JP4007067B2

JP4007067B2 - 基材表面層の強度の測定方法及び装置

Info

Publication number: JP4007067B2
Application number: JP2002154245A
Authority: JP
Inventors: 正博佐藤; 直人池川
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2002-05-28
Filing date: 2002-05-28
Publication date: 2007-11-14
Anticipated expiration: 2022-05-28
Also published as: JP2003344265A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、成形回路基板（Molded Interconnect Devise、ＭＩＤ）において立体回路を形成するときに立体基板の基材表面に形成された金属などの膜の密着力を評価するため行う基材表面層の強度の測定方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、基材表面に形成された金属などの膜の引き剥がし強度の測定方法としてプリント配線板の銅膜引き剥がし強度の測定の標準が知られている（例えば、ＪＩＳＣ６４８１「プリント配線板用銅張積層板試験方法」参照）。また、塗装板に付着された塗膜の付着強度を測定するために、塗膜を切刃により切削剥離して、その切削剥離の際に、塗装板表面から剥離した塗膜が切刃に接触する接触点までの垂直方向高さと、剥離した塗膜の先端部から前記接触点までの水平方向長さとを求めて、これらの値と切り込み深さとから塗膜付着強度を歪みエネルギ解放率として求めるものが知られている（例えば、特開平６−１０２１７１号公報参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したＪＩＳＣ６４８１における測定の標準においては、密着力を計測するには数十ｍｍ程度の長さの基材が必要であり、実際のＭＩＤ基板商品においては比較的小型のものが多いため現物の回路パターンの密着力の評価をすることができず、また、基材全体の平均的な密着力が得られるのみであり局所的な密着力を評価することは困難である。さらに、基材表面に形成された膜の膜厚や膜の硬さが異なる場合、本来、界面の特性が同一であって同一の密着強度が得られるべきものに対しても異なる測定結果となることがある。また、特開平６−１０２１７１号公報に示されるような、塗膜を剥離してエネルギ解放率をもとに密着力を評価する方法においては、エネルギ解放率を計測するためには、当然ながら膜を形成した基材を用意する必要がある。さらに、塗膜と切刃先端間の距離を測定する手段が接触式であり、３次元的な立体形状を有する基材表面に形成された膜の密着力を評価することは難しく、また、基材表面が平坦でなくうねりがある場合には切刃で切削する切り込み深さが安定せず、薄い塗膜の場合には切削された塗膜が変形するなどにより、計測精度が悪くなるという問題がある。
【０００４】
本発明は、上記の課題を解消するものであって、局所的な微小領域や３次元的な立体形状又は基材表面が平坦ではなくうねりがある基材であっても密着力の評価が可能であり、測定結果が基材表面に形成される膜の厚さや硬さに依存せず、切込深さが小さくても精度良く計測できる基材表面層の強度の測定方法及び装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を達成するために、請求項１の発明は、基材表面に形成された金属などの膜が界面近傍の基材側で剥離する場合の膜の密着力を、膜を形成することなく基材表層部を切削することにより測定する方法であって、切刃で基材表層部を切削する際に生じる切り屑の開口長さ、開口変位、又は曲率半径の少なくともいずれか１つと、切刃に加わる水平方向荷重と、を同時に計測してエネルギ解放率を求め、このエネルギ解放率に基づいて密着力を算出するものである。
【０００６】
上記の基材表面層の強度の測定方法においては、膜が界面近傍の基材側で剥離する場合、基材表面層の剥離強度を切削におけるエネルギ解放率に基づいて測定するので、膜の密着力を、膜を形成することなく得ることができる。またこの方法によると、表層の微小領域における切削処理により測定を行うので、局所的な密着力の測定ができる。
