JPH08154364A - 樹脂モールド体およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】インサート材１を包むモールド樹脂層２を異な
る樹脂からなる複数の層で構成し、内側の層３を構成す
る樹脂を、ガラス転移温度が外側の層４を構成する樹脂
のそれよりも低くなるように選定する。 【効果】インサート材とモールド樹脂層との熱膨張係数
の差と、モールド樹脂層の弾性率とに起因し、モールド
樹脂層のガラス転移温度以下で発生する引っ張りの周方
向応力である成型時熱残留応力を低減し、モールド樹脂
層内部におけるき裂の発生を防止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、発電機回転子コイル，
発電機固定子コイル，磁気浮上列車用地上コイル，自動
車部品用コイル，半導体パッケージ等の樹脂モールド体
のモールド構造およびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】図６は従来技術により製造された磁気浮
上列車用の地上コイルを示す断面図である。図におい
て、アルミニウムのコイル導体によって構成されたイン
サート材１の外周は、充填剤としてシリカを混練したエ
ポキシ樹脂によって構成されたモールド樹脂２によって
覆われている。樹脂のモールドは、注入成型によって行
われる。すなわち、常温で液状の熱硬化性樹脂主剤と硬
化剤，触媒，充填剤等を混ぜ合わせた液状の樹脂を金型
に流し込み、昇温して硬化反応を促進し、金型からはず
す。この状態でモールド樹脂は高温でゴム状弾性挙動を
示す。その後にき裂や変形，強度低下の原因となる残留
応力をなるべく小さくするように注意しながら全体を徐
冷する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】注入成型による樹脂モ
ールド体の成型時においてモールド樹脂の内部には、樹
脂の硬化収縮や、冷却時の樹脂とインサート材との熱収
縮量の差に起因する内部応力が発生する。硬化した樹脂
は、ガラス転移温度以下の常温では脆性材料であるの
で、その内部に応力が発生することは、き裂や変形，強
度低下の原因となる。熱硬化性樹脂の粘弾性特性より、
樹脂モールド時の残留応力の多くは、樹脂の硬化反応後
の冷却時に、樹脂がゴム状弾性体からガラス状弾性体へ
と転移するガラス転移温度以下の温度領域において、イ
ンサート材とモールド樹脂との熱膨張係数の違いと、モ
ールド樹脂のガラス弾性定数に起因して発生する熱応力
であることは既に知られている。この熱応力をできるだ
け発生させないために、インサート材とモールド樹脂と
のそれぞれの材料に、それらの熱膨張係数ができるだけ
近い物を選択してモールドを行っている。

【０００４】モールド樹脂の熱膨張係数を変化させるこ
とは、一般には、熱硬化性樹脂に混練する充填剤の種類
や量を調整することにより行う。たとえば、充填剤を含
まないエポキシ樹脂硬化物の熱膨張係数は８.０〜１０.
０×１０~⁵／℃であるが、シリカの充填剤を混練するこ
とにより３.０〜３.６×１０~⁵／℃程度まで熱膨張係数
を低減している。しかし、充填剤の量を増やすことは、
液状樹脂の粘性を高め、モールド時の作業性を損なうこ
とになるので、インサート材とモールド樹脂との熱膨張
係数を完全に同一のものとするまで充填剤を増量するの
は困難である。また、熱硬化性樹脂は、ガラス転移温度
（Ｔｇ）以上の温度条件下では弾性率が非常に小さいゴ
ム状弾性体となり、温度変化に伴うひずみの発生がほと
んど応力の発生に寄与しないと考えて良くなる。このた
め、モールド樹脂のガラス転移温度を下げることも樹脂
内部の応力を低減させるために有効であると考えられ
る。しかし、モールド樹脂のガラス転移温度を下げる
と、使用時外部環境の高温条件下でモールド樹脂がゴム
状弾性体となってしまい、外力に対し変形しやすくな
り、形状の信頼性を失うこととなる。このため、モール
ド樹脂にガラス転移温度の低い材料を使用することは従
来は困難であった。

