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パソコン開発における環境への取組み
パソコン開発における環境への取組み Approaches for Development Environment of Personal Computers あらまし 富士通のパソコン開発においては，省資源・省エネ・リサイクル・有害物質管理といっ た環境に配慮した取組みを行っている。 本稿では，開発の現場から以下三つのトピックスに焦点を当てて紹介する。一つ目は， 省資源化とCO2削減による環境保護を目的としたバイオプラスチックの状況，二つ目はリサ イクル性を高める活動という観点での回路基板に対する取組み，三つ目は省資源化に向けた 外装箱や緩衝材料の設計での取組みについて紹介する。 Abstract In the processes of Fujitsu’s personal computer development, we are making various efforts for environmental friendliness such as conserving natural resources, conserving energy, recycling and managing hazardous substances. This paper presents such efforts made at the frontline of development with the focus on three topics: (1) the present situation of bioplastics that can be used to protect the environment by saving resources and reducing CO2 emissions, (2) approaches taken for circuit boards from the viewpoint of improving their recyclability, and (3) efforts for improving the design of outer packaging and cushioning materials to save resources. 浜野 武（はまの たけし） 木村浩一（きむら こういち） 第一PC事業部PCデザイン技術部 所属 現在，パソコン製品の実装・構造の 開発に従事。 基盤技術研究所環境技術研究部 所属 現在，環境材料技術の開発に従事。 FUJITSU. 61, 2, p. 133-139 (03, 2010) 133 パソコン開発における環境への取組み ま え が き ため使用されている材料は，軽金属であるマグネシ ウム合金，アルミニウム合金，そしてプラスチック 富士通のパソコン開発では，環境に対して大きく 材料では，PC（ポリカーボネート）-ABS樹脂， 五つの枠組みで取組みを行っている。一つ目は化石 PC樹脂，PA樹脂などが使われており，さらにガラ 燃料の温存を目指す省資源化，二つ目は地球環境保 ス繊維，炭素繊維などの充填材が添加されている場 護を目指す省エネ化，三つ目はこれら二つの目的を 合もあり，多岐にわたる。そのため強度や耐熱性な 合成したリサイクル，四つ目は人体への有害物質を どの物性が大きく異なるが，共通して高い難燃性が 削減する規制物質管理，そして最後の五つ目は廃棄 要求される。ノートパソコンに必要とされる難燃性 処分時の注意事項，上記消費電力や規制物質の使用 は ， UL94 規 格 （ 米 国 Underwriter Laboratories 状況などの環境情報を開示することである。本稿で Inc．が定めた耐炎性試験規格）において，電源容 は，開発の現場からこれらの取組みの中で，とくに 量などにも左右されるが，筐体で用いる板厚以下で 省資源化やCO2 削減を目的として2005年春にノー (3) そのためプラス のV-1以上の難燃性が要求される。 トパソコンでは世界で初めて製品適用したバイオプ チック材料では，難燃剤の添加が課題となる。 