JP6281686B2 - Metal mask and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、電子部品の表面実装などに供する、メタルマスクとその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a metal mask and a method for manufacturing the same for surface mounting of electronic components.
現代の産業社会において、電気工学を応用した電子機器は、殆ど全ての分野で広く利用されており、我々の文明は電子産業に支えられていると言っても過言ではない。 In modern industrial society, electronic devices that apply electrical engineering are widely used in almost all fields, and it is no exaggeration to say that our civilization is supported by the electronics industry.
一般に、電子機器中に内蔵されている電子回路基板は、基板上に配線パターンが形成された、プリント配線基板に、電子部品を機械的・電気的に接合することで構成されている。 Generally, an electronic circuit board built in an electronic device is configured by mechanically and electrically joining an electronic component to a printed wiring board having a wiring pattern formed on the board.
電子部品をプリント配線基板に機械的・電気的に接合し、電子回路としての機能を持たせること実装と呼ぶが、この実装工程は、一般的には概ね以下のように行われる。
(1)半田粒子や銀粒子などの金属粒子を、フラックスと言う粘性媒体物に混同してペースト状にした導電性ペーストを、基板上の所定の位置に塗布する。導電性ペーストは、含有する金属粒子の種類により、「半田ペースト」「銀ペースト」と呼ばれる。
導電性ペーストを基板上に塗布するにあたっては、「メタルマスク」と呼ばれる金属製の孔版を用いる印刷法が、広く一般に用いられている。
(2)電子部品の端子を(1)で塗布した配線の所定の位置の導電性ペーストの上に戴置する。大量生産においては、この工程は「マウンタ」と呼ばれる自動装置で行われることが一般的である。
(3)電子部品を戴置したプリント配線基板を、リフロー炉と呼ばれる高温乾燥炉に搬送する。この中でおよそ150〜270℃程度の高温で加熱することで、導電性ペースト中のフラックスに含まれる溶剤成分が揮発し、導電性ペーストを凝固させ、部品を基板上に固定することができる。
An electronic component is mechanically and electrically joined to a printed wiring board to give a function as an electronic circuit. This mounting process is generally performed as follows.
(1) A conductive paste in which metal particles such as solder particles and silver particles are confused with a viscous medium called a flux to form a paste is applied to a predetermined position on the substrate. The conductive paste is called “solder paste” or “silver paste” depending on the type of metal particles contained.
In applying the conductive paste onto the substrate, a printing method using a metal stencil called a “metal mask” is widely used.
(2) The terminal of the electronic component is placed on the conductive paste at a predetermined position of the wiring applied in (1). In mass production, this process is generally performed by an automatic device called a “mounter”.
(3) The printed wiring board on which the electronic components are placed is transported to a high temperature drying furnace called a reflow furnace. By heating at a high temperature of about 150 to 270 ° C., the solvent component contained in the flux in the conductive paste is volatilized, the conductive paste is solidified, and the component can be fixed on the substrate.
上記実装工程は、大量生産においては、各工程にモジュール化され、このモジュールが連結されて一つの実装システムとして機能しているケースも多い。 In the mass production, the mounting process is modularized in each process, and the modules are connected to function as a single mounting system in many cases.
ここで、(1)乃至(3)の実装工程のなかでも、(1)は実装工程のスタートとなる点で、大変重要な工程であるが、非定形物であるペーストを、粘性を保ったまま微細かつ大量に、一定量で一定形状に形成しなければならない点で、難易度も非常に高い。 Here, among the mounting processes of (1) to (3), (1) is a very important process in that it starts the mounting process. The degree of difficulty is very high in that it must be formed in a small amount and in a constant shape with a constant amount.
上述の通りペースト印刷工程では、メタルマスクと言う金属製の孔版が広く用いられている。これは、孔版の印刷面の裏側でスキージを摺動させて、ペーストの塊を回転的に流動(ローリング)させながらメタルマスク上を移動させ、孔版に穿たれた開口に充填し、被印刷体にペーストを印刷するという工程をとる。これはいわゆるシルクスクリーン印刷と類似するが、メタルマスクはシルクスクリーンと異なり開口内に印刷を阻害する紗が存在しないことと、メタルマスクの厚みの精度がシルクスクリーンにおける孔版のそれに比べて優れることから、印刷されるペーストの形状や量の精度が優れている。また、強度の点でも金属製であるメタルマスクは、硬化させた感光性乳剤で形成されているシルクスクリーンにおける孔版よりも当然高く、繰り返し使用に対する耐久性も優れている。 As described above, in the paste printing process, a metal stencil called a metal mask is widely used. This is done by sliding the squeegee on the back side of the printing surface of the stencil, moving the paste mass in a rotating manner (rolling) on the metal mask, and filling the openings formed in the stencil. The process of printing the paste is taken. This is similar to so-called silk screen printing, but unlike a silk screen, the metal mask has no wrinkles that obstruct printing in the opening, and the accuracy of the thickness of the metal mask is superior to that of the stencil on the silk screen. The accuracy of the shape and amount of the paste to be printed is excellent. Further, a metal mask made of metal also in terms of strength is naturally higher than a stencil on a silk screen formed of a cured photosensitive emulsion, and is excellent in durability against repeated use.
これらのことから、メタルマスクは、電子回路の表面実装において重要なアイテムであり、メタルマスクの性能が電子機器の性能を左右すると考えられている。 For these reasons, the metal mask is an important item in the surface mounting of the electronic circuit, and it is considered that the performance of the metal mask affects the performance of the electronic device.
