JP6098855B1

JP6098855B1 - 凸状金型の製造方法

Info

Publication number: JP6098855B1
Application number: JP2016154146A
Authority: JP
Inventors: 貴己大津; 義博谷口; 数雅溝尾; 秀貴千葉
Original assignee: 株式会社プロセス・ラボ・ミクロン
Priority date: 2016-08-05
Filing date: 2016-08-05
Publication date: 2017-03-22
Anticipated expiration: 2036-08-05
Also published as: JP2018020514A

Abstract

【課題】高い寸法・形状精度の樹脂成形が可能であると共に、成形物の離型性が良い凸状金型、およびその簡単で低コストの製造方法を提供する。【解決手段】フォトリソグラフィ—法と電解めっき法により、凹状金型を作製した後、キャビティ外の、樹脂成形に供さない周辺の部分をエッチングで溶解することで、凸状金型を得る。さらに、この凸状金型は、樹脂成形に供さない部分が粗面であるため、光沢面である場合に比べ、成形物の離形性が良い。【選択図】図１

Description

本発明は、樹脂成形に使用される凸状金型に関するものである。

射出成形やホットスタンプ等の樹脂成形に使用される微細金型は、「キャビティ」または「コア」とよばれる成形に供する部分の形態に応じて、凹状金型と凸状金型に分類される。これらは両者とも、加工精度や製造工程の観点から電解めっき法により製造することが好ましいと考えられている（例えば特許文献１、２参照）。

従来の電解めっき法による微細金型の製造方法の代表的な例を、図５（ａ）〜（ｊ）に基づいて概説する。まず、ＳＵＳ３０４等の導電性材料よりなる平板状のめっき基材１００を準備し（ａ）、その表面に、ラミネーターでフォトレジスト１０１を被覆し（ｂ）、フォトマスク１０２でフォトレジスト１０１をマスキングして紫外線光源１０３で露光する（ｃ）、（ｄ）。次に、炭酸ナトリウムなどの無機アルカリ水溶液で現像をして、フォトレジスト１０１の、露光されていない部分を溶解除去し（ｄ）、露光されている部分を残してレジストパターン１０５を形成し、母型１０４を作製する（ｅ）（（ｃ）〜（ｅ）の工程を一般にフォトリソグラフィ―法という。）。次に、母型１０４の上に、フォトレジスト１０１より厚く電解めっき（オーバーハングめっき）をして、電鋳物１０６を形成する（ｆ）。次に、電鋳物１０６をめっき基材１００から剥離して、フォトレジスト１０１を除去すれば、凹状金型１０７を得る（ｇ）。また、凹状金型上にさらに所望の厚さまで電解めっきをすることで、凸状金型１０８を得る（ｉ）（ｊ）。すなわち、従来の方法では、凸状金型１０８を作製するためには、一度凹状金型１０７を完成させる必要があった。

凸状金型と凹状金型の、両者の微細金型としての特性を比べると、凸状金型１０８は、コア以外の樹脂成形に供さない部分が薄くなっているため、凹状金型に比べ、コアを成形材料に確りと押圧することができるので、寸法精度や形状に優れた成形ができる。しかしながら、凸状金型を作製するためには、上述の如く、凹状金型を作製後、さらにもう一度電解めっきを施す必要があり、そのため製造時間や製造コストの面で不利であった。

ここで、凸状金型の製造方法として、もう一つの従来例としては、特許文献１の図２に挙げられているように、レジストパターン上に導電性皮膜を成膜し、その上に直接電解めっきを行う方法があるが、これとて導電性皮膜を成膜するための設備やコスト、時間を必要としていた。

また、上記従来例の方法で製造された凹状金型の凹部（キャビティ）の表面（成形面）は、製造工程においてめっき基材１０１と密着しているため、全面に光沢に近い平滑な表面性状を有しており、さらに該面に密着して成形される凸状金型の成形面である凸部（コア）の表面も同様に全面光沢・平滑に仕上がる。しかしながら、成形面が全面光沢で平滑な場合、樹脂成形の際に成形材料が強く密着するため、成形後の離型が悪いという問題があった。

