博士論文 光ピックアップ装置用光デバイス接着技術の 高強度化及び高信頼化に関する研究 Study on Adhesion Strength and Reliability of Optical Device for Optical Pick-up Systems 横浜国立大学大学院工学府 大関良雄

博士論文

光ピックアップ装置用光デバイス接着技術の

高強度化及び高信頼化に関する研究

Study on Adhesion Strength and Reliability of

Optical Device for Optical Pick-up Systems

横浜国立大学大学院 工学府

大関 良雄

Yoshio Ozeki

-1- 目 次 第 １ 章 序 論 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ４ １ ． １ は じ め に ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ４ １ ． ２ 光 ピ ッ ク ア ッ プ 装 置 の 研 究 背 景 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ６ １ ． ２ ． １ 光 ピ ッ ク ア ッ プ 装 置 の 役 割 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ６ １ ． ２ ． ２ 光 ピ ッ ク ア ッ プ 装 置 の 製 造 プ ロ セ ス ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ６ １ ． ２ ． ３ 光 ピ ッ ク ア ッ プ 装 置 の 変 遷 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ １ ０ １ ． ３ 工 業 的 意 義 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ １ ２ １ ． ４ 研 究 の 目 的 と 本 論 文 の 構 成 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ １ ３ １ ． ５ 参 考 文 献 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ １ ７ 第 ２ 章 表 面 粗 化 に よ る 接 着 高 強 度 化 技 術 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ １ ８ ２ ． １ は じ め に ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ １ ８ ２ ． ２ 実 験 方 法 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ １ ９ ２ ． ２ ． １ 供 試 部 材 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ １ ９ ２ ． ２ ． ２ 強 度 評 価 サ ン プ ル の 作 製 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ２ ２ ２ ． ２ ． ３ 接 着 強 度 の 評 価 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ２ ４ ２ ． ２ ． ４ 信 頼 性 試 験 方 法 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ２ ６ ２ ． ２ ． ５ 物 性 評 価 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ２ ７ ２ ． ３ 粘 弾 性 特 性 の 確 認 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ２ ９ ２ ． ４ 初 期 の 接 着 強 度 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ３ １ ２ ． ５ 信 頼 性 試 験 後 の 接 着 強 度 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ３ ３ ２ ． ６ 結 論 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ４ ０ ２ ． ７ 参 考 文 献 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ４ １ 第 ３ 章 接 着 界 面 の 応 力 分 散 技 術 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ４ ２ ３ ． １ は じ め に ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ４ ２

-2- ３ ． ２ 実 験 方 法 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ４ ３ ３ ． ２ ． １ 供 試 部 材 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ４ ３ ３ ． ２ ． ２ 強 度 評 価 サ ン プ ル の 作 製 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ４ ７ ３ ． ２ ． ３ 接 着 強 度 の 評 価 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ４ ９ ３ ． ２ ． ４ 信 頼 性 試 験 方 法 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ５ １ ３ ． ２ ． ５ 物 性 評 価 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ５ ２ ３ ． ３ 粘 弾 性 特 性 の 確 認 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ５ ４ ３ ． ４ 初 期 の 接 着 強 度 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ５ ７ ３ ． ５ 信 頼 性 試 験 後 の 接 着 強 度 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ５ ９ ３ ． ６ 結 論 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ７ ０ ３ ． ７ 参 考 文 献 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ７ １ 第 ４ 章 接 着 界 面 の 高 強 度 化 技 術 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ７ ２ ４ ． １ は じ め に ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ７ ２ ４ ． ２ 実 験 方 法 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ７ ３ ４ ． ２ ． １ 供 試 部 材 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ７ ３ ４ ． ２ ． ２ 強 度 評 価 サ ン プ ル の 作 製 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ７ ７ ４ ． ２ ． ３ 接 着 強 度 の 評 価 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ７ ９ ４ ． ２ ． ４ 信 頼 性 試 験 方 法 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ８ ０ ４ ． ２ ． ５ 物 性 評 価 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ８ １ ４ ． ３ 粘 弾 性 特 性 の 確 認 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ８ ３ ４ ． ４ 被 着 体 の 表 面 自 由 エ ネ ル ギ ー ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ８ ５ ４ ． ５ 初 期 の 接 着 強 度 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ８ ７ ４ ． ６ 信 頼 性 試 験 後 の 接 着 強 度 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ８ ９ ４ ． ７ 結 論 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ９ ３ ４ ． ８ 参 考 文 献 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ９ ４

-3- 第 ５ 章 総 括 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ９ ５ 本 研 究 に 関 す る 業 績 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ １ ０ ０ 論 文 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ １ ０ ０ 国 内 学 会 研 究 発 表 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ １ ０ ０ 国 際 学 会 研 究 発 表 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ １ ０ ０ 登 録 特 許 （ 国 内 外 ） ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ １ ０ ０ 謝 辞 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ １ ０ ２

-4- 第 １ 章 序 論 １ ． １ は じ め に 高 度 で 専 門 的 な 科 学 技 術 の 計 算 に 利 用 す る メ イ ン フ レ ー ム が 主 で あ っ た IT （ Information Technology ） 端 末 が ， 1980 年 以 降 ， 情 報 メ デ ィ ア の デ ジ タ ル 化 の 進 展 と と も に ， 数 キ ロ バ イ ト の テ キ ス ト 情 報 を 扱 っ た パ ー ソ ナ ル な 情 報 端 末 （ PC： Personal Computer） と し て 徐 々 に 浸 透 し て い く 。 こ の PC の 情 報 処 理 能 力 は 1990年 代 の 数 メ ガ バ イ ト の 画 像 情 報 か ら 2000 年 代 の 数 ギ ガ バ イ ト の 動 画 情 報 へ と 急 速 に 発 展 し ， ま た ， そ れ ら を 結 ぶ ネ ッ ト ワ ー ク 化 の 進 展 と ブ ロ ー ド バ ン ド 化 に よ り ， イ ン タ ー ネ ッ ト の デ ー タ ト ラ フ ィ ッ ク は 1990年 代 後 半 か ら 急 激 な 増 加 を 続 け て い る ［ 1］ ［ 2］ 。 こ の よ う な 情 報 化 社 会 の 発 展 と と も に ， そ れ を 支 え る 記 録 媒 体 と し て デ ジ タ ル 方 式 で 記 録 再 生 で き る 光 デ ィ ス ク 製 品 が 急 速 に 普 及 し て い く 。 こ の 光 デ ィ ス ク 製 品 は ， 基 本 的 に デ ー タ の 劣 化 が 見 ら れ ず 大 容 量 化 が 可 能 で ， 特 に 長 期 保 存 と 安 価 な 記 録 媒 体 を 特 長 と す る た め ， 1980年 代 か ら 音 楽 用 CD （ Compact Disc ） と し て 普 及 し 始 め ， 1990 年 後 半 か ら AV （ Audio Visual ） 機 器 や PC用 記 録 媒 体 と し て 発 展 を 続 け て き た 。 こ の 発 展 は （ 1） 光 デ ィ ス ク 上 に 安 定 的 な 光 学 特 性 を 形 成 す る た め の 加 工 ･成 膜 技 術 （ 2） 光 を 集 光 し て 光 デ ィ ス ク 上 の 信 号 を 安 定 的 に 読 み 出 す た め の 光 ピ ッ ク ア ッ プ 技 術 （ 3） 光 デ ィ ス ク の 偏 心 補 正 や 光 デ ィ ス ク と レ ン ズ の 距 離 を 一 定 に 保 つ た め の サ ー ボ 技 術 の 進 歩 に よ っ て 支 え ら れ て い る ［ 3］ － ［ 5］ 。

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本 章 で は ， 光 デ ィ ス ク 製 品 の 発 展 を 支 え る 技 術 の 一 つ と し て ， 光 デ バ イ ス や レ ン ズ を 光 学 ベ ー ス 上 に 固 定 し 光 ピ ッ ク ア ッ プ と し て 機 能 さ せ る た め の 接 着 技 術 の 研 究 背 景 と 課 題 を 明 確 に し ， 研 究 の 取 り 組 み 方 針 と 本 論 文 の 構 成 に つ い て 述 べ る 。

-6- １ ． ２ 光 ピ ッ ク ア ッ プ 装 置 の 研 究 背 景 １ ． ２ ． １ 光 ピ ッ ク ア ッ プ 装 置 の 役 割 光 ピ ッ ク ア ッ プ 装 置 は 光 デ バ イ ス か ら の 信 号 を 各 種 レ ン ズ を 通 し て 集 光 す る 光 学 系 と な っ て い る た め ， 光 デ バ イ ス や 各 種 レ ン ズ は 光 学 ベ ー ス 上 に 高 い 位 置 精 度 で 固 定 す る 必 要 が あ る 。 こ の よ う な 光 ピ ッ ク ア ッ プ の 機 能 を 実 現 す る た め の 課 題 を 整 理 す る と ， 次 の ２ 点 が 挙 げ ら れ る 。 （ １ ） 光 デ バ イ ス と 外 部 と の 光 学 的 な 接 続 （ ２ ） 外 部 環 境 の 変 化 や 機 械 的 ス ト レ ス が 生 じ た 場 合 で も 光 デ バ イ ス や 各 種 レ ン ズ の 高 い 位 置 精 度 を 安 定 し て 確 保 で き る こ と こ の 中 で ， 光 学 デ バ イ ス と 外 部 と の 光 学 的 な 接 続 は ハ ー フ ミ ラ ー や 対 物 レ ン ズ な ど 各 種 光 学 部 品 が 分 担 し ， 外 部 環 境 の 変 化 や 機 械 的 ス ト レ ス が 生 じ た 場 合 で も 光 デ バ イ ス や 各 種 レ ン ズ の 高 い 位 置 精 度 を 確 保 す る に は 接 着 技 術 が 重 要 な 役 割 を 担 っ て い る 。 １ ． ２ ． ２ 光 ピ ッ ク ア ッ プ 装 置 の 製 造 プ ロ セ ス 1980 年 代 以 降 ， ア ナ ロ グ 方 式 の LP（ Long Play） レ コ ー ド か ら デ ジ タ ル 方 式 で 記 録 再 生 で き る 光 デ ィ ス ク 製 品 が 急 速 に 普 及 し た こ と に 伴 い ， そ の 光 信 号 の 記 録 再 生 を 行 う 光 ピ ッ ク ア ッ プ 装 置 は ， AV 機 器 や PC な ど の 標 準 的 な 電 子 機 器 用 記 録 装 置 と し て 広 く 用 い ら れ て い る 。 こ の 光 ピ ッ ク ア ッ プ 装 置 は ， 音 楽 用 途 を 目 的 と し た CD ， 動 画 記 録 用 の DVD（ Digital Versatile Disc ） ， ハ イ ビ ジ ョ ン 放 送 用 の 高 画 質 な 動 画 や 大 容 量 デ ー タ ス ト レ ー ジ と し て の BD（ Blu-ray Disc） な ど 用 途 に 応 じ て ， 異

