高品質スクリーン印刷を支えるアサダメッシュ

スクリーン印刷は、エレクトロニクス分野での電子回路、電子部品などの「プリントデバイス」の製造技術として広く利用されてきました。今後は、フレキシブルなフィルム基板上に有機トランジスタをも含めて印刷する「プリンタブルエレクトロニクス」製品の製造にも高品質スクリーン印刷の利用が期待されています。 アサダメッシュは、金属メッシュ製造のリーディングカンパニーとして「プリントデバイス」と「プリンタブルエレクトロニクス」製造の為の高品質スクリーン印刷を支えます。スクリーン印刷には、エレクトロニクス製造の印刷技術としての以下のような特長があります。

1.   設備コストが廉価
スクリーン印刷機は、基板と刷版を平行にセットし、スキージを移動させるシンプルな装置です。
2.  製版コストが廉価
オフセット印刷やグラビア印刷などの一般印刷に比較すると、製版コストが非常に廉価で、感光性乳剤を塗布したPS版を保管していれば、簡便な設備で短時間で製版が可能です。
3.   印刷速度が適正(後工程との連動)
輪転機を使用する一般印刷に比べて、100分の1以下の印刷速度であるとして生産性が低いとも

指摘されますが、エレクトロニクスの製造工程においては熱処理、後加工などと比較しても、十分な速度であり適正なスループットであると言えます。

4.

 成膜、パターンニング、積層、ビア埋めなど多くの工法に適用可能(下表参照)

スクリーン版、スキージ形状を変えるだけで、回路形成、実装技術、MEMS工程に利用できます。また、低印圧であるため積層印刷などの三次元構造の印刷が得意です。

5.

 インク、ペーストの材料の選択肢が広い

コストの高いナノ金属粒子を使用しないでもサブミクロン粒子でファイン印刷ができます。非常に幅広い材料のペーストが使用できます。

6.

 「手で50ミクロンラインが刷れる」ほど、工程能力が高い

スクリーン版、ペーストの適正化で、手でも50ミクロンラインが印刷できるほど簡単で、量産においても非常に安定性が高く、歩留まりが高いプロセスです。

7.

 メッシュ材料、製版の技術進歩で印刷品質がさらに向上

最近5年間でのスクリーン印刷の品質は、メッシュ材料および製版技術の向上で飛躍的に進歩してきました。
特に今後は、超高強度「無変形」スクリーンメッシュの開発されたことで、今後は10ミクロン以下の寸法精度での印刷も可能になります。

 

アサダメッシュは、高品質の金属メッシュスクリーンの開発、製造とともに、エレクトロニクス分野における高品質スクリーン印刷のさらなる普及のための「基本と標準」などの正しい技術情報を広く提供すべく研究、開発を続けます。

 

 印刷をするならスクリーン印刷から始めてください。そしてさらに高品質スクリーン印刷を。
 

(表)

工 法  内 容  応用分野の例
成膜(ベタ印刷) 均一な膜厚形成 PDP誘電体、レジスト厚塗りなど 
パターニング 乳剤でのパターン形成 LTCC電極、PDP電極など
スルーホール印刷 印刷 + 吸引ブロー ハイブリッドIC、プリント基板
ビアフィル印刷 高粘度ペースト充填 有機基板、LTCC
バンプ印刷       微小ドット形成 クリームはんだ、ドットスペーサ
落とし込み印刷 溝部への充填 PDP蛍光体など
積層印刷 印刷/乾燥の繰り返し       PDP隔壁、ボンディングダムなど
転写印刷 突起部だけの塗布 パッケージシール剤塗布など

 

 

高品質スクリーン印刷の「基本と標準」

スクリーン印刷は、高品質のスクリーンメッシュと製版、そして適正なペーストがあれば手でも50ミクロンラインが刷れるほど工程能力が高いプロセス技術です。
高品質スクリーン印刷を正しく行うには正しい「基本と標準」が必要です。

アサダメッシュは、2007年8月より、弊社次世代メッシュ研究所において高品質スクリーン印刷の基本の実践とその標準の検証を開始しました。
弊社でこれまで高品質スクリーン印刷の実践により検証できたスクリーン印刷の「基本と標準」を紹介します。

なお、弊社の高品質スクリーン印刷の基本の実践と標準の検証には、㈱エスピーソリューション代表取締役 佐野康氏の全面的な協力を得て、著書「高品質スクリーン印刷ガイド」(万能出版)の内容を参考にして行いました。

