JP2019020389A - 熱硬化性樹脂の状態監視方法および状態監視システム - Google Patents

Abstract

【課題】硬化処理中に熱硬化性樹脂の架橋の状態を把握することを可能とする、熱硬化性樹脂の状態監視システムおよび状態監視方法を提供する。
【解決手段】熱硬化性樹脂の状態監視方法は、熱硬化性樹脂の硬化処理において、硬化処理中の熱硬化性樹脂の水分量を検出し、検出された水分量に基づいて、硬化処理中の熱硬化性樹脂の架橋の状態を把握する。硬化処理中に熱硬化性樹脂の水分量を検出することにより、熱硬化性樹脂の架橋の状態を把握することが可能となる。
【選択図】図３

Description

本発明は、熱硬化性樹脂の硬化処理中に架橋の状態を把握することを可能とする、熱硬化性樹脂の状態監視方法および状態監視システムに関する。

従来、熱硬化性樹脂は、電子材料の封止用樹脂などとして、各種の用途に適用されている（例えば、特許文献１参照）。一般的に熱硬化性樹脂は、硬化剤と樹脂の混合物が調製され、硬化装置で加熱処理されることで硬化し、作製される。熱硬化性樹脂は、適切な硬化処理によって架橋が進行し、目的とする物性（例えば、強度や耐熱性）を備えた樹脂硬化物となる。

樹脂硬化物の物性に関係する架橋密度は、硬化処理における加熱温度や反応時間などの硬化条件（温度プロファイル）によって変化する。硬化処理における温度プロファイルが適切でない場合、樹脂硬化物の架橋密度が不足し、機械的性質（強度、弾性率等）が低下する場合がある。例えば、ＬＥＤパッケージ（ＬＥＤ部品）であれば、経時劣化によりボンディングワイヤと封止樹脂との間に剥離が発生し、その間隙に水分が入り込む。

このようなＬＥＤパッケージをプリント基板樹脂に実装すると、リフローの温度により水蒸気爆発が起こり、断線する恐れがある。また、高温で長時間の加熱処理を行うことで封止樹脂自体が変色する場合があり、ＬＥＤパッケージであれば光透過性が損なわれて発光輝度が低下する原因となる。

特開２０１６−８８９７２号公報

このように、樹脂硬化物の硬化処理において適切な温度プロファイルを設定することは、目的とする樹脂硬化物の物性を得るうえでとても重要である。しかしながら、温度プロファイルを適切に設定する作業は容易ではない。

従来は、硬化処理試験によって試作品を製造し、得られた試作品に対して硬度測定、環境試験（ＨＡＳＴ（Ｈｉｇｈｌｙ Ａｃｃｅｌｅｒａｔｅｄ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ Ｈｕｍｉｄｉｔｙ Ｓｔｒｅｓｓ Ｔｅｓｔ）、温度サイクル試験等）を実施し、トライアンドエラーで温度プロファイルを決定していた。このような温度プロファイルの決定手順は煩雑であり、温度プロファイルの決定までに多大な時間を要していた。また、樹脂硬化物の架橋密度は、樹脂硬化物の物性に相関関係を有するが、架橋密度を直接測定することも困難であった。

本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、硬化処理中に熱硬化性樹脂の架橋の状態を把握することを可能とする、熱硬化性樹脂の状態監視システムおよび状態監視方法を提供することを目的とする。

本発明に係る熱硬化性樹脂の状態監視方法は、
熱硬化性樹脂の硬化処理において、硬化処理中の熱硬化性樹脂の水分量を検出し、前記検出された水分量に基づいて、前記硬化処理中の熱硬化性樹脂の架橋の状態を把握する、
熱硬化性樹脂の状態監視方法である。

本発明に係る熱硬化性樹脂の状態監視システムは、
硬化処理中の熱硬化性樹脂の水分量を検出する検出部と、
前記検出部で検出された水分量に基づいて、前記硬化処理中の熱硬化性樹脂の架橋の状態を算出する算出部と、
を含む、熱硬化性樹脂の状態監視システムである。

本発明によれば、硬化処理中に熱硬化性樹脂の水分量を検出することにより、熱硬化性樹脂の架橋の状態を把握することが可能となる。

ＬＥＤパッケージの断面図 硬化装置の概略を示す断面図 硬化処理制御システムの構成を示す概略図 硬化処理試験の試験結果を示す図 水分に基づいて硬化処理中の封止樹脂の架橋の状態を算出するフローを示す図 図４の試験結果をグラフ化し、架橋が安定する領域を示す図

