JP6201187B2 - プラスチックフィルムの評価方法 - Google Patents

Description

本発明は、銅張積層板のベースフィルムとして使用されるプラスチックフィルムの評価方法に関し、特にポリイミドに代表される延伸プラスチックフィルムの製造段階における延伸処理の履歴に関して熱機械分析装置を用いて評価する方法に関する。

フレキシブルプリント配線板（ＦＰＣ）、テープ自動ボンディング用テープ（ＴＡＢ）、チップオンフィルム（ＣＯＦ）等の可撓性の電子部品には、フレキシブルな絶縁基板材料としてプラスチックフィルムが用いられている。かかるプラスチックフィルムの中でも特にポリイミドフィルムは優れた耐熱性を有している上、機械的、電気的、および化学的特性において他のプラスチック材料に比べて遜色ないことから多用されている。例えば上記のＦＰＣは、ポリイミドフィルムの少なくとも片面に金属導体層として銅をスパッタリング等のめっき法で被覆して銅被覆ポリイミド基板を得た後、その金属導体層にパターニング加工することによって作製することができる。

このような銅被覆ポリイミド基板等の銅張積層板に使用されるプラスチックフィルムの評価方法として、ＴＭＡ（Ｔｈｅｒｍｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ）装置を用いてフィルム試料の伸張や収縮挙動を測定する方法が知られている。例えば、非特許文献１には、プラスチックフィルムの試験片を引っ張りモードにて測定し、その製造段階における延伸処理によって配向方向に延びきった分子鎖が収縮することによる収縮過程を観察する手法が記載されている。

また、非特許文献２には、ＴＭＡ装置を用いて銅張積層板のベースフィルムの寸法変化率を測定し、これにより銅張積層板の品質を評価する手法が記載されている。この手法は、銅張積層板の全面銅箔をエッチングにより除去し、得られたプラスチックフィルムに複数の穴を開けてＴＭＡ装置で加熱処理を行い、この加熱処理の前後での穴間隔の変化を測定して寸法変化率を算出するものである。

更に特許文献１には、熱収縮率を算出する方法が開示されている。この方法は測定対象となるプラスチックフィルムに対して２００℃で３０分間の加熱処理を行い、加熱前にプラスチックフィルムに設けた寸法測定用の任意の２点間の距離をＡ、加熱後のその距離Ｂとした時、（Ａ−Ｂ）／Ａ×１００により求めた熱収縮率（％）に基づいてプラスチックフィルムを評価する方法が記載されている。

特開２００１−１６４００６号公報

「フィルムの分析評価技術、(株)情報機構、２００３年」、６４ページ ＪＩＳ Ｃ ６４８１ プリント配線板用銅張積層板試験方法

しかしながら、上記した非特許文献２および特許文献１の手法は、特定の温度及び時間で加熱処理することによって生じる寸法変化率の測定方法であり、プラスチックフィルム製膜工程時における延伸処理の履歴に関する知見を得ることはできなかった。すなわち、プラスチックフィルムに対してＴＭＡ装置を用いて線膨張係数を求める手法については開示されているが、その製造段階における延伸処理の有無について判断したり、延伸処理が施されたプラスチックフィルムの場合は軟化点にあたる延伸温度付近での収縮挙動を解析したりする手法については提案がなされておらず、これを簡便に評価する手法が求められていた。本発明は上記した状況に鑑みてなされたものであり、プラスチックフィルムの製造段階における延伸処理についての履歴を簡便に評価できる方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明に係る第一の実施形態のプラスチックフィルムの評価方法は、熱機械分析装置を用いた引っ張りモードでのプラスチックフィルムの測定による評価方法であって、長尺状のプラスチックフィルムから切り出した試験片に対して、常温から昇温させた時に生じる軟化点近傍における収縮の有無を測定し、収縮が生じた時はその開始時及び終了時のそれぞれの寸法変化率の差異を測定し、その結果に基づいてプラスチックフィルムの製造段階における延伸処理の履歴を評価することを特徴としている。

