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熱膨張制御技術
-革新技術と応用展開-


  半導体パッケージや精密機械部品、光学部品などがますます微細化されてきていることから熱膨張現象をより厳密に制御することが極めて重要になってきています。一方この現象はバイメタルや金属部品の焼きばめなどで、積極的に利用されている性質でもあります。
 近年、温度が上がると逆に収縮する負膨張材料も開発され従来の熱膨張設計の概念を変え、その利用が検討されてきています。一方では、温度上昇により発泡する物質を用いた巨大な熱膨張材料も開発されるなど、熱膨張の技術伸展は目覚しいものがあります。
 本調査レポートは、熱膨張を制御するための材料構成とその特徴、および用途開発例などについて、以下の点に重点を置いてまとめたものです。

 
低熱膨張材料(合金・ガラス・樹脂・複合材料・セラミックスなど)の物質構成と熱膨張特性
負熱膨張材料(タングステン酸化物・逆ペロフスカイト型マンガン窒化物など)の最新研究成果と熱膨張特性
究極の熱膨張材料(ゼロ熱膨張材料)の研究内容と成果
巨大熱膨張材料(熱膨張マイクロカプセルなど)の内容と実用例
上記熱膨張材料の利用分野と用途開発例
熱膨張計測法と計測装置
熱膨張の制御と利用に関わる特許出願状況と注目出願の内容


    □体裁 A4判 356ページ
    □価格 本体68,000円+消費税
    □送料 弊社負担
    □発行 2011年2月

章 目 次

第1章 序論
第2章 熱膨張制御のための材料開発
第3章 熱膨張の利用
第4章 熱膨張の計測法・計測装置
第5章 特許出願から見た熱膨張の制御と利用

 


