JP2008302634A - 射出成形用金型 - Google Patents

Abstract

【課題】成形体の内部に密閉部が生じることがない射出成形用金型を提供する。
【解決手段】リードフレーム５を固定側金型３と可動側金型４の間に挟み込んだ型閉じ状態で、溶融した合成樹脂を前記固定側金型３から可動側金型４にまで充填する射出成形用金型において、金型キャビティへの注入口をなすゲート６の断面積と固定側樹脂成形体２ａもしくは可動側樹脂成形体２ｂのいずれか一方の大きい側の体積との相関において前記ゲートの断面積の適正値を設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、合成樹脂の射出成形用金型に係るもので、より詳しくは射出成形用金型のゲートの改良及び樹脂成形体の形状の改良に関するものである。

従来、この種の射出成形法では、加熱して溶融させた樹脂を金型のスプルー、ランナーを介してキャビティーに射出し、その後に所定時間保持する間に冷却固化して成形体を製造している。

この際に、成形体の形状によっては肉厚の厚い箇所、薄い箇所が存在し、薄い箇所は比較的早く冷却できるので所定時間内で冷却固化を完了し易いが、比較的厚い箇所は冷却固化の進行が遅いので、所定時間内で冷却固化が完了され難い問題がある。

その為、冷却固化が完了されていない状態で金型の型開きを行うと成形体の厚い箇所が伸びたり、肉厚部に密閉部が発生したりしていた。その密閉部を無くすための改善が試みられた（特許文献１参照）。

この従来の成形金型の構成を図５に示す。図５において、射出成形用金型１０１は、固定側金型１０３と、これに対して移動する可動側金型１０４と、固定側金型１０３に形成されたスプルー１０７とを具備しており、可動側金型１０４には突出部１０８を設けており、突出部１０８は金型を閉じたときに固定側金型１０３のスプルー１０７の内部に挿入される。

この金型では、金型を閉じたときに固定側金型１０３のスプルー１０７の内部に可動側金型１０４の突出部１０８を挿入することで、従来の金型に比較してスプルー端部の径方向の肉厚を薄くして、スプルー端部の樹脂の冷却固化に要する時間の短縮を図っている。このため、離型時に成形体のスプルー部が伸びたり、切れたりする問題が発生しない。また、樹脂が冷却固化する際の体積収縮に因ってスプルー端部に真空泡が発生することを防止し、真空泡の発生によるスプルー切れを防止する。

しかし、図５の構成の金型を用いて製造した場合には、スプルー端部等の目的の一箇所の密閉部を無くすことは可能であるが、結果的には肉厚部が移動するだけに留まり、他の新たな箇所に肉厚部が形成されるので、その新たな肉厚部に密閉部が発生することは否めない対策である。

また、樹脂の射出方向に対して対向するように突出部が存在する場合には、射出成形時の射出圧力や保圧圧力が妨げられる要因となり、重要な製品部に圧力がかからない状態となって製品部に反りが発生したり、突出部の抵抗において局地的なせん断発熱が生じ、樹脂焼けによる変色や銀条などの不具合が発生するなどの新たな弊害が発生する課題を有している。

ここで、樹脂成形体の内部に密閉部が発生する機構について以下に詳しく説明する。図３は一般的な半導体樹脂成形体の全体構造を示す平面図である。図３において、ＬＥＤパッケージ５０１はリードフレーム５０３ａの上に半導体樹脂成形体５０２を装着しており、半導体樹脂成形体５０２は光を反射する反射面５０６を有し、反射面５０６は奥に行くほどに狭くなる円錐面をなしている。

この半導体樹脂成形体５０２は、円錐面の最深部にリードフレーム５０３ａが位置するようにリードフレーム５０３ａの上に装着している。半導体樹脂成形体５０２の開口部の上方より円錐面の最深部のリードフレーム５０３ａ上に収めた光半導体素子５０４は、電気的に絶縁されたもう一方のリードフレーム５０３ｂと金あるいは金合金などの導電性を有した導電性接続体５０５を介して電気的に接合されている。