また、本発明に係る第二の実施形態のプラスチックフィルムの評価方法は、軟化点が１００℃以上のプラスチックフィルムに対して熱機械分析装置を用いた引っ張りモードで測定することで評価する方法であって、該プラスチックフィルムの試験片を室温から１００℃以上２００℃未満の温度まで昇温させてから１００℃未満の温度ｔ_Ａまで冷却する第１の熱処理工程と、温度ｔ_Ａからプラスチックフィルムの軟化点未満の温度ｔ_Ｂまで昇温させる第２の熱処理工程とを連続して行い、該第２の熱処理工程において収縮が生じた場合の収縮開始温度及び収縮終了温度における試験片の長さをそれぞれｐ１及びｐ２とし、温度ｔ_Ａの時の試験片の長さをｐ０とした時、下記式の収縮率αによってプラスチックフィルムの延伸処理の履歴を評価することを特徴としている。
α＝｛（ｐ１／ｐ０）―（ｐ２／ｐ０）｝×１００

本発明によれば、プラスチックフィルムの製造段階において延伸処理が施されたか否か、また、延伸処理が施されたプラスチックフィルムの場合は当該延伸処理の際にかけられた応力はどの程度であるか等の延伸処理の履歴に関する情報を得ることができ、これによりプラスチックフィルムの品質管理を行うことが可能になる。

実施例１のフィルム試験片をＭＤ方向に引っ張って熱処理を行った時の寸法変化率を示すグラフである。 実施例２のフィルム試験片をＭＤ方向に引っ張って熱処理を行った時の寸法変化率を示すグラフである。 実施例３のフィルム試験片をＴＤ方向に引っ張って熱処理を行った時の寸法変化率を示すグラフである。

以下、本発明の樹脂フィルムの評価方法の一具体例について説明する。軟化点が１００℃以上の延伸プラスチックフィルムは、一般的に１００℃以上２００℃未満まで加熱すると脱水により１００℃付近で収縮挙動を示し、さらに加熱を続けると製造段階における延伸処理の際にかけられた温度を超えたあたりで再び収縮挙動を示す。その後、さらに加熱を続けると融解する。この特性を考慮して、窒素雰囲気下において室温から１００℃以上２００℃未満までの昇温を行ってプラスチックフィルムの脱水を行い、その後一旦室温にまで冷却してから続けて昇温を行うことによって、プラスチックフィルムの収縮挙動のデータを得ることができ、このデータを解析することによって当該プラスチックフィルムの製造段階における延伸処理の履歴を把握することができる。

具体的に説明すると、ＴＭＡ装置を使用した引っ張りモードにおけるプラスチックフィルムの寸法変化率の測定において、長尺フィルムから切り出したプラスチックフィルムに対して先ず一旦室温から１００℃以上２００℃未満まで昇温してから１００℃未満の温度ｔ_Ａまで冷却する第１段階の熱処理を行う。この第１段階の熱処理では、昇温過程で脱水によるプラスチックフィルムの収縮が発生し、その後温度ｔ_Ａまで冷却した時に水分を含まないプラスチックフィルム本来の初期寸法である基準長ｐ０を得ることができる。すなわち、その分子鎖に親水基であるカルボニル基を持つプラスチックフィルムの場合、吸水性が高いという特徴を有する為、この第１段階の熱処理で加熱した際に脱水が生じて収縮挙動を示す。このように、プラスチックフィルムが水を含んでいる場合は、この第１段階の熱処理の工程を経ることにより正確な収縮率を得ることが可能になる。

次に、温度ｔ_Ａからプラスチックフィルムの融解温度未満の温度ｔ_Ｂまで昇温する第２段階の熱処理を上記第１段階の熱処理の終了後に連続して行う。これにより、測定対象であるプラスチックフィルムを再度吸湿させることなく測定を行うことができ、プラスチックフィルム本来の正確な寸法変化率を算出することができる。

この第２段階の熱処理の温度ｔ_Ａから温度ｔ_Ｂまで昇温の際、製造段階で延伸処理されたプラスチックフィルムの場合は延伸の際にかけられた温度を超えたあたりになると収縮挙動を示す。そこで、上記した基準長のｐ０に対して、この収縮が開始する温度ｔ_１におけるプラスチックフィルムの長さｐ１とし、収縮が終了する温度ｔ_２におけるプラスチックフィルムの長さｐ２とした時、収縮率α（単位％）を下記の式１により求めることができる。