以下、図面を参照し、本発明の実施形態に係る熱硬化性樹脂の状態監視システムを適用した硬化装置１００について説明する。

硬化装置１００は、ＬＥＤパッケージ製造におけるモールド工程に使用される装置を一例とするものであり、基板上に搭載されたＬＥＤ素子を封止するための熱硬化性樹脂に対して加熱処理を行う装置である。図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

なお、説明を分かりやすくするために、以下で参照する図面においては、構成が簡略化または模式化して示されたり、一部の構成部材が省略されたりしている。また、各図に示された構成部材間の寸法比は、必ずしも実際の寸法比を示すものではない。

［ＬＥＤパッケージ］
まず、完成品であるＬＥＤパッケージＰについて説明する。

図１は、ＬＥＤパッケージＰの断面図である。ＬＥＤパッケージＰは、例えば、各種の照明装置の光源となる白色光を照射する機能を有している。ＬＥＤパッケージＰは、基板１、ＬＥＤ実装部４、ＬＥＤ素子６、および封止樹脂８を有している。

基板１は、完成品であるＬＥＤパッケージＰのベースとなる部分である。製造工程においては、基板１が複数個作り込まれた多連型基板に、それぞれＬＥＤ実装部４が形成されている。ＬＥＤ実装部４は、ＬＥＤ素子６が実装されると共に、液状の封止樹脂８が塗布される部分である。ＬＥＤ実装部４には、平面視で円形や楕円形の環状堤を有するキャビティ形状の反射部７が設けられている。

ＬＥＤ素子６は、例えば青色ＬＥＤであり、各基板１の反射部７内に実装される。ＬＥＤ素子６の電極は、基板１の上面に形成された配線層２に対してボンディングワイヤ９によって接続される。

封止樹脂８は、ＬＥＤ素子６及びボンディングワイヤ９を保護する機能と、光を外部に取り出す機能を有している。このため、封止樹脂８は、光透過性が高く、熱や光で劣化しにくい特性が要求される。封止樹脂８は、例えばエポキシ樹脂やシリコン樹脂等の熱硬化性樹脂が用いられる。封止樹脂８は、液状の状態でＬＥＤ素子６を覆うように反射部７の内側に所定厚みで塗布され、硬化装置１００によって所定温度で所定時間加熱処理されることにより硬化される。封止樹脂８には、蛍光体が含まれている。

ＬＥＤ素子６が青色ＬＥＤである場合、青色と補色関係にある黄色の蛍光を発する蛍光体を含んだ封止樹脂８とを組み合わせることにより、擬似白色光を得ることができる。封止樹脂８の硬化処理後に多連型基板を基板１毎に切断することにより、ＬＥＤパッケージＰが完成する。

［硬化装置］
続いて、硬化装置１００について説明する。

図２は、硬化装置１００の概略を示す断面図である。図２に示すように、硬化装置１００は、加熱処理部１０、検出部３０、および制御部５０を備えている。

加熱処理部１０は、ＬＥＤ実装部４に液状の封止樹脂８（熱硬化性樹脂）を塗布した多連型基板（図１参照。以下、被処理物Ｗとする）に対して加熱処理を行い、封止樹脂８を硬化させる部分である。加熱処理部１０は、処理空間１２、および加熱ユニット１４を有している。

処理空間１２は、被処理物Ｗを収容すると共に、封止樹脂８を硬化処理する温度に温度制御されている密閉可能な空間である。処理空間１２には、加熱台１３が配置されており、加熱台１３に被処理物Ｗが載置されて加熱処理が行われる。

加熱ユニット１４は、処理空間１２の下部に配置されている。加熱ユニット１４は、ヒータ１５、ファン１６および温度センサ（図示せず）を備えている。ヒータ１５は処理空間１２を加熱する加熱手段であり、ファン１６は、加熱された雰囲気を処理空間１２内に循環させる送風手段である。加熱ユニット１４は、処理空間１２が所定の温度環境となるように制御部５０によって制御されている。

検出部３０は、加熱処理部１０内で硬化処理が行われている被処理物Ｗの状態に関する情報を検出する。具体的には、被処理物Ｗに塗布されている封止樹脂８に含まれている水分量を検出する。検出部３０は、硬化処理中の熱硬化性樹脂に含まれている水分量を継続して検出するセンサである。検出部３０は、例えば、マイクロ波水分センサを用いることができる。マイクロ波水分センサは、マイクロ波の到達時間が水分量に応じて遅延することを利用したセンサである。