また、ＬＥＤパッケージ５０１は半導体樹脂成形体５０２の開口部に保護材５０７の所望の量を充填しており、保護材５０７はエポキシ樹脂やシリコーン樹脂などの熱硬化性樹脂からなり、光半導体素子５０４及び導電性接続体５０５を保護するものである。

このＬＥＤパッケージ５０１を製作する工程において、光半導体素子５０４の実装時や導電性接続体５０５の実装時または保護材５０７の硬化時などのように外部より熱が加わった際に、半導体樹脂成形体５０２の外観が変化した。その変化した半導体樹脂成形体５０２の内部には真空ボイドと呼ばれるものが発生している。この真空ボイドは樹脂が金型面側から固化することに因ってその体積収縮分が泡状となって残った形状である。

この成形体の内部に泡状となって残った真空ボイドは、見かけ上では密閉された部屋の形状をなすので、以下においては密閉部５０８と称する。この密閉部５０８は樹脂成形体５０２の最も樹脂の肉厚が大きい箇所に発生する。この原因は、厚肉部の冷却が他の部分よりも遅れることで、体積収縮分が補給されないためである。

この密閉部５０８の形態を図３にて詳細に説明する。図４（ａ）に示すように、半導体樹脂成形体５０２は全体的に見ると金型の分割面を境として、固定側金型のキャビティに形成する肉厚の大きい固定側樹脂成形体５０９と、可動側金型のキャビティに形成する肉厚が比較的に小さい可動側樹脂成形体５１０とに分けることができる。

その樹脂容積が大きい固定側樹脂成形体５０９に注目すると、密閉部５０８の発生箇所は、図４（ａ）に示すように、樹脂成形体５０２のゲート５１１の直下、あるいは図４（ｂ）に示すように、中心部のゲート５１１から等距離の円周上で固定側樹脂成形体５０９の肉厚が比較的に大きい箇所に発生していることが分かった。
特開平６−１３４８１６号公報

ところで、密閉部５０８が樹脂成形体５０２の中に存在することで、以下のような不具合が発生する。この密閉部５０８の中において樹脂から揮発したガスは時間の経過とともに空気へと置換し、その状態で樹脂成形体５０２に熱が加わった場合には、ガスが樹脂成形体５０２の内部で膨張する。このため、樹脂成形体５０２のそれ自体がその圧力に耐え切れずに、密閉部５０８を起点に樹脂成形体５０２に歪みが生じ、成形体の寸法あるいは形状が変化して、成形体の商品価値を著しく損なうのである。

この密閉部５０８を発生させないようにするための改善方法としては、金型温度、樹脂温度、成形サイクル、保持圧力、保持圧力時間などの射出成形条件を種々変更することが試みられているが、その効果は射出成形条件に依存するものであった。このため、射出成形条件にバラツキが生じる大量生産において、根本的な対策には至らなかった。

また、特許文献１において、厚肉部の樹脂体積を減少させることで、密閉部５０８の発生が皆無となることが説明されているが、実際には密閉部５０８が発生している樹脂成形体５０２の体積とそれ以外の樹脂成形体５０２の体積の比を考慮しなければならないので、特許文献１の内容のみでは密閉部５０８を皆無にすることは不可能である。

本発明は上記した課題を解決するものであり、成形体の内部に密閉部が生じることがない射出成形用金型を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の射出成形用金型は、リードフレームを固定側金型と可動側金型の間に挟み込んだ型閉じ状態で、溶融した合成樹脂を前記固定側金型から可動側金型にまで充填する射出成形用金型において、金型キャビティへの注入口をなすゲートの断面積と固定側樹脂成形体もしくは可動側樹脂成形体のいずれか一方の大きい側の体積との相関において前記ゲートの断面積の適正値を設定することを特徴とする。

また、ゲートの断面積と射出成形時に樹脂成形体にかかる圧力との相関において前記ゲートの断面積の適正値に見合う前記圧力を成形条件として設定することを特徴とする。
上記の構成により、固定側樹脂成形体もしくは可動側樹脂成形体の樹脂成形体の体積の大きいいずれか一方の体積に見合わせ、ゲートの断面面積を決定することで、樹脂成形体の内部に密閉部が発生することのない射出成形加工が可能となる。

