JP2008088530A - 電鋳金型及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ＬＩＧＡ製法においてＮｉ金属を電解メッキして析出積層を微細テンプレ−ト開口部に充填し高精度の電鋳金型を製造する方法を提供する。
【解決手段】ＬＩＧＡ製法においてＮｉ金属を電解メッキして析出積層を微細テンプレ−ト開口部に充填する電鋳工程で、Ｎｉ金属を電解メッキして析出積層させる還元電解のマイナス電解と逆となる溶解電解のプラス電解とを交互にパルス状に印加すると共に、溶解電解の強さが還元電解の強さの２倍以上であり且つ溶解電解の印加時間が還元電解の印加時間の１／１０以下にする。
【選択図】図４
【解決手段】ＬＩＧＡ製法においてＮｉ金属を電解メッキして析出積層を微細テンプレ−ト開口部に充填する電鋳工程で、Ｎｉ金属を電解メッキして析出積層させる還元電解のマイナス電解と逆となる溶解電解のプラス電解とを交互にパルス状に印加すると共に、溶解電解の強さが還元電解の強さの２倍以上であり且つ溶解電解の印加時間が還元電解の印加時間の１／１０以下にする。
【選択図】図４
Description
本発明は、樹脂表面に微細なエンボス加工等を行うための電鋳金型及びその製造方法に関するものである。
近年、樹脂成形品の用途は広がる一方であり、樹脂成形品の表面形態も微細なエンボス加工を施したものなど多種多様なものが要求されるようになってきている。そして、樹脂成形品の表面形態がマイクロオーダ、ナノオーダのエンボス加工を有するものの場合、現在では、リソグラフィー法によって樹脂微細構造体を形成するのがほとんどであり、近年はこの種の技術の進歩により、高アスペクト比の微細構造を有するものが作製されるようになっている。
ところが、このリソグラフィー法は、精度良く微細構造を形成するのに適しているが、工業的な大量生産には不向きである。従って、これに代わる方法として、微細構造体を持つ金型を用いた成形方法が検討されている。しかしながら、マイクロオーダ、ナノオーダのエンボス加工を行うための金型を製造する場合には、金型を電解Ｎｉメッキで析出積層してテンプレートに充填形成させる方法において電解メッキで析出したＮｉが析出過程で金属内部に応力が発生して積層膜に反りを起こし金型としての精度が得られない。
電解Ｎｉメッキで析出積層して形成させる方法において電解メッキで析出したＮｉが析出過程で金属内部に応力が発生して積層膜に反りを起こす問題は多くの研究者が研究報告を行っている。
非特許文献１には電解Ｎｉメッキにおける水素発生メッキ膜内部応力に及ぼす影響は３つに分類され、
（１）水素発生が電極近傍のｐＨを上昇させ電極近傍にコロイド状水酸化物が発生してメッキ膜に取り込まれ膜に応力を与える
（２）Ｎｉ析出時に共析水素が水酸化物を形成し応力を与える
（３）メッキ膜に水素が吸収離脱されてＮｉ膜の結晶欠陥を起こし応力を与える水素の影響がメッキ膜の応力発生に大きく関わる報告が有る。
非特許文献２には電解Ｎｉメッキにおける水素発生に寄る応力の影響を調査する方法としてメッキ条件を変更して、Ｎｉ金属を電解メッキして析出積層させる還元電解のマイナス電解と逆となる溶解電解のプラス電解とを３対１の強度で周期的に交互に反転電流を等時間印加する方法で膜内部の歪み発生を観察した結果を報告されておりプラス・マイナスに交互に通電を行うと連続に通電する時に比べて歪みの進行を幾分遅らせれるが歪みの発生を抑制する事は出来なかったと報告されている。
非特許文献３には上記非特許文献２の現象がニッケル酸化物及び水酸化物の発生がメッキ膜の応力拡大に大きく寄与している事が報告されている。
非特許文献４、５には電解メッキ電解液の中における水素イオンの挙動を研究しており水素イオンはカソ−ド近傍に形成されるヘルムホルツ電気二重層の外側に集められ金属Ｎｉと水素イオンが共析される現象が詳細に報告されている。
特許第３６１９８６３号明細書
