JP2011062975A - 成形用金型及びその金型表面の加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】微細な成形品の寸法精度に影響を及ぼすことなく、離型抵抗を大幅に低減させる。
【解決手段】成形材料と接触する金型表面の、測定領域１０μｍ角以下で測定される算術平均粗さＲａを５ｎｍ以下とし、かつ金型表面に直径１０〜８０ｎｍ、高さが１０〜４０ｎｍの範囲にある粒状の微細凸構造物を密度４００個／μｍ^２以上で形成する。アンカー効果や掘り起こしによる摩擦力を低減しながら、メニスカスによる凝着力も同時に低減する。
【選択図】なし

Description

本発明は成形用金型及びその金型表面の加工方法に関する。

樹脂製品（プラスチック製品）やガラス製品、金属製品等を金型で転写して成形するプロセスにおいては、製品を金型から取り出す際、製品と金型との摩擦により離型抵抗が大きくなる現象がある。この離型抵抗は金型の表面粗さと関係があることが知られている。以下、樹脂成形を例に説明する。

図１は非特許文献１に記載されている表面粗さと離型引き離し力（離型抵抗力）との関係を示したものである。離型抵抗は表面粗さの低減と共に小さくなっていくが、表面粗さ（算術平均粗さ）Ｒａが０．２μｍ程度以下の領域では逆に表面粗さが小さくなるにつれて急激に離型抵抗が大きくなる。

Ｒａが０．２μｍ程度以上の領域では、表面粗さが小さくなるにつれて、金型表面の凹凸に樹脂が入り込むことによるアンカー効果や金型表面上のシャープな突起による樹脂の掘り起こしに起因する摩擦抵抗は減少し、離型抵抗は小さくなる。一方、Ｒａが０．２μｍ程度以下になると、固体表面間の凝着力が増大して摩擦力に支配的な影響を与えるようになり、離型抵抗が大きくなると考えられる。

即ち、Ｒａが０．２μｍ程度以下では金型表面の凹凸と樹脂表面間にできる隙間は数１００ｎｍ以下の微小なものになるが、固体間のこのような微小な隙間に液体が存在する場合には毛細管現象によりメニスカスと呼ばれる液体架橋が形成され、その引力（メニスカス力）によって固体間に強大な凝着力が発生する。

近年、電子部品や光部品の微細化・高精度化に伴って、金型表面の算術平均粗さＲａを０．２μｍ程度以下に小さくする必要性が大きくなってきている。そのため、従来、金型の表面粗さが大きい場合に問題とならなかった凝着力、即ち離型剤（離型剤を使用する場合）や雰囲気中の水分や油分の凝着による薄い液体膜によって形成されるメニスカス力が離型抵抗を増大させる要因として問題となっている。

このメニスカスによる凝着力は表面に微細な凹凸をつけることにより、大きく低減することができることが知られている。特許文献１には、樹脂と接触する金型表面をＲａ＝８０ｎｍ以下の鏡面に形成した後、微細な凹部あるいは凸部を所要の数と所要の配置で形成することにより、離型抵抗を低減する技術が開示されている。微細な凹部（凸部）の幅は数１０〜数１００μｍ、アスペクト比は１以下、所要の間隔は１０〜数１００μｍの範囲で良好な離型性が認められている。

また、広く一般に用いられている方法として、樹脂と接触する金型表面をＲａ＝０．２μｍ程度以下に研磨した後、離型方向に浅く、疎らに研磨傷をつけることにより微細な凹部を形成してメニスカスによる凝着力を小さくすることにより、離型抵抗を低減する方法がある。

