CN1636699A - 含有类金刚石碳层的光盘模塑以及使用同样光盘模塑的模塑方法 - Google Patents

含有类金刚石碳层的光盘模塑以及使用同样光盘模塑的模塑方法 Download PDF

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Abstract

为了缩短模塑操作的循环时间，本发明提供了一种用于模塑光盘的模具，其中含有可控制的表面粗糙度的不规则性形成在一个模具模腔中的压模支撑表面上，其程度使得所述不规则性不会转移到压模表面，以及一个类金刚石碳层集成地形成在所述表面上。一种用于模塑光盘的方法，包括步骤：根据本发明将含有信息图形表面的压模安装在上面提到的一个模具模腔中的压模支撑表面，以及将熔化树脂注入到腔中。

Description

含有类金刚石碳层的光盘模塑 以及使用同样光盘模塑的模塑方法
技术领域
本发明涉及用于使用压模(主模盘)制造光盘的模具以及使用该模具制造光盘的方法。尤其，本发明涉及以缩短的循环时间制造光盘的模具，使用和使用该模具制造光盘的方法。
背景技术
一般使用注入模塑方法制造光盘。在一个固定模具一半和一个移动模具一半的两个相反表面之间形成一个模塑腔，根据信息在表面以坑或其它不规则性形成，含有信息图形的压模安装在固定和移动模具两个中一个的支撑表面上，熔化树脂注入到腔中，冷却模具以固化树脂使得可以制造含有从压模转移的信息图形的光盘。
使用这样的模具和压模，一方面需要加热模具和压模或在一个预定温度之上，使得压模表面的信息图形的每个角完全填充注入的熔化树脂，以精确地将信息图形转移到树脂上，并且另一方面需要从外部冷却模具和压模，使得模塑的光盘快速冷却并固化。然而，为了升高冷却的腔表面和压模温度到或在预定温度之上，需要或者升高要注入的熔化树脂温度，或者增长与熔化树脂的接触时间周期，这导致了对一次注入模塑的时间周期(循环时间)会很长，以及产量(缩短循环时间和没单位时间的注入喷射数目)非常低。
为解决这个问题，已经提出各种技术，其中通过在模腔表面上提供一个绝热层使得压模热绝缘，在该腔表面上支撑或支持该压模，由此缩短循环时间。
例如，那些技术包括：一种技术，其中含有低导热性的绝热层例如陶瓷材料，铋，聚酰胺或聚酰胺-聚酰亚胺，固定地粘着在一个压模背表面或粘着在压模中，由此将熔化树脂填充到腔中的时间内暂时将热存储起来，使得增加转移效率，而通过一个金属模具快速冷却，使得增加产量(见日本2002-361689A)；以及一种技术，其中将一个绝热层例如聚酰亚胺，聚醚酰亚胺或硅氧烷改良的聚醚酰亚胺，加在(插进)压模的背表面(接触模具的表面)，以缩短循环时间(见日本2002-513691A)。
然而，尽管在背面含有一个绝热层例如陶瓷材料，铋，聚酰胺或聚酰胺-聚酰亚胺等的压模可以降低模塑的循环时间，它具有增大压模和模具之间摩擦的缺点，由此缩短了压模和模具的压模支撑表面的使用寿命，这样在更换压模前的喷射数目以及更换模具前的喷射数目大大降低。
进一步，在集成地形成压模和绝热层的情况下，存在一个问题，即在压模上由于在压模和压模的压模支撑表面之间不同的热膨胀系数导致而形成应变，防碍了适当的模塑操作。
[专利文献1]JP2002-361689A
[专利文献2]JP2002-513691A
发明内容
在上面提到的现有技术中公开的背表面含有一个绝热层的压模具有一个缺点，它增加了压模绝缘层和模具之间的摩擦，由此缩短了压模和模具的压模支撑表面的使用寿命，这样在更换压模前的喷射数目以及更换模具前的喷射数目大大降低。
