基板向けの「生分解性FRP:Flax(亜麻)/PLA」について技術評価例をご紹介します。様々なマスメディアで報じられている通りです。今回はその一つであるワイドギャップ半導体材料について簡単に触れたいと思います。ワイドギャップ半導体とは個人的には以下の動画が分かりやすいと感じました。耐久性と効率性を有するものと紹介されています。結果として過酷な環境に使用できることに加え、小型化できるのが強みとのこと。効率化のポイントとしてはスイッチング損失の低減です。禁制帯と呼ばれるギャップを乗り越え伝導帯に移動させる、すなわち励起させることで電気が流れるということが起こっています。耐圧性能(耐電圧性能)を高められるというメリットにつながるようです。一例として以下の研究を簡単にご紹介します。光検出器に応用できるかを検証しています。深紫外とは主に190から280nmの波長の光で紫外線になります。環境光の影響を受けないセンシングに応用できる波長領域として注目されているとのことです。深紫外の周波数帯でのセンシングへの応用可否を見ようとしています。膜原料を含む錯体含有溶液に超音波をかけてミスト状にしてキャリアガスで基板上まで誘導し、その基板上で熱をかけながら微小結晶を生成、成長させることで薄膜を生成します。蒸着などと異なり、真空環境を必要としないのは強みの一つのようです。光応答性を光導電性で評価するとのこと。同紫外線の重水素ランプ下では導体になることを確認したとのこと。結果として、深紫外の波長領域を基軸にしたセンシングの可能性が示されたようです。様々な研究が続けられています。ここからは話をFRP関係に移ろうと思います。電気電子機器の基板にはFRPが多く使われています。一般的なのはガラス繊維とエポキシを組み合わせたガラエポ基板材料をガラエポと呼ぶ方もいると思います。基板材料でいうガラエポは、その名の通りガラス繊維とエポキシ樹脂を組み合わせたGFRPのことで、ロービングクロス(平織のガラス繊維)とFR-4(難燃性エポキシ)の組み合わせが代表例といえます。軽量化ももちろんありますが、それ以上に重要なのが絶縁性と剛性です。電子回路を有する基板なので、想定した回路以外のところに電気が流れてしまうと動作不良やショートすることもあるため、絶縁性は不可欠です。剛性が無いと各層の平面形状を維持できません。構造部材のFRP向けというより、このプリント基板向けの開発が先行することが多い印象です。Labo)例えば冒頭ご紹介した半導体の土台となる半導体パッケージ基板は、プリント基板に半導体を実装するための微細基板とのことです。前述の複数層構造を基本とする多層貫通基板についての情報もあります。用途に応じた多種多様な基板が上市されているのが分かります。基板に適用する研究例をご紹介します。参照したのは以下の論文です。e00902要点を述べます。主な評価は以下の通りです。実運用の段階で外部より設計情報を書き込むことが可能な論理回路を有するものです。※参照情報FBGAとは?(NEC)基板構成材料は、亜麻(Flax)の織物とPLAをマトリックス樹脂としたFRPが基本です。回路をサブトラクティブ法で形成させた後、2層に積層しています。積層間の接着にはPLAの粉体を用いているとのこと。製造法はダブルベルトのような手法を用いており、概略図が論文中のFig.3に示されています。最外層には銅箔が接着されています。Process)の方が優れているようです。※参考情報サブトラクティブ法とMSAP法を解説/NISSHAのファインパターン(微細配線)形成技術(NISSHA)従来材であるロービングクロスとFR-4のエポキシを組み合わせた基板も評価対象に加えています。こちらもFlax/PLA同様、2層構造です。ガラス転移温度はPLAが70から100°Cであるのに対し、FR-4は140から160°Cと耐熱性に差があることも念頭に置く必要があります。表面の凹凸を平滑にするという改良点を加えたGen2(第二世代)の2種類を評価しています。同Ptで19.38、16.44とのことです。粗さ曲線は論文中のFig.10で確認できます。比較結果が論文中のFig.13に示されています。Gen1は重量増加が認められた一方、Gen2では重量減少が確認され、絶対値も低下しています。