JP2016046315A - モールド成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金型の損傷を抑制可能なモールド成形方法を提供する。【解決手段】保圧された状態で硬化収縮するモールド材によって電子部品を封止するモールド成形工程であって、金型のキャビティに電子部品を設置した状態で、モータにより駆動されるプランジャによってキャビティにモールド材を注入する注入工程と、金型のキャビティに充填されたモールド材が金型を押圧する圧力を所定の値に制御する内圧制御工程と、モータのトルクを所定の値に制御するトルク制御工程と、を含む。トルク制御工程は、内圧制御工程において、モールド材の硬化度が所定値以上となった場合に行う。【選択図】図２

Description

本発明は、電子部品をモールド材によって封止するモールド成形方法に関する。

従来、半導体素子等の電子部品が設置された金型のキャビティに、熱硬化性樹脂等のモールド材を充填して硬化させることにより、電子部品を封止する技術が広く知られている。

特許文献１には、モールド材を金型のキャビティに注入するためのプランジャを、キャビティにモールド材がほぼ充填されるまでは、第一のモータにより一定の速度で上昇させ、その後は、第二のモータにより一定のトルクで上昇させる技術が開示されている。
特許文献１に開示された技術は、一定の品質でモールド体を形成することを実現している。

しかしながら、特許文献１に開示された技術は、以下のような点で不利である。
一般的に、モールド材は、加熱されると一度膨張した後、硬化収縮する性質を有する。キャビティにモールド材がほぼ充填された後、一定のトルクでプランジャを上昇させると、モールド材の膨張により、キャビティ内の圧力が狙いの値よりも過剰に上昇する。その結果、金型の型締め推力が増加し、金型が破損する等の問題が生じるおそれがある。

特開平８−７８４５４号公報

本発明は、金型の損傷を抑制可能なモールド成形方法を提供することを課題とする。

本発明に係るモールド成形方法は、保圧された状態で硬化収縮するモールド材によって電子部品を封止するモールド成形方法であって、金型のキャビティに前記電子部品を設置した状態で、注入装置によって前記キャビティに前記モールド材を注入する注入工程と、前記金型のキャビティに充填された前記モールド材が前記金型を押圧する圧力を所定の値に制御する内圧制御工程と、前記注入装置のトルクを所定の値に制御するトルク制御工程と、を含み、前記トルク制御工程は、前記内圧制御工程において、前記モールド材の硬化度が所定値以上となった場合に行われる。

本発明によれば、金型の損傷を抑制できる。

本発明に係るモールド成形装置を示す図。 経過時間と金型の内圧との関係、および経過時間とモータの電流値（トルク）との関係を示す図。

以下では、図面を参照して、本発明に係るモールド成形方法の一実施形態であるモールド成形工程について説明する。
モールド成形工程は、モールド成形装置１を用いて、電子部品Ｅをモールド材Ｍによって封止する工程である。
電子部品Ｅは、トランジスタ、ダイオード、レジスタならびにコンデンサ等、またはそれらを組み合わせた部品である。本実施形態において、電子部品Ｅは、インテリジェントパワーモジュールの一部を成す、半導体素子を含む部品である。
モールド材Ｍは、電子部品Ｅを封止するための部材であり、保圧された状態で硬化収縮する。本実施形態において、モールド材Ｍは、熱硬化性樹脂のエポキシ樹脂であり、タブレットとして構成されている。タブレット状のモールド材Ｍは、加熱されることによって溶融し、流体となった後、硬化収縮する。

まず、図１を参照して、モールド成形装置１について説明する。
図１に示すように、モールド成形装置１は、金型１０と、圧力センサ２０と、プランジャ３０と、モータ４０と、制御装置５０とを具備する。
なお、説明の便宜上、図１における上下方向をモールド成形装置１の上下方向と定義する。

金型１０は、下型１１および上型１２から成る。金型１０は、型締めされた状態（下型１１および上型１２のパーティング面同士が接触した状態）において、溶融したモールド材Ｍを硬化させるための空間であるキャビティ１０ａが内部に形成されるように構成されている。金型１０は、モールド材Ｍを加熱するためのヒータ（不図示）を内部に有する。金型１０のキャビティ１０ａには、電子部品Ｅが設置され、前記ヒータによって加熱されて溶融したモールド材Ｍが、キャビティ１０ａに充填されて硬化することにより、電子部品Ｅがモールド材Ｍによって封止されることとなる。

下型１１は、金型１０の下部を成す部材であり、所定の位置に固定されている。下型１１の上面には、金型１０のキャビティ１０ａの下部を成す凹部が形成されている。
下型１１の内部には、金型１０のキャビティ１０ａ内の圧力を計測するための圧力センサ２０が設けられている。圧力センサ２０の構成については後述する。
下型１１の内部には、ポット１１ａが設けられている。詳細には、下型１１の凹部の側方（図１における右方）には、下型１１を上下方向に貫通する円柱状の貫通孔が形成されており、当該貫通孔にポット１１ａが嵌装されている。
ポット１１ａは、円筒状に形成された部材である。ポット１１ａの内部には、プランジャ３０がポット１１ａの内周面を上下方向に摺動可能に設けられている。なお、プランジャ３０の構成については後述する。