【０００５】以上の理由により、モールド樹脂層内部の
インサート材との界面には、インサート材とモールド樹
脂層との熱膨張係数差に起因する応力が発生しているこ
とが想像できる。これが、インサート材角部のき裂５の
発生につながっていると考えられる。

【０００６】本発明の目的は、モールド時や使用環境下
でモールド樹脂内部にき裂を生じがたく、また、外力に
対して変形しにくい、強度，形状安定性を持った樹脂モ
ールド体を得ることにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、この発明によれば、金属等からなるインサート材
と、前記インサート材の外周を、少なくともその一つの
断面において全周にわたって覆っているモールド樹脂
と、からなる樹脂モールド体において、前記モールド樹
脂が内層樹脂と外層樹脂との二つの異なる樹脂層よりな
り、前記内層樹脂のガラス転移温度（Ｔｇ）が、前記外
層樹脂のガラス転移温度よりも低いものとする。

【０００８】また、前記内層樹脂と前記外層樹脂とが同
一の樹脂主剤から成ることを特徴とするものとする。

【０００９】また、前記内層樹脂と前記外層樹脂とがい
ずれもエポキシ樹脂であることを特徴とするものとす
る。

【００１０】また、前記内層樹脂のガラス転移温度が室
温以上であることを特徴とするものとする。

【００１１】また、金属等よりなる液状樹脂の流路壁
と、前記流路内に設置されたインサート材と、からなる
樹脂モールド用金型において、前記樹脂流路内が薄い仕
切り壁によって、前記インサート材を含む内側部分と前
記流路壁に接する外側部分とに分けられており、液状樹
脂注入の際に、仕切り壁の内側の樹脂と外側の樹脂とが
混じりあわないようになっているものとする。

【００１２】また、前記樹脂モールド用金型を用いる樹
脂モールド方法において、仕切り壁の内側と外側にそれ
ぞれ異なる液状樹脂を流し込み、同時に硬化させて成型
するものとする。

【００１３】

【作用】この発明の構成は、モールド体の成型時にモー
ルド樹脂内にき裂を生ずる原因が、インサート材とモー
ルド樹脂との線膨張係数差とモールド樹脂の弾性定数に
よって生じる熱残留応力に起因し、しかも熱硬化性樹脂
の粘弾性特性により、熱硬化性樹脂内に熱応力が発生す
るのは樹脂が高温のゴム状態から低温のガラス状態に転
移するガラス転移温度（Ｔｇ）以下の温度領域に限られ
るという知見に基づいて得られたものである。すなわ
ち、ガラス転移温度（Ｔｇ）が外側樹脂層のそれより小
さい内側樹脂層をインサート材と外側樹脂層の両方に相
互に密着して形成したことにより、モールド樹脂内にき
裂を生じる原因となる樹脂層を、ガラス転移温度の低い
内側樹脂層に置き換えることができるので、モールド体
の成型時の熱残留応力を緩和することが可能となる。ま
た、内側樹脂層のガラス転移温度が下がることにより内
側樹脂層の冷却時の熱収縮量が増大し、インサート材の
小さい熱収縮量を補って外側樹脂層の熱収縮量に近付け
ることができるので、外側樹脂層内部の内側樹脂層との
界面に生じる成型時熱残留応力をも緩和することができ
る。結果として、モールド樹脂内の成型時のき裂発生を
回避して製造時不良を低減する効果が得られ、また、モ
ールド体の使用時の外力に対してき裂や変形を生じにく
くなる。また、モールド金型内に、内側樹脂層と外側樹
脂層とを分けるように薄い仕切り壁を設け、仕切り壁の
内側と外側にそれぞれ異なる樹脂を注入して同時に硬
化，成型することにより、内側樹脂層と外側樹脂層とを
１回の工程で成型することができ、工程の合理化ができ
る。

