JP2007090789A - スクリーン印刷装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
従来のスクリーン印刷装置において、マスクのマークをカメラで認識して、双方のずれ量を位置補正し、基板をマスクに位置合わせするには、従来テンプレートマッチングのための辞書として、基板に使用されているマークの形状に対して、ユーザが予め、円形や正方形などの形状を指定していた。また更に、テンプレートの大きさを決定するためにマーク寸法を入力する必要もあり、熟練度が必要でありかつ、大変手間がかかると共に、認識エラーや位置精度低下の要因となっていた。
【解決手段】
任意パターンの周囲に類似パターンが存在していても、正しい基準パターンを自動的に選択できるようにした。また、テンプレートマッチングのために、ユーザがマーク形状やマーク寸法を設定することなく、自動的に基準パターンとして登録できるようにした。
【選択図】 図１

Description

本発明はスクリーン印刷装置に係り、特に、画像認識位置合わせ用基準パターン登録し、補正できるスクリーン印刷装置に関する。

従来のスクリーン印刷機は、基板搬入コンベア、基板搬出コンベア、昇降機構を備えたテーブル部、転写パターンを開口部として有するマスク、スキージ、スキージ昇降機構および水平方向移動機構を備えたスキージヘッド、これらの機構を制御する制御装置を備えている。基板を搬入コンベア部から装置内に搬入後、基板を印刷テーブル部に仮位置決め固定し、この後、基板と回路パターンに対応した開口部を有するマスクの双方のマークをカメラで認識して、双方のずれ量を位置補正し、基板をマスクに位置合わせしてから、基板がマスクと接するように印刷テーブルを上昇させ、スキージによってマスクを基板に接触させながらマスクの開口部にクリームはんだ等のペーストを充填し、さらにテーブルを下降して、基板とマスクを離すことによってペーストを基板上に転写し、その後、基板を装置から搬出することによって印刷がなされる構成となっている。

基板とマスクのマークをカメラで認識して、双方のずれ量を位置補正し、基板をマスクに位置合わせするには、位置決めを高速かつ精度よく行うことが要求され、正規化相互相関係数に基づいた位置合わせを行う濃淡テンプレートマッチング手法が用いられている。テンプレートマッチングの一例として、特許文献１又は特許文献２に開示された方法がある。

特公平０２−６４２号公報 特開昭６１−７４０８２号公報

特許文献１に示された方法では、どの部分をテンプレートとすれば良いのか、ユーザが判断しなければならず、熟練度が必要であると共に、不便であった。一方、特許文献２の方法によれば、最適なテンプレートが自動的に登録可能となるが、ユーザは予めテンプレートの大きさを決定しておかなければならず、更にはマークの真の大きさかどうかは定かではなく、認識エラーや位置精度低下の要因となっていた。

従来テンプレートマッチングのための辞書として、基板に使用されているマークの形状に対して、ユーザが予め、円形や正方形などの形状を指定していた。また更に、テンプレートの大きさを決定するためにマーク寸法を入力する必要があり、±０．０１ｍｍ以内の精度で位置演算を行う場合では０．００１ｍｍまでの寸法入力を要求されているが、実際に正確に入力することは困難であった。

本発明の目的は、０．４ｍｍピッチＣＳＰ、０６０３チップ部品、０４０２チップ部品のようなデバイス使用のための超ファインパターン印刷に対し、ユーザが簡単に操作が可能かつ高い位置合わせ精度を得ることができるスクリーン印刷装置を提供することである。

本発明の特徴とするところは、任意パターンの周囲に類似パターンが存在していても、正しい基準パターンを自動的に選択する手段を備えた。

また、テンプレートマッチングのための辞書領域はユーザがマーク形状やマーク寸法を設定することなく、自動的に基準パターンとして登録する手段を備えたことを特徴とする。

基板の位置合わせに使用される様々なパターンに対して、熟練度を必要とせず、かつ簡単に対応でき、さらには印刷位置合わせ精度の向上を図っている。

図１、図２で本発明におけるスクリーン印刷装置の構成を説明する。図１（ａ）にスクリーン印刷装置の正面から見た構成とシステム構成図を示す。さらに図１（ｂ）にスクリーン印刷装置を側面から見た構成と印刷機制御部のブロック線図を示す。また図２（ａ）にスクリーン印刷装置を側面から見た構成で基板を搬入して位置合わせを行っている状態を、（ｂ）に印刷中の状態を示す。