特開２００８−３０７７３５号公報

小林義和、白井健二、佐々木哲夫、「射出成形におけるコア表面粗さと離型抵抗力の関係」、精密工学会誌 Vol.67（2001）、p.510

上述した特許文献１では金型表面の加工方法として切削技術を用い、微細凸部（凹部）の具体的な大きさ・配置として、幅が２５〜５００μｍ、アスペクト比０．０６〜１（高さ１２．５〜５０μｍ）、間隔１０〜５００μｍの範囲のものが製作されている。即ち、高さが１２．５〜５０μｍの凸部あるいは凹部が成形品に転写されることになる。このような凸部あるいは凹部は比較的大きな樹脂成形品においては無視できる大きさであっても、微細な樹脂成形品、例えばピッチが１ｍｍ以下の狭ピッチコネクタのハウジングなどを成形する場合には数１０μｍの寸法誤差は許容することができないといった問題がある。

また、広く用いられている研磨によって凹凸を形成する方法では、研磨器具の限界から凹凸の深さは最小でも１００ｎｍ程度となり、またエッジがシャープな研磨傷を付与することになり、メニスカスによる凝着力を小さくすることができる反面、アンカー効果や掘り起こしによる摩擦力の増大を招き、結局、離型抵抗の大幅な低減は期待できないといった問題があった。

本発明の目的は、樹脂やガラス、金属などの微細な成形品の寸法精度に影響を与えることなく、離型抵抗を大幅に低減させることができる成形用金型とその金型表面の加工方法を提供することにある。

本発明によれば、成形用金型は、成形材料と接触する金型表面の、測定領域１０μｍ角以下で測定される算術平均粗さＲａが５ｎｍ以下とされ、かつ金型表面に直径が１０〜８０ｎｍ、高さが１０〜４０ｎｍの範囲にある粒状の微細凸構造物が密度４００個／μｍ^２以上で形成されている。

本発明による金型表面の加工方法によれば、金型表面の測定領域１０μｍ角以下で測定される算術平均粗さＲａと、金型表面に対するガスクラスターイオンビームの照射量との関係において、算術平均粗さＲａが照射量の増加と共に減少した後、照射量の増加と共に増大して一定値に到達した時の照射量以上でガスクラスターイオンビームを金型表面に照射する。

本発明による成形用金型及びその金型表面の加工方法によれば、微細な成形品の寸法精度に影響を及ぼすことなく、離型抵抗を大幅に低減させることができる。

表面粗さと離型引き離し力の関係を示すグラフである。 Ａはガスクラスターイオンビーム照射前のシリコンウエハ表面の原子間力顕微鏡像の写真である。Ｂはガスクラスターイオンビーム照射後のシリコンウエハの原子間力顕微鏡像の写真である。 Ａはガスクラスターイオンビーム照射後のシリコンウエハの表面構造のイメージを示す平面図である。Ｂはガスクラスターイオンビーム照射後のシリコンウエハの表面構造のイメージを示す断面図である。 金型１〜３の表面処理、算術平均粗さＲａ、離型成功率を示す表である。 Ａは金型１の表面の原子間力顕微鏡像（８０μｍ角領域）を示す写真である。Ｂは金型２の表面の原子間力顕微鏡像（８０μｍ角領域）を示す写真である。Ｃは金型３の表面の原子間力顕微鏡像（８０μｍ角領域）を示す写真である。Ｄは金型３の表面の原子間力顕微鏡像（１μｍ角領域）を示す写真である。 測定領域サイズ（原子間力顕微鏡観察領域サイズ）とガスクラスターイオンビーム照射前後の算術平均粗さＲａの比（金型３のＲａ／金型２のＲａ）の関係を示すグラフである。 金型４〜７のガスクラスターイオンビーム照射条件を示す表である。 金型４〜７の表面に形成された粒状の微細凸構造物の密度、高さ、直径と算術平均粗さＲａを示す表である。 ガスクラスターイオンビームの照射量Ｎと算術平均粗さＲａ（１μｍ角領域）の関係を示すグラフである。 ガスクラスターイオンビームの照射量Ｎと離型成功率、粒子の微細凸構造物の有無の関係を示す表である。

