ＵＶオゾン法による高機能フィルム基盤の表面改質
１. はじめに
ハイテク電子製品に使われる素材は一般に接着が困難で、機能性が高い高分子材ほどその傾向は強いです。そのため何らかの対策を求められています。表面改質による接着力向上は、主に二つの効果に依存します
- 被着体表面を機械的または腐食により粗面化して、アンカー効果により接着力を得るもの。
- サンドブラスト法やクロム酸混液処理が良く知られています。
UV光の照射による表面改質技術は、大気中で使えるドライプロセスで、接着力向上は100%官能基の効果に依存します。
表面にダメージを与えない上に、高度な洗浄効果も併せ持つので、高機能製品の処理に適する新しい技術です
携帯電話、パソコンやデジタルカメラのプラスチックで作られるケースや小物部品はメッキで装飾されています。
無電解メッキのエッチング工程では今もクロム酸混液処理が主に使われています。
これら電子製品主要部は、LSIを搭載したPCBの演算部やHDDなどの記録媒体、それらをつなぐフレキシブルケーブル（FPC）で構成されています。
微細化の進む演算部、記録媒体やFPCの製造には、クロム酸混液の類のアンカー効果に依存する技術は障害となります。
然るにLSIを除いたデバイスの製造には、コストの面から代替え技術も電解、無電解メッキの湿式プロセスであることが求められています。
その要求を満足する技術として、UV照射法が浮かび上っており、ナノメートルの次世代技術として、ＵＶ技術を使って回路を全湿式プロセスで直接形成する研究も進んでいます。
光技術は加工対象がミリオーダーの時代には無力でしたが、マイクロメートルの時代になってようやく有用な技術と認められました。
ナノメートルの時代には更に進んで必須の技術に育つことは間違いありません。
２.ＵＶオゾン法で使われる光源
UV照射法では紫外線ランプが生成するオゾンを併用します。オゾンは改質反応のプロセスにおいて重要な役割を果たします。そのため最近ではUV照射法はUVオゾン法と呼ばれることが多くなりました。
表面処理にはエネルギーの高い短波長UVが必要なので、光源には185nmと254nmを発光する低圧水銀ランプと172nmを発光するキセノンエキシマランプが使われます。
代表的なUV光源の高圧水銀ランプやキセノンランプは改質には適しません。エキシマランプのエネルギーは高いですが、光が酸素に強く吸収され、大気中では照射距離が極端に0～3㎜と短いので注意を要します。
一方低圧水銀ランプは大気中の有効照射距離0～20㎜です。また大気中の臨界照射距離ではエキシマランプは8㎜に対して低圧水銀ランプは200㎜と大きく違います
３.ＵＶオゾンによる表面処理メカニズム
ＵＶオゾン表面処理法には、改質と洗浄の効果があります。どちらの反応が起こるかは素材に依存し、ガラスやセラミックには洗浄作用だけが働き、プラスチックや金属には改質と洗浄の両方が働きます。
照射するUV光のエネルギーが有機化合物の分子結合エネルギーより高い時、分子結合が切れる確率が高くなります。
240nm以下の波長のUVは酸素を分解するので、172nmと185nm線は酸素からオゾンを生成します。
254nmはmsの速さでオゾンを分解して、高いエネルギーの活性酸素を生成します。
C-H結合が切れるとH原子は軽いので直ぐに引抜かれます。
活性酸素はその有機化合物と反応して、COやCO(OH)などの酸素に富んだ官能基を表面に形成します。
照射によりC-H結合に基づくピークが減少して、カルボニル基に起因するピークが新たに発現し、カルボキシル基に基づくピークが増大します。
富酸素ラジカルには極性があり、表面エネルギーを増加させ親水性を高め、親水性に依存する接着力を強くします。
４.ＵＶオゾン法と他の技術の性能比較
UVオゾン法の効果は素材により異なります。一般的に接着が困難なエンジニアリング・プラスチックに高い効果を示しますが、フッ素樹脂やポリアセタールには効果がありません。
現在実用化されているUV照射法の9分9厘は単純なUVオゾン法ですが、それで効果がない場合は光増感により効果を高める方法もあります。
その一つにLCPに増感剤としてヒドラジン水溶液を塗布して、その上から200Wの低圧水銀ランプを120秒照射して、重合性ビニルモノマーをグラフト重合させる方法が発表されています。
同じ技術でも接着の形態によって効果に違いがあるので、改質技術を選択する時は事前によく調査する必要があります。
銅箔の接着力に限れば、単純UVオゾン法もチッソ雰囲気プラズマや光増感法と同等の効果がありますが、無電解メッキやスパッタ銅の接着効果は劣っています。
封止樹脂の場合には、UVオゾン法は酸素プラズマより高い効果を見せています。
大半の表面改質法は処理面を粗面化します。
無水クロム酸混液でプラスチックを処理すると、化学的腐食により表面は数μから10μを超える不規則な微細孔で覆われます。それに対しUVオゾン法は、ほとんど表面を荒らしません。
高機能化した製品の微細化が進んで、配線回路のL/Sが10μmを下回る時代に入って、アンカー効果に頼る改質技術は機能不全に陥っています。UV照射の改質技術は1990年代に入って実用化が進みましたが、これまではマイナーな存在でした。
ここに来てUVオゾン法はようやく真価を発揮する時代を迎え、次世代の技術研究も広がっています。
UVオゾン法は洗浄効果も併せ持ち、それによる製品歩留り向上の貢献もあるので、先端技術のものづくりに生かされることを期待しています。