津留 豊、「電気めっきにおける水素発生とめっき膜内部応力」、表面技術Vol.54 No1.2003、表面技術学会
津留 豊、玉井 智和、徳田 朋念、「電気めっき」、電気化学Vol.63 No1001.1995、電気化学学会
津留 豊、井元 宏幸、高松 亮太、細川 邦典、「電気めっき」、表面技術Vol.45 No82.1994、表面技術学会
C.J.Raub、「電気メッキ中の水素（その１）」、Plating & Surface Finishing Vol.80 No9.1993
C.J.Raub、「電気メッキ中の水素（２）」、Plating & Surface Finishing Vol.80 No9.1993
非特許文献１には電解Ｎｉメッキにおける水素発生メッキ膜内部応力に及ぼす影響は３つに分類され、
（１）水素発生が電極近傍のｐＨを上昇させ電極近傍にコロイド状水酸化物が発生してメッキ膜に取り込まれ膜に応力を与える
（２）Ｎｉ析出時に共析水素が水酸化物を形成し応力を与える
（３）メッキ膜に水素が吸収離脱されてＮｉ膜の結晶欠陥を起こし応力を与える水素の影響がメッキ膜の応力発生に大きく関わる報告が有る。
非特許文献２には電解Ｎｉメッキにおける水素発生に寄る応力の影響を調査する方法としてメッキ条件を変更して、Ｎｉ金属を電解メッキして析出積層させる還元電解のマイナス電解と逆となる溶解電解のプラス電解とを３対１の強度で周期的に交互に反転電流を等時間印加する方法で膜内部の歪み発生を観察した結果を報告されておりプラス・マイナスに交互に通電を行うと連続に通電する時に比べて歪みの進行を幾分遅らせれるが歪みの発生を抑制する事は出来なかったと報告されている。
非特許文献３には上記非特許文献２の現象がニッケル酸化物及び水酸化物の発生がメッキ膜の応力拡大に大きく寄与している事が報告されている。
非特許文献４、５には電解メッキ電解液の中における水素イオンの挙動を研究しており水素イオンはカソ−ド近傍に形成されるヘルムホルツ電気二重層の外側に集められ金属Ｎｉと水素イオンが共析される現象が詳細に報告されている。
しかしながら、金型の平面度が得られないために、金型を用いて工業的な大量生産を行い精度良く微細構造体を成形することが困難であるという問題は解消されていない。
そこで、本発明は、高精度の電鋳金型及びその製造方法を提供することを目的とする。
本発明は、ＬＩＧＡ製法においてＮｉ金属を電解メッキして析出積層を微細テンプレ−ト開口部に充填し電鋳金型を製造する方法であって、Ｎｉ金属を電解メッキして析出積層させる還元電解のマイナス電解と逆となる溶解電解のプラス電解とを交互にパルス状に印加すると共に、前記溶解電解の強さが前記還元電解の強さの２倍以上であり且つ前記溶解電解の印加時間が前記還元電解の印加時間の１／１０以下であることを特徴とする電鋳金型の製造方法を提供する。
本発明は、ＬＩＧＡ製法においてＮｉ金属を電解メッキして析出積層を微細テンプレ−ト開口部に充填し製造された電鋳金型であって、Ｎｉ金属を電解メッキして析出積層させる還元電解のマイナス電解と逆となる溶解電解のプラス電解とを交互にパルス状に印加すると共に、前記溶解電解の強さが前記還元電解の強さの２倍以上であり且つ前記溶解電解の印加時間が前記還元電解の印加時間の１／１０以下である電解Ｎｉメッキ電解制御により製造されたことを特徴とする電鋳金型を提供する。
また、本発明の電鋳金型の製造方法では、前記溶解電解の強さが前記還元電解の強さの２倍〜５倍であり且つ前記溶解電解の印加時間が前記還元電解の印加時間の１／１０〜１／５０であることを特徴とする。
また、本発明の電鋳金型の製造方法では、前記還元電解の強さが１〜１０Ａ／ｄｍ2で印加時間が５０ｍｓｅｃ〜５００ｍｓｅｃであり、前記溶解電解の強さが２〜２０Ａ／ｄｍ2で印加時間が１ｍｓｅｃ〜１０ｍｓｅｃであることを特徴とする。
