JP3984921B2

JP3984921B2 - モデル金型及び樹脂流動測定装置

Info

Publication number: JP3984921B2
Application number: JP2003075392A
Authority: JP
Inventors: 上高橋
Original assignee: Sumitomo Bakelite Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Bakelite Co Ltd
Priority date: 2003-03-19
Filing date: 2003-03-19
Publication date: 2007-10-03
Anticipated expiration: 2023-03-19
Also published as: JP2004284032A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、樹脂材料の評価、特に半導体封止用樹脂の評価に用いるモデル金型及び樹脂の流動特性を測定する装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＴＳＯＰ（ＬＯＣ構造）封入成形等のＩＣ封止においては、樹脂材料の流動、硬化特性が成形性に大きく影響し、ＩＣチップが傾く不良（チップシフト）（図６）や金線の変形等の製品不良も、樹脂材料の流動特性に強い相関があると考えられている。
【０００３】
従来より、実際の金型で成形する前に最適な成形条件を選定したり、樹脂材料の品質管理及び研究開発に用いるために、ＣＡＥ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ−ａｉｄｅｄｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）や可視化金型実験等の、金型内での樹脂材料の流動を予測するための評価装置等が用いられている。
【０００４】
ＩＣ封止用樹脂材料の流動特性評価装置としては、流路がスパイラル状になっているモデル金型（特許文献１）や、二本の矩形状キャビティを有するモデルキャビティ内樹脂流動測定装置（特許文献２）が知られているが、実機金型内での樹脂材料の流動性との充分な相関は得られていない。
【０００５】
そこで、発明者らは、チップ上のリードフレームによる段差を想定し、横断面が矩形の流路（矩形流路）内に凸部を設けた金型を用いた矩形流路圧力法を提案した（非特許文献２）。この矩形流路圧力法による評価は、チップシフトと高い相関関係があり、チップシフトの代用特性となる樹脂材料の流動特性評価法として有効であることが見出されたが、実機金型内での樹脂材料の流動性との相関性がより高い評価法が求められている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平３−１０５２３４号公報
【特許文献２】
特開平４−３６６３５号公報
【非特許文献１】
高橋上、外２名，「ＩＣ封止用エポキシ樹脂成形材料の流動特性評価法の検討」，成形加工シンポジア’９８予稿集，プラスチック成形加工学会，平成１０年１１月５、６日，p.１１９−１２２
【非特許文献２】
増田篤、外２名，「ＩＣ封止成形シミュレーションにおける精度向上方法の検討」，成形加工シンポジア’９８予稿集，プラスチック成形加工学会，平成１０年１１月５、６日， p.３５−３８
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、樹脂材料の評価、特に半導体封止用樹脂材料の評価において、実機金型内での樹脂材料の流動特性との相関性が非常に高い代用特性を測定することが可能であり、成形時の流動挙動、特にチップシフトの発生を正確に評価できるモデル金型及び樹脂材料の流動特性を測定する装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
実機金型内におけるチップのリードフレーム等の突起部による圧力損失を考慮して、モデル金型の矩形流路内に凸部を形成することにより、実機金型内での樹脂材料の流動特性との相関性が非常に高い代用特性を測定することが可能であるが、本発明者は、実機での流動特性とモデル金型での代用特性の相関性をさらに高めるために、矩形流路内の凸部を設けた位置における流路の高さが、実機とモデル金型との相関性に大きな影響を及ぼすことを見出した。
【０００９】
本発明は上記知見に基づいて完成されたものであり、溶融樹脂が通過する矩形横断面の流路を備え、該矩形流路の少なくとも一箇所に流路の高さを０．０５〜０．１ｍｍに狭める凸部が設けられたことを特徴とするモデル金型、及び、当該金型を用いた樹脂流動測定装置を提供するものである。
