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【発明の名称】 異種材料の密着部材
【発明者】 【氏名】松岡 敬
【要約】 【課題】異種材料の密着性を高めて高密度化と機能向上を図る。

【解決手段】ＰＰＯ樹脂１と銅めっき箔２の界面において、ＰＰＯ樹脂１の表面を低温プラズマ処理等の表面処理を行って、頂部が略平坦で微細な凸状突起３の集合体で構成し、該凸状突起３の間に深溝４を形成して親水性を向上させ、銅めっき箔２の深溝４への浸透によって剥離強度を増大させ、さらに、界面を挟んで対抗する銅めっき箔２は、ＰＰＯ樹脂の表面がネガチブに転写されて、浅い凹状ディンプル５の集合体である滑らかな表面で構成する。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
変形し易い薄膜材料と該薄膜材料に比べて比較的変形し難い硬質材料とが相互の界面を介して密着状態にあり、界面の形状が硬質材料の表面形状によって決定される異種材料の密着部材において、
硬質材料の表面に表面処理を施すことによって硬質材料の表面形状を頂部が略平坦で微細な凸状突起の集合体で構成するとともに該凸状突起間に溝を設けたプラトー構造表面にして界面での密着強度を向上させたことを特徴とする異種材料の密着部材。
【請求項２】
薄膜材料が硬質材料に塗装される塗膜である請求項１記載の異種材料の密着部材。
【請求項３】
硬質材料を樹脂板で構成し、薄膜材料を薄膜金属で構成した請求項１記載の異種材料の密着部材。
【請求項４】
硬質材料を被接着材料で構成し、薄膜材料を接着剤が塗布された薄膜で構成した請求項１記載の異種材料の密着部材。
【請求項５】
表面処理が活性ガス及び／又は不活性ガスを使用した低温プラズマ処理であって、該低温プラズマ処理によって溝を形成させる請求項１から請求項４にいずれかに記載の異種材料の密着部材。
【請求項６】
表面処理が初期表面粗さの一定の高さレベル以上の山部側面を狙って噴射した微粒子の衝突による平坦化加工であって、該平坦化加工によって頂部が略平坦で微細な凸状突起を形成させる請求項１から請求項４にいずれかに記載の異種材料の密着部材。
【発明の詳細な説明】【技術分野】
【０００１】
薄膜材料と硬質材料とを互いに蒸着、圧着、接着、塗装等の処理によって密着させる異種材料の密着技術の中で、硬質材料の表面形成技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
異種材料で構成される薄膜材料と硬質材料とを互いに密着させる方法には蒸着、圧着、接着、塗装等のさまざまな密着技術があるが、これらの密着に関しては材料表面の凹凸の程度によって密着強度が大きく左右される。つまり、表面の凹凸が大きいと密着処理の過程で薄膜が損傷して初期の性能や状態が得られなくなる。また、凹凸が小さい場合は相互の表面が互いに絡まりにくくなって密着効果が薄れるという不具合が生じる。このため、硬質材料の表面形状は異種材料の密着に欠かせない課題であった。
【０００３】
この課題を克服する技術としては、例えば圧着技術としては、樹脂基板と配線用薄膜金属との密着性を向上させるために凹凸の少ない樹脂表面を積極的に粗化するという化学的処理や物理的処理などの手法が用いられている。化学的処理は薬品による湿式法であって、例えば特開２００２−１１８１６８号公報（特許文献１）に、スルホン基、カルボキシル基、カルボニル基、及びフェノール基からなる１種の官能基で表面改質層を形成することが提案されている。このものは大量生産や処理手順が容易であることから現在広く用いられているが、薬品処理によって表面の凹凸は増大するもものの、樹脂を劣化させるなどの不具合が生じる。
【特許文献１】特開２００２−１１８１６８号公報
【０００４】