【０００７】
請求項２の発明は、請求項１記載の基材表面層の強度の測定方法において、切刃による切削は、立体形状を有する基材の、予め指定されている部位の表層部を、表面形状に倣って切削するものである。この基材表面層の強度の測定方法においては、表面形状に倣って切削するので、立体形状を有する基材についても、微小領域で密着性の測定ができる。
【０００８】
請求項３の発明は、基材を固定する支持台と、この支持台に固定された案内部材と、この案内部材に沿って水平方向に直線変位する移動部材と、この移動部材に連動して水平方向に直線変位すると共に上下方向に直線変位する切刃支持体と、この切刃支持体の一端部に装着され上記支持台に固定された基材表面の測定面に押接する切刃と、この切刃の押接角を調整する手段と、を備え、基材表面に形成された金属などの膜が界面近傍の基材側で剥離する場合の膜の密着力を、膜を形成することなく基材表層部を切削することにより測定する基材表面層の強度の測定装置において、上記切刃に生じる切削抵抗力を検出する圧力検出器と、この圧力検出器の出力を記録する手段と、上記切刃の上記測定面から内部への切り込み量を検出する計測器と、この計測器の出力を記録する手段と、上記切刃支持体を指定された位置に移動させる制御手段と、上記切刃の上記測定面の基材表層部の切削速度を調整する手段と、上記切刃が基材表層部を切削する際に生じる切り屑の開口長さ、開口変位、又は曲率半径の少なくともいずれか１つを測定する手段とを備え、前記切り屑の開口長さ、開口変位、又は曲率半径の少なくともいずれか１つと上記切刃に生じる切削抵抗力とからエネルギ解放率を求め、このエネルギ解放率に基づいて密着力を算出するものである。
【０００９】
上記構成の基材表面層の強度の測定装置においては、基材表層面を、一定の切込深さで切削するように、切刃を指定された位置に移動させる制御手段と、切削速度を調整する手段とを備えると共に、切刃が基材表層部を切削する際に生じる切り屑の開口長さ、開口変位、又は曲率半径の少なくともいずれか１つを測定する手段と、切刃に生じる切削抵抗力を測定する手段を備えているので、この装置により得られた測定値から切削に係るエネルギ解放率を求めることができ、このエネルギ解放率に基づいて、膜を形成せずに、また局所的な部位についても、迅速かつ簡便に基材に対する膜の密着力の評価ができる。
【００１０】
請求項４の発明は、請求項３記載の基材表面層の強度の測定装置において、基材表面のうねりを計測する手段を備え、切刃で基材表層部を水平方向に切削する際に、この手段により事前に計測した基材表面のうねりデータに基づいて切刃を上下方向に移動させながら基材表層部を切削するものである。この基材表面層の強度の測定装置においては、基材表面のうねりを計測する手段を備え、事前に計測した基材表面データに基いて切削するので、切刃の切り込み深さを常に一定に保持でき、決まった切削深さでのエネルギ解放率を求めることができる。
【００１１】
請求項５の発明は、請求項３記載の基材表面層の強度の測定装置において、表面形状に倣って上下方向に移動する機構を備えた切刃支持体に取り付けられた切刃を用いて基材表層部を切削するものである。この基材表面層の強度の測定装置においては、表面形状に倣って上下方向に移動する機構を備えているので、切刃の切り込み深さを常に一定に保持でき、決まった切削深さでのエネルギ解放率を求めることができる。
【００１２】
請求項６の発明は、請求項３記載の基材表面層の強度の測定装置において、切刃で基材表層部を水平方向に切削する際に、レーザ変位計などの非接触変位計を用いて基材の表面形状を同時に計測し、計測された表面形状のうねりデータに基づいて切刃を上下方向に移動させながら基材表層部を切削するものである。この基材表面層の強度の測定装置においては、レーザ変位計などの非接触変位計を備えているので、基材表面データに基いて、切刃の切り込み深さを常に一定に保持でき、決まった切削深さでのエネルギ解放率を求めることができる。
【００１３】
