特開 2024-33450 熱硬化性樹脂の成形プロセスの解析方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024033450

(43)【公開日】2024-03-13

(54)【発明の名称】熱硬化性樹脂の成形プロセスの解析方法

(51)【国際特許分類】

   B29C 45/76 20060101AFI20240306BHJP

   G06F 30/28 20200101ALI20240306BHJP

   B29C 45/02 20060101ALI20240306BHJP

   B29C 45/14 20060101ALI20240306BHJP

   G06F 30/20 20200101ALI20240306BHJP

   B29K 101/10 20060101ALN20240306BHJP

【ＦＩ】

B29C45/76

G06F30/28

B29C45/02

B29C45/14

G06F30/20

B29K101:10

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022137027

(22)【出願日】2022-08-30

(71)【出願人】

【識別番号】000233273

【氏名又は名称】株式会社 日立パワーデバイス

(74)【代理人】

【識別番号】110000350

【氏名又は名称】ポレール弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】河野 務

(72)【発明者】

【氏名】串間 宇幸

(72)【発明者】

【氏名】森川 貴博

【テーマコード（参考）】

4F206

5B146

【Ｆターム（参考）】

4F206AA36

4F206AH33

4F206AM23

4F206AM32

4F206AR12

4F206AR20

4F206JA02

4F206JL09

4F206JM05

4F206JN43

4F206JP11

4F206JP21

4F206JP30

5B146AA06

5B146DJ03

5B146DJ07

5B146DJ14

(57)【要約】

【課題】
熱硬化性樹脂の成形プロセスに起因する不良要因の解析方法において、短期間で簡便に、線硬化収縮ひずみと線膨張ひずみのいずれが主要因であるかを評価するための情報を出力する熱硬化性樹脂の成形プロセスの解析方法を提供する。
【解決手段】
熱硬化性樹脂の成形プロセスの解析方法において、熱硬化性樹脂の反応率の変化に基づいて前記熱硬化性樹脂の線硬化収縮ひずみε１を算出する第１の算出工程と、熱硬化性樹脂の温度の変化に基づいて前記熱硬化性樹脂の線膨張ひずみε２を算出する第２の算出工程と、前記熱硬化性樹脂の線膨張ひずみε２と他の部品の線膨張ひずみとの間の線膨張ひずみ差Δε２を算出する第３の算出工程と、前記線硬化収縮ひずみε１と前記線膨張ひずみ差Δε２とを出力する第１の出力工程と、を有することを特徴とする。
【選択図】 図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

熱硬化性樹脂の成形プロセスの解析方法において、
熱硬化性樹脂の反応率の変化に基づいて前記熱硬化性樹脂の線硬化収縮ひずみε１を算出する第１の算出工程と、
熱硬化性樹脂の温度の変化に基づいて前記熱硬化性樹脂の線膨張ひずみε２を算出する第２の算出工程と、
前記熱硬化性樹脂の線膨張ひずみε２と他の部品の線膨張ひずみとの間の線膨張ひずみ差Δε２を算出する第３の算出工程と、
前記線硬化収縮ひずみε１と前記線膨張ひずみ差Δε２とを出力する第１の出力工程と、
を有することを特徴とする熱硬化性樹脂の成形プロセスの解析方法。

【請求項2】

請求項１に記載の熱硬化性樹脂の成形プロセスの解析方法において、
前記線硬化収縮ひずみε１と前記線膨張ひずみ差Δε２とを並べて表示する第２の出力工程を有することを特徴とする熱硬化性樹脂の成形プロセスの解析方法。

【請求項3】

請求項２に記載の熱硬化性樹脂の成形プロセスの解析方法において、
前記線硬化収縮ひずみε１と前記線膨張ひずみ差Δε２との和、差、比の何れかを算出する第４の算出工程と、
前記第４の算出工程で算出された結果を出力する第３の出力工程と、
を有することを特徴とする熱硬化性樹脂の成形プロセスの解析方法。