特開２００６−３３４９５１特開２００６−２８９６５９

この発明は、上記事情に鑑み、成形品の寸法精度や形状再現性に優れ、さらに成形品の離型性の良い凸状金型及び、その簡単な製造方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、樹脂成形に供される凸状金型の製造方法であって、導電性材料よりなるめっき基材の表面に、フォトレジストを被覆し、フォトリソグラフィー法により、前記フォトレジストで高さ２０〜１００μｍの所定のパターンを形成して母型を作製する工程と、前記母型の前記めっき基材上に、オーバーハングめっきをして、めっき皮膜により、前記パターンに対応する凹パターンを有する凹型を形成する工程と、前記凹型をめっき基材から剥離する工程と、前記凹型をエッチング用フォトレジストで被覆し、フォトリソグラフィー法により、前記凹パターンをエッチング用フォトレジスト膜で覆い、それ以外を露出させる工程と、前記凹型にエッチング処理を施して、前記凹パターンが形成された面の露出している部分を前記フォトレジストの厚さ以上溶解して、当該部分の厚さを１５０μｍ以上とし、表面粗さをＲａ≧０．５μｍとする工程と、前記エッチング用フォトレジスト膜を除去する工程からなる、ことを特徴とする。
また、請求項２に記載の発明は、樹脂成形に供される凸状金型の製造方法であって、導電性材料よりなるめっき基材の表面に、フォトレジストを被覆し、フォトリソグラフィー法により、前記フォトレジストで高さ２０〜１００μｍの所定のパターンを形成する工程と、前記めっき基材上に、前記パターンと略同じ高さまで電解めっきをして第１めっき層を形成する工程と、前記第１めっき層の、前記パターンの領域外に、離型剤を塗布して、離型処理を行う工程と、前記第１めっき層の上に、オーバーハングめっきをして、第２めっき層を形成して凹型を形成する工程と、前記凹型をめっき基材から剥離する工程と、前記凹型における前記第１めっき層の前記密着阻害処理をした領域のみを、前記第２めっき層から剥離する工程からなり、前記電解めっきのうち、少なくとも第１めっき層を形成する工程が粗面めっきである、ことを特徴とする。

請求項１の発明によれば、凸状の成形部が成形材料に確りと押圧されるため、寸法精度や形状の良い成形品を得ることが可能になると共に、非成形部の表面が粗面であることにより、成形時に成形品がスムーズに型離れをし、成形品の不要な変形を抑制することが可能になる。

請求項２の発明によれば、成形部が凸状であるため成形性に優れると共に、非成形部の表面が粗面であるため離型性の良い凸状金型を、従来の製造方法よりも短時間で簡単に製造することが可能になる。

請求項３の発明によればエッチング工程を用いないで、さらに短時間で簡単に非成形部の表面が粗面である凸状金型を製造することが可能になる。

本発明の実施の形態１に係る、凸状金型の概略側面図である。本発明の実施の形態１に係る、凸状金型の製造方法を示す概略工程図である。本発明の実施の形態１に係る、凸状金型により成形された成形品の概略側面図である。本発明の実施の形態２に係る、凸状金型の製造方法を示す概略工程図である。従来の金型の製造方法を示す概略工程図である。

本発明の実施の形態について、添付の図面を参照しながら説明する。なお、図面において、図面中の各部の構成の大きさ、間隔、数は、視認と理解の助けのために、実態と異なり、簡略化・省略化して表現している。

実施の形態１
図１は、実施の形態１に係る、凸状金型１の概略側面図である。

まず、凸状金型１は、全体として、四角い平板状であり、一方の面に成形用の凹凸が形成されている成形部１１と、それが形成されていない非成形部１２から構成されている。ここで、図１は、厳密には断面を意味するものがあるが、図面の簡略化の為に、側面図の形式で表している。以下、図２以降においても、同様に本来は断面を意味するものであっても、側面図として表す。

本実施の形態１において、成形部１１は、凸状金型１の片側の面に所定のデザインに配置された複数の凸形状１１１から形成されており、各凸形状１１１の寸法は、高さａが２０〜２００μｍ、幅ｂと凸形状１１１同士の間隔ｃは、フォトリソグラフィ―との関係から、高さａに依存し、幅ｂ、間隔ｃともａの１／２倍以上（すなわち、ｂ≧０．５ａ、ｃ≧０．５ａ）である必要がある。これより幅ｂ、間隔ｃが小さいとき、フォトリソグラフィによるレジストパターン２６の形成が困難である。