 

今回、弊社研究設備を利用して以下の印刷実験を行い著書に示してある「印刷の標準」について検証した結果をご紹介します。

 

① スキージ印圧と印刷膜厚の関係

② スクリーンメッシュと印刷膜厚の関係

③ ライン幅と印刷膜厚の関係

 

実際のスクリーン印刷の現場では、これらの「印刷の標準」を原理とともに正しく理解して、受け入れることで、プロセスの均一性、安定性を第一に考えて適正化を行うことが必要です。 

 

 

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スキージ印圧と印刷膜厚の関係

ワイドパターン印刷において、スキージ印圧と印刷膜厚の関係、併せて膜厚の均一性を測定しました。適正なスキージ印圧とは、膜厚のばらつきが小さくなり膜厚が安定する値であると言えます。

スクリーン印刷での膜厚の面内ばらつきは、適正な印刷条件であれば、±5%以内です。

ワイドパターンでの印刷膜厚は、右図のようにスキージ先端部でのペーストの掻き取りの深さで決まります。
スキージ印圧が低すぎると膜厚が厚く、バラツキが大きくなります。印圧を徐々に高くすると膜厚が薄くなり、安定します。

印圧の設定方法には、スキージの変形長さを制御する「ダウンストップ方式」と下降圧力を制御する 「垂直フロート方式」があるため、両方式で印圧と印刷膜厚の関係を調べました。印圧を徐々に高めてバラツキが最小になる値が「適正印圧」です。

 

諸条件

印刷装置

;マイクロテック社 MT320T
スキージ ;バンドーUタイプ平スキージ

スクリーン版

;BS250メッシュ 乳剤厚15μm
ペースト ;奥野製薬工業のPDP用背面誘電体ペースト

膜厚測定

;スクリーン版用接触型膜厚計
基        板 ;100mm×100mm 面内9点測定

 

ダウンストップ方式

スキージの押し込み量(ダウンストップ)を最小にし、スクリーン版と基板が僅かに接触して全体が印刷できる点を、「ダウンストップ0.1mm」と設定。0.1mm単位で印圧を増し、印刷膜厚を測定。

垂直フロート方式

上向きの圧力(背圧)を0.10Mpaで固定し、印圧を低くして、全体が印刷できる最小の印圧が0.14Mpaであった。印圧を0.01Mpaづつ増し、印刷膜厚を測定した。

*ダウンストップ式も垂直フロート式も同じスキージを使用すれば、適正印圧での
    印刷品質は同一です。

*「低印圧印刷」とは、「印圧が低いほどいい」のではなく、「過剰な印圧は不可」と
    いう意味です。

 

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スクリーンメッシュと印刷膜厚の関係

 

ベタパターンのスクリーン印刷での印刷膜厚は、スクリーン版のメッシュ厚と開口率の積(吐出量)に比例して変化すると考えられています。適正なスキージ印圧での標準的な印刷条件で印刷した場合のメッシュ仕様と印刷膜厚の相関を検証しました。

メッシュ別厚み別印刷膜厚の相関
MLCCの電極印刷に多く使用されている500CL-25と最も厚い膜が印刷できる3D-80-225では、実際の印刷膜厚で10倍以上の差があります。スクリーンメッシュは、カレンダー加工(圧延)により任意の厚さに薄くすることが出来ます。下図での印刷膜厚30から60ミクロンの範囲に適用できるスクリーンメッシュも製作が可能です。

条件:印刷装置;マイクロテック社 MT320T
            スキージ;バンドーUタイプ平スキージ
             ペースト;奥野製薬工業のPDP用
                              背面誘電体ペースト

            膜厚測定;スクリーン版用
                              接触型膜厚計
                               PETフィルムへ印刷
 

 

同一メッシュ厚み別印刷膜厚の相関
下写真は、線径30ミクロンの250メッシュで、の三種類の厚みのメッシュです。85ミクロン厚から
40ミクロンまでメッシュ厚を変更し、実際の印刷厚みも変化させることができます。
※開口率一定と想定


メッシュ厚みの変更で印刷厚みを10%単位で変えることが出来ます。

3D-250   BS-250  BS-250CL
     

 

 

   条件: 同上

スクリーン印刷では、印刷膜厚をスクリーンメッシュ仕様で変更する事が最も簡単で、安定します。

 

       

 

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ライン幅と印刷膜厚の関係

 