請求項７の発明は、請求項３記載の基材表面層の強度の測定装置において、測定時の基材の温度を制御するための手段を備えたものである。この基材表面層の強度の測定装置においては、温度を制御するための手段を備えているので、恒温状態で計測することができ、計測精度を向上すると共にエネルギ解放率の温度依存性を測定することができる。
【００１４】
請求項８の発明は、請求項３記載の基材表面層の強度の測定装置において、測定時の基材の周囲の湿度を制御するための手段を備えたものである。この基材表面層の強度の測定装置においては、湿度を制御するための手段を備えているので、恒湿状態で計測することができ、計測精度を向上すると共にエネルギ解放率の湿度依存性を測定することができる。
【００１５】
請求項９の発明は、請求項３記載の基材表面層の強度の測定装置において、測定時に基材及び切刃を格納する密閉容器と、その容器内部に任意のガスを満たす手段とを備えたものである。この基材表面層の強度の測定装置においては、密閉して切削できるので、反応性ガスを導入することで、反応進行中の表層部強度変化の測定や、不活性ガスによる表層の酸化を抑制した状態で表層部のエネルギ解放率の測定ができる。
【００１６】
請求項１０の発明は、請求項３記載の基材表面層の強度の測定装置において、測定時に切り屑の開口長さ、開口変位、又は曲率半径の少なくともいずれか１つを、切り刃の側面から拡大して画像計測するものである。この基材表面層の強度の測定装置においては、画像データから切削時の形状パラメータを得ることができるので、非接触で迅速な測定ができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
ＭＩＤ基板において回路パターンを形成した場合は、銅膜と成形品基材の界面での密着性がまず問題となるが、この界面の密着性は、種々な改善により、充分な界面強度を得られるようになってきている。そして、このような充分な界面強度が得られる場合、銅膜を剥離させようとすると、次は銅膜に密着した成形品基材表層部の界面より数μｍ〜数１０μｍ下部で剥離することが実験的にも確認され、次の課題として、この表層部の界面近傍の基材側での剥離強度が重要であることが認識された。本発明はここに着眼して、密着力を評価するものである。以下、本発明の一実施形態に係る基材表面層の強度の測定方法について、図１乃至図６を参照して説明する。図面中の共通する部材には同一符号を付して重複説明を省略する。基材表面層が水平となるように基材が固定されているとき、基材表層の切削は、図１に示されるように、切刃７と成形品基材１１の表面Ｓとの角α（角α＝刃角θ＋にげ角φ；例えば、α＝７０゜、α＋β＝９０°、βはすくい角）を一定に保つと共に、基材１１の表面Ｓから一定の深さとなる切込深さｄ（例えば、１μｍ）を保って、切削面Ｔ上を一定の水平方向移動速度Ｖｈ（例えば、０．２μｍ／ｓ）のもとに行われる。一定の切込深さｄと角αを保って切削することにより、一定の条件で切り屑Ｍが生成される。一般に、弾性体が外力を受けて亀裂が進展していく場合、亀裂の進展過程において、単位面積の新生亀裂面を形成する際に解放されるエネルギすなわちエネルギ解放率Ｇが定義される。そして、基材表面に形成された金属などの膜が界面近傍の基材側で剥離する場合、膜の剥離は基材側の亀裂の進展により発生するのであるから、その膜の密着力と前記エネルギ解放率Ｇとを関係づけることが可能となる。このエネルギ解放率Ｇは、切り屑Ｍへの外力である水平方向荷重Ｆｈに関連している。
【００１８】
切削時に切刃に加わる水平方向の荷重Ｆｈと垂直方向荷重Ｆｖ、及び切込深さｄについて、水平方向位置との関係を図２に示す。切削に必要な荷重は、切刃７を移動させるために必要な外力から求められる。この図は、切刃７が基材表層面に切込開始して、切込深さｄが所定の値に達した時点で垂直方向への切刃７の移動を止め、切刃７を水平方向にのみ移動させて切削するときの測定値を示している。測定対象の基材は、芳香族ポリアミド（ポリフタルアミド）樹脂にフィラーとしてガラス繊維を配合量４０ｗｔ％含有させて成形した３０×４０×ｌ（ｍｍ）の平板状の成形品である。また、測定条件は、切刃移動速度が水平方向にＶｈ＝０．２μｍ／ｓ、垂直方向にＶｖ＝０．０２μｍ／ｓであり、切刃の刃幅ｗが１ｍｍ、切刃材質が単結晶ダイヤモンド、切刃の形状について、すくい角βが２０゜、刃角θが６０゜、にげ角φが１０゜である。
【００１９】