また、成形部１２の最低厚さ（凸形状１１１の谷における厚さ）ｆは、オーバーハングめっきを適正にするために、間隔ｃの１／２倍以上（すなわち、ｆ≧０．５ｃであり、ｃ≧０．５ａより、ｆ≧０．２５ａとなる）である必要がある。これより薄い場合には、電解めっき皮膜がフォトレジスト２６上を完全に覆わずに孔が形成されてしまうので、不適正である。さらに、ｆは強度を保つために、１５０μｍ以上、より好ましくは２００μｍ以上に設定される。１５０μｍ未満のときは、剛性不足のため、樹脂成形時に湾曲して成形品質を劣化させる恐れがある。

成形部１１の、凸形状１１１が形成されている側（図１では上面にあたる。以下この面を「コア側」という）の表面粗さは、成形物に粗さが転写されないように、Ｒａ＝０．２μｍ以下、より好ましくは０．１μｍ以下に設定されている。

また、非成形部１２は、凸状金型１の成形部１１以外の部分であり、ここには凸形状１１１は形成されておらず、略平坦な形状をしている。非成形部１２の、コア側と同じ側の面の表面粗さは、成形部１１より大きく、Ｒａ＝０．５〜２．０μｍ、より好ましくは０．９〜１．５μｍに設定されている。表面粗さをこの範囲に設定することで、樹脂成形をした時に離型性を良くすることができる。

非成形部１２の厚さｄは、成形部１２の最低厚さｆと同様に、凸状金型１の剛性を保つために、１５０μｍ以上、より好ましくは２００μｍ以上に設定される。１５０μｍ未満のときは、剛性不足のため、樹脂成形時に湾曲して成形品質を劣化させる恐れがある。さらに、非成形部１２の厚さｄは、成形品質を確保するために、成形部１２の最低厚さｆ以下となっている。これより厚い場合には、成形部１１の凸形状１１１が成形材料に確りと押圧されないため、成形品質が悪くなる恐れがある。

以上より、凸状金型１の総厚ｅは、高さａの５／４倍以上（ｅ≧１．２５ａ、ただしｅ＝ａ＋ｆ）と設定される。

次に、図２（ａ）〜（ｌ）に基づいて、凸状金型１の製造方法について説明をする。当該製造方法は、基本的には従来の製造方法と同様に、フォトリソグラフィ―法と電解めっき法を利用して、所定の形状と寸法に金型を形成するものである。

まず、導電性材料よりなる平板状のめっき基材２１を準備する（ａ）。本実施形態において、導電性材料は、その表面に電解めっき皮膜を形成することができると共に、電解めっき後に無理なく剥離することができるように、ＳＵＳ３０４等のステンレスを使用している。めっき基材２１の表面は、後述する感光性ドライフィルム（フォトレジスト）２２の密着性を良くするために、バフによる研磨、塩酸水による洗浄の後、水洗と乾燥がなされている（図示略）。

次に、めっき基材２１の表面に、ラミネーター（図示略）で感光性ドライフィルム２２を熱圧着することで被覆をする（ｂ）。ここで、感光性ドライフィルム２２の厚さは、凸形状１１１の高さａと同じになる物を選択する。

さらに、フォトマスク２３で感光性ドライフィルム２２をマスキングし、紫外線光源２４で露光して、感光性ドライフィルム２２に、金型の成形部１１に対応する所定のレジストパターン（パターン）２６を描く（ｃ）。

次に、炭酸ナトリウムなどの無機アルカリ水溶液の現像液で現像をし（ｄ）、感光性ドライフィルム２２の、露光されていない部分を除去し、露光されている部分を形作ることで、母型２５が作製される（ｅ）。母型２５は、めっき基材２１と感光性ドライフィルム２２（露光部分）より構成されており、感光性ドライフィルム２２（露光部分）は、金型の成形部１１に対応するレジストパターン２６を形成している。このレジストパターン２６の高さは、感光性ドライフィルム２２の厚さと同じであり、幅は、凸形状１１１の間隔ｃと同じであり、間隔は、凸形状１１１の幅ｂと同じである。

