JP2010214447A

JP2010214447A - エッチング加工用素材の製造方法及びエッチング加工用素材

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Publication number: JP2010214447A
Application number: JP2009065949A
Authority: JP
Inventors: Takuya Okamoto; 拓也岡本; Yasuyuki Iida; 恭之飯田
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2009-03-18
Filing date: 2009-03-18
Publication date: 2010-09-30
Anticipated expiration: 2029-03-18
Also published as: KR20100105421A; JP5294072B2; KR101164739B1

Abstract

【課題】高精細パターンを形成するリードフレームやマスク用途であっても、優れたエッチング加工が可能なエッチング加工用素材の製造方法及びエッチング加工用素材を提供する。
【解決手段】質量％で、Ｃ：≦０．０１％、Ｓｉ：≦０．５％、Ｍｎ：≦１．０％、Ｎｉ：３０〜５０％を含有し、残部がＦｅ及び不純物を含み、板厚が０．０２〜０．１５ｍｍのエッチング加工用素材の製造方法であって、仕上冷間圧延の最終パスを１０％以下の圧下率とし、且つ、前記仕上圧延のロールには、円周方向に研磨痕を形成し、円周方向と直角方向の粗さがＲａ：０．１０〜０．２５μｍとしたロールを用いて圧延速度を１．２ｍ／ｓ以上で行なうエッチング加工用素材の製造方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、高精細なエッチング加工が可能なエッチング加工用素材の製造方法及びエッチング加工用素材に関するものである。

Ｆｅ−Ｎｉ合金の薄板に高精細なエッチング加工を行う用途として、従来からリードフレーム材やシャドウマスク材等の各種マスク材が知られている。
ところで、Ｆｅ−Ｎｉ合金の薄板を製造する場合、最終工程で冷間圧延が施される。この冷間圧延中に生じる問題としては、表面形態に関する問題や残留応力に関する問題があり、何れも高精細なエッチング特性に影響を及ぼす。そのため、高精細なエッチングを行なう薄板には、所望のエッチング特性を得るために、表面粗さを調整したり、残留応力を調整する種々の提案がなされている。
例えば、特開平８−２６９７４２号公報（特許文献２）には、表面からの残留応力の平均値を５０Ｎ／ｍｍ^２以下とすることで微細なエッチングパターンが形成可能なＦｅ−Ｎｉ合金を素材とした提案がなされている。この技術はサイドエッチを防止し、高精細なエッチング加工が可能とするものである。
また、例えば、特開平６−１２２０１３号公報（特許文献１）には、最終冷間圧延工程において、圧下率５％以上で圧延するとともに圧延油濃度を管理することによりオイルピットの発生を制御し所望の板面粗度を得るシャドウマスクやアパーチャーグリル用鋼板の製造方法が提案されている。この技術は、残留応力を抑制する技術である。
また、本願出願人も特開２００４−３９６２８号公報（特許文献３）として、２枚の金属板を中間層で接着した積層箔を用いた蒸着マスクを提案している。

特開平８−２６９７４２号公報特開平６−１２２０１３号公報特開２００４−３９６２８号公報

上述した高精細のエッチング加工が求められる用途においては、例えば、特許文献３で示した積層箔を用いると高精度なエッチング加工が可能であるが、特許文献３のエッチング加工用素材では、板厚が１０μｍ以下の金属箔を用意する必要があり、また、これを特別な圧着・圧延装置を用いて籍層箔とする必要があり、極めて高価な素材となる。
一方、特許文献１や特許文献２で示される微細加工可能なＦｅ−Ｎｉ合金は単体の金属材料を用いることから経済的である。
特許文献１では、高精細なエッチングに影響を及ぼす要因として、通常の冷間圧延では、潤滑油の当たりが完全に均一にならず、材料表面に、オイルピットが形成されたり、塑性変形の進行による新生面の表出等によって、均一な表面状態が得られず、有機皮膜との密着性が劣る部分「ＷＢＬ(Weak-Boundary-Layer)」を生じ易いことが記されている。
そして、〔０００６〕，〔００１６〕〜〔００１８〕欄には、残留応力に加えて表面粗さを粗くすることが有効であると記されているが、過度に表面粗さを粗くすることは、益々高精細なエッチング加工を困難とする。
また、特許文献２に記されるようなオイルピットを積極的に利用して素材表面の粗さを調整する方法では、過度に深いオイルピットが形成される場合がある。そして、そのオイルピットに起因したエッチング不良によって、高精細なエッチング加工が困難となる。
本発明の目的は、高精細パターンを形成するリードフレームやマスク用途であっても、優れたエッチング加工が可能なエッチング加工用素材の製造方法及びエッチング加工用素材を提供することである。