制御部５０は、加熱ユニット１４を制御することにより、処理空間１２の加熱温度および反応時間を制御する。

［制御部］
図３は、硬化処理制御システム２００の構成を示す概略図である。

硬化処理制御システム２００は、硬化装置１００の硬化処理を制御するシステムである。図３では、硬化処理制御システム２００のうち、主に封止樹脂８（熱硬化性樹脂）の架橋の状態を把握するための構成を示している。硬化処理制御システム２００は、制御部５０および検出部３０を備えている。

検出部３０は、硬化処理中において、被処理物Ｗに塗布されている封止樹脂８に含まれている水分量を検出する。検出部３０からの検出信号は、制御部５０に入力される。制御部５０は、検出部３０からの検出信号に基づいて、封止樹脂８に含まれる水分量を算出する。

制御部５０は、メモリ５２、および架橋状態算出部５４を備えている。

メモリ５２は、熱硬化性樹脂の架橋の状態に関するデータを記憶している。メモリ５２には、架橋状態算出基準データＤＥ１が保存されている。架橋状態算出基準データＤＥ１には、例えば、硬化処理中の熱硬化性樹脂の水分量と、熱硬化性樹脂の架橋の状態に関する算出基準データが記録されている。

なお、熱硬化性樹脂の架橋の状態は直接測定することが困難であるが、本発明者らによる試験および研究により、架橋の状態と、熱硬化性樹脂のガラス転移点との間に相関関係があり、ガラス転移点と熱硬化性樹脂の水分量との間にも相関関係があるとの知見が得られた。このため、これらの関係から、硬化処理中の熱硬化性樹脂の水分量と、熱硬化性樹脂の架橋の状態との関係を導き出すことが可能である。

架橋状態算出部５４は、封止樹脂８に含まれる水分量、および架橋状態算出基準データＤＥ１に記憶されている、硬化処理中の熱硬化性樹脂の水分量と、熱硬化性樹脂の架橋の状態に関する算出基準データとに基づいて、硬化処理中の封止樹脂８の架橋の状態を算出する。

図４は、異なる加熱温度および反応時間で硬化処理試験を行った試験結果を示している。図４では、硬化条件（加熱温度、反応時間）、ガラス転移点温度、および水分量の関係と、ＨＡＳＴ試験および変色の有無についての試験結果が示されている。

図４に示すように、硬化条件、ガラス転移点、および水分量との間には、加熱温度が高く、かつ反応時間が長いほど、水分量が低くなり、ガラス転移点温度が上昇する傾向が示されている。また、ガラス転移点温度が比較的低く、かつ水分量が比較的多いほど、ＨＡＳＴ試験において不良率が上昇する傾向があるため、ガラス転移点温度が比較的低く、かつ水分量が比較的多いほど架橋密度が不足していることが推測される。

一方、ガラス転移点温度が比較的高く、かつ硬化時間が比較的長くなると、熱硬化性樹脂の変色が認められることも示される。図４のような試験結果を蓄積することにより、硬化処理中の熱硬化性樹脂の水分量と、熱硬化性樹脂の架橋の状態との関係を導き出すことが可能である。図６は、図４で示されるデータをグラフ化したものである。図６から、ガラス転移点１２０℃以上（１２５℃、３時間以上）で、水分量が０．０３〜０．０５％であると好適であることがわかる。

なお、熱硬化性樹脂のガラス転移点温度は、示差走査熱量計（ＤＳＣ）によって測定可能である。示差走査熱量計は、吸熱・発熱に伴う熱流の変化を検知して熱硬化樹脂の硬化反応を観測する装置である。

［架橋状態算出フロー］
図５は、封止樹脂８に含まれる水分に基づいて硬化処理中の封止樹脂８の架橋の状態を算出するフローを示す図である。

図５に示す架橋状態算出フローがスタートすると、まず、ステップＳＡ１で、制御部５０は、検出部３０からの検出信号に基づいて、封止樹脂８に含まれる水分量を算出する。

ステップＳＡ２では、架橋状態算出部５４は、メモリ５２に記憶されている架橋状態算出基準データＤＥ１を参照し、封止樹脂８に含まれる水分量に基づいて、硬化処理中の封止樹脂８の架橋の状態を算出して、フローを終了する。

以上説明した硬化装置１００によれば、硬化処理中に熱硬化性樹脂の水分量を検出することにより、熱硬化性樹脂の架橋の状態を把握することが可能となる。また、硬化処理中に熱硬化性樹脂の水分量を検出する工程と、検出された水分量に基づいて熱硬化性樹脂の架橋の状態を算出する工程、により、硬化処理中に熱硬化性樹脂の架橋の状態を把握することが可能となる。