スクリーン印刷では、ライン幅が細くなると印刷膜厚が薄くなります。
印刷条件を一定にし、50ミクロンから200ミクロンまでのライン幅の印刷膜厚を測定しました。厚みの異なる2種類のメッシュを使用し、この現象を検証しました。スクリーンメッシュBS400の53μmと40μmの厚みで乳剤厚15μmのスクリーン版で銀ペーストを同一条件で印刷し、乾燥後の印刷膜厚を測定しました。
ライン幅が比較的大きい150ミクロン以上では、メッシュ厚みによる印刷膜厚の差がありますが、120ミクロン以下では両方が同じように印刷膜厚が減少しました。この現象は、スクリーン版の乳剤開口部に充てんされたペーストが版離れの際に基板の上に転写されたペーストと開口部に残ったペーストに分離される現象によるものです。
つまり、ファインラインの印刷膜厚は、スクリーン版の厚みやペースト充てんの条件ではなく、ライン巾およびペーストの特性や基板の溶剤吸収性で決定されると考えられます。

 

 

50μm、90μmライン幅の印刷形状。ライン幅が小さいと 膜厚も薄くなります。    
75μm、150μmライン幅の印刷後スクリーン版乳剤開口部での ペーストの残り状態。150μmでは、メッシュ開口部のペーストが抜けていますが、75μ ラインでは基板に印刷されなかったペーストがメッシュ開口部全体にも均一に残っています。 

 

ファインライン印刷では、ペーストはメッシュ開口部全体に残り、乳剤開口部の下側の部分だけが印刷されます。この原理のためスクリーン印刷では、メッシュピッチよりも細いファインラインが印刷できるのです。

             

 

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世界最高精細・最薄スクリーンメッシュ 「MS840-CL11」

当社は、1984年の平織り500メッシュスクリーンを始めとして、常に世界に先駆け、 590メッシュ、 640メッシュなど最先端、最高精細のステンレスメッシュを開発、供給を続けてきました。2006年には、11ミクロン線径、840平織りメッシュを開発し、この度導入した超高圧カレンダー装置により驚異の11ミクロンのスクリーン厚を達成しました。
スクリーン印刷での印刷膜厚は、メッシュの厚みと開口率の積である「吐出量」にほぼ比例します。「MS840-CL11」は、吐出量が約5.0μであり、現在MLCC(積層チップコンデンサー)製造で広く使用されている500メッシュカレンダーメッシュと比較して50~40%の薄い膜厚で印刷できます。スクリーン印刷で「サブミクロン」の膜厚が実現できる時代になりました。

       MS840-CL11         
     メッシュ数 : 840メッシュ         
     線    径 : 11ミクロン         
     目開き  : 19ミクロン         
     空間率 : 40%         
     紗    厚 : 11ミクロン(カレンダー)

 

他の高メッシュ品との比較写真

 840メッシュ CL11
線径11ミクロン

640メッシュ CL18 

線径15ミクロン

 500メッシュ CL19
 線径19ミクロン
     

 

 

仕 様

 製品コード

 メッシュ数

(本)

 線 径

(mm)

 目開き

(mm)

 空間率

(%) 

 厚 み

(mm)

 (厚)

 カレンダー厚

 (薄)
(mm)
 MS - 840/40 840 0.011 0.019 40 21 - 25   17 - 19  10 - 12
 MS - 640/39  640 0.015 0.025 39 32 - 38    20 - 22 17 - 19
BS - 500/19 500 0.019 0.032 39 39 - 43 34 - 38 24 - 26 18 - 20

 

※上記は当社製品の一部です

 

 

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 30ミクロンファインライン印刷用スクリーンメッシュ「MS640/39-CL18/BLK」 
 

スクリーンメッシュの強度は、線径とメッシュ数そして線材の強度に比例します。
高メッシュスクリーンほど線径が小さくなるため、メッシュ数が増えてもスクリーン強度は低下します。
「MS-640/39BLK]は、1500N/mmの高強度のステンレスワイヤを使用し、細い線径でもスクリーン強度の低下を抑制し、印刷寸法精度と耐刷性を高めました。さらに圧延(カレンダー)加工されたメッシュ表面に黒化処理を施し、露光時の乳剤の解像性が向上し、印刷解像改善に寄与します。ファインパターン印刷では、ファインラインとワイドラインの共存、異なる方向のラインをにじみやかすれなく印刷する必要があります。高いメッシュのスクリーン版ほど安定した印刷が可能です。30ミクロンレベルのファインライン印刷では、印刷解像性と寸法精度の両立が不可欠です。

