プラスチック筐体の導電性・EMIシールド・帯電防止コーティング

プラスチック筐体の導電性・EMIシールド・帯電防止コーティング

要点

• まず電気的な役割を定義してください。帯電防止、静電気拡散性、EMIシールドの要件は、抵抗値が何桁も異なり、それぞれ異なる種類のコーティングにつながります。
• 密着性が主な不具合モードです。剥離したり割れたりする導電膜は機能を失い、保護するはずだった電子機器の内部に導電性の破片を放出するおそれがあります。
• 表面の準備が結果を左右します。低表面エネルギー、充填材入り、離型剤に汚染された樹脂には、金属フィラー入り塗料、メタライゼーション、めっきの工程の前に、管理された洗浄と前処理が必要です。
• コンディショニング後の性能を仕様にしてください。抵抗、シールド性、密着性は、湿度試験と熱サイクルの後に検証し、ガスケットや接地部の界面での接触抵抗も含める必要があります。

ほとんどのエンジニアリング熱可塑性樹脂は優れた電気絶縁体であり、そのため電子機器を収める筐体では2つの問題が繰り返し生じます。1つ目は、絶縁性の筐体は電磁波や高周波の干渉を封じ込めたり排除したりする効果がほとんどなく、プラスチックの筐体は金属製と比べて単独ではほとんどシールド性がないことです。2つ目は、絶縁性の表面は接触と分離によって静電気を蓄積し、それが敏感な部品に放電したり、ほこりを引き寄せたり、生産ラインでの取り扱い上の問題を起こしたりすることです。

設計者は、樹脂そのものを変えるか、はるかに多くの場合、部品に機能性コーティングを施すことで、この両方に対処します。本稿では、導電性、EMIシールド、帯電防止のプラスチック筐体向けの主なコーティングの選択肢、ほとんどのプログラムで密着性が問題になる理由、そして量産でも通用する仕様の書き方を概観します。

プラスチック筐体に導電処理が必要な理由

プラスチックが多くの筐体で金属に置き換わったのは、軽量、設計の自由度、機能の一体化、量産時の部品コストの低さといった十分な理由があります。ただし、金属が標準で備えていたシールドと接地は、意図的に付け加え直さなければなりません。

要件は通常、次の3つのグループに分かれます。

• EMI/RFIシールド。コンピューティング、通信、医療、自動車、産業用電子機器の筐体では、機器からの放射エミッションを抑え、内部回路を外部の電磁界から保護する必要があることが多くあります。
• 静電気放電（ESD）の制御。敏感な部品に接触したり、それを取り囲んだりする筐体、トレイ、カバー、治具では、電荷をため込んで突然放出するのではなく、制御された形で逃がす必要がある場合があります。
• ほこりと取り扱い。帯電した表面は空気中の粒子を引き寄せるため、光学部品、ディスプレイの窓、外観面で問題になります。

実際には、これらの要件は重なり合います。ある機器では、筐体の内側にシールド層、シャーシまたはプリント基板への接地の導通、そして静電気拡散性の外装が必要になることがあります。エレクトロニクス向けプラスチックのプログラムに携わるエンジニアは、プロセスを選ぶ前に、各表面がどの機能を果たすべきかを決めておく必要があります。その答えによって、化学系、膜厚、マスキング計画、試験方法が変わるためです。

帯電防止、静電気拡散性、導電性の違いを理解する

これらの用語はしばしば同じ意味で使われ、仕様の不整合を招きます。それぞれ電気抵抗の異なる範囲を表しており、一般に使われる分類は、桁単位の大まかな帯域です。正確な境界は規格や社内仕様によって異なるため、以下の範囲は典型的な分類にすぎません。

• 導電性の表面は、一般に表面抵抗率がおよそ104〜105 Ω/sq未満のものを指します。電荷は表面を素早く移動し、直接接地できます。
• 静電気拡散性の表面は、一般におよそ104〜105から約1011〜1012 Ω/sqまでの帯域に位置づけられます。電荷が制御された形で流れ去るため、急激な放電事象のリスクが低減します。
• 絶縁性の表面はその帯域より上にあり、電荷を保持します。

「帯電防止」は、これらの用語の中で最も曖昧です。一般に、摩擦や分離によって電荷が発生しにくい材料に対して使われ、拡散性の範囲の上限側と関連づけられることが多い用語です。多くの帯電防止処理は、薄い水分層を引き寄せる吸湿性の添加剤に依存するため、性能が周囲の湿度に大きく左右されることがあります。