メタルマスクに求められる性能や特性は、その重要性と相俟って多岐に渡る。開口の形状や寸法及び座標位置の精度は、印刷されるペーストの形状や量、基板上の位置を決定する。また、ペーストの開口からの抜け性は、開口に充填されたペーストがスムーズに開口から離脱し、所定の形状を保ったまま基板上に安定に戴置されるために重要な特性である。メタルマスクの材質の硬度や剛性は、繰り返し使用したときの金属疲労による破損や磨耗及び創傷に関係し、延展に対する耐久性を決める。さらに、表面の粗さや性状は、基板接触面側では、基板との密着性に関連してペーストの滲みの程度を左右する。一方、スキージ側ではスキージの摺動性を初め、印刷中のペーストのスムーズな流動性であるローリング性、後述するペーストのかき取り残りに影響するので、印刷性能の良否に大いに関わると考えられている。 The performance and characteristics required for metal masks vary widely in combination with their importance. The accuracy of the shape and size of the opening and the coordinate position determine the shape and amount of the paste to be printed and the position on the substrate. Further, the ability of the paste to be removed from the opening is an important characteristic because the paste filled in the opening is smoothly detached from the opening and is stably placed on the substrate while maintaining a predetermined shape. The hardness and rigidity of the metal mask material are related to damage, wear, and wound due to metal fatigue when used repeatedly, and determine the durability against spreading. Further, the roughness and properties of the surface influence the degree of the spread of the paste on the substrate contact surface side in relation to the adhesion to the substrate. On the other hand, the squeegee side affects the squeegee's slidability, the rolling property, which is the smooth fluidity of the paste during printing, and the scraping residue of the paste described later. Yes.
ここで、メタルマスクの、印刷への使用の態様としては、一般にはアルミなどの四角い金属枠に、ポリエステルのスクリーンを張設したスクリーン枠と呼ばれるものに、メタルマスクを接着剤で固着して、メタルマスクを覆う部分のスクリーンを、固着部分(「コンビネーション部」と言われる)を残して切り取って製版した、「コンビネーションマスク」と呼ばれるものが使用されている.また、金属枠に対してメタルマスクを接着ではなく物理的に係合させて、繰り返し着脱が出来るようにした、いわゆる着脱式マスクと言うものも使用されているが、何れの形態をとったとしても、メタルマスクに求められる物性や性能に大きな差はない。 Here, as an aspect of the use of the metal mask for printing, generally, a metal mask is fixed to an item called a screen frame in which a polyester screen is stretched on a square metal frame such as aluminum, with an adhesive, A so-called “combination mask” is used in which the part of the screen covering the metal mask is cut out, leaving a fixed part (called “combination part”). In addition, what is called a removable mask is also used in which the metal mask is physically engaged with the metal frame, not bonded, and can be repeatedly attached and detached. However, there is no significant difference in physical properties and performance required for metal masks.
また、メタルマスクの製造方法としては、大きく分けて、(1)ステンレスなどの導電性金属の平板からなる、めっき基材上に、フォトリソグラフィ法を用いて開口パターンのレジスト画像形成をした上で、めっき基材上に電解ニッケルめっきを行う電解めっき法、(2)レーザ照射で、メタルマスクの素材である金属(主にステンレス)平板に直接に開口を形成するレーザ加工法、(3)フォトリソグラフィによるステンレス製の基材上への開口パターンの画像形成と、エッチングによる開口形成を組み合わせた、エッチング法が考えられる。各工程の簡単なフローを図1乃至3に記載した。製造方法により、メタルマスクの特性は異なるが、何れの製造方法をとったとしても、メタルマスクに必要な性能などは同様のものが求められる。 In addition, the metal mask manufacturing method can be broadly divided into (1) a resist image of an opening pattern is formed on a plating base made of a conductive metal flat plate such as stainless steel using a photolithography method. , Electroplating method that performs electrolytic nickel plating on the plating substrate, (2) Laser processing method that directly forms an opening in the metal (mainly stainless steel) flat plate that is the material of the metal mask by laser irradiation, (3) Photo An etching method that combines image formation of an opening pattern on a stainless steel substrate by lithography and opening formation by etching is conceivable. A simple flow of each process is shown in FIGS. Although the characteristics of the metal mask vary depending on the manufacturing method, the performance required for the metal mask is required to be the same regardless of which manufacturing method is used.
ここで、近年のエレクトロニクス技術の進歩に伴い、電子部品の微小化、実装の高密度化が進むにつれ、メタルマスクに対する要求の難しさも増している。例えば、最先端の03015部品の実装には、0.1mm程度の微小な開口が必要となるが、この様な微小な開口の場合にペーストが開口内部にスムーズに充填されるには、印刷後にメタルマスクのスキージ面にペーストがこびり付かず、スキージの移動とともに出来るだけかき取られることが要望される。このためには,メタルマスクのスキージ面の摩擦が少なく,ペーストがスムーズに流動することが必要である。 Here, with the advancement of electronics technology in recent years, the demand for metal masks has increased as electronic components have become smaller and the mounting density has increased. For example, a state-of-the-art 03015 component requires a small opening of about 0.1 mm. In such a small opening, the paste can be filled smoothly into the opening after printing. It is desired that the paste does not stick to the squeegee surface of the metal mask and that it is scraped off as much as possible as the squeegee moves. For this purpose, it is necessary for the paste to flow smoothly with little friction on the squeegee surface of the metal mask.
また、部品が微小になるに伴い、導電性ペーストの粒径もφ5μm〜15μmと小さくなるが、この場合ペーストがメタルマスクと基板の隙間から滲みやすくなり、不良の原因となることが懸念される。これを防止するためには、メタルマスクの開口のエッジが丸まりを帯びずにシャープに形成されている必要がある。 In addition, as the parts become smaller, the particle size of the conductive paste becomes as small as φ5 μm to 15 μm. However, in this case, the paste is likely to spread from the gap between the metal mask and the substrate, which may cause a defect. . In order to prevent this, the edge of the opening of the metal mask needs to be formed sharply without rounding.
開口寸法に対するメタルマスク厚の比であるアスペクト比が、一般に1より大きくなると、開口からペーストが抜けにくくなり、凝集破断を起こしやすくなる。そこで、メタルマスクの開口形状が微細になる場合、マスク厚を薄くする必要があるが、これはメタルマスクの剛性を下げ、使用耐久寿命を短くすると言う矛盾を孕んでいる。これを回避するためには、マスクの素材そのものの強度をあげる必要があるが、上記何れの製法を用いても、使える金属材料はある程度限られており、本質的に改善することは難しい。 When the aspect ratio, which is the ratio of the metal mask thickness to the opening dimension, is generally greater than 1, the paste is difficult to escape from the opening, and cohesive fracture is likely to occur. Therefore, when the opening shape of the metal mask becomes fine, it is necessary to reduce the mask thickness. However, this is inconsistent with reducing the rigidity of the metal mask and shortening the service life. In order to avoid this, it is necessary to increase the strength of the mask material itself, but the metal materials that can be used are limited to some extent by using any of the above-mentioned manufacturing methods, and it is essentially difficult to improve.