【請求項4】

請求項３に記載の熱硬化性樹脂の成形プロセスの解析方法において、
前記第４の算出工程で算出された結果に基づいて、前記線硬化収縮ひずみε１と前記線膨張ひずみ差Δε２のうち何れが前記熱硬化性樹脂と前記他の部品との間の剥離またはクラックの主要因であるかを評価する第１の評価工程を有することを特徴とする熱硬化性樹脂の成形プロセスの解析方法。

【請求項5】

請求項４に記載の熱硬化性樹脂の成形プロセスの解析方法において、
データベースに予め入力した熱硬化性樹脂の剥離発生ひずみと、前記第４の算出工程で算出された結果とに基づいて、前記熱硬化性樹脂と前記他の部品との間の剥離の発生を評価する第２の評価工程を有することを特徴とする熱硬化性樹脂の成形プロセスの解析方法。

【請求項6】

請求項４に記載の熱硬化性樹脂の成形プロセスの解析方法において、
前記第１の評価工程での評価結果に基づいて、成形品の形状、前記成形プロセスで使用する金型形状、前記熱硬化性樹脂の樹脂材料、成形プロセス条件の少なくともいずれかを決定することを特徴とする熱硬化性樹脂の成形プロセスの解析方法。

【請求項7】

請求項５に記載の熱硬化性樹脂の成形プロセスの解析方法において、
前記第２の評価工程での評価結果に基づいて、成形品の形状、前記成形プロセスで使用する金型形状、前記熱硬化性樹脂の樹脂材料、成形プロセス条件の少なくともいずれかを決定することを特徴とする熱硬化性樹脂の成形プロセスの解析方法。

【請求項8】

請求項１から７のいずれか１項に記載の熱硬化性樹脂の成形プロセスの解析方法において、
前記熱硬化性樹脂は、パワー半導体モジュールのモールド樹脂であることを特徴とする熱硬化性樹脂の成形プロセスの解析方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、熱硬化性樹脂の成形プロセスに起因する不良要因の解析方法に係り、特に、高信頼性が要求されるパワー半導体モジュールのモールド樹脂の剥離及びクラックの要因特定に適用して有効な技術に関する。

【背景技術】

【0002】

溶融した樹脂を金型内のキャビティに充填し硬化させるトランスファーモールドは、生産性に優れており、従来から半導体などの電子部品の樹脂封止に広く用いられている。

【0003】

金型内に充填された熱硬化性樹脂は、金型からの伝熱と樹脂の自己発熱によって樹脂温度が変化し、液体から固体へと相変化する。この樹脂温度変化と相変化によって樹脂の収縮ひずみが生じる。樹脂の収縮ひずみが大きい場合には、金型からの離型後に反り変形が発生したり、樹脂と部品を一体化して成形する際には、樹脂の収縮によって樹脂と部品間に剥離が発生したり、樹脂や部品が割れるクラックなどの問題が生じる。

【0004】

液体から固体への相変化に伴う収縮は、樹脂の発熱変化に伴う反応率を含む関数で表され、樹脂温度の変化に伴う収縮は、線膨張係数と樹脂温度変化を含む関数で表される。樹脂材料及び樹脂材料と一体成形した部品の反り変形、剥離や割れを防止するには、金型からの伝熱と樹脂の発熱反応による樹脂温度の変化、樹脂の熱履歴による反応率の変化を考慮した樹脂材料の収縮ひずみの評価により、収縮ひずみの値を低減することが必要となる。

【0005】

熱硬化性樹脂材料の流動と収縮ひずみの計算方法に関する従来技術として、例えば、特許文献１が挙げられる。特許文献１は、流体計算において、熱硬化性樹脂の収縮ひずみの変化を、熱応力解析の境界条件として利用し、収縮ひずみに伴う応力の計算を処理させることを特徴とする解析プログラムの発明である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１２－１０１４４８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