また、物理的処理は乾式法で、サンドブラスト、スパッタ処理などが用いられているが、これらは凹凸を増大させる効果があるとはいうものの過剰な凹凸表面を形成するという課題が残る。これらの課題を残しまま、プリント基板を高速伝送回路に使用すると電流が表面の凹凸に追従しながら流れるため、電気抵抗の増大によって導体損の原因となるので、これらの粗化の方法はプリント基板の高密度化には好ましくない。
【０００５】
異種材料の密着という面では接着技術も関係してくる。特に、接着後硬化するエポキシ樹脂などの接着剤は、金属の起歪体に歪ゲージを接着してロードセルを構成するときに使用されるが、この場合は起歪体の応力歪という避けられない外部要因によって接着剤が損傷して測定効果を著しく低下させるため、ロードセルそのものの使用条件が制限されるという課題も提起されている。
【０００６】
このため、特開平６−１８０２５７号公報（特許文献２）では、起歪体の起歪部の歪ゲージを貼付ける所定の位置にサンドブラスト加工により貼付け位置決め用の基準マークを有する粗面パターンを形成することによって、量産化及び省力化に適し、歪ゲージの接着強度やロードセルの性能・特性に悪影響を与えることのないロードセルが提案されているが、これは表面の粗化は可能であるにしても、親水性が劣るために接着の強度向上を望むことはできない。
【特許文献２】特開平６−１８０２５７号公報
【０００７】
一方、塗装された塗膜の場合は、例えば特開２００３−１５９５６２号公報（特許文献３）に、射出成形で得られた熱可塑性樹脂成形品に平均粒径１５０〜２５００μｍの投射材を投射して、表面粗さをＲａ＝０．３〜５０μｍに仕上げて、その後表面に塗料を塗布することによって塗膜強度を向上させる方法が開示されている。
しかしながら、塗膜が薄い場合は、上記特許文献３に開示の技術では、表面の凹凸が大き過ぎるため、密着性は向上するものの光の反射や表面に接触する物体などの摩擦で凸部だけの摩耗が促進されるなど、何れも塗装面の美観や塗膜寿命が損なわれる原因にもなる。
【特許文献３】特開２００３−１５９５６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
これら従来技術の問題点は、薄膜材料と硬質材料との異種材料を強力に密着させるとともに密着による長所を機能の向上に生かそうとするものであるが、これらの密着技術では凹凸表面処理に粗化の程度が制御できないため、異種材料の密着による所期の機能を得ることができないという不具合を生じていた。
【０００９】
本発明は、異種材料の界面が強度的に弱い薄膜材料の密着性及び剥離強度に左右されること、及びこれらの強度は薄膜材料の密着表面に影響を与える硬質材料の表面形状に依存していることに鑑みて、硬質材料の表面を密着性向上に寄与するような表面とし、密着性を向上し、剥離強度に優れた薄膜材料と硬質材料との密着部材を提供することを目的としてなされたものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上記の目的を達成するものであって、本発明の異種材料の密着部材は、薄膜材料と該薄膜材料に比べて比較的変形し難い硬質材料とが相互の界面を介して密着状態にあり、界面の形状が硬質材料の表面形状によって決定される異種材料の密着部材において、硬質材料の表面に表面処理を施すことによって硬質材料の表面形状を頂部が略平坦で微細な凸状突起の集合体で構成するとともに該凸状突起間に溝を設けたプラトー構造表面にして界面での密着強度を向上させたことを特徴としている。
【００１１】