まず、最初に本発明の原理・作用について説明する。

従来、成形用金型において、その金型表面の算術平均粗さＲａが０．２μｍ以下の領域では、離型抵抗が表面粗さの低減と共に増大すると考えられてきた。本発明では、Ｒａを０．２μｍ以下に低減しながら、離型抵抗を増加させない表面形状とその形成方法を見い出した。即ち、微小な領域（１０μｍ角以下程度）で見ると算術平均粗さＲａが数ｎｍ以下と非常に平坦化されていながら、高さや幅が数１０ｎｍ程度の微細な凹凸構造が存在する表面を金型表面に形成することが離型抵抗低減の鍵となることを明らかにした。また、この微細な凹凸構造はガスクラスターイオンビーム（ＧＣＩＢ）を用いることにより形成することができることを明らかにした。以下、この微細な凹凸構造の形成メカニズムについて述べる。

ガスクラスターイオンは分子が数千個から数万個凝集したもので、その大きさは数ｎｍ程度である。クラスターが固体表面に照射されると、微視的には照射痕として数ｎｍ〜１０ｎｍ程度のクレータ状の微細な構造が形成されることが知られている（山田公 編著「クラスターイオンビーム 基礎と応用」p.57，70，71，72）。即ち、表面粗さがＲａ＝１ｎｍ以下の極めて平坦な表面、例えばシリコンウエハにガスクラスターイオンビームを照射すると、それ以上の平坦化は起こらず、表面粗さは悪化する。

図２Ａ及び図２Ｂにガスクラスターイオンビーム照射前のシリコンウエハ表面と、Ａｒクラスターイオンビームを３０ｋｅＶで４×１０^１６ｉｏｎｓ／ｃｍ^２照射後のシリコンウエハ表面の原子間力顕微鏡像を示す。観察領域（算術平均粗さＲａの測定領域）は１μｍ角領域としている。また、図３Ａにガスクラスターイオンビーム照射後のシリコンウエハ１０の表面構造のイメージを示し、図３Ｂにその断面構造のイメージを示す。照射前はＲａ＝０．２３ｎｍと極めて平坦な表面であったが、照射により直径Ｄと高さＨが数１０ｎｍ程度の粒状の微細凸構造物１１が敷き詰められたような表面形状になる。その結果、照射前のシリコンウエハ１０の表面粗さはＲａ＝０．２３ｎｍであったが、照射後はＲａ＝１．７ｎｍになり、表面粗さは増加する。

初期表面のＲａが数ｎｍ以上とウエハレベルより荒れている場合においては、ガスクラスターイオンビームの照射量が少ないうちは、ラテラルスパッタリング効果により表面粗さを形成する凸部（山）を削り、凹部（谷）を埋める構造変化が主として起こり、算術平均粗さＲａが小さくなる。従来、Ｒａはクラスターイオンの照射量と共に減少し、照射量を増加させても表面粗さの悪化は見られず、ある一定値に収束すると考えられてきた（山田公 編著「クラスターイオンビーム 基礎と応用」p.84）。しかしながら、照射量の増加と共に算術平均粗さＲａが１ｎｍレベルまで平坦化されてくると、その後は上述したシリコンウエハの場合と同様に粒状の微細凸構造物が形成される過程が顕著となり、表面粗さがやや増加する現象を本発明において初めて見い出した。これは、クラスター照射によって起こるクレータ形成に起因する本質的な表面形状であり、クラスターの種類や固体材料の種類に依存しない。以上のような初期表面が粗い場合にＲａの減少（平坦化）に引き続いて起こる粒状構造形成のメカニズムが、離型抵抗を低減させる高さ・幅が数１０ｎｍの微細な凹凸形成に寄与しているのである。

以下、本発明の実施例を各種行った実験と共に説明する。

［実験１］
射出成形用金型の樹脂接触面の表面構造と樹脂の離型性との関係を調べた。

金型材料として工具鋼ＳＫＤ６１を用い、樹脂材料として液晶ポリマーを用い、長さ３５ｍｍ、幅３ｍｍ、高さ０．２ｍｍの薄い直方体の樹脂部品を成形した。金型としては金型表面の表面構造が異なる３種類の金型（金型１〜３）を用意した。各金型１〜３の金型表面は、
金型１：＃４００番の砥石による研削面
金型２：＃６００番の砥石による研削面
金型３：＃６００番の砥石による研削面にガスクラスターイオンビームの照射を行っ
たもの
とした。ガスクラスターイオンビームの照射条件は、Ａｒクラスターイオンビームを用い、加速エネルギー２０ｋｅＶ、照射量５．０×１０^１７ｉｏｎｓ／ｃｍ^２とした。