本発明の課題は、微細な部品の搭載を可能ならしめるため、開口のエッジ形状がシャープに形成されたメタルマスクに無電解ニッケルめっきを施し、その表面及び開口側壁に高硬度の合金を被覆して、印刷性と耐久性に優れたメタルマスクを得るというものである。当該メタルマスクは表面及び開口側壁の摩擦が低く抑えられるので、スキージ面でのスキージの摺動性が優れ、スキージ面に残留するペーストが殆どなく、さらに開口からペーストがスムーズに離型することから、良好な印刷性能を持つ。また、印刷によるメタルマスクの変形や創傷が少なく、優れた耐久性を有する。 An object of the present invention is to apply a non-electrolytic nickel plating to a metal mask having a sharp edge shape of the opening and to coat the surface and the opening side wall with a high-hardness alloy in order to make it possible to mount fine parts. Thus, a metal mask excellent in printability and durability is obtained. Since the metal mask has low friction between the surface and the side wall of the opening, it has excellent squeegee slidability on the squeegee surface, there is almost no paste remaining on the squeegee surface, and the paste is smoothly released from the opening. , With good printing performance. Moreover, there is little deformation | transformation and wound of the metal mask by printing, and it has the outstanding durability.
本発明における請求項1に係る発明は、電子回路の実装工程などの用に供される、導電性ペースト印刷用メタルマスクであって、厚さが20μm〜100μmのメタルマスク母体の面内に設けられ、エッジ形状がシャープに形成された印刷用の開口と、前記メタルマスクの表面及び前記印刷用の開口の側壁に2〜3μmの厚さで被覆された、ニッケルとホウ素とリンの合金からなる皮膜層を備え、前記メタルマスクの表面及び前記印刷用の開口の側壁は、導電性ペーストのフラックス成分が薄膜の様に残る濡れ性を有し、前記メタルマスク母体はビッカース硬度が200Hv〜600Hvであり、前記皮膜層はビッカース硬度が700〜900Hvであり、前記印刷用の開口のエッジがシャープに形成され、表面や前記印刷用の開口の端又は側壁に酸化被膜等の熱変質層、及び金属溶融物等の異物が存在しない、ことを特徴とする。
また、請求項2に係る発明は、導電性ペースト印刷に供されるメタルマスクの製造方法であって、厚さが20μm〜100μmでビッカース硬度が200Hv〜600Hvのニッケル板またはステンレス板からなるメタルマスク材に、レーザ加工法により面内に印刷用の開口を形成してメタルマスク母体を製作する工程と、前記メタルマスク母体を硝酸とフッ化水素の混合液、または硝酸とフッ化水素アンモニウムの混合液である処理液に浸透して、化学研磨により前記メタルマスク母体の表面や、前記印刷用の開口の端又は側壁から熱変質層や金属溶融物を除去する工程と、前記メタルマスク母体を、リン酸と硫酸の水溶液またはリン酸水溶液からなる酸性液中で、直流電流を通電する電解研磨により、前記印刷用の開口のエッジを損なわない程度に処置する工程と、前記メタルマスク母体の前記表面及び前記印刷用の開口側壁に、無電解ニッケルめっきにより、ニッケルとホウ素とリンの合金からなり、ビッカース硬度が700〜900Hvの皮膜層を2〜3μmの厚さで被覆し、前記印刷用の開口のエッジをシャープに形成する工程とを備える、ことを特徴とする。
The invention according to
The invention according to
上記メタルマスクは、03015部品などの微小な電子部品を実装する為に特に有効である。 The metal mask is particularly effective for mounting minute electronic parts such as 03015 parts.
さらに、上記メタルマスクの製造方法は、03015部品などの微小な電子部品を実装するメタルマスクを製造する為に特に有効である。 Furthermore, the metal mask manufacturing method is particularly effective for manufacturing a metal mask on which minute electronic components such as 03015 components are mounted.
上記メタルマスク、及び上記メタルマスクの製造方法により製造されたメタルマスクは、電子部品の表面実装のみならず、半導体パッケージ用のバンプ電極形成、太陽電池セルの電極形成、プリンテッドエレクトロニクスにおける導電性ペーストを用いた回路印刷形成にも有効である。 The metal mask manufactured by the metal mask and the method for manufacturing the metal mask is not only for surface mounting of electronic components, but also for bump electrode formation for semiconductor packages, electrode formation for solar cells, and conductive paste in printed electronics. It is also effective for circuit printing formation using
本発明によるメタルマスクによれば、プリント配線基板上の所定位置に、導電性ペーストを高精度に印刷することができるので、03015部品などの微小な電子部品の表面実装を可能にし、かつメタルマスクの耐久性を向上させ、その使用寿命を延ばす効果がある。 According to the metal mask of the present invention, since the conductive paste can be printed at a predetermined position on the printed wiring board with high accuracy, surface mounting of minute electronic parts such as 03015 parts is enabled, and the metal mask is provided. It has the effect of improving the durability and extending its service life.
添付の図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。 Embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
本発明に係るメタルマスクの、合金皮膜を被覆する前の母体(以下「メタルマスク母体」という)は、従来から存在するメタルマスクの製造方法を用いる、電解めっき法、レーザ加工法、エッチング法の何れで製造されても良く、素材としては電解めっき法ではニッケル、レーザ加工法又はエッチング法ではステンレス(特にSUS304)が一般的であるが、これ以外にも、アルミニウムに対するドリル加工など、メタルマスク(即ち面内に開口を穿たれた金属孔版)を形成できる工法と素材であれば、これらに限られるものではない。 The base of the metal mask according to the present invention before coating with the alloy film (hereinafter referred to as “metal mask base”) is an electroplating method, a laser processing method, an etching method using a conventional metal mask manufacturing method. Any material may be manufactured, and as a material, nickel is generally used in the electrolytic plating method, and stainless steel (especially SUS304) is used in the laser processing method or the etching method. That is, the construction method and the material are not limited to these as long as they can form a metal stencil having an opening in the plane.