[式１]
α（％）＝｛（ｐ１／ｐ０）―（ｐ２／ｐ０）｝×１００

そして、上記した収縮率αを例えばロット毎に相対的に比較することで、製造工程時の延伸による残存応力を推定することができる。すなわち、収縮率αが大きければ大きいほど延伸工程での残存応力が大きいと考えられる為、収縮率αが大きいプラスチックフィルムは収縮率αが小さいプラスチックフィルムに比べて延伸工程時にプラスチックフィルムが強く延伸されたと考えられる。また、第２段階の熱処理において収縮挙動が検出されないプラスチックフィルムの場合は、製造段階において延伸処理が施されなかったものであると考えられる。

以上のようにして、プラスチックフィルムの収縮率からそのプラスチックフィルムの製膜時の延伸処理の有無を推定でき、更に、延伸処理が施されたプラスチックフィルムの場合はその処理の強度などの延伸処理の履歴を推定することができる。なお、上記したＴＭＡ装置による測定の際に使用する試験片の形状は、一般的に矩形のフィルム状であり、通常は厚み０.２〜１ｍｍ程度、幅２〜６ｍｍ程度のものが使用される。

ＴＭＡの測定条件は、不活性ガス雰囲気下にて実施し、荷重については３ｇ以上１０ｇ未満、特に５ｇでの測定が望ましい。この荷重が３ｇ未満であると設置場所にも依存するが振動によるノイズを検出しやすくなり、再現性のよいデータを得ることが難しくなる。一方、荷重が１０ｇ以上であるとフィルムに過剰な引っ張りによる伸張が起こる為、サンプル間の寸法変化挙動の差異を検出することが難しくなる。

ＴＭＡ測定時の温度変化については、毎分１℃以上２０℃以下が好ましく、毎分１℃以上１５℃以下がより好ましく、毎分５℃が最も好ましい。この温度変化が毎分１分未満であると測定時間が長時間に及ぶため作業効率が悪くなる。一方、温度変化が毎分１５℃より早いと収縮及び伸長が生じる温度に関して再現性があるデータを得ることが難しくなる。

測定雰囲気については、測定中の吸湿を防ぐ為、大気雰囲気以外での測定が好ましい。但し、ドライエアー等酸素存在下では１００℃以上の昇温でプラスチックフィルムが酸化されて変質してしまう為、空気や酸素に代えてアルゴンや窒素といった不活性ガス雰囲気下で測定するのが望ましい。

測定対象としてのプラスチックフィルムとして、Ａ社製のポリイミドフィルム、Ｂ社製のポリイミドフィルム、及びＡ社製のポリプロピレンフィルムの３種類のフィルムを用意した。これらフィルムの測定には、ブルカー・エイエックス（株）製ＴＭＡ ４０３０ＳＡを使用し、窒素雰囲気下において昇温・冷却速度を毎分５℃に設定し、測定を行った。

［実施例１］
Ａ社製ポリイミドフィルムから、その製膜方向（搬送方向）に対して平行方向（ＭＤ）に引張荷重をかけながらＴＭＡで測定を行うための試料１の試験片と、製膜方向（搬送方向）に対して垂直方向（ＴＤ）に引張荷重をかけながらＴＭＡで測定を行うための試料２の試験片とを切り出した。これら２枚の試験片を各々ＴＭＡ装置にセットし、引っ張りモードで測定を行った。測定の際、第１段階の熱処理として先ず室温から２００℃まで昇温させた後一旦２５℃（温度ｔ_Ａ）まで冷却させ、引き続き第２段階の熱処理として２５℃（温度ｔ_Ａ）から５００℃（温度ｔ_Ｂ）まで昇温させた。

その結果、試料１では２９５℃（温度ｔ_１）で収縮を開始し、３７４℃（温度ｔ_２）で収縮が終了した。これら温度ｔ_Ａ、温度ｔ_１及び温度ｔ_２の時に測定した試験片の寸法ｐ０、ｐ１及びｐ２を、前述した式１に代入して収縮率α（％）計算したところ、収縮率αは０.２３６％であった。一方、試料２では２９７℃（温度ｔ_１）で収縮を開始し、３５５℃（温度ｔ_２）で収縮が終了した。同様にこれら温度ｔ_Ａ、温度ｔ_１及び温度ｔ_２の時に測定した試験片の寸法ｐ０、ｐ１及びｐ２を、前述した式１に代入して収縮率α（％）計算したところ、収縮率αは０.０４８％であった。

