(57)【要約】【課題】本発明は、金型を用いて樹脂モールドする際の金型内での樹脂の硬化挙動を明確に計測する技術を提供することを課題とする。【解決手段】金属板３・３の間に配置される球体１１と、張力を作用させることによって球体１１を支持するとともに、球体１１の両端部から所定方向にそれぞれ延出され、かつ、金型４の外に延出されるワイヤ１２・１２と、を用いる。金型４内に充填された樹脂５の硬化時に、ワイヤ１２・１２に作用する張力を自由にして球体１１を移動自在とし、樹脂５の硬化収縮に伴う球体１１の移動量を計測することによって、樹脂５の収縮量を計測する。樹脂モールド後に得られた樹脂モールド部品１の樹脂５内に配置される球体１１から延出するワイヤ１２・１２を所定量だけ移動させる際の仕事量を計測することによって、樹脂５の硬化度を計測する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金型内で半導体素子を二つの金属板で挟み込み、熱硬化性樹脂で樹脂モールドして得られる樹脂モールド部品における前記熱硬化性樹脂の硬化挙動を計測する装置であって、
前記二つの金属板の間に配置される微小球体と、
張力を作用させることによって前記微小球体を支持するとともに、前記微小球体の両端部から所定方向にそれぞれ延出され、かつ、前記金型の外に延出されるワイヤと、を具備し、
前記金型内に充填された樹脂の硬化時に、前記ワイヤに作用する張力を自由にして前記微小球体を移動自在とし、前記樹脂の硬化収縮に伴う微小球体の移動量を計測することによって、前記樹脂の収縮量を計測する樹脂の硬化挙動計測装置。
【請求項２】
金型内で半導体素子を二つの金属板で挟み込み、熱硬化性樹脂で樹脂モールドして得られる樹脂モールド部品における前記熱硬化性樹脂の硬化挙動を計測する装置であって、
前記二つの金属板の間に配置される微小球体と、
張力を作用させることによって前記微小球体を支持するとともに、前記微小球体の両端部から所定方向にそれぞれ延出され、かつ、前記金型の外に延出されるワイヤと、を具備し、
樹脂モールド後に得られた樹脂モールド部品の前記樹脂内に配置される微小球体から延出する前記ワイヤを所定量だけ移動させる際の仕事量を計測することによって、前記樹脂の硬化度を計測する樹脂の硬化挙動計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子を二つの金属板で挟み込んだ状態で樹脂モールドして得られる部品における樹脂モールド時の樹脂の硬化挙動を計測する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
インバータ、パワーモジュール等の電子部品には、二つの金属板で半導体素子を挟みその周囲を樹脂でモールドすることによって得られるものがある。このとき、樹脂のモールド条件によっては、硬化収縮等の要因により金属板と樹脂間に剥離が発生することが知られている。そこで、剥離の原因を解明し、かつ、剥離を起こさないモールド条件を知る手段として、収縮量や硬化度等、モールド時の樹脂の物性変化（硬化挙動）を計測する技術が求められている。
【０００３】
特許文献１には、ひずみゲージを金属部材の表面に貼り付けた状態で、樹脂を硬化させて、硬化時の収縮量を計測する方法が開示されている。しかし、ひずみゲージを金属部材の表面に貼り付けることによって、係る貼付部位におけるモールド条件が、ひずみゲージが貼り付けられていない部位の条件と異なってしまう。このため、樹脂自体の特性を把握することはできるが、実際に金型内で樹脂モールドする場合の硬化現象の解析には不向きである。