次に、測定に基づいたエネルギ解放率Ｇの算出について説明する。エネルギ解放率Ｇは、図３に示される剥離した切り屑Ｍの開口長さｂ、開口変位ｕ、又は曲率半径Ｒの少なくともいずれか１つと、切刃７に負荷される水平方向の荷重Ｆｈを測定することにより求められる。図３において、切り屑Ｍは曲率半径Ｒの円弧形状が仮定されており、角αを持つ切刃７の面と切り屑Ｍが点Ａで接し、切刃７の先端が点Ｂで切削面Ｔに接し、切り屑Ｍの円弧が亀裂の先端Ｃで切削面Ｔに接している。点Ａから切削面Ｔへの垂線の足をＤとすると、開口長さｂはＣＤで定義され、開口変位ｕはＡＤで定義される。また、以下の説明では、角度として切刃７の刃角θににげ角φを加えた角α（α＝θ＋φ）が用いられる。ここで、開口変位ｕと水平方向の荷重Ｐ（＝Ｆｈ）、コンプライアンスλ（ばね定数の逆数）は、関係λ＝ｕ／Ｐで表される。曲率半径Ｒが測定された場合、切り屑Ｍを試験片と見たてて、試験片の弾性率Ｅ、断面二次モーメントＩｚを求めると、カスチリアーノの定理を適用することで、次式にしたがってエネルギ解放率Ｇを算出することができる。次式中において、Ａは亀裂面積であり、式（亀裂面積Ａ）＝（開口長さｂ）×（切刃の幅ｗ）で定義される。
Ｇ＝Ｐ^２／２・ｄλ／ｄＡ
λ＝ｕ／Ｐ＝Ｒ^３（１／２ｓｉｎ^２α−αｓｉｎαｃｏｓα−ｃｏｓ^２α＋ｃｏｓα）／（Ｅ・Ｉｚ）
【００２０】
曲率半径Ｒの代わりに開口長さｂ、又は開口変位ｕの測定値が用いられる場合は、以下の式を用いて曲率半径Ｒが算出され、上式に代入される。
Ｒ＝ｂ／（ｔａｎ（α／２）・（１＋ｃｏｓα））
Ｒ＝ｕ・ｓｉｎα／（１＋ｃｏｓα）
【００２１】
実際の成形品について求めたエネルギ解放率Ｇは、図４に示されるように、膜の密着力の指標であるピール強度に対して高い相関関係を示している。このことから、エネルギ解放率Ｇによって密着力を評価できることが分かる。図４において、エネルギ解放率Ｇの算出には、曲率半径Ｒの測定値４μｍ、角度α＝７０゜が用いられている。また、成形基材は、樹脂単体Ｂ、樹脂単体Ａ、及び樹脂Ａに添加するフィラーの種類を変更したものによる成形品である。膜のピール強度の測定は、各成形品表面に形成された電気銅めっきを主体とする膜厚１５μｍ、幅５ｍｍの密着力評価用パターンについて、万能試験機（島津製作所製ＥＧＴＥＳＴ）を用いて行われ、単位幅あたりの銅膜引き剥がし強度（９０度ピール強度）として求められている。
【００２２】
また、測定面が図５に示されるように平坦ではない場合について、エネルギ解放率Ｇと密着力との関係の測定結果を図６に示す。平坦部Ａ１，Ａ２，Ａ３と凸部Ｂ１，Ｂ２及び凹部Ｃ１，Ｃ２のエネルギ解放率Ｇの測定は、予め指定されている部位の表層部を表面形状Ｓに倣い、移動方向Ｘに沿って切刃７で切削して行われる。成形品基材及び測定の条件は前述と同じである。
【００２３】
次に、本発明の一実施形態に係る基材表面層の強度の測定装置について、図７乃至図１０を参照して説明する。基材表面層の強度の測定装置は、図７（ａ）に示されるように、水平に置かれた装置下部のベースとなる支持台１に、上向きに設けられた支持部材２が有り、その上部近くに案内部材３が水平に固定され、案内部材３に移動部材４が水平に軸着され、移動部材４に対して上下方向に摺動するように固定された移動部材５に切刃支持体６が固定され、その切刃支持体６の下端に切刃７が取り付けられた構造を有している。切刃７は、支持台１上に支持具１０によって固定された基材１１の表面を矢印Ｘの方向に移動しながら、基材表面層を切削する。
【００２４】
本装置の各部は、以下のように動作及び制御が行われる。移動部材４は、案内部材３に沿って、水平方向に直線変位可能であり、その水平方向変位は、移動部材４に結合されたナット１８にねじ込まれたねじ切り棒１７の一端部を支持部材２に固定されたモータ１６を用いて回転することにより行われる。同様に、移動部材５は、基材表面に対して垂直（上下）変位可能であり、その上下変位は、移動部材５に結合されたナット１４にねじ込まれたネジ切り棒１５の一端部をモータ１３を用いて回転することにより行われる。移動部材４ａにはマイクロメータ１９が固定されており、その先端部を隣接する移動部材４ｂに押し当てることにより、切刃７の先端部の幅方向傾きが基材１１の表面と平行となるように調節される。圧力検出器８，９は、それぞれ移動部材４，５に固定され、切刃７に生じる切削抵抗力の水平成分と垂直成分をそれぞれ検出する。変位計１２は、移動部材４ａに固定され、切刃７の切込深さを検出する。検出された切削抵抗力と切込深さは、Ａ／Ｄ変換器２１によりＡ／Ｄ変換され、パソコン２０に取り込まれると共に、データの記録及び保存が行われる。モータ１３、１６は、コントローラ２２を介して接続されたパソコン２０により制御される。
