JP4321016B2

JP4321016B2 - エポキシ樹脂成形材料タブレットの製造方法

Info

Publication number: JP4321016B2
Application number: JP2002210863A
Authority: JP
Inventors: 敦越沼; 光男石川原; 大輔大野; 理央安西
Original assignee: Hitachi Chemical Co Ltd; Showa Denko Materials Co Ltd
Current assignee: Showa Denko Materials Co Ltd
Priority date: 2002-07-19
Filing date: 2002-07-19
Publication date: 2009-08-26
Anticipated expiration: 2022-07-19
Also published as: JP2004050608A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はエポキシ樹脂成形材料の製造方法、特にマルチプランジャー方式のトランスファーモールド装置を使用して成形されるエポキシ樹脂成形材料タブレットの製造方法に関わるものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子を外部環境から保護し、基板への実装を容易にすることを目的として、熱硬化性樹脂を用いて樹脂封止する方法が広く採用されている。特に封止用樹脂としてエポキシ樹脂を使用したトランスファーモールド法は経済性と生産性に優れており、大量生産に好適であることから、樹脂封止の主流となっている。樹脂封止に使用されるエポキシ樹脂成形材料の製造方法は、エポキシ樹脂、硬化剤、無機質充填剤、離型剤、難燃助剤、硬化促進剤および着色剤等の粉末状の各種原材料を所定量秤量し、ヘンシェルミキサ或いはレディゲミキサ等を用いて混合した後、加熱ロール、連続ニーダ或いは押出機により混練し、シート状に引き伸ばして冷却、粉砕するものであり、これによって粉粒状のいわゆるパウダが得られる。さらにパウダはタブレット成形機を用いて、顧客の要求に応じた重量および寸法を有する円柱状のエポキシ樹脂成形材料タブレット（以下、タブレットという。）に打錠成形された後、トランスファーモールドに使用されるのが一般的である。
【０００３】
パウダを打錠成形するタブレットの製造方法は、タブレット成形機を使用して、一組の臼と杵の中に所定重量のパウダを供給し、機械的圧縮力により加圧成形・打錠している。通常、加圧力はタブレット表面より内部に向って伝わるため、タブレット表面は緻密なものとなるが、中心部は密度が低下したものとなってしまう。密度が低下した部分にはパウダ中に含まれていた空気が封じ込められており、この空気がトランスファーモールド時にパッケージ内に流れ込むとボイドが発生する原因となり、半導体装置の不良につながる。タブレットの直径や高さが大きくなると中心部の低密度化は著しくなるため、この傾向はより強いものとなる。
【０００４】
一方、近年の半導体装置の製造においては半導体装置のコストダウンと製造効率の向上が求められており、半導体封止用のエポキシ樹脂成形材料タブレットのコスト低減やエポキシ樹脂利用効率の向上、リードフレームの高密度化等が要求されている。このためタブレット直径の小さな、いわゆるミニタブレットを使用するマルチプランジャー方式のトランスファーモールドが一般的となっている。さらに最近ではエポキシ樹脂の利用効率向上とリードフレームの高密度化を追求した結果、従来のミニタブレットにはなかったφ９ｍｍ以下の小径タブレットの要求がある。これらの小径タブレットは所定のタブレット重量を確保するため、従来のタブレットに比較してタブレット高さがより高いものが必要となるが、通常のタブレット成形機を用いた打錠成形法では成形が困難であった。すなわちタブレットの直径がφ９ｍｍ以下となると杵の直径も小さくなり、機械的強度が低下するためタブレット成形機の杵が折れることがあり、対策としてタブレット打錠時の加圧力を低下させるとともに、タブレット成形機の生産性を極端に落とした状態で打錠成形しなければならなかった。
【０００５】