本発明によると、樹脂表面に微細なエンボス加工等を行うための電鋳金型を製造する場合に、Ｎｉ金属電解メッキによる析出積層構造体の内部応力による歪のそり発生を防止して金型精度を向上させることができる。従って、マイクロオーダの均質なエンボス加工等を金型を用いて行うことで工業的に大量生産を可能とできる効果が得られる。
以下に、本発明の実施形態の一例を図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明の実施形態に係る電鋳金型の製造方法が用いられるＬＩＧＡプロセスの工程説明概念図を示す。
図１（ａ）はリソグラフィー工程を示し、メンブレンにＸ線吸収材料を配置したＸ線マスクを通して放射光を金属基板上の樹脂面に照射させた後に放射光に感光した樹脂を現像液で現像して高いアスペクト比を持つ立体樹脂構造体が形成される。図１（ｂ）は電鋳工程を示し、リソグラフィー工程で形成された立体樹脂構造体に電解ニッケルメッキを行いニッケル金属を還元析出させて電鋳金型を製造する。図１（ｃ）は電鋳工程で製造された電鋳金型を使いプレススタンプ方法で立体樹脂構造体を量産工程で生産する。本発明は図１（ｂ）に示す電鋳工程に関わるものである。
図２はリソグラフィー工程で形成された立体樹脂構造体に電解ニッケルメッキを行いニッケル金属を還元析出させ電鋳金型を製造する工程の電解電鋳原理を図解した説明図である。電解槽の中に陽極と陰極を設置して電解液を充填する。陽極にはＮｉ金属のペレットを耐酸性の良い袋（チタンバスケットを布袋）に詰めて電極とし直流電源から陽極（アノ−ド）を接続する。陰極は耐腐食性の高い金属（ステンレス・クロム・チタン等）にＬＩＧＡプロセスの金属基板に立体樹脂構造体が形成された金型のテンプレ−トを設置し電解ＮｉメッキによるＮｉの還元析出を立体樹脂構造体が形成された金型のテンプレ−トの中に電鋳する。
電解槽は耐酸性の強い材料で構成されており、電解槽内の電解液はスルファミン酸ニッケル（日鉱メタルプレ−テイング株）を使用しており５０℃前後の恒温制御を行なう様に構成されている。電解槽には温度制御機能の他に電解液ｐＨ制御装置等が装備されており、ｐＨを３．９に制御する。また、電解槽にはＮｉ金属中水素分析装置（ＲＨ-４０４：ＬＯＣＯ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）を品質管理として設けており、メッキされたサンプルを切り出して不活性ガス中で溶解してＮｉ金属中の水素の含有量を分析出来る様にして有る。
図３（ａ）はタバコサイズの導光板エンボス金型の概観写真を示し、図３（ｂ）は微細立体構造金型の概観写真及びその拡大写真を示す。図３（ｂ）では一例として高さ１００μｍ開口径６０μｍΦのエンボス形状を示す。
図４は本実施形態の電解メッキ電解制御方法を示す図である。図５は電解メッキ電解制御方法の違いによる導光板エンボス用Ｎｉ金属電解メッキ電鋳金型含有水素分析結果を示す。
図４の破線は従来方法の電解メッキ電解制御方法の一例を示しており、電解Ｎｉメッキの通電を直流で連続して−８Ａ／ｄｍ2の電流密度で供給しメッキ時間（電流Ｘ時間）を９０００Ａ・ｍｉｎを液温４３℃で通電されている。
一方、図４の実線は本発明の電解メッキ電解制御方法の一例を示しており、電解Ｎｉメッキの通電をパルス状に制御して反転を繰り返して行い、電解Ｎｉメッキの通電を−５Ａ／ｄｍ2の電流密度で５０ｍｓｅｃ供給した時点で反転電流を１２.５Ａ／ｄｍ2の電流密度で２ｍｓｅｃ供給しこのサイクルの繰り返しでメッキ時間（電流Ｘ時間）を９０００Ａ・ｍｉｎを液温５０℃で通電されている。
また、図５の結果から、従来方法では電解メッキ析出Ｎｉ中の水素含有量が７.６〜１３ｐｐｍと大きく、新開発方法では電解メッキ析出Ｎｉ中の水素含有量が０.５〜１.２ｐｐｍと非常に小さいことが分かる。従って、電解メッキ析出Ｎｉ中の水素含有量が７.６〜１３ｐｐｍと大きいことが金型の歪の原因となっており、新開発方法では電解メッキ析出Ｎｉ中の水素含有量が０.５〜１.２ｐｐｍと非常に小さくなり、金型の歪の原因となる環境が取り除かれている。