メタルマスク母体の表面や開口側壁に異物が付着していると、その部分にだけ合金皮膜が十分に被覆せずに、効果を損なうことになる。従って作製後、十分に然るべき処理を行って除去する必要がある。 If foreign matter adheres to the surface of the metal mask base or the side wall of the opening, the alloy film is not sufficiently covered only on that portion, and the effect is impaired. Therefore, it is necessary to remove them by performing appropriate treatment after the production.
つまり、電解めっき法であれば、開口内にドライフィルムレジストの残渣が残りやすく、レーザ加工法では、照射されたレーザビームの熱により、メタルマスク母体の表面や、開口の端又は側壁に酸化皮膜等の熱変質層、及び金属溶融物等の異物が付着するが、これらは完全に除去されることが要求される。 In other words, if the electrolytic plating method is used, the residue of the dry film resist is likely to remain in the opening. In the laser processing method, an oxide film is formed on the surface of the metal mask base, the edge of the opening, or the side wall by the heat of the irradiated laser beam. Although a foreign matter such as a thermally deteriorated layer and a metal melt adheres, it is required that these are completely removed.
開口内異物の除去方法としては、電解めっき法におけるドライフィルムレジストの場合は、アルカリ系の剥離液にメタルマスクをめっき基材ごと浸漬し、溶解または膨潤させたのち、高圧水流で除去する方法が一般的である。 As a method for removing foreign matter in the opening, in the case of a dry film resist in the electrolytic plating method, there is a method in which a metal mask is immersed in an alkaline stripping solution together with the plating base, dissolved or swollen, and then removed with a high-pressure water stream. It is common.
また、レーザ加工法においては、リン酸と硫酸の混合液またはリン酸水溶液からなる酸性液中で、直流電流を通電することで、金属溶融物を電気的に除去する電解研磨法がある。ここで、電解研磨は、過度に行うと、開口エッジの角を切削し、鈍らせてアール形状にしてしまい印刷滲みを起こすおそれがあるため、適度に処理する必要があり、さらに、電解研磨単独では開口側壁の熱変質層を除去できないため、事後にバフによる研磨を行い、これを除去する必要があるが、これもまた開口のエッジを物理的に削ってしまうため、注意が必要である。
次に、硝酸とフッ化系水素の混合液、または硝酸とフッ化水素アンモニウムの混合液である処理液に浸漬し、熱変質層や金属溶融物を化学的に除去する化学研磨法も考えられる。
この方法は、前記電解研磨法と異なり、熱変質層も除去できる点と、開口のエッジの切削が発生しないという長所があるが、一方で酸により金属表面が粗くり過ぎる恐れがあるため,やはり過度に処理しないように加減する必要がある。
Further, in the laser processing method, there is an electropolishing method in which a metal melt is electrically removed by passing a direct current in an acidic solution composed of a mixed solution of phosphoric acid and sulfuric acid or a phosphoric acid aqueous solution. Here, when the electropolishing is excessively performed, the corners of the opening edge are cut and blunted to form a rounded shape, which may cause printing bleeding. However, since the heat-affected layer on the side wall of the opening cannot be removed, it is necessary to perform polishing by buffing after the fact and remove it. However, this also requires physical attention because the edge of the opening is also physically removed.
Next, a chemical polishing method is also conceivable in which the thermal alteration layer and the metal melt are chemically removed by dipping in a treatment liquid that is a mixed liquid of nitric acid and hydrogen fluoride, or a mixed liquid of nitric acid and ammonium hydrogen fluoride. .
Unlike the electropolishing method, this method has the advantage that the heat-affected layer can be removed and the edge of the opening is not cut. However, the metal surface may be too rough due to the acid. It is necessary to adjust it so that it is not excessively processed.
この点、電解研磨処理をして表面の凹凸を切削することで、ざらざらした梨地表面の金属を、光沢表面にすることができるので、先ず化学研磨により、金属溶融物と熱変質層を除去したのち、電解研磨を、開口エッジを損なわない程度に処置することで、鋭利な開口エッジと、滑らかな表面・開口側壁のメタルマスクの母体を得ることができる。ここで、後述のように、無電解ニッケルめっき皮膜の被覆により、表面の摺動性を良くするときにも、母体そのものが平滑である方が、より効果的である。 In this regard, the metal on the rough textured surface can be made a glossy surface by cutting the surface irregularities by electrolytic polishing treatment, so the metal melt and the heat-affected layer were first removed by chemical polishing. Then, by performing electropolishing to such an extent that the opening edge is not impaired, a sharp opening edge and a smooth metal mask matrix with a surface / opening side wall can be obtained. Here, as will be described later, when the surface slidability is improved by coating with an electroless nickel plating film, it is more effective that the base itself is smooth.
なお、メタルマスク母体は、レーザ加工法やエッチング法により作製したステンレス板の場合はビッカース硬度で約200Hv以下であり、電解めっき法により作製したニッケル板の場合はおよそ300〜600Hvである。 The metal mask base has a Vickers hardness of about 200 Hv or less in the case of a stainless steel plate produced by a laser processing method or an etching method, and about 300 to 600 Hv in the case of a nickel plate produced by an electrolytic plating method.
このメタルマスク母体の全体に、無電解ニッケルめっきを施して、表面と開口側壁に1.0μm〜4.0μm厚の合金皮膜を形成する。皮膜形成のフロー図を、図4に示した。ここで、1.0μm未満では、薄すぎるため、表面硬度の強化への効果が少なくなる。反面4.0μmより厚くなると、開口エッジが鈍って丸まりを帯び始めてしまうため好ましくない。開口エッジが鈍り、シャープさを失うと、印刷滲みの元となるからである。この点、開口エッジ形状と、皮膜層の強度を兼ね備えられる厚さとしては、2.0〜3.0μmが理想的である。なお、無電解めっき合金皮膜を被覆することで、その厚みに応じて開口の寸法は縮小し、メタルマスクの厚みは増加することになるので、設計段階でその分を計算して補正しておく必要がある。 The entire metal mask base is subjected to electroless nickel plating to form an alloy film having a thickness of 1.0 μm to 4.0 μm on the surface and the opening side wall. A flow chart of film formation is shown in FIG. Here, if it is less than 1.0 μm, it is too thin, and therefore the effect on the enhancement of surface hardness is reduced. On the other hand, if it is thicker than 4.0 μm, the opening edge becomes dull and begins to be rounded. This is because if the opening edge becomes dull and loses sharpness, it causes printing blur. In this respect, the thickness that combines the opening edge shape and the strength of the coating layer is ideally 2.0 to 3.0 μm. By coating the electroless plating alloy film, the size of the opening is reduced according to the thickness and the thickness of the metal mask is increased. Therefore, the amount is calculated and corrected at the design stage. There is a need.