熱硬化性樹脂は、樹脂の発熱反応によって、分子同士の３次元的な架橋が生じる。このため、温度に対して状態が不可逆であり、樹脂の発熱反応が終了すると、温度を高くしても液体の状態には戻らない。つまり、発熱反応に伴う収縮ひずみである線硬化収縮ひずみは、樹脂の発熱反応が終了するまでの製造プロセスにおいてのみ変化する。一方、材料の線膨張係数に起因する線膨張ひずみは、温度変化が生じる製造プロセスと製品環境で変化する。

【0008】

熱硬化性樹脂の製造プロセスにおける収縮ひずみによって生じる応力を評価するには、上記特許文献１のように、流体解析で算出した反応率によって生じる線硬化収縮ひずみを熱応力解析の境界条件として利用している。

【0009】

しかし、流体解析で算出したデータを熱応力解析の境界条件として変換することは、市販ソフトを使用する場合にはソフト同士のバージョンによって変換内容を変える必要があるなど作業負荷が高いことに加えて、変換と解析に時間が掛かる問題があった。

【0010】

よって、熱応力解析へのデータ変換を行わずに流体解析だけで、線硬化収縮ひずみに加えて、樹脂と樹脂に接触する部品の線膨張ひずみの差を出力し、剥離などの不良が発生する場合に線硬化収縮ひずみと線膨張ひずみのどちらが主原因になっているかを簡便に評価し、短期間で製品形状や使用する樹脂材料などを決定することが求められている。

【0011】

さらに、流体解析だけで樹脂と部品との剥離の有無を評価することも求められている。

【0012】

そこで、本発明の目的は、熱硬化性樹脂の成形プロセスに起因する不良要因の解析方法において、短期間で簡便に、線硬化収縮ひずみと線膨張ひずみのいずれが主要因であるかを評価するための情報を出力する熱硬化性樹脂の成形プロセスの解析方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0013】

上記課題を解決するために、本発明は、熱硬化性樹脂の成形プロセスの解析方法において、熱硬化性樹脂の反応率の変化に基づいて前記熱硬化性樹脂の線硬化収縮ひずみε１を算出する第１の算出工程と、熱硬化性樹脂の温度の変化に基づいて前記熱硬化性樹脂の線膨張ひずみε２を算出する第２の算出工程と、前記熱硬化性樹脂の線膨張ひずみε２と他の部品の線膨張ひずみとの間の線膨張ひずみ差Δε２を算出する第３の算出工程と、前記線硬化収縮ひずみε１と前記線膨張ひずみ差Δε２とを出力する第１の出力工程と、を有することを特徴とする。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、熱硬化性樹脂の成形プロセスに起因する不良要因の解析方法において、短期間で簡便に、線硬化収縮ひずみと線膨張ひずみのいずれが主要因であるかを評価するための情報を出力する熱硬化性樹脂の成形プロセスの解析方法を実現することができる。

【0015】

これにより、封止樹脂の剥離やクラックが生じないよう設計方法及び製造方法を最適化することができ、パワー半導体モジュールの信頼性向上に寄与できる。

【0016】

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1A】本発明の一実施形態に係る熱硬化性樹脂の成形プロセスにおける樹脂充填前の様子を示す断面図である。

【図1B】本発明の一実施形態に係る熱硬化性樹脂の成形プロセスにおける樹脂離型後の様子を示す断面図である。

【図2】本発明の一実施形態に係る解析システムの概略構成を示す図である。

【図3】本発明の一実施形態に係る解析方法を示すフローチャートである。

【図4】本発明の一実施形態に係る熱硬化性樹脂の解析モデルを示す図である。

【図5】図４の評価点における解析結果を示す図である。

【図6】図４の評価点における解析結果を示す図である。

【図7】図４の評価点における解析結果を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。なお、各図面において同一の構成については同一の符号を付し、重複する部分についてはその詳細な説明は省略する。

【実施例0019】

図１Ａから図７を参照して、本発明の実施例１に係る熱硬化性樹脂の成形プロセスの解析方法について説明する。

【0020】

先ず、図１Ａ及び図１Ｂを用いて、本発明の対象となる熱硬化性樹脂の成形プロセスを説明する。図１Ａ及び図１Ｂは、いずれも熱硬化性樹脂の成形プロセスにおける工程の一部を示す断面図であり、それぞれ金型への樹脂充填前、樹脂離型後の様子を示している。