【００２５】
切刃７で基材１１の表面を切削する際、図７（ｂ）に示されるように、切り屑の開口長さ、開口変位、曲率半径の少なくともいずれか１つが、例えばＣＣＤカメラ２３で画像計測される。この際、照明装置２４ａ、２４ｂを適切に用いることで、切り屑の形状の計測精度を高めることができる。撮影された画像は、モニタ２５に表示されされると共に、パソコン２０に取り込まれて切り屑の形状から例えば切り屑の曲率半径が測定される。
【００２６】
上記構成において、次の手順により立体基板の基材表面層の強度測定が行われる。まず、密着力を評価する基材１１を、支持台１に支持具１０を用いて固定する。次に、基材１１の密着力を評価する部分に、切刃７の先端を合わせる。基材表面の切込速度（水平、垂直）を設定する。設定した切込速度で基材表面を切削する。切刃７がある深さに達したら下方（切込）方向への移動を停止し、水平方向にのみ切削する。このときに生じる切り屑の開口長さ、開口変位、曲率半径の少なくとも何れか１つと、切刃に生じる切削抵抗力を計測し、計測値に基づいてエネルギー解放率を求める。
【００２７】
基材表面にうねりが存在する場合、図８（ａ）、（ｂ）に示されるように、切刃７の進行方向Ｘの前方に設置された変位計３０，３１によって、切削を行う前に表面のうねりを計測する。変位計３０はマイクロメータなどの接触型の変位計であり、変位計３１はレーザ変位計などの非接触型変位計である。そして、その計測値をＡ／Ｄ変換器２１でＡ／Ｄ変換し、パソコン２０上で演算処理し、その表面形状をメモリ４０に記憶させておく。次に、メモリ４０に記憶された表面形状にのうねりに倣って、切刃７を垂直及び水平方向に移動させることにより、切刃７の切込深さを常に所定値に保持して所定の深さにおけるエネルギ解放率を求めることができる。
【００２８】
また、基材表面にうねりが存在する場合、図９に示されるように、表面形状に倣って上下方向に変位する機構に取り付けられた切刃７を用いて基材の表層部を一定深さにおいて切削することができる。図９（ａ）において、水平に固定された案内部材３に軸着された移動部材４に対して、上下方向に摺動するように固定された移動部材５に案内部材２６が軸着され、案内部材２６に圧力検出器９を介して切刃支持体６が固定されている。圧力検出器９に結合されたナット１４ｂには、ねじ棒１５ｂがねじ込まれており、ねじの一端部がモータ１３ｂにより回転されることにより、移動部材５に対する切刃支持体６の相対上下動が行われる。また、図９（ｂ），（ｃ）に示されるように、移動部材５の側面部にはローラ支持部材２８を介してローラ２７が取り付けられている。このようなローラ２７による倣い機構を備えた構成において、切刃７により基材１１の表面層を切削する際、ローラ２７は基材１１の表面形状に倣って基材１１上を転がると共に、移動部材５が移動部材４に対して相対的に上下動を行う。このとき、切刃７の切込深さは、移動部材５に対する切刃支持体６の相対距離であり、その距離は移動部材５に取り付けられた変位計１２により計測される。このようにすると、基材１１の表面形状を事前に計測することなしに切刃７の切込深さを常に一定に保持することが可能になる。
【００２９】
また、基材表面にうねりが存在する場合、図１０に示されるように、レーザ変位計３１を用いたフィードフォワード制御を行うことにより、基材の表層部を一定深さにおいて切削することができる。切刃進行方向Ｘの前方に設置された接触式又は非接触式の変位計によって得られた基材表面位置の上下変位データに基づいて、切刃７の上下動がリアルタイム制御される。この装置においては、事前に表面形状を測定することなしに、切刃の切込深さを常に一定に保持して切削することが可能となる。
【００３０】