即，尽管在压模和模具的压模支撑表面之间存在一个20-250μm的厚绝热层，以改善压模的绝热性或者推迟压模的冷却，在模具的压模支撑表面和在压模背面形成的绝热层之间的摩擦在相关表面产生划痕，这损坏了压模的转移表面(信息承受表面)，这种损坏缩短了压模的使用寿命。本领域还没有任何试验来改善含有绝热层的压模的耐久性。
进一步，在集成地形成压模和绝热层的情况下，有一个问题，即在压模上由于在压模和压模的压模支撑表面之间不同的热膨胀系数导致而形成应变，防碍了适当的模塑操作。
因此，本发明的目标是解决上面提到的问题，通过改善压模和模具的耐久性而不使用这样一个绝热层，以及提供一个光盘模具，可以显著缩短循环时间以及一个使用该模具的模塑方法。
[解决问题的方法]
本发明通过提供一个用于模塑光盘的模具而解决了该问题，其中含有一个可控的表面粗糙度的不规则性，形成在模具模腔中的压模支撑表面上，不规则的程度使得不规则性不能转移到压模表面，并且在表面集成地形成一个类金刚石碳层。
特别是，压模支撑表面的表面粗糙度Ra在50-10000的范围，P-V(峰-谷)在1000-100000的范围，优选Ra在500-1500，P-V在5000-20000。
本发明使用的类金刚石碳层组成优选由下面的公式表示：
CHaObNcFdBePf
其中根据原子百分比a＝0.05-0.7，b＝0-1，c＝0-1，d＝0-1，e＝0-1，f＝0-1。
本发明还提供了一个模塑光盘的方法，包括将含有信息图形表面的压模安装在上面提到的一个模具模腔中的压模支撑表面，以及将熔化树脂注入到腔中。
[发明效果]
在本发明中，在压模支撑表面上形成类金刚石碳层，形成光盘模具模腔表面的一部分，在压模支撑表面引入一个预定的表面粗糙度，由此在类金刚石碳层表面上形成不规则性。通过引入不规则性，一个空气层在压模背面一边和类金刚石碳层之间形成，作为压模背面一边和压模支撑表面之间的绝热层，增强了压模的绝热性，由此缩短了用于模塑光盘的循环时间。
本发明获得了谷传统绝缘层同样的绝缘水平，在模具压模支撑表面如传统方法中的使用了一个空气层而不是使用一个特殊绝缘层。另外，通过使用类金刚石碳层，与传统绝缘层相比，显著提高了耐久性。压模寿命和模具寿命变得显著的长，这等效于在压模支撑表面上引入类金刚石碳层的传统光盘模具。
附图说明
[图1]
图1示出了本发明中用于实现注入模塑的注入模塑层。
具体实施方式
本发明特征在于，在压模支撑表面上形成类金刚石碳层，形成光盘模具模腔表面的一部分，在压模支撑表面引入一个预定的表面粗糙度，由此在类金刚石碳层表面上形成不规则性。
关于类金刚石碳层(DLC)，可以参考例如日本专利申请KokaiNos.62-145646和62-145647，以及New Diamond Forum，Vol.4No.4(1988年10月发行)。如在上面提到的文献(New DiamondForum)，拉曼光谱分析显示DLC层在1400-1700cm-1含有一个拉曼散射谱的宽峰，这与在1333cm-1含有一个窄峰的金刚石不同，以及与1581cm-1含有一个窄峰的石墨不同，这反过来意味着DLC层与其它含有不同的结构。在DLC层的拉曼光谱分析谱中观察到的宽峰是由于包括的元素的改变而导致的改变，而不是碳和氢的改变。DLC层是一层无定形薄层，主要包括碳原子和氢原子，碳原子通过sp2和sp3键随机键合。
压模支撑表面的表面粗糙度应该以不影响在压模表面上形成的要转移图形的方式控制。满足上面要求的模腔的压模支撑表面的表面粗糙度Ra在50-10000的范围，优选在500-1500的范围，P-V(峰-谷)在1000-100000的范围，优选在5000-20000。在本发明的实例中，Ra近似选为1000，P-V近似选为10000。
