(57)【要約】【課題】変形速度の速い低粘度樹脂の変形速度を精度良く検出し、円盤フローにおけるせん断速度と粘度の関係を自動的に算出する円盤フロー装置、および前記円盤フロー装置を用いて、低せん断領域の流動性を評価する方法を提供する。【解決手段】樹脂のせん断速度と粘度を算出する円盤フロー装置であって、非接触タイプで、位置検出分解能２μｍ以下で且つ変位信号出力の時間間隔が１００ｍｓ以下である変位検出器と、該変位検出器から測定する樹脂の変位信号出力のデータを逐次取り込み、該データからせん断速度と粘度を算出する手段とを有する円盤フロー装置、及び算出した前記せん断速度と粘度のデータから、せん断速度１ｓ−１以下におけるせん断速度と粘度との積で表される応力値で、当該樹脂の流動性を評価する流動性評価方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
樹脂のせん断速度と粘度を算出する円盤フロー装置であって、非接触タイプで、位置検出分解能２μｍ以下で且つ変位信号出力の時間間隔が１００ｍｓ以下である変位検出器と、該変位検出器から測定する樹脂の変位信号出力のデータを逐次取り込み、該データからせん断速度と粘度を算出する手段とを有することを特徴とする円盤フロー装置。
【請求項２】
請求項１に記載の円盤フロー装置により得られた樹脂のせん断速度と粘度のデータから、せん断速度１ｓ−１以下におけるせん断速度と粘度との積で表される応力値で、当該樹脂の流動性を評価することを特徴とする流動性評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、円盤フロー装置及びそのデータを用いた流動性評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
円盤フロー法と呼ばれる流動評価法は、測定対象の樹脂を２枚の平板で挟み、所望の荷重をかけて樹脂の円盤状の広がり流動をさせて、その樹脂の高さ（厚み）変化を測定して、当該樹脂の流動性を評価するものである。そのため、円盤フロー法は、変形速度の遅い、すなわち粘度が極めて高い樹脂（粘度：１０４〜１０６Ｐａ・ｓ）に好適な流動性評価方法として位置づけられている。
【０００３】
装置としては、「平行板プラストメータ」という名称で商品化されている（非特許文献１参照。）。この「平行板プラストメータ」では、粘度が高く、変形速度が遅い樹脂を対象としているため、変位の検出は接触式のダイヤルゲージによって所定の時間間隔（通常、「分」〜「時間」のオーダー）で樹脂の高さ（厚み）の変化を測定し、経過時間と樹脂の高さ（厚み）との関係をグラフ化し、そのグラフから変形速度を求め、樹脂の粘度を算出するという作業が手動で行われる。また熱可塑性樹脂のＭＦＲ（メルトフローレート）とＳＲ（スウェリングレイショ）の両方を同時に一つの自動測定装置で測定することによりＭＦＲとＳＲの測定時の煩雑さを解消することを目的として、ＭＦＲ及びスウェリングレイショ自動測定方法および装置が提案されている（例えば特許文献１参照。）。
【０００４】
したがって、従来の円盤フロー法で変形速度の大きい、粘度の低い樹脂、たとえば半導体封止用エポキシコンパウンド（高化式フローテスタ粘度で、５〜５０Ｐａ・ｓ）に対しては、変形速度を精度良く測定することが極めて困難で、せん断速度や粘度などの算出は実現されていない。そのため、半導体封止用エポキシコンパウンドに対する従来技術では、図９及び図１０に示す評価方法で流動性を評価している。図９は、従来の円盤フロー法の低粘度樹脂への適用例を示す模式図を示す。図１０は、図９の流動性評価方法を示し、図１０の（ａ）は樹脂円盤の大きさを示す上面図、（ｂ）は（ａ）の樹脂円盤の側面図である。図９に示すように、２枚の加熱平板２６ａ、２６ｂで樹脂１７を一定荷重で加圧し円盤状流動をさせ、加圧・硬化後、図１０に示す樹脂の円盤状流動の大きさ、すなわち樹脂円盤の直径２７を測定し、その大小によって当該樹脂の流動性を評価している。