【0021】

図１Ａに示すように、金型１内の空間（キャビティ）４に部品５，６が予め配置されており、空間４に熱硬化性樹脂材料２を樹脂の流入口であるゲート３から充填し、部品５，６を熱硬化性樹脂材料２で一体化して成形する。このとき、熱硬化性樹脂材料２は、金型１から伝熱され、反応率の上昇に伴う線硬化収縮ひずみによって収縮する。

【0022】

ここで、部品５は、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などのパワー半導体チップであり、部品６は、例えば部品５が実装された回路基板などである。また、熱硬化性樹脂材料２には、例えばエポキシやフェノールなどの熱硬化性樹脂を用いる。

【0023】

図１Ｂに示すように、空間４に充填された熱硬化性樹脂材料２を発熱反応で固化させた後、上下方向に金型１を分割して、熱硬化性樹脂材料２で封止された部品５，６からなる製品（成形品）を離型する。このとき、熱硬化性樹脂材料２と部品５，６は金型１の高い温度から室温まで冷却されるため、各材料の線膨張係数に応じた線膨張ひずみによって収縮する。

【0024】

上記の線硬化収縮ひずみと線膨張ひずみは、熱硬化性樹脂材料２のクラックや、熱硬化性樹脂材料２と部品５，６との剥離など不良の要因となる。このため、これらの不良要因の解析に基づいて、製品形状、金型形状、使用する樹脂材料、金型温度などの成形プロセス条件を決めることが、コスト低減、開発期間短縮を実現する上で必要となる。

【0025】

次に、図２を用いて、収縮ひずみの解析を実施するための解析システムについて説明する。図２は、本実施例の解析システムの概略構成を示す図である。

【0026】

本実施例の解析システムは、図２に示すハードウェア構成で、後述する図３に示すフローチャートの動作を行うための解析プログラムなどのソフトウェアが実行されることにより機能する。

【0027】

図２に示すように、本実施例の解析システムは、ＨＤＤ（ハード・ディスク・ドライブ）やＳＳＤ（ソリッド・ステート・ドライブ）などの記憶装置１０、及びＣＤやＤＶＤ，ブルーレイなどの光ディスクを備えた計算装置７から構成されている。

【0028】

計算装置７は、表示装置９を備えており、複数の計算装置を繋ぐＬＡＮ８に接続されている。

【0029】

別の計算装置１１で作成したＣＡＤデータを、ＬＡＮ８を介して計算装置７に転送するように構成しても良い。計算装置７に転送されたＣＡＤデータを、記憶装置１０に記録して利用することもできる。

【0030】

計算装置７は、後述する図３で示すフローチャートに従って熱硬化性樹脂の成形プロセスの解析を実行し、結果を記憶装置１０に記録した後、表示装置９に結果を表示する。

【0031】

なお、図示していないが、計算装置７及び計算装置１１は、キーボードやマウス等の入力装置を備えている。

【0032】

次に、図３を用いて、本実施例の収縮ひずみの解析方法について説明する。図３は、本実施例の解析方法を示すフローチャートであり、図２に示す計算装置７上で、解析プログラムなどが実行されることでその処理が行われる。

【0033】

ステップＳ１００において、解析処理が開始すると、先ず、ステップＳ１０１において、入力装置を介してオペレータによって入力された情報に基づいて、特定された解析対象モデル、つまり、熱硬化性樹脂材料２が充填される金型１内の空間４の形状、部品５，６の形状、金型１の形状のデータを記憶装置１０から読み出す。

【0034】

次に、ステップＳ１０２において、ステップＳ１１２で物性ＤＢ（データ・ベース）に入力した熱硬化性樹脂材料毎の密度、比熱、熱伝導率などの物性データを記憶装置１０から読み出す。