次に、本発明の一実施形態に係る基材表面層の強度の測定装置において、基材表面切削時の環境を制御する装置について、図１１乃至図１３を参照して説明する。図１１に示されるように、基材１１、支持具１０及び切刃７を覆うような加熱チャンバ４０を設置することで、高温状態におけるエネルギ解放率を測定することができる。圧縮空気４１が加熱ユニット４２に供給され、加熱された空気が加熱チャンバ４０に供給されることによって、基材１１が加熱される。また、基材１１の温度を測定する熱電対４３からの基材温度データ信号を温度コントローラ４４に送り、加熱ユニット４２が制御される。加熱ユニット４２からチヤンバ給気口４５までを結ぶ配管にも、断熱材とヒータが巻かれている。また、加熱チャンバ４０もヒータと断熱材で覆われている。温度変化による基材表面の変位を図る変位計の精度低下を避けるため、レーザ変位計３１を加熱チャンバ４０の外に設置し、加熱チャンバ４０に設けられた石英ガラス窓Ｗを通して、切刃７の上下方向の移動量が計測される。基材１１の温度を制御する方式は、これに限られることなく、例えば、基材１１下部の支持台１の一部にヒータを埋設し、熱伝導によって加熱するようにしてもよい。このように、恒温状態での計測を行うことで、計測精度の向上やエネルギ解放率の温度依存性の計測が可能となる。また、低温状態で計測を行う場合には、加熱ユニット４２の代わりに液体窒素ボンベからガスを供給することによって、低温状態におけるエネルギ解放率を測定することができる。
【００３１】
また、図１２に示されるように、基材１１、支持具１０及び切刃７を覆うようなチャンバ４０を設置し、チャンバ４０内に設けられた湿度センサ５３で湿度を検知し、湿度コントローラ５４でチャンバ４０内の空気が所定の湿度になるように制御することで、湿度一定状態におけるエネルギ解放率を測定することができる。恒湿状態で計測することにより、湿度変化の影響を受けない計測や、エネルギ解放率の湿度依存性、基材の吸水率依存性を計測することができる。
【００３２】
また、図１３に示されるように、基材１１、支持具１０及び切刃７を覆うようなチャンバ４０を設置し、その内部に任意のガスを満たすようにしてもよい。チャンバ４０内に設けられたガス濃度センサ６３によりチャンバ４０内の気体雰囲気の濃度が検知され、濃度コントローラ６４によりガスボンベ６２からチャンバ４０内に流入する気体の流量を制御される。反応性ガスを使用する場合、例えば一定時問毎にエネルギ解放率を計測すれば、基材表面の劣化の進行に対応したエネルギ解放率の変化の計測をすることができる。なお、ガス濃度センサは使用するガスに応じて適切なものを選択する。このように、反応性ガスを導入することにより、反応進行中の表層部強度変化や、表層の酸化を抑制した状態での表層部のエネルギ解放率の計測ができるようになる。
【００３３】
以下に、切り屑断面の画像撮影について、図１４及び図１５を参照して説明する。図１４は基材表面を切削しているところの画像であり、この画像は、前出の図７（ｂ）に示されるように、切刃７の可動方向に対して垂直な方向から、バックライト下でＣＣＤカメラ２３により拡大観察することにより得ることができる。基材表面切削により切り屑Ｍが生成されるときの開口長さ、開口変位、曲率半径の少なくともいずれか１つを測定するには、このように切刃７の側面から切削部分を拡大して撮影した画像データを用いて計測することができる。切刃７の先端部分は、基材１１に隠れることになるので、画像に表示された部分から外挿して測定することができる。また、切刃７の先端部分について、特に精密に測定する場合は、図１５に示されるように、測定個所の周辺について予め予備切削を行って、切削面Ｔが切り屑Ｍの削りだし状態を画像撮影すればよい。このとき、切り屑Ｍの幅は、切刃７の刃幅ではないため、その切り屑Ｍの幅をエネルギ解放率の計算に用いるため別途求める必要がある。このような画像に対して画像処理を行い、剥離した切り屑の開口長さ、開口変位、曲率半径の少なくともいずれか１つを得る。具体的には、既知である「切刃の傾き」と一致するように、切屑Ｍの切削面円弧上の点Ｐ１を決定する。次に、Ｐ１を通る「切刃の傾き」を持つ線が、基材表面上の任意の２点を通る線と交差する点をＰ２とする。更に、切屑Ｍの円弧上でＰ１点以外の任意の２点Ｐ３，Ｐ４を選択することで、曲率半径Ｒが決定される。これより、基材表面上の任意の２点を通る線と切屑の円弧との交点として点Ｐ４が、また、点Ｐ１から垂線によりＰ５が定められる。このようにして、剥離した切り屑の開口長さｂ、開口変位ｕ、曲率半径Ｒの少なくともいずれか１つを得る。リアルタイムで、その場観察ができるように、ステッピングモータ等の精密制御可能な動力源を使って、ＣＣＤカメラと照明装置とを切刃の動きに同期させることもできる。