【００１０】
前記モデル金型の矩形流路の横断面の高さが０．２〜３ｍｍ、幅が１０〜３０ｍｍである場合には、実際の成形時における樹脂の流動特性をより正確に再現できるので好ましい。
【００１１】
さらに、前記矩形流路の上流側にランナ部及びゲート部をさらに備え、前記ゲート部の横断面積が、前記ランナ部の横断面積及び前記矩形流路の横断面積よりも小さい場合には、実際の成形時における樹脂の流動特性をより正確に再現できるので好ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳しく説明する。なお、本発明において「横断面」とは、樹脂材料の流れ方向に垂直の断面をいい、「縦断面」とは、樹脂材料が流れ方向に平行な断面をいう。
【００１３】
図１は、本発明の樹脂流動測定装置の一構成例を模式的に示す縦断面図である。図２は、図１の平面図である。図３（ａ）は図１中（ａ）の部分、及び、図３（ｂ）は図１中（ｂ）の部分を模式的に示す横断面図である。図４は、図１中の上型１を下型２から分離した状態を模式的に示す底面図であり、下型との合わせ面である。図５は、図１中の下型２を上型１から分離した状態を模式的に示す平面図であり、上型との合わせ面である。
【００１４】
モデル金型は、この例では上型１と下型２からなり、これらを閉じた状態で矩形横断面の流路６が形成される。この矩形流路６内の少なくとも一箇所には、流路の高さを狭める凸部７が形成される。この凸部７は、実機金型内にインサートされるチップの段差（リードフレームや金線等）による溶融樹脂の圧力損失を再現するために設けられる。矩形流路内には、評価すべき成形プロセスとの相関性を高めるために、１又は２以上の適切な数の凸部を、適切な間隔をあけて設ける。
【００１５】
実機金型内において、チップの段差が存在する部分での溶融樹脂の流動性は、樹脂中に含まれるフィラー等の比較的サイズが大きい成分の通過しやすさ及び配合量が大きな影響を及ぼすと考えられる。そこで本発明においては、樹脂中に含まれる比較的サイズが大きい成分による流動性の影響を正確に再現するために、凸部を設けた部分の流路の高さを０．０５〜０．１ｍｍとする。凸部は、通常は図２（ａ）に示すように、矩形流路の幅方向の全域にわたり同じ高さに設ければよい。
【００１６】
矩形流路の高さ及び幅は、実機金型での樹脂の流動特性をより正確に良く再現するために、通常は、流路の高さを０．２〜３ｍｍ及び幅を１０〜３０ｍｍとし、好ましくは高さを０．３〜１ｍｍ及び幅を１５〜３０ｍｍとする。
【００１７】
また、矩形流路の高さと幅の比は、１：１０〜１：２０とすることが好ましい。高さと幅の比を上記範囲とすることにより、ニュートン流動の式により樹脂材料の圧力の測定値を樹脂材料の粘度に換算でき、流動解析への展開等、本発明の金型を用いて評価可能な応用範囲が広がる。ここで、ニュートン流動の式とは、次式：
η＝ＢＨ³ΔＰ／１２ＱＬ
で示され、大柳著、「エンジニアリングプラスチック〜その特性と加工〜」（森北出版、１９８５年１０月２６日）に記載されている。
【００１８】
モデル金型の流路構造は、実機金型での樹脂の流動特性の再現性を高めるために、さらに適宜調節することができる。矩形流路６の長さは、矩形流路の高さが０．２〜３ｍｍ、幅が１０〜３０ｍｍである場合には、矩形流路の長さを５０〜３００ｍｍとすることが好ましく、１５０〜２５０ｍｍとすることが更に好ましい。
【００１９】
矩形流路６の上流側には、樹脂の投入口であるポット部３と矩形流路６を結ぶランナ部４及びゲート部５をさらに形成することが好ましい。ランナ部４及びゲート部５は、実機金型と同様の構造とすることができる。
【００２０】
例えば、図１及び図５に示すように、ランナ部４は矩形横断面を基本とし、その前半部は幅が下流に向けて狭くなるテーパー状となるように上型１だけに形成し、後半部は下型２だけに形成してもよい。ランナ部４の長さは、１０〜５０ｍｍであることが好ましい。
【００２１】
また、ゲート部５の開放部は、図１及び図５に示すように、通常はランナ部４及び矩形流路６のいずれよりも狭くする。ゲート部６の開放部は矩形横断面を基本とし、ゲート部５のランナ部側は、幅及び高さが下流に向けて狭くなるテーパー状となり、ゲート部５の矩形流路側は幅及び高さが急激に拡張するような急峻なテーパー状又は非テーパー状となるように形成してもよい。
【００２２】
また、矩形流路６の最下流は、樹脂材料の排出口として開放されていることが好ましい。ＩＣ封止用成形金型のモデル金型の場合には、排出口の断面積は、矩形流路６の断面積よりも小さくなるように狭くなるテーパー状に絞られていることが好ましい。