以上の結果から、ＴＤ方向及びＭＤ方向の両方で収縮挙動を示したことから、このＡ社製ポリイミドフィルムは二軸延伸されていると判定できる。また、収縮率α（％）の大きさから延伸処理の際に垂直方向（ＴＤ）よりも平行方向（ＭＤ）により強く延伸されたと判断することができる。なお、試料１の第２段階の熱処理における寸法変化率を図１に示す。

［実施例２］
Ｂ社製ポリイミドフィルムに対して実施例１と同様にその製膜方向に対して平行方向（ＭＤ）に引張荷重をかけながらＴＭＡで測定を行うための試料３の試験片と、製膜方向に対して垂直方向（ＴＤ）に引張荷重をかけながらＴＭＡで測定を行うための試料４の試験片とを切り出した。これら２枚の試験片の各々に対して実施例１と同様にＴＭＡの測定を行った。その結果、試料３では２８２℃（ｔ_１）で収縮を開始し、３４１℃（ｔ_２）で収縮が終了した。また、式１に代入して得た収縮率αは０.４８８％であった。一方、試料４では収縮挙動を検出しなかった。以上の結果から、Ｂ社製ポリイミドフィルムはＭＤ方向にのみ一軸延伸されたものであると判定できる。なお、試料３の第２段階の熱処理における寸法変化率を図２に、試料４の第２段階の熱処理における寸法変化率を図３にそれぞれ示す。

［実施例３］
Ａ社製のポリプロピレンフィルムに対して実施例１と同様にその製膜方向に対して平行方向（ＭＤ）に引張荷重をかけながらＴＭＡで測定を行うための試料５の試験片と、製膜方向に対して垂直方向（ＴＤ）に引張荷重をかけながらＴＭＡで測定を行うための試料６の試験片とを切り出した。これら２枚の試験片を各々ＴＭＡ装置にセットし、引っ張りモードで測定を行った。測定の際、第１段階の熱処理として先ず室温から１２０℃まで昇温させた後一旦２５℃（温度ｔ_Ａ）まで冷却させ、引き続き第２段階の熱処理として２５℃（温度ｔ_Ａ）から２００℃（温度ｔ_Ｂ）まで昇温させた。

その結果、このＡ社製のポリプロピレンフィルムは試料５及び６のいずれも収縮挙動が検出されなかった。以上の結果から、このＡ社製のポリプロピレンフィルムは製造段階においてＴＤ方向及びＭＤ方向のいずれにおいても延伸処理が施されなかったものであると判定できる。以上説明したように、本発明の評価方法によれば、ポリイミドフィルムやポリプロピレンフィルムの製膜時の延伸処理の有無やその時にかけられた延伸の強さを簡便に判定することができる。

Claims (2)

1. 熱機械分析装置を用いた引っ張りモードでのプラスチックフィルムの測定による評価方法であって、長尺状のプラスチックフィルムから切り出した試験片に対して、常温から昇温させた時に生じる軟化点近傍における収縮の有無を測定し、収縮が生じた時はその開始時及び終了時のそれぞれの寸法変化率の差異を測定し、その結果に基づいてプラスチックフィルムの製造段階における延伸処理の履歴を評価することを特徴とするプラスチックフィルムの評価方法。
2. 軟化点が１００℃以上のプラスチックフィルムに対して熱機械分析装置を用いた引っ張りモードで測定することで評価する方法であって、該プラスチックフィルムの試験片を室温から１００℃以上２００℃未満の温度まで昇温させてから１００℃未満の温度ｔ_Ａまで冷却する第１の熱処理工程と、温度ｔ_Ａからプラスチックフィルムの軟化点未満の温度ｔ_Ｂまで昇温させる第２の熱処理工程とを連続して行い、該第２の熱処理工程において収縮が生じた場合の収縮開始温度及び収縮終了温度における試験片の長さをそれぞれｐ１及びｐ２とし、温度ｔ_Ａの時の試験片の長さをｐ０とした時、下記式の収縮率αによってプラスチックフィルムの延伸処理の履歴を評価することを特徴とするプラスチックフィルムの評価方法。
   α＝｛（ｐ１／ｐ０）―（ｐ２／ｐ０）｝×１００

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