上面提到的表面粗糙度Ra和P-V根据JIS定义的测量。
作为用于本发明的模具材料，可以使用模具钢，实例包括不锈钢合金，例如由Woodyholm制造的ELMAX(产品名称)和STAVAX(产品名称)。
在本发明中，在模具的类金刚石碳层和压模支撑表面之间，可以形成含有厚度约0.01-3μm的一个相关层。对该相关层，可以参考例如日本专利申请Kokai No.4-341558，描述了Mo薄膜，日本专利申请Kokai No.5-142875，描述了一个碳和硅的无定形薄膜，日本专利申请Kokai No.2000-177046，描述了一层碳化硅薄膜，以及一层由硅化物制成的金属薄膜，硅化物至少选自V，Nb，Ta，Cr，Mo，W，Ti和Zr中的一种，日本专利申请Kokai No.2000-178736，描述了由硅化物制成的薄膜，至少选自V，Nb，Ta，Cr，Mo，W，Ti和Zr中的一种，日本专利申请Kokai No.2000-178737，描述了一个层状薄膜，包括一层金属薄膜，主要包括元素周期表的5A金属，以及一层Si薄膜，主要包括Si，以及日本专利申请Kokai No.2000-178738，描述了无定形类金刚石碳层，含有一个梯度的氧。
本发明使用的类金刚石碳层的组成主要包括碳和氢，并且还可以包括其它添加元素。组成优选由下面的公式表示：
CHaObNcFdBePf
其中根据原子百分比a＝0.05-0.7，b＝0-1，c＝0-1，d＝0-1，e＝0-1，以及f＝0-1。
类金刚石碳层的厚度优选0.01-10μm，更优0.03-3.0μm。
图1示出了用于制造光盘的注入模塑设备的一个实施例，其中熔化树脂注入到模腔中，该模腔在支撑一个压模(主模盘)的移动模具一半和一个固定模具一半相反表面之间形成，施加上压力并冷却树脂，由此获得一个模塑的物品(article)，压模的表面图形转移到模塑的物品(article)。模具包括一个移动模具一半2以及一个固定模具一半5。当关上移动模具，在这两半之间形成一个模腔7。关于移动模具2，在腔7一边的不规则引入表面支撑一个以薄层的形式例如Ni的金属压模1。压模的外面部分以外环4固定和/或里面部分以内环8固定。外环4还用作腔7的周边壁。图1示出了以封闭位置的模具，以及形成模腔7。使用这种位置，树脂从供给入口3通过一个门部件12的门6在一个预定的模塑压力下注入到腔7中，由此产生模塑，压模1表面上的信息图形(不规则性)转移到树脂上。在模塑过程中或模塑之后，门切割部件9的顶部插入树脂中，光盘的中心部分被门切割部分10切掉，使得形成一个中心孔。移动模具和固定模具含有一个冷却轨道系统(未示出)，其中冷却水循环以围绕腔冷却模具部分。
根据本发明，上面提到的含有预定平均粗糙度Ra和P-V的表面14形成在腔一边的压模支撑移动模具2的支撑表面上，使用本领域上任意已知技术，例如喷丸处理(shot peening)和钢丝刷刷光(scratch-brush finish)，并且在它的表面上直接集成地形成或通过一层金属膜形成一层类金刚石碳层15。通过这种结构，其中类金刚石碳层15含有与基表面不规则性一样的不规则性，尽管压模1在模塑过程中重复地经历热膨胀和冷却收缩。与类金刚石碳层的摩擦很低，摩擦在压模背表面和模具表面不能产生划痕。因此，压模和模具的质量可以保持很长时间。同时在类金刚石碳层和压模1之间形成一个空气层，提供了绝缘。由于这种绝缘效果，用于模塑的循环时间可以显著缩短，并且最终模具的使用寿命可以显著延长。
(类金刚石碳层的形成)
一个类金刚石碳层(在下文简单指为“DLC层”)可以通过例如等离子体CVD方法，电离淀积方法和ECR等离子体CVD方法形成，此外可以使用溅射方法。