【非特許文献１】Ｇ．  Ｊ．  Ｄｉｅｎｅｓ  ａｎｄ  Ｈ．  Ｆ．  Ｋｌｅｍｍ，  “Ｔｈｅｏｒｙ  ａｎｄ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｐａｒａｌｌｅｌ  Ｐｌａｔｅ  Ｐｌａｓｔｍｅｔｅｒ”，  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，  ｖｏｌ．１７，  ｐｐ．４５８（１９４６）
【特許文献１】特開平８−２７８２４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記従来の流動後の樹脂直径による評価方法では、樹脂間の流動性の差異は評価できるが、例えば流動抵抗などの応力に関する定量的指標は得られない。そこで、本発明は、変形速度の速い低粘度樹脂の変形速度を精度良く検出し、円盤フローにおけるせん断速度と粘度の関係を自動的に算出する円盤フロー装置を提供するものである。さらに上記円盤フロー装置を用いて、低せん断領域の流動性を評価する方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は以下（１）、（２）に関する。
【０００７】
（１）樹脂のせん断速度と粘度を算出する円盤フロー装置であって、非接触タイプで、位置検出分解能２μｍ以下で且つ変位信号出力の時間間隔が１００ｍｓ以下である変位検出器と、該変位検出器から測定する樹脂の変位信号出力のデータを逐次取り込み、該データからせん断速度と粘度を算出する手段とを有することを特徴とする円盤フロー装置。
【０００８】
（２）前項（１）に記載した円盤フロー装置により得られた樹脂のせん断速度と粘度のデータから、せん断速度１ｓ−１以下におけるせん断速度と粘度との積で表される応力値で、当該樹脂の流動性を評価することを特徴とする流動性評価方法。
【発明の効果】
【０００９】
本発明により、変形速度の速い低粘度樹脂の変形速度を精度良く検出し、円盤フローにおけるせん断速度と粘度の関係を自動的に算出する円盤フロー装置、および前記円盤フロー装置を用いて、低せん断領域の流動性を評価する方法を提供することが可能となった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
円盤フロー法において、粘度が低く変形速度が大きい樹脂を測定するには、先ず負荷する荷重を小さくすることが好ましい。負荷荷重を小さくした場合、樹脂高さ（厚み）を測定するための変位測定において、測定荷重が負荷荷重条件に影響しないことが好ましい。
【００１１】
そこで、本発明では変位計として、非接触タイプの変位計を採用する。さらに、樹脂の変形速度が速いので、位置検出分解能が高くかつ変位信号の出力が短時間間隔であることが好ましく、さらに自動的に出力されることが好ましい。例えば、上記を満足する電子式の変位計を採用することができる。
【００１２】
本発明における変位計の、位置検出分解能は２μｍ以下であり、好ましくは、１μｍ以下である。変位信号出力の時間間隔は１００ｍｓ以下であり、好ましくは５０ｍｓ以下である。
【００１３】
非接触で変位の測定ができ、変位信号が短時間間隔で、且つ自動的に出力される電子式の変位計として、レーザ式変位計を採用することができる。このレーザ式変位計では、樹脂を加圧する平板あるいはそれに連結された部位にレーザを照射して、その反射レーザの位置変化を読み取って平板の変位を検出もので、樹脂には初期の負荷荷重以外に測定による荷重がかかることはない。レーザ変位計では、変位を分解能２μｍ以下で測定でき、変位信号を１００ｍｓ以下の６０ｍｓ毎に出力できるので、粘度が低く変形速度の速い樹脂の測定に好適である。
【００１４】