固化した樹脂の端をイジェクタピンで押し出し、樹脂部品を金型から離型させた。３種類の金型１〜３を用い、同一のイジェクタピン押し出し力で押し出し、それぞれ５０回成形を行い、固化した樹脂が離型した数から離型成功率を算出して比較した。結果を図４の表１に示す。

また、各金型１〜３の表面形状を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で観察した。８０μｍ角領域及び１μｍ角領域で評価した各金型１〜３の算術平均粗さＲａを図４の表１に示す。各金型１〜３の典型的なＡＦＭ像（８０μｍ角領域）を図５Ａ〜図５Ｃに示す。さらに、ＡＦＭ観察領域サイズ（＝Ｒａ測定領域サイズ）とガスクラスターイオンビーム照射前後（照射前：金型２、照射後：金型３）のＲａの比との関係を図６に示す。

図５Ｄは金型３の表面を１μｍ角領域、高さスケール３０ｎｍに拡大して観察したＡＦＭ像を示したものであり、金型３の表面には直径が２０〜５０ｎｍ、高さが１０〜３０ｎｍの粒状の微細凸構造物が存在していることがわかった。一方、金型１や金型２の表面には金型３のような粒状の微細凸構造物は観測されなかった。

［実験２］
実験１と同型の射出成形用金型（材料はＳＫＤ１１）の樹脂接触面に対し、種々の照射条件でガスクラスターイオンビームを照射した場合の表面構造と離型性との関係を調べた。

ガスクラスターイオンビームの照射条件として、Ａｒクラスターイオンビームを用い、図７の表２に示したように加速エネルギーＶａ、照射角度θ、照射量Ｎを変化させた。表２の各金型４〜７に対し、照射によって樹脂接触面に形成された粒状の微細凸構造物の密度、高さ、直径及び１μｍ角領域での算術平均粗さＲａを測定した結果を図８の表３に示す。なお、照射を行わなかった金型表面には粒状の微細凸構造物は観測されなかった。さらに、実験１と同様の手法で、それぞれの金型４〜７の離型成功率を調べた。その結果、ガスクラスターイオンビームの照射を行わなかった金型の離型成功率は０％であったが、照射を行った金型４〜７の離型成功率は９４〜１００％であった。

［実験３］
ＳＫＤ１１（工具鋼）とＶ２０（タングステンカーバイドとバインダーであるＣｏからなる超硬材料）で実験１と同型の金型を製作し、ガスクラスターイオンビームの照射量と表面形状変化との関係を調べた。

ガスクラスターイオンビームの照射条件として、Ａｒクラスターを用い、２０ｋｅＶの加速エネルギーで金型表面に垂直にビームを照射した。照射量と１μｍ角領域で評価した算術平均粗さＲａとの関係を図９に示す。なお、内部のグラフはＳＫＤ１１，Ｖ２０それぞれについて照射量の範囲を狭くして拡大したものである。ＳＫＤ１１では、２×１０^１６ｉｏｎｓ／ｃｍ^２以上の照射量で、またＶ２０では５×１０^１６ｉｏｎｓ／ｃｍ^２以上の照射量で、それぞれ図５Ｄと類似の粒状の微細凸構造物が観測された。