本発明者等は、高精細パターンのエッチング加工が高精度で形成可能とするため、化学組成、表面粗さ、残留応力等のエッチング加工に影響を及ぼす種々の要因について鋭意検討した。
その結果、最も高精細エッチング加工に影響を及ぼす要因が表面粗さであることを知見した。過度に表面粗さを低くすると、オイルピットの影響が強くなり、エッチング時に寸法不良が発生し易く、また、過度に表面粗さを粗くすると、高精細なエッチング加工自体が困難となることをつきとめた。
そして、最適な表面粗さを付与できるエッチング加工用素材の製造方法を鋭意検討した結果、仕上冷間圧延時のロールの粗さを調整することで、オイルピットの発生を抑制でき、最適な表面粗さを有するエッチング加工用素材とすることができることを知見した。
また、残留応力の低減には仕上圧延時の圧延速度を調整することにより、エッチング加工用素材とロールとの摩擦係数を低減させることが有効であることをつきとめ、本発明に到達した。

すなわち本発明は、質量％で、Ｃ：≦０．０１％、Ｓｉ：≦０．５％、Ｍｎ：≦１．０％、Ｎｉ：３０〜５０％を含有し、残部がＦｅ及び不純物を含み、板厚が０．０２〜０．１５ｍｍのエッチング加工用素材の製造方法であって、仕上冷間圧延の最終パスを１０％以下の圧下率とし、且つ、前記仕上圧延のロールには、円周方向に研磨痕を形成し、円周方向と直角方向の粗さがＲａ：０．１０〜０．２５μｍとしたロールを用いて圧延速度を１．２ｍ／ｓ以上で行なうエッチング加工用素材の製造方法である。

また、本発明は、質量％で、Ｃ：≦０．０１％、Ｓｉ：≦０．５％、Ｍｎ：≦１．０％、Ｎｉ：３０〜５０％を含有し、残部がＦｅ及び不純物を含み、板厚が０．０２〜０．１５ｍｍのエッチング加工用素材であって、該エッチング加工用素材は、圧延方向と直角方向に測定した表面粗さが、Ｒａ：０．０８〜０．２０μｍであり、圧延方向に測定した表面粗さが、Ｒａ：０．０１〜０．１０μｍであり、且つ、圧延方向と直角方向に測定した表面粗さが、圧延方向に測定した表面粗さより、Ｒａで０．０２μｍを超えて粗い表面粗さを有するエッチング加工用素材である。

本発明方法で得られるエッチング加工用素材は、高精細パターンのエッチング加工が高精度で形成可能となり、また、エッチング時の寸法不良も抑制することができる。

本発明の製造方法を適用した、異方性のある表面粗さを付与した表面肌を有するエッチング加工用素材の表面の一例を示す顕微鏡写真である。等方性の表面粗さを付与した表面肌を有するエッチング加工用素材の表面の一例を示す顕微鏡写真である。表面肌測定方向を示す模式図である。

本発明で規定した限定理由を以下に述べる。
本発明のエッチング加工用素材の化学組成を質量％で、Ｃ：≦０．０１％、Ｓｉ：≦０．５％、Ｍｎ：≦１．０％、Ｎｉ：３０〜５０％を含有し、残部がＦｅ及び不純物を含むＦｅ−Ｎｉ合金とした理由は以下のとおりである。
Ｃ：≦０．０１質量％
Ｃは、エッチング性に影響を及ぼす元素である。Ｃが過度に多く含まれるとエッチング性を阻害するため、Ｃの上限を０．０１％とした。
Ｓｉ：≦０．５質量％、Ｍｎ：≦１．０質量％
Ｓｉ、Ｍｎは、通常、脱酸を目的に微量含有されているが、過剰に添加すれば偏析を起こし易くなるため、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：１．０％以下とした。好ましいＳｉ量とＭｎ量は、Ｓｉ：０．１％以下、Ｍｎ：０．５％以下である。
Ｎｉ：３０〜５０質量％
Ｎｉは、例えばリードフレームとして用いる場合の熱膨張係数を調整する作用を有し、低熱膨張特性に大きな影響を及ぼす元素である。含有量が３０％より少なく、または５０％を越えるものでは熱膨張係数を低める効果がなくなるため、Ｎｉの範囲は３０〜５０％とする。３２〜４５％である。
上記以外を構成するのはＦｅと不純物である。