詳 細 目 次

 
第1章 序論 1
 1.1 熱膨張 1
  1.1.1 狭義の「熱膨張」 1
  1.1.2 広義の「熱膨張」 1
 1.2 熱膨張率(熱膨張係数) 2
  1.2.1 定義 2
  1.2.2 固体物質の熱膨張率 3
    (1) 固体物質の線膨張率 3
    (2) 固体物質の体膨張率 6
 第1章の引用文献 6
第2章 熱膨張制御のための材料開発 7
 2.1 低熱膨張材料と組成 7
  2.1.1 合金-低膨張材料開発と組成 7
    (1) インバー合金 7
     (A) 低熱膨張材 7
     (B) Ni量と熱膨張率の関係 9
     (C) インバー効果の原理 10
     (D) 低熱膨張・高強度シャドウマスク材 10
    (2) 超々臨界圧発電蒸気タービン用低熱膨張超合金 12
     (A) 開発合金USC(Ultra-Super-Critical)141 12
     (B) 開発合金LTES(Low Thermal Expansion Superalloy)700R(Refined) 14
    (3) アルミシリコン粉末合金 16
    (4) パワー半導体はんだ接合部の熱膨張応力抑制材 19
  2.1.2 鋳鉄-開発例と鋳鉄の影響 20
    (1) 安価な低熱膨張鋳鉄例 20
    (2) 鋳鉄による偏析の影響 23
    (3) 添加物と強度の関係 26
  2.1.3 ガラス-高性能材料開発 29
    (1) 「クリアセラム」(オハラ) 29
    (2) SiO2-TiO2石英ガラス(コバレントマテリアル) 32
    (3) RoHS指令対応バナジウム-リン系ガラスペースト(日立粉末合金) 33
    (4) リン酸ジルコニウム系化合物「ウルテア」(東亞合成) 35
  2.1.4 樹脂-高機能材料開発 37
    (1) 耐熱絶縁材料、ポリエステルイミド(東邦大学) 37
    (2) 高弾性エポキシ銅張積層板(利昌工業) 40
    (3) 熱硬化型低熱膨張ポリアミド絶縁樹脂(ADEKA) 43
    (4) 低伝送損失・低熱膨張ポリフェニレンエーテル(パナソニック電工) 46
    (5) 低熱膨張スーパーエンプラ・ポリイミド(米GE社) 47
    (6) 可溶性LCPを用いた低熱膨張・低吸湿膨張ガラスクロスプリプレグ
      (住友化学) 48
    (7) パッケージ基板用低熱膨張材料「MCL-E-679GT」(日立化成工業) 51
  2.1.5 複合材料 54
    (1) 低熱膨張炭素繊維強化プラスチック(CFRP) 54
     (A) 補強円筒の熱膨張 54
     (B) ハニカムサンドイッチ構造CFRP製ミラーの熱変形 57
     (C) 積層板の成形時熱変形 60
    (2) 低熱膨張炭素繊維強化炭素(C/C) 62
    (3) CFRPの貫通孔コーティングコア基板 65
    (4) 薄肉射出成形GFRPにおける線膨張係数の異方性 67
    (5) セルロースミクロフィブリル 70
    (6) 短繊維複合材料 72
    (7) 「アルミニウム/炭素材料」「銅/炭素材料」の複合材料 74
  2.1.6 セラミックス 76
    (1) コージェライト系低熱膨張セラミックス 76
     (A) 配向制御コージェライトセラミックスの低熱膨張メカニズム 76
     (B) βコージェライトセラミックス「ローテック-M」
       (旭硝子セラミックス) 79
     (C) コージェライト系低熱膨張セラミックス「LEC-30G」
       (日本特殊陶業) 79
    (2) 固体酸化物型燃料電池構成材料の低熱膨張特性 80
    (3) リン酸タングステン酸ジルコニウム「ZWP」(共立マテリアル) 83
    (4) 低熱膨張LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramics) 84
  2.1.7 その他 87
    (1) ホウ素をドープした単結晶ダイアモンドの熱膨張 87
    (2) 低熱膨張鋳物砂 89
 2.2 負熱膨張材料と組成 92
  2.2.1 タングステン酸化物 92
    (1) 熱膨張率可変材料 92
    (2) ゾル-ゲル法合成と負熱膨張挙動 95
     (A) バッファ層としてのZrW2O8 95
     (B) ZrW2O8の合成 96
     (C) ZrW2O8の熱膨張挙動 97
     (D) ZrW2O8/SiO2複合焼結体 98
    (3) 大量合成の検討、溶融急冷法 99
    (4) ガラス/ ZrW2O8複合材料の作製とその特性 102
  2.2.2 逆ペロブスカイト型マンガン窒化物 105
    (1) 発見された「温度があがると縮む新物質」の特質 105
    (2) 温度が上がると収縮するマンガン窒化物材料 107
    (3) 逆ペロブスカイト型マンガン窒化物の巨大負膨張 109
    (4) Mn3(Cu1-xGex)Nの磁気体積効果と負膨張 111
    (5) Mn3CuNの磁歪 113
    (6) 米国パルス中性子回折装置によるMn3(Cu1-xGex)N結晶構造の解明 116
    (7) 逆ペロブスカイト型マンガン窒化物の磁気構造と局所構造の関わり 118