EMIシールドは、また別の要件です。シールド性は連続した高導電性の層に依存し、シールド用コーティングは一般に1 Ω/sq程度かそれ以下の抵抗で規定され、静電気対策に必要なものよりはるかに導電性が高くなります。ESD制御には十分なコーティングでも、有用なシールド性を実質的にまったく提供しないことがあります。

導電性・シールド用表面のコーティングの選択肢

以下の各技術にはそれぞれ適した場面があります。選定は、必要な導電性、形状、樹脂、生産量、コストによって決まります。これらの仕上げの適格性確認の方法は、工業用コーティングのページで概説しています。導電性塗料の多くは、加飾仕上げと同じ塗布・硬化上の制約を持つ液体系であるため、プラスチックに対する液体、粉体、UV硬化コーティングの選択に関する一般的な指針もここに当てはまります。

金属フィラー入り導電性塗料

金属の粒子やフレークを充填した塗料のスプレー塗布は、成形筐体の内側をシールドするうえで最も広く使われている手法です。一般的なフィラーは次のとおりです。

• 銀：導電性が最も高く、耐酸化性も良好ですが、材料コストが最も高くなります。
• 銅：導電性が高くコストは低めですが、銅は酸化するため、配合で粒子を保護する必要があり、長期安定性の確認が必要です。
• 銀コート銅：低コストの芯材で、銀に近い表面導電性に迫る妥協案です。
• ニッケル：導電性は銀や銅より低いものの、耐食性が良く、一般的なシャーシ用金属との適合性も概して高くなります。

これらの塗料は通常、内面にのみ塗布し、外面は成形したまま、または加飾した状態にします。導電性は膜厚と粒子同士の接触に依存するため、乾燥膜厚の管理、スプレーパターンの一貫性、リブ、ボス、コーナー部への塗着は、塗料そのものと同じくらい重要です。

真空メタライゼーションとPVD

真空メタライゼーションと物理蒸着（PVD）は、蒸着やスパッタリングを含め、真空チャンバー内で、最も多くはアルミニウムの薄い金属膜を成膜します。露出した表面には非常に薄く均一な膜ができますが、プロセスは主に直進的（ライン・オブ・サイト）であるため、凹部やアンダーカットには治具設計での配慮が必要です。多くのプラスチックは真空下で水分や低分子量成分を放出するため、ベースコートや事前乾燥がよく使われます。膜が薄いため、シールド性と耐久性は用途ごとに確認すべきです。

プラスチックへの無電解めっき・電気めっき

プラスチックへのめっきは、エッチング、触媒付与、無電解析出という一連の工程で連続した金属層を形成し、一般に銅を析出させた後、耐食のためニッケルで上塗りします。必要に応じて、その後さらに電気めっきで厚くできます。この工程は、従来、ABSやPC/ABSなどのめっき可能グレードで最もよく確立されてきました。エッチング薬品は樹脂ごとに固有で、業界は六価クロムを含むエッチング液から移行しつつあるため、適格性確認は実際に使用する薬品を反映したものにすべきです。めっきは部品の両面に施せます。マスキング、またはめっき可能な樹脂と不可能な樹脂の二色成形により、選択的なめっきも可能です。

本質的導電性コーティングとカーボン充填コーティング

カーボンブラック、グラファイト、カーボンナノ材料、あるいはポリアニリンやPEDOT系のような本質的導電性ポリマーをベースとするコーティングは、一般に静電気拡散性から中程度の導電性の範囲に達します。ESD制御やほこりの低減に適しており、本質的導電性ポリマーのコーティングの中には、窓やディスプレイ向けに薄く透明にできるものもあります。意味のあるシールド性が必要な場合に、金属ベースの層の代わりになることは一般的にありません。

導電性コンパウンド：コーティングに代わる選択肢

参考までに、導電性はカーボンブラック、炭素繊維、ステンレス繊維、金属被覆繊維、カーボンナノチューブとのコンパウンドによって、樹脂そのものに持たせることもできます。これにより二次工程とその密着リスクがなくなりますが、コスト、色の選択肢、衝撃強度、流動性とのトレードオフがあり、成形品表層の樹脂リッチな層のために、表面の接触抵抗がバルクの特性から想定される値より高くなることがあります。コンパウンドは、静電気拡散性のトレイやキャリアに適することが多く、シールド筐体では、コーティングやめっきのほうが一般的に採用されます。