この様にして得られたメタルマスクの断面図を図5に示す。
ここで、無電解ニッケルめっきの皮膜組成は、ニッケル−リン(Ni−P)、ニッケル−ボロン(Ni−B)のような代表的なものの他に、ニッケル−ボロン−リン(Ni−B−P)が挙げられる。また、最近ではNi−B−Pのめっき液に、2価のスズイオンを添加することによって、鉛などの環境負荷物質の使用を抑えつつ、同様の物性を有する無電解ニッケルめっき皮膜を形成できることが知られている。
Here, the film composition of the electroless nickel plating may be nickel-boron-phosphorus (Ni-BP) in addition to typical ones such as nickel-phosphorus (Ni-P) and nickel-boron (Ni-B). ). Also, recently, by adding divalent tin ions to the Ni-BP plating solution, it is possible to form an electroless nickel plating film having similar physical properties while suppressing the use of environmentally hazardous substances such as lead. Are known.
ここで、Ni−P合金皮膜は、析出時のビッカース硬度は約500Hvであるが、250℃以上で熱処理をすることで、700Hv以上に上昇する。これに対し、Ni−B−P合金皮膜の場合、事後に熱処理をしなくとも、析出状態で700〜800Hv以上のビッカース硬度を得ることができる点で有利である。熱処理によりメタルマスクに熱サイクルを与えると、膨張・収縮による変形で、開口座標などが変動してしまい、印刷精度に悪い影響を与えるおそれがあるため、析出状態で高い硬度を得ることが望ましいからである。 Here, the Ni-P alloy film has a Vickers hardness of about 500 Hv at the time of precipitation, but increases to 700 Hv or more by heat treatment at 250 ° C. or higher. On the other hand, in the case of a Ni-BP alloy film, it is advantageous in that a Vickers hardness of 700 to 800 Hv or more can be obtained in a precipitated state without performing a heat treatment after the fact. If a heat treatment is applied to the metal mask by heat treatment, it is desirable to obtain high hardness in the precipitated state because the deformation due to expansion and contraction may change the opening coordinates and adversely affect printing accuracy. It is.
なお、Ni−B−P合金において前記の効果を得るには、合金皮膜中の成分構成比が、Niが97.0重量%以上、Pは0.5〜3.0重量%以上、Bが0.05〜2.0重量%以下のときが、特に顕著な効果が得られる(特許文献1)。 In order to obtain the above effect in the Ni-BP alloy, the component composition ratio in the alloy film is such that Ni is 97.0% by weight or more, P is 0.5 to 3.0% by weight or more, and B is When the amount is 0.05 to 2.0% by weight or less, a particularly remarkable effect is obtained (Patent Document 1).
本願発明に係るメタルマスクは、摺動性の高い高硬度の外殻に包まれることにより、スキージによる傷や磨耗が少なくなり、また、印刷の繰り返しに伴う変形による金属疲労に強くなる。一方、内部の電解ニッケルめっき皮膜やステンレスは、外殻に比較して低硬度で柔軟性を有するため、高硬度皮膜にありがちな脆さを補い、割れ・欠けの発生を低減することができる。 The metal mask according to the present invention is wrapped in a highly hard outer shell having high slidability, so that scratches and wear due to squeegees are reduced, and metal fatigue due to deformation caused by repeated printing is increased. On the other hand, since the internal electrolytic nickel plating film and stainless steel have lower hardness and flexibility than the outer shell, they can compensate for the brittleness often found in high-hardness films and reduce the occurrence of cracks and chips.
また、無電解めっき法は、電解めっき法に比べ、均一析出性に優れているため、めっき皮膜厚をバラつきなく全体的に均一に形成できるという利点があるが、単体で厚膜形成した場合、脆さが顕著になり衝撃や変形に弱くなる。また、めっき液が高価であり、かつ管理が難しいため、コストパフォーマンスが悪くなる。さらに、電解めっき法と同様に、フォトリソグラフィを併用して開口パターンを形成する場合、感光性ドライフィルムが無電解めっき液に対して弱いため、型崩れを起こしやすくなり、パターン形成が難しいと言う問題がある。このような理由から、無電解めっき法は、それ単体での厚膜形成には不向きであると考えられている。 In addition, the electroless plating method has an advantage of being able to uniformly form the plating film thickness without variation because it is excellent in uniform precipitation compared with the electroplating method. Brittleness becomes prominent and weak against impact and deformation. Moreover, since the plating solution is expensive and difficult to manage, the cost performance deteriorates. Furthermore, as with the electroplating method, when an opening pattern is formed by using photolithography together, the photosensitive dry film is weak against the electroless plating solution, so that it tends to lose its shape, making it difficult to form the pattern. There's a problem. For these reasons, the electroless plating method is considered unsuitable for forming a thick film by itself.
そこで、電解めっき法等でメタルマスク母体を形成し、メタルマスクの品質や性能を左右する表層部分のみを無電解めっき法で形成することは、メタルマスク全体を無電解めっき法で作製する場合に比べ、メタルマスクの品質・性能を落とさずに、納期短縮や生産コストの削減を実現できると言う利点も有している。 Therefore, forming a metal mask base by electrolytic plating and forming only the surface layer that affects the quality and performance of the metal mask by electroless plating means that the entire metal mask is produced by electroless plating. In comparison, it has the advantage that the delivery time can be shortened and production costs can be reduced without degrading the quality and performance of the metal mask.