关于用于形成DLC层的等离子体CVD方法，可以参考例如日本专利申请Kokai No.4-41672。用于等离子体CVD方法的等离子体可以是滞留或交流。交流范围可以从几赫兹到微波。另外，可以使用在例如“金刚石薄膜技术”(出版于技术中心(Technology Center))描述的ECR等离子体。进一步，可以加上一个偏压。
当使用等离子体CVD方法形成DLC层，材料气体优选自下面的化合物。
含有C和H的化合物实例包括烃，例如甲烷，乙烷，丙烷，丁烷，正戊烷，己烷，乙烯和丙烯。
含有C+H+O的化合物包括CH3OH，C2H5OH，HCHO和CH3COCH3。
含有C+H+N的化合物包括氰化铵，氰化氢，甲胺，二甲胺，丙烯胺，苯胺，二乙基氨，乙腈，偶氮丁烷，二丙烯胺，乙胺，MMH，DMH，三丙烯胺，三甲胺，三乙胺和三苯胺。
另外，上面提到的化合物可以结合使用，或者与O源，ON源，N源，H源，F源，B源，P源等一起使用。
上面提到材料的气体流速可以根据材料气体的类型选择。一般，优选工作压力1-200Pa，输入功率10W-5kW。
在本发明中，电离淀积方法等可以用于形成DLC层。关于电离淀积方法，可以参考例如日本专利申请Kokai No.59-174508，日本专利申请Kokai No.2-22012和日本专利申请Kokai No.10-202668。应该注意该方法和和该设备并不局限于所公开的，如果可能加速材料电离气体的话，可以使用其它类型的电离淀积技术。
在电离淀积方法中，真空罐内部维持在近似10-4Pa的高真空下。该真空罐装备有一个灯丝，当被交流电电源加热时产生热电子。这种灯丝被一个电极对所夹住，在灯丝上加上电压Vd。另外，一个产生电磁场用于捕获离化气体的电磁线圈以包围灯丝和电极对的方式放置。材料气体与从灯丝上的热电子碰撞，产生正的热放散离子和电子。这种正离子由加到栅格的负电势Va加速。通过调节Vd，Va和线圈的磁场，可以改变该层的组成和质量。另外，可以加上一个偏压。
当通过电离淀积方法形成DLC层时，可以使用与等离子体CVD方法情况下相同的材料气体。材料气体的流速可以根据气体类型选择。一般，工作压力优选1-70Pa。
可以通过溅射方法形成DLC层。在这种情况下，可以引入气体例如O2，N2，NH3，CH4和H2作为反应气体，以及溅射气体，例如Ar和Kr。另外，C可以用作一个靶子，或者可以使用包括C，N，O等的混合靶子或两个或更多靶子。聚合物可以作为靶子。通过使用这样的靶子，加上一个射频功率，一个交流电源或直流电源，由此溅射靶子；溅射在衬底上积累，由此形成一个DLC层。射频溅射功率一般10W-5kW。一般，工作压力优选10-3-0.1Pa。
通过使用这样的靶子，加上射频功率，由此溅射靶子；溅射在模具的压模支撑表面上积累，由此形成一个DLC层。还是在这种情况下，使用一个负偏压用于在模具上加上一个偏压。偏压优选直流。可选地，可以加上自偏压以替代该偏压。偏压优选-10～-2000V，更优-50～-1000V。射频溅射功率一般为10W-5kW。一般，工作压力优选0.0013-0.13Pa。
在形成类金刚石碳层之前，模具的压模支撑表面应该进行镜面抛光，然后应该将不规则性引入到压模支撑表面。
(相关层的形成)
在本发明中，可以在不规则性引入模具表面和类金刚石碳层之间提供相关层。该层可以通过一种适当材料，通过基本上与上面形成DLC层相同的方法得到。
[实例]
在下面的实例和比较实例中，使用了钢丝刷刷光和喷丸处理(通过使用与模具硬度相同的喷射球影响模具表面来形成不规则性)。
[实例1]