上型１２は、金型１０の上部を成す部材であり、所定のサーボモータによって下型１１に対して近接および離間するように構成されている。上型１２の下面には、金型１０のキャビティ１０ａの上部を成す凹部が形成されている。
上型１２の下面には、金型１０のキャビティ１０ａにモールド材Ｍを供給するための供給溝１２ａが形成されている。
供給溝１２ａは、上型１２の下面における、ポット１１ａに対向する部分から、上型１２の凹部にかけて形成されている。詳細には、供給溝１２ａは、金型１０が型締めされた状態において、ポット１１ａの内部と、金型１０のキャビティ１０ａとが連通するように形成されている。つまり、金型１０の内部空間であるキャビティ１０ａと、金型１０の外部とが、供給溝１２ａおよびポット１１ａを介して連通している。

圧力センサ２０は、金型１０のキャビティ１０ａ内の圧力、つまりキャビティ１０ａに供給されたモールド材Ｍが金型１０を押圧する圧力を計測するためのセンサである。圧力センサ２０は、下型１１の凹部の底面（下面）における、電子部品Ｅが載置されていない部分から露出するように、下型１１の内部に設けられている。圧力センサ２０は、制御装置５０と電気的に接続されている。

プランジャ３０は、モールド材Ｍを金型１０のキャビティ１０ａに注入するための部材であり、モータ４０と共に本発明に係る注入装置として機能する。プランジャ３０は、ポット１１ａ内を上下方向に摺動可能に構成されている。プランジャ３０は、モータ４０によって駆動される。
プランジャ３０の上端面には、タブレット状のモールド材Ｍが載置される。タブレット状のモールド材Ｍが流動性を有する程度にまで前記ヒータによって加熱されつつ、プランジャ３０が所定位置まで上昇することで、溶融したモールド材Ｍが供給溝１２ａを通って金型１０のキャビティ１０ａに供給されることとなる。

モータ４０は、プランジャ３０を駆動するサーボモータである。モータ４０は、制御装置５０と電気的に接続されており、制御装置５０によって制御される。

制御装置５０は、圧力センサ２０と電気的に接続されており、圧力センサ２０が計測したキャビティ１０ａ内の圧力を参照可能となっている。また、制御装置５０は、モータ４０と電気的に接続されており、モータ４０を任意のトルクで駆動可能となっている。

次に、図２を参照して、モールド成形工程について詳細に説明する。
なお、図２は、経過時間と金型１０の内圧（キャビティ１０ａ内の圧力）との関係、および経過時間とモータ４０の電流値（トルク）との関係を示す図である。

図２に示すように、モールド成形工程は、注入工程と、内圧制御工程と、トルク制御工程とを含む。モールド成形工程においては、注入工程、内圧制御工程、およびトルク制御工程が順に行われる。

注入工程は、金型１０のキャビティ１０ａに電子部品Ｅを設置した状態で、プランジャ３０によってキャビティ１０ａにモールド材Ｍを注入する工程である。
注入工程において、制御装置５０は、モータ４０を駆動させることにより、タブレット状のモールド材Ｍが載置されたプランジャ３０を上昇させ、前記ヒータによって溶融したモールド材Ｍを金型１０のキャビティ１０ａに注入していく。
この時、キャビティ１０ａにモールド材Ｍが完全に充填されていないので、圧力センサ２０による計測値（キャビティ１０ａ内の圧力）に変化はない。さらにプランジャ３０が上昇し、キャビティ１０ａにモールド材Ｍが完全に充填されると、プランジャ３０の推力によりキャビティ１０ａ内の圧力が上昇することとなる。

内圧制御工程は、金型１０の内圧（キャビティ１０ａ内の圧力）を所定の値に制御する工程である。
内圧制御工程において、制御装置５０は、圧力センサ２０による計測値（キャビティ１０ａ内の圧力）が圧力Ｐ１に達すると、キャビティ１０ａ内の圧力が圧力Ｐ１で一定に維持されるように、モータ４０を制御する。時間経過に伴い、モールド材Ｍが徐々に硬化して収縮するため、制御装置５０は、モールド材Ｍが収縮した分だけプランジャ３０を上昇させるようにモータ４０の制御を行うのである。
また、制御装置５０は、圧力センサ２０による計測値が一定になるようにモータ４０の電流値（トルク）を制御しているため、モールド材Ｍが膨張してキャビティ１０ａ内の圧力が上昇した場合であっても、圧力センサ２０による計測値が一定になるように、モータ４０の電流値（トルク）を低減させる。そのため、キャビティ１０ａ内の圧力の上昇分を、モータ４０の電流値（トルク）の変動によって吸収することが可能となり、キャビティ１０ａ内の圧力の上昇を抑制することができる。
したがって、金型１０の型締め推力が増加して、金型１０が破損することを抑制できる。
なお、プランジャ３０は、モールド材Ｍの注入方向の反対方向（下方向）に退避可能に構成することも可能である。
これにより、モールド材Ｍが膨張してキャビティ１０ａ内の圧力が上昇した場合であっても、キャビティ１０ａ内の圧力の上昇分を、プランジャ３０の退避動作によって吸収することが可能となり、キャビティ１０ａ内の圧力の上昇を抑制することができる。

