成果報告書詳細
管理番号20120000000881
タイトル平成21年度~平成23年度成果報告書 ナノテク・先端部材実用化研究開発/表面ナノ機能修飾した樹脂成形用型部材の開発
公開日2012/8/9
報告書年度2009 - 2011
委託先名TOWA株式会社 日東電工株式会社 一般財団法人ファインセラミックスセンター
プロジェクト番号P05023
部署名電子・材料・ナノテクノロジー部
和文要約本研究では、被封止物と樹脂間の強接着”と“型表面と樹脂間の離型性”という「相反特性」を同時に満たすべく、離型剤量を少なくした樹脂に対して、優れた離型性と防汚性を発現する型部材の開発を実施した。対象とする型部材は、機械的特性に優れるZrO2基セラミックスを基板に用いて、その表面に離型性と防汚性を有する表面機能層(Y2O3基セラミックス)を付与した複合セラミックスである。型部材表面の水酸基が樹脂の接着活性点として作用することから、Y2O3結晶格子中にアニオンとカチオンの二種類のドーパントを添加することにより、Y2O3基セラミックス層の共有結合性を増大させ、極性分子である水の解離性吸着を抑制することで、型性と防汚性を向上させた。以下に開発目標に対する成果を示す。
1.表面機能層の創製 表面機能層へのドーパントの導入と均一製膜が可能な要素プロセスを確立した。
2.表面機能層付与技術の開発 ZrO2基セラミックス基板に表面機能層(厚さ200nm以下)を付与した複合セラミックスを作製すると共に、その特性が開発目標「“連続成形後の離型力0.2MPa以下”、“硬度850HV以上”、“圧縮強度2.9GPa以上”、“耐摩耗性が従来型部材比10倍以上”、“連続成形20ショット後の離型面に樹脂残渣が無いこと(光学顕微鏡レベル)”」を満たすことを確認した。
3.セラミックス部材の加工技術の確立 ZrO2基セラミックス基板の型加工に関して、高効率加工法を検討した結果、加工費を従来金属型の1.5倍以下に抑えた加工法を確立した。また、補助電極?走査加工法を用いて、絶縁体であるZrO2基セラミックス基板の放電加工条件を検討した結果、60×60mm2の加工面積に対し、面粗さ1.0?2.0μmRaの梨地面の形成を可能にした。
4.樹脂?セラミックス間の離型・防汚機構の解明 Y2O3基セラミックスにカチオン、アニオンを同時添加することで離型性・防汚性が向上したのは、硬化剤の接着活性点として作用する水の吸着が抑制されたからであると考えられた。また、これらの特性をさらに下げるためには、硬化剤の酸解離定数値を上昇させることが有効であると考えられた。第一原理計算と静電エネルギー計算により、表面機能層表面における水の吸着現象等を解析した結果、ドーパントの置換固溶により生成された複合欠陥がY2O3表面近傍に偏析して表面エネルギーを下げることがわかった。この表面構造の安定化が離型性の向上に繋がるものと考えられた。また、カチオン、アニオンを同時添加する場合は、高温・低酸素分圧のときほど酸素空孔が形成されやすいことから(酸素空孔の形成は水吸着能を増大)、低温で実施するのが望ましいことがわかった。さらに、モデル表面機能層に対し陽電子消滅法による格子欠陥状態の解析を実施した結果、ドーパント添加により母相Y空孔周辺の環境が変化していることが示唆された。
5.開発部材に適用可能な封止樹脂の開発 樹脂に含まれる離型剤量を少なくし、かつ、その種類や存在状態を最適化した結果、表面機能層上への離型剤の付着量が非常に少ないにも関わらず、優れた離型性を発現させることに成功した。また、離型力と防汚性が、表面機能層上への硬化剤の極微量の付着量に依存することを示唆した。さらに、この樹脂を用いて被封止物?樹脂間の密着性を評価した結果、被封止物に対する耐剥離性が従来樹脂に比べて優れることを確認した。したがって、開発樹脂は、型部材に対して優れた離型力を有するだけでなく、同時に、封止品の信頼性をも向上させることが可能であることがわかった。
英文要約Resin molding compounds (RMCs) are used for electronic packaging and are designed to strongly adhere to electronic components. However, a high release force tends to exist between RMCs and encapsulation mold surfaces. As a result, mold surfaces need to be frequently cleaned to remove any adhered RMCs and should be simultaneously coated with a mold lubricant. This greatly reduces the efficiency of the packaging process. Such adhesion problems are becoming increasingly critical because RMCs with higher adhesions are being used to satisfy strict reliability requirements. In this project, ceramic mold materials having lesser mold lubricants and excellent release and antifouling properties against RMCs are developed by nanoscale atomic modification of the Y2O3 layers on the ZrO2-based ceramic substrates. The following were performed:
(1) The surface modification layers were produced by doping both cation and anion into the Y2O3 crystal lattices. The obtained mold materials had excellent release and antifouling properties and significantly enhanced mechanical properties, such as higher peel and wear resistances, compared with a conventional surface layer.
(2) Highly efficient machining techniques for fabricating ceramic substrates with complex shapes were established, resulting in a machining cost that is 1.5 times lower than that for the conventional metallic molds. “Scanning” electrical discharge oscillating machining of the insulating ceramics with an auxiliary electrode was investigated by optimizing the shape of the counter electrode to eliminate residual debris at the interface between the ceramic and electrode during machining. The ceramic surfaces could be given a satin-like finish with a surface roughness of 1.0-2.0 micro m Ra over a 60×60 mm2 area.
(3) The excellent release and antifouling properties of the surface modification layers were related to the suppression of dissociative adsorption of H2O molecules, which were considered to be active sites for adhesion of curing agents in RMCs. The most stable arrangements of point defects created upon introducing dopants into the Y2O3 crystal lattice and surface were determined by an ab-initio method in conjunction with electrostatic calculations. Furthermore, the point defects in non-doped and doped Y2O3 were evaluated by positron annihilation spectroscopy. The source of the excellent releasability of the surface layers was discussed based on these analyses.
(4) Optimizing the releasing agent types and their states in RMCs, despite decreasing amount of release agents, gave excellent releasability against the surface modified mold materials, where the release agents hardly adhered to the mold materials. The peel resistance between the developed RMC and the encapsulated materials was better than those using conventional compounds. Therefore, the developed RMC can improve package reliability, as well as the release and antifouling properties of the molds.
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