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CD-LD

DVD-LD OEIC CD用レンズ

DVD用レンズ

プリズム

検出レンズ

プリズム第1面

プリズム第2面

対物レンズ

光の経路

図１－２ 光デバイス及び光学部品配置図

CD 側 は ， CD-LD（ Laser Diode） か ら 出 力 し た レ ー ザ 光 が CD 用 レ ン ズ を 通 し て プ リ ズ ム 第 ２ 面 で 反 射 し ， 対 物 レ ン ズ を 通 し て 光 デ ィ ス ク 表 面 で 集 光 す る 。 次 に 光 デ ィ ス ク か ら 反 射 し た レ ー ザ 光 は ， 検 出 用 レ ン ズ を 介 し て OEIC(Optical Electric Integrated Circuit) で 受 光 す る 光 学 系 と な っ て い る 。 DVD 側 は DVD 用 レ ン ズ を 通 し て プ リ ズ ム 第 １ 面 及 び 第 ２ 面 で 反 射 し ， 対 物 レ ン ズ を 通 し て 光 デ ィ ス ク 表 面 で 集 光 し ， CD 同 様 に OEIC で 受 光 す る 構 成 と な っ て い る 。 こ れ ら の 光 デ バ イ ス 及 び 光 学 部 品 は 光 学 ベ ー ス 上 に ， 接 着 固 定 や ネ ジ 止 め ， バ ネ 固 定 な ど さ ま ざ ま な 締 結 技 術 で 固 定 さ れ て い る 。 各 種 部 品 の 材 質 は ， 光 学 ベ ー ス が 高 い 生 産 性 を 特 長 と す る ダ イ カ ス ト に よ り 製 造 可 能 な Zn， Al， Mg 等 ， プ リ ズ ム は ガ ラ ス で あ る 。 各 種 レ ン ズ は 当 初 ア ク リ ル 樹 脂 で あ っ た が ， 現 在 は 吸 水 率 の 低 い ポ リ オ レ フ ィ ン 樹 脂 が 主 流 と な っ て い る 。

-9- こ の よ う な 光 ピ ッ ク ア ッ プ 装 置 の 製 造 プ ロ セ ス は ， 主 に 光 学 部 品 の 固 定 ， 次 に 光 デ バ イ ス の 固 定 ， 最 後 に 保 護 用 カ バ ー の 取 付 け の 順 と な っ て い る 。 詳 細 を 以 下 に 示 す 。 （ i） 光 学 部 品 の 固 定 各 種 レ ン ズ や プ リ ズ ム 等 の 光 学 部 品 は パ ッ シ ブ ア ラ イ メ ン ト 方 式 に よ り ， 光 学 ベ ー ス の 所 定 の 位 置 に 接 着 剤 等 の 締 結 技 術 を 用 い て 固 定 す る 。 （ ii） 光 デ バ イ ス の 固 定 CD-LD， DVD-LD， OEICの 光 デ バ イ ス の 固 定 は ， 光 軸 に 対 し て 高 い 位 置 精 度 で 固 定 す る 必 要 が あ る た め ， 一 般 的 に ア ク テ ィ ブ ア ラ イ メ ン ト 方 式 で 行 っ て い る 。 そ の た め ， 予 め 光 学 部 品 を 固 定 し た 光 学 ベ ー ス に 対 し て ， 前 後 上 下 左 右 と ３ 次 元 的 に 位 置 を 調 整 し て か ら ， 接 着 剤 等 に よ り 光 学 ベ ー ス の 側 面 に 固 定 す る 。 従 っ て ， 光 デ バ イ ス の 接 着 構 造 は ， 光 学 ベ ー ス と の 間 に 位 置 の 調 整 し ろ と し て 数 mm以 下 の 厚 い 接 着 層 を 設 け た 構 造 と な っ て い る 。 （ iii） 保 護 用 カ バ ー の 取 付 け 最 後 に ， 光 学 ベ ー ス 上 に 固 定 し た 光 学 部 品 や 光 デ バ イ ス の 保 護 を 目 的 と し て ， 図 １ － １ の 光 ピ ッ ク ア ッ プ 装 置 に 金 属 カ バ ー を 設 け る 。 こ の よ う に し て 製 造 し た 光 ピ ッ ク ア ッ プ 装 置 で は ， 高 速 記 録 や 多 機 能 化 に 伴 う LDか ら の 発 熱 量 の 増 加 ， 薄 型 化 に 伴 う 接 着 面 積 の 減 少 ， 環 境 変 化 に 対 し て も 安 定 し た 光 軸 の 確 保 が 必 要 で あ る ［ 7］ ［ 8］ 。 特 に 光 デ バ イ ス 用 の 接 着 技 術 に は ， 高 温 下 に お け る 接 着 剤 の ク リ ー プ 変 形 や 接 着 剥 離 の 抑 止 な ど 耐 熱 性 の 確 保 及 び 高 強 度 化 が 最 も 重 要 で あ る 。

-11- の 急 速 な 低 下 に よ り ， 量 産 性 に 優 れ て い る 紫 外 線 硬 化 型 の 接 着 方 式 が 徐 々 に 主 流 と な っ て い く 。 特 に ， 紫 外 線 硬 化 型 ア ク リ ル 系 接 着 剤 は 速 い 硬 化 速 度 に 加 え て 低 温 硬 化 が 可 能 な こ と か ら ， 低 耐 熱 プ ラ ス チ ッ ク 部 品 な ど の 安 価 な 光 学 部 品 に も 対 応 し た 締 結 材 料 で あ る 。 1990 年 代 後 半 か ら ， デ ー タ の 保 存 用 と し て 書 き 込 み が 可 能 な CD-R （ Recordable ） /RW （ ReWritable ） や 動 画 の 再 生 を 目 的 と し た DVD Player な ど が 普 及 し て い く 。 こ こ で ， 書 き 込 み が 可 能 な CD に 対 応 す る た め 高 出 力 の LD が 必 要 と な り ， 光 デ バ イ ス 及 び 接 着 固 定 部 な ど そ の 周 辺 部 分 も 含 め た 高 耐 熱 化 の 検 討 が 進 め ら れ て き た 。 ま た ， CD か ら DVD へ の 光 ス ポ ッ ト サ イ ズ の 微 小 化 に 伴 い ， 光 デ バ イ ス の 固 定 精 度 の 向 上 が 課 題 と な っ た 。 2000 年 代 に 入 る と ， CD と DVD の 両 方 に 対 応 し た 機 種 や DVD-R/RW な ど 書 き 込 み 及 び そ の 高 速 記 録 へ の 対 応 と し て ， 光 デ バ イ ス 用 接 着 部 で は 今 ま で 以 上 の 高 精 度 化 及 び 高 耐 熱 化 が 求 め ら れ た 。 同 時 に ， ハ ー フ ハ イ ト か ら ス リ ム タ イ プ も し く は ウ ル ト ラ ス リ ム な ど の 薄 型 化 に 伴 っ て ， 接 着 面 積 が 小 さ く な っ た 場 合 で も 安 定 し た 位 置 精 度 を 確 保 す る た め の 高 強 度 化 が 重 要 に な っ た 。 2000 年 代 後 半 か ら は ， ハ イ ビ ジ ョ ン 放 送 の 録 画 用 と し て 高 記 録 密 度 対 応 の BD が 製 品 化 さ れ 始 め ， CD， DVD， BD な ど の 多 機 能 化 や 高 速 記 録 な ど の 高 性 能 化 に 対 応 し た 光 ピ ッ ク ア ッ プ 装 置 は 複 雑 な 光 学 系 と な っ て き て い る 。 こ の た め ， 光 デ バ イ ス の 位 置 精 度 ， 耐 熱 性 ， 強 度 等 光 デ バ イ ス 用 接 着 技 術 の 高 度 化 が ま す ま す 重 要 で あ る 。 ま た ， 環 境 対 応 と し て 低 ハ ロ ゲ ン 化 技 術 も 検 討 さ れ て い る 。

-12- １ ． ３ 工 業 的 意 義 長 期 保 存 と 安 価 な 記 録 媒 体 を 特 長 と す る 光 デ ィ ス ク 産 業 は ， AV 機 器 や PC， ア ー カ イ ブ 用 な ど 今 後 も 社 会 を 支 え る 重 要 な 生 活 基 盤 の 一 つ で あ る 。 PC の 市 場 は ， デ ス ク ト ッ プ 型 や タ ワ ー 型 ， ノ ー ト 型 な ど 光 デ ィ ス ク ド ラ イ ブ を 搭 載 し て い る PC の 出 荷 台 数 が 2000 年 で 1.3 億 台 で あ り ， そ の 後 も 徐 々 に 増 加 し な が ら 推 移 し て い る ［ 10］ 。 こ の 中 で 光 デ ィ ス ク ド ラ イ ブ の 市 場 は ， PC 出 荷 台 数 の 1.5 倍 程 度 の 出 荷 が 望 め る 市 場 で あ り ， CD か ら DVD， BD へ の 記 録 密 度 の 向 上 と 同 時 に ， 高 速 記 録 な ど 安 価 な 記 録 媒 体 の さ ら な る 利 便 性 向 上 を 実 現 し て い る 。 こ れ ら を 可 能 と し た の は ， 写 真 や 映 像 デ ー タ を 記 録 す る 光 デ ィ ス ク と ， そ の 光 デ ィ ス ク 上 の 信 号 を 安 定 的 に 読 み 出 す た め の 光 ピ ッ ク ア ッ プ 装 置 で あ り ， こ れ ら が 果 た し て き た 社 会 的 意 義 は 極 め て 大 き い 。 こ の よ う な 光 ピ ッ ク ア ッ プ 装 置 に よ る 利 便 性 の 向 上 に は ， 高 性 能 化 や 多 機 能 化 で か つ 光 学 部 品 点 数 の 削 減 を 可 能 と す る 光 デ バ イ ス の 出 力 及 び 集 積 密 度 の 向 上 に 加 え ， 光 デ バ イ ス を 高 い 位 置 精 度 で 高 強 度 に 接 着 固 定 で き る 技 術 の 開 発 が 必 要 で あ っ た 。 特 に ， 発 熱 す る 光 デ バ イ ス に 対 応 す る た め に は ， 高 温 で も 高 い 位 置 精 度 を 維 持 す る た め の 高 耐 熱 接 着 剤 を 用 い る 必 要 が あ り ， そ の 高 強 度 化 の 一 環 と し て ， 被 着 体 表 面 形 状 の 影 響 や 接 着 材 料 の 架 橋 密 度 の 影 響 ， 被 着 体 の 表 面 自 由 エ ネ ル ギ ー の 影 響 に つ い て 信 頼 性 の 観 点 か ら 検 討 す る こ と が 必 要 で あ っ た 。 こ れ ら の 検 討 に よ り ， 光 ピ ッ ク ア ッ プ 装 置 を 搭 載 し た 光 デ ィ ス ク ド ラ イ ブ の 高 信 頼 化 を 実 現 す る こ と が で き る 。 ま た ， 得 ら れ た 知 見 は ， 光 デ バ イ ス の 接 着 用 途 の み な ら ず ， 接 着 技 術 全 般 に 展 開 可 能 で あ る 。 今 後 は ， 光 デ バ イ ス や 画 像 デ バ イ ス を 用 い た 展 開 先 と し て ， 情 報 化 す る 自 動 車 製 品 な ど 表 示 デ バ イ ス へ の 応 用 や ， 社 会 イ ン フ ラ 機 器 な ど の 予 防 保 全 の 分 野 及 び 自 動 車 な ど の 安 全 を 意 識 し た 分 野 へ の セ ン