制御装置５０は、モータ４０の電流値（トルク）が閾値Ｃｔに達した場合、トルク制御工程に移行する。
内圧制御工程において、モールド材Ｍの硬化が進むに伴って、プランジャ３０がモールド材Ｍを押圧する圧力が、圧力センサ２０に伝わり難くなり、その結果、モータ４０の電流値（トルク）が増加する。そのため、モータ４０の電流値（トルク）が閾値Ｃｔに達したことは、モールド材Ｍの硬化度が所定値以上となったことを意味する。換言すれば、モールド材Ｍの硬化度が所定値以上となったか否かを判断するために、本実施形態においては、モータ４０の電流値（トルク）を用いている。そのため、別途、モールド材Ｍの硬化度を計測する装置を設ける必要がない。

トルク制御工程は、モータ４０の電流値（トルク）を所定の値に制御する工程である。
トルク制御工程において、制御装置５０は、モータ４０の電流値（トルク）が、閾値Ｃｔよりも小さい電流値Ｃ１で一定に維持されるように、モータ４０を制御する。
これにより、モールド材Ｍの硬化に伴い、プランジャ３０がモールド材Ｍを押圧する圧力が、圧力センサ２０に伝わり難くなった場合でも、モータ４０の電流値（トルク）の極端な上昇を抑制しつつ、モールド材Ｍに適当な圧力を付与することができる。
したがって、良好にモールド材Ｍによる電子部品Ｅの封止を行うことができる。
なお、本実施形態においては、トルク制御工程において、モータ４０の電流値（トルク）を、閾値Ｃｔよりも小さい電流値Ｃ１で一定に維持されるように制御したが、少なくとも、モールド材Ｍによる電子部品Ｅの封止に悪影響を与えないように、閾値Ｃｔよりも小さい電流値に制御すればよい。

なお、前述のように、モールド材Ｍの硬化に伴い、プランジャ３０がモールド材Ｍを押圧する圧力が、圧力センサ２０に伝わり難くなる。さらにモールド材Ｍの硬化が進むと、プランジャ３０がモールド材Ｍを押圧する圧力が、圧力センサ２０に殆ど伝わらなくなり、圧力センサ２０による計測値（キャビティ１０ａ内の圧力）が徐々に小さくなる。
これに注目し、モールド材Ｍの硬化度が所定値以上となったか否かを判断するために、「モータ４０の電流値（トルク）が閾値Ｃｔに達したこと」に加え、「圧力センサ２０による計測値（キャビティ１０ａ内の圧力）が圧力Ｐ１より小さくなったこと」も条件とすることが好ましい。つまり、モータ４０の電流値（トルク）が閾値Ｃｔに達し、かつ、圧力センサ２０による計測値（キャビティ１０ａ内の圧力）が圧力Ｐ１より小さくなった場合に、トルク制御工程に移行することが好ましい。
圧力センサ２０による計測値（キャビティ１０ａ内の圧力）が、保持内圧である圧力Ｐ１よりも小さくなったことは、モールド材Ｍの硬化収縮が始まっていると判断することができるため、トルク制御工程に移行するための条件として、「圧力センサ２０による計測値（キャビティ１０ａ内の圧力）が圧力Ｐ１より小さくなったこと」を追加することにより、モールド材Ｍが硬化する際に、モールド材Ｍに付与される圧力が不足することを防止できる。

トルク制御工程において、圧力センサ２０による計測値（キャビティ内の圧力）が大気圧に戻った際には、モールド材Ｍが完全に硬化したと判断する。そして、上型１２を下型１１から離間させ、モールド材Ｍで封止された電子部品Ｅを取り出す。その後、硬化したモールド材Ｍにおける不要部分（上型１２の供給溝１２ｂにて硬化した部分）を除去することにより、製品としてのインテリジェントパワーモジュールを得ることができる。

１ モールド成形装置
１０ 金型
１０ａ キャビティ
２０ 圧力センサ
３０ プランジャ（注入装置）
４０ モータ（注入装置）
５０ 制御装置
Ｅ 電子部品
Ｍ モールド材

Claims (1)

1. 保圧された状態で硬化収縮するモールド材によって電子部品を封止するモールド成形方法であって、
   金型のキャビティに前記電子部品を設置した状態で、注入装置によって前記キャビティに前記モールド材を注入する注入工程と、
   前記金型のキャビティに充填された前記モールド材が前記金型を押圧する圧力を所定の値に制御する内圧制御工程と、
   前記注入装置のトルクを所定の値に制御するトルク制御工程と、を含み、
   前記トルク制御工程は、前記内圧制御工程において、前記モールド材の硬化度が所定値以上となった場合に行われる、
   ことを特徴とするモールド成形方法。

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