ラスチックの状況，およびリサイクルの強化として ● ボリューム系ノートパソコン筐体への応用 回路基板に対する取組み，加えて梱包という観点で ノートパソコン筐体に，バイオプラスチックを適 省資源化に向けた外装箱や緩衝材料の設計に焦点を 用するためには，現在最も多くのノートパソコン筐 当てて紹介する。 体に使用されている石油系プラスチックのPC-ABS バイオプラスチックの採用 樹脂と同等の特性を達成しなければならない。バイ オプラスチックを筐体に適用する上で克服しなけれ バイオプラスチックは，枯渇資源である石油の使 ばならない特性が難燃性と耐熱性であった。成形上 用量削減や環境負荷の低減を目的として，耐久性を の特性に加え，難燃化技術と耐熱性向上の開発を進 必要とする製品への適用が進められている。富士通 め，ノートパソコンに適用可能な物性を達成し， では，バイオプラスチックの中で最も汎用性に優れ 2005年1月発売のFMV-BIBLO NBのLCDバックカ るポリ乳酸（以下，PLA）を用いて，1990年代か バー，ロアカバーに世界で初めて適用し，材料の改 ら研究開発を行っている。まず，エレクトロニクス 良を図りながら2009年冬モデルまでに15機種に採 分野への応用として，2000年にキャリアテープに 用している。 (1) このキャリアテープは，導電性，低コ 適用した。 （1） 難燃技術 スト，さらに連続したテープとしての機械的強度を 最も少量の添加で難燃効果の大きいハロゲン系難 達成した。その後，耐久性を必要とする製品への適 燃剤は環境問題から使用できない。そこで，ハロゲ 用の検討を進めた結果，2002年3月，本材料の組成 ン系難燃剤以外として，最も効果が現れやすく，材 を最適化しノートパソコン筐体部品（赤外線通信用 料バランスの取りやすいリン系難燃剤に着目して材 (2) 本章では，ノートパ マスクカバー）に適用した。 料配合条件を試行錯誤した。その結果，リン系難燃 ソコンのプラスチック筐体にバイオプラスチックを 剤と難燃助剤として炭化層形成ポリマーを添加する 応用した事例について紹介する。 ことで，炎に触れたとき，その成形品表層部は選択 ● ノートパソコン筐体への応用への課題 的に効率良く炭化層が形成され，短時間で火が消え ノートパソコンは，デスクトップ代替のA3サイ る自己消化性を高めることに成功した（図-1）。こ ズに近いラップトップ系，持ち運びを想定したA5 れにより，ハロゲン系難燃剤を使用することなく からB5サイズのモバイル系と通常のA4ファイルサ UL94規格V-1以上を達成した。 イズのボリューム系に大別される。さらに筐体部品 （2） 耐熱性向上 は大きく分けるとLCDバックカバー，LCDフロン 耐熱性は，筐体利用を前提としたプラスチックに トカバー，アッパーカバー，ロアカバーの4部品か は必須の特性であり少なくとも熱変形温度は60℃ ら構成されている。ノートパソコンのサイズにより， 以上が必要である。 筐体部品それぞれに要求される特性は異なる。その 134 当初PLAの耐熱性を向上する施策として結晶化 FUJITSU. 61, 2 (03, 2010) パソコン開発における環境への取組み を検討した。しかしPLAは結晶化速度が遅く，短 (5) しかし，PLAとPCのポリマーアロ 知られている。 い成形時間では十分な結晶化を得ることが困難で イにシリコーンを添加しても，難燃効果は得られな あった。また結晶化度は最大30～40％であり，非 かった。 晶部分の特性が支配的になるため高温時の強度が不 そこでさらにPCにシリコーンを共重合させた特 十分という問題があった。そこで別の施策として非 殊なPCとPLAのポリマーアロイ化した結果，難燃 晶性プラスチックかつPLAと溶融度パラメータが 性が向上し，UL94規格V-1以上が達成できた。耐 近いPC樹脂とを混練し，ポリマーアロイ化するこ 熱性においてもPLA-PC樹脂中のPCの中にのみシ とにより，最終的に65℃の耐熱性を達成した（図-2） 。 