メタルマスクの表面と開口内部に無電解ニッケルめっき皮膜を施したものとしては、先行技術として、下記特許文献が存在する。
一方、本願発明の様に、合金皮膜中に撥水性樹脂を取り込んでいない場合、表面はむしろ濡れやすくなるので、導電性ペーストの溶剤などのフラックス成分が、メタルマスク表面や開口の側壁に薄膜の様に残り、これと高硬度金属の摺動性と相俟って、開口からの導電性ペーストの離型性を向上させる。また、スキージ面については、撥水性樹脂を含んだ場合ほどの過剰な滑りやすさはないため、導電性ペーストのローリング性は低下せず、印刷性を落とすことない。 On the other hand, when the water-repellent resin is not incorporated in the alloy film as in the present invention, the surface is rather easily wetted, so that flux components such as a solvent of the conductive paste are not formed on the metal mask surface or the opening sidewall. In combination with this, and the slidability of the high hardness metal, the releasability of the conductive paste from the opening is improved. In addition, the squeegee surface is not as slippery as excessively water-containing resin, so that the rolling property of the conductive paste is not lowered and the printability is not deteriorated.
メタルマスク母体は、0.1mm厚のSUS304の素材に、レーザ加工法により開口を形成した後、化学研磨により開口エッジの金属溶融物と、開口側壁の熱変質物を除去した。メタルマスク母体の開口は、0603、0402の他、03015部品実装パターンが各数パターンずつ形成されている。 In the metal mask base, an opening was formed in a SUS304 material having a thickness of 0.1 mm by a laser processing method, and then the metal melt on the opening edge and the thermal alteration material on the opening side wall were removed by chemical polishing. In addition to 0603 and 0402, a number of 30015 component mounting patterns are formed in the opening of the metal mask base.
このメタルマスク母体に、無電解ニッケルめっきを施し、合金皮膜を形成する。ここでは、無電解めっき液には、日本カニゼン株式会社製のSKB−230 カニボロン(登録商標 第4080761号)を使用したが、形成される合金皮膜の成分比が前記のものであれば、本製品に限らずに使用は可能である。
先ず、メタルマスク母体に対し、脱脂、酸洗、無電解ニッケルめっき用活性化処理(ストライクめっき等)などの前処理を行った後、前記無電解めっき液に指定条件に従って浸漬し、合金皮膜を形成した。浸漬後のメタルマスクの総厚を測定し、合金皮膜の厚さは2.0μmであることを確認した。また、合金皮膜のビッカース硬度は、析出段階で715Hvであった。
The metal mask base is subjected to electroless nickel plating to form an alloy film. Here, SKB-230 Kaniboron (registered trademark No. 4080761) manufactured by Nippon Kanisen Co., Ltd. was used as the electroless plating solution. It can be used without being limited to.
First, a pretreatment such as degreasing, pickling, electroless nickel plating activation treatment (strike plating, etc.) is performed on the metal mask base, and then immersed in the electroless plating solution according to the specified conditions to form an alloy film. Formed. The total thickness of the metal mask after immersion was measured, and it was confirmed that the thickness of the alloy film was 2.0 μm. Moreover, the Vickers hardness of the alloy film was 715 Hv in the precipitation stage.
このようにして得られたメタルマスクを、スクリーン版に張設して印刷版とし、ステンレス製のスキージと、半田印刷機を用いて、半田ペーストの印刷試験をおこなった。その結果、スキージの摺動性、半田ペーストのローリング性は良好であり、スキージ面への半田ペーストの残りもなく、何れのサイズの開口においても半田ペーストの離型性も問題なく、所望の印刷パターンと印刷位置に、半田ペーストを転写することができた。 The metal mask thus obtained was stretched on a screen plate to form a printing plate, and a solder paste printing test was conducted using a stainless steel squeegee and a solder printer. As a result, the squeegee slidability and solder paste rolling are good, there is no solder paste remaining on the squeegee surface, and there is no problem with the release of the solder paste in any size opening, and the desired printing. The solder paste could be transferred to the pattern and printing position.
また、メタルマスクの耐久性(耐変形・耐摩耗)を見る為に、連続印刷試験を行った。10000回印刷後にメタルマスクを外観と寸法を検査したところ、メタルマスク表面の傷、磨耗、及び伸びや変形は見られなかった。 In order to check the durability (deformation / wear resistance) of the metal mask, a continuous printing test was conducted. When the appearance and dimensions of the metal mask were inspected after printing 10,000 times, scratches, abrasion, elongation, and deformation of the metal mask surface were not observed.
メタルマスク母体の厚さを20〜100μm、合金皮膜の厚さを0.5〜8.0μmの範囲で系統的に変化させる以外は、実施例1と同じ条件で、印刷性と耐久性の評価を行った。図6の表にその結果を示した。 Evaluation of printability and durability under the same conditions as in Example 1 except that the thickness of the metal mask base is systematically changed in the range of 20 to 100 μm and the thickness of the alloy film is in the range of 0.5 to 8.0 μm. Went. The results are shown in the table of FIG.
合金皮膜厚0.5μmの場合、何れのメタルマスク総厚において、印刷性、耐久性とも合金皮膜の被覆効果は見られなかった。先ず、印刷性に関しては、スキージの摺動性は向上が見られず、印刷後にスキージ面にペースト残りが発生し、開口内部へのペーストのスムーズな充填を阻害し、結果として印刷不十分が発生した。これは03015部品実装パターンの様な、微小パターンの印刷に対して特に顕著であった。 In the case of an alloy film thickness of 0.5 μm, the effect of coating the alloy film was not seen in both printability and durability at any metal mask total thickness. First, with regard to printability, the squeegee slidability is not improved, and paste remains on the squeegee surface after printing, hindering smooth filling of the paste inside the opening, resulting in insufficient printing. did. This was particularly noticeable for printing a fine pattern such as a 03015 component mounting pattern.
また、耐久性に関しても、連続印刷中にスキージによる創傷が多数発生した。これらの結果は、合金皮膜の厚さが不十分であることを示唆している。 As for durability, many squeegee wounds occurred during continuous printing. These results suggest that the thickness of the alloy film is insufficient.