本発明の射出成形用金型によれば、樹脂成形体の内部に密閉部が発生することのない射出成形加工が可能となり、樹脂成形体の内部に密閉部が存在しないことで、熱による影響で密閉部が膨張して樹脂成形体が変形することが無くなるので、ＬＥＤパッケージとしての信頼性の高い樹脂成形体を市場に提供することが出来る。

以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１における射出成形用金型について、図面を参照して説明する。図１（ａ）は本発明の射出成形用金型の一例を示す全体断面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）における樹脂成形部の詳細図である。

図１（ａ）において、射出成形用金型１は固定側金型３と可動側金型４とからなり、固定側金型３は、固定側取付板３ａ、固定側型板３ｂ、キャビティブッシュ、スプルー３ｃを有するスプルブッシュ３ｄ、ロケートリング等から構成されているが、ここでは詳細な説明を省略する。可動側金型４は、可動側取付板４ａ、可動側型板４ｂ、コア、スペーサブロック、突出板、突出しピン４ｃ、ガイドピン等から構成されているが、ここでは詳細な説明を省略する。

射出成形用金型１の型閉め時には、固定側金型３と可動側金型４とがリードフレーム５を挟み込むように閉め合うことで、樹脂成形体２に相応する空間形状のキャビティが形成される。このキャビティはリードフレーム５を内包するようにキャビティブッシュとコアとに囲まれている。

ゲート６は樹脂成形体２のためのキャビティとランナ６ａとの境界に存在し、ランナ６ａを流れる溶融樹脂をキャビティ内に注入する注入口をなす。
次に、上記の射出成形用金型１を用いて樹脂成形体２を成形する工程及び成形結果を説明する。

成形機（図示省略）に射出成形用金型１の固定側金型３と可動側金型４を取り付け、固定側金型３と可動側金型４の間にリードフレーム５を配置し、リードフレーム５を挟み込むように両型を閉め合せた状態で樹脂の射出を開始する。

樹脂の射出を開始すると、成形機内で高温に加熱されて溶融した溶融樹脂は、ノズルからスプルブッシュ３ｄのスプルー３ｃを通り、ランナ６ａを通過し、ゲート６から樹脂成形体２のためのキャビティ内に注入される。

キャビティ内に注入された樹脂は暫くの保持圧力時間を経て冷却し、その後に可動側金型４を移動して型を開いて樹脂成形体２を射出成形用金型から取り出す。このとき射出成形体２とランナ６ａは金型の構造に起因して機械的に切り離される。以下、この成形サイクルを繰り返す。

樹脂成形体２の成形に用いる樹脂としては、従来から射出成形に用いられている樹脂が使用可能であり、例えば光半導体用の樹脂としては、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリカーボネートなどの熱可塑性樹脂を適用することができるが、本実施の形態ではポリアミド樹脂を基本として説明する。

上述した工程において形成した樹脂成形体２は、固定側金型３と可動側金型４のキャビティの形状が外壁となって形成されるが、その成形条件は以下のように決定する。
すなわち、本発明は、樹脂成形体２の外観及び内部状態も良好にすることができる成形条件を設定するのに際し、固定側樹脂成形体２ａと可動側樹脂成形体２ｂとの境界の注入口であるゲート６の断面面積と固定側樹脂成形体２ａもしくは可動側樹脂成形体２ｂの体積との間に相関があることを見出したものであり、ポリアミド樹脂を使用した樹脂成形体２の固定側樹脂成形体２ａもしくは可動側樹脂成形体２ｂのどちらか一方の大きい側の体積とゲート寸法及び射出成形時に樹脂成形体２にかかる圧力の相関を実験、経験則により求め、その相関において樹脂成形体２の外観及び内部状態も良好にすることができる成形条件を設定する。