一方、本発明の円盤フロー装置は、前記変位検出器から測定する樹脂の変位信号出力のデータを逐次取り込み、該データからせん断速度と粘度を算出する手段をさらに有する。円盤フロー法によるせん断速度と粘度の算出は、上記出力された変位信号を、パーソナルコンピュータ（以下、パソコンと云う）等の上記算出手段に入力する。これにより、変位の時間微分により変形速度を求め、所定の下記式（１）により、せん断速度と粘度を算出し、樹脂高さ（厚み）、せん断速度、粘度等をグラフ化する一連の作業を自動化することができる。
【００１５】
流動性評価方法に関しては、上記により得られた樹脂のせん断速度と粘度のデータから、せん断速度１ｓ−１以下におけるせん断速度と粘度との積で表される応力値で、当該樹脂の流動性を評価することを特徴とする。
【００１６】
半導体封止用エポキシ樹脂コンパウンドのようにフィラを多量に充填させた樹脂系では、擬塑性流体としての流動挙動を示し、降伏値τｙを持つ。
【数１】
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【００１７】
降伏値τｙは、樹脂が流動し始めるに必要なせん断応力である。そこで、本発明では、円盤フロー装置により得られたせん断速度と粘度から、上記降伏値に代わる流動応力として、せん断速度が１ｓ−１以下における応力値「低せん断域流動応力」を新たに定義し、当該樹脂の流動性評価指標とする。
【００１８】
「低せん断域流動応力」について以下に説明する。まず、変位検出器からの樹脂高さ（厚み）に関する変位信号のデータをパソコンに入力して、該変位データの時間微分をとって変形速度を求め、下記に示す諸式（２）及び（３）［非特許文献１参照］によって、せん断速度と粘度ηを自動的に時間経過の関数として算出する。
【数２】
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【００１９】
先の（１）式で示した擬塑性流体のせん断応力とせん断速度との関係式に、下記（４）式に示すせん断応力τと粘度ηとの関係式を代入して整理すると、次式（５）が得られる。
【数３】
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【数４】
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【００２０】
前記（５）式において、せん断速度が小さくなれば、右辺の第２項は無視してもよい。
【００２１】
そこで、せん断速度１ｓ−１以下の低せん断域におけるせん断速度と粘度との積で定義した、下記式（６）に示す「低せん断域流動応力」τ＊を流動性評価指標とする。特に、せん断速度１ｓ−１における値を、当該樹脂の「代表・低せん断域流動応力」［τ＊１］とする。
【数５】
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【００２２】
本発明の実施態様の一例を図と共に説明する。図１は、本発明による円盤フロー装置１の一例を示す一部断面概略図である。図２は、図１の円盤フロー装置１の樹脂加圧部と樹脂の流動変形状況を拡大して示した断面図である。円盤フロー装置１は、円形の平面部４を有するベース２、該ベース２の上方に測定樹脂１７を加圧するための円形平面板のディスク５を備える。ディスク５は、連結されたシャフト６と、ベース２に連結した枠８のスリーブによって、ベース２の円形平面部４に対して平行を保って上下動ができる構造となっている。ベース２の円形平面部４とディスク５との樹脂を加圧する面は、放電加工やサンドブラスト加工により表面粗さＲＺ２〜１５μｍの梨地面に仕上げられているのが好ましく、さらにハードクロムめっき等の磨耗対策が施されているのが好ましい。また、ベース２には、測定温度を所望の温度に設定できるように電熱ヒータ３が内蔵されている。枠８の支柱９には、該ベース２からの熱が、レーザ変位計１２（後述）等へ影響しないように、強化プラスチックによる断熱材１０が設けられている。
【００２３】