支撑压模的钢模具腔表面进行镜面抛光，表面进行钢丝刷刷光，其程度使得表面粗糙度Ra变为约1000，P-V约10000 。在结果的表面上，含有厚度0.5mm的SiC层通过火焰喷射形成，然后在上面形成厚度1.5μm的类金刚石碳层。应该注意类金刚石碳层通过自偏压RF等离子体CVD方法形成，在下面的条件下：材料气体C2H4(0.017Pa.m3.s-1)，电源：RF，工作压力：66.5Pa，输入功率：500W，层形成速率：100nm/min。层的组成为CH0.21，结果碳层是一种类金刚石碳层。
[实例2]
支撑压模的钢模具腔表面进行镜面抛光，表面进行喷丸处理，其程度使得表面粗糙度Ra变为约1000，P-V约10000。在结果的表面上，形成厚度1.5μm的类金刚石碳层。应该注意类金刚石碳层通过基本上与实例1中相同的程序形成。
比较实例1
支撑压模的模具腔表面进行镜面抛光，表面进行钢丝刷刷光，其程度使得表面粗糙度Ra变为约1000，P-V约10000。结果的模具用于该比较实例。
比较实例2
支撑压模的模具腔表面进行镜面抛光，表面进行喷丸处理，其程度使得表面粗糙度Ra变为约1000，P-V约10000。结果的模具用于该比较实例。
比较实例3
一个覆盖有类金刚石碳层的模具，通过基本上与实例1中一样的程序制备，除了不使用钢丝刷刷光。
在上面提到的任意一个实例和比较实例中，进行注入模塑用于模塑光盘，使用含有预定层的模具。
结果示于表1。在表1中，“压模寿命”是一个压模可以使用而不导致任何较差模塑特性的喷射数目；“模具寿命”是更换一个模具的压模支撑表面氢喷射的数目。
[表1]
    压模寿命(单位：10000次喷射)     模具寿命(单位：10000次喷射)     DVD-R循环时间(秒)
比较实例1   钢丝刷刷光     1.5     3   4.0
比较实例2   喷丸处理     1.3     2.8   3.8
比较实例3   镜面抛光+DLC     40     208   6.2
实例1   钢丝刷刷光+DLC     42     212   3.8
实例2   喷丸处理+DLC     40     215   3.7
从表1所示的结果很明显，不使用传统绝缘层，而通过在模具压模支撑表面含有可控制的表面粗糙度来引入不规则性，其程度使得该规则性不会影响压模的转移特性，在本发明中的压模寿命显著改善，本发明的模具寿命显著增强，而循环时间保持与传统的含有一个绝缘层的模具一样。此外，在本发明中，相比于传统仅含有一个类金刚石碳层的模具，它使得显著缩短用于模塑的循环时间变成可能。

Claims (5)

1.一种用于模塑光盘的模具，其中含有可控制的表面粗糙度的不规则性形成在一个模具模腔中的压模支撑表面上，其程度使得所述不规则性不会转移到压模表面，以及一个类金刚石碳层集成地形成在所述表面上。
2.根据权利要求1的模具，其中模具模腔中的所述压模支撑表面的表面粗糙度Ra在50-10000的范围以及P-V在1000-100000的范围。
3.根据权利要求2的模具，其中模具模腔中的所述压模支撑表面的表面粗糙度Ra在500-1500的范围，以及P-V在5000-20000的范围。
4.根据权利要求1-3任何一个用于模塑光盘的模具，其中类金刚石碳层的组成由下面的公式表示：
CHaObNcFdBePf
(其中按照原子百分比a＝0.05-0.7，b＝0-1，c＝0-1，d＝0-1，e＝0-1，以及f＝0-1)。
5.一种用于模塑光盘的方法，包括步骤：将含有信息图形表面的压模安装到根据权利要求1-4任何一个的一个模具模腔中的压模支撑表面上，以及将熔化树脂材料注入到腔中。
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