    (8) 負膨張性Mn窒化物 120
    (9) 一次相転移性物質の感温素子への利用 121
  2.2.3 酸化銅ナノ粒子 121
    (1) CuOナノ粒子における巨大負熱膨張 121
    (2) 低温で膨らむCuOナノ磁性粒子 124
  2.2.4 GaAs 126
  2.2.5 Si 128
  2.2.6 高強度PE繊維 130
    (1) 線膨張制御用PE繊維 130
    (2) 線膨張制御用高強度PE繊維「ダイニーマ」(東洋紡績) 133
 2.3 ゼロ熱膨張材料と組成 134
  2.3.1 マンガン窒化物 134
    (1) マンガン窒化物単一物質ゼロ熱膨張材料 134
    (2) 単一物質でできた熱膨張ゼロのセラミックス 138
  2.3.2 ガラス 139
    (1) 超精密評価システムの開発 139
     (A) ゼロ膨張ガラスの意義 139
     (B) 直線集束ビーム超音波による熱膨張評価 140
     (C) 評価法の実証 142
    (2) ゼロ熱膨張ガラス製長尺ブロックゲージの評価 143
    (3) 「ULE」(精研硝子) 145
    (4) 「クリアセラム(R)-Z」(オハラ) 146
    (5) 「ZPF」(日本セラテック) 147
 2.4 巨大熱膨張材料と組成 148
  2.4.1 熱膨張性マイクロカプセル 148
    (1) 「ADVANCELL-EM」(積水化学工業) 148
    (2) メタクリル酸/金属塩による合成(徳山積水工業) 152
    (3) 発泡特性の解析 155
    (4) 「クレハマイクロスフェアー」(クレハ) 158
    (5) 熱膨張性バルーン「EXPANCEL」(日本フェライト) 160
  2.4.2 熱膨張化炭素繊維 162
    (1) 膨張化炭素繊維による機能性複合材料 162
    (2) 炭素繊維からの黒鉛層間化合物の合成と膨張化 165
    (3) 膨張黒鉛における熱膨張 168
  2.4.3 熱膨張シート 171
    (1) 熱膨張シート型耐火被覆材「フィブロック」(東邦レオ) 171
    (2) 熱膨張マット 171
  2.4.4 繊維強化複合材料 173
    (1) CFRPの熱膨張(川崎重工業) 173
    (2) カーボンファイバー心アルミより電線(東北電力) 175
    (3) ガラス繊維強化品の線膨張係数の異方性(デンソー) 178
  2.4.5 その他 181
    (1) チャー粒子の熱膨張 181
    (2) 熱膨張性耐火ゴム 183
 第2章の引用文献 185
第3章 熱膨張の利用 189
 3.1 部品構成方法変更による利用法 189
  3.1.1 半導体分野 189
    (1) ウエハー・レベルCSPの低コスト製造法 189
    (2) パワー・モジュール内部の熱膨張の課題 191
    (3) パッケージ基板に関わる熱膨張 193
     (A) 実装密度の向上 193
     (B) リフロー時における封止樹脂への影響 195
    (4) PoPに関わる熱膨張 197
    (5) TSV(シリコン貫通電極)に関わる熱膨張 199
     (A) 低コスト化への試み 199
     (B) TSV技術のロードマップにおける熱膨張 201
    (6) MEMS用封止・接合材料に関わる熱膨張 202
    (7) 電子デバイス印刷・焼成工程での熱膨張 206
    (8) 青紫色半導体レーザーのGaN系結晶中のひび割れに関わる熱膨張 207
  3.1.2 太陽電池分野 209
    (1) 太陽電池バンドキャップ制御に関わる熱膨張 209
    (2) 集光型太陽電池の放熱材接合に関わる熱膨張 210
    (3) 太陽電池向け超薄型結晶Siウエハの新製法に関わる熱膨張 211
  3.1.3 液晶分野 211
    (1) 液晶パネル連続組立に関わる熱膨張 211
    (2) 液晶セル工程を革新した液晶滴下注入技術に関わる熱膨張 212
  3.1.4 自動車分野 215
    (1) 自動車軽量化アルミニウム部材に関わる熱膨張 215
    (2) 車載SOFCに関わる熱膨張 216
    (3) 車載コンデンサに関わる熱膨張 216
  3.1.5 その他の分野 218
    (1) 水晶デバイスのガラス封止低コスト化のための大真空技術 218
    (2) 熱膨張を制御した光配線材料 219
    (3) 熱膨張を利用したHDD磁気ヘッド 219
    (4) 研削盤主軸に関わる熱膨張 221
    (5) 焼きばめに応用される熱膨張 223
    (6) 金属の熱膨張を応用した動力生成装置 225
 3.2 部品材料変更による利用法 227
  3.2.1 半導体分野 227
    (1) 低熱膨張フィルムを利用した薄型多層基板の開発 227
    (2) GaN系パワー素子開発に関わる熱膨張 229
    (3) 熱膨張係数がSiに近いLTCC 230
    (4)  基板と熱膨張係数を近づける微小Si球を混ぜた半導体封止材料 231
    (5) COFアンダーフィル材に関わる熱膨張 232
    (6) EUV露光フォトマスクに関わる熱膨張 232
    (7) 高密度実装の反りの抑制に関わる熱膨張 234