これらの問題点を解決するものとして、特開昭５６−４２６１７号、特開平３−５１０３号、特開平４−７１８０９号、特開平６−１０４３０１号及び特開平７−２０５１４４号の各公報に示される連続ニーダ或いは押出機から混練した可塑化状態で押し出した後、冷却用の金型に充填して加圧成形、冷却してタブレットを製造する方法が知られている。この製造法によれば、溶融して混練したエポキシ樹脂成形材料を可塑化状態で押し出し、これをタブレット成形用金型に充填して加圧、冷却するため、ボイドの少ない高密度のタブレットが成形できる。可塑化状態の材料は不定形であり、冷却することにより固形化してタブレットの形状を賦型する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、押出機から冷却用の金型に充填する際、可塑化したエポキシ樹脂成形材料を計量するために連続した押出し状態を止めて間欠的な押出しを必要とする場合があり、押出機シリンダ内の可塑化したエポキシ樹脂成形材料の流動が定常的ではなくなり、押出機が過負荷となって停止しまうことがあった。
また、シリンダ内壁面に付着していたいわゆるゲル層、すなわち熱履歴を受けて硬化反応が進行した部分が剥離してタブレット中に混入し、これを用いてトランスファーモールドを行うと、ゲル化した粒子がゲート部を通過できずにゲート詰まりを起こし、未充填等の特性不良となったりすることがあった。
さらに、押出機と冷却用金型の間に可塑化したエポキシ樹脂が流動するためのランナー部分を設けるようにしたものにおいては、ランナー部分で冷却が進むと粘度が増加して押出し抵抗が極端に増加してしまい、押出しが不可となるばかりでなく、ランナー部分のエポキシ樹脂成形材料は廃棄されることになるため歩留りの低下につながる。
また、可塑化したエポキシ樹脂成形材料を金型で冷却する時、さらには金型から取り出す場合において、タブレットの直径がφ７ｍｍ以下となると、安定的に杵で押し出すことができない。すなわち杵の直径が小さいため機械的強度が不足して折れてしまうという問題点があった。
【０００７】
そこで本発明の目的は、上記問題点に鑑み、押出機を使用して加熱・混練し可塑化したエポキシ樹脂成形材料から、ボイドの極めて少ない小径のタブレットを効率よく製造することのできる技術を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、エポキシ樹脂、硬化剤、無機質充填剤および硬化促進剤を必須成分として配合したエポキシ樹脂成形材料を、押出機に供給して加熱、混練して可塑化する工程と、
押出機先端に取り付けられ、所定のタブレット断面形状と同一の開口形状を有する温度制御されたダイスから、前記可塑化した成形材料を連続的に押し出す工程と、
前記押し出した成形材料を所定のタブレット長に切断する工程とを含むエポキシ樹脂成形材料タブレットの製造方法に関する。
【０００９】
また、前記ダイスの開口形状が円形である場合は、φ１８ｍｍ未満であることが好ましく、φ１．５〜１３ｍｍであることがより好ましい。ダイスの開口形状が矩形である場合は、長辺２０ｍｍ以下、短辺９ｍｍ以下であることが好ましい。
【００１０】
さらに、前記押し出した成形材料の断面形状が、所定のタブレットの断面形状と同一であるのが好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に、図に沿って本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は本発明の実施形態の一例における押出機の縦断面図を示したものである。すなわち、エポキシ樹脂成形材料の各成分を配合して混合した原材料粉末１を投入するホッパー２と、原材料粉末１を定量的に押出機本体に供給する定量供給機３と、押出機の先端に取り付けられ、所定のタブレット断面と同形状の開口を有しかつ温度制御されたダイス５とを有する。さらに、押出機には、シリンダ４３を介して原材料粉末を加熱するためのヒータ４１が取り付けられており、シリンダ４３および投入側のシリンダ４３ａ内には、原材料粉末１を押し出し、また加熱により溶融した原材料粉末１を押し出しながら混練するスクリュ部４２が組み込まれている。また、押出機にはダイス５の温度を制御するための温度調節器５１が接続されている。
【００１２】
成形材料の原材料粉末１は、ホッパー２から、投入側シリンダ４３ａを経て、押出機内のシリンダ４３内で加熱及び混練により溶融状態に可塑化される。前記可塑化された前記成形材料は、ダイス５の開口から連続的に押し出されて押出し材６となる。押出し材６を冷却後、所定のタブレット長、言い替えれば所定のタブレット高さ、に切断してタブレットが得られる。
【００１３】