【００３４】
上記の画像撮影において、予め基材材料に蓄光顔料を混ぜておいたり、あるいは基材表面や側面に蛍光体や顔料を塗布した後に、基材の表層部を切削することにより、照明を当てたときに画像のコントラストを高め、切り屑の視認性を上げて計測精度を向上することができる。例えば、燐光性硫化亜鉛タイプの蓄光顔料（根本特殊化学（株）製ＧＳＳ）を材料中に混ぜて成形する、又は蓄光塗装用スプレーを少なくとも成形品の側面に吹き付けた上で、切削を行うなどにより、切屑の視認性を向上させることができる。
【００３５】
なお、本発明は、上記構成に限られることなく種々の変形が可能である。例えば、画像撮影において、電子線加熱式の真空蒸着などにより、約０．３μｍ厚みの金の膜を切刃の側面に形成して切刃の側面に反射膜を付けることにより、画像計測部側の照明を切刃側面で明瞭に反射させて、切刃輪郭の視認性が向上させることができる。
【００３６】
【発明の効果】
以上のように請求項１の発明によれば、膜が界面近傍の基材側で剥離する場合、基材表面層の剥離強度を切削におけるエネルギ解放率に基づいて測定するので、膜の密着力を、膜を形成することなく得ることができる。また、この方法によると、表層の切削処理により測定を行うので、銅薄膜によるファインパターン回路に対応するような基材表面の微小領域における密着力の測定ができる。測定用の試料を準備しなくても、現物の商品（立体基板）における密着性の評価が可能であり、密着力評価の簡便化、迅速化が図れる。
【００３７】
請求項２の発明によれば、表面形状に倣って切削するので、立体形状を有する基材についても、微小領域で密着性の測定ができ、３次元的な立体形状を有する基材や表面にうねりのある基材でも、平面、斜面を問わず、あらゆる部分の密着性を評価できるので、３次元立体回路基板などの密着性評価に適用可能である。
【００３８】
請求項３の発明によれば、基材表層面の切削に係るエネルギ解放率を求めることができ、このエネルギ解放率に基づいて、膜を形成せずに、また局所的な部位についても、迅速かつ簡便に基材剥離強度を簡便かつ迅速に測定することができる。また、局所的な微小領域や３次元的な立体形状又は基材表面が平坦ではなくうねりがある基材であっても測定可能であり、測定結果が基材表面に形成される膜の厚さや硬さに依存せず、切込深さが小さくても精度良く計測できる。そして、得られた剥離強度にもとづいて、基材表面に形成された金属などの膜が界面近傍の基材側で剥離する場合の膜の密着力を、膜を形成することなく評価することができる。
【００３９】
請求項４乃至請求項６の発明によれば、表面形状にうねりのある基材表面についても、切刃の切り込み深さを常に一定に保持して、決まった厚さでのエネルギ解放率を求めることができる。
【００４０】
請求項７乃至請求項９の発明によれば、温度、湿度そしてガス雰囲気を制御して、恒温状態、恒湿状態そして特定のガス雰囲気状態において、エネルギ解放率の各種依存性の測定及び安定した再現性の良い測定ができる。
【００４１】
請求項１０の発明によれば、画像データから切削時の形状パラメータを得ることができるので、非接触で迅速な測定ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による基材表面層の強度の測定方法における基材表層の切削を説明する断面図。
【図２】同方法における切削荷重及び切込深さの切削位置依存性を説明する図。
【図３】同方法における基材表層切削部分の詳細断面図。
【図４】同方法により求められたエネルギ解放率のピール強度に対する相関性を説明する図。
【図５】同方法における非平坦部の基材切削を説明する図。
【図６】同方法により求められたエネルギ解放率とピール強度を比較説明する図。
【図７】（ａ）は本発明の一実施形態による基材表面層の強度の測定装置の側面図、（ｂ）は同正面図。
【図８】（ａ）は同装置に接触式変位計を設けた装置側面図、（ｂ）は同装置に非接触式変位計を設けた装置側面図。
【図９】（ａ）は同装置に倣い機構を設けた他の形態を説明する側面図、（ｂ）は同正面図、（ｃ）は倣い機構（ローラ部分）の側面図。
