スクラッチ試験で評価する薄膜密着性改善とドライプロセス対策

はじめに：薄膜密着性の重要性とスクラッチ試験の役割

製造業の現場では、製品の高機能化や品質安定化を目指し、さまざまな表面処理技術やコーティング技術が活用されています。

特にエレクトロニクス、自動車、精密機械、医療機器などの分野では、金属や樹脂、セラミックスといった基材に機能性薄膜を施すことで、大きな付加価値が生まれます。

このとき、薄膜の「密着性」は製品寿命や信頼性、パフォーマンスを左右する極めて重要な要素です。

適切な密着性なくして、いかに素晴らしい特性の薄膜を施しても、本来の機能が十分に発揮されません。

薄膜密着性の定量的な評価方法として業界で広く用いられているのが「スクラッチ試験」です。

この記事では、スクラッチ試験を活用した薄膜密着性評価のポイント、密着性改善のための実践的なアプローチ、そしてドライプロセスでの最新動向や現場目線の対策について詳しく解説していきます。

スクラッチ試験とは何か？現場目線で実感する評価手法の意義

評価者目線で見るスクラッチ試験の原理と特徴

スクラッチ試験とは、硬いダイヤモンド針やルビー針を一定の荷重で試料表面を引っ掻き（スクラッチ）ながら進め、膜と基材との界面に剥離や破断、クラックなどの損傷が生じる荷重（臨界荷重）を測定し、密着性の指標とする評価手法です。

この荷重が高いほど、膜と基材の密着性が良いと判断されます。

スクラッチ試験は機器がコンパクトで自動化しやすく、現場即応性が高い評価法として昭和から現在に至るまで、多くの工場で重宝されています。

加えて、工程内管理（IPC: In Process Control）でも扱える迅速性と再現性も魅力です。

現場でよくある「こんな課題」への答えを示す試験

「ＰＬＣＢ（パターンリフティング・クラック・ブリスター）」や塗装など多層膜では、密着力不足が原因で出荷後のトラブル（剥がれ・チッピング）が起こりやすくなります。

スクラッチ試験は膜厚方向の界面強度を可視化し、これらの課題が現場でどれくらい深刻なのか、また事前にどこまで予防できるかを現場にフィードバックする手段としても有効です。

密着性を左右する「界面工学」とプロセス制御の真髄

昭和からのアナログ現場に根付く“勘・コツ”を科学へ昇華する

密着性改善と一言でいっても、アプローチの切り口は多岐にわたります。

たとえばプラズマエッチングやイオン洗浄などで基材表面を活性化したり、アンカー効果を引き出す粗化処理を行ったり、プライマー層を挟み界面強度向上を試みたりなど、加工法・材料設計・表面処理の三位一体が求められます。

昔は「表面がしっとりするまで拭け」「指で触って引っ掛かりを感じるか」など、定性的なノウハウで判断していた現場も多くありました。

今ではその“勘・コツ”も表面エネルギーや接触角、化学構造解析（FT-IR, XPS, AES等）を活用することで科学的根拠に基づいた密着性マネジメントへと進化しています。

界面工学の視点から見る密着メカニズム

密着性は大きく下記3つのメカニズムで成り立っています。

1. 機械的嵌合：基材表面の凹凸に膜が物理的に食い込み“カギ状”に結合する
2. 化学的結合：基材と膜間で化学結合（共有結合、イオン結合、水素結合）が形成される
3. 分子間力：ファンデルワールス力や双極子間相互作用など物理吸着

工場では「表面粗さ（Ra）」や「表面自由エネルギー（SFE）」が密着性を規定する重要なファクターとして管理されています。

不良分析や工程改善のPDCAを回す上でも、こうした界面工学のロジックを組み込むことで、現場のブラックボックスを減らすことができます。

ドライプロセス普及の潮流―― 古さと革新のせめぎ合い

なぜ“板金・塗装”現場は昭和の常識を引きずるのか

塗装やコーティングといえば旧来の“ウェットプロセス”が主流でした。

たとえば自動車の車体や半導体リードフレームなど、液体塗料や接着剤を用いるケースが多かったのです。

これは「現場での微調整が効く」「作業者の融通が利く」「既存設備を継続利用できる」といった理由が大きいです。

しかし、VOC（揮発性有機化合物）規制や環境排水規制、高歩留・高品質化要求、さらにIoTデータ活用も進み、ドライプロセスへのシフトが業界全体で加速しています。

とはいえ、多くの現場では昭和から続くアナログ的「塗っとけ、貼っとけ」精神が根付いており、完全なドライプロセス化が進まない理由もここにあります。

たとえば「摩耗しにくいから“薄膜”で十分」と考え短絡的に工程移行させると、密着性不良による歩留低下やランニングコスト増大を招く事例も珍しくありません。

ドライプロセスの密着性対策は“プリント基板”に学べ

代表的なドライプロセスには、PVD（物理蒸着）、CVD（化学気相蒸着）、スパッタリング、イオンプレーティングなどがあげられます。

これらの技術は「薄膜形成速度」「膜厚均一性」「工程の連続性」といった面で優れていますが、基材表面の準備工程（クリーニング、表面活性化など）や成膜条件が十分に管理されないと、膜の密着性不良という落とし穴にはまりがちです。