また、他の従来技術においても、実際の金型内での使用を十分に考慮したものはなく、金型内での樹脂の硬化挙動を明確に計測する技術は提案されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６１−７５２４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、金型を用いて樹脂モールドする際の金型内での樹脂の硬化挙動を明確に計測する技術を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第一の態様である樹脂の硬化挙動計測装置は、金型内で半導体素子を二つの金属板で挟み込み、熱硬化性樹脂で樹脂モールドして得られる樹脂モールド部品における前記熱硬化性樹脂の硬化挙動を計測する装置であって、前記二つの金属板の間に配置される微小球体と、張力を作用させることによって前記微小球体を支持するとともに、前記微小球体の両端部から所定方向にそれぞれ延出され、かつ、前記金型の外に延出されるワイヤと、を具備し、前記金型内に充填された樹脂の硬化時に、前記ワイヤに作用する張力を自由にして前記微小球体を移動自在とし、前記樹脂の硬化収縮に伴う微小球体の移動量を計測することによって、前記樹脂の収縮量を計測する。
【０００７】
本発明の第二の態様である樹脂の硬化挙動計測装置は、金型内で半導体素子を二つの金属板で挟み込み、熱硬化性樹脂で樹脂モールドして得られる樹脂モールド部品における前記熱硬化性樹脂の硬化挙動を計測する装置であって、前記二つの金属板の間に配置される微小球体と、張力を作用させることによって前記微小球体を支持するとともに、前記微小球体の両端部から所定方向にそれぞれ延出され、かつ、前記金型の外に延出されるワイヤと、を具備し、樹脂モールド後に得られた樹脂モールド部品の前記樹脂内に配置される微小球体から延出する前記ワイヤを所定量だけ移動させる際の仕事量を計測することによって、前記樹脂の硬化度を計測する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、金型を用いて樹脂モールドする際の金型内での樹脂の硬化挙動を明確に計測できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】計測対象である樹脂モールド部品を示す図である。
【図２】樹脂モールド部品の樹脂の硬化挙動を計測する一形態を示す図である。
【図３】金属板及び金属板に設置されるワイヤを示す図である。
【図４】樹脂注入時の様子を示す図である。
【図５】樹脂充填完了時の様子を示す図である。
【図６】樹脂の収縮量を計測する形態を示す図である。
【図７】樹脂の硬化度を計測する形態を示す図である。
【図８】樹脂の硬化度を計測する際に用いるマップであり、横軸は変位量、縦軸は荷重を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明に係る樹脂の硬化挙動計測方法の計測対象である樹脂モールド部品１は、インバータ等の電子部品であり、図１に示すように、半導体素子２と、半導体素子２を両側面から挟み込む金属板３・３とを、金型４を用いて樹脂５で封止したものである。
【００１１】
半導体素子２は、例えば可変容量ダイオード等のダイオード、ＩＧＢＴ等のトランジスタであり、樹脂モールド部品１の主たる機能を果たすデバイスである。
金属板３は、銅、アルミニウム等の金属により構成されるプレートであり、表面に半導体素子２との電気的な接続に用いられる回路が形成される。また、金属板３は半導体素子２を冷却するヒートシンクとしても機能する。なお、金属板３は、半導体素子２の金属板３との当接面よりも大きな面積を有しており、金属板３と金属板３とで半導体素子２を挟み込んだ状態では、半導体素子２の周囲には所定の空間が形成されている。
【００１２】
金型４は、樹脂封止する際の外枠となる部材であり、内部に所定のキャビティを画定するとともに、樹脂注入用の通路が設けられている。金型４は、開閉自在であり、閉じた状態の金型４のキャビティ内に金属板３・３にて半導体素子２を挟み込んだものを封入し、この状態で前記キャビティ内に樹脂を注入し、所定時間保圧して樹脂モールドした後、型開きされて、樹脂モールド部品１が取り出される。金型４内では、金属板３、半導体素子２、金属板３の順に上下方向に積層された状態で樹脂モールドされる。