本体フレームには版枠受けが設けられており、版枠受けには印刷パターンを開口部として持つスクリーン２１を張ったマスク２０がセットされるように構成されている。マスク２０の上方には、スキージヘッド２が配置され、スキージヘッド２にはスキージ３が装着されている。スキージヘッド２はスキージ移動機構６により水平方向に移動が可能であり、スキージ３はスキージ昇降機構４によって上下方向に移動できる。マスク２０の下方にはマスクに対向するように印刷対象物である基板５を載置して保持する印刷テーブル１０が設けて有る。この印刷テーブル１０は、基板５を水平方向に移動してマスク２０との位置合わせを行うＸＹθテーブル１１と、基板５を受け取りコンベア２６から受け取り、かつ基板５をスクリーン２１面に近付けるか又は接触させるためのテーブル昇降機構１２とを備えている。印刷テーブル１０の上面には基板受け取りコンベア２６が設けられており、基板搬入コンベア２５によって搬入された基板５を印刷テーブル１０上に受け取り、印刷が終了すると基板搬出コンベア２７に基板５を排出する。

全自動スクリーン印刷装置においてはマスク２０と基板５の位置合わせを自動的に行う機能を備えている。すなわち、ＣＣＤカメラ１５によって、マスク２０と基板５のそれぞれに設けられている位置合わせ用マークを撮像し、画像処理して位置ずれ量を求めて、そのずれ量を補正するようにＸＹθテーブル１１を駆動して位置合わせを行うものである。

なお、各部駆動用の印刷制御部３６やＣＣＤカメラ１５からの画像信号を処理する画像入力部３７等を備えた印刷機制御部３０は、印刷機本体フレームの内部に設けてあり、制御用データの書き換えや、印刷条件の変更等を行うためのデータ入力部５０や、印刷状況等や取込んだ認識マークをモニタするための表示部４０が印刷機の外側に、配置してある。

次に本発明の印刷ユニットの動作を図２を用いて説明する。

クリームはんだを印刷される基板５は、基板搬入コンベア２５によって基板受け取りコンベア２６に供給され、印刷テーブル１０上の所定の位置に固定される。基板５を印刷テーブル１０に固定後、予め登録設定された基板マーク位置にＣＣＤカメラ１５を移動する。続いてＣＣＤカメラ１５が基板５及びマスク２０に設けられた位置認識用マーク（図示せず）を撮像し、印刷機制御部３０に転送する。制御部内の画像入力部３７では、画像データからマスクと基板の位置ずれ量を求める。その結果に基づいて、印刷機制御部３０は印刷テーブル１０のＸＹθテーブル１１を動作させてマスク２０に対する基板５の位置を修正・位置合わせする。位置合わせ動作完了後、ＣＣＤカメラ１５が印刷テーブル１０と干渉しない位置まで所定量退避動作する。カメラ退避完了後、印刷テーブル１０が上昇し、基板５とスクリーン２１を接触させる。その後、スキージ昇降シリンダ４によってスキージ３がマスク２０のスクリーン面上に下降し、スキージヘッド２の移動によってマスク上に供給されていたクリームはんだがスクリーン２１の開口部に充填され、基板に転写される(図２(ｂ)参照)。スキージ３は水平方向に一定距離ストロークした後に上昇する。そして、印刷テーブル１０が下降し、スクリーン２１と基板５が離れ、スクリーン２１の開口部に充填されたクリームはんだが基板５に転写される。

そして、クリームはんだが印刷された基板５は基板搬出コンベア２７を経て次工程に送られる。

なお、基板とマスクには相対的に同一な箇所に認識位置合わせ用マークが２ケ以上設けられており、この双方のマーク各々を、上下方向２視野を有する特殊なＣＣＤカメラにより、マスク２０のマークは下から認識し、基板５のマークは上から認識して、所定の箇所のマーク全ての位置座標を読み取り、マスク２０に対する基板５のずれ量を位置演算・補正し、基板５をマスク２０に対して位置合わせする。