合金皮膜厚1μmの場合、何れの総厚のメタルマスクに関しても、印刷性については、スキージの摺動性が滑らかになり、ペーストのローリング性も良く、印刷後のスキージ面へのペースト残りも発生せず、03015実装パターンの印刷も特に問題なく実現でき、従来の合金皮膜が被覆されていないメタルマスクより有意な効果が確認できた。 When the alloy film thickness is 1 μm, the squeegee slidability is smooth, the paste rolling property is good, and the paste remains on the squeegee surface after printing, regardless of the total thickness of the metal mask. In addition, the printing of the 03015 mounting pattern could be realized without any particular problem, and a significant effect could be confirmed compared with the conventional metal mask not coated with the alloy film.
一方、耐久性に関しては、10000回の連続印刷後のメタルマスク表面に、スキージによる傷や擦れが0.5μmより少ないが散見された。即ち、合金皮膜厚1μmは、印刷性の向上に対しては効果を発現するが、耐久性向上については不十分である。 On the other hand, regarding the durability, scratches and rubbing due to the squeegee were less than 0.5 μm on the metal mask surface after continuous printing 10,000 times. That is, an alloy film thickness of 1 μm exhibits an effect for improving printability, but is insufficient for improving durability.
合金皮膜厚2.0,3.0μmのときは、何れの総厚のメタルマスクにおいても、印刷性、耐久性ともに向上の効果が現れた。 When the alloy film thickness was 2.0 or 3.0 μm, the effect of improving both printability and durability was exhibited in any total thickness metal mask.
スキージの摺動性、半田ペーストのローリング性は良好であり、スキージ面への半田ペーストの残りもなく、何れのサイズの開口においても特段の半田ペーストを印刷することができた。 The sliding property of the squeegee and the rolling property of the solder paste were good, and no solder paste remained on the squeegee surface, and a special solder paste could be printed at any size opening.
また、メタルマスクの耐久性については、連続印刷10000回後のメタルマスクを外観と寸法検査により、メタルマスク表面の傷、磨耗、及び伸びや変形が発生していないことが確認された。 As for the durability of the metal mask, it was confirmed that the metal mask surface after 10000 times of continuous printing was not damaged, worn, stretched or deformed by the appearance and dimensional inspection.
合金皮膜厚4.0μmのときは、何れの総厚のメタルマスクにおいても、スキージの摺動やペーストの離型性については、合金皮膜厚2.0,3.0μmと同様に改善がされていたが、印刷後の半田ペーストに、僅かな滲みが発生した。原因確認の為に、メタルマスクの開口のエッジを確認したところ、3.0μm以下の場合にはエッジが鋭利な形状をしていたことと異なり、図7のように鈍ったアール形状をしていた。即ち、当該印刷滲みは、このアール形状に起因して発生したものである。 When the alloy film thickness is 4.0 μm, squeegee sliding and paste releasability are improved in the same way as the alloy film thicknesses of 2.0 and 3.0 μm in any total thickness metal mask. However, slight blur occurred in the solder paste after printing. To confirm the cause, the edge of the opening of the metal mask was confirmed. Unlike the case where the edge was 3.0 μm or less, the edge had a sharp round shape as shown in FIG. It was. That is, the printing blur is caused by this round shape.
耐久性については、合金皮膜厚2.0,3.0μmの場合と同様に、向上効果が見られた。 As for durability, an improvement effect was observed as in the case of alloy film thicknesses of 2.0 and 3.0 μm.
合金皮膜厚6.0,8.0μmの場合、耐久性に関しては、2.0〜4.0μmのときと同様に、向上効果があったが、ペースト滲みは4.0μmのときより大きくなった。開口エッジの形態を確認したところ、4.0μmのときに比べ、鈍りの程度が大きくなっていた。 In the case of the alloy film thickness of 6.0 and 8.0 μm, the durability was improved as in the case of 2.0 to 4.0 μm, but the paste bleeding was larger than that in the case of 4.0 μm. . As a result of confirming the shape of the opening edge, the degree of blunting was larger than that at 4.0 μm.
以上のように、印刷性、耐久性両者に対して有効と評価される合金皮膜の厚さは、メタルマスク母体の厚さによって変化するが、2μm乃至3μmの範囲では、全ての母体厚において、印刷性、耐久性とも効果があったことが確認できた。1μm乃至2μmまたは3μm乃至4μmでは、メタルマスク母体厚により、印刷性、耐久性のいずれかに対する有効性が弱くなるが、従来の、合金皮膜を被覆していないメタルマスクに比較して、何れか一方が改善されていた。
(比較例1)
As described above, the thickness of the alloy film that is evaluated to be effective for both printability and durability varies depending on the thickness of the metal mask matrix, but in the range of 2 to 3 μm, in all matrix thicknesses, It was confirmed that both printability and durability were effective. In the case of 1 μm to 2 μm or 3 μm to 4 μm, the effectiveness with respect to either printability or durability is weak depending on the thickness of the metal mask base, but it is either as compared with a conventional metal mask not coated with an alloy film. One was improved.
(Comparative Example 1)
実施例1と同様の条件で、無電解ニッケルめっきをN−P系としたメタルマスクを作製した。析出時の表面硬度は、約400Hvであり、これを熱処理せずにスクリーン枠に張設し、印刷試験を行った。結果としては、スキージの摺動性は実施例1ほど滑らかではなく、03015部品用の開口において、何点かペースト離型不良が発生した。また、連続印刷の初期においては、スキージ側にスキージ痕が、印刷側に基板の痕がついた。
(比較例2)
Under the same conditions as in Example 1, a metal mask using electroless nickel plating as an NP system was produced. The surface hardness at the time of precipitation was about 400 Hv, and this was stretched on a screen frame without being heat-treated, and a printing test was conducted. As a result, the squeegee slidability was not as smooth as in Example 1, and several paste release defects occurred in the openings for the 30015 parts. In the initial stage of continuous printing, squeegee marks were formed on the squeegee side and substrate marks were formed on the print side.
(Comparative Example 2)
一方、比較例1と同条件で作製したメタルマスクを、250℃で1時間熱処理をしたところ、硬度は650Hvまで上昇したが、メタルマスクの熱変形に起因する開口座標のズレが発生し、印刷試験において、所定の位置からずれた場所に半田ペーストが転写されると言う不具合が発生した。
(比較例3)
On the other hand, when the metal mask manufactured under the same conditions as in Comparative Example 1 was heat-treated at 250 ° C. for 1 hour, the hardness increased to 650 Hv, but a deviation of the opening coordinates due to thermal deformation of the metal mask occurred, and printing was performed. In the test, there was a problem that the solder paste was transferred to a place that was shifted from a predetermined position.