-13- サ と し て も 展 開 可 能 で あ る と 考 え ら れ る 。 １ ． ４ 研 究 の 目 的 と 本 論 文 の 構 成 光 ピ ッ ク ア ッ プ 装 置 の 要 求 特 性 と 光 デ バ イ ス 用 接 着 技 術 の 課 題 を 表 １ － １ に ま と め た 。 光ピックアップ装置 の要求特性 光デバイス用接着技術の課題 光学特性 熱的安定性 高耐熱化（クリープ変形抑制） アウトガス低減 薄型化構造対応 高精度化，高強度化 信頼性 高温放置耐性 高耐熱化（クリープ変形抑制） 熱衝撃耐性 高強度化 高温高湿耐性 落下衝撃耐性 環境負荷低減 低ハロゲン化，RoHS指令対応 生産性 作業性向上 速硬化性，低温(室温)硬化性 歩留り向上 材料の貯蔵安定性，微量塗布安定性 完全硬化性，接着安定性 放熱材の影響抑制 表１－１ 光ピックアップ装置の要求特性と光デバイス用接着技術の課題 光 ピ ッ ク ア ッ プ 装 置 は ， 光 を 集 光 し て 光 デ ィ ス ク 上 の 信 号 を 読 み 出 す た め に ， LD の 発 熱 に よ る 温 度 特 性 や 薄 型 化 構 造 に 対 す る 安 定 的 な 光 学 特 性 が 要 求 さ れ る 。 さ ら に ， 種 々 の 環 境 で 長 期 間 の 使 用 を 可 能 と す る 信 頼 性 や ， よ り 多 く の 光 ピ ッ ク ア ッ プ 装 置 を 効 率 よ く 組 み 立 て る た め の 生 産 性 が 要 求 さ れ る 。 本 論 文 は ， こ の よ う な 要 求 特 性 の 中 で ， 光 ピ ッ ク ア ッ プ 装 置 の 最 も 重 要 な 光 デ バ イ ス 用 の 接 着 技 術 を 研 究 対 象 と し ， 使 用 環 境 に お け る 高 信 頼 化 に 向 け た 研 究 を ま と め た も の で あ る 。 本 研 究 は ， こ れ ら の 検 討 結 果 を

-14- も と に ， 信 頼 性 の 高 い 接 着 構 造 及 び 接 着 材 料 ， 被 着 体 の 表 面 状 態 の 開 発 指 針 を 得 る こ と を 目 的 と し た 。 光 デ バ イ ス 用 接 着 技 術 の 高 信 頼 化 に 関 し て は ， ま ず 初 め に 高 強 度 化 を 目 指 し ， 被 着 体 表 面 形 状 の 影 響 に つ い て 研 究 し た 。 次 に ， 高 強 度 で か つ 高 信 頼 化 を 目 指 し て 接 着 材 料 の 架 橋 密 度 の 影 響 や 被 着 体 の 表 面 自 由 エ ネ ル ギ ー の 影 響 に つ い て 研 究 し た 。 本 論 文 は 図 １ － ４ に 示 す 研 究 の 取 り 組 み に 従 い ， ５ 章 の 構 成 で ま と め た も の で あ り ， そ の 概 要 は 次 の 通 り で あ る 。

-15- 図１－４ 本研究の取り組みと関連学術分野 第３章 接着界面の応力分散技術 【UV接着剤の架橋密度と接着信頼性の 関係解明】 ・初期強度における架橋密度の影響 ・架橋密度の適正化による高信頼化 【関連する学術分野】 ・材料力学（破壊力学含） ・レオロジー ・信頼性工学 第４章 接着界面の高強度化技術 【被着体の表面自由エネルギーと 接着信頼性の関係解明】 ・初期強度における 表面自由エネルギーの影響 ・接着界面の高強度化による高信頼化 【関連する学術分野】 ・材料力学（破壊力学含） ・界面化学 ・レオロジー ・信頼性工学 第１章 序論 研究の背景と目的 ・光ピックアップ装置の動向 ・光ピックアップ装置の変遷と光デバイス用 接着技術の課題 ・研究の目的 第５章 総括 本論文の目的と得られた成果 第２章 表面粗化による接着高強度化技術 【接着強度に及ぼす被着体表面形状の影響】 ・初期強度における被着体の表面形状効果 ・接着強度の劣化メカニズム解明 【関連する学術分野】 ・材料力学（破壊力学含） ・レオロジー ・信頼性工学 第 １ 章 で は ， 本 研 究 の 目 的 と 背 景 な ら び に 工 業 的 な 意 義 を 述 べ た 。 第 ２ 章 で は ， 発 熱 す る 光 デ バ イ ス 周 辺 で 高 い 位 置 精 度 を 実 現 す る た め に ，

-16- 高 い ガ ラ ス 転 移 温 度 （ Tg） に 加 え ， あ ら ゆ る 負 荷 に 対 し て 位 置 ず れ を 抑 制 す る た め の 弾 性 率 の 高 い 紫 外 線 硬 化 型 接 着 剤 （ 以 下 UV 接 着 剤 と 表 記 ） を ベ ー ス と し た 。 こ の 接 着 強 度 の 高 強 度 化 を 目 指 し ， 初 期 の 接 着 強 度 及 び 接 着 信 頼 性 に 及 ぼ す 被 着 体 表 面 形 状 の 影 響 に つ い て 明 ら か に し た 。 第 ３ 章 で は ， 第 ２ 章 の メ カ ニ ズ ム に 基 づ き ， 高 強 度 で か つ 高 信 頼 化 の 一 環 と し て ， 接 着 材 料 の 架 橋 密 度 の 影 響 に つ い て 明 ら か に し た 。 第 ４ 章 で は ， 第 ３ 章 と 同 様 に 高 強 度 で か つ 高 信 頼 化 の 一 環 と し て，被 着 体 の 表 面 自 由 エ ネ ル ギ ー と 接 着 信 頼 性 の 関 係 に つ い て 明 ら か に し た 。 第 ５ 章 で は ， 上 記 研 究 成 果 を 総 括 し た 。

-17- １ ． ５ 参 考 文 献 ［ 1］ “ 我 が 国 の 情 報 流 通 量 の 指 標 体 系 と 計 量 手 法 に 関 す る 報 告 -情 報 流 通 イ ン デ ッ ク ス 研 究 会 報 告 書 ” ， 総 務 省 情 報 通 信 政 策 研 究 所 （ 2009） ． ［ 2］ 和 田 恭 ， “ IT 利 活 用 に お け る 第 3 の 波 の 登 場 ～ User Interface か ら み た 考 察 ” ， ニ ュ ー ヨ ー ク だ よ り 2013 年 夏 秋 合 併 号 （ 2013） ． ［ 3 ］ 中 島 平 太 郎 ， 小 川 博 司 ， “ 図 解 コ ン パ ク ト デ ィ ス ク 読 本 （ 改 訂 3 版 ） ” ， オ ー ム 社 （ 1996） ． ［ 4］ 清 水 清 ， 松 井 猛 監 修 ， “ CD-R/CD-RW 技 術 ” ， ト リ ケ ッ プ ス （ 2001） ． ［ 5］ 後 藤 顕 也 監 修 ， “ 光 ピ ッ ク ア ッ プ 技 術 ” ， ト リ ケ ッ プ ス （ 2004） ． ［ 6］ 沖 野 芳 弘 監 修 ， “ 次 世 代 光 メ モ リ と シ ス テ ム 技 術 ” ， シ ー エ ム シ ー 出 版 （ 2009） . ［ 7］ 管 康 夫 ， シ ャ ー プ 技 報 ， 99， 28（ 2009） ． ［ 8 ］ 宮 地 護 ， 木 村 義 則 ， 三 村 泰 弘 ， 尾 上 篤 ， PIONEER R ＆ D ， 17 ， 55 （ 2007） ． ［ 9］ “ 2008 ス ト レ ー ジ 関 連 市 場 総 調 査 ” ， 富 士 キ メ ラ 総 研 （ 2008） ． ［ 10］ “ 2004 年 度 版 光 デ ィ ス ク ド ラ イ ブ ／ 次 世 代 大 容 量 記 憶 装 置 市 場 -予 測 ・ 競 合 分 析 -” ， 矢 野 経 済 研 究 所 出 版 （ 2003） ．