【0035】

次に、ステップＳ１０３において、オペレータが温度や速度などの熱硬化性樹脂の成形に必要な成形条件のデータを入力装置から入力する。

【0036】

次に、ステップＳ１０４において、ステップＳ１０１で読み込んだ製品形状及び金型形状のデータを複数の特定空間（３次元ソリッドの有限要素）に分解し、有限要素の形状データを作成する。

【0037】

次に、ステップＳ１０５～ステップＳ１０９において、流体計算により熱硬化性樹脂材料の反応率や温度変化に伴う樹脂ひずみの算出を行う。

【0038】

ステップＳ１０５においては、以下の式（１）～式（３）に示す流体解析の基礎式である連続の式、ナビエストークスの式、エネルギ保存式を用いて熱硬化性樹脂の速度、圧力、温度などの計算を行う。

【0039】

【数1】

【0040】

【数2】

【0041】

【数3】

【0042】

ここで、ρ：密度，t：時間，Ｐ：圧力，u：流速，Ｃ：比熱，g：重力加速度，γ：せん断速度，Ｔ：温度，λ：熱伝導率，η：粘度（せん断），dQ/dt：発熱速度を示す。

【0043】

式（３）で示した熱硬化性樹脂の温度は、式（４）～式（８）で示す熱硬化性樹脂の発熱反応によって変化する。

【0044】

【数4】

【0045】

【数5】

【0046】

【数6】

【0047】

【数7】

【0048】

【数8】

【0049】

ここで、Ａ：反応率，t：時間，Ｔ:温度，dA/dt：反応速度，K1，K2：温度の関数となる係数，［N，M，Ka，Ea，Kb，Eb］：材料固有の係数，Ｑ：任意時刻までの発熱量，dQ/dt：発熱反応速度、Q₀：反応終了時までの総発熱量を示す。

【0050】

また、熱硬化性樹脂の粘度ηは、以下の式（９）～式（１１）に示す温度，せん断速度，樹脂反応率を含む関数によって変化する。

【0051】

【数9】

【0052】

【数10】

【0053】

【数11】

【0054】

ここで、η：粘度，Agel：ゲル化時の反応率，η₀：初期粘度，γ：せん断速度，［τ，D，E，n，F，G］：材料固有の係数を示す。

【0055】

熱硬化性樹脂のひずみの第１の算出工程として、ステップＳ１０６において、以上で算出した内容により、式（１２）を用いて熱硬化性樹脂の線硬化収縮ひずみε１を算出する。

【0056】

【数12】

【0057】

ここで、ψ：線硬化収縮係数を表す。

【0058】

なお、ここで示すようにε１の式は、線硬化収縮係数と反応率差を含む式とし、この式に圧力や温度が含まれていても良いものとする。

【0059】

熱硬化性樹脂のひずみの第２の算出工程として、ステップＳ１０７において、以上で算出した内容により、式（１３）を用いて熱硬化性樹脂の線膨張係数と温度変化による線膨張ひずみε２を算出する。

【0060】

【数13】

【0061】

さらに、熱硬化性樹脂のひずみの第３の算出工程として、ステップＳ１０８において、線膨張ひずみ差Δε２として、式（１４）を用いて成形プロセスにおける熱硬化性樹脂の線膨張ひずみε２と熱硬化性樹脂と一体化して成形する部品５，６の線膨張ひずみの差を算出する。

【0062】

【数14】

【0063】

ここで、αR：熱硬化性樹脂の線膨張係数、αC：熱硬化性樹脂と一体成形される部品の線膨張係数を表す。線膨張係数は温度依存性の式としても良い。

【0064】

なお、熱硬化性樹脂と接して一体成形される部品が複数ある場合には、複数部品それぞれの線膨張係数で個別に評価したり、複数部品の接触面積による荷重平均の線膨張係数や複数部品の平均の線膨張係数を用いて評価することができる。