【００１４】

【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて説明する。
図１はこの発明の実施例になるモールドコイルを示す断
面図であり、図において、モールド樹脂２は、インサー
ト材１を覆うように構成された内層樹脂３と、内層樹脂
を覆うように構成された外層樹脂４とからなり、内層樹
脂には外層樹脂よりもガラス転移温度（Ｔｇ）が低い樹
脂を選択し使用する。ガラス転移温度の低い樹脂を選択
する方法には、樹脂主剤の化学組成（エポキシ樹脂，メ
ラミン樹脂，ポリエステル，ポリスチレン，メタクリル
酸メチル，フェノール樹脂等）の選択のほかに、硬化剤
（酸無水物，アミン，ポリアミド等），触媒の選択やそ
れらの混合比，モールド温度，モールド時間などのモー
ルド条件を変化させるなどの様々な方法がある。また、
上記の方法によって硬化樹脂のガラス転移温度を変化さ
せた場合、樹脂の機械強度や熱特性，絶縁特性などの他
の物性値も大きく変化することがあるため、これらの点
を総合的に判断してモールド条件を決定する必要があ
る。

【００１５】また、外層樹脂には、外部環境の高温条件
下でも、外力に対し変形しにくく、形状信頼性の高いモ
ールド構造物を得るために、比較的ガラス転移温度の高
い樹脂を用いる。

【００１６】外層樹脂のガラス転移温度は、使用環境下
での外部の温度条件によって樹脂が軟化し、形状の安定
性を失うことのないように、１２０℃から１５０℃程度
であることが望ましい。また、内層樹脂のガラス転移温
度は、使用時の内部導体の発熱によって軟化し、形状の
安定性を失うことのないように、十分高く、また、外層
樹脂のガラス転移温度よりも低く設定する。具体的に
は、内層樹脂のガラス転移温度は、８０℃から１００℃
程度であることが望ましい。

【００１７】内層樹脂，外層樹脂のモールド方法は、一
般には注入成型を用いる。最初に内部導体を注入成型に
よって内層樹脂でモールドし、その次に注入成型によっ
て外層樹脂でモールドする。この際、内層樹脂と外層樹
脂との間の接着性を高めるために、内層樹脂の表面はあ
らかじめサンドペーパ等を用いて粗面化処理を行った
り、カップリング剤を塗布するなどの表面処理を施して
おくことが望ましい。

【００１８】このような樹脂モールド体の内層樹脂の内
部導体との界面におけるモールド時残留応力を推定する
際、残留応力は、ガラス転移温度以下での温度変化に伴
う、導体−樹脂間の熱膨張係数差と樹脂のガラス弾性係
数に起因する熱応力であると仮定して計算を行うのが一
般的である。この場合、界面の残留応力σ_r は近似的に
以下の式で与えられる。

【００１９】σ_r∝Ｅ（Ｔｇ−Ｔｒ）（α₁−α₀） ただし、Ｅは樹脂の弾性率、Ｔｒはモールド終了後の樹
脂モールド体の温度（一般には室温）、Ｔｇは内層樹脂
のガラス転移温度、α₁ は内層樹脂の熱膨張係数、α₀
は内部導体の熱膨張係数である。図２は樹脂モールド体
の内層樹脂のモールド時残留応力と樹脂の熱膨張係数と
の関係を示したものである。図より、樹脂モールド体の
内層樹脂の内部導体との界面に発生するモールド時残留
応力を小さくするには、樹脂の熱膨張係数を内部導体程
度にまで小さくしてやれば良いことが分かる。樹脂の熱
膨張係数を小さくするには、モールド時に充填剤の比率
を高くしてやれば良いが、これは同時に硬化前樹脂の粘
度を高めることになり、注入成型では作業性の悪化につ
ながる。特に大型で複雑な金型形状を持つものについて
は、樹脂充填不十分につながる恐れがある。このため、
一般的には、樹脂の熱膨張係数は内部導体の熱膨張係数
よりも大きくなる。結果として、モールド樹脂の内部導
体との界面には、引っ張りの周方向応力が発生すること
となり、これが、モールド時の樹脂内き裂発生の原因と
なる。