枠８の上面にはレーザ変位計取り付け用スタンド１１が設けられ、該スタンド１１にレーザ変位計１２が取り付けられている。該レーザ変位計１２から、シャフトキャップ７に向けてレーザ光１３が照射される。キャップ７により反射されたレーザ光は、レーザ変位計１２によって受光され、キャップ７の変位を検出する。そこで、ディスク５がベース２の円形平面部４に接触している状態を原点（変位０ｍｍ）とし、上方側の変位をプラス値と設定すれば、キャップ７の変位は、測定樹脂の高さ（厚み）を示すことになる。
【００２４】
測定手順は次の（１）〜（５）が例示される。（１）測定用の樹脂１７のタブレットを作製する。（２）ディスク５を上昇させた状態で、該タブレットをベース２の円形平面部４の中心に載せる。（３）該ディスク５を、該タブレットの上面に接触するまで下降し、電磁式アクチュエータ１８にて停止保持する。（４）該タブレットを予熱後、該ディスク５を電磁式アクチュエータ１８により停止保持を解除し、変位方向２０へ自然下降させる。これにより樹脂が円盤状の流動をする。（５）円盤状流動後の樹脂２１が硬化した後、該ディスク５を上昇させて樹脂硬化物を離型する。
【００２５】
タブレットのサイズは、ベース平面部４からの熱伝達効率と、流動後の最終直径と平面部４やディスク５の大きさから決めれば良い。タブレットの作製と伝熱を考慮すれば、約直径１０〜２０ｍｍ、質量０．５〜１．５ｇ程度が適している。タブレットの測定温度（予熱温度および硬化温度）、予熱時間、および硬化時間は樹脂の組成により適宜設定されるが、例えばエポキシ樹脂組成物の場合、測定温度は１７０〜１８０℃、予熱時間は５〜１０秒、硬化時間は５０〜１００秒程度が好ましい。
【００２６】
樹脂に負荷する荷重は、装置のディスク５、シャフト６、シャフトキャップ７の合計質量による自重の荷重でもよいし、さらに変形速度（せん断速度）大きい方にシフトさせるために、錘により負荷を追加して調節してもよい。
【００２７】
パソコン１６には、電磁式アクチュエータ１８によるディスク５の停止保持解除と同時に、該ディスク５の変位信号１４が入力される。パソコン１６では、この変位データに基づき、予めインストールされた計算式とグラフ作成機能により、樹脂高さ（厚み）、せん断速度、粘度の時間変化の図が作成される。
【００２８】
レーザ変位計１２からの変位信号１４は、シャフトキャップ７の位置保持のために用いた電磁式アクチュエータ１８の保持解除信号（測定開始信号１９）と同期して、アンプ１５を経由してパソコン１６に入力される。
【実施例】
【００２９】
以下、実施例により本発明を説明する。
【００３０】
（実施例１）
図１及び２に示す円盤フロー装置１を用意した。本円盤フロー装置１は、円形の平面部４を有するベース２、該ベース２の上方に測定樹脂１７を加圧するための円形平面板のディスク５を備える。該ディスク５は、連結されたシャフト６と、ベース２に連結した枠８のスリーブによって、ベース２の円形平面部４に対して平行を保って上下動ができる。
【００３１】
ベース２の円形平面部４と該ディスク５の樹脂を加圧する面は、放電加工により表面粗さＲＺ６μｍの梨地面に仕上げられて、さらに磨耗対策としてハードクロムめっきが施されているものを使用した。また、レーザ変位計１２（株式会社キーエンス製、型番LB-02）の変位検出精度（分解能）は２μｍで、変位信号発信の時間間隔は６０ｍｓとした。
【００３２】
上記した本発明による円盤フロー装置を用いて、表１に一覧した条件で流動性の測定を行った。測定の対象とした樹脂系は、半導体封止用エポキシ樹脂コンパウンド（以下、封止樹脂と云う。）で、９０質量％のシリカフィラが充填された「封止樹脂Ａ」と、８５質量％のシリカフィラが充填された低粘度グレードの「封止樹脂Ｂ」の２種類の封止樹脂を取り上げた。測定温度は、封止成形の温度と同じ１７５℃とし、樹脂に負荷する荷重は、装置のディスク５、シャフト６、シャフトキャップ７の合計質量による荷重１．８６Ｎと、さらに０．９８Ｎの錘（図示せず）を付加した２．８４Ｎの２条件とした。比較のためのスリット粘度は、日立化成工業株式会社製のスリット式粘度測定装置で、せん断速度１００ｓ−１、温度１７５℃の条件で測定した。