    (8) 熱膨張の異なる異種材料の接合 236
     (A) サファイア圧力センサに関わる熱膨張 236
     (B) 水晶振動子に関わる熱膨張 236
  3.2.2 太陽電池分野 237
    (1) 携帯電話用太陽電池モジュールに関わる熱膨張 237
  3.2.3 自動車分野 238
    (1) オートマチックトランスミッション用シールリングに関わる熱膨張 238
    (2) スズキの新開発エンジンに関わる熱膨張 241
  3.2.4 その他 242
    (1) 固体酸化物型燃料電池のインターコネクタ部材に関わる熱膨張 242
    (2) 歯科用AuCu合金に関わる熱膨張 244
    (3) マイクロ波焼結銅-アルミナ積層材料に関わる熱膨張 246
    (4) 工作機械など用高剛性アルミ鋳物合金に関わる熱膨張 248
    (5) 超大型天体望遠鏡主鏡駆動系部材に関わる熱膨張 249
    (6) 低熱膨張結晶化ガラスの新用途 249
    (7) 光配線導波路の低コスト化に関わる熱膨張 251
    (8) 樹脂と金属の接合に関わる熱膨張 252
    (9) 炭素繊維利用分野での製造に関わる熱膨張 253
    (10) 強化ガラスに関わる熱膨張 254
 3.3 熱設計法変更による利用法 256
  3.3.1 半導体分野 256
    (1) 熱設計支援手法「CAP」の適用 256
    (2) はんだ接合不良解決のため「熱膨張」の熱設計 260
    (3) 放熱経路を熱設計 262
    (4) チップの冷却設計によるLSIの高速化 264
  3.3.2 自動車分野 266
    (1) ピストンの熱設計で小型化 266
  3.3.3 その他の分野 268
    (1) 変形しても変化のしない熱設計 268
 3.4 その他の熱膨張利用法 269
  3.4.1 熱膨張性マイクロカプセル 269
    (1) クルマの軽量化 269
    (2) 自動車以外の用途 273
     (A) 立体プリント用インキ 273
     (B) 超軽量紙 273
     (C) 非塩ビ壁紙用塗工剤 274
     (D) 塩ビ壁紙用艶消し剤 274
     (E) 軽量靴 274
     (F) クッションガラスペーパー 274
     (G) 熱剥離性粘着剤 274
     (H) ポリエチレン・ポリプロピレン軽量化 274
     (I) アンダーミクロン微細発泡 275
  3.4.2 熱膨張化炭素繊維 275
    (1) 電気二重層キャパシタへの応用 275
    (2) 炭素繊維心電線への適用 278
  3.4.3 熱膨張化黒鉛 280
  3.4.4 繊維強化シート 283
  3.4.5 熱膨張性耐火ゴム 285
  3.4.6 熱膨張抑制埋没材 288
    (1) 歯科鋳造冠への応用 288
 第3章の引用文献 288
第4章 熱膨張の計測法・計測装置 291
 4.1 熱膨張計測法 291
  4.1.1 代表的な熱膨張率計測法 291
  4.1.2 光干渉法による熱膨張測定 294
    (1) 光ヘテロダイン干渉式熱膨張測定 294
    (2) レーザー顕微鏡と光干渉法を組合せた熱膨張測定 297
  4.1.3 TMA法による熱膨張測定のラウンドロビン試験 301
  4.1.4 熱膨張計測のための格子定数測定 305
  4.1.5 超低熱膨張評価のための直線集束ビーム超音波材料解析(LFB-UMC) 307
    (1) LFB-UMC校正用標準試料 307
    (2) TiO2-SiO2ガラスの熱膨張評価検量線 311
    (3) TiO2-SiO2ガラスの脈理評価法 311
     (A) 内部構造の実験的検討 311
     (B) 漏洩弾性表面波速度の正確な計測 311
    (4) 極端紫外線リソグラフィ(EUVL)用TiO2-SiO2ガラス基板の評価 312
    (5) スート法により作製したTiO2-SiO2ガラスの評価 313
 4.2 熱膨張計測装置と熱膨張補正装置 316
  4.2.1 固体熱膨張率計測技術の標準化 316
  4.2.2 熱膨張による測定誤差を抑制するレーザー測定装置 320
  4.2.3 熱膨張による誤差をキャンセルする示差熱・熱質量同時測定装置 323
  4.2.4 ボールねじ熱膨張のリアルタイム補正による位置決め 323
    (1) 補正の原理と運転条件 323
    (2) 室温変動下の位置決め誤差補正 327
  4.2.5 超磁歪アクチュエータの温度補償 329
 第4章の引用文献 332
第5章 特許出願から見た熱膨張の制御と利用 333
 5.1 熱膨張制御の材料面から見た特許出願状況と注目出願 333
  5.1.1 低膨張材料に関わる出願 333
  5.1.2 負膨張材料に関わる出願 340
  5.1.3 ゼロ膨張材料に関わる出願 344
  5.1.4 巨大熱膨張材料に関わる出願 346
 5.2 熱膨張制御の利用面から見た特許出願状況と注目出願 349
  5.2.1 熱膨張利用に関わる出願 349
  5.2.2 巨大熱膨張利用に関わる出願 355

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