に変位し、はんだを転写する所定のランド位置からずれるので、はんだ印刷位置ズレの印刷不良を起こす。
【０００７】
従来、スクリーン印刷機のマスク設計は、ギャップ印刷におけるマスク開口部の位置ズレを考慮せずに行うことが多かった。しかし、エレクトロニクス製品の小型軽量化の趨勢の中で、ファインピッチ高密度実装が主流となり、これまで許容してきたマスク開口部の位置ズレが、印刷位置ズレの不良の主因となるに至り、設計上放置できない問題となってきた。
【０００８】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものでその目的は、ギャップ印刷で発生するマスクの撓みによる印刷位置ズレを、マスク設計レベルで解消することができる印刷装置およびそのマスク設計方法およびそのマスク製造方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
（１）上記課題を解決するための本発明の印刷装置は、基板の印刷パターンに対応する開口部を有したマスクを、所定のギャップを隔てて基板に対向配設し、はんだ転写器具により前記マスク開口部を掃引してギャップ印刷を行う印刷装置において、前記はんだ転写器具によってギャップの強制変位ｈが与えられたときの、弾性体平板（弾性係数Ｅ）のマスクの変形（ｘ方向の変位Δｕ、ｙ方向の変位Δｖ、ｚ方向の変位ｈ）を、３次元弾性体面外変形式（変形応力モデルの計算式）を用いて計算することによって、前記ギャップ印刷時の、前記印刷パターンと、該印刷パターンに対応する前記開口部との位置ずれを求める位置ずれ演算部と、前記位置ずれ演算部で求められた位置ずれを相殺する位置に開口部を設けて成るマスクとを備えたことを特徴としている。
【００１０】
また、前記３次元弾性体面外変形式は、
Δｕ＝｛（ａ／２＋Δｘ1）−（（ａ／２＋ｕ）2＋ｈ2）1/2｝ｃｏｓα1
…（｛…｝＞０のとき）
Δｕ＝｛（ａ／２＋Δｘ1）−（（ａ／２＋ｕ）2＋ｈ2）1/2｝ｃｏｓα2
…（｛…｝≦０のとき）
Δｖ＝０．５Δｙ1ｃｏｓα3                    …（Δｙ1＞０のとき）
Δｖ＝０．５Δｙ1                            …（Δｙ1≦０のとき）
ここに、
α1＝ｔａｎ-1（ｈ／（ａ／２＋ｕ））
α2＝ｔａｎ-1（ｈ／（ａ／２−ｕ））
α3＝ｔａｎ-1（ｈ／（ｂ／２−ｃ／２））
Δｘ1，Δｙ1：変形による応力釣り合い式より求められる
すなわち、
Δｘ1＝∫（σx1−γσy1）ｄｘ1／Ε
Δｙ1＝∫（σx1−γσy1）ｄｙ1／Ε
である（但し、ａはマスクの長さ、ｕはマスク上のｘ座標、ｖはマスク上のｙ座標、ｈはギャップの強制変位）ことを特徴とし、
また前記マスクは、コンピュータ援用設計システムのコンピュータに、変形応力モデルの計算式又は有限要素法のプログラムを組み込み、マスク設計のパラメータを入力することにより、設計されていることを特徴とし、
また前記マスクは、コンピュータ援用生産システムのコンピュータに、変形応力モデルの計算式又は有限要素法のプログラムを組み込み、マスク設計のパラメータをティーチング時に入力することにより、製作されていることを特徴としている。
（２）また上記課題を解決するための本発明の印刷装置のマスク設計方法は、所定のギャップを隔てて基板に対向配設されるマスクであって、前記基板の印刷パターンに対応して設けられた開口部が、ギャップ印刷時にはんだ転写器具によって掃引される印刷装置のマスク設計方法において、前記はんだ転写器具によってギャップの強制変位ｈが与えられたときの、弾性体平板（弾性係数Ｅ）のマスクの変形（ｘ方向の変位Δｕ、ｙ方向の変位Δｖ、ｚ方向の変位ｈ）を、３次元弾性体面外変形式（変形応力モデルの計算式）を用いて計算することによって、ギャップ印刷時に前記はんだ転写器具によってマスクが受ける応力による前記開口部の変位を求める変位演算処理と、前記変位演算処理で求められた変位を相殺する位置に開口部を設計する設計処理とを備えたことを特徴としている。
【００１１】
また前記のマスク設計方法において、コンピュータ援用設計システムのコンピュータに、変形応力モデルの計算式又は有限要素法のプログラムを組み込み、マスク設計のパラメータを入力することにより設計を行うことを特徴としている。
（３）また上記課題を解決するための本発明の印刷装置のマスク製造方法は、所定のギャップを隔てて基板に対向配設されるマスクであって、前記基板の印刷パターンに対応して設けられた開口部が、ギャップ印刷時にはんだ転写器具によって掃引される印刷装置のマスク製造方法において、コンピュータ援用生産システムのコンピュータに、変形応力モデルの計算式又は有限要素法のプログラムを組み込み、マスク設計のパラメータをティーチング時に入力し、前記はんだ転写器具によってギャップの強制変位ｈが与えられたときの、弾性体平板（弾性係数Ｅ）のマスクの変形（ｘ方向の変位Δｕ、ｙ方向の変位Δｖ、ｚ方向の変位ｈ）を、３次元弾性体面外変形式（変形応力モデルの計算式）を用いて計算することによって、ギャップ印刷時に前記はんだ転写器具によってマスクが受ける応力による前記開口部の変位を求める変位演算処理と、前記変位演算処理で求められた変位を相殺する位置に開口部を製作する製作処理とを実行してマスクを製造することを特徴している。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照しながら本発明の一実施形態例を説明する。