-18- 第 ２ 章 表 面 粗 化 に よ る 接 着 高 強 度 化 技 術 ２ ． １ は じ め に オ プ ト エ レ ク ト ロ ニ ク ス の 分 野 で は ， 光 学 レ ン ズ ， プ リ ズ ム ， 回 折 格 子 な ど の 光 学 部 品 の 固 定 に は ， 室 温 で 高 精 度 に 位 置 決 め す る こ と が 可 能 な UV 接 着 剤 が 使 用 さ れ て い る ［ 1］ － ［ 3］ 。 ま た ， ハ ー ド デ ィ ス ク ド ラ イ ブ な ど に 代 表 さ れ る 電 子 機 器 に お い て も ， 機 能 デ バ イ ス の 高 精 度 位 置 決 め 用 と し て UV 接 着 剤 が 用 い ら れ て い る ［ 4］ 。 近 年 ， オ プ ト エ レ ク ト ロ ニ ク ス 製 品 や 電 子 機 器 の 高 性 能 化 及 び 多 機 能 化 に 伴 い ， 光 学 部 品 や 機 能 デ バ イ ス を 実 装 し た 機 能 モ ジ ュ ー ル の 小 型 高 密 度 化 が 進 展 し ， 発 熱 す る デ バ イ ス 周 辺 で は さ ら な る 高 温 耐 性 が 求 め ら れ て い る 。 今 後 ， こ の よ う な 高 温 環 境 に 置 か れ た 場 合 で も ， 高 い 位 置 精 度 を 実 現 す る た め に は ， UV 接 着 剤 の 硬 化 物 物 性 と し て ， 高 い ガ ラ ス 転 移 温 度 （ Tg） に 加 え ， あ ら ゆ る 負 荷 に 対 し て 位 置 ず れ を 抑 制 す る た め の 高 い 弾 性 率 が 必 要 で あ る 。 し か し な が ら ， UV 接 着 剤 の 中 で ， 高 い Tg で ， か つ 高 い 弾 性 率 を 特 徴 と す る 接 着 剤 で は 接 着 界 面 に 応 力 が 集 中 す る た め ， 十 分 な 接 着 強 度 が 得 ら れ な い 傾 向 が あ る ［ 5］ 。 そ こ で ， 接 着 強 度 を 向 上 さ せ る 一 つ の 方 法 と し て ， 被 着 体 表 面 の 形 状 効 果 に 着 目 す る 。 サ ン ド ペ ー パ ー や ブ ラ ス ト 処 理 に よ り 被 着 体 表 面 に 凹 凸 を 設 け ， 高 強 度 化 す る 等 の 報 告 事 例 は 多 数 あ る が ［ 6］ ［ 7］ ， 一 方 で ， 信 頼 性 ま で 含 め た 報 告 事 例 は ほ と ん ど 見 当 た ら な い 。 第 ２ 章 で は ， 被 着 体 表 面 の 形 状 と し て ， 平 坦 な 場 合 と 鋸 歯 状 の 2 種 類 を 用 意 し ， 初 期 及 び 信 頼 性 試 験 （ 60℃ 90％ RH） 後 の 接 着 強 度 の 比 較 検 討 を 行 い ， 接 着 強 度 に 及 ぼ す 被 着 体 表 面 形 状 の 影 響 に つ い て 考 察 し た の で ， そ の 詳 細 を 報 告 す る ［ 8 ］ － ［ 10］ 。

-19- ２ ． ２ 実 験 方 法 ２ ． ２ ． １ 供 試 部 材 実 験 に 用 い た UV 接 着 剤 は ， Tg 及 び 室 温 の 弾 性 率 を 高 め た 電 気 化 学 工 業 株 式 会 社 製 ア ク リ ル 系 UV 接 着 剤 A で あ る 。 UV 接 着 剤 A の 化 学 組 成 を 表 ２ － １ に , UV 接 着 剤 A の 断 面 観 察 結 果 を 図 ２ － １ に 示 す 。

-20-

表２－１ アクリル系UV接着剤Aの化学組成

化学名

CAS No.

構造式

ウレタンアクリレート

オリゴマー

68987

-46-2

イソボルニル

メタクリレート

ベンジルジメチル

ケタール

γ-メタクリロキシ プロピル

トリメトキシシラン

7534

-94-3

24650

-42-8

2530

-85-0

60676

-86-0

シリカ

SiO2

CH

2

=C(CH

3

)-C-0

0

R-CH

2

CH

2

CH

2

CH

CH

2

CH

2

-R

CH

CH

2 _n 含有量 (％)

その他

10-25

1-5 ≦1

≦2

45-75

5-20

R: -OCNH

0

NHCOCH2CH20C-C=CH2

0

0

CH3

CH

3

0

Si 0

0

0

₀

0

0

0

-21- 10mm

図２－１ UV接着剤Aの断面観察結果

SiO

2 化 学 組 成 は ， ウ レ タ ン ア ク リ レ ー ト オ リ ゴ マ ー の 他 に ， イ ソ ボ ル ニ ル メ タ ク リ レ ー ト ， ベ ン ジ ル ジ メ チ ル ケ タ ー ル ， γ -メ タ ク リ ロ キ シ プ ロ ピ ル ト リ メ ト キ シ シ ラ ン ， 架 橋 性 モ ノ マ ー か ら な り ， 無 機 フ ィ ラ と し て 主 に 球 状 で 直 径 20mm 以 下 の SiO2 を 添 加 す る 構 成 と し た 。 無 機 フ ィ ラ は 硬 化 収 縮 率 及 び 吸 湿 率 の 低 減 ， 弾 性 率 の 向 上 及 び 粘 度 調 整 等 を 目 的 と し て い る 。 ま た ， 架 橋 密 度 を コ ン ト ロ ー ル し ， か つ Tg や 弾 性 率 を 高 め る た め の 架 橋 性 モ ノ マ ー は そ の 他 に 分 類 し た 。 次 に ， 図 ２ － ２ に 本 研 究 で 用 い た 被 着 体 表 面 の 形 状 を 示 す 。 (1)flat surface adherend (2)sawtooth surface adherend 0.3 0.3 45° [mm]

図２－２ 被着体表面の形状

-22- 被 着 体 に は ， 表 面 の 形 状 が 平 坦 な も の と 鋸 歯 状 の 2 種 類 を 用 意 し ， 材 質 は ZDC2 を 原 材 料 と す る 表 面 粗 さ Ra 数mm の Zn ダ イ カ ス ト を 用 い た 。 こ こ で ， 用 意 し た 鋸 歯 状 の 形 状 は Zn ダ イ カ ス ト で 安 定 し て 製 造 可 能 な 最 も 小 さ い 鋸 歯 状 と し ， 高 さ 0.3mm， 傾 斜 角 45°の 直 角 二 等 辺 三 角 形 を 繰 り 返 し 配 置 し た 形 状 で あ る 。 ま た ， UV 接 着 剤 の 完 全 硬 化 を 目 的 と し て 奥 行 き （ 厚 さ ） 方 向 は ， 図 ２ － ３ に 示 す よ う に 紫 外 線 を 照 射 し 易 い よ う に 同 一 形 状 と し て い る 。 adherend UV

図２－３ 紫外線照射方向と被着体の位置関係

２ ． ２ ． ２ 強 度 評 価 サ ン プ ル の 作 製 強 度 評 価 サ ン プ ル の 作 製 方 法 を 図 ２ － ４ に 示 す 。

-24-

用 い た 光 源 は HOYA CANDEO OPTRONICS 製 EXECURE3000 で あ り ， 図 ２ － ５ に 示 す よ う に ， 主 に 波 長 300nm か ら 450nm の 範 囲 で 365nm を メ イ ン ピ ー ク と し た 分 光 分 布 特 性 を 持 つ 。 ま た ， UV 硬 化 時 の 熱 に よ る 影 響 を 極 力 排 除 す る た め に 赤 外 線 カ ッ ト フ ィ ル タ を 用 い る 構 成 と し た 。 図２－５ UV光源の分光分布特性 0 20 40 60 80 100 200 250 300 350 400 450 500 550 600 Wavelength(nm) R el a ti v e i nt e ns i ty (％ ) Without filters

With heat cut filter

UV 照 度 設 定 の た め の 照 度 計 は 浜 松 ホ ト ニ ク ス 製 C6080-30（ 波 長 365nm， 受 光 径 Φ 1mm） で あ る 。

２ ． ２ ． ３ 接 着 強 度 の 評 価

-28- 的 な 減 衰 と し て 現 れ る 。 こ の よ う な 弾 性 成 分 と 粘 性 成 分 を 持 つ 粘 弾 性 体 が 高 分 子 材 料 で あ る 。 ま た ， 貯 蔵 弾 性 率 に 対 す る 損 失 弾 性 率 の 比 と し て 表 さ れ る 損 失 係 数 （ tanδ ） は ク リ ー プ 変 形 や 応 力 緩 和 の 生 じ 易 さ を 表 す パ ラ メ ー タ で あ り ， tanδ が 最 大 と な る 温 度 ， す な わ ち ， 動 的 粘 弾 性 に お け る 力 学 的 減 衰 が 最 大 と な る 温 度 を ガ ラ ス 転 移 温 度 Tg と 定 義 し て い る 。 こ の よ う な 高 分 子 の 力 学 的 性 質 は 温 度 や 周 波 数 ま た は 時 間 に よ っ て 変 化 し ， ガ ラ ス 転 移 ， 結 晶 性 ， 架 橋 ， 相 分 離 な ど 構 造 材 料 と し て の 特 徴 を 敏 感 に 反 映 し て い る ［ 11 ］ 。 今 回 の 測 定 条 件 は 周 波 数 1Hz 一 定 と し ， 温 度 範 囲 25 ℃ か ら 200℃ と し た 。 動 的 粘 弾 性 測 定 装 置 は ， （ 株 ） レ オ ロ ジ 社 製 DVE-V4 で あ る 。 次 に ， 被 着 体 表 面 の 形 状 の 違 い に よ る 接 着 信 頼 性 へ の 影 響 を 明 確 に す る た め に ， UV 接 着 剤 の 吸 湿 に よ る 寸 法 変 化 の 測 定 も 行 っ た 。 こ の 測 定 は TMA （ Thermal Mechanical Analysis） 装 置 を 用 い て 60℃ 一 定 温 度 に お け る 脱 湿 時 の 寸 法 変 化 と し ， 評 価 に は 60℃ 90％ RH 環 境 か ら 取 り 出 し 直 後 の サ ン プ ル を 用 い た 。 TMA 測 定 装 置 は BRUKER･AXS 社 製 TMA4000SA で あ る 。