図１（ｂ）に示す印刷機制御部３０において、ＣＣＤカメラ１５によって撮像した任意パターンを画像入力部３７より取り込み、任意パターンの周囲に類似パターンが存在していても、辞書３８に予め用意されたモデルと、ＣＣＤカメラ１５によって撮像した任意パターンとの相関値を相関値計算部３１にて演算する。相関値計算部３１によって求められた相関値に基づいて、形状推定部３２にてモデルの形状推定を行う。推定された形状を複数個の仮基準パターンとして記憶設定する。そして、パターン位置座標演算部３３にて、目標基準パターン間距離と比較し、かつ寸法計算部３４で形状寸法を求め、差の最も少ない組み合わせのマークを基準パターンとして辞書３８に登録する手段を備えている。

図３に、予め用意された辞書モデルの一例を示す。ここでは円形、正方形、正三角形の辞書モデルとしているが、菱形、長方形、三枡模様など多様な形状が採用可能である。

従来、実際ユーザが生産基板に適合したパターン形状を、人工モデルと呼ばれている辞書モデルの中から、選択使用することで、モデル登録を実施していた。また、パターン外形寸法を合わせて入力することで、テンプレートマッチングの精度を確保するようにしていた。

図４に、任意パターンの周囲に類似パターンが存在していた場合にテンプレートマッチングを行った、相関マップの一例を示す。図中の相関値の最大ピークを示す部位がサーチ使用する第１候補となる。２番目のピークが第２候補で、同様に３番目のピークが第３候補となる。ここでは１次元相関マップを例としているが、２次元相関他の公知の技術を使用しても同様の結果が得られる。この一例においては第３候補まで求めているが、候補数の指定は任意に可能である。

図４のサーチ結果より、類似パターンが存在していても、任意のウインドウ内における、３つの候補について選定が可能である。しかしながら、人工モデル等で生産基板に適用したマーク形状に対する辞書が指定されていないため、これだけでは、３つの候補のうち、どれが正しいマークか判定することは、当然困難である。

図５に、認識用パターンを基板２１内に２箇所配置した場合について、図４のサーチ結果から各ウインドウにおいて候補マークが選定された状態を示す。認識用パターンが２箇所であるので、ウインドウ領域も２箇所となる。ウインドウ１（Ｗ１）内をマークサーチした結果、３つの候補Ｍ１１、Ｍ１２、Ｍ１３が選定され、ウインドウ２（Ｗ２）内をマークサーチした結果、３つの候補Ｍ２１、Ｍ２２、Ｍ２３が選定される。

ところで、図５には、基板５におけるマークサーチ結果を示しているが、図に示されていないマスク２０側には、基板５の２箇所の認識用パターンに対応したマークが配置されている。

マスク２０側の認識用パターンは、通常において貫通穴またはハーフエッチング若しくは貫通穴或いはハーフエッチング部に認識時のコントラストをつけるため樹脂を埋め込んだフィデューシャルマーク（独立した基準マーク）を使用としており、マスク側の認識用パターンの周辺には類似パターンが存在していない事例が多い。従って熟練していないユーザにおいても、誤認識する要因があるか無いか容易に判断可能である。

従って、マスク２０において、認識用パターンの周辺に類似パターンが存在していない事例においては、図４において説明した手法を用い、更に、マッチ率（相関値に対して予め定めた得点）が所定の値以上であるとの条件を備え持つことで、マッチ率が所定の値以上を持つ、最も相関値が高いパターンが求めるマスクの認識用パターンとして判断可能である。

この場合、ウインドウ１（Ｗ１）及びウインドウ２（Ｗ２）の中心座標関係は、予め印刷装置に既知のデータとして設定入力されているので、相関サーチ結果から求めた各ウインドウにおける認識用パターンの中心座標を位置座標演算部３３により算出することで、位置座標演算部３３において、マスクの認識用パターンＭ１とＭ２の距離ＭＬを演算・算出することが出来る。