【００２０】従って、モールド樹脂内の内部導体との界
面に発生する残留応力を低減するには、図３の様に樹脂
のガラス転移温度を小さくしてやれば良いことが分か
る。樹脂のガラス転移温度を低くすることにより、ガラ
ス転移温度以下でのインサート材と樹脂との収縮量差が
小さくなり、結果として内層樹脂内の内部導体との界面
に生じる引っ張りの周方向応力を低減させることができ
る。

【００２１】また、外層樹脂内部の内層樹脂との界面に
発生する引っ張りの周方向応力は、外層樹脂の比較的高
いガラス転移温度以下の領域での内層樹脂の見かけの収
縮量と、外層樹脂の収縮量との差に起因して生じる。但
し、内層樹脂の見かけの収縮量とは、内部導体の自由収
縮量と内層樹脂の自由収縮量とを足しあわせたものであ
る。ここで、内層樹脂のガラス転移温度が下がると、内
層樹脂の自由収縮量が増大する。このため、内層樹脂の
見かけの収縮量が増大し、外層樹脂の収縮量との差が小
さくなるため、外層樹脂内の内層樹脂との界面に生じる
引っ張りの周方向応力が低減する。つまり、内層樹脂の
高い熱収縮量がインサート材の低い熱収縮量を補って内
層樹脂の見かけの熱収縮量を外層樹脂の熱収縮量に近付
ける働きをするため、ガラス転移温度の高い外層樹脂内
部の残留応力は低下する。以上より、内層樹脂にガラス
転移温度の低い樹脂を用いることにより、ガラス転移温
度の比較的高い外層樹脂内の残留応力をも低減させるこ
とが可能であることが分かる。

【００２２】すなわち、熱膨張係数の小さい内部導体に
直接接する内層樹脂として、ガラス転移温度が低い樹脂
を用いることによって内層樹脂内の内部導体との界面に
発生する周方向の引っ張り応力を低減させ、また、内層
樹脂の熱収縮量が増大する効果により、外層樹脂内の内
層樹脂との界面に発生する周方向の引っ張り応力を低減
させることができる。結果として、樹脂内の引っ張り応
力が低減されて、樹脂内のき裂の発生を防ぐことができ
る。

【００２３】図４は本発明の異なる実施例を示す半導体
パッケージの断面図である。図において、内層樹脂３は
シリコン素子６と金属製リードフレーム７の外周を覆う
ように構成されており、外層樹脂４は内層樹脂３を覆う
ように構成されている。内層樹脂及び外層樹脂にはとも
にシリカを充填したエポキシ樹脂を使用する。内層樹脂
としては、比較的ガラス転移温度の低いエポキシ樹脂を
用いて、内層樹脂の、シリコン素子，リードフレームと
の界面に生じる残留応力を低減する。外層樹脂は、比較
的ガラス転移温度の高いエポキシ樹脂を用い、使用環境
下での外力に対する高い形状安定性を確保する。外層樹
脂のガラス転移温度は、半導体製品の信頼性試験条件等
を考慮して、１３０℃以上、理想的には１５０℃以上と
することが望ましい。一方、内層樹脂のガラス転移温度
は、素子表面の動作時の温度を考慮して、９０℃以上、
かつ、外層樹脂のガラス転移温度以下とする。具体的に
は、１００℃から１２０℃程度とすることが望ましい。

【００２４】図５は本発明の樹脂モールド体の製造に使
用するモールド金型を示す断面図である。図において、
金型８内部の樹脂流路１０はあらかじめ硬化剤を含浸さ
せたガラスクロス等の薄い仕切り壁９で区切られてい
て、仕切り壁の内側の樹脂と仕切り壁の外側の樹脂と
が、液状樹脂の注入の際に混じりあわないようになって
いる。図の様に構成された金型において、仕切り壁の内
側で、インサート材に直接接する側に硬化後のガラス転
移温度の低い内層樹脂を、仕切り壁の外側に硬化後のガ
ラス転移温度の比較的高い外層樹脂を注入し、昇温して
同時に硬化させる。このようにすることによって、モー
ルド工程のうちで多くの時間を占める、硬化，冷却の回
数を増やすことなく、本発明の実施例の樹脂モールド体
を成型することができる。なお、この際、仕切り壁の剛
性が高すぎると内層樹脂と仕切り壁との界面や、外層樹
脂と仕切り壁との界面に冷却時残留応力が発生する可能
性が有る。このため、できるだけ仕切り壁は剛性を低く
することが望ましい。