-29- ２ ． ３ 粘 弾 性 特 性 の 確 認 UV 接 着 剤 A の 粘 弾 性 特 性 を 図 ２ － ９ に 示 す 。 図２－９ UV接着剤Aの粘弾性特性 0.1 1 10 E la s ti c m o du l us ( GP a ) 0 50 100 150 200 Temperature(℃) 0 0.1 0.2 t an δ UV 接 着 剤 A の 粘 弾 性 特 性 は 25℃ の 弾 性 率 が 4.7GPa， tanδ が 0.05 の ガ ラ ス の 状 態 で あ り ， 温 度 の 上 昇 と と も に 弾 性 率 は 低 下 し ， tanδ は Tg ま で 増 加 し な が ら 粘 弾 性 の 状 態 へ と 徐 々 に 移 行 し て い る 。 こ の 時 の tanδ は 最 大 値 0.16 で あ り ， Tg は 118℃ で あ る 。 そ の 後 ， 相 対 的 な 粘 性 成 分 の 減 少 と と も に ゴ ム 状 態 へ と 移 行 し ， 200℃ に お け る 弾 性 率 は 440MPa， tanδ が 0.05 で あ る 。 こ こ で ， 次 式 に 示 す ゴ ム 弾 性 の 運 動 論 に 基 づ い て Tg＋ 50℃ に お け る 弾 性 率 か ら UV 接 着 剤 A の 架 橋 密 度 を 求 め る と ， 40.2×10- 3_mol/cm3_{で あ り ，} 架 橋 密 度 が 高 い 接 着 剤 で あ る こ と が 分 か る 。

-30- ν = E 3RT ･･･(2-1) ν：架橋密度[mol/cm ] E：弾性率[Pa] R：ガス定数[J/(K･mol)] T：絶対温度[K] 3

-31- ２ ． ４ 初 期 の 接 着 強 度 初 期 の 接 着 強 度 及 び 破 壊 モ ー ド と 被 着 体 表 面 形 状 の 関 係 を 図 ２ － １ ０ に 示 す 。 接 着 強 度 は 平 均 値 に 加 え て 最 大 値 及 び 最 小 値 を 図 示 し た 。 ま た ， 破 壊 モ ー ド は ， 評 価 し た 全 て の サ ン プ ル の 凝 集 破 壊 率 及 び 界 面 破 壊 率 を 5％ の 間 隔 で 整 理 し ， 平 均 値 と し て ま と め た も の で あ る 。 flat surface Surface morphology sawtooth surface A dh e si v e s tr e ng t h( M Pa ) 0 2 4 6 8 10 C oh e si v e f ai l ur e r at e (% ) 50 100 0

flat surface sawtooth surface

14 12

図２－１０ 初期の接着強度及び破壊モードと

被着体表面形状の関係

被 着 体 表 面 の 形 状 が 平 坦 な 場 合 ， 接 着 強 度 は 6.1MPa， 破 壊 モ ー ド は 主 に 界 面 破 壊 （ 界 面 破 壊 率 95％ と 凝 集 破 壊 率 5％ ） で あ る 。 こ れ に 対 し ， 鋸 歯

-32- 状 の 場 合 ， 接 着 強 度 は 9.4MPa で あ り ， 1.5 倍 へ と 大 幅 に 向 上 し た 。 そ の 破 壊 モ ー ド は ， 界 面 破 壊 率 55％ と 凝 集 破 壊 率 45％ の 混 在 モ ー ド へ と 移 行 し て い る 。 こ の 接 着 強 度 の 向 上 は ， 接 着 面 積 の 増 加 も 多 少 影 響 し て い る と 考 え ら れ る が ， そ の 主 な 要 因 は ， 被 着 体 表 面 に 傾 斜 を 設 け た こ と に よ り 接 着 界 面 に 生 じ る 垂 直 応 力 が 低 下 す る こ と ， ま た ， 傾 斜 角 45°の 凹 凸 を 繰 り 返 し 設 け た こ と に よ り 接 着 界 面 に ク ラ ッ ク が 進 展 し 難 く な る こ と に よ る と 考 え ら れ る 。 以 上 に よ り ， ク ラ ッ ク の 進 展 経 路 が 凝 集 部 へ と 移 行 し て 高 強 度 化 を 実 現 す る こ と が で き る 。

-33- ２ ． ５ 信 頼 性 試 験 後 の 接 着 強 度 60℃ 90％ RH 信 頼 性 試 験 後 の 接 着 強 度 と 破 壊 モ ー ド の 関 係 を 図 ２ － １ １ に 示 す 。 図 ２ － １ １ に は 初 期 の 接 着 強 度 及 び 破 壊 モ ー ド も 併 記 し た 。

図２－１１

60℃90%RH信頼性試験後の接着強度と

破壊モードの関係

Storage time(h) 100 1000 10 100 1000 10 flat sawtooth 0 2 4 6 8 10 A dh e si v e s tr e ng t h( M Pa ) 0 C oh e si v e f ai l ur e r at e (% ) 0 50 100 0 14 12 被 着 体 表 面 の 形 状 が 平 坦 な 場 合 ， 初 期 強 度 は 6.1MPa， 界 面 破 壊 率 95％ と 凝 集 破 壊 率 5％ で あ る 。 こ れ に 対 し ， 60℃ 90％ RH96 時 間 経 過 後 が 6.6MPa， 界 面 破 壊 率 60％ と 凝 集 破 壊 率 40％ ， 336 時 間 経 過 後 が 5.0MPa， 界 面 破 壊 率 95％ と 凝 集 破 壊 率 5％ ， 504 時 間 経 過 後 が 4.1MPa， 界 面 破 壊 率 95％ と 凝 集

-34- 破 壊 率 5％ と ， 96 時 間 経 過 後 の 破 壊 モ ー ド を 除 い て 徐 々 に 接 着 界 面 の 強 度 が 低 下 し て い る 。 ま た ， 図 ２ － １ １ に 示 す 60℃ 90％ RH96 時 間 以 降 の 経 過 時 間 と 接 着 強 度 の 関 係 は 以 下 の 式 で 示 さ れ ， 寄 与 率 （ R2_{） 0.98 と 高 い 相 関 が} 見 ら れ る 。 ｙ ＝ -1.45･loge(x)+13.3 ･･･(2-2) （ ｙ ： 接 着 強 度 （ MPa） ， ｘ ： 経 過 時 間 （ h） ） （ 2-2） 式 よ り ， 初 期 と 同 等 の 接 着 強 度 を 示 す 60℃ 90％ RH 環 境 下 の 経 過 時 間 は 140 時 間 で あ り ， 接 着 強 度 が ゼ ロ に 到 達 す る 時 間 は 9300 時 間 で あ る 。 よ っ て ， （ 2-2） 式 は 経 過 時 間 140 時 間 か ら 9300 時 間 の 範 囲 で 成 立 す る 。 ま た ， 経 過 時 間 140 時 間 は ， UV 接 着 剤 が 吸 湿 し 界 面 強 度 が 低 下 し 始 め る 開 始 時 間 に 相 当 す る と 考 え ら れ る 。 こ こ で ， 60℃ 90％ RH96 時 間 経 過 後 の 接 着 強 度 が 初 期 と 同 等 以 上 で か つ 破 壊 モ ー ド が 異 な る 理 由 は ， 60℃ 90％ RH 環 境 下 で UV 接 着 剤 が 吸 湿 し て 界 面 強 度 が 徐 々 に 低 下 し て い く 一 方 で ， 室 温 硬 化 時 に 残 留 し た 内 部 応 力 を 開 放 し て 界 面 強 度 が 向 上 し た た め と 考 え ら れ る ［ 12］ 。 次 に ， 被 着 体 表 面 の 形 状 が 鋸 歯 状 の 場 合 ， 初 期 強 度 は 9.4MPa， 界 面 破 壊 率 60％ と 凝 集 破 壊 率 40％ の 混 在 モ ー ド で あ る 。 こ れ に 対 し ， 60℃ 90％ RH96 時 間 経 過 後 が 4.7MPa， 界 面 破 壊 率 100％ ， 336 時 間 経 過 後 が 1.5MPa， 界 面 破 壊 率 100％ ， 504 時 間 経 過 後 が 1.0MPa， 界 面 破 壊 率 100％ と な っ た 。 こ の よ う に ， 破 壊 モ ー ド は 界 面 破 壊 と 凝 集 破 壊 の 混 在 モ ー ド か ら 界 面 破 壊 主 体 の モ ー ド に 移 行 し ， 接 着 強 度 の 劣 化 速 度 が 平 坦 な 場 合 と 比 べ て 加 速 し て い る 。 ま た ， 図 ２ － １ １ に 示 す 60℃ 90％ RH 経 過 時 間 と 接 着 強 度 の 関 係 は 以 下 の 式 で 示 さ れ ， 寄 与 率 （ R2_{） 0.99 と 高 い 相 関 が 見 ら れ る 。}

-35- ｙ ＝ -2.30･loge(x)+15.2 ･･･(2-3) （ 2-3） 式 よ り ， 初 期 と 同 等 の 接 着 強 度 を 示 す 60℃ 90％ RH 環 境 下 の 経 過 時 間 は 計 算 上 12 時 間 で あ り ， 接 着 強 度 が ゼ ロ に 到 達 す る 時 間 は 720 時 間 で あ る 。 よ っ て ， （ 2-3） 式 は 経 過 時 間 12 時 間 か ら 720 時 間 の 範 囲 で 成 立 す る 。 ま た ， UV 接 着 剤 が 吸 湿 し 界 面 強 度 が 低 下 し 始 め る 開 始 時 間 は 12 時 間 で あ り ， 被 着 体 表 面 の 形 状 が 平 坦 な 場 合 に 比 べ て 大 幅 に 短 く ， 強 度 劣 化 が 生 じ 易 い こ と を 意 味 し て い る 。 次 に ， 60℃ 90％ RH 信 頼 性 試 験 に お け る 温 度 と 湿 度 の 影 響 を 明 確 に す る た め に ， 鋸 歯 状 の 被 着 体 を 用 い て 60℃ 504 時 間 後 の 接 着 強 度 の 評 価 を 行 っ た 。 そ の 結 果 を 図 ２ － １ ２ に 示 す 。

-36-

図２－１２ 60℃恒温放置試験後の接着強度と破壊モードの関係

0 2 4 6 8 10 A dh e si v e s tr e ng t h( M Pa ) Storage time(h) 500 1000 0 1000 C oh e si v e f ai l ur e r at e (% ) 50 100 0 500 0 sawtooth 12 14 60℃ 恒 温 放 置 試 験 の 場 合 ， 504 時 間 経 過 後 の 接 着 強 度 及 び 破 壊 モ ー ド は 9.3MPa， 界 面 破 壊 率 65％ と 凝 集 破 壊 率 35％ の 混 在 モ ー ド で あ り ， 初 期 と 同 等 で 強 度 の 低 下 は 見 ら れ な い 。 す な わ ち ， 60℃ 90％ RH 環 境 下 に お け る 接 着 強 度 の 低 下 は UV 接 着 剤 の 吸 湿 が 原 因 で あ る と 考 え ら れ る 。 ま た ， 被 着 体 表 面 の 形 状 を 鋸 歯 状 と し た 場 合 ， 強 度 劣 化 が 加 速 し て 生 じ る 原 因 を 明 確 に す る た め に ， 歪 に 起 因 し た 寸 法 変 化 の 測 定 に 関 し て UV 接 着 剤 の 吸 湿 に よ る 影 響 を 検 討 し た 。 そ の 結 果 を 図 ２ － １ ３ に 示 す 。 評 価 に 用 い た 接 着 試 験 片 は ， UV 接 着 剤 を 硬 化 し た 後 ， 予 め ， Tg 以 上 で 熱 処 理 を 行 い ， 残 留 応 力 の 開 放 に 伴 う 寸 法 変 化 の 成 分 を 極 力 除 去 し た も の で あ る 。 ま た ， UV 接 着 剤 の 吸 湿 に

-37- よ る 寸 法 変 化 の 測 定 は 60℃ 90％ RH504 時 間 経 過 後 と し た 。

図２－１３ UV接着剤Aの吸湿による寸法変化

30 40 50 60 70 E xp a ns i on ra t e( ％ ) Temperature(℃) 0 0.1 0.2 -0.1

0.1% expansion rate of water absorption after 60℃90%RH 504h.