【図１０】同方法及び装置による切込深さ自動制御を説明する概念図。
【図１１】同装置における基材温度の制御を説明する側面図。
【図１２】同装置における基材湿度の制御を説明する側面図。
【図１３】同装置における切削環境雰囲気の制御を説明する側面図。
【図１４】同方法及び装置における基材切削部の画像から切削パラメータを求める方法を説明する図。
【図１５】同方法及び装置における切削パラメータを測定する切削方法を説明する斜視図。
【符号の説明】
６切刃支持体
７切刃
８、９圧力検出器
１１基材（立体基板）
１２マイクロメータ
１３、１６モータ
２２コントローラ
２３ＣＣＤカメラ
３１レーザ変位計（非接触変位計）
Ｓ基材表面
Ｔ切削面
ｂ開口長さ
ｕ開口変位
Ｇエネルギ解放率
Ｍ切り屑
Ｒ曲率半径
Ｆｈ水平方向荷重
Ｐ水平方向荷重

Claims

基材表面に形成された金属などの膜が界面近傍の基材側で剥離する場合の膜の密着力を、膜を形成することなく基材表層部を切削することにより測定する方法であって、切刃で基材表層部を切削する際に生じる切り屑の開口長さ、開口変位、又は曲率半径の少なくともいずれか１つと、切刃に加わる水平方向荷重と、を同時に計測してエネルギ解放率を求め、このエネルギ解放率に基づいて密着力を算出することを特徴とする基材表面層の強度の測定方法。
切刃による切削は、立体形状を有する基材の、予め指定されている部位の表層部を、表面形状に倣って切削することを特徴とする請求項１記載の基材表面層の強度の測定方法。
基材を固定する支持台と、この支持台に固定された案内部材と、この案内部材に沿って水平方向に直線変位する移動部材と、この移動部材に連動して水平方向に直線変位すると共に上下方向に直線変位する切刃支持体と、この切刃支持体の一端部に装着され上記支持台に固定された基材表面の測定面に押接する切刃と、この切刃の押接角を調整する手段と、を備え、基材表面に形成された金属などの膜が界面近傍の基材側で剥離する場合の膜の密着力を、膜を形成することなく基材表層部を切削することにより測定する基材表面層の強度の測定装置であって、
上記切刃に生じる切削抵抗力を検出する圧力検出器と、
この圧力検出器の出力を記録する手段と、
上記切刃の上記測定面から内部への切り込み量を検出する計測器と、
この計測器の出力を記録する手段と、
上記切刃支持体を指定された位置に移動させる制御手段と、
上記切刃の上記測定面の基材表層部の切削速度を調整する手段と、
上記切刃が基材表層部を切削する際に生じる切り屑の開口長さ、開口変位、又は曲率半径の少なくともいずれか１つを測定する手段とを備え、前記切り屑の開口長さ、開口変位、又は曲率半径の少なくともいずれか１つと上記切刃に生じる切削抵抗力とからエネルギ解放率を求め、このエネルギ解放率に基づいて密着力を算出することを特徴とする基材表面層の強度の測定装置。
基材表面のうねりを計測する手段を備え、切刃で基材表層部を水平方向に切削する際に、この手段により事前に計測した基材表面のうねりデータに基づいて切刃を上下方向に移動させながら基材表層部を切削することを特徴とする請求項３記載の基材表面層の強度の測定装置。
表面形状に倣って上下方向に移動する機構を備えた切刃支持体に取り付けられた切刃を用いて基材表層部を切削することを特徴とする請求項３記載の基材表面層の強度の測定装置。
切刃で基材表層部を水平方向に切削する際に、レーザ変位計などの非接触変位計を用いて基材の表面形状を同時に計測し、計測された表面形状のうねりデータに基づいて切刃を上下方向に移動させながら基材表層部を切削することを特徴とする請求項３記載の基材表面層の強度の測定装置。
測定時の基材の温度を制御するための手段を備えたことを特徴とする請求項３記載の基材表面層の強度の測定装置。
測定時の基材の周囲の湿度を制御するための手段を備えたことを特徴とする請求項３記載の基材表面層の強度の測定装置。
測定時に基材及び切刃を格納する密閉容器と、その容器内部に任意のガスを満たす手段とを備えたことを特徴とする請求項３記載の基材表面層の強度の測定装置。
測定時に切り屑の開口長さ、開口変位、又は曲率半径の少なくともいずれか１つを、切り刃の側面から拡大して画像計測することを特徴とする請求項３記載の基材表面層の強度の測定装置。