                  

MS640/39-CL18/BLK

メッシュ数 : メッシュ
線    径 : 15ミクロン
空間率 : 39% 
紗    厚 : 18ミクロン
               (カレンダー)
乳剤厚 : 15ミクロン         
L  /  S    : 40 / 20 ミクロン

 

*他のメッシュ仕様でも黒化処理が可能です。
*皮膜からの有害物質の溶出はありません。

 

 

仕 様

 製品コード

 メッシュ数

(本)

 線 径

(mm)

 目開き

(mm)

 空間率

(%) 

 厚 み

(mm)

 (厚)

 カレンダー厚

 (薄)
(mm)
 MS - 840/40 840 0.011 0.019 40 21 - 25   17 - 19  10 - 12
 MS - 640/39  640 0.015 0.025 39 32 - 38    20 - 22 17 - 19
BS - 500/19 500 0.019 0.032 39 39 - 43 34 - 38 24 - 26 18 - 20

 

 ※上記は当社製品の一部です 
 

 

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極厚立体構造メッシュ「Solid Mesh」

 

 直交する高強度線材と柔軟な線材との組み合わせで、線径の4倍のメッシュ厚みを実現しました。
olid Mesh  325メッシュは、線径28ミクロン、紗厚111ミクロンで従来の平織りスクリーンメッシュの2倍の印刷厚みを得る事が出来ます。
ベタ印刷時のレベリングは、印刷膜厚が厚いほど進行しやすくなりますので、同一線径でも紗厚が厚いSolid Mesh を使用することにより、同じペーストでも平坦性が格段に向上します。
また、スクリーンの強度が高い為、大きなクリアランスで印刷することが可能です。


         【立体織り構造】

Solid Mesh - 325
線 径:28ミクロン
目開き:50ミクロン
空間率:41.2% 
メッシュ数:325 メッシュ
計算吐出厚:46ミクロン

【メッシュ断面図】

 

Solid Mesh は、直交する線材の強度が非常強度 (N/5cm)に強いため、紗貼り後のスクリーンメッシュの強度も非常に強く、印刷時のクリアランスもヨコ糸方向…598N/5cm / 1.7%
大きくとることが出来ます。

【メッシュ引張り試験結果 強伸度比較】

 

 

 

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超高強度「無変形」スクリーンメッシュ「HS500-CL35」

 

従来のステンレス線材のの3倍の強度である3000N/mm 超高強度19ミクロン線材を500メッシュで製網しました。メッシュ開口率は、従来の平織りメッシュと同じ39%でファインパターン印刷用に最適です。さらにカレンダー加工によりメッシュの織り構造を安定化させています。「HS500-CL35」は、通常の2.5倍のクリアランスで印刷しても印刷画像はイビツに変形する事はなく、印刷後は元の寸法に戻る「無変形」スクリーンメッシュです。スクリーン印刷の長年の課題であった、スクリーン版の塑性変形の問題を解決するメッシュが誕生しました。


【HS500-CL35 印刷寸法テスト】

≪印刷条件≫ 
クリアランスを変え100回印刷後の
印刷物の寸法を測定

100ショット :クリアランス2.0mm
200ショット :クリアランス2.5mm
400ショット:クリアランス3.5mm

≪枠サイズ≫
550mm角コンビ版

「HS500-CL35」は、高い粘弾性で版離れ性が悪い超ファインパターン用のペーストを大きなクリアランスで印刷でき「無変形スクリーンメッシュは、標準クリアランスの2.5倍のクリアランス値で印刷した後も塑性変形がなく、基の寸法に戻るスクリーンメッシュです。印刷画像はクリアランス値に応じてリニアに変形しますので、予めCADデータ上で補正を入れることが出来ます。
「HS-500CL」は、超高強度メッシュ対応コンビ仕様で製作してください。


 

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展示サンプル説明

銀ペースト60/60ミクロンQFPパターン
PETフィルムに受容層がコーティングされた基板にファインパターン用銀ペーストを標準的な印刷条件で印刷しました。内側のパッドのライン幅は60ミクロン、スペースも60ミクロンです。(設計ミスでファンアウトの端部ではスペースが30ミクロンになっています。パターン部と中央のネーム部は別々に印刷しました)銀ペーストは、藤倉化成製FA451で乾燥条件120℃ 20分。320×320mmのサイズで印刷し、16分割し、本展示会で約500枚をサンプルとして配布しました。