樹脂５は、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂等の熱硬化性樹脂であり、金型４の内部に流し込まれた後、所定の温度まで加熱されることによって硬化し、樹脂モールド部品１の外形を形成する。
【００１３】
以下、図２〜図８を参照して、本発明の一実施形態に係る樹脂モールド部品の樹脂の硬化挙動を計測する方法について説明する。
【００１４】
図２に示すように、樹脂モールド部品１を樹脂モールドする前に、金属板３・３間に、つまり金属板３の表面（互いに対向する面）から所定の距離を置いて球体１１を配置する。球体１１は、ワイヤ１２・１２に支持されて所定位置に保持される。
より厳密には、球体１１は、計測エリアに配置されている。この「計測エリア」は、樹脂モールド部品１において金属板３と樹脂５との剥離が発生し易い領域、つまり金属板３・３間に挟まれる領域である。言い換えれば、計測エリアは、最適な樹脂モールド条件を導くために、樹脂５内において樹脂の硬化挙動の計測が求められている領域である。
【００１５】
球体１１は、熱収縮が極力少ない素材（熱膨張係数が小さい素材）によって構成される微小球体である。球体１１としては、例えば、ダイヤモンド製の微小球体を採用できる。球体１１の径は、周囲の樹脂５のモールド条件に影響しない程度の小ささに設定される。球体１１の表面の一点、及びその対角上の一点には、それぞれワイヤ１２・１２の一端が固定される。
ワイヤ１２は、熱収縮が極力少ない（熱膨張係数が小さい）金属によって構成される細線である。ワイヤ１２・１２の一端は球体１１に固定され、他端は適宜の引張手段に接続されて、ワイヤ１２・１２に所望の張力を作用させることが可能である。この引張手段によってワイヤ１２・１２に張力を作用させて、球体１１を所定位置に保持する。また、ワイヤ１２の表面には離型剤が塗布されており、ワイヤ１２自体が樹脂５に拘束されないようにしている。
なお、球体１１及びワイヤ１２の材質は、常温と樹脂５の硬化温度との間での物性変化の小さいものであれば良く、上記のものに限定されない。
【００１６】
各ワイヤ１２は、球体１１の上下端から上下方向に延出され、金属板３・３の内部を通過して、金型４の外部まで延出される。
ここで、球体１１を支持するワイヤ１２・１２の延出方向である上下方向は、金属板３・３に挟まれた空間での樹脂５の主たる収縮方向である。つまり、樹脂５が硬化収縮する際に、球体１１に上下方向への収縮力が加わり、収縮力が加わった方向（上方向又は下方向）に移動する。この球体１１の移動に伴ってワイヤ１２・１２が移動する。
このように、球体１１からのワイヤ１２・１２の延出方向を、ワイヤ１２・１２の移動方向とし、さらに、その移動方向を樹脂５の主たる収縮方向とすることによって、球体１１に影響する樹脂５の硬化収縮をより正確に検出することが可能である。言い換えれば、上記のように球体１１及びワイヤ１２・１２を配置することによって、金属板３・３間に挟まれた領域内での樹脂５の硬化挙動をより正確に計測することが可能である。
【００１７】
図２に示すように、各ワイヤ１２は、一端が球体１１に固定され、他端は細管１３を介して金型４の外部まで延出される。細管１３は、その内部をワイヤ１２が移動可能な中空管であり、ワイヤ１２を内部に収納した状態で金型４の外に導出する。細管１３の一端は、球体１１の近傍に配置され、その他端は金型４の外部に配置される。
このように、各ワイヤ１２は、細管１３を介して球体１１から金型４の外部に導出されている。なお、細管１３・１３は、樹脂５や金型４からの熱をワイヤ１２・１２に伝達しないように、耐熱性の優れた素材（ＰＴＦＥ等のフッ素樹脂）によって構成される。また、細管１３・１３の内部形状は、ワイヤ１２・１２の移動を阻害しないように滑らかに形成されている。