このため、樹脂成形体２において、固定側樹脂成形体２ａと可動側樹脂成形体２ｂとを比較してどちらか一方の大きい側の体積を基準にゲート６の寸法を決定する。その決定は、図２（ａ）に示す樹脂成形体の体積とゲート寸法の相関を示すグラフを適用して行う。例えば、固定側樹脂成形体２ａの体積が可動側樹脂成形体２ｂの体積より大きい場合は、固定側樹脂成形体２ａの体積を算出もしくは計量し、その体積が１５ｍｍ^３の場合には、図２（ａ）グラフを参照し、ゲート径（断面積）の寸法として直径０．６ｍｍが適当であるとする。

あるいは、固定側樹脂成形体２ａの体積が１０ｍｍ^３の場合には、図２（ａ）グラフを参照し、ゲート寸法として直径０．４ｍｍが適当であるとする。
この関係は固定側樹脂成形体２ａの体積が５ｍｍ^３から２０ｍｍ^３までの範囲にある場合に有効な比例関係であり、体積が５ｍｍ^３以下の場合はゲート寸法は直径０．２ｍｍで一定であり、体積が１５ｍｍ^３以上から５０ｍｍ^３までの範囲にある場合には、ゲート寸法は直径０．６ｍｍで一定である。

固定側樹脂成形体２ａの体積が可動側樹脂成形体２ｂの体積より大きい場合について説明したが、可動側樹脂成形体２ｂの体積が固定側樹脂成形体２ａの体積より大きい場合は可動側樹脂成形体２ａの体積を指標として図２（ａ）グラフを参照して求める。

光半導体市場では、固定側樹脂成形体２ａと可動側樹脂成形体２ｂのどちらか一方の体積が５０ｍｍ^３以上になる場合は稀であるが、体積が５０ｍｍ^３以上になる場合は、ゲートの数量を増加させてゲート１箇所当たりの負荷を軽減する。

例えば、固定側樹脂成形体２ａと可動側樹脂成形体２ｂのどちらか一方の体積が３００ｍｍ^３の場合は、ゲート６を６箇所に設け、体積が５０ｍｍ^３までのゲート径の直径０．６ｍｍを適用することで、対応することが可能である。

この関係の中で注意する点としては、ゲート径の寸法を大きくするだけでは、その他の不具合が発生することを示唆しておく。その理由としては、例えば樹脂成形体２にとって適当とするゲート径の寸法より大きいゲート径にすると、樹脂成形体２への過度な圧力が発生し、キャビティの隙間から樹脂漏れが生じ、成形体としては不良品となる。また樹脂成形体２にとって適当とするゲート寸法より小さいゲート径の場合は、必ず樹脂成形体２内部に密閉部５０８が発生する。

上述したように、固定側樹脂成形体２ａと可動側樹脂成形体２ｂのどちらか一方の大きい方の体積を算出し、図２（ａ）を参照してゲート径の寸法を決定することができるが、そのゲート径（断面積）の寸法に見合う成形条件も必要となる。

それはゲート径（断面積）を単に拡大することによってのみ、密閉部５０８が皆無になる条件が揃うことにはならず、ゲート径（断面積）を選択しつつ、成形条件としての樹脂成形体２にかかる圧力も選択する必要がある。

図２（ｂ）にその関係のグラフを図示する。この図２（ｂ）は固定側樹脂成形体２ａと可動側樹脂成形体２ｂのどちらか一方の大きい方の体積が１５ｍｍ^３であるときのゲート径の寸法値と射出成形時に樹脂成形体２にかかる圧力の相関関係を示している。この相関は各体積量ごとに実験、経験則により求める。

例えば、ゲート径の寸法値が直径０．２ｍｍである場合に、密閉部５０８を皆無にしようとすると、樹脂成形体２にかかる圧力はランナー部も合わせて、１２０ＭＰａが必要となる。

しかし、樹脂成形体２にかかる過度な圧力はキャビティの隙間から樹脂漏れが生じ、成形体としては不良品となり、密閉部５０８の発生を皆無にするために必要以上に過度の圧力を加えると、密閉部５０８に対する改善がなされても他の不具合が発生する。