【表１】
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【００３３】
（測定例１）
封止樹脂Ａを、温度１７５℃、負荷荷重１．８６Ｎの条件で測定した。
【００３４】
測定手順は次の通りとした。（１）封止樹脂Ａのタブレット（直径２０ｍｍ、質量１ｇ）を作製した。（２）ディスク５を上昇させた状態で、タブレットをベース２の円形平面部４の中心に載せた。（３）ディスク５を、タブレットの上面に接触するまで下降し、電磁式アクチュエータ１８にて停止保持した。（４）タブレットを予熱（予熱時間５秒）後、ディスク５を電磁式アクチュエータ１８により停止保持を解除し、自然下降させた。（５）樹脂が円盤状の流動をし、硬化（硬化時間６０秒）後、ディスク５を上昇させて樹脂硬化物を離型した。
【００３５】
パソコン１６には、電磁式アクチュエータ１８によるディスク５の停止保持解除と同時に、該ディスク５の変位信号１４が入力された。パソコン１６では、この変位信号のデータに基づき、予めインストールされた計算式とグラフ作成機能により、樹脂高さ（厚み）、せん断速度、粘度の時間変化の図が作成された。
【００３６】
図３に本測定によって得られた樹脂高さ（厚み）２２ａ、せん断速度２３ａ、粘度２４ａの時間変化を示す。図４にこのせん断速度と粘度との関係を図示する。図３から、樹脂高さ（厚み）の変化は、経過時間に従い小さくなり、樹脂厚みは一定値に落ち着く。せん断速度もこれに呼応して小さくなる。これに対して、粘度は増大している。これは、図４に示されるように、粘度のせん断速度依存性によるもので、今回の場合、先の（１）式で示した流れ指数ｎは０に近い値となる。一般に、円盤フロー法でのせん断速度は、スリットタイプの粘度計のせん断速度より小さく、本発明による円盤フロー装置では、せん断速度０．１〜１０ｓ−１における粘度評価に好適であることが分かる。
【００３７】
（測定例２）
次に、測定例１と同じ封止樹脂Ａについて、負荷荷重のみを１．８６Ｎから２．８４Ｎに変更して、同様の測定を行った。負荷荷重の変更は、該ディスク５の上にリング状の錘０．９８Ｎを載せて、合計の荷重を２．８４Ｎとした。得られた樹脂高さ、せん断速度、粘度のデータからせん断速度と粘度との関係を求め、測定例１の負荷荷重１．８６Ｎの場合と比較して図５に示した。この図５から、負荷荷重条件を変更しても、得られる粘度特性は変わらないことが分かる。このことから、本発明による円盤フロー装置による測定は、実用上、一般性があると言える。
【００３８】
（測定例３）
シリカフィラの充填率が８５質量％の低粘度グレードである封止樹脂Ｂを用い、測定例１と同じ条件で測定した。図６に、測定例３によって得られた樹脂高さ（厚み）２２ｂ、せん断速度２３ｂ、粘度２４ｂの時間変化を示す。封止樹脂Ｂは樹脂Ａに比べて粘度が低く流動性が良いので、変形量が大きく、最終の樹脂高さ（厚み）は小さくなっている。さらに、図６のデータから、せん断速度と粘度のとの関係を求め、封止樹脂Ａと比較して図７に示した。この図７から、せん断速度１ｓ−１での粘度［η１］は、封止樹脂Ａで２６０Ｐａ・ｓ、樹脂Ｂで３９Ｐａ・ｓとなった。
【００３９】
また、比較のために、図９、１０に示す従来の低粘度用円盤フロー法による流動後の樹脂直径から、樹脂Ａ及び樹脂Ｂを評価した。その結果、樹脂Ａは28.7mm、流動性の良い樹脂Ｂでは41.5mmであった。
【００４０】
本発明によれば、２つの樹脂の差異は、スリット粘度の差異、従来の流動後の樹脂直径の差異よりも、大きく現れることが分かる。
【００４１】
（実施例２）
ここでは、実施例１に示した装置により得られた測定データに基づいて、本発明による流動性評価法の実施例を説明する。