このものによると、硬質材料の表面が略平坦な頂部を有する微細な凸状突起の集合体で構成されているため、薄膜材料の表面形状は硬質材料に向かって底部が略平坦で微細な凹状ディンプルの集合体となり、硬質材料に比べて強度的に劣る薄膜材料の界面に直角な平面で構成される断面形状が比較的薄くなる部分で滑らかな曲線となっていて、比較的分厚い部分では先の尖った突起となるので、硬質材料と薄膜材料との密着性が向上し、薄膜材料の硬質材料との剥離強度も向上する。また温度変化や外力による変形などの外的要因が作用しても薄膜部材に加わる応力は界面全体に平均化され、凸状突起と溝で形成される稜線部のエッジで亀裂を生じたり、剥離切断を起こしたりしにくくなる。
【００１２】
また、硬質材料の表面の微細な凸状突起間に形成される溝は、薄膜材料の密着処理によって薄膜材料を溝に浸透させるというぬれ性を向上させることができるので、外的要因による界面の物理的変化に対しても剥離などの状態変化を起こすことなく、安定した密着性を維持することができる。
【００１３】
本発明でいうプラトー構造表面とは、微細仕上げされた短波長のプラトー表面とその下部に設けられた比較的深い谷の２層構造で構成され、主に二つの加工プロセスで形成される表面であって、通常使用される表面粗さ基準であるＲａやＲｚなどの単純数式パラメータでは表すことのできない表面として、既に確立されている概念である。
【００１４】
上記異種材料の密着部材の構成において、薄膜材料が上記硬質材料に塗装される塗膜である場合も同様に、温度変化や外力による変形などの外的要因が作用しても薄膜部材に加わる応力は界面全体に平均化されるので、外的要因による界面の物理的変化に対しても剥離などの状態変化を起こすことなく、安定した密着性を維持することができる。
【００１５】
上記表面加工において、硬質材料が樹脂板であって、薄膜材料が薄膜金属である場合は、例えば樹脂をプリント基板、薄膜金属をプリント配線用銅めっき箔とすると、高密度化が要求されるビルトアップ工法に適用しても十分な密着性を発揮し、容易に剥離しない基板構造とすることができる。
【００１６】
また、部材を構成する硬質材料が被接着材料であって、薄膜材料が接着剤が塗布された薄膜で構成された場合は、例えば被接着材料を金属、接着剤を硬化性樹脂とすると、硬化した接着剤の表面形状がディンプル状であるため、接着剤そのものに応力集中が生ずる部分がなくなるとともに接着剤が金属の深溝に浸透して、外的要因に関わる接着剤の破損や金属からの剥離が少なくなって、より大きな金属の応力変化に耐えることができる。
【００１７】
表面処理として、活性ガス及び／又は不活性ガス、例えばアルゴン、酸素、窒素のいずれかのガスを使用した低温プラズマ処理を施して表面に溝を形成したものは、特にプリント基板材料であるＰＰＯ（ポリフェニレンオキサイド）樹脂では、低温プラズマ処理用のガスを使い分けることによって、頂部が略平坦で微細な凸状突起あるいは深溝を自在に形成することができる。従って、処理前のプリント基板の極端な平滑面が粗化されて、疎水性表面から親水性表面に改善されるため、ＰＰＯ樹脂への銅めっき箔の密着性が大きく向上する。
【００１８】
表面処理が、初期表面粗さの一定の高さレベル以上の山部側面を狙って噴射した微粒子の衝突による平坦化加工であって、該平坦化加工によって頂部が略平坦で微細な凸状突起を形成させる場合、硬質材料の表面に表面改質を起こすことなく初期の表面性状を確保したまま物理的に硬質材料の表面形状を薄膜材料に向かって頂部が略平坦で微細な凸状突起の集合体を形成し、かつ初期表面粗さの谷部に当る深溝をも維持した表面を構成することができる。
【発明の効果】
【００１９】
このように本発明によれば、表面処理によって硬質材料の表面形状が頂部が略平坦で微細な凸状突起の集合体で構成されるとともに該凸状突起間に溝を設けたプラトー表面となっているので、界面を挟んで対抗する薄膜材料はディンプル状の滑らかな表面となり、温度変化によるたわみや外力による剥離に対しても薄膜材料を破損することを防止し、高い密着性を維持することができるようになって剥離強度を向上させる効果も現れる。