【００２５】

【発明の効果】本発明は前述のように、モールド樹脂層
を異なる樹脂硬化物からなる二層構造とし、内側の層を
構成する樹脂に、ガラス転移温度が外側の層を構成する
樹脂のガラス転移温度よりも低い樹脂を用いて構成し
た。その結果、樹脂モールド時のモールド樹脂内部のき
裂発生の原因となるインサート材とモールド樹脂層との
界面の熱残留応力を低減し、モールド時にモールド樹脂
層内部にき裂を発生しにくいモールドコイルを提供する
ことが可能となる。

【００２６】また、内側の層を構成する樹脂の自由収縮
量が大きくなるため、内層樹脂の見かけの熱収縮量が大
きくなって外層樹脂の熱収縮量に近づく効果により、外
層樹脂内部の内層樹脂との界面に生じるモールド時残留
応力をも低減することが可能となり、モールド時のモー
ルド樹脂層内部のき裂発生を回避することが可能とな
る。

【００２７】また、モールド金型内の樹脂流路を薄い仕
切り壁で仕切り、仕切り壁の内側と外側とにそれぞれ異
なる液状樹脂を注入し、同時に硬化，冷却することによ
って、内層樹脂と外層樹脂とを同時に構成することがで
きるので、製造工程を短縮し、製造効率を向上させるこ
とが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例のモールドコイルを示す断面
図。

【図２】樹脂モールド体の内層樹脂のモールド時残留応
力と樹脂の熱膨張係数との関係を示す説明図。

【図３】樹脂モールド体の内層樹脂のモールド時残留応
力と樹脂のガラス転移温度(Tg)との関係を示す説明図。

【図４】本発明の異なる実施例を示す半導体パッケージ
の断面図。

【図５】本発明の実施例によるモールド金型及びモール
ド方法を示す断面図。

【図６】従来技術により製造された磁気浮上列車用の地
上コイルを示す断面図。

【符号の説明】

１…インサート材、２…モールド樹脂、３…内層樹脂、
４…外層樹脂。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】金属あるいは無機物からなるインサート材
   と、前記インサート材の外周を、少なくともその一つの
   断面において全周にわたって覆っているモールド樹脂と
   からなる樹脂モールド体において、前記モールド樹脂が
   内層樹脂と外層樹脂との二層に分かれ、前記内層樹脂の
   ガラス転移温度が、前記外層樹脂のガラス転移温度より
   も低いことを特徴とする樹脂モールド体。
2. 【請求項２】請求項１において、前記内層樹脂と前記外
   層樹脂とが同一の樹脂主剤から成る樹脂モールド体。
3. 【請求項３】請求項１において、前記内層樹脂と前記外
   層樹脂とがいずれもエポキシ樹脂である樹脂モールド
   体。
4. 【請求項４】請求項１，２または３において、前記内層
   樹脂のガラス転移温度が室温以上である樹脂モールド
   体。
5. 【請求項５】金属あるいは無機物よりなる液状樹脂の流
   路壁と、前記流路内に設置されたインサート材とからな
   る樹脂モールド用金型において、前記樹脂流路内が薄い
   仕切り壁によって、前記インサート材を含む内側部分と
   前記流路壁に接する外側部分とに分けられており、液状
   樹脂注入の際に、仕切り壁の内側の樹脂と外側の樹脂と
   が混じりあわないようになっていることを特徴とする樹
   脂モールド用金型。
6. 【請求項６】請求項１，２，３，４または５において、
   前記樹脂モールド用金型に対し、仕切り壁の内側と外側
   に異なる液状樹脂を流し込み、内側の樹脂と外側の樹脂
   とを同時に硬化させて成型する樹脂モールド体を成型す
   るための樹脂モールド方法。