【００２３】
なお、モデル金型の流路構造は、分割された金型ブロックを組み合わせることにより、又は、モデル金型の流路内に中子を挿入することにより変更することが可能である。
【００２４】
本発明に係る樹脂流動測定装置は、前記モデル金型に、樹脂材料を矩形流路に注入する圧入手段と矩形流路内の溶融樹脂の圧力を測定する圧力センサーとを少なくとも設けてなるものである。
【００２５】
樹脂材料を矩形流路に注入する圧入手段としては、成形機のプランジャ９を用いることができ、図１の例では、プランジャ９を上昇させることで樹脂材料をモデル金型の流路内に移送することができる。この際、プランジャ９の変位は、変位検出器等で検出され、データ処理装置等に送られ、樹脂の圧入速度が計算される。
【００２６】
圧入手段として成形機のプランジャの他には、スクリュー射出等が挙げられ、図１のプランジャ９に替えてこれらを用いても良い。
【００２７】
矩形流路６の壁には、圧力センサー、温度センサー、歪検出器等を取り付けるための孔８を設けてもよい。孔８は、図１に示すように矩形流路６の側壁に設けても良いし、矩形流路の上面又は下面に設けても良い。孔８の位置及び数は特に限定されず、モデル金型の流路構造に合わせて適宜選択される。
【００２８】
図１の例では、上型１に穴を設けて、矩形流路の上面に圧力センサー１０が設置され、下型２に穴を設けて、矩形流路の側面に温度センサー１１が取り付けられている。
【００２９】
圧力センサー１０は、溶融樹脂が凸部を通過する際の圧力損失を測定するために１個以上設置される。圧力センサーの取り付け位置としては、凸部７の上流側、真上又は下流側に一つだけ取り付けても良いし、ランナ４中に設置しても良いが、圧力損失を正確に測定するために凸部７を挟んで上流側と下流側に少なくとも１個ずつ設けることが好ましい。
【００３０】
また、温度センサー１１は、溶融樹脂の温度を測定するために１個以上設置される。温度センサーの取り付け位置は、金型の上面、下面及び図５のように側面のいずれでもよく、上面、下面の場合には矩形流路断面幅方向の中央部、側面の場合には矩形流路断面高さ方向の中央部に設置されることが好ましい。また、センサーの先端は金型内面の面位置でも良いが、金型内の樹脂温度分布を正確に知るためにセンサーの先端が矩形流路内に突出していてもよく、突出している場合には、金型内面の面位置から矩形流路断面の中央部までの間に樹脂の流れに影響しないように適宜調整して設置することが好ましい。
【００３１】
本発明の樹脂流動測定装置には、その他、樹脂の密度を測定するためのカメラ、内部応力を測定するための歪検出器等のセンサー類、物理量を変換したり特性値を算出するためのデータ処理装置等を設置してもよい。
【００３２】
これらのセンサー類は、測定すべきパラメータが急変する領域には２個以上を短い間隔で設置することが好ましい。圧力センサー１０及び温度センサー１１等のセンサー類の出力もまた、データ処理装置等に送られ、溶融樹脂の圧力、温度等が計測される。
【００３３】
上記の樹脂流動測定装置を用いて樹脂材料の流動特性を評価する際には、樹脂材料を実際の成形条件に用いる際の形態でポット３に投入することが、適切に評価を行う点から好ましく、例えばＩＣ封止時の評価を行う場合は、タブレット状に溶融成形したエポキシ樹脂材料を用いて、１００℃程度に予熱を行って投入することが好ましい。
【００３４】
ポット３に投入された樹脂（図示せず）は、溶融状態でランナ４を通り、ゲート５を通って、矩形流路６内を流動し、凸部７を通ってさらに矩形流路６内を流動し、金型外に流れ出る。
【００３５】
実機金型に用いる成型条件（樹脂温度、せん断速度等）で、樹脂を本発明のモデル金型のランナ４、ゲート５、矩形流路６等の流路を通過させながら圧力損失等の流動・硬化特性を測定すると、実機金型での流動・硬化特性と非常に相関性が高い結果が得られることから、実機金型内での流動挙動を正確に予測することができる。
【００３６】
特に、本発明の樹脂流動測定装置においては、モデル金型の矩形流路内に設けた凸部の前後での圧力損失が小さいほど、実機金型におけるチップシフトの発生頻度及びシフト量が少なくなることから、チップシフトの代用特性として非常に有効である。
【００３７】
従って、本発明の樹脂流動測定装置を用いて、例えば、実機金型での成形条件で流動・硬化特性を評価することにより樹脂材料の品質管理を行なうことができる。また、樹脂材料の製品開発時に、本発明の樹脂流動測定装置を用いて所定の成形条件で流動・硬化特性を評価することにより、簡易にスクリーニングすることが可能となる。或いは、本発明の樹脂流動測定装置は、特定の樹脂材料の流動・硬化特性を、温度、硬化度、せん断速度等の成形条件を種々変えて評価することによって、最適な成形条件を簡易に決定することも可能である。