【0065】

次に、熱硬化性樹脂のひずみの第４の算出工程として、ステップＳ１０９において、ε１とΔε２との和、差、比の何れかを算出する。

【0066】

以上で示した式（１）～式（１４）の係数は、ステップＳ１０２で選択する熱硬化性樹脂材料と関連してステップＳ１１２の物性ＤＢに保存されたデータから入力されるものとし、オペレータが係数を入力しても良いものとする。

【0067】

次に、ステップＳ１１０において、以上のフローで算出した任意の結果を出力する。この結果出力には、線硬化収縮ひずみε１と線膨張ひずみ差Δε２とを出力する第１の出力工程、線硬化収縮ひずみε１と線膨張ひずみ差Δε２とを並べて表示する第２の出力工程、ε１とΔε２との和、差、比の何れかを出力する第３の出力工程を含むものとする。

【0068】

次に、ステップＳ１１１において、ステップＳ１０５～ステップＳ１０９で算出され、ステップＳ１１０で出力された結果出力の内容に基づいて評価・判定を行う。これは、第４の算出工程（ステップＳ１０９）の結果に基づいて、線硬化収縮ひずみε１と線膨張ひずみ差Δε２とのうち何れが熱硬化性樹脂と他の部品との間の剥離またはクラックの主要因であるかを評価する第１の評価工程、またはステップＳ１１２の物性ＤＢに予め入力した熱硬化性樹脂の剥離発生ひずみと、第４の算出工程（ステップＳ１０９）で算出された結果に基づいて、熱硬化性樹脂と他の部品との間の剥離の発生を評価する第２の評価工程を含むものとする。

【0069】

ステップＳ１１１において、上記の第１の評価工程または第２の評価工程の評価・判定を実行できた場合（ＹＥＳ）、ステップＳ１１３に進み、解析処理を終了する。一方、第１の評価工程または第２の評価工程の評価・判定を実行できない場合（ＮＯ）は、ステップＳ１０１～ステップＳ１０３に戻り、ステップＳ１０１～ステップＳ１０３以降の処理を繰り返す。

【0070】

以上の評価工程によって、製品形状、樹脂充填位置（ゲート位置）などの金型形状、使用する熱硬化性樹脂材料、金型温度、初期の樹脂温度などの成形プロセス条件を決定したり、適正化する解析方法を実現することができる。さらに、この解析方法を用いた製品設計方法・製造方法を実現することができる。

【0071】

なお、熱硬化性樹脂の発熱反応を示す発熱式は、式（４）～式（８）に限定されるものではなく、熱硬化性樹脂材料２の反応率を含む任意の関数を用いることができる。

【0072】

また、熱硬化性樹脂の粘度を示す粘度式は、式（９）～式（１１）に限定されるものではなく、熱硬化性樹脂材料２の温度または反応率を含む任意の関数を用いることができる。

【0073】

また、熱硬化性樹脂の収縮ひずみを算出する式（１２）～式（１４）は、熱硬化性樹脂材料２の圧力と温度を含む任意の式を用いることができるものとする。

【0074】

また、３次元の解析だけではなく、２次元の解析もできるものとする。

【0075】

なお、以上の計算は、有限要素法または有限体積法または有限差分法を用いた流体解析で計算を行えるものとする。

【0076】

次に、図４から図７を用いて、本実施例の熱硬化性樹脂の成形プロセスの解析方法を用いた樹脂ひずみの解析事例について説明する。

【0077】

図４は、樹脂ひずみ解析に用いた熱硬化性樹脂の解析モデルを示す図である。図４には、肉厚方向の情報としてA-A’断面についても示している。部品５の寸法は、X,Y,Z方向において24mm×24mm×1mm、部品６の寸法は、X,Y,Z方向において72mm×72mm×0.5mm、熱硬化性樹脂材料２の寸法は、X,Y,Z方向において72mm×72mm×3mmである。これは、図１Ａ及び図１Ｂに示した金型１内に、部品５，６を予め設置し、熱硬化性樹脂材料２の注入口であるゲート３から熱硬化性樹脂材料２を金型１の空間４へ充填して製造された成形品である。なお、ゲート３は、成形品の熱硬化性樹脂材料２のXマイナス方向に肉厚0.5mmで設置した。