本発明において、押出機先端に取り付けたダイス５の開口形状は、所定のタブレット断面形状と同一の開口形状である。また、開口形状が円形である丸ダイの場合、開口形状の寸法（以下、開口寸法という。）はφ１８ｍｍ未満が好ましく、φ１．５〜φ１３ｍｍの範囲がより好ましい。さらに好ましくはφ４〜φ１０ｍｍの範囲である。開口形状が矩形であるＴダイの場合の開口寸法は２０ｍｍ×９ｍｍ以下が好ましい。開口形状は、その寸法を含めて、タブレット形状に合わせて適宜選択される。なお、矩形形状の時、ダイスの開口の四隅はＲ加工を施しておくと、押出し材の表面を滑らかにできるため、好ましい。
【００１４】
ダイス５の開口寸法が大きくなるにつれて、例えば丸ダイの場合は、開口から押し出した押出し材６の径すなわちタブレット径も大きくなり、φ１３ｍｍを超えるような場合には押出し材６の冷却が問題となる場合がある。すなわち押出機から押し出された状態では押出し材６の温度は少なくとも４０℃以上になっており、熱硬化性樹脂であるエポキシ樹脂成形材料はそのままでは硬化反応が進行してしまい要求される流動性が低下するため、要求特性値を満足できない恐れがある。
しかしながらダイス５の開口寸法がφ１３ｍｍ以下であれば冷却に関して全く問題ない。すなわち冷却は押出し材６またはタブレットの表面から進むため押出し材６またはタブレットの半径方向に熱履歴の違いがあり、中心部ほど硬化反応は進んでしまっている。一方、この押出し材６を切断して作製したタブレットをモールドする場合、タブレットをモールド機のポットに投入し、加熱、溶融させて流動可能な状態にすることになるが、この時にはタブレット表面から加熱されて硬化反応が進行していく。したがってタブレットの受ける熱履歴はタブレットの半径方向に分布が生じているものの、開口寸法がφ１３ｍｍ以下のダイス５から得られたタブレットであれば問題とはならない。Ｔダイの場合の開口寸法の上限についても、同様である。
【００１５】
開口寸法の下限については、丸ダイの場合、φ1.５ｍｍより細いと、ダイ通過時の圧力損失が大きくなると共に材料が目詰まりすることが多くなり、好ましいものではない。また、Ｔダイの場合、特に下限は設ける必要はないが、扁平な断面形状を持つ場合にはタブレットが折れやすくなるなど、ハンドリングが難しくなるので注意が必要である。
【００１６】
本発明によれば、タブレット冷却用の金型が不要となり、なお且つ連続的に押出し材を得られるようになるため、ボイドが少なく、極めて小径で、かつタブレット高さの高い半導体封止用成形材料タブレットでも効率良く製造することが可能である。
また、本発明では、エポキシ樹脂の組成により異なるものの、成形材料温度の適正化を図って押し出すことにより、押し出した成形材料の断面形状が、所定のタブレットの断面形状と同一であるように、すなわち前記ダイスの開口形状と同様に、押し出すことができる。
さらに、本発明によれば、真密度に近い押出し材を安定して連続的に得ることができ、圧縮率に換算すると９４〜１００％の範囲内とすることができる。なお、従来からのタブレット成形機を使用した打錠成形において得られるタブレットの圧縮率は９０〜９５％程度のものである。圧縮率は換言すればタブレット中のボイドの体積を表しており、圧縮率が高ければタブレット中のボイドが少ないといえる。ボイドの低減（圧縮率の向上）は、例えば成形材料温度をさらに適正化すること、また、ダイスの開口形状やタブレットの高さを小さくすること等により実現できる。
【００１７】
成形材料温度の適正化は、目的とするタブレットの形状及び組成により、適宜選択され、具体的には、押出機の運転条件の調整により行うことができる。
該運転条件は、例えばスクリュ回転数は１０〜２００ｒｐｍで操作するのが好ましく、より好ましくは２０〜１２０ｒｐｍ、さらに好ましくは４０〜８０ｒｐｍである。
また、ヒータ４１によりシリンダ４３の設定温度は、６０〜１４０℃で操作するのが好ましく、より好ましくは８０〜１２０℃である。シリンダ温度については、配合を終えた原材料粉末を投入する投入側シリンダ４３ａを、図１には図示しないが、水冷ジャケット等の冷却装置により冷却するのが好ましい。これは投入した原料配合粉が投入側シリンダ入り口で溶融して投入口を閉塞させるのを防止するためである。