4h

2h

UV 接 着 剤 A は 昇 温 後 に 60℃ 4 時 間 保 持 し た 状 態 で 脱 湿 に よ り 収 縮 す る 。 そ の 後 ， 再 度 の 60℃ 2 時 間 の 保 持 に よ り わ ず か に 脱 湿 に よ る 収 縮 が 見 ら れ た 。 よ っ て ， 60℃ 90％ RH 環 境 下 に お け る UV 接 着 剤 A は 吸 湿 す る こ と に よ っ て 0.10％ の 寸 法 変 化 が 生 じ る こ と が 分 か る 。 こ の 寸 法 変 化 は ， 被 着 体 の 表 面 形 状 が 平 坦 な 場 合 に は せ ん 断 応 力 と し て 作 用 す る 一 方 で ， 鋸 歯 状 の 場 合 に は ， 図 ２ － １ ４ に 示 す よ う に 鋸 歯 状 の 各 傾 斜 部 に せ ん 断 応 力 が 発 生 し ， か つ そ の 合 力 が 引 き 剥 が す よ う に 作 用 し た た め ， 強 度 劣 化 が 加 速 し て 生 じ た も の と 考 え ら れ る 。

-39- ③ _{次 に ， 60℃ 90％ RH 環 境 の 経 過 時 間 が 長 く な る と ， 被 着 体 表 面 の 形 状 が} 平 坦 な 場 合 に は 吸 湿 に よ る せ ん 断 応 力 に よ っ て 界 面 強 度 が 徐 々 に 低 下 し て い く 。 さ ら に ， 鋸 歯 状 の 場 合 に は ， 接 着 界 面 に 引 き 剥 が し 力 が 加 わ る た め ， 強 度 劣 化 の 速 度 が 加 速 す る 。 こ の 加 速 率 は （ 2-2） （ 2-3） 式 よ り 1.6 倍 と な る 。

-40- ２ ． ６ 結 論 金 属 被 着 体 へ の 高 強 度 接 着 を 実 現 す る た め に ， 被 着 体 表 面 の 形 状 が 及 ぼ す 初 期 の 接 着 性 及 び 信 頼 性 へ の 影 響 に つ い て 検 討 し ， 以 下 の 結 論 を 得 た 。 （ i） 初 期 の 接 着 性 被 着 体 表 面 の 形 状 を 平 坦 か ら 鋸 歯 状 と す る こ と で ， 接 着 強 度 は 大 幅 に 向 上 し ， 破 壊 モ ー ド は 界 面 破 壊 主 体 か ら 界 面 破 壊 と 凝 集 破 壊 の 混 在 モ ー ド へ と 移 行 す る 。 （ ii） 接 着 信 頼 性 60℃ 90％ RH 環 境 下 の 経 過 時 間 と と も に 接 着 強 度 は 徐 々 に 低 下 し ， 破 壊 モ ー ド は 界 面 破 壊 の み へ と 移 行 す る 。 こ の 時 に ， 被 着 体 表 面 の 形 状 を 平 坦 か ら 鋸 歯 状 と す る こ と で ， UV 接 着 剤 の 吸 湿 膨 潤 に よ る 力 が 引 き 剥 が す よ う に 作 用 し て 強 度 劣 化 が 加 速 す る 。

-41- ２ ． ７ 参 考 文 献 ［ 1］ 山 内 篤 ， 工 業 材 料 ， 55， 38（ 2007） ． ［ 2］ 村 田 則 夫 ， 接 着 の 技 術 ， 56， 30（ 1999） ． ［ 3］ 井 上 晃 ， 接 着 の 技 術 ， 56， 40（ 1999） ． ［ 4］ 椙 尾 孝 司 ， 接 着 の 技 術 ， 64， 35（ 2001） ． ［ 5］ 宮 入 裕 夫 ， 接 着 の 技 術 ， 23， 1（ 2003） ． ［ 6］ 柳 原 榮 一 ， 接 着 の 技 術 ， 23， 7（ 2003） ． ［ 7］ 山 田 尚 也 ， 岸 武 保 ， 大 庭 真 一 ， 日 本 接 着 学 会 第 43 会 年 次 大 会 講 演 要 旨 集 ， 91（ 2005） ． ［ 8］ 大 関 良 雄 ， 古 市 浩 朗 ， 野 村 里 佳 ， 荒 井 聡 ， 日 本 接 着 学 会 第 45 会 年 次 大 会 講 演 要 旨 集 ， 71（ 2007） ． ［ 9］ 大 関 良 雄 ， 古 市 浩 朗 ， 野 村 里 佳 ， 荒 井 聡 ， 日 本 接 着 学 会 誌 ， 49， 244 （ 2013） ．

［ 10］ Y.Ozeki， H.Furuichi， and R.Nomura ， and S.Arai， ICEP-IAAC 2015 Proceedings， 846（ 2015） ．

［ 11 ］ L.E.Nielsen ， “ 高 分 子 と 複 合 材 料 の 力 学 的 性 質 ” 小 野 木 重 治 訳 ， （ 株 ） 化 学 同 人 （ 1995） ．

-42- 第 ３ 章 接 着 界 面 の 応 力 分 散 技 術 ３ ． １ は じ め に 第 ２ 章 に お い て ， 接 着 強 度 を 向 上 さ せ る 一 つ の 方 法 と し て 被 着 体 表 面 の 形 状 効 果 に つ い て 検 討 し た ［ 1］ － ［ 5 ］ 。 被 着 体 表 面 の 形 状 と し て ， 平 坦 な 場 合 と 鋸 歯 状 の 2 種 類 を 用 意 し ， 初 期 及 び 信 頼 性 試 験 （ 60℃ 90％ RH） 後 の 接 着 強 度 に つ い て 検 討 し た 結 果 ， 被 着 体 表 面 の 形 状 を 鋸 歯 状 と す る こ と で ， 初 期 の 接 着 強 度 は 大 幅 に 向 上 す る 。 一 方 ， 信 頼 性 試 験 後 の 接 着 強 度 は ， 鋸 歯 状 の 影 響 に よ り 強 度 劣 化 の 速 度 が 加 速 し て 低 下 す る こ と を 明 ら か に し た 。 そ こ で ， 第 ３ 章 で は ， 初 期 の 大 幅 な 強 度 向 上 と 信 頼 性 試 験 後 の 強 度 劣 化 の 抑 制 を 目 的 に ， 架 橋 密 度 の 異 な る 2 種 類 の UV 接 着 剤 を 用 意 し ， 平 坦 な 場 合 と 鋸 歯 状 の 2 種 類 の 被 着 体 に 対 し て ， UV 接 着 剤 の 架 橋 密 度 と 接 着 信 頼 性 の 関 係 に つ い て 考 察 し た の で ， そ の 詳 細 を 報 告 す る ［ 6］ 。

-43- ３ ． ２ 実 験 方 法 ３ ． ２ ． １ 供 試 部 材 実 験 に 用 い た UV 接 着 剤 は ， Tg及 び 室 温 の 弾 性 率 を 高 め た 電 気 化 学 工 業 株 式 会 社 製 ア ク リ ル 系 UV 接 着 剤 B 及 び C で あ る 。 UV 接 着 剤 B の 化 学 組 成 を 表 ３ － １ に ， UV 接 着 剤 B の 断 面 観 察 結 果 を 図 ３ － １ に 示 す 。 ま た ， UV 接 着 剤 C の 化 学 組 成 を 表 ３ － ２ に ， UV 接 着 剤 C の 断 面 観 察 結 果 を 図 ３ － ２ に 示 す 。

表３－１ アクリル系UV接着剤Bの化学組成

ウレタンアクリレート

オリゴマー

68987

-46-2

ベンジルジメチル ケタール

γ-メタクリロキシ

プロピル

トリメトキシシラン

24650

-42-8

2530

-85-0

65997

-18-4

ガラスフィラ

R-CH

2

CH

2

CH

2

CH

CH

2

CH

2

-R

CH

CH

2

_n

含有量

(％)

その他

10-25

≦1

≦1

50-75

15-25

化学名

CAS No.

構造式

R: -OCNH

0

NHCOCH

2

CH

2

0C-C=CH

2

0

0

CH

3

CH

3

0

Si

0

0

0

₀

0

0

0

-44-

図３－１ UV接着剤Bの断面観察結果

10mm

-45-

表３－２ アクリル系UV接着剤Cの化学組成

ウレタンアクリレート

オリゴマー

68987

-46-2

ベンジルジメチル ケタール

γ-メタクリロキシ

プロピル

トリメトキシシラン 24650 -42-8

2530

-85-0

65997

-18-4

ガラスフィラ

R-CH

2

CH

2

CH

2

CH

CH

2

CH

2

-R

CH

CH

2

_n

60676

-86-0

シリカ

SiO

2 メタクリル酸 2-ヒドロキシエチル 868 -77-9 含有量 (％)

10-20

≦1

5-10

≦1

55-75

0.01

-0.1

化学名

CAS No.