【００４２】
すなわち、「低せん断域流動応力」を流動性評価指標とする評価法である。「低せん断域流動応力」は、先の（６）式で定義したように、せん断速度と粘度との積である。図８に、封止樹脂ＡとＢとの低せん断域流動応力２５ａ、ｂと、せん断速度との関係を示した。この「低せん断流動応力」は、１ｓ−１以下の低せん断域ではほぼ一定の値を示すことがわかる。「低せん断域流動応力」の代表値として、せん断速度１ｓ−１の時の応力値「代表・低せん断域流動応力」［τ＊１］を、表２に示した。
【表２】
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【００４３】
この「代表低せん断域流動応力」からも、封止樹脂Ｂの流動性の良いことが、従来のスリット粘度による比較よりもより明確になっている。
【００４４】
次に、「低せん断域流動応力」による流動性評価法の成形性評価への適用例として、半導体パッケージの封止成形における金ワイヤ変形を評価した。封止樹脂Ａ及びＢを用いたコンプレッション（圧縮）封止成形法による金ワイヤ変形で、金ワイヤの仕様は、直径１５μｍ、長さ６ｍｍとした。主な成形条件は樹脂温度175℃、圧縮速度0.1mm/sとした。
【００４５】
成形の結果、ワイヤ変形は、封止樹脂Ａでは変形率で約１０％、それに対して、樹脂Ｂでは約２％と小さい値であった。ここで、変形率とは、金ワイヤのスパン距離に対する円弧状の変位の百分率である。ワイヤ変形の差異比率（約５：１）を考えると、従来のキャピラリー粘度の差異（約２：１）よりは、「代表・低せん断域流動応力」の差異（約７：１）によって評価する方が実情に合っていると考えられる。この理由としては、コンプレッション成形では、金ワイヤに対する樹脂流動のせん断速度が非常に小さく、金ワイヤには降伏応力的な力が働くためであると考えられる。よって、このような封止成形では、従来のスリット粘度よりも、本発明による「低せん断域流動応力」が流動性指標として好適であると言える。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明による円盤フロー装置の一例を示す一部断面概略図である。
【図２】本発明による円盤フロー装置の樹脂加圧部と樹脂の流動変形状況を拡大して示す断面図である。
【図３】本発明による円盤フロー装置による測定例１のデータを示す図である。
【図４】測定例１のせん断速度と粘度の関係を示す図である。
【図５】測定例１と測定例２のせん断速度と粘度の比較図である。
【図６】測定例３のデータを示す図である。
【図７】本発明による流動性評価法による粘度の比較図である。
【図８】本発明による流動性評価法による低せん断域流動応力を示す図である。
【図９】従来技術による円盤フロー法の低粘度樹脂への適用例を示す図である。
【図１０】従来技術による円盤フロー法による流動性評価法を示す図であり、（ａ）は樹脂円盤の大きさを示す上面図、（ｂ）は（ａ）の樹脂円盤の側面図である。
【符号の説明】
【００４７】
１…円盤フロー装置
２…ベース
３…電熱ヒータ
４…ベース上の平面部
５…ディスク
６…シャフト
７…シャフトキャップ
８…枠
９…枠支柱
１０…断熱材
１１…スタンド
１２…レーザ変位計
１３…レーザ光
１４…変位信号
１５…アンプ
１６…パーソナルコンピュータ（パソコン）
１７…樹脂
１８…電磁式アクチュエータ
１９…測定開始信号
２０…ディスクの変位方向
２１…円盤状流動後の樹脂
２２ａ、２２ｂ…樹脂高さ（厚み）
２３ａ、２３ｂ…せん断速度
２４ａ、２４ｂ…粘度
２５ａ、２５ｂ…低せん断域流動応力
２６ａ、２６ｂ…平板
２７…円盤状流動の大きさ（樹脂円盤の直径）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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