次に板厚及び表面粗さについて説明する。
本発明で板厚を０．０２〜０．１５ｍｍとしたのは、０．０２ｍｍ未満となるとハンドリング性に問題を生じ、０．１５ｍｍを超えるとエッチング加工時にサイドエッチ量が増加して、例えば特に高精細なエッチング加工が必要とされる用途では、高精細なエッチングパターンの形成が困難となる。そのため、板厚を０．０２〜０．１５ｍｍに限定した。なお、高精細に有利な板厚は０．０２〜０．１０ｍｍの範囲であり、更に好ましくは０．０２〜０．０６ｍｍの範囲である。
本発明でエッチング加工用素材の圧延方向と直角方向に測定した表面粗さが、Ｒａ：０．０８〜０．２０μｍであり、且つ、圧延方向に測定した表面粗さが、Ｒａ：０．０１〜０．１０μｍとした理由は以下のとおりである。
高精細なエッチングパターンを素材に形成する時、エッチング加工用素材の表面にオイルピットが多く形成されていると、エッチング加工を行う位置によって、エッチング液の進行に違いが生じ、エッチング後の開孔精度に悪影響を及ぼす可能性がある。
そのため、エッチング加工用素材表面に形成されるオイルピットを少なくすることで、エッチングパターンをより高精細にすることが期待される。

そこで本発明では、エッチング加工用素材の圧延方向と直角方向及び圧延方向のそれぞれに、意図的に異なった粗さを付与して、オイルピットの発生を抑制することとした。
その具体的な方法としては、冷間圧延時のロールの粗さを若干粗くし、圧延時のオイルが圧延材料表面とロールの間を通り抜けて行き易くするために、仕上圧延のロールには、円周方向に研磨痕を形成することによりオイルピットの発生を抑制した。すなわち、圧延時にオイルの逃げ道を意図的に作っておくことでオイルピットの発生を抑制する。
その結果、圧延後における圧延方向と直角に測定した時の表面肌の粗さは、粗くなるが、オイルピットの発生は抑制される。
上記の効果を得るために、本発明のエッチング用素材は、圧延方向と直角方向に測定した表面粗さをＲａ：０．０８〜０．２０μｍとする。
ただし、圧延方向と直角方向に測定した表面粗さがＲａで０．２０μｍを超えて粗くなると、粗い表面肌に起因して高精細なエッチング加工ができ難くなる。
また、一方で過度に表面粗さが低くなると、上記のオイルピットの発生を抑制する効果が得られず、オイルピットに起因したエッチング不良となり易くなるため、圧延方向と直角方向に測定した表面粗さの下限を、Ｒａで０．０８μｍ以上とする。

また、本発明の場合、上記のとおり、圧延方向と直角方向に測定した表面粗さを高めることでオイルピットの発生を抑制しつつ、圧延方向の表面粗さを若干平滑にして高精細なエッチング加工を実現する。
そのために必要な圧延方向の表面粗さは、Ｒａ：０．０１〜０．１０μｍとする。
なお、本発明において、圧延方向と直角方向に測定した表面粗さは、圧延方向に測定した表面粗さよりも高いことが必要であり、上記のオイルピットの発生を確実に抑制するには、圧延方向と直角方向に測定した表面粗さが、圧延方向に測定した表面粗さより、Ｒａで０．０２μｍを超えて粗い表面粗さが必要である。

エッチング加工用素材の表面粗さを上記の範囲とするには、以下の製造方法を適用すると良い。
本発明で最も重要な工程は、仕上圧延工程である。仕上圧延工程までは、通常のＦｅ−Ｎｉ合金の製造方法をそのまま適用することができる。
例えば、真空溶解−熱間鍛造−熱間圧延−冷間圧延という工程で良く、必要に応じて、冷間圧延前の段階で１２００℃程度で均質化熱処理を行い、冷間圧延工程中には、冷間圧延材の硬さを低減するために８００〜９５０℃の焼鈍を１回以上行なえば良い。
そして、冷間圧延の仕上圧延において、最終パスの圧下率を１０％以下とする。
仕上圧延の最終パスの圧下率を１０％以下とするのは、冷間圧延の最終段階での圧下率が１０％を超えると、エッチング加工用素材に残留する歪が大きくなって、エッチング加工すると、残留歪に起因したエッチング加工用素材の変形が発生する危険性が高まるためである。
なお、過度に圧下率が少ないと、上述する表面粗さに調整することが困難となるため、仕上圧延の下限は２％とすると良い。