冷却する際に大気の水分を吸収したためとの記述があります。表層の強化繊維を樹脂で確実に被覆した、というものがあると想像します。表面粗さの改善にもつながります。N/mmとのことで、相応の差があるという理解です。エポキシの接着力が高い水準にあることが分かります。念頭に置くべきポイントと考えます。基板にどのような変化が生じるかを評価しています。重量変化Flax/PLAについて、表層に銅箔が存在する場合とそうでない場合の比較として、Fig.18に結果が示されています。有りの場合は重量が全体的に向上する傾向を示し、その数値は当該箔が無い場合に対して絶対値が大きくなりました。環境温度が高いほど重量変化率が上昇しています。3点曲げのSS線図Flax/PLAの比較結果がFig.19に示されています。明らかな破壊ひずみの低下が見られたということは言えそうです。それ以外について様々な意見が論文中で述べられていますが、n数が少ないことを踏まえると判断は難しいというのが個人的な意見です。加えてFRPの評価に複合荷重モードである曲げを使うのはあまり望ましくありません。作り方を見る限りある程度のばらつきがあると思います。試験片形状が高精度で同じというのは、曲げ特性による特性比較の最低必要条件になります。細かいことを言えばVfや繊維配向も同じでなければなりません。外観検査Flax/PLAについて、L、a、bというLab色空間で評価しています。Flax/PLAについて、熱劣化が進むとLが低下する傾向がFig.20に示されています。色が暗くなるイメージです。温度が高くなると相応の変形や接着力低下が生じたものと推測します。SEM画像は興味深いです(Fig.23)。熱履歴により明らかに繊維への樹脂含浸が進行している様子が確認できます。樹脂含浸が進行したことの方がFRPの観点から言うと重要です。曲げ試験での比較と異なり、熱処理により基板の機械特性が上がるという話になるかもしれません。生分解性Flax/PLA(銅箔有と無の2水準)、GFRPを重量変化で評価したとのこと(Fig.22)。土壌中に放置して、1から7週間置いた場合にどうなるかを見ています。結果、GFRP(図中FR4)は重量変化が初期段階で増加が見られた一方、その後はほとんど変化していません。水による加水分解が進んだ様子が見られます。銅箔有のFlax/PLAは重量の上下変動が大きく、時間経過とともに分解が進んだとは言えないと考えます。金属をきちんと分別しないと生分解性は進まないことを示唆していると思います。最後にこの記事から考えるべきことについて私見を述べます。3点が安定しないという課題があります。天然物なので人工物と比較して品質ばらつきは大きくなることは避けられません。生産者の管理方法でも異なるものができると考えます。生産の不安定さは言うまでもありません。気候変動が激しい昨今、安定した生産量を確保するのは容易ではないでしょう。技術的に最も大きい課題は、繊維の真直性です。環境保全の考え方からみて完全に逆行しています。天然繊維は吸湿性があります。この吸湿減少が寸法安定性に悪影響を与えることは不可避でしょう。これらの課題にも目を向け、実現可能な設計思想が必要だと思います。天然繊維を用いたBPREGの熱可塑性プリプレグ電子基板のリサイクルは産業レベルで始まっている電子基板が単なる廃棄物になるというのは過去のものかもしれません。企業規模問わず、基板をリサイクルする企業が出始めているという情報を入手しています。基盤を破砕したリサイクル材料の出口を明確化する、というフェーズに差し掛かりつつあります。キャパシティーが全廃棄物に対応できるレベルにないという課題も考えられます。リサイクル材料の出口戦略とリサイクルキャパシティーの拡大が、これからフォーカスされていくと考えます。生分解性FRPで作られた基板の評価についてご紹介しました。電気電子の世界は機械工学の世界と比べて展開が早いと感じます。先行業界の強みと厳しさを感じます。基板は今後、より薄くすることが求められていくと思います。なるとGFRPでは乗り越えられない壁が出てくるかもしれません。機械工学の考えだけでなく、電気特性の観点からの設計や評価も必要になります。今回の記事が電気電子とFRPの関係を知っていただく一助になれば幸いです。Reserved.-->。