構造式

その他

5-25

R: -OCNH

0

NHCOCH

2

CH

2

0C-C=CH

2

0

0

CH

3

CH

3

0

Si

0

0

0

₀

0

0

0H

0

0

0

-46-

図３－２ UV接着剤Cの断面観察結果

10mm

ガラス

UV 接 着 剤 B の 化 学 組 成 は ， ウ レ タ ン ア ク リ レ ー ト オ リ ゴ マ ー の 他 に ， ベ ン ジ ル ジ メ チ ル ケ タ ー ル ， γ -メ タ ク リ ロ キ シ プ ロ ピ ル ト リ メ ト キ シ シ ラ ン ， 架 橋 性 モ ノ マ ー か ら な り ， 無 機 フ ィ ラ と し て ガ ラ ス フ ィ ラ を 添 加 す る 構 成 と し た 。 UV 接 着 剤 C の 化 学 組 成 は ， ウ レ タ ン ア ク リ レ ー ト オ リ ゴ マ ー の 他 に ， ベ ン ジ ル ジ メ チ ル ケ タ ー ル ， メ タ ク リ ル 酸 2ヒ ド ロ キ シ エ チ ル ， γ -メ タ ク リ ロ キ シ プ ロ ピ ル ト リ -メ ト キ シ シ ラ ン ， 架 橋 性 モ ノ マ ー か ら な り ， 無 機 フ ィ ラ と し て ガ ラ ス フ ィ ラ の 他 に 微 量 の シ リ カ を 添 加 す る 構 成 と し た 。 こ こ で ， 無 機 フ ィ ラ は UV 硬 化 性 の 向 上 を 目 的 に ， UV 光 が 接 着 剤 内 部 に 透 過 し 易 い ガ ラ ス を 粉 砕 し た フ ィ ラ 形 状 と し ， 硬 化 収 縮 率 及 び 吸 湿 率 の 低 減 ， 弾 性 率 の 向 上 及 び 粘 度 調 整 を 考 慮 し て 50mm 以 下 の フ ィ ラ サ イ ズ と し て い る 。 ま た ， 架 橋 密 度 を コ ン ト ロ ー ル し ， か つ Tg や 弾 性 率 を 高 め る た め の 架 橋 性 モ ノ マ ー は そ の 他 に 分 類 し た 。 次 に ， 図 ３ － ３ に 本 研 究 で 用 い た 被 着 体 表 面 の 形 状 を 示 す 。

-47- (1)flat surface adherend (2)sawtooth surface adherend 0.3 0.3 45° [mm]

図３－３ 被着体表面の形状

被 着 体 に は ， 表 面 の 形 状 が 平 坦 な も の と 鋸 歯 状 の 2 種 類 を 用 意 し ， 材 質 は ZDC2 を 原 材 料 と す る 表 面 粗 さ Ra 数mm の Zn ダ イ カ ス ト を 用 い た 。 こ こ で ， 用 意 し た 鋸 歯 状 の 形 状 は Zn ダ イ カ ス ト で 安 定 し て 製 造 可 能 な 最 も 小 さ い 鋸 歯 状 と し ， 高 さ 0.3mm， 傾 斜 角 45°の 直 角 二 等 辺 三 角 形 を 繰 り 返 し 配 置 し た 形 状 で あ る 。 ま た ， UV 接 着 剤 の 完 全 硬 化 を 目 的 と し て 奥 行 き （ 厚 さ ） 方 向 は ， 図 ３ － ４ に 示 す よ う に 紫 外 線 を 照 射 し 易 い よ う に 同 一 形 状 と し て い る 。 adherend UV

図３－４ 紫外線照射方向と被着体の位置関係

３ ． ２ ． ２ 強 度 評 価 サ ン プ ル の 作 製 強 度 評 価 サ ン プ ル の 作 製 方 法 を 図 ３ － ５ に 示 す 。

-49-

用 い た 光 源 は HOYA CANDEO OPTRONICS 製 EXECURE3000 で あ り ， 図 ３ － ６ に 示 す よ う に ， 主 に 波 長 300nm か ら 450nm の 範 囲 で 365nm を メ イ ン ピ ー ク と し た 分 光 分 布 特 性 を 持 つ 。 ま た ， UV 硬 化 時 の 熱 に よ る 影 響 を 極 力 排 除 す る た め に 赤 外 線 カ ッ ト フ ィ ル タ を 用 い る 構 成 と し た 。

図３－６ UV光源の分光分布特性

0 20 40 60 80 100 200 250 300 350 400 450 500 550 600 Wavelength(nm) R el a ti v e i nt e ns i ty (％ ) Without filters

With heat cut filter

UV 照 度 設 定 の た め の 照 度 計 は 浜 松 ホ ト ニ ク ス 製 C6080-30（ 波 長 365nm， 受 光 径 Φ 1mm） で あ る 。

３ ． ２ ． ３ 接 着 強 度 の 評 価

-53- 的 な 減 衰 と し て 現 れ る 。 こ の よ う な 弾 性 成 分 と 粘 性 成 分 を 持 つ 粘 弾 性 体 が 高 分 子 材 料 で あ る 。 ま た ， 貯 蔵 弾 性 率 に 対 す る 損 失 弾 性 率 の 比 と し て 表 さ れ る 損 失 係 数 （ tanδ ） は ク リ ー プ 変 形 や 応 力 緩 和 の 生 じ 易 さ を 表 す パ ラ メ ー タ で あ り ， tanδ が 最 大 と な る 温 度 ， す な わ ち ， 動 的 粘 弾 性 に お け る 力 学 的 減 衰 が 最 大 と な る 温 度 を ガ ラ ス 転 移 温 度 Tg と 定 義 し て い る 。 こ の よ う な 高 分 子 の 力 学 的 性 質 は 温 度 や 周 波 数 ま た は 時 間 に よ っ て 変 化 し ， ガ ラ ス 転 移 ， 結 晶 性 ， 架 橋 ， 相 分 離 な ど 構 造 材 料 と し て の 特 徴 を 敏 感 に 反 映 し て い る ［ 7］ 。 今 回 の 測 定 条 件 は 周 波 数 1Hz 一 定 と し ， 温 度 範 囲 25℃ か ら 200℃ と し た 。 動 的 粘 弾 性 測 定 装 置 は ， （ 株 ） レ オ ロ ジ 社 製 DVE-V4 で あ る 。 次 に ， 被 着 体 表 面 の 形 状 の 違 い に よ る 接 着 信 頼 性 へ の 影 響 を 明 確 に す る た め に ， UV 接 着 剤 の 吸 湿 に よ る 寸 法 変 化 の 測 定 も 行 っ た 。 こ の 測 定 は TMA （ Thermal Mechanical Analysis ） 装 置 を 用 い て 60℃ 一 定 温 度 に お け る 脱 湿 時 の 寸 法 変 化 と し ， 評 価 に は 60℃ 90％ RH 環 境 か ら 取 り 出 し 直 後 の サ ン プ ル を 用 い た 。 TMA 測 定 装 置 は BRUKER･AXS 社 製 TMA4000SA で あ る 。 評 価 に 用 い た 接 着 試 験 片 は ， UV 接 着 剤 を 硬 化 し た 後 ， 予 め ， Tg 以 上 で 熱 処 理 を 行 い ， 残 留 応 力 の 開 放 に 伴 う 寸 法 変 化 の 成 分 を 極 力 除 去 し た も の で あ る 。

-54- ３ ． ３ 粘 弾 性 特 性 の 確 認 UV 接 着 剤 B の 粘 弾 性 特 性 を 図 ３ － １ ０ に ， UV 接 着 剤 C の 粘 弾 性 特 性 を 図 ３ － １ １ に 示 す 。 E la s ti c m o du l us ( GP a ) Temperature(℃) t an δ 0.1 1 10 0.01 0 50 100 150 200 0 0.2 0.6 0.4 図３－１０ UV接着剤Bの粘弾性特性

-55- 図３－１１ UV接着剤Cの粘弾性特性 0.1 1 10 E la s ti c m o du l us ( GP a ) 0.01 0 50 100 150 200 Temperature(℃) 0 0.2 0.6 t an δ 0.4 UV 接 着 剤 B の 粘 弾 性 特 性 は 25℃ の 弾 性 率 が 4.6GPa， tanδ が 0.03 の ガ ラ ス の 状 態 で あ り ， 温 度 の 上 昇 と と も に 弾 性 率 は 低 下 し ， tanδ は Tg ま で 増 加 し な が ら 粘 弾 性 の 状 態 へ と 徐 々 に 移 行 し て い る 。 こ の 時 の tanδ は 最 大 値 0.25 で あ り ， Tg は 140℃ で あ る 。 そ の 後 ， 相 対 的 な 粘 性 成 分 の 減 少 と と も に ゴ ム 状 態 へ と 移 行 し ， 200℃ に お け る 弾 性 率 は 140MPa， tanδ が 0.08 で あ る 。 こ こ で ， 次 式 に 示 す ゴ ム 弾 性 の 運 動 論 に 基 づ い て Tg＋ 50℃ に お け る 弾 性 率 か ら UV 接 着 剤 B の 架 橋 密 度 を 求 め る と ， 14.8×10- 3_mol/cm3_{で あ る 。}

-56- ν = E 3RT ･･･(3-1) ν：架橋密度[mol/cm ] E：弾性率[Pa] R：ガス定数[J/(K･mol)] T：絶対温度[K] 3 UV 接 着 剤 C の 粘 弾 性 特 性 は 25℃ の 弾 性 率 が 3.6GPa， tanδ が 0.06 の ガ ラ ス の 状 態 で あ り ， 温 度 の 上 昇 と と も に 弾 性 率 は 低 下 し ， tanδ は Tg ま で 増 加 し な が ら 粘 弾 性 の 状 態 へ と 徐 々 に 移 行 し て い る 。 こ の 時 の tanδ は 最 大 値 0.35 で あ り ， Tg は 102℃ で あ る 。 そ の 後 ， 相 対 的 な 粘 性 成 分 の 減 少 と と も に ゴ ム 状 態 へ と 移 行 し ， 200℃ に お け る 弾 性 率 は 100MPa， tanδ が 0.07 で あ る 。 こ こ で ， UV 接 着 剤 B と 同 様 に ， （ 3-1） 式 に 示 す ゴ ム 弾 性 の 運 動 論 に 基 づ い て Tg＋ 50℃ に お け る 弾 性 率 か ら UV 接 着 剤 C の 架 橋 密 度 を 求 め る と ， 9.9×10- 3_mol/cm3_{で あ る 。} 以 上 の よ う に ， 第 ２ 章 で 検 討 し た UV 接 着 剤 A に 比 べ て ， UV 接 着 剤 B と UV 接 着 剤 C は 架 橋 密 度 を 低 減 し た 接 着 剤 で あ る こ と が 分 か る 。