その為、ゲート径の適正な寸法を選択し、適正な成形条件を算出することで、無理なく不具合の無い樹脂成形体２を生産することができるのである。
ここで、上述した図２（ａ）より求めたゲート径の寸法値が直径０．６ｍｍであるので、このゲート径の直径０．６ｍｍに対応する圧力を図２（ｂ）のグラフを参照して求めると３０ＭＰａとなる。

よって、固定側樹脂成形体２ａと可動側樹脂成形体２ｂのどちらか一方の大きい方の体積が１５ｍｍ^３の場合は、ゲート径の寸法値は図２（ａ）より直径０．６ｍｍとし、図２（ｂ）からゲート径の寸法値に対する成形条件の圧力を３０ＭＰａとする。この条件を保つことで、樹脂成形体２の外観及び内部状態も良好にすることができる。

以上の通り、ポリアミド樹脂を使用した樹脂成形体２の固定側樹脂成形体２ａもしくは可動側樹脂成形体２ｂのどちらか一方の体積の大きい方とゲート寸法及び射出成形時に樹脂成形体２にかかる圧力の関係を整備することで、密閉部５０８の無い射出成形体を提供することが出来る。

以上、本発明の射出成形用金型１について半導体樹脂成形体用金型を例に挙げて具体的に説明したが、本発明は半導体樹脂成形体用金型に限定されず、他の射出成形用金型、例えば汎用射出成形体の成形用金型などに適用し得るのは勿論である。

本発明によれば、樹脂成形体２の固定側樹脂成形体２ａもしくは可動側樹脂成形体２ｂのどちらか一方の体積の大きい方とゲート寸法及び射出成形時に樹脂成形体２にかかる圧力の関係を整備することで、密閉部５０８の無い射出成形体を提供することが可能で、さらに寸法精度の優れた成形体を提供することが可能であることから、射出成形体において密閉部５０８の存在が重大な不具合とされるＬＥＤパッケージのような電子部品や医療品、ＣＤ及びＤＶＤなどのような記録媒体などの射出成形体に有効である。

（ａ）は本発明の実施の形態における射出成形用金型構造を示す断面図であり、（ｂ）は同射出成形用金型構造の詳細図 （ａ）は本発明の実施の形態における樹脂成形体の体積とゲート径の関係を表すグラフ図であり、（ｂ）は同実施の形態における射出成形時の樹脂成形体にかかる圧力とゲート径の関係を表すグラフ図 従来の半導体樹脂成形体の全体構造を示す平面図 （ａ）は図３のＡ−Ａ断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図 従来の射出成形用金型の全体構造を示す断面図

符号の説明

１ 射出成形用金型
２ 樹脂成形体
２ａ 固定側樹脂成形体
２ｂ 可動側樹脂成形体
３ 固定側金型
３ａ 固定側取付板
３ｂ 固定側型板
３ｃ スプルー
３ｄ スプルブッシュ
４ 可動側金型
４ａ 可動側取付板
４ｂ 可動側型板
４ｃ 突出しピン
５ リードフレーム
６ ゲート
６ａ ランナ
１０１ 射出成形用金型
１０３ 固定側金型
１０４ 可動側金型
１０７ スプルー
１０８ 突出部
５０１ ＬＥＤパッケージ
５０２ 樹脂成形体
５０３ リードフレーム
５０４ 光半導体素子
５０５ 導電性接続体
５０６ 反射面
５０７ 保護材
５０８ 密閉部
５０９ 固定側樹脂成形体
５１０ 可動側樹脂成形体
５１１ ゲート

Claims (2)

1. リードフレームを固定側金型と可動側金型の間に挟み込んだ型閉じ状態で、溶融した合成樹脂を前記固定側金型から可動側金型にまで充填する射出成形用金型において、
   金型キャビティへの注入口をなすゲートの断面積と固定側樹脂成形体もしくは可動側樹脂成形体のいずれか一方の大きい側の体積との相関において前記ゲートの断面積の適正値を設定することを特徴とする射出成形用金型。
2. ゲートの断面積と射出成形時に樹脂成形体にかかる圧力との相関において前記ゲートの断面積の適正値に見合う前記圧力を成形条件として設定することを特徴とする請求項１に記載の射出成形用金型。

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