本発明においては、ロールの表面粗さを調整してエッチング加工用素材表面の粗さを調整する。
本発明では、仕上圧延の最終パスにて、ロールの円周方向（ロールの回転方向）とは直角方向の粗さがＲａ：０．１０〜０．２５μｍのロールを用いることが必要となる。
ロールの円周方向と直角方向の粗さがＲａ：０．１０〜０．２５μｍとする理由の第一は、エッチング加工用素材の表面粗さの調整であり、第二の理由は、圧延時のオイルが圧延材料表面とロールの間を通り抜けて行き易くする粗さをロールに付与することで、オイルピットの発生を抑制するためである。
そのため、本発明のロール表面には、ロールの円周方向に研磨痕を形成する。研磨痕の形成には、ロールの円周方向と直角方向の粗さがＲａ：０．１０〜０．２５μｍとすることができる粗さを有する研磨紙を用意し、ロールを転動しながら研磨紙を押し当て、ロールに研磨痕をロールの円周方向に形成することで、研磨痕を形成すると良い。

そして本発明では、残留応力を低減するため、圧延速度を１．２ｍ／ｓ以上と規定した。圧延速度が１．２ｍ／ｓ未満であると、ロールとエッチング加工用素材との摩擦係数が高くなり、残留応力を低減することができない。そのため、圧延速度を１．２ｍ／ｓ以上とする。好ましい圧延速度は１．５ｍ／ｓ以上である。
なお、圧延速度の上限は特に規定しないが、速度が高すぎると、加工熱の影響でロールの熱膨張が発生し形状が不安定になる。その理由から１０ｍ／ｓ以内で十分である。
本発明において、仕上圧延後にエッチング加工用素材に残留する歪の除去を目的に、歪除去焼鈍を行っても良く、歪除去焼鈍は、４００〜７００℃程度の温度域で十分である。
仕上圧延後に歪取り焼鈍を施すと、エッチング加工用素材に対してエッチング加工を行なった後に、残留応力に起因した不良をより確実に抑制することが可能となり、更に好ましい。
なお、上記の圧延方向と直角方向、圧延方向、ロールの円周方向とは直角方向、ロールの円周方向とは、図３に模式的に示す通り、エッチング加工用素材１に（Ａ）として示す方向が圧延方向と直角方向であり、（Ｂ）として示す方向が圧延方向である。
また、ロール２に（Ｃ）として示す方向がロールの円周方向とは直角方向であり、（Ｄ）として示す方向がロールの円周方向である。

以下の実施例で本発明を更に詳しく説明する。
今回の実施例では、Ｎｉ含有量を最も好ましい範囲の３２〜４５質量％の範囲内にあるＦｅ−Ｎｉ合金を用いた。
前記のＦｅ−Ｎｉ合金は、真空溶解−熱間鍛造−均質化熱処理−熱間圧延で厚さ２〜３ｍｍに仕上るという、通常の工程の後、冷間圧延を実施した。
本発明に用いたＦｅ−Ｎｉ合金の化学組成を表１に示す。

熱間圧延後のＦｅ−Ｎｉ合金板材を冷間圧延した。冷間圧延の途中に２回の焼鈍を行なって仕上圧延前のＦｅ−Ｎｉ合金冷間圧延材とした。なお、冷間圧延中の焼鈍温度は約９００℃で連続焼鈍とし、仕上圧延最終パス前のＦｅ−Ｎｉ合金冷間圧延材の厚さは０．０５４ｍｍとした。
仕上圧延後に、板厚０．０５０ｍｍとするように、仕上圧延の圧下率を７.４％とし、圧延速度は１．３ｍ／ｓとして、最終パスに用いるロールは、粗さを５種類に変化させたロールを用いてエッチング加工用素材を製造した。なお、条件Ａ〜Ｄは本発明の範囲で製造したエッチング加工用素材であり、意図的に条件Ｅ、Ｆは平滑な表面肌に仕上た比較例である。
また、ロールへの粗さの付与は、ロールを回転させながら、円周方向に研磨痕が形成されるように研磨紙を用いた。
ロールの円周方向と直角方向の粗さと、仕上圧延後のエッチング加工用素材の表面粗さを表２に示す。
なお、表面粗さＲａの測定は、ＪＩＳＢ０６０１，ＪＩＳＢ０６５１で示される測定方法に従って測定したものである。また、エッチング加工用素材の表面粗さは、ランダムに３箇所を選び、圧延方向と直角方向と、圧延方向の粗さを測定した。