【００１８】
図２及び図３に示すように、それぞれの金属板３には、他方の金属板３と対向する対向面からその反対面側に向けて貫通する貫通孔３ａと、貫通孔３ａから金属板３の外周側（長手方向外側）に向けて形成される溝３ｂとが形成されている。
貫通孔３ａは、金属板３を厚み方向（上下方向）に貫通する貫通孔である。貫通孔３ａは、球体１１の配置に応じた位置、つまり球体１１の上方又は下方に形成されている。貫通孔３ａの内周面は、細管１３に応じた形状に形成されており、貫通孔３ａの内部には細管１３が挿入されて固定される。
溝３ｂは、細管１３を貫通孔３ａから金属板３の外周に導くための溝である。溝３ｂは、金属板３の対向面と反対側の面に形成される、つまり上側の金属板３の溝３ｂは上面に形成され、下側の金属板３の溝３ｂは下面に形成される。溝３ｂは、貫通孔３ａの内周面から連続的に設けられており、金属板３の長手方向に沿って形成されている。
細管１３は、貫通孔３ａから溝３ｂに沿って金属板３の外周部へ導かれ、さらに金属板３の外方へ延出されることによって金型４の外部まで延出される。
【００１９】
本実施形態では、金属板３に、細管１３のガイドとなる貫通孔３ａと溝３ｂを形成し、これら貫通孔３ａ及び溝３ｂに沿って配置される細管１３の内部を通じて、ワイヤ１２が金型４の外部に導出される。これにより、樹脂モールド部品１の内部において硬化挙動を計測したい箇所には、球体１１及びワイヤ１２・１２を配置するのみであり、係る箇所のモールド条件に与える影響を最小限にできる。つまり、このように配置される球体１１及びワイヤ１２・１２によって、金型４内での樹脂５の硬化挙動を良好に検出することが可能である。
【００２０】
また、図２及び図３に示すように、細管１３の一端部（球体１１側の端部）には、ガイド１４が付設される。ガイド１４は、円錐状のカップ部材であり、金属板３の対向面から球体１１に向けて突出して配置される。ガイド１４は、細管１３と連通するとともに、その端部を構成し、細管１３及びガイド１４内を通じてワイヤ１２が移動可能に構成されている。
ガイド１４は、先端側（球体１１側）に向かって徐々に細くなる先細り形状に形成されている。すなわち、ガイド１４は、ワイヤ１２の移動を阻害しないように、かつ、樹脂５を注入する際の流入抵抗とならないように構成されている。さらに、ガイド１４の先端の開口は可能な限り小さく形成され、樹脂５が内部に流入しないように構成されている。
【００２１】
以下、図４〜図８を参照して、球体１１及びワイヤ１２・１２を用いて、樹脂モールド部品１における樹脂５の硬化挙動を計測する方法について説明する。ここで、「樹脂の硬化挙動」とは、モールド時の樹脂の収縮量及び硬化度を指す。モールド工程において未硬化状態の樹脂５を金型４のキャビティに充填して加熱すると、樹脂５の硬化が促進されるが、樹脂の硬化度とは、所定のモールド条件で樹脂モールドを行った場合における樹脂５の硬化度合いをいう。
【００２２】
図４に示すように、金型４内に樹脂５を注入するときは、上下のワイヤ１２・１２に引張力を作用させて同じ荷重を付加し、樹脂充填時の球体１１の移動（特に横方向の移動）を規制するとともに、球体１１の位置を所定位置に保持する。これにより、樹脂５のモールド時の硬化収縮及び硬化度の計測精度を向上している。
【００２３】
図５に示すように、樹脂５の充填が終了した後は、ワイヤ１２・１２に作用する張力を自由にし、つまりワイヤ１２・１２に作用させる荷重をゼロにし、ワイヤ１２・１２をフリーにして、樹脂５の収縮による球体１１の移動を自由にする。
樹脂５が硬化収縮する際、球体１１が樹脂５の収縮に伴ってその収縮方向に移動し、球体１１の移動に伴ってワイヤ１２・１２が移動する。このときのワイヤ１２・１２の移動量を用いて樹脂５の収縮量を計測する。
【００２４】