ダイス温度は、温度調節器５１により３０〜９０℃で操作するのが好ましく、４０〜９０℃の範囲で操作するのがより好ましい。ダイスの温度設定は、押出し成形したタブレットの直径がその許容値を満たし、かつタブレットの外観が滑らかになるように調節することが必要である。図１に示すように、ダイス部分を２個以上に分割を行い、それぞれ温度設定可能とすれば温度調節が容易になる。なお、押出し成形したタブレット直径の許容値は、適宜規定されるが、本発明が適用されるような小径タブレットの場合には、直径±０．２ｍｍ以内とするのが好ましい。
【００１８】
【実施例】
次に実施例を用いて本発明を詳細に説明するが、本発明は本実施例に限定されるものではない。
図１に示す構造を有する同方向回転２軸押出機を用意した。すなわち、原材料粉末１を投入するホッパー２と、定量供給機３と、押出機本体の先端に取り付けられた、開口を有する温度制御可能なダイス５とを有する押出機である。また、ヒータ４１が取り付けられ、スクリュ部４２が投入側のシリンダ４３ａおよびシリンダ４３内部に組み込まれ、ダイス５に温度調節器５１が接続されている。
【００１９】
原材料粉末としては、供試試料Ａとしてビフェニル型エポキシ樹脂４．３重量部、フェノールノボラック樹脂４．８重量部、臭素化エポキシ樹脂０．８重量部、三酸化アンチモン０．３重量部、エポキシシランカップリング剤０．５重量部、トリフェニルホスフィン０．２重量部、モンタン酸エステル０．２重量部、カーボンブラック０．２重量部、溶融シリカ粉末８８重量部をミキサーにより混合したエポキシ樹脂成形材料を用意した。
また、供試試料Ｂとしてｏ−クレゾールノボラックエポキシ樹脂７重量部、臭素化エポキシ樹脂４．４重量部、フェノールノボラック樹脂４．４重量部、三酸化アンチモン０．５重量部、エポキシシランカップリング剤０．３重量部、２−フェニル４−メチルイミダゾール０．２重量部、モンタン酸エステル０．２重量部、カーボンブラック０．２重量部、溶融シリカ粉末４０重量部をミキサーにより混合したエポキシ樹脂成形材料を用意した。
【００２０】
（実施例１）
前記同方向回転２軸押出機の先端に取り付けるダイス５として、φ１．５ｍｍの開口を有するダイスを使用し、押出機を運転して供試試料Ａをホッパー１から定量供給し、加熱、混練、押出しを行った。ダイス５の開口から押出した押出し材６を冷却後、所定の高さ（２ｍｍ）に切断してタブレットのサンプル１を試作した。
押出機の運転条件として、スクリュ回転数６０ｒｐｍとした。
シリンダ設定温度は８０〜１２０℃とし、配合を終えたエポキシ樹脂成形材料の原材料粉末１を投入する投入側のシリンダ４３ａは２０℃に冷却を行った。
ダイス温度は６０〜９０℃の範囲で操作し、２個に分割したダイスの、個々の温度設定は、６０〜８０℃、８０〜９０℃とした。
【００２１】
このようにして得たタブレットの圧縮率及び流動性を測定して評価を行った。ここで圧縮率とはタブレットの密度をエポキシ樹脂成形材料の真密度で割った数値を百分率で示したものである。タブレット密度は密度計或いはタブレットの直径、高さ及び質量を測定し、直径と高さから体積を算出して求めたものである。真密度はエポキシ樹脂成形材料を、トランスファ成形機により、金型温度１８０℃、成形圧力６．９ＭＰａ、硬化時間６０秒の条件で１１０×１１０×５ｍｍに成形した後、精密カッタで１０×５×５ｍｍのテストピースに切断し、Ｘ線検査装置(ソフテックス社製プロテスト１００型)を用いてボイドがないことを確認した後、サイズと質量を測定し、密度と同様に算出して真密度とした。
また流動性はスパイラルフローを測定して評価を行った。スパイラルフローはＥＭＭＩ―１−６６規格に準拠した試験金型を使用し、成形温度１７５℃、成形圧力６．９ＭＰａ、成形時間６０秒の条件で測定した。
【００２２】
（実施例２）
φ５ｍｍの開口を有するダイスを取り付け、実施例１と同様にして混練、押出しを行い、タブレットの高さを約４０ｍｍに切断してサンプル２を試作した。押出機の運転条件として、スクリュ回転数６０ｒｐｍとした。
シリンダ設定温度は８０〜１１０℃とし、ダイス温度は４０〜６０℃の範囲で操作し、２個に分割して、個々の温度設定は、４０〜５５℃、４０〜６０℃とした。
【００２３】
（実施例３）
φ１０ｍｍの開口を有するダイスを取り付け、実施例１、２と同様にして混練、押出しを行い、タブレットの高さを約１８ｍｍに切断してサンプル３を試作した。押出機の運転条件として、スクリュ回転数６０ｒｐｍとした。
シリンダ設定温度は８０〜１００℃とし、ダイス温度は４０〜６０℃の範囲で操作し、２個に分割して、個々の温度設定は、４０〜５５℃、４０〜６０℃とした。
【００２４】
（実施例４）
