LCP（液晶ポリマー）の選び方と発注——I〜III型の耐熱、リフロー対応、配向とウエルド強度

この記事は、コネクタ・リレー・ボビン・ソケット・スイッチなどの電子部品や精密機構部品の成形材料としての LCP を扱う。LCP フィルムや繊維、ディスプレイの液晶材料には立ち入らない。発注する側が、成形品の発注書と仕様書に何を書き、受け取るときに何を確かめるかに絞る。プラスチックの記号を定めた JIS K 6899-1 は、LCP を「液晶ポリマー」の略語として載せている^[6]。

LCP は「一群の樹脂」：型番より先に型を確かめる

日本ゴム協会誌の総説（2008 年）は、成形材料としての LCP を、溶融時に液晶性を示す一群の全芳香族ポリエステルからなる樹脂だと説明している。ただし同じ総説が III 型として挙げる LCP は、p-ヒドロキシ安息香酸と PET からなり、脂肪族の鎖の使用が多い型である^[1]。1998 年の解説も、メソゲンとエステル結合だけで結ばれた全芳香族の LCP に対し、その間にメチレン基などの脂肪族を含むものを半芳香族と呼ぶ、と書いている^[2]。剛直な成分だけでは融点が高すぎて溶融成形できないため、各種の成分を共重合して成形できるように分子が設計されている^[1]。1998 年の解説は、LCP はポリアミドに 66・6・610 などがあるように、グレードというよりポリマーの種類が多くあり、その種類で耐熱性・機械的物性・流動性が異なること、構造式は各社のノウハウで公表されていないことを書いている。日本では耐熱性による I 型・II 型・III 型の分類で分けられることが多い、としている^[2]。

2008 年の総説が示す 3 型の位置づけを、1991 年の解説が挙げる主な用途と並べる^[1][5]。

表の温度の幅は総説が示した目安で、試験の荷重条件は書かれていない^[1]。仕入先やデータシートを比べるときは、同じ荷重条件の値で比べる。耐熱の型を発注書に書かずに「LCP」とだけ指定すると、リフローに耐えない型が提案されても気づけない。表面実装（SMT）の部品なら、少なくともリフローの条件を書いて、それに耐える型かを確かめる。

1990 年の解説は、使う側から見ると似た物性の LCP が多数あり、選択にとまどう事態が考えられる、と書いている^[4]。銘柄で指定するときも、その銘柄がどの型に当たるか、何のために選んだのか（耐熱か、流動性か、強度か）を書き残しておくと、代替の提案を受けたときの基準になる。代替グレードの承認の進め方は樹脂のグレード指定と代替グレードの承認で扱った。

荷重たわみ温度は使用温度ではない

荷重たわみ温度の求め方を定めた JIS K 7191-1 は、この試験方法で得たデータを最終製品の性能予測に用いてはならず、設計解析や高温での材料の耐久性予測にも用いてはならない、と書いている^[7]。荷重たわみ温度は材料どうしを同じ条件で比べるための値である。2008 年の総説も、荷重たわみ温度と常用使用可能温度を一つの図に並べ、その釣り合いとして示しており、二つを同じ値としては扱っていない^[1]。

リフローに耐えるかどうかは、荷重たわみ温度の数字ではなく、実際のリフローの温度条件で部品が変形・ふくれを起こさないかで確かめる。長く高温にさらされる部品なら、長期の耐熱の指標で確かめる。耐熱の値の見方はPPS 樹脂部品の発注でも扱った。

流れがよい理由と、それが生む方向差

2008 年の総説は、LCP は液晶状態で分子鎖の絡み合いが非常に少なく、わずかなせん断で分子が配向するため流動抵抗が小さいと説明し、射出成形のゲートを通るときのせん断速度の域で、液晶をとらない PBT や PES と比べて溶融粘度が 1/10 以下だと書いている（総説の筆者の所属する会社の市販グレードについての図）。低いせん断速度の域では粘度が急に上がり、固化も速いため、高い流動性とバリの出にくさを両立しやすく、精密成形・薄肉成形に適しているとしている^[1]。1998 年の解説も、極薄肉でファインピッチのコネクタやソケットなど表面実装に対応する部品の生産が増えていると書いている^[2]。