密着性：主な不具合モード

導電性コーティングが電気的に機能しなくなるのは、多くの場合、それより先に機械的に破損しているためです。金属フィラー入りの膜が割れたり、浮いたり、膨れたりすると、連続した導電経路が途切れ、シールド性や接地が低下します。加飾コーティングにはない機能上の危険もあります。組立品の内部に放出された導電性コーティングの薄片が、回路パターンや接点を橋絡するおそれがあることです。

筐体用の樹脂で密着を難しくする要因はいくつかあります。

• 低表面エネルギー。ポリオレフィンや一部のエンジニアリング樹脂は、改質なしでは濡れにくく、接着が困難です。表面エネルギーを管理しながら高める選択肢は、当社のプラスチックの表面前処理の概要で扱っています。
• 充填材入り・強化グレード。ガラスやミネラルの充填樹脂は不均質な表面となり、電子機器の筐体に一般的な難燃剤パッケージは、表面に移行することがあります。
• 汚染。離型剤、移行性の帯電防止添加剤、スリップ剤、取り扱い時の残渣は、いずれも接着を妨げます。ベース樹脂に含まれる内部移行型の帯電防止剤は、その上に施すコーティングの密着を損なうことがあります。
• 溶剤による攻撃とストレスクラック。溶剤系コーティングは、ポリカーボネートなどの非晶性樹脂に環境応力亀裂を起こすことがあり、特にゲート、ボス、スナップフィット付近の成形応力の集中部で生じます。
• 熱膨張の不一致。金属膜とプラスチック基材は膨張率が大きく異なるため、熱サイクルが界面に応力をかけ、薄い導電層に亀裂が入ることがあります。

通常の対策は、管理された洗浄と、それに続く適切な前処理です。プラズマ、火炎などの処理は表面を酸化させ、濡れと化学的な結合を改善する極性官能基を付与します。そのメカニズムは、当社ライブラリーの密着性のためのポリマーのプラズマ表面前処理に関する論文で解説しています。量産で密着の問題が実際に発生した場合は、塗料やインクがプラスチック部品から剥離する理由で述べているような体系的な根本原因の手法によって、コーティングのサプライヤーを単に切り替えるのではなく、基材、プロセス、コーティングの原因を切り分けます。

マスキング、選択的コーティング、界面

全体をコーティングする筐体はほとんどありません。外観の化粧面、アンテナ窓、ライトパイプ、ねじ部、一部のスナップフィットは通常コーティングしないままにし、一方で、接地パッド、ガスケットランド、嵌合フランジは確実にコーティングする必要があります。無線製品では特に注意が必要です。アンテナ領域の上や近くのシールドは無線性能を損なうことがあるため、図面に禁止ゾーンを定めるべきです。

一般的なマスキング方法には、再使用可能な金属またはエラストマーのマスク、選択した領域を遮蔽する治具、マスキングテープやプラグ、選択めっきのための二色成形のような設計上の手法があります。マスクのエッジの精度が重要です。化粧面へのオーバースプレーは不良となり、接地パッドの縁がぼやけると接触抵抗が高くなることがあります。マスクにもコーティングが蓄積するため、清掃の計画が必要です。

腐食と電食に関する考慮事項

導電性コーティングがガスケット、スプリングフィンガー、ファスナー、金属シャーシに接する箇所では、異種の導体が出会います。湿度や結露した水分がある環境では、電気化学ポテンシャルの大きな差が電食（ガルバニック腐食）を引き起こすことがあり、コーティング自体が無傷でも、腐食生成物が接触抵抗を高めます。銀を含むコーティングとアルミニウムの組み合わせは、適合性の低い組み合わせとしてよく挙げられます。コーティング、ガスケット、シャーシの仕上げをポテンシャルが適合するものから選び、接合部が置かれる環境を管理し、環境曝露後の接触抵抗を仕様に定めることで、このリスクは低減できます。

導電性、シールド性、耐久性の検証

検証では、コーティングが果たすべく規定された機能を、可能であれば実際の部品で、製品が使用中に受けるコンディショニングの後に測定すべきです。

• 表面抵抗率と体積抵抗率。ASTM D257やANSI/ESD STM11.11などの標準化された方法は、定められた電極形状とコンディショニングを用います。結果は電極、電圧、湿度に依存するため、方法を仕様に含める必要があります。
• 点間抵抗と接触抵抗。シールドや接地では、部品上の定められた点の間や、ガスケットおよびファスナーの界面をまたぐ抵抗のほうが、シート抵抗値よりも意味を持つことが多くあります。
• シールド効果。平板試料はASTM D4935などの方法で評価でき、完成した筐体はIEEE 299などの筐体レベルの方法で評価します。平板のデータはコーティング同士の比較には使えますが、実際の筐体の性能を制約することの多い継ぎ目、開口部、ガスケットは反映されません。
• 密着性。テープ試験、碁盤目試験、金属層の曲げ試験やスクライブ試験は、湿度曝露と熱サイクルの後に繰り返し、同時に抵抗も再測定する必要があります。