-57- ３ ． ４ 初 期 の 接 着 強 度 初 期 の 接 着 強 度 及 び 破 壊 モ ー ド と 被 着 体 表 面 形 状 の 関 係 を 図 ３ － １ ２ に 示 す 。 接 着 強 度 は 平 均 値 に 加 え て 最 大 値 及 び 最 小 値 を 図 示 し た 。 ま た ， 破 壊 モ ー ド は ， 評 価 し た 全 て の サ ン プ ル の 凝 集 破 壊 率 及 び 界 面 破 壊 率 を 5％ の 間 隔 で 整 理 し ， 平 均 値 と し て ま と め た も の で あ る 。

図３－１２

初期の接着強度及び破壊モードと

被着体表面形状の関係

C oh e si v e f ai l ur e r at e (% ) 50 100 0

flat surface sawtooth surface

flat surface Surface morphology sawtooth surface A dh e si v e s tr e ng t h( M Pa ) 0 2 4 6 8 10 14 12 Adhesive B Adhesive C 被 着 体 表 面 の 形 状 が 平 坦 な 場 合 ， UV 接 着 剤 B の 接 着 強 度 は 5.5MPa， そ の 破 壊 モ ー ド は 凝 集 破 壊 の 部 分 も 多 少 見 ら れ る が 基 本 的 に 界 面 破 壊 主 体 の モ

-58- ー ド （ 界 面 破 壊 率 85％ と 凝 集 破 壊 率 15％ ） で あ る 。 UV 接 着 剤 C の 接 着 強 度 は 5.1MPa， そ の 破 壊 モ ー ド は 主 に 界 面 破 壊 （ 界 面 破 壊 率 95％ と 凝 集 破 壊 率 5％ ） で あ る 。 こ れ に 対 し ， 鋸 歯 状 の 場 合 ， UV 接 着 剤 B の 接 着 強 度 は 1.8 倍 の 10.1MPa， そ の 破 壊 モ ー ド は 界 面 破 壊 率 55％ と 凝 集 破 壊 率 45％ の 混 在 モ ー ド へ と 移 行 し て い る 。 UV 接 着 剤 C の 接 着 強 度 は 2.1 倍 の 10.7MPa， そ の 破 壊 モ ー ド は UV 接 着 剤 B と 同 様 に ， 界 面 破 壊 率 60％ と 凝 集 破 壊 率 40％ の 混 在 モ ー ド へ と 移 行 し て い る 。 以 上 よ り ， 初 期 の 接 着 強 度 は ， 架 橋 密 度 の 異 な る UV 接 着 剤 を 用 い た 場 合 で も ， 被 着 体 の 表 面 形 状 を 平 坦 か ら 鋸 歯 状 と す る こ と で ， ク ラ ッ ク の 進 展 経 路 の 一 部 を 凝 集 部 へ と 移 行 し て 大 幅 に 向 上 で き る ［ 8］ 。

-59- ３ ． ５ 信 頼 性 試 験 後 の 接 着 強 度 60℃ 90％ RH 信 頼 性 試 験 後 の 接 着 強 度 及 び 破 壊 モ ー ド に 関 し て ， UV 接 着 剤 B の 結 果 を 図 ３ － １ ３ に ， UV 接 着 剤 C の 結 果 を 図 ３ － １ ４ に 示 す 。 図 ３ － １ ３ 及 び 図 ３ － １ ４ に は 初 期 の 接 着 強 度 及 び 破 壊 モ ー ド も 併 記 し た 。

図３－１３ 60℃90%RH信頼性試験後の接着強度と

破壊モードの関係（UV接着剤B）

10 100 1000 Storage time(h) 10 100 1000 0 2 4 6 8 10 A dh e si v e s tr e ng t h( M Pa ) 0 C oh e si v e f ai l ur e r at e (% ) 0 50 100 0 14 12 flat sawtooth

-60-

図３－１４

60℃90%RH信頼性試験後の接着強度と

破壊モードの関係（UV接着剤C）

Storage time(h) 10 100 1000 10 100 1000 flat sawtooth 0 2 4 6 8 10 A dh e si v e s tr e ng t h( M Pa ) 0 C oh e si v e f ai l ur e r at e (% ) 0 50 100 0 14 12 ゴ ム 状 態 の 弾 性 率 が 140MPa（ 200℃ ） の UV 接 着 剤 B に お い て ， 被 着 体 表 面 の 形 状 が 平 坦 な 場 合 ， 初 期 強 度 は 5.5MPa， 界 面 破 壊 率 85％ と 凝 集 破 壊 率 15％ で あ る 。 こ れ に 対 し ， 60℃ 90％ RH96 時 間 経 過 後 が 5.6MPa， 界 面 破 壊 率 80％ と 凝 集 破 壊 率 20％ ， 336 時 間 経 過 後 が 5.1MPa， 界 面 破 壊 率 85％ と 凝 集 破 壊 率 15 ％ ， 504 時 間 経 過 後 が 5.1MPa ， 界 面 破 壊 率 80 ％ と 凝 集 破 壊 率 20％ と ， 接 着 強 度 が わ ず か に 低 下 し て い る も の の ， 初 期 と ほ ぼ 同 等 の 強 度 を 維 持 し て い る 。 一 方 で ， 被 着 体 表 面 の 形 状 が 鋸 歯 状 の 場 合 ， 初 期 強 度 は 10.1MPa， 界 面 破 壊 率 55％ と 凝 集 破 壊 率 45％ の 混 在 モ ー ド で あ る 。 こ れ に

-61- 対 し ， 60℃ 90％ RH96 時 間 経 過 後 が 8.9MPa， 界 面 破 壊 率 70％ と 凝 集 破 壊 率 30％ ， 336 時 間 経 過 後 が 8.3MPa， 界 面 破 壊 率 60％ と 凝 集 破 壊 率 40％ ， 504 時 間 経 過 後 が 6.4MPa， 界 面 破 壊 率 65％ と 凝 集 破 壊 率 35％ と ， 界 面 破 壊 と 凝 集 破 壊 の 混 在 モ ー ド か ら 界 面 破 壊 の 割 合 を 増 加 し た 状 態 で 強 度 が 低 下 し て い る 。 次 に ， ゴ ム 状 態 の 弾 性 率 が 100MPa（ 200℃ ） の UV 接 着 剤 C に お い て ， 被 着 体 表 面 の 形 状 が 平 坦 な 場 合 ， 初 期 強 度 は 5.1MPa， 界 面 破 壊 率 95％ と 凝 集 破 壊 率 5％ で あ る 。 こ れ に 対 し ， 60℃ 90％ RH96 時 間 経 過 後 が 6.5MPa， 界 面 破 壊 率 80 ％ と 凝 集 破 壊 率 20 ％ ， 336 時 間 経 過 後 が 5.8MPa ， 界 面 破 壊 率 80％ と 凝 集 破 壊 率 20％ ， 504 時 間 経 過 後 が 5.7MPa， 界 面 破 壊 率 85％ と 凝 集 破 壊 率 15％ と ， 接 着 強 度 が わ ず か に 低 下 し て い る も の の ， 初 期 と 同 等 以 上 の 強 度 を 維 持 し て い る 。 ま た ， 被 着 体 表 面 の 形 状 が 鋸 歯 状 の 場 合 ， 初 期 強 度 は 10.7MPa， 界 面 破 壊 率 60％ と 凝 集 破 壊 率 40％ の 混 在 モ ー ド で あ る 。 こ れ に 対 し ， 60℃ 90％ RH96 時 間 経 過 後 が 11.1MPa， 界 面 破 壊 率 80％ と 凝 集 破 壊 率 20％ ， 336 時 間 経 過 後 が 9.6MPa， 界 面 破 壊 率 80％ と 凝 集 破 壊 率 20％ ， 504 時 間 経 過 後 が 10.6MPa， 界 面 破 壊 率 85％ と 凝 集 破 壊 率 15％ と ， 界 面 破 壊 主 体 の 破 壊 モ ー ド へ と 移 行 し な が ら 接 着 強 度 が わ ず か に 低 下 し て い る も の の ， 初 期 と ほ ぼ 同 等 の 強 度 を 維 持 し て い る 。 そ こ で ， 接 着 信 頼 性 に 及 ぼ す 接 着 材 料 の 影 響 を 明 確 に す る た め に ， 60℃ 90％ RH 信 頼 性 試 験 後 の 接 着 材 料 の 物 性 変 化 を 測 定 し た 。 UV 接 着 剤 の 吸 湿 に よ る 寸 法 変 化 に 関 し て ， UV 接 着 剤 B の 結 果 を 図 ３ － １ ５ に ， UV 接 着 剤 C の 結 果 を 図 ３ － １ ６ に 示 す 。 UV 接 着 剤 の 吸 湿 に よ る 寸 法 変 化 の 測 定 は 60℃ 90％ RH504 時 間 経 過 後 と し た 。 ま た ， 60℃ 90％ RH 信 頼 性 試 験 後 の UV 接 着 剤 の 粘 弾 性 特 性 に 関 し て ， Tg 及 び tanδ の 最 大 値 の 変 化 を 図 ３ － １ ７ に ， 架 橋 密 度 の 変 化 を 図 ３ － １ ８ に 示 す 。 架 橋 密 度 は （ 3-1） 式 に 示 す ゴ ム 弾 性 の

-62- 運 動 論 に 基 づ い て Tg＋ 50℃ に お け る 弾 性 率 か ら 求 め た 。

図３－１５ UV接着剤Bの吸湿による寸法変化

30 40 50 60 70 E xp a ns i on ra t e( ％ ) Temperature(℃) 0 0.1 0.3 -0.2

0.07% expansion rate of water absorption after 60℃90%RH 504h. 0.2

-0.1

4h

-63- 図３－１６ UV接着剤Cの吸湿による寸法変化 30 40 50 60 70 E xp a ns i on ra t e( ％ ) Temperature(℃) 0 0.1 0.3 -0.2

0.15% expansion rate of water absorption after 60℃90%RH 504h. 0.2

-0.1

4h

-64-

図３－１７

60℃90%RH信頼性試験後のUV接着剤の

Tg及びtanδの最大値の変化

Storage time(h) 100 1000 10 0 40 80 0 60 100 Tg （℃） UV Adhesive A UV Adhesive B UV Adhesive C 20 120 140 160 100 1000 10 0 0 t an δ 0.1 0.2 0.3 0.4