その裏返しが方向差である。同じ総説は、LCP は流動方向の配向が非常に顕著で、分子鎖の配向の緩和時間が長いため流動時の配向を保ったまま固化し、力学特性などに大きな異方性が出ると書く。ガラス繊維などの充てんや成形条件で異方性は緩和される、とも書いている^[1]。1989 年の解説は、LCP は通常のポリマーの 100 倍以上の緩和時間を持ち、流動中にできた配向や微細構造が固体でも維持されるため、成形加工条件が成形品の特性に大きく影響すると書いている^[3]。

機械的強度も成形条件で変わる。総説は、LCP の強度は射出圧や温度などの成形条件で大きく変化し、成形品が薄肉であるほど配向の強い表層（スキン層）の割合が高くなるため、単位断面積あたりの強度は高くなる、と書いている^[1]。データシートの強度は、試験片の厚さと流れの向きを確かめてから比べる。部品の肉厚がデータシートの試験片と違えば、強度も同じではない。

ウエルドの強度は設計と成形で決まる

総説は、LCP は固化が速く異方性も大きいため、ウエルド（流れが合流する部分）の強度が低くなる傾向があり、一般的には金型の設計を適切にすることが重要だと書いている^[1]。コネクタのように穴やピンの多い部品は、流れが分かれて合流する場所が多い。そこに力がかかる設計だと、材料の強度表の値では足りないことがある。

発注側にできるのは、ウエルドが出る位置と、その位置に力がかかるかを、金型設計の段階で仕入先と確かめることである（当方の提案）。荷重のかかる部位にウエルドが来るなら、ゲートの位置を動かせないか、ウエルド部を含む実際の部品で強度を確かめるかを取り決める。成形品の寸法公差の決め方は樹脂成形品の寸法公差の決め方で扱った。LCP は配向で収縮も方向によって違いうるので、寸法の測り方と測る時期もあわせて決める。

熱水・強アルカリの使い方に注意

総説は、LCP の吸水率を 0.02 % と極めて小さい値とし、水中に長時間置いても重量変化・寸法変化がほとんど見られないと書いている（総説の筆者の所属する会社の LCP についての記述）。耐薬品性は、高温下でも油類で膨潤・劣化しないと書く一方、エステル結合でつながった分子鎖からなるため、特に強アルカリへの耐性は好ましくない、としている^[1]。熱水については、80 ℃の熱水中では 2,000 時間浸せきした後も実用的な強度を持つが、120 ℃以上の水蒸気中では加水分解が進み、ほとんどのグレードで強度低下が大きく使用できない、と書いている^[1]。熱水の 2,000 時間の値も、同じ会社の LCP についての記述である。

洗浄にアルカリ性の洗剤を使う設備、蒸気で滅菌・殺菌する部品、高温の水が触れる部品に LCP を使うなら、接する液と温度を仕入先に伝え、実際の条件での確かめを求める。総説は、加水分解に強いグレードの開発にも触れており^[1]、型や銘柄で性質が違うことがここでも分かる。

発生ガスと電気部品

総説は、LCP は PPS やナイロンに比べて加熱時の発生ガスが少なく、リレーや光ピックアップのレンズホルダーなど小型部品に採用されていると書いている^[1]。接点のあるリレーや光学部品では、樹脂から出るガスが接点や光学面を汚すことが問題になる。部品の材料を LCP から別の樹脂へ替える提案を受けたら、耐熱や強度だけでなく、こうした理由で LCP が選ばれていないかを設計に確かめる。コネクタの調達で決めることはコネクタを調達するときにまとめた。