仕上圧延後、約７００℃で歪取焼鈍を実施し、エッチング加工用素材表面について、オイルピットの発生の有無を調査した。
オイルピットの有無を、画像解析等の手段により、定量的に評価しようと試みたが、識別がうまくいかなかった。そこで、２００倍の顕微鏡写真により、オイルピットの発生を写真判定により確認することとした。
評価結果を表３に示し、また、条件Ａで製造したエッチング加工用素材表面の光学顕微鏡写真を図１とし、条件Ｅで製造したエッチング加工用素材表面の光学顕微鏡写真を図２として示す。なお。図中に白丸で示す箇所が特徴的なオイルピットである。

表３に示すとおり、本発明方法を適用した、エッチング加工用素材は、オイルピットの発生を極めて抑制できていることが分かる。
また、図１及び図２に示した通り、条件Ｅ（図２）のエッチング加工用素材の表面は、数μｍ〜２０μｍ程度のオイルピットが分散して形成されていることが確認できる。一方、本発明の条件Ａ（図１）のメタルマスク用素材の表面は、数μｍ程度のオイルピットが僅かに形成されていることが分かる。

次に、条件Ｂと同じロールを用いて、圧延速度を１.０ｍ／ｓ、１．３ｍ／ｓ、１.７ｍ／ｓに変化させ、残留応力を測定した。
残留応力は、仕上圧延後の０．０５０ｍｍ厚さのエッチング加工用素材から、幅３０ｍｍ、長さ１５０ｍｍのカットサンプルを作成し、片面のみを板厚の１／３程度となる、０．０１６ｍｍにエッチングにより除去した後、カットサンプルを垂直上盤に吊下げた際の反り量を測定し、評価を行った。
エッチング液は塩化第二鉄水溶液を使用し、液温５０℃のエッチング液を噴霧させ試験片の腐食を実施した。表層に発生する残留応力は、板厚方向で数μｍの極表層部のみである可能性が高いが、表層の影響を十分無視できるようにするため、板厚の１／３程度までエッチングを行うこととした。
この評価法を用いることで、エッチング後の吊下げ反り量が小さいほど、表層の圧縮残留応力が低減していることが判断できる。その結果を表４に示す。なお、エッチング加工用素材の表面粗さについては、表２で示したものと同じであった。

今回の残留応力試験においては、経験則から反り量が１５ｍｍ以下の範囲であると、高精細なエッチングへの影響は殆ど無いと判断した。
表４の結果から、圧延速度が本発明の範囲のものでは、反り量が少ない結果となった。
以上の結果から、本発明のエッチング用素材は、高精細なエッチング特性に影響を及ぼす表面形態に関する問題や残留応力に関する問題の双方を共に解決することができた。そのため、高精細パターンを形成するリードフレームやマスク用途に最適であると言える。

本発明は、エッチング後の寸法特性に影響を及ぼす、オイルピットの発生を抑制でき、且つ残留応力の低減も同時に解決できたことから、高精細なエッチング特性が求められる、用途への適用が期待できる。

１エッチング加工用素材
２ロール

Claims

質量％で、Ｃ：≦０．０１％、Ｓｉ：≦０．５％、Ｍｎ：≦１．０％、Ｎｉ：３０〜５０％を含有し、残部がＦｅ及び不純物を含み、板厚が０．０２〜０．１５ｍｍのエッチング加工用素材の製造方法であって、仕上冷間圧延の最終パスを１０％以下の圧下率とし、且つ、前記仕上圧延のロールには、円周方向に研磨痕を形成し、円周方向と直角方向の粗さがＲａ：０．１０〜０．２５μｍとしたロールを用いて圧延速度を１．２ｍ／ｓ以上で行なうことを特徴とするエッチング加工用素材の製造方法。
質量％で、Ｃ：≦０．０１％、Ｓｉ：≦０．５％、Ｍｎ：≦１．０％、Ｎｉ：３０〜５０％を含有し、残部がＦｅ及び不純物を含み、板厚が０．０２〜０．１５ｍｍのエッチング加工用素材であって、該エッチング加工用素材は、圧延方向と直角方向に測定した表面粗さが、Ｒａ：０．０８〜０．２０μｍであり、圧延方向に測定した表面粗さが、Ｒａ：０．０１〜０．１０μｍであり、且つ、圧延方向と直角方向に測定した表面粗さが、圧延方向に測定した表面粗さより、Ｒａで０．０２μｍを超えて粗い表面粗さを有することを特徴とするエッチング加工用素材。