プリント基板業界では、過酷なストレス試験に耐える密着性確保のため、化学的表面処理（デスミア/エッチング）、界面の親和性向上処理、プラズマ前処理などを工程内で徹底しています。

この“工程設計から一貫管理”という姿勢が、他分野でも参考になります。

たとえば金型へのコーティング、工具や部品への表面改質処理でも、「前処理・膜生成・後処理までトータルで密着性を担保」する工程設計が現場レベルで重要となっています。

密着性改善のための実践的アプローチ

ヒューマンエラーの温床――“やったつもり工程”をなくす

現場の生産技術・製造技術者として痛感したのは、密着不良の多くが「やったつもり」の表面処理手順漏れ、装置状態変動、素材ロットのバラツキから発生しているという事実です。

これを防ぐには、チェックリストによる条件管理や、前処理装置（ブラシ洗浄機・プラズマクリーナなど）の定期メンテナンス履歴のトレーサビリティ化、各種前処理工程の自動化や可視化装置の導入も有効となります。

とくにIoTと連動した“密着性要因センシング”を厚生することで、属人性が少ない安定品質を実現できます。

日々の工程PDCAに役立つ「スクラッチ試験データ」の活かし方

スクラッチ試験結果は、単なる「合格・不合格」基準としてだけでなく、以下のように活用できます。

– 工程ごとの密着性ばらつき要因の見える化（前処理、成膜条件、温度/湿度変動）
– トラブル発生時の迅速な要因特定と再発防止
– プロセス開発や新規材料導入時の最適条件設定（データ蓄積のAI解析活用）

また、密着性不良がクレーム案件と直結するバイヤーやサプライヤーにとっては「根拠のある密着力データ」の開示が高い信頼を生み、顧客要求への能動的対応力となります。

バイヤー・サプライヤー視点で考える密着性評価と改善

バイヤーが求める“見える化”と“リスクヘッジ”

製造業でバイヤーや調達購買を担う方にとって、密着性評価は品質保証・コストダウン・納期厳守と並び重要な交渉要素となります。

ここでは「密着性スペックへの明確なコミットメント」「第三者による試験成績書の提示」「工程FMEAに基づくリスクアセスメント」などの開示依頼が増加しています。

サプライヤー側は「どの条件で、どのくらいの頻度・ばらつきで、どれほど密着性がでているのか」の事実データを即座に開示できる体制が求められるでしょう。

スクラッチ試験を軸とした“見える化”は、受発注両者の信頼構築の土台となります。

サプライヤーに求められる“現場ロジック&課題解決力”

サプライヤーの現場では「どうしても歩留まりがあがらない」「特定ロットだけ剥離がでる」といった密着性課題が生まれやすい傾向にあります。

ここでは現場力＝“問題発見→試験評価→要因分析→改善提案→再評価”サイクルを的確かつ効率よくまわせるかが問われます。

たとえばスクラッチ試験結果だけでなく、「SEMで界面の壊れ方を観察」「EDSで元素分布の偏りを調査」「接触角測定で表面親水化状態を確認」といった、多角的な評価軸を現場目線で実装することが、顧客満足度の高いソリューションへとつながります。

まとめ：製造業DXの真価は“現場力＋科学＋可視化”にあり

薄膜密着性は、単なる「膜が剥がれないようにする」だけでなく、品質・信頼性・工程安定化・コスト競争力のすべての礎です。

スクラッチ試験による定量評価は、その工程改善の最前線にあります。

一方で、ドライプロセスなど先端技術の導入は進んでいるものの、工場のアナログ文化や現場の勘にも真実が埋まっています。

現場の知恵＝アナログデータを新技術と融合させることこそ、これからの製造業の競争力です。

「現場目線×科学的アプローチ×データの見える化」こそが、昭和から令和へと進化する日本のものづくりの新たな地平線となるでしょう。

スクラッチ試験と密着性改善を起点に、各現場担当者・バイヤー・サプライヤーが一丸となって品質革命を起こしていきましょう。