硬化処理中に熱硬化性樹脂の水分量を検出部３０で検出し、検出された水分量に基づいて熱硬化性樹脂の架橋の状態を架橋状態算出部５４で算出することにより、硬化処理中に熱硬化性樹脂の架橋の状態を把握することが可能となる。

メモリ５２に記憶された熱硬化性樹脂の水分量と熱硬化性樹脂の架橋の状態との関係に基づいて、熱硬化性樹脂の架橋の状態を算出することにより、硬化処理中に熱硬化性樹脂の架橋の状態を把握することが可能となる。

［変形例］
本発明に係る熱硬化性樹脂の状態監視方法および状態監視システムは、上記説明した本実施形態に限定されるものではない。また、本発明を適用する硬化装置についても本実施形態に限定されない。

例えば、本実施形態の硬化装置では、封止樹脂８に含まれる水分量に基づいて、硬化処理中の封止樹脂８の架橋の状態を算出したが、算出された架橋の状態に基づいて、硬化処理における加熱温度や反応時間などの硬化条件（温度プロファイル）を制御しても良い。

具体的には、制御部５０は、検出部３０で検出された封止樹脂８に含まれる水分量に基づいて硬化処理中の封止樹脂８の架橋の状態を把握し、その封止樹脂８の架橋の状態に基づいて加熱ユニット１４を制御することにより、当該被処理物Ｗに対して適切な温度プロファイルで加熱処理を行う。

この場合、例えば、異なる種類のＬＥＤパッケージや、初めて加熱処理を行うＬＥＤパッケージであっても、事前に硬化条件を決定することなく、加熱処理中に温度プロファイルを制御することができ、最初から適切に硬化処理を行うことができる。

また、本実施形態では、バッチ式の硬化装置について説明したが、搬送しながら加熱する連続式の硬化装置であっても良い。連続式の硬化装置の場合、例えば、被処理物Ｗの封止樹脂８の状態に基づいて搬送速度を制御することにより、当該被処理物Ｗに対して適切な温度プロファイルで加熱処理を行うことが可能となる。

本実施形態は、封止樹脂８に含まれる水分量からガラス転移点を導き出してから、架橋の状態を把握したが、これに限定されるものではない。例えば、封止樹脂８に含まれる水分量から硬度を導き出してから、架橋の状態を把握してもよい。

以上、本発明の実施形態を説明したが、上述した実施形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。よって、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施形態を適宜変形して実施することが可能である。

本発明に係る熱硬化性樹脂の状態監視方法および状態監視システムは、熱硬化性樹脂の硬化処理に利用することができる。

１００ 硬化装置
１０ 加熱処理部
３０ 検出部
５０ 制御部

Claims (8)

1. 熱硬化性樹脂の硬化処理において、硬化処理中の熱硬化性樹脂の水分量を検出し、前記検出された水分量に基づいて、前記硬化処理中の熱硬化性樹脂の架橋の状態を把握する、
   熱硬化性樹脂の状態監視方法。
2. 熱硬化性樹脂の硬化処理において、
   硬化処理中の熱硬化性樹脂の水分量を検出する工程と、
   前記検出された水分量に基づいて、前記硬化処理中の熱硬化性樹脂の架橋の状態を算出する工程と、
   を含む、熱硬化性樹脂の状態監視方法。
3. 前記熱硬化性樹脂の水分量は、０．０３〜０．０５％である、請求項１又は２に記載の熱硬化性樹脂の状態監視方法。
4. 熱硬化性樹脂の硬化処理において、前記熱硬化性樹脂のガラス転移点が１２０℃以上である、請求項２又は３に記載の熱硬化性樹脂の状態監視方法。
5. 硬化処理中の熱硬化性樹脂の水分量を検出する検出部と、
   前記検出部で検出された水分量に基づいて、前記硬化処理中の熱硬化性樹脂の架橋の状態を算出する算出部と、
   を含む、熱硬化性樹脂の状態監視システム。
6. 熱硬化性樹脂の水分量と、熱硬化性樹脂の架橋の状態との関係を記憶する記憶部をさらに有し、
   前記算出部は、
   前記検出部で検出された水分量、および前記記憶部に記憶された熱硬化性樹脂の水分量と熱硬化性樹脂の架橋の状態との関係に基づいて、前記硬化処理中の熱硬化性樹脂の架橋の状態を算出する、
   請求項５に記載の熱硬化性樹脂の状態監視システム。
7. 前記熱硬化性樹脂の水分量は、０．０３〜０．０５％である、請求項５又は６に記載の熱硬化性樹脂の状態監視方法。
8. 硬化処理中の熱硬化性樹脂のガラス転移点が１２０℃以上である、請求項６又は７に記載の熱硬化性樹脂の状態監視方法。