リコーンがナノ分散した構造となり，熱安定性が向 ポリマーアロイ化によって，PLAの耐熱性，成 上し，PC-ABS樹脂より優れた耐熱性を有し温度サ 形性が向上し，現用の材料であるPC-ABS樹脂と同 イクルによる変形量を減少することができた（図-3） 。 等設備，条件での成形が可能になった。 また燃焼時にナノ分散したシリコーンが炭化層を形 ● 大型ノートパソコン筐体への適用に向けた改良 成し，消火することによって，UL94規格V-1以上 前節で紹介したバイオプラスチックを大型筐体へ を実現した（表-1） 。 適用するには，新たな課題として高温～低温の温度 この材料は，2008年12月より，A3サイズに近い サイクルでの変形問題を改善する必要があることが ラップトップタイプであるFMV-BIBLO NWシリー 分かった。リン系難燃剤は難燃性，成形性の向上に ズのLCDバックカバーなどの筐体に適用した（図-4） 。 大きな効果を発揮する反面，材料が軟らかくなり耐 ● 異なる素材の開発と今後の取組み 熱性が低下するというデメリットがあった。 開発したバイオプラスチックは，石油資源の使用 そこでリン系難燃剤の添加の代わりに，シリコー 料，CO2発生量の削減が可能となる。パソコン筐体 (4) 一般的にPC樹脂 ンの添加による難燃化を試みた。 に適用した場合，ライフサイクル全体におけるCO2 にシリコーンを添加すると難燃性が向上することが (6) さらにマテリアルリ 排出量を14.8％低減できる。 リン系難燃剤 難燃助剤（炭化層形成ポリマー） PLA＋PC 炎 消火 炭化層 図-1 難燃機構 Fig.1-Flame-retardant mechanism. PC PC PLA PLA 5μm シリコーン 図-2 ポリマーアロイ Fig.2-Polymer alloy. FUJITSU. 61, 2 (03, 2010) 図-3 シリコーンの分散イメージ Fig.3-Dispersed image of silicone. 135 パソコン開発における環境への取組み 表-1 耐熱性と難燃性 組 成 バイオプラスチック PLA/シリコーン共重合 PCアロイ バイオプラスチック PLA/PCアロイ ＋リン系難燃剤 一般プラスチック PC-ABS ＋リン系難燃剤 25 40 0 植物度 ％ DTUL（高荷重） ℃ 110 66 86 DTUL（低荷重） ℃ 120 83 96 UL94 1.5 mmV-1 1.2 mmV-1 1.0 mmV-1 難燃性 LCDバックカバー LCDフロントカバー サブディスプレイカバー 小カバー ロアカバー 図-4 バイオプラスチックのノートパソコン FMV-BIBLO NW/C90D への適用 Fig.4-Application of bio-plastic to notebook PC (FMV-BIBLO NW/C90D) housing. サイクルを行った場合，ライフサイクル全体の環境 在においてもバイオプラスチックは発展途上にある 負荷はPC-ABS筐体と比べると28.8％の低減効果が 材料である。近年環境保護の観点からその進化と普 得られる。 及が更に高まっており以下のテーマで継続的に取り このように環境に対して有効なバイオプラスチッ 組んでいく予定である。 クの更なる進化を目指し，異なる素材の活用も進め ①PLA系 植物比率50％超えを目標 ている。PLA以外の原料では，2007年発売のノー ②非可食の植物を原料とする新たな素材の開発 トパソコンに柔軟部品用として採用したものだが， 非可食物である「とうごまの種子」より抽出される ひまし油を原料とし，ポリアミド11（PA11）を主 回路基板のリサイクル つぎにパソコンにおける3Rへの設計的配慮とい 成分に持つバイオプラスチックを開発した（図-5）。 う観点で回路基板への取組みについて紹介する。今 この材料は，PA11分子鎖間の相互作用を弱め組織 日パソコンは業務用，家庭用，個人用として広く普 の規則性を緩和することにより，繰り返し屈曲させ 及しているが，ここ数年ではネットワークインフラ ても白化しない柔軟性を備え，60～80％と高い植 の進展に伴いパソコン各社は薄型軽量，稼働時間の 物成分比率を達成している。