つまり、新開発方法では、導光板エンボス用Ｎｉ金属電解メッキ工程におけるＮｉ金型の歪み発生の原因と考えられる水素イオンがカソ−ド近傍に形成されるヘルムホルツ電気二重層の外側に集められて電解Ｎｉメッキ析出メカニズムに悪影響を与える環境を作らない工夫をする事で電解Ｎｉメッキ析出膜の歪を解消する事が可能となる。
図６は図３のタバコサイズの導光板エンボス金型の表面歪特性と板厚分布の実測値を示す。図６（ａ）に示す測定点（１）は図３のタバコサイズの導光板エンボス金型の中心部を示し、従来方法の電解Ｎｉメッキの通電方法では８５μｍの歪が発生しており、本発明による電解Ｎｉメッキの通電方法では０μｍと歪が全く発生していない事を示している、又図６（ａ）に示す測定点（２）は図３のタバコサイズの導光板エンボス金型の中心部より外側に２０ｍｍの場所を示し、従来方法の電解Ｎｉメッキの通電方法では３０μｍの歪が発生しており、本発明による電解Ｎｉメッキの通電方法では６μｍと歪が非常に少ない事を示している。
図６（ｂ）に示す測定点（１）は図３のタバコサイズの導光板エンボス金型の中心部を示し、従来方法の電解Ｎｉメッキの通電方法ではメッキ厚みは３.５６ｍｍであり、本発明による電解Ｎｉメッキの通電方法では３．０８ｍｍと有意な差がない事を示している。又図６（ｂ）に示す測定点（２）は図３のタバコサイズの導光板エンボス金型の中心部より外側に２０ｍｍの場所を示し、従来方法の電解Ｎｉメッキの通電方法では厚みは３．１５ｍｍであり、本発明による電解Ｎｉメッキの通電方法では３．７８ｍｍと有意な差がない事を示している。
図７は図４〜図６に説明した本発明による電解Ｎｉメッキの通電方法を実証実験した時の解析表の一部であり、組織的な実証実験で新技術の最適条件を見出した実験の内容の一例を示し、導光板エンボス用Ｎｉ金属電解メッキ電鋳条件と金型厚み・Ｎｉ金属電解メッキ歪み及び硬度等の要因分析結果比較の諸特性の詳細解析検証の一例を示す。
本発明の再現データはNo11でこのNo11に対してNo５は反転電流を１２.５Ａ／ｄｍ2の電流を２倍の２５Ａ／ｄｍ2に増やしたものでNo11に比較してひずみは同程度で有意差はないが硬度が１.５倍に上昇することを示す。No7は時間比率はNo11と同じであるが通電サイクル時間をNo11の半分の時間にしたものでNo11と同程度のひずみと硬度を示す。No8はメッキ反転電流を１２.５Ａ／ｄｍ2から半分の６．２Ａ／ｄｍ2に電流密度を下げたものでヘルムホルツ電気二重層の外側に集められる水素量が増加した事により電解Ｎｉメッキ析出メカニズムに悪影響を与えてひずみがNo11の１．５倍に増大することを示す。これ等の検証に裏付けされて最適条件を導き出した。
図８は導光板エンボス金型の諸特性を示す。本発明技術の成果として、高いアスペクト比を持つ微細立体構造体金型が電解Ｎｉメッキ法で製法可能と成り新開発のＮｉ金属電鋳で直径５０ｍｍΦサイズの金型を厚みが３ｍｍ以上で歪が±１０μｍ程度以下で歪の少ない金型が安価に生産可能と成った。更に本発明の成果により第二世代の大型のＡ４サイズの製造技術の基本技術が確立出来た事で次世代の導光板エンボス金型の諸特性を現在の性能と比較して示し産業界に貢献出来る事を期す。
尚、本発明は、上記の好ましい実施形態に記載されているが、本発明はそれだけに制限されない。本発明の精神と範囲から逸脱することのない様々な実施形態が他になされることができることは理解されよう。
１ＬＩＧＡプロセス金型基板
２ＬＩＧＡプロセス金型基板上のポリイミド樹脂（レジスト）
３ＬＩＧＡプロセスＸ線マスク
４ＬＩＧＡプロセス放射光
５ＬＩＧＡプロセス金型テンプレ−ト（プラスチイック微細構造体）
６電鋳製作金属微細構造体金型
７ゲート基板
８モールド材
９射出孔
１０鋳型
２ＬＩＧＡプロセス金型基板上のポリイミド樹脂（レジスト）
３ＬＩＧＡプロセスＸ線マスク
４ＬＩＧＡプロセス放射光
５ＬＩＧＡプロセス金型テンプレ−ト（プラスチイック微細構造体）