【００２０】
硬質材料が樹脂であって、表面処理として低温プラズマ処理を施されている場合には、比較的短時間で表面状態を改善することができ、例えば銅めっき箔との物理的密着性を向上させることができる。表面処理として、微粒子の衝突による平坦化加工を施した場合には、初期の表面性状を維持したままで上記密着性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態を図１〜図５に基づいて説明する。
【００２２】
図１は、銅めっき箔を圧着したプリント基板の要部断面図である。この図でプリント基板を構成するＰＰＯ樹脂１と銅めっき箔２の界面には、ＰＰＯ樹脂１の表面形状が銅めっき箔２に向かって略球体の一部をなす微細な凸状突起３の集合体で形成されている。一方、凸状突起３の間に形成された深溝４は親水性を向上させるので、銅めっき箔２の深溝４への浸透によって剥離強度が大幅に増大する。さらに、界面を挟んで対抗する薄膜銅めっき２は、ＰＰＯ樹脂の表面がネガチブに転写されて、浅い凹状ディンプル５の集合体である滑らかな表面で構成されている。
【００２３】
塗装に関わる塗膜においても、構成は図１と同じなので詳細は省く。
【００２４】
ところで、上記処理を行わずに未処理のＰＰＯ樹脂１をそのまま使用した場合、ＰＰＯ樹脂１の表面が極端な平滑面であるため、銅めっき箔２を木の根のように浸透させる深溝４が存在せず、銅めっき箔２を圧着処理しても外部要因によって容易にはがれてしまうことは自明である。
【００２５】
図２は、低温プラズマ処理による表面改質の概略図である。この低温プラズマ処理は装置の条件設定次第では処理状態にさまざまな変化を来たすが、ここでは６Ｐａ程度に減圧された常温の環境下で約５ｅＶの電子エネルギーを与えてＰＰＯ樹脂１に表面処理を施した。
【００２６】
図２（ａ）では、もともと決まった方向に運動していない中性ラジカル６が様々な方向からＰＰＯ樹脂１の表面に衝突して、処理表面に滑らかな凸状突起３の集合体を形成する。図２（ｂ）では、イオン７が負の電極に引き寄せられてＰＰＯ樹脂１の表面に垂直な一定方向から衝突してナノオーダーの局部的な溝４を形成する。すなわち、中性ラジカル６はイオン７で形成された溝４と表面の平滑面との稜線に作用して、いわゆる面取りのようなかたちで頂部が略平坦で微細な凸状突起３が形成されることになる。
【００２７】
一方、低温プラズマ処理の結果として、ＰＰＯ樹脂１の表面には、表面形状が物理的に改善されるばかりでなく、化学的な表面改質も行われている。つまり、低温プラズマ処理によってＰＰＯ樹脂１に含まれるＣ−Ｃ、Ｃ−Ｈ、ＯＨなどがＣ＝ＯやＣ−ＯＯＨのような極性の高い官能基に返還され、ＰＰＯ樹脂１と銅めっき箔２の化学的な親和作用で表面エネルギーが増大するとともに密着性の向上に寄与することができる。
【００２８】
因みに、本発明に関わる表面処理を施したプリント基板と処理を施していない未処理のプリント基板とを用いて銅めっき箔の剥離試験で比較したところ、本発明に関わるプリント基板の剥離強度は未処理のプリント基板に対して約１０倍の値を示した。なお、低温プラズマ処理される硬質材料は、ＰＰＯ樹脂に限らずその他の材質であってもよく、その状態は薄い板やシート状あるいはフィルム状の樹脂であってもよい。
【００２９】
図３は、表面処理が施されていない硬質材料と薄膜材料とを接着させたときの界面の要部断面図である。ここでは硬質材料を金属８、薄膜材料をエポキシ樹脂の接着剤９とし、接着剤９を介して金属８の反対側に薄膜１０が密着状態にある。図中、接着剤９の界面は金属８との表面に形成された凹凸に沿って、薄肉部分で深い切り欠き溝１１を形成することになる。
【００３０】