これらの金型へのガスクラスターイオンビームの照射量と離型性との関係を実験１と同様の方法で調べた。粒状の微細凸構造物の有無と合わせて結果を図１０の表４に示す。

[考察]
実験１〜３の結果に基づき、金型の表面構造と離型抵抗との関係について考察する。

固体表面には様々な周期の粗さが存在する。例えば、コネクタなどの電子部品用の射出成形用金型表面の場合、金型材料自体を切り出して研磨した際に形成される数１０ｎｍからμｍオーダ以下の表面粗さや、金型形状を加工する際の切削加工による数１０μｍの周期のツールマークなどである。即ち、周期として数１０ｎｍから数１０μｍの幅広い周期の表面粗さが存在するのである。そのため、金型表面の全体的な表面粗さを測定する場合は数１０μｍ角から１００μｍ角の測定領域で行うことが多く、本実験では、８０μｍ角で測定している。

一方、数１０μｍ周期の大きな凹凸上に重なって存在している細かい周期の凹凸の大きさについては、８０μｍ角領域では正確に測定することが難しいため、本実験では、より小さい測定領域での測定も行った。

実験１を参照すると、金型２と金型３は表１に示すように８０μｍ角領域でのＲａはほぼ同じであるが、測定領域が小さくなるにつれて金型３のＲａが金型２のＲａと比べて著しく小さくなる（図６）。即ち、ガスクラスターイオンビームを照射すると、周期の大きい粗さより小さい粗さの方が早く低減される。これはガスクラスターイオンビームのラテラルスパッタリング効果が及ぶ範囲が数１００ｎｍ程度と考えられるためで、逆に言えば周期の大きい表面粗さは低減されにくくても、周期の小さい表面粗さは低減されやすく、１０μｍ角以下の小さい領域に限ってみれば、表面粗さが著しく小さくなっている。１〜１０μｍ角の測定領域では金型３のＲａは金型２のＲａの約１／５である。

また、図５Ｂ，５ＣのＡＦＭ像から、金型２では８０μｍ角領域で観測される縦筋状の研削傷痕がシャープに見えるが、金型３ではシャープなエッジがなまり、ぼんやりと見えるように変化している。即ち、大きな周期の凹凸の高さを大幅に低減させることは難しいが（そのためＲａの値は小さくならないが）、それらのシャープなエッジをガスクラスターイオンビーム照射によってなまらせることができる。

このように、ガスクラスターイオンビーム照射の特徴は、１０μｍ程度以下の小さい周期の凹凸を低減できること、シャープなエッジをなまらせることができることが大きな特徴である。さらに、金型３の表面を１μｍ角領域でＡＦＭ観察すると、図５Ｄに示したように、ガスクラスターイオンビームにより平坦化された表面には、大きさと高さが数１０ｎｍ程度の粒状の微細な凸構造物が敷き詰められたような特徴的な表面構造が観測される。以下、ガスクラスターイオンビーム照射によるこのような表面構造変化と離型成功率との関係について考察する。

実験１を参照すると、離型成功率は金型１では１００％であるのに対し、金型２では０％であり、まったく離型できない。金型１より金型２で離型抵抗が大きくなった理由として、金型２では８０μｍ角領域で測定された算術平均粗さＲａが０．２μｍより小さく、メニスカス力が支配的になる領域に入り、金型表面と樹脂との凝着力が増加したためと考えられる。

一方、金型２と金型３を比較すると、金型３では９８％と離型成功率が回復している。金型２と金型３では８０μｍ角領域で測定したＲａはほぼ同一であり、Ｒａの値だけでは金型３が金型２より離型抵抗が小さくなった理由は説明できない。この理由としては以下のように考えられる。即ち、ミクロスコピックな表面形状変化に注目すると、ガスクラスターイオンビームの照射処理によってシャープなエッジがなくなり、これがアンカー効果や掘り起こし効果による摩擦力を低減する一方、Ｒａが数ｎｍと平坦化された表面に微細な凹凸形状が形成されることでメニスカス力が低減し、表面粗さが０．２μｍより小さい領域においても離型抵抗を増大させることなく、良好な離型性が実現したものと考えられる。

実験２を参照すると、良好な離型性を実現する金型表面は、１μｍ角領域で測定される算術平均粗さＲａが５ｎｍ以下で、直径が１０〜８０ｎｍ、高さが１０〜４０ｎｍ、密度が４００個／μｍ^２以上で粒状の微細凸構造物が形成されていることがわかる。また、この微細凸構造物はガスクラスターイオンビームの照射角度θや加速エネルギーＶａといった照射条件によらず、後述するように所要の照射量Ｎのガスクラスターイオンビームを照射することによって形成することができる。