φ１３ｍｍの開口を有するダイスを取り付けた以外は実施例３と同様にして混練、押出しを行い、サンプル４を試作した。
【００２５】
（実施例５）
φ５ｍｍの開口を有するダイスを取り付け、かつ供試試料Ａに代えて供試試料Ｂを供給した以外は実施例２と同様にして混練、押出しを行い、サンプル５を試作した。
【００２６】
（実施例６）
φ１３ｍｍの開口を有するダイスを取り付け、かつ供試試料Ａに代えて供試試料Ｂを供給した以外は実施例３、４と同様にして混練、押出しを行い、サンプル６を試作した。
【００２７】
（参考例１）
φ２０ｍｍの開口を有するダイスを取り付けた以外は実施例４と同様にして混練、押出しを行い、サンプル７を試作した。
【００２８】
（参考例２）
φ１８ｍｍの開口を有するダイスを取り付け、かつ供試試料Ａに代えて供試試料Ｂを供給した以外は実施例４と同様にして混練、押出しを行い、サンプル８を試作した。
【００２９】
表１にタブレットの各サンプルの特性評価結果を示す。押出機先端に取り付けたダイス径が要求されるタブレット直径とした時、ダイス径１３ｍｍ以下の実施例１〜６ではタブレット直径の許容値である±０．２ｍｍ以内をいずれも満足したが、ダイス径が１８ｍｍ以上の参考例では許容値を超えるタブレット直径となり、ＮＧであった。従来のタブレット成形機を用いた打錠成形によるタブレットの圧縮率は９０〜９５％の範囲であり、これ以上を許容値とした場合、押出し成形を行った実施例、参考例ともに打錠成形したタブレットよりも圧縮率が高く、許容値を満たした。ダイス径が小さいほど圧縮率は高くなる傾向となった。圧縮率は換言すればタブレット中のボイドの体積を表しており、圧縮率が高ければタブレット中のボイドが少ないといえる。これより実施例は従来の打錠成形したタブレットの圧縮率の上限である９５％を超えており、ボイドが非常に少ないタブレットであることが分かる。流動性の指標であるスパイラルフローの許容値は、打錠成形したタブレットの場合、供試試料Ａでは１０７ｃｍ以上、供試試料Ｂは８１ｃｍ以上であり、ダイス径１３ｍｍ以下で押出し成形した実施例１〜６では、打錠成形したタブレットと同等のスパイラルフローで許容値を満足したが、ダイス径１８ｍｍ以上の参考例１、２ではスパイラルフローが短く、許容値を満たさない結果となった。
これらの結果より、タブレット直径、圧縮率及びスパイラルフローのいずれも許容値を満足するものを○、いずれかの項目での許容値を満たさないものを×として判定を行った。
【００３０】
【表１】

【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、タブレット冷却用の金型が不要になり、製造コストの増大を招くことなく、ボイドを低減した極めて小径のエポキシ樹脂成形材料タブレットでも効率良く製造することが可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の一例における押出機の縦断面図である。
【符号の説明】
１ …原材料粉末
２ …ホッパー
３ …定量供給機
４１…ヒータ
４２…スクリュ
４３…シリンダ
４３ａ…投入側シリンダ
５ …ダイス
５１…温度調節器
６ …押出し材

Claims

エポキシ樹脂、硬化剤、無機質充填剤および硬化促進剤を必須成分として配合したエポキシ樹脂成形材料を、押出機に供給して加熱、混練して可塑化する工程と、
押出機先端に取り付けられ、所定のタブレット断面形状と同一の開口形状を有するそれぞれ温度制御された２個以上に分割したダイスから、前記可塑化した成形材料を連続的に押し出す工程と、
前記押し出した成形材料を所定のタブレット長に切断する工程とを含み、
前記ダイスの開口形状が、円形で、φ１．５〜１３ｍｍであることを特徴とするエポキシ樹脂成形材料タブレットの製造方法。
エポキシ樹脂、硬化剤、無機質充填剤および硬化促進剤を必須成分として配合したエポキシ樹脂成形材料を、押出機に供給して加熱、混練して可塑化する工程と、
押出機先端に取り付けられ、所定のタブレット断面形状と同一の開口形状を有するそれぞれ温度制御された２個以上に分割したダイスから、前記可塑化した成形材料を連続的に押し出す工程と、
前記押し出した成形材料を所定のタブレット長に切断する工程とを含み、
前記ダイスの開口形状が、矩形で、長辺２０ｍｍ以下、短辺９ｍｍ以下であることを特徴とするエポキシ樹脂成形材料タブレットの製造方法。
前記押し出した成形材料の断面形状が、所定のタブレットの断面形状と同一である請求項１または２記載のエポキシ樹脂成形材料タブレットの製造方法。