【００１３】
まずギャップ印刷で生じるマスクの撓みは、応力解析で計算が可能である。従って本実施形態例では、マスクの変形を位置ずれ演算部で計算することにより、マスク開口部の位置ズレを予測し、予めこの位置ズレを考慮に入れた設計を行うものである。
【００１４】
即ち、印刷時に生じる開口部の位置ズレの変位ベクトル（方向と変位）は予め分かっているから、その変位ベクトルを相殺できるような位置に開口部のレイアウト設計を行えば良い。位置ズレの相殺設計を行ったマスクの開口部は、印刷時に基板のランドと許容誤差範囲内で一致させることができる。
【００１５】
図１にマスク変形後の幾何形状を示す。なおマスク設計の条件は以下のとおりである。
【００１６】
印刷条件：応力解析は解析対象、すなわちマスクの物理的特性、境界条件、変位／荷重条件を設定して行う。
【００１７】
マスクの特性：サイズ（縦×横×厚）、弾性係数、ポアソン係数
境界条件：４辺固定
変位条件：スキージ圧下強制変位＝ギャップ量、スキージ接触面（長さ×幅）
荷重条件：なし
応力解析モデル：変形応力の釣り合い方程式、薄膜の面外変形モデルを仮定
応力解析の計算方法：近似計算法、有限要素法
応力解析の結果：マスク面の開口部の変位（Δｕ，Δｖ）。
【００１８】
次にマスク最適設計を行うためのマスク変形解析の一例を示す。まず印刷機のマスク、スキージ、ギャップのパラメータを例えば以下のように設定する。
【００１９】
マスクサイズ：長さａ＝５６５．０ｍｍ、幅ｂ＝４６５．０ｍｍ、厚みｔ＝０．１ｍｍ
マスク物性値：弾性係数Ε＝２１０．０ＧＰａ、ポアソン係数γ＝０．３
スキージ：長さｃ＝２２０．０ｍｍ
ギャップ：強制変位ｈ＝２．０ｍｍ。
【００２０】
計算を簡単化するため、マスクの応力変形に注目して方程式を立て、変位の簡易計算式を求めた。マスク上の点（ｕ，ｖ）＝（ｕ，ｃ／２）の変位（Δｕ，Δｖ）は次のように求められる。
【００２１】
Δｕ＝｛（ａ／２＋Δｘ1）−（（ａ／２＋ｕ）2＋ｈ2）1/2｝ｃｏｓα1
…（｛…｝＞０のとき）
Δｕ＝｛（ａ／２＋Δｘ1）−（（ａ／２＋ｕ）2＋ｈ2）1/2｝ｃｏｓα2
…（｛…｝≦０のとき）
Δｖ＝０．５Δｙ1ｃｏｓα3                    …（Δｙ1＞０のとき）
Δｖ＝０．５Δｙ1                            …（Δｙ1≦０のとき）
ここに、
α1＝ｔａｎ-1（ｈ／（ａ／２＋ｕ））
α2＝ｔａｎ-1（ｈ／（ａ／２−ｕ））
α3＝ｔａｎ-1（ｈ／（ｂ／２−ｃ／２））
Δｘ1，Δｙ1：変形による応力釣り合い式より求められる
すなわち、
Δｘ1＝∫（σx1−γσy1）ｄｘ1／Ε
Δｙ1＝∫（σx1−γσy1）ｄｙ1／Ε。
【００２２】
上式によって、スキージで圧下したときのマスク開口部の変位が求められるので、マスク設計時に変位を相殺するような位置に開口部をレイアウトすれば、開口部の位置ズレの解消が可能となる。変位の計算式、変形応力モデルの仮定のしかたによって、簡単化、或いは逆に精密化ができる。また有限要素法を用いれば、更に精度の高い計算を行うことが可能となる。
【００２３】
すなわち本発明の実施形態例では、図２のように構成されたシステムによってマスク開口部の位置ズレを演算したり、位置ズレを相殺したマスクの設計、製作を行うものである。
【００２４】
図２において、コンピュータ援用設計（ＣＡＤ）システムを用いてマスクを設計するときに、予めコンピュータに前記のような計算式を組み込んでおけば、マスク設計のパラメータをティーチング時に入力し、変位演算処理および設計処理を行うだけで、位置ズレを相殺するマスクの設計ができる。
【００２５】
また図２において、コンピュータ援用生産（ＣＡＭ）システムでマスクを製作するときに、予めＣＡＭのコンピュータに前記のような計算式を組み込んでおけば、マスク設計のパラメータをティーチング時に入力し、変位演算処理および製作処理を行うだけで、位置ズレを相殺するマスクを製作することができる。
【００２６】
尚図２においてＣＡＥは、解析のシミュレーション等を行うコンピュータ援用エンジニアリングを示している。
【００２７】
また前記パラメータの数値は前記に限定されるものではない。
【００２８】
【発明の効果】
（１）以上のように請求項１〜７に係る本発明によれば、ギャップ印刷で発生するマスク撓みによる印刷位置ズレを、マスク設計レベルで解消することができる。特に、印刷位置ズレの起こり易い高密度ファインピッチ基板に効果を発揮する。
（２）また請求項５、６に係る本発明によれば、極めて簡単な処理を行うだけで前記位置ズレを相殺したマスクを設計することができる。
（３）また請求項７に係る本発明によれば、極めて簡単な処理を行うだけで前記位置ズレを相殺したマスクを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るギャップ印刷に用いられるマスクの変形後の幾何形状を示す説明図。
【図２】本発明の一実施形態例を示すシステム構成図。
【図３】ギャップ印刷時の問題点を示す説明図。
【符号の説明】
１…テーブル
２…プリント基板
３…開口部
４…固定具
５…マスク
６…ギャップ
７…スキージ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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