６電鋳製作金属微細構造体金型
７ゲート基板
８モールド材
９射出孔
１０鋳型
Claims (4)
- ＬＩＧＡ製法においてＮｉ金属を電解メッキして析出積層を微細テンプレ−ト開口部に充填し電鋳金型を製造する方法であって、
Ｎｉ金属を電解メッキして析出積層させる還元電解のマイナス電解と逆となる溶解電解のプラス電解とを交互にパルス状に印加すると共に、前記溶解電解の強さが前記還元電解の強さの２倍以上であり且つ前記溶解電解の印加時間が前記還元電解の印加時間の１／１０以下であることを特徴とする電鋳金型の製造方法。 - 前記溶解電解の強さが前記還元電解の強さの２倍〜５倍であり且つ前記溶解電解の印加時間が前記還元電解の印加時間の１／１０〜１／５０であることを特徴とする請求項１に記載の電鋳金型の製造方法。
- 前記還元電解の強さが１〜１０Ａ／ｄｍ2で印加時間が５０ｍｓｅｃ〜５００ｍｓｅｃであり、前記溶解電解の強さが２〜２０Ａ／ｄｍ2で印加時間が１ｍｓｅｃ〜１０ｍｓｅｃであることを特徴とする請求項２に記載の電鋳金型の製造方法。
- ＬＩＧＡ製法においてＮｉ金属を電解メッキして析出積層を微細テンプレ−ト開口部に充填し製造された電鋳金型であって、
Ｎｉ金属を電解メッキして析出積層させる還元電解のマイナス電解と逆となる溶解電解のプラス電解とを交互にパルス状に印加すると共に、前記溶解電解の強さが前記還元電解の強さの２倍以上であり且つ前記溶解電解の印加時間が前記還元電解の印加時間の１／１０以下である電解Ｎｉメッキ電解制御により製造されたことを特徴とする電鋳金型。
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|---|---|---|---|
| JP2006273249A JP2008088530A (ja) | 2006-10-04 | 2006-10-04 | 電鋳金型及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
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| JP2006273249A JP2008088530A (ja) | 2006-10-04 | 2006-10-04 | 電鋳金型及びその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2008088530A true JP2008088530A (ja) | 2008-04-17 |
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| JP (1) | JP2008088530A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104999598A (zh) * | 2015-08-11 | 2015-10-28 | 模德模具(苏州工业园区)有限公司 | 一种镍壳生产工艺 |
| CN105350029A (zh) * | 2015-10-14 | 2016-02-24 | 模德模具(东莞)有限公司 | 镍壳模具生产工艺 |
-
2006
- 2006-10-04 JP JP2006273249A patent/JP2008088530A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104999598A (zh) * | 2015-08-11 | 2015-10-28 | 模德模具(苏州工业园区)有限公司 | 一种镍壳生产工艺 |
| CN105350029A (zh) * | 2015-10-14 | 2016-02-24 | 模德模具(东莞)有限公司 | 镍壳模具生产工艺 |
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