次に、母型２５に電解めっきをして、めっき皮膜により、総厚eがレジストパターン２６の５／４倍より厚く、かつ成形部１２の最低厚さｆが１５０μｍ以上、より好ましくは２００μｍ以上であり、パターン２４に対応する高さがａと同じである凹パターンを有する凹型２７を形成する（ｆ）。ここで、本実施形態において、電解めっきに用いためっき浴は、スルファミン酸ニッケル浴であり、その液組成は３００〜５００ｇ／Ｌのスルファミン酸ニッケル水溶液を基本として、ｐＨ緩衝剤としてほう酸が１０〜４０ｇ／Ｌ，消泡剤２〜１０ｍｌ／Ｌ、塩化ニッケル１０〜２０ｇ／Ｌ、応力緩和剤兼光沢剤５〜２０ｍｌ／Ｌで構成されており、めっき浴はｐＨ４．０〜５．０、温度４０〜５５℃に設定されている。また、電解めっきの電流密度は１．０〜３．０Ａ／ｄｍ^２である。

さらに、凹型２７をめっき基材２１から剥離し（ｇ）、凹型２７を苛性ソーダなどの無機アルカリ水溶液に浸漬して、凹パターン２８内の感光性ドライフィルム２２を除去する（ｈ）。

次に、凹型２７を、エッチング用感光性ドライフィルム（エッチング用フォトレジスト膜）２９で被覆し（ｉ）、フォトリソグラフィ―法により、凹パターン２８のみエッチング用感光性ドライフィルム２９で覆い、凹パターン２８外を露出させる（ｊ）。

凹型２７にエッチング処理を施して、エッチング用感光性ドライフィルム２９で覆われていない部分を化学的に溶解して、成形部１１と非成形部１２を形作る（ｋ）。
エッチングは、塩化第二鉄水溶液を主成分としたエッチング液を、凹型にスプレー噴射することで行った。この際、樹脂成形時に、成形部１１が成形材料に十分に押圧されるように、非成形部１２の厚さｄを成形部１１における、凸形状１１１を除いた厚さｆ以下とするため、感光性ドライフィルム２２の厚さ以上の量を溶解する。さらに、非成形部１２の厚さｄは成形時の剛性を確保するために、１５０μｍ以上、より好ましくは２００μｍ以上であり、樹脂成形後の成形物の離型性を確保するために、表面粗さがＲａ≧０．５になるように、エッチング液の圧力や、処理時間などの条件を調整する。

エッチング用感光性ドライフィルム２９を、感光性ドライフィルム２２と同様の方法で除去することで、凸状金型１が製作される（ｌ）。

つぎに、実施の形態１に係る凸状金型１の作用である、成形品３の作製方法について説明する。

凸状金型１を、射出成形機やホットスタンプ等の成形機（図示略）に設置する。

成形材料を成形機により凸状金型１に所定の熱と圧力で押圧し成形品３を形作る。

成形品３を、凸状金型１から離型する。成形品３には、凸状金型１の成形部１１に対応した模様３１が形成されている。

本実施の形態１の発明によれば、凸状の成形部１１が成形材料に確りと押圧されるため、寸法精度や形状の良い成形品を得ることが可能になると共に、非成形部１２の表面が粗面であることにより、成形時に成形品３がスムーズに型離れをし、成形品３の不用な変形を抑制することが可能になる。

また、成形部１１が凸状であるため成形性に優れると共に、非成形部の表面が粗面であるため離型性の良い凸状金型を、従来の製造方法よりも短時間で簡単に製造することが可能になる。

実施の形態２
次に、図４（ａ）〜（ｆ）に基づいて、本発明に係る凸状金型１の製造方法について説明する。ここで、実施の形態１との違いは、本実施の形態２は、エッチング工程を用いない代わりに、電解めっきを２段階で行うことである。その他、実施の形態１と同様の構成については、図面と説明を省略する。

まず、実施の形態１と同様に、フォトリソグラフィ―法により、レジストパターン２６を有する母型２５を作製する（図２（ａ）〜（ｅ））。

めっき基材２１上に，感光性ドライフィルム２２と略同じ高さまで電解めっきをして、第１めっき層４１を形成する（ａ）。ここで、実施の形態２におけるめっき浴の緒元と電解めっき条件は、応力緩和剤兼光沢剤を含まない粗面めっき浴であることと、そのため生成されるめっき皮膜のめっき成長面の表面性状が光沢ではなく、表面粗さがＲａ＝０．５〜２．０の粗面である、ということ以外は、実施の形態１と同様である。

次に、第１めっき層４１の、レジストパターン２６外に、離型剤（例えば硫化ナトリウム水溶液）を塗布して、離型剤膜４１１を形成し、当該部位状に形成されためっき皮膜が、めっき後に剥離できるよう離型処理をする（ｂ）。