スクリーン版仕様  枠 950mm×950mm
メッシュ BS500/19/CL28  乳剤厚 15μm
スキージ ミノプレン 平スキージ 硬度70
ペースト 銀ペースト 藤倉化成 FA451
印刷条件
スキージ角度 70度
スキージ印圧  1.2mm
クリアランス  2.5mm
スキージ速度 60mm / sec
基板  ピーチコート(日清紡)225μm厚

*下記にてカットシート品取り扱い中
印刷 マナスクリーン㈱ fpg@mana.co.jp


60μm幅ハニカム隔壁10層積層印刷
ガラス基板上にガラスペーストをベタ印刷して乾燥後、60ミクロンライン、300ミクロンピッチのハニカム形状(六角形)のパターンの印刷/乾燥を8回「積層印刷」し、さらに高メッシュのベタパターン版で凸のみを印刷できる「転写印刷」を2層行いました。
乾燥後の隔壁の幅は50ミクロン、高さは120ミクロンです。(焼成後85ミクロン)

スクリーン版仕様  枠 320 × 320 mm
メッシュ  MS400/23 乳剤厚 15μm 
スキージ バンコランU 平スキージ硬度70度
ペースト 奥野製薬工業  PDP隔壁用

印刷条件
スキージ角度 70度
スキージ印圧  0.25Mpa
クリアランス  0.9mm
スキージ速度 80mm/sec
基板  ソーダライムガラス 2.1mm
位置あわせ 3点突き当て
印刷  弊社 次世代メッシュ研究所 

 

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スクリーンメッシュ開口率と印刷解像性の関係 (41% vs. 63% )

 

ステンレスメッシュは、通常40%前後の開口率で製網されていますが、実際には同じメッシュ数でも大小様々な線径の品種が存在するため、製品により開口率も多様です。
アサダメッシュのスーパーメッシュ-HSシリーズは、線材の強度が非常に強く硬い為、40%の開口率では線材にクラックが入りやすく、60%程度の大きな開口率で製網されています。
線径が細いメッシュは開口率が高く、ペーストの吐出が良くなりますので、高粘度ペーストの印刷や孔埋め印刷、PDPの蛍光体落とし込み印刷に利用されています。
しかしながら、このような開口率の高いステンレスメッシュをファインライン印刷用に使用した場合、ニジミやダレなどの不具合が発生するケースも報告されています。スクリーンメッシュ開口率と印刷解像性の関係について、メッシュ開口率41%と63%のスクリーン版を使用し、印刷検証を行いました。


スクリーンメッシュ開口率と印刷解像性検証テスト

スクリーン版仕様 枠320mm×320mm  乳剤厚15μm   印刷条件  アサダメッシュ(株)
       標準条件

メッシュ

① BS325/28 / 開口率41%
② HS325/16 / 開口率63%
スキージ角度 70度
スキージ印圧  0.25 Mpa

ライン幅

50μm           クリアランス  0.9 mm

ペースト

PDP用銀ペースト ナミックス・・・粘度400dPa.s スキージ速度 60 mm / sec

基 板

ソーダライムガラス  

スキージ

平スキージ 硬度70度  

検証方法  同一の印刷条件で3回のダミー印刷後、10回連続印刷を行い、1枚目と10枚目の印刷形状を比較した

 

   BS325メッシュ
28μ線径
開口率 : 41%  HS325メッシュ
16μ線径
開口率 : 63%

S
E
M

50
μ

1回目 10回目 1回目 10回目

ライン幅 : 51ミクロン

ライン幅 :58ミクロン

ライン幅 :79ミクロン

ライン幅 :80ミクロン
50
μ

1回目 10回目 1回目 10回目

ライン幅 :55ミクロン

ライン幅 :59ミクロン

ライン幅 :80ミクロン

ライン幅 :84ミクロン 

 

スクリーンメッシュの役割の一つに「ペーストの吐出を抑制する」というものがあります。今回の検証では、400dPa.sという粘度の高いペーストで印刷したにも関わらず、開口率の高いHS325メッシュを50μのライン印刷に使用すると、ダレが大きく、解像性も良くないという結果となりました。
ファインライン印刷には開口率の高いスクリーンメッシュは適さないと言えます。

 

출처 : http://www.asada-mesh.co.jp