【0078】

成形条件として、ゲート３から充填する熱硬化性樹脂材料２の初期温度は140℃、金型１の温度は175℃で一定、部品５，６の初期温度は175℃とする。また、熱硬化性樹脂材料２の金型１への充填時間は10s、充填後の金型１における熱硬化性樹脂材料２のキュア時間（保持時間）は90sとし、その後、図１Ｂに示したように、金型１から成形品を離型し、空冷で室温まで冷却する条件とした。

【0079】

解析に用いた熱硬化性樹脂材料２は、エポキシ樹脂であり、シリカなどのフィラーを充填することができる材料とする。式（４）～式（８）の係数を表１に、式（９）～式（１１）の係数を表２に示す。

【0080】

【表1】

【0081】

【表2】

【0082】

また、式（１２）の線硬化収縮係数ψ＝-4.68とした。式（１２），式（１３）の線膨張係数について、熱硬化性樹脂材料２は、線膨張係数αR＝10E-6(1/K)、部品５，６は同一物性値とし、線膨張係数αC＝7E-6(1/K)とした。また、熱硬化性樹脂材料２は、密度1900 kg/m3、比熱1000 J/(kg・K)、熱伝導率0.9 W/(m・K)とし、部品５，６は、密度3400 kg/m3、比熱720 J/(kg・K)、熱伝導率150 W/(m・K)とした。

【0083】

ここで、図４のA-A’断面におけるX方向の中央、熱硬化性樹脂材料２の肉厚方向の中央における評価点において、樹脂反応率、樹脂温度の変化に伴う樹脂のひずみを結果として出力した。

【0084】

図５は、図４に示した評価点における出力として、熱硬化性樹脂材料２の樹脂温度と樹脂ひずみ（線硬化収縮ひずみε１、線膨張ひずみε２）の時間変化を示す。金型１内に充填された熱硬化性樹脂材料２は、金型１からの伝熱と樹脂の自己発熱により、金型温度の175℃まで昇温され、金型１内で100sまでキュア（保持）される。

【0085】

このキュア工程で、樹脂の反応が進み、式（１２）により算出する線硬化収縮ひずみε１の値が減少（樹脂収縮量が増加）する。このキュア工程においては、樹脂温度は175℃で一定であるので、式（１３）により算出する線膨張ひずみε２は変化せず一定となる。

【0086】

100sにおいて、図１Ｂに示したように金型１から成形品を離型して室温まで冷却する。このとき、金型１から熱硬化性樹脂材料２への伝熱が無くなるので、線硬化収縮ひずみε１はほぼ変化しない。一方、線膨張ひずみε２は、熱硬化性樹脂材料２の冷却に伴う温度の低下により、樹脂ひずみが減少（樹脂収縮量が増加）する。

【0087】

図６は、図４に示した評価点における第１、第２の出力工程として、熱硬化性樹脂材料２の樹脂反応率と線硬化収縮ひずみε１、熱硬化性樹脂材料２と部品５，６との線膨張ひずみ差Δε２の時間変化を示す。ここで、式（１３）により算出する線膨張ひずみε２は、熱硬化性樹脂材料２と部品５，６の線膨張係数の差が大きいときに、界面に発生する応力が大きくなる。この熱硬化性樹脂材料２と部品５，６の線膨張係数の差を評価するために、式（１４）により線膨張ひずみ差Δε２を算出するものとする。

【0088】

金型１内に充填された熱硬化性樹脂材料２は、金型１からの伝熱と樹脂の自己発熱により、金型温度の175℃に昇温され、金型１内で100sまでキュア（保持）される。このキュア工程で、樹脂の反応率が大きくなり、式（１２）により算出する線硬化収縮ひずみε１の値が減少（樹脂収縮量が増加）する。このキュア工程においては、樹脂温度は175℃で一定であるので、式（１３）により算出する線膨張ひずみε２、及び式（１４）により算出する線膨張ひずみ差Δε２は変化せず一定となる。