発注書と仕様書に書くこと

ここからは規格の要求ではなく、発注する側としての提案である。

1. 材料
LCP、樹脂メーカーの銘柄と強化材（ガラス繊維などの種類と量）。耐熱の型（I〜III 型の別）と、それを選んだ理由^[1][2]。

2. 熱の条件
はんだリフローの温度プロファイルと回数、長期の使用温度。荷重たわみ温度は比較の値として条件付きで扱う^[7]。

3. 方向差とウエルド
荷重のかかる部位と向き、ウエルドが出てよい場所・出てはいけない場所^[1]。

4. 接する液と温度
アルカリ性の洗浄、蒸気・熱水の有無^[1]。

5. 変更の承認
銘柄・型・強化材の変更、ゲート位置の変更は事前に承認とする。

受け入れるときに確かめること

初回は、銘柄とロット番号が注文どおりかを材料の成績書で見たうえで、実際の部品でリフローの条件に通したときに変形・ふくれが出ないかの確認結果を出してもらう。ウエルドが荷重部位にかかる部品は、その部位を含む強度の確認結果を求める。寸法は取り決めた時期と状態で測ったものかを見る。量産に入ってからは、成形条件や金型を変えたときに連絡が来る取り決めにしておく。LCP は成形条件で特性が変わる材料なので^[3]、条件の変更は材料の変更と同じくらい重く扱う。

注文書の書き方の例

決まった様式はない。発注側として書いておきたい内容を一つの例にまとめる。

「材質：LCP（樹脂メーカー銘柄 ○○、ガラス繊維 ○ % 強化、I 型相当）。用途：表面実装用コネクタ。リフロー条件：ピーク ○ ℃・○ 秒、2 回。初回納入時に上記条件でのリフロー後の外観（変形・ふくれ）と寸法の確認結果を提出すること。図面の A 部はウエルドを避けること（避けられない場合は事前に協議し、A 部を含む強度の確認結果を提出すること）。銘柄・強化材・ゲート位置・成形条件の変更は事前に連絡し承認を得ること。」

よくある質問

荷重たわみ温度が高い LCP なら、その温度まで使えますか

使えるとは言えない。JIS K 7191-1 は、荷重たわみ温度のデータを最終製品の性能予測や高温での耐久性予測に使ってはならないとしている^[7]。実際の温度条件と時間で確かめる。

LCP の部品が特定の方向にだけ割れます

LCP は流れの方向に強く配向し、強さに方向差が出る^[1]。割れの向きと流れの向き、ウエルドの位置を仕入先と照らし、ゲート位置や設計の見直しを相談する。

PPS と LCP のどちらを使うかの相談を受けました

1991 年の解説は、表面実装の材料として PPS と LCP が最も有望視されていると書いている^[5]。どちらにするかは、リフロー条件、肉厚、強度の方向、発生ガス、接する液で比べる。PPS 側の確かめ方はPPS 樹脂部品の発注を参照してほしい。

まとめ

LCP は組成の違う芳香族ポリエステル（多くは全芳香族）の一群で、耐熱の型によってリフローに耐えるかどうかが変わる。流れがよく薄肉の精密成形に向く一方、流れの方向に配向して強さに方向差が出て、ウエルドの強度が低くなりやすい。発注では型と銘柄、リフロー条件、ウエルドの位置、接する液を書き、荷重たわみ温度は比較の値として扱う。成形条件で特性が変わるので、条件の変更も承認の対象にする。

同じ束では、PEI 樹脂、PSU・PPSU、ポリイミド樹脂の部品、クロロプレンゴム（CR）の発注も扱う。

出典・参考資料

1. 岡本敏「液晶ポリマー」日本ゴム協会誌 81 巻 3 号（日本ゴム協会／2008 年）
2. 武田敏比己「薄肉成形品への液晶ポリマーの展開」成形加工 10 巻 12 号（プラスチック成形加工学会／1998 年）
3. 馬場文明「液晶ポリマーの成形加工と構造制御」成形加工 1 巻 2 号（プラスチック成形加工学会／1989 年）
4. 岡田常義「エンプラの最前線 液晶ポリマー」高分子 39 巻 2 号（高分子学会／1990 年）
5. 伊東克彦「スーパーエンプラと新用途」繊維学会誌 47 巻 5 号（繊維学会／1991 年）
6. JIS K 6899-1:2015 プラスチック－記号及び略語－第 1 部：基本ポリマー及びその特性（日本産業標準調査会 JIS 検索で閲覧／2015 年 2 月 20 日改正・2024 年 10 月 21 日確認）
7. JIS K 7191-1:2015 プラスチック－荷重たわみ温度の求め方－第1部：通則（日本産業標準調査会 JIS 検索で閲覧／2015 年 11 月 20 日改正・2025 年 10 月 20 日確認）

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