図４は、金属８に作用する力や温度変化による歪によって薄膜１０に塗布された接着剤９の状態変化を示した要部拡大図である。この図の矢印は金属８に作用する歪による引張方向の力を示し、接着剤９の亀裂１２の発生具合を図４（ａ）と図４（ｂ）で比較した。
【００３１】
すなわち、図４（ａ）の表面処理を行っていない従来の金属８における歪では、接着剤９の切り欠き溝１１に応力が集中して接着剤９に亀裂１２が生じている。しかしながら、図４（ｂ）の本発明に係わる金属８における歪では、接着剤９の薄い部分は存在するものの切り欠き溝１１が形成されていないため、金属８の歪による亀裂１２は認められず、且つ深溝４に接着剤９が浸透した状態が維持されていて接着状態の劣化は認められない。一方、圧縮方向の力に関しては上記亀裂１２部分が薄膜を押し上げることになる。
【００３２】
この場合、金属８を起歪体、薄膜１０を歪ゲージとすれば、力の測定に供されるロードセルを構成することができる。従って、実質的に起歪体の応力による歪を前提にしているロードセルでは、剥離強度のみならず、繰り返して発生する歪の増減に対しても、繰り返しによる疲労強度は大きく向上して初期性能を維持できるという効果がある。
【００３３】
図５は、金属表面を微細な凸状突起の集合体に形成する工程を示した概略図である。この図で金属８の初期表面粗さは、平坦化加工によって図５（ａ）に示すように、谷部１２の谷底１３に対して山部１４が高くなった表面形状を具備している。
【００３４】
この表面の平坦化加工は、図５（ｂ）に示すように、噴射口１５から直径４０μｍ程度の微粒子１６を噴射することにより、初期表面粗さの山部１４を削り取って除去するものである。噴射口１５は初期表面粗さの山部１４の側面１７（谷底１３から立ち上がって頂部に至るまでの面）を狙らって配置されるが、噴射口１５の部材表面（平坦面に近似させた時の表面）に対する傾斜角度は鋭角でかつできるだけ小さくするのが望ましい。
【００３５】
金属８の表面が広い場合は、噴射口１５の傾斜角度を一定に保持したままで、噴射口１５を矢印方向に平行移動させれば、広い表面で同様に山部１４を除去することができる。
【００３６】
この微粒子１６を山部１４の側面１７に向けて噴射することにより、常に他の山部１４ａよりも突出した山部１４ｂが微粒子１６と衝突することになる。従って、微粒子１６を一定時間連続して吹きつければ、各山部１４が逐次除去され、この除去部分１８の表面が集合して平滑化された平滑面１９が形成される。
【００３７】
一方、初期表面粗さの谷部１３のうち、平滑面１９の形成後も残ったものは、その谷底１３を溝底とする１μｍ以下の深溝４を構成する。深溝４は液体や溶けた半田、接着剤などの流動物を毛管現象で部材表面に浸透させ、部材自身の親水性や濡れ性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】 薄膜銅めっきを圧着したプリント基板の要部断面図
【図２】 低温プラズマ処理による表面改質の概略図
【図３】 表面処理が施されていない界面の要部断面図
【図４】 接着剤を剥離させたときの要部拡大図
【図５】 金属表面を微細な凸状突起の集合体に形成する工程を示した概略図
【符号の説明】
【００３９】
１ ＰＰＯ樹脂
２ 薄膜銅めっき
３ 凸状突起
４ 深溝
５ 凹状ディンプル
８ 金属
９ 接着剤
１０ 被接着剤
１１ 切り欠き溝
１２ 亀裂
【出願人】 【識別番号】５０３０２７９３１
【氏名又は名称】学校法人同志社
【出願日】 平成１５年１１月１９日（２００３．１１．１９）
【代理人】
【公開番号】 特開２００５−１４５０４０（Ｐ２００５−１４５０４０Ａ）
【公開日】 平成１７年６月９日（２００５．６．９）
【出願番号】 特願２００３−４２８３２８（Ｐ２００３−４２８３２８）