【００３８】
【実施例】
（樹脂流動測定装置の作製）
図１に示す樹脂流動測定装置を作製した。矩形流路６の高さは２ｍｍ、幅は１５ｍｍ、長さ１７５ｍｍとし、矩形流路の一箇所に幅方向の全域にわたり上部に高さ０．０８ｍｍの開放部を有する凸部を設けた。
【００３９】
ランナ４はポットから続く上型部分に８．５ｍｍ、及び上型部分のランナ４に続いて下型部分に１１．５ｍｍの長さで設けた。矩形流路の入り口であるゲート５は、図１に示すような絞られた形状であって矩形流路の最上部に設け、ゲート５の幅は１ｍｍ、高さは０．５ｍｍとした。
【００４０】
圧入手段としては、成形機のプランジャ９を用い、圧力センサーは、図１に示されるように矩形流路６内に凸部７を挟んで２箇所、ランナ４に１箇所設置した。温度センサーは、図１に示されるように矩形流路６内に４箇所設置した。
【００４１】
（樹脂流動測定装置の評価）
１．試料
試料としては、下記に示す配合比で樹脂組成物を調製し、タブレット状にしたものを用いた。
・ビフェニル型エポキシ樹脂（ジャパンエポキシレジン（株）製、ＹＸ４０００Ｈ）：５１重量部
・フェノールノボラック型樹脂（住友ベークライト（株）製、ＰＲ−５１７１４）：４９重量部
・球状溶融シリカフィラー（平均粒子径１５μｍ）：５００重量部
・硬化促進剤（トリフェニルホスフィン）：０．８重量部
・カルナバワックス：２重量部
２．チップシフト量の測定
ＴＳＯＰ金型（パッケージ寸法：幅１０ｍｍ、長さ１８ｍｍ、厚さ１ｍｍ）を用いて、金型温度１８０℃、射出時間６秒、射出圧力１０ＭＰａの条件で、１で得られた各試料を封入成形し、図６に示す定義でチップシフト量を算出した。
【００４２】
３．圧力測定
上記作製した樹脂流動測定装置により、流動条件は金型温度１７０℃、流量０．２４ｃｍ³／ｓとし、上記試料を用いて圧力測定を行った。
【００４３】
凸部７の下流側に位置する圧力センサーにおけるプランジャ降下開始後１０秒における圧力と、チップシフト量の相関関係を図７に示す。相関係数は０．９２であり、高い相関関係が得られた。従って、上記条件による圧力測定値は、チップシフト量の評価に用いることが可能であることを示した。
【００４４】
【効果】
本発明のモデル金型及び樹脂流動測定装置は、ＴＳＯＰ（ＬＯＣ構造）封入成形等のＩＣ封止用樹脂の評価に好ましく用いられ、フィラーを含む熱硬化性樹脂、特にエポキシ樹脂材料を実際の成形条件で試験し、チップシフトや金線変形等の不良発生の予測を含め、適切に評価することが可能である。
【００４５】
さらに本発明は、その他のインサート成形に用いる熱可塑性及び熱硬化性樹脂の評価にも利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の樹脂流動測定装置の一構成例を模式的に示す縦断面図の一部拡大図である。
【図２】本発明の樹脂流動測定装置の一構成例を模式的に示す平面図の一部拡大図である。
【図３】図３（ａ）は図１中（ａ）の部分を模式的に示す横断面図であり、図３（ｂ）は図１中（ｂ）の部分を模式的に示す横断面図である。
【図４】図１中の上型１を模式的に示す底面図である。
【図５】図１中の下型２を模式的に示す平面図である。
【図６】ＴＳＯＰ構造の概略及びチップシフトの定義を示す図である。
【図７】圧力とチップシフト量の相関関係を示す図である。
【符号の説明】
１…上型
２…下型
３…ポット
４…ランナ
５…ゲート
６…矩形流路
７…凸部
８…孔
９…プランジャ
１０…圧力センサー
１１…温度センサー
１２…チップ
１３…ポリイミドテープ
１４…リードフレーム
１５…樹脂材料
１６…シフト量

Claims

溶融樹脂が通過する流路を備えるモデル金型において、横断面が矩形の流路を備え、該矩形流路の少なくとも一箇所に流路の高さを０．０５〜０．１ｍｍに狭める凸部を設けたことを特徴とするモデル金型。
前記矩形流路の高さが０．２〜３ｍｍ、幅が１０〜３０ｍｍであることを特徴とする、請求項１に記載のモデル金型。
前記矩形流路の上流側にランナ部及びゲート部をさらに備え、前記ゲート部の横断面積が、前記ランナ部の横断面積及び前記矩形流路の横断面積よりも小さいことを特徴とする、請求項１又は２に記載のモデル金型。
前記請求項１乃至３いずれかに記載のモデル金型と、樹脂を前記矩形流路に注入する圧入手段と、前記矩形流路内の樹脂圧力を測定する圧力センサーとを有する樹脂流動測定装置。