図６に示すように、ワイヤ１２・１２の移動量ｘを計測することによって、樹脂５の収縮量を計測する。ワイヤ１２・１２の移動量ｘは、例えば、ワイヤ１２に予め目盛り等の計測手段を設けることによって簡易に計測可能である。
計測されたワイヤ１２の移動量ｘは、球体１１が配置された部位における樹脂５の収縮量として決定される。また、ワイヤ１２・１２の移動方向は、樹脂５の収縮方向として決定される。
【００２５】
図７に示すように、樹脂モールドが終了した樹脂モールド部品１におけるワイヤ１２・１２（つまり、樹脂モールド後に得られた樹脂モールド部品１の樹脂５内に配置される球体１１から延出するワイヤ１２・１２）の一方に荷重Ｆをかけて、樹脂５中の球体１１を一方向に所定量ｙ０だけ変位させる。このときの仕事量、つまり荷重Ｆと変位量ｙの積分値（図８に示すグラフの面積）を樹脂５の硬化度として計測する。ここでは、樹脂５の硬化による粘性抵抗増大を利用して、樹脂５の硬化度を計測している。このため、本実施形態における樹脂の硬化度は、ワイヤ１２に対する仕事量が大きいほど大きくなる。
樹脂５の硬化度を示す指標として仕事量を用いることによって、例えば、図８に示すように、荷重Ｆが一定でなく途中から変化した場合でも精度良く計測できるという利点を有する。
また、所定のモールド条件で樹脂モールドを行って得られた樹脂モールド部品１における樹脂５の硬化度をこのように計測し、計測した硬化度が規定の硬化度に達しているか否かを判定することで、当該モールド条件の良否を判断することが可能となる。例えば、計測した硬化度が規定の硬化度に達していなかった場合には、モールド時に樹脂５に加える熱量を増大させる(具体的には加熱温度を高くしたり、加熱時間を長くしたりする)ことで、適正なモールド条件を求めることが可能となる。
【００２６】
以上のように、本実施形態の樹脂の硬化挙動計測方法によれば、金型４の内部で生じる樹脂５の硬化収縮量及び硬化度を計測することができ、金型４を用いて樹脂モールドされる樹脂モールド部品１での硬化現象を明確に把握できる。
特に、微小な球体１１及び細線からなるワイヤ１２・１２を用いることによって、樹脂５の硬化挙動に与える影響を最小限に留め、計測が求められる部位（計測エリア）でのより正確な計測を可能にし、金型４内での実現象への適用を容易にしている。
【００２７】
また、本実施形態では、球体１１を所望位置に配置し、その球体１１の移動をワイヤ１２・１２を用いて観測することによって硬化収縮量を計測するとともに、球体１１を所定距離だけ移動させて、その仕事量を算出することによって、樹脂５の硬化度を計測する。このように、シンプルな装置構成で、金型４内での樹脂５の硬化挙動を計測できる。
【００２８】
なお、球体１１は複数配置しても良い。球体１１を複数配置することにより、収縮量の計測と硬化度の計測を同時に行うことが可能となる。また、球体１１・１１・・・を配置する位置を適宜選択することで、最適なモールド条件を決定するための材料を多くすることが可能となる。
また、ワイヤ１２・１２の引き出し方向は、金属板３の長手方向（水平方向）に限らず、上下方向でも良い。
また、ガイド１４は、金属板３の内部に埋め込むことも可能であり、これによれば、金属板３の表面からワイヤ１２のみを延出させることが可能となる。このようにして、計測したい箇所の近傍に球体１１及びワイヤ１２・１２のみを配置することによって、モールド条件に与える影響をさらに低減することが可能となる。
【符号の説明】
【００２９】
１    樹脂モールド部品
２    半導体素子
３    金属板
５    樹脂（熱硬化性樹脂）
１１  球体（微小球体）
１２  ワイヤ
１３  細管
【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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