プロセスと仕様に関するアドバイス

• 機能と数値を明記する。コーティング製品や「帯電防止」のような一般的な用語ではなく、電気的特性、その限界値、試験方法、コンディショニングを仕様に定めます。
• 樹脂と添加剤の構成を固定する。グレード、難燃剤、着色剤、離型剤、リグラインド比率の変更は、密着性を変えることがあります。これらは再度の適格性確認を要する変更として扱ってください。
• 表面を管理する。洗浄、前処理、前処理からコーティングまでの最大経過時間を定め、表面エネルギーを抜き取りで検証します。
• 膜厚形成を管理する。凹部やコーナーなど、薄くなりやすいことが分かっている箇所を含め、定められた位置で乾燥膜厚または成膜厚さを測定します。
• マスキング領域と必須領域を図面に明記する。禁止ゾーン、接地パッド、ガスケットランドを、公差とともに記載します。
• 環境曝露後に適格性を確認する。想定する使用条件を反映した湿度試験と熱サイクルの後の、抵抗、接触抵抗、密着性の結果を要求します。
• 手直しと検査を計画する。コーティングした部品を剥離して再コーティングできるか、また組立でコーティングの破片をどう管理するかを決めます。

ご相談ください

The Sabreen Groupは、表面前処理、コーティングの密着性、仕様策定を含め、プラスチック筐体の導電性、EMIシールド、帯電防止コーティングのプログラムについて、独立した立場からエンジニアリング支援を提供しています。当社のエンジニアリングサービスチームは、製造業のお客様とともに、プロセス開発、材料の適格性確認、量産トラブルの解決に取り組みます。お客様の用途について、ぜひお問い合わせください。

よくあるご質問

帯電防止と静電気拡散性の違いは何ですか？

帯電防止は、静電気が発生しにくい材料を指す大まかな用語で、拡散性の範囲の上限側と関連づけられることが多い用語です。静電気拡散性は、電荷が制御された形で流れ去る、一般によく引用される広い抵抗の帯域を表します。定義は規格によって異なるため、仕様では、どちらの用語にも頼らず、抵抗の限界値と試験方法を明記すべきです。

帯電防止コーティングでEMIシールドを実現できますか？

一般的にはできません。EMIシールドは連続した高導電性の層に依存し、通常は静電気対策に使う抵抗の範囲よりはるかに導電性が高くなります。ESD制御に適したカーボン系や本質的導電性ポリマーのコーティングが、意味のあるシールド性を提供することはまれであり、シールド筐体が通常、金属フィラー入り塗料、メタライゼーション、めっきに頼る理由もそこにあります。

導電性コーティングが湿度や熱サイクルの後に性能を失うのはなぜですか？

最も一般的な原因は、密着性の低下、熱膨張の不一致による導電膜の割れ、銅などの反応性フィラーの酸化、接触界面での電食です。これらはいずれも、導電経路を断つか、その抵抗を高めます。そのため適格性確認では、コーティング直後だけでなく、環境コンディショニング後の抵抗と密着性を測定する必要があります。

導電性コーティングの前に、プラスチック筐体に表面前処理は必要ですか？

多くの場合は必要です。低表面エネルギーの樹脂、充填材入りグレード、離型剤や移行性の添加剤が付着した部品では、耐久性のある密着を得るために、管理された洗浄と、プラズマや火炎などの前処理が必要になることがよくあります。適切なプロセスは樹脂、形状、コーティングの化学系によって異なり、コンディショニング後の密着性試験で妥当性を確認すべきです。

導電性コンパウンドのほうが、導電性コーティングより優れていますか？

要件によります。導電性コンパウンドは二次的なコーティング工程とその密着リスクをなくし、多くの静電気拡散性の用途でうまく機能します。ただし、コストが増え、色が制限され、機械的特性が変わることがあり、シールド筐体では、必要な導電性をより現実的に実現できるのは、多くの場合コーティングやめっきです。

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