次に、第１めっき層４１の上に、電解めっきにより第２めっき層４２を１５０μｍ以上で、かつレジストパターン２６の厚さの１／４倍以上の厚さで形成して、凹型４３を形成する。

次に、凹型４３をめっき基材から剥離して（ｄ）、感光性ドライフィルム２２を除去した後（ｅ）、凹型４３における第１めっき層４１の離型剤膜４１１を塗布した領域のみを、第２めっき層４２から剥離することで、凸状金型１が製造される（ｆ）。

ここで、第２めっき層４２のめっき基材２１側の表面は、第１めっき層４１のめっき成長面側の表面の粗さが転写されているため、第１めっき層４１と同様に粗面になり、結果として凸状金型１の非成形部１２は、実施の形態１の場合と同様に粗面となる。

実施の形態２の発明によればエッチング工程を用いないで、さらに短時間で簡単に非成形部１２の表面が粗面である凸状金型１を製造することが可能になる。

以上、実施の形態１〜２について説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、同様の効果を得られる他の形態も含まれる。例えば、上記の実施の形態では、めっき浴はスルファミン酸ニッケル水溶液を基本としていたが、硫酸ニッケル水溶液を用いることも可能である。

実施の形態１では、めっき液中に応力緩和剤兼光沢剤を含む光沢めっき浴であったが、粗面めっきでも可能である。さらに、実施の形態２における第２のめっき層４２は光沢めっき・粗面めっきいずれも可能である。

感光性ドライフィルム２２の除去は、実施の形態１においては、凹型２２をめっき基材２１から剥離した直後に限らず、工程の最後にエッチング用感光性ドライフィルム２９と同時に除去しても良い。また、実施の形態２においては、第２めっき層４２を剥離した後でも良い。

フォトリソグラフィにおける露光方法は、直描方法を使うことでフォトマスクを省略することができるので、さらに工程の簡略化を図ることができる。さらに、凸形状１１１の側壁を平滑にすることができるので、成形品質を向上させることができる。

本発明の凸状金型１は、樹脂成形に限らず、印刷分野にも利用可能である。

１凸状金型
１１成形部
１１１凸形状
１２非成形部
２１めっき基材
２２感光性ドライフィルム（フォトレジスト）
２５母型
２６レジストパターン（パターン）
２７、４３凹型
２８凹パターン
２９エッチング用感光性ドライフィルム（エッチング用フォトレジスト膜）
４１第１めっき層
４２第２めっき層

Claims

樹脂成形に供される凸状金型の製造方法であって、
導電性材料よりなるめっき基材の表面に、フォトレジストを被覆し、フォトリソグラフィー法により、前記フォトレジストで高さ２０〜１００μｍの所定のパターンを形成して母型を作製する工程と、
前記母型の前記めっき基材上に、オーバーハングめっきをして、めっき皮膜により、前記パターンに対応する凹パターンを有する凹型を形成する工程と、
前記凹型をめっき基材から剥離する工程と、
前記凹型の前記凹パターンが形成された面を新たなフォトレジストで被覆し、フォトリソグラフィー法により、前記凹パターンをエッチング用フォトレジスト膜で覆い、それ以外を露出させる工程と、
前記凹型にエッチング処理を施して、前記凹パターンが形成された面の露出している部分を前記フォトレジストの厚さ以上溶解して、当該部分の厚さを１５０μｍ以上とし、表面粗さをＲａ≧０．５μｍとする工程と、
前記エッチング用フォトレジスト膜を除去する工程からなる、
ことを特徴とする凸状金型の製造方法。
樹脂成形に供される凸状金型の製造方法であって、
導電性材料よりなるめっき基材の表面に、フォトレジストを被覆し、フォトリソグラフィー法により、前記フォトレジストで高さ２０〜１００μｍの所定のパターンを形成する工程と、
前記めっき基材上に、前記パターンと略同じ高さまで電解めっきをして第１めっき層を形成する工程と、
前記第１めっき層の、前記パターンの領域外に対して、離型剤を塗布して、離型処理を行う工程と、
前記第１めっき層の上に、オーバーハングめっきをして、第２めっき層を形成して凹型を形成する工程と、
前記凹型をめっき基材から剥離する工程と、
前記凹型における前記第１めっき層の、前記離型処理をした領域のみを、前記第２めっき層から剥離する工程からなり、
前記電解めっきのうち、少なくとも第１めっき層を形成する工程が粗面めっきである、
ことを特徴とする凸状金型の製造方法。