図５に記載したＬ寸法は、Ｍ１１とＭ２１のマーク間距離であるが、Ｌの設計値は前述のＭＬと同一であるので、ＭＬを選定基準値として使用することができる。

図６に相関値計算部〜位置座標演算部における処理フローを示す。本処理では、ウインドウが２箇所でマークが３個設けられていると設定した場合である。図６により、ウインドウ１（Ｗ１）及びウインドウ２（Ｗ２）のマーク候補の組み合わせの中で、Ｌ寸法が最もＭＬに近いマークを位置座標演算部により求め、基準パターンとして登録することが可能である。図６において、スタート時はＮｏ．１ウインドウからサーチする。すなわち、まず何番目のウインドウＷであるかを設定する（ステップ１００）。次に、第Ｎ番目の候補をサーチする（ステップ１０１）。第Ｎ番目のサーチが終了すると次の候補を決める（Ｎ＋１番目の候補となるようにＮに１を加える：ステップ１０２）。Ｎが最大の候補数を超えていないかチェックする（ステップ１０３）。超えていなければ、ステップ１０１に戻り、第Ｎ＋１番目の候補をサーチする。超えている場合は、全てのウインドウが終了したかをチェックする（ステップ１０４）。全てのウインドウが終了していなければ次のウインドウ（Ｗ＋１）にウインドウを設定し（ステップ１０７）、ウインドウＮｏ．を設定するステップ１００に戻る。全てのウインドウのサーチが終了すると、ウインドウＷのマークの第Ｎ番目の候補と、次のウインドウＷ＋１のマークの第Ｎ番目〜第Ｎ＋３までの、全ての候補との組合せた場合のそれぞれの距離Ｌｎｎを求める（ステップ１０５）。その結果をステップ１０８のように記録する。既知のＬと求めたＬｎｎの差分を演算し、最も小さい候補を選択し登録する。

なお、マスク側の認識用パターンにフィデューシャルマークを使用しない場合は、認識用パターンの周辺に類似パターンが存在することとなるため、前記ＭＬを選定基準値として使用することができない。このような場合においては前記ＭＬの代わりに、予め印刷装置に入力するマーク座標と基板寸法から選定基準値Ｌを演算して求め使用しても良い。

次に図７〜９を使用し、予め用意された辞書３８に記録されている辞書モデルと任意パターンとの相関値を演算する相関値計算部３１と、相関値計算部３１によって求められた相関値に基づいて、モデルの形状推定を行う形状推定部３２と、任意パターンの寸法を画像計測演算する寸法計算部３４とを備えたことを特徴とするスクリーン印刷装置について説明する。

図７にマーク寸法計測後の検査・寸法補正について、Ｌｘ＝Ｌｘ１のケースを示す。本図のようにマークの寸法演算処理後に、一例としてＸ方向に対してマーク外形寸法分の距離を印刷ステージに移動指令を与え、マークを移動させる。次にマークエッジ座標を読み取り、移動前に予め記憶した移動前のマークエッジ座標と移動後のマークエッジ座標から、マーク移動量を演算する。寸法計測したマークＸ方向外形寸法（Ｌｘ）がマークエッジ移動量（Ｌｘ１）に等しい場合、寸法計測したマーク寸法は正しいと判断する。

図８にマーク寸法計測後の検査・寸法補正について、Ｌｘ＜Ｌｘ１のケースを示す。本図のように、寸法計測したマークＸ方向外形寸法（Ｌｘ）がマークエッジ移動量（Ｌｘ１）より小さい場合、寸法計測したマーク寸法は正しくないと判断する。

図９に寸法計算部および寸法補正部における処理フローを示す。図９はＸ方向の寸法補正の具体的処理フローであるが、Ｙ方向についても同様の処理行えばよい。すなわち、Ｘ方向について演算処理を実施した後、同様にＹ方向についても演算処理を実行する。

この処理では、まず第Ｎ候補のマークの外形数法を計測する（ステップ２００）。この場合、ａがＸ方向に設定される（ステップ２０１）。ステージをａ方向に移動して、移動量を求める（２０２）。マークの１方端側から移動を開始し、他方のエッジ部に達するまでの距離Ｌａ１を測定する（ステップ２０３）。移動距離が所定値Ｌａに等しいか判別する（ステップ２０４）。等しくない場合は補正値（Ｌａ／Ｌａ１）を求める（ステップ２０６）。Ｘ方向の補正値が求まると、次にａをｙに置き換えて（ステップ２０５、２０７）、同様の処理を行う。