PA11は，強度を上げ 長期化技術開発を一層加速させ，ユビキタスに適し るために充填剤を高濃度で添加した際にも，高い耐 たモバイルパソコンの商品化を競っている。薄型軽 衝撃性を保つことが可能であり柔軟性を必要とする 量化は，反面，構造的には強度劣化の課題がある。 部材への応用に期待できる材料である。 フレーム構造上の強度劣化は，構造設計や使用材料 以上のようにバイオプラスチックをパソコンの部 で補うことが可能であるが，回路基板上に搭載した 品として初めて採用してから8年が経過したが今現 回路部品の実装物（図-6）に対しては，過度な衝撃 136 FUJITSU. 61, 2 (03, 2010) パソコン開発における環境への取組み 精製 ひま（とうごま） ひまの実 ひまし油 リシノール酸を90％含有 モノマー 11-アミノウンデカン酸 CO2 合成 燃焼 バイオプラスチック ポリアミド11 （PA11） カバー部分 FMV-BIBLO MG55U（07春モデル） 図-5 ひまし油由来のバイオプラスチック Fig.5-Bio-plastic made of caster oil. が加わるとパッケージであるがゆえにそれらの応力 BGAパッケージ がパッケージ外周部分に集中するため，当該部分の はんだ接合部にクラックや剥離が発生しやすくなる。 この現象はパソコン開発段階の中で運搬中のアクシ デントを想定した局部的な圧迫や衝撃などの評価 （図-7）で発生するものであるが，構造設計による クラックの防止策を試行錯誤した上で現段階ではア ンダーフィルによる補強策（図-8）が必須の状況に あると判断している。 図-6 回路部品を実装した回路基板 Fig.6-Circuit board equipped with circuit components. アンダーフィルの材料は補強という目的から，高 い接着性能が必要である。従来使用してきたアン ダーフィル材料は120℃で乾燥固形化した後は，再 や圧迫などによる基板のひずみからはんだクラック はく 度熱を掛けても軟化しない。したがって，基板から や剥 離が発生することが分かってきたが，構造的 パッケージを取り外すことは不可能に近い状態であ に完全回避する技術が確立できていない現状では， り，パッケージそのものが不良となった場合には， はんだの補強としてアンダーフィル（接着剤）によ リペア交換ができず，ほぼ基板全体が廃棄対象と りクラックの発生を防止している。しかし，アン なってしまうという問題が発生した。 ダーフィルは接着剤であるため，アンダーフィルを ● リワーカブルなアンダーフィルの開発 適用したパッケージは基板から取り外すことは不可 前節の問題を解決すべく，接着性能を維持したま 能に近い状態となり，修理やリサイクルへ支障をき までリワーカブルなアンダーフィルの材料開発を材 たしている。よって構造的な解決策検討と並行して， 料メーカとの協業で取り組み，2009年10月から新 アンダーフィルのリワーク化が急務となっている。 しいアンダーフィル材料の適用を開始した。 ● アンダーフィルの使用背景と課題 リワーカブルなアンダーフィルの開発に当たって 回路基板上の実装部品は，パソコンの小型軽量化 は，アンダーフィル材料に熱軟化性を付加しつつ， を進める上で，小型化・多ピン化対応に優位な 物性値5種（粘度，ゲル化時間，ガラス転移温度， BGA/CSPパッケージの利用が不可欠となってきて 熱膨張係数，曲げ弾性率）の特性を変化させた材料 いる。一方で，基板に過度な衝撃や圧迫ひずみなど を試作し，接着強度とリワーク性および製造性の相 FUJITSU. 61, 2 (03, 2010) 137 パソコン開発における環境への取組み （a）全面圧迫試験 （b）片持落下試験 （c）天面からの一点加圧試験 （d）落下試験 図-7 過度な圧迫・衝撃による評価 Fig.7-Test by excessive stress and impact shock. アンダーフィル 塗布方法 全面塗布 て，外装箱および緩衝材料に焦点を当てて簡単に紹 4隅塗布 側面固定 内部流入 介する。 ● これまでの取組み 塗布イメージ ノートパソコンの梱包では，2003年に外装箱 塗布状況 を横長型から縦長型に変更，2005年にはみかん ノートパソコン適用率 応力緩和効果 製造性難易度 27％ 大 高 9％ 中 中 64％ 小 低 図-8 アンダーフィルの塗布方法と適用状況 Fig.8-Application method and application situation of underfill resin. 箱形状だった添付品箱を間仕切りの仕切り板に変 更，2008年には，圧迫強度を設計で強化して段 積み数のアップ，2009年には店頭の主力商品で あ る FMV BIBLO NFシ リ ーズの 外装 箱の幅 を 180 mm⇒150 mmへと16％小型化し，さらなる ダンボール使用量の低減と輸送時の積載効率アッ プを図ってきた。 関を調査し，最適な物性値の組合せを見出し，添加 またデスクトップの梱包においては，2007年に 物の配合を決定した。 緩衝材である発泡スチロールの材料を高発泡倍率品 ● 今後の取組み に置き換え，PS材の使用量の約10％削減を図った。 今回開発したアンダーフィルは，以前の材料より 高発泡PS材は，発泡同士の接合力が弱く，1度の落 は画期的にリペア作業が容易になっているものの， 下で分離しやすいという欠点があったため，実現に 粘度が高いためにパッケージ下面全面への注入が困 当たっては1角3稜6面の各落下試験で弱い部分を補 難であり，外周または4隅への適用にとどめてしか 強するカット＆トライを繰り返した。 採用できていない。パッケージ下面全面に適用する ● 今後の取組み には，熱軟化性と固形時の強度を維持しつつ，粘性 今後は以下3点を軸に，梱包箱の省資源化を進化 の改善を主体とした材料の改良に加え，リペアの際 させたいと考えている。また従来のカット＆トライ に使用するパッケージ取外し治具の改良も含めて， で実機試験を繰り返して培った緩衝ノウハウを生か 基板のパッド剥離やパッド面の銅面への悪影響を伴 し，構造解析や衝撃解析技術を利用し，効率的な緩 わない技術の確立を進めなければならない。 衝設計手法の構築も重要な開発課題である。 梱包への取組み 最後に，梱包における省資源化への取組みについ 138 （1） 緩衝材薄肉化による箱/緩衝材の使用量低減 （2） 軽量緩衝材の真空成形品の採用検討 （3） ダンボールの材質変更 坪量の低減 FUJITSU. 61, 2 (03, 2010) パソコン開発における環境への取組み む す び Electronic Parts Packing Materials．4th International Conference on EcoBalance，2000，p.91-94． パソコンの環境への取組みとしては，今回紹介 （2） 野崎耕司ほか：生分解性プラスチックのパソコン したもの以外にも，省エネ対応に向けた消費電力 筐体への適用．FUJITSU，Vol.54，No.6，p.453-457 の低下や省資源化に向けた部品点数・部材原料の （2003） ． 使用量低減，人体への有害物質の根絶など継続的 （3） 日本規格協会：新版UL規格の基礎知識．2003． な活動として推進していかなければならない。 （4） 早田裕介：ポリカーボネート/ポリ乳酸複合材料の機 とくにパソコンは欧米・アジアの拠点を軸とし て，グローバルに販売していることから，各国で 能性向上．植物由来プラスチックの高機能化とリサイク ル技術，サイエンス＆テクノロジー，2007，p.376-381． の環境規制にもタイムリな追従対応が必要となっ （5） 位地正年：コンピュータ等電子機器用のノンハロ ている。これらの規制にも対応しつつ，さらに環 ゲン系難燃剤樹脂の動向．ノンハロゲン系難燃材料に 境に優しい商品作りにつなげていきたい。 よる難燃化，エヌティーエス，2001，p.123-150． （6） K. Kimura et al． ：Bio-Based Polymers．FUJITSU 参 考 文 献 Sci. Tech. J．，Vol.41，No.2，p.173-180（2005）． （1） T. Hashitani et al ．： Biodegradable Plastic as FUJITSU. 61, 2 (03, 2010) 139