【0089】

100sにおいて、図１Ｂに示したように金型１から成形品を離型して室温まで冷却する。このとき、金型１から熱硬化性樹脂材料２への伝熱が無くなり、反応率がほぼ一定となるので、線硬化収縮ひずみε１はほぼ変化しない。

【0090】

一方、熱硬化性樹脂材料２の線膨張ひずみε２については、離型後の室温までの温度低下により樹脂ひずみが減少（樹脂収縮量が増加）する。このとき、上記したように、線膨張係数は熱硬化性樹脂材料２が部品５，６よりも大きい設定値を用いているので、離型後の温度低下に伴う線膨張ひずみ差Δε２はマイナス方向（樹脂側に反り変形を生じる方向）に生じる。

【0091】

ここでは、線硬化収縮ひずみε１と線膨張ひずみ差Δε２をグラフ上で並べて出力する例を示したが、ε１とΔε２を別々に出力することもできるものとする。また、解析結果として、任意時間におけるε１とΔε２の３次元結果や２次元の断面の結果を出力することもできるものとする。

【0092】

図７は、線硬化収縮ひずみε１と線膨張ひずみ差Δε２との和、差、比の何れかを算出し出力する第３の出力工程の一例として、ε１とΔε２との和と差の時間変化を示す。

【0093】

ここで示したε１とΔε２との差や、図示していないがε１とΔε２との比の出力により、線硬化収縮ひずみε１と線膨張ひずみ差Δε２のどちらが剥離やクラック発生の主要因になる可能性があるかを評価することができる（第１の評価工程）。

【0094】

また、解析結果として、任意時間におけるε１とΔε２の和、差、比について３次元結果や２次元の断面の結果を出力することもできるものとする。

【0095】

ここで、ε１とΔε２の和は、樹脂に加わるひずみの総量を示す。つまり、ε１とΔε２の和の出力を、前記した図３のステップＳ１１２の物性ＤＢに入力した剥離発生ひずみの値と比較することにより、剥離の有無を評価することができる（第二の評価工程）。

【0096】

これらの評価により、熱硬化性樹脂材料２の線硬化収縮ひずみε１と線膨張ひずみ差Δε２の和が大きい部分と部品５，６の接触面積を小さくしたりすることで製品形状を決めたり、金型１内に熱硬化性樹脂材料２を注入するゲート３の位置などの金型形状を決めたりすることができる。

【0097】

また、ε１とΔε２との和を低減できるように金型温度、樹脂の初期温度などの成形条件を決めたり、ε１とΔε２との和を低減できるように線膨張係数や線硬化収縮係数の値によって熱硬化性樹脂材料２を決めたりすることができる。

【0098】

また、解析によってε１とΔε２との和が剥離発生ひずみを超えないように製品形状や金型形状の設計方法を決めたり、金型温度などの製造方法を決めたりすることができる。

【0099】

以上説明したように、本発明の熱硬化性樹脂の成形プロセスの解析方法によれば、熱応力解析へのデータ変換を行わずに、流体解析だけで線硬化収縮ひずみに加えて、樹脂と樹脂に接触する部品の線膨張ひずみの差や和を出力し、剥離などの不良が発生する場合に線硬化収縮ひずみと線膨張ひずみのどちらが主要因になっているかを簡便に評価し、短期間で製品形状や使用する樹脂材料などを決定することができる。

【0100】

また、実験的に求めた剥離が発生する樹脂ひずみを物性ＤＢに入力しておき、流体解析だけで樹脂と部品との剥離の有無を評価することによって、製品形状、樹脂充填位置（ゲート位置）などの金型形状、使用する樹脂材料、金型温度、初期の樹脂温度などの成形プロセス条件を適正化することができる。

【0101】

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

【符号の説明】

【0102】

１…金型、２…熱硬化性樹脂材料、３…ゲート、４…空間（キャビティ）、５，６…部品、７，１１…計算装置、８…ＬＡＮ、９…表示装置、１０…記憶装置。

【図1A】

【図1B】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】