(Comparative Example 3)
メタルマスク母体は実施例1と同様であり、合金皮膜は特許文献3と同様に、Ni−P系にPTFEが含有されているようなメタルマスクを作製した。
析出段階での320Hvと低かったため、300℃で1時間熱処理を行ったところ、高度は約600Hvにまで向上したものの、比較例4と同様に、マスクの変形が発生した。また、撥水性樹脂の為にスキージ面の摩擦が低すぎるため、半田ペーストのローリングは実施例1ほど良好ではなく、開口へのペーストの充填性に乏しかったため、03015部品については、半田ペーストが十分に印刷されていなかったという結果となった。
The metal mask base was the same as in Example 1, and the alloy film was made of a Ni-P-based metal mask containing PTFE as in
Since it was as low as 320 Hv at the precipitation stage, when heat treatment was performed at 300 ° C. for 1 hour, the altitude was improved to about 600 Hv, but the mask was deformed as in Comparative Example 4. In addition, since the friction of the squeegee surface is too low due to the water repellent resin, the solder paste rolling is not as good as in Example 1, and the filling ability of the paste into the opening is poor. As a result, it was not printed.
以上の実施例、比較例において、メタルマスク母体はレーザ加工法で作製されたものを使用したが、電解めっき法、エッチング法は勿論、その他の製法により作製されたものに対しても、本願発明の効果は同様に得られることは明らかであり、その他の実例も、それらに限定されると言う意味ではない。 In the examples and comparative examples described above, the metal mask base material used was prepared by a laser processing method, but the invention of the present application is applicable to those manufactured by other manufacturing methods as well as electrolytic plating methods and etching methods. It is clear that the effects of the above can be obtained in the same manner, and other examples are not meant to be limited thereto.
51 メタルマスク
52 無電解ニッケルめっき合金皮膜
53 メタルマスク母体
54 開口
71 開口エッジ
72 開口
51
Claims (2)
厚さが20μm〜100μmのメタルマスク母体の面内に設けられ、エッジ形状がシャープに形成された印刷用の開口と、
前記メタルマスクの表面及び前記印刷用の開口の側壁に2〜3μmの厚さで被覆された、ニッケルとホウ素とリンの合金からなる皮膜層を備え、
前記メタルマスクの表面及び前記印刷用の開口の側壁は、導電性ペーストのフラックス成分が薄膜の様に残る濡れ性を有し、
前記メタルマスク母体はビッカース硬度が200Hv〜600Hvであり、前記皮膜層はビッカース硬度が700〜900Hvであり、
前記印刷用の開口のエッジがシャープに形成され、
表面や前記印刷用の開口の端又は側壁に酸化被膜等の熱変質層、及び金属溶融物等の異物が存在しない、
ことを特徴とするメタルマスク。 A metal mask for conductive paste printing, which is used for electronic circuit mounting processes, etc.
An opening for printing provided in the plane of a metal mask base having a thickness of 20 μm to 100 μm and having a sharp edge shape;
A coating layer made of an alloy of nickel, boron, and phosphorus, coated on the surface of the metal mask and the sidewall of the printing opening with a thickness of 2 to 3 μm,
The surface of the metal mask and the sidewall of the opening for printing have wettability in which the flux component of the conductive paste remains like a thin film,
The metal mask matrix has a Vickers hardness of 200Hv to 600Hv, the coating layer has a Vickers hardness of 700 to 900Hv,
The edge of the opening for printing is sharply formed,
There is no foreign matter such as a thermally deteriorated layer such as an oxide film and a metal melt on the surface or the edge or side wall of the printing opening ,
A metal mask characterized by this.
厚さが20μm〜100μmでビッカース硬度が200Hv〜600Hvのニッケル板またはステンレス板からなるメタルマスク材に、レーザ加工法により面内に印刷用の開口を形成してメタルマスク母体を製作する工程と、
前記メタルマスク母体を硝酸とフッ化水素の混合液、または硝酸とフッ化水素アンモニウムの混合液である処理液に浸透して、化学研磨により前記メタルマスク母体の表面や、前記印刷用の開口の端又は側壁から熱変質層や金属溶融物を除去する工程と、
前記メタルマスク母体を、リン酸と硫酸の水溶液またはリン酸水溶液からなる酸性液中で、直流電流を通電する電解研磨により、前記印刷用の開口のエッジを損なわない程度に処置する工程と、
前記メタルマスク母体の前記表面及び前記印刷用の開口側壁に、無電解ニッケルめっきにより、ニッケルとホウ素とリンの合金からなり、ビッカース硬度が700〜900Hvの皮膜層を2〜3μmの厚さで被覆し、前記印刷用の開口のエッジをシャープに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。 A method of manufacturing a metal mask used for conductive paste printing,
Forming a metal mask base by forming an opening for printing in a surface by a laser processing method on a metal mask material made of a nickel plate or a stainless steel plate having a thickness of 20 μm to 100 μm and a Vickers hardness of 200 Hv to 600 Hv ;
The metal mask base is infiltrated into a treatment liquid which is a mixed liquid of nitric acid and hydrogen fluoride, or a mixed liquid of nitric acid and ammonium hydrogen fluoride, and the surface of the metal mask base and the opening for printing are formed by chemical polishing. Removing the thermally deteriorated layer and the metal melt from the end or side wall;
Treating the metal mask matrix to an extent that does not impair the edges of the printing openings by electrolytic polishing in which a direct current is passed in an acidic solution composed of an aqueous solution of phosphoric acid and sulfuric acid or an aqueous solution of phosphoric acid;
Wherein the surface and the opening side wall of the printing metal mask matrix, by electroless nickel plating, made of nickel and boron and phosphorous alloy coating Vickers hardness of the coating layer of 700~900Hv a thickness of 2~3μm and, and forming a sharp opening edge for the printing,
A method for manufacturing a metal mask.
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