ところで、印刷装置のカメラ座標系は、半導体製造用に用いる超高精細・ダイレクト描画によるガラス乾板（フォトマスク）を用い機械駆動系の絶対精度を校正しているので、カメラを任意の位置に指令値により移動した時の精度は充分信頼されている。また、リニアモータ等によるフルクローズドサーボシステム等の技術を使っても、カメラ移動の距離は充分信頼される精度となっている。

従って、前記技術等を使用することで、カメラで読み取った画像の寸法が正しいかどうか判断できる。更に、カメラの分解能の校正及び自己故障診断にも応用することができる。

また、本発明による位置合わせ方法を利用すると、生産運転中に位置合わせ前に読み取ったマーク寸法と、印刷テーブルを位置合わせ移動させた後のマーク位置が正しいかどうか検査判定すると共に、マーク寸法を測定するので、常時印刷装置のカメラの故障診断から自動校正が可能である。

従って、本発明による位置合わせ方法を利用することで、生産中に装置をノンストップで常時精度狂いが無いか自己故障診断できるだけでなく、自動的に校正まで可能となる。

以上のように、本発明では、任意パターンについて、マーク形状やマーク寸法を指定せずとも、マークを基準パターンとして登録することが可能となる。

また、熟練作業者が減少している中で、熟練していないユーザでも簡単かつ容易に、基準マーク登録時間の短縮化・正確さが確保でき、高密度実装生産の効率化・省力化に貢献することが可能となる。

さらに本発明は、マスクを使用しない、搭載機等における基板の位置合わせにおいても適用できることは明白である。

さらにまた、本発明を利用することで、ＳＭＴライン中の各装置間でバラバラであった基準マーク登録方法を統一・共通にすることができ、各装置の操作方法の簡易化・共通化を図ることも可能である。

スクリーン印刷装置の１例を示した図である。 図１のスクリーン印刷装置を用いて印刷の状態を説明する図である。 人工モデルの１例を示した図である。 相関マップの１例を示した図である。 基板の任意パターンをサーチした結果の１例を示した図である。 相関値計算部〜位置座標演算部における処理フローの１例を示した図である。 マーク寸法計測後の検査・寸法補正についての１例を示した図である。 マーク寸法計測後の検査・寸法補正についての１例を示した図である。 寸法計算部および寸法補正部における処理フローの１例を示した図である。

符号の説明

１…印刷ユニット本体、２…スキージヘッド、３…スキージ、１０…印刷テーブル、１１…ＸＹθテーブル、１５…カメラ、２０…マスク、２１…基板。

Claims (3)

1. 基板表面の２箇所以上の任意パターンを使用し、
   画像処理に基づいて該基板をスクリーンに位置合わせし、基板面上にマスクを介してペーストを塗布するスクリーン印刷装置において、任意パターンの周囲に類似パターンが存在していても、予め用意された辞書モデルと任意パターンとの相関値を演算する相関値計算部と、前記相関値計算部によって求められた相関値に基づいて、モデルの形状推定を行う形状推定部と、複数個の仮基準パターンとして記憶設定し、パターン位置座標を画像計測演算する位置座標演算部とにより、目標基準パターン間距離と比較し、差の最も少ない組み合わせのマークを基準パターンとして登録する手段を備えたスクリーン印刷装置。
2. 請求項１に記載のスクリーン印刷装置において、予め用意された辞書モデルと任意パターンとの相関値を演算する相関値計算部と、前記相関値計算部によって求められた相関値に基づいて、モデルの形状推定を行う形状推定部と、任意パターンの寸法を画像計測演算する寸法計算部とを備えたことを特徴とするスクリーン印刷装置。
3. 請求項２に記載のスクリーン印刷装置において、任意パターンの寸法を演算する寸法計算部は、計算結果の外形寸法分の距離分、基板を移動させた後に、該パターンの移動距離を計測し、画像測定誤差を補正する寸法補正部を備えたことを特徴とするスクリーン印刷装置。

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