実験３を参照すると、金型表面の算術平均粗さＲａはガスクラスターイオンビームの照射量の増加と共に減少した後に、照射量の増加と共に増大し、一定値に到達するという現象が見られることがわかる。Ｒａが増加後、一定値に達する照射量、即ちＳＫＤ１１では２×１０^１６ｉｏｎｓ／ｃｍ^２、Ｖ２０では５×１０^１６ｉｏｎｓ／ｃｍ^２において粒状の微細凸構造物が観測される一方、Ｒａが最小となる照射量、即ちＳＫＤ１１では５×１０^１５ｉｏｎｓ／ｃｍ^２、Ｖ２０では１×１０^１６ｉｏｎｓ／ｃｍ^２においてはこの微細凸構造物が形成されていないことから、Ｒａの増加はこの微細凸構造物の形成によるものと考えられる。この粒状の微細凸構造物が形成されている金型表面では、形成されていない金型表面より離型成功率が著しく大きい。即ち、離型抵抗を低減する金型表面の微細凹凸構造は、算術平均粗さＲａがガスクラスターイオンビームの照射量とともに増加し、一定値を示す領域の照射量を用いることにより形成可能であることがわかる。

以上のように、従来、離型抵抗が大きいことが問題となっていた算術平均粗さＲａが０．２μｍ以下の金型表面であっても、粒状の微細凸構造物を金型表面に形成することにより、離型抵抗を低減させることができる。なお、射出成形用金型で樹脂を成形する場合の離型抵抗を例に述べてきたが、本発明の成形用金型に形成された表面構造は２つの材料が接触する場合の材料間の凝着力を低減する構造であり、その原理から成形材料がガラスや金属であっても同様の効果を発揮する。また、成形方法も射出成形だけでなく、例えばナノインプリント成形のように、樹脂やガラス、有機薄膜などの成形材料に金型を押し当て（スタンプして）、金型形状を転写するための成形用金型であってもよい。また、プレス成型の曲げ加工や面取り加工のように、成形材料が金型表面に接触する場合の金型と成形材料間の凝着力を低減したいといった用途にも、本発明の成形用金型及び金型表面の加工方法を用いることができる。

Claims (3)

1. 成形材料と接触する金型表面の、測定領域１０μｍ角以下で測定される算術平均粗さＲａが５ｎｍ以下とされ、かつ前記金型表面に直径が１０〜８０ｎｍ、高さが１０〜４０ｎｍの範囲にある粒状の微細凸構造物が密度４００個／μｍ^２以上で形成されていることを特徴とする成形用金型。
2. 成形用金型における成形材料と接触する金型表面の加工方法であって、
   金型表面の測定領域１０μｍ角以下で測定される算術平均粗さＲａと、金型表面に対するガスクラスターイオンビームの照射量との関係において、算術平均粗さＲａが照射量の増加と共に減少した後、照射量の増加と共に増大して一定値に到達した時の照射量以上でガスクラスターイオンビームを金型表面に照射することを特徴とする金型表面の加工方法。
3. 成形用金型における成形材料と接触する金型表面の加工方法であって、
   金型表面の測定領域１０μｍ角以下で測定される算術平均粗さＲａと、金型表面に対するガスクラスターイオンビームの照射量との関係において、算術平均粗さＲａが照射量の増加と共に減少した後、照射量の増加と共に増大して一定値に到達した時の照射量以上でガスクラスターイオンビームを金型表面に照射することにより、金型表面の、測定領域１０μｍ角以下で測定される算術平均粗さＲａを５ｎｍ以下とし、かつ前記金型表面に直径１０〜８０ｎｍ、高さが１０〜４０ｎｍの範囲にある粒状の微細凸構造物を密度４００個／μｍ^２以上で形成することを特徴とする金型表面の加工方法。