JP6366348B2 - 成形型 - Google Patents

Description

本発明は、成形品を成形する際に使用される成形型に関する。

特許文献１（特開２０１１−７９２６１号公報）には、セラミックスからなる基材（５）の表面（８）に離型層（４）が形成された成形型が開示されている。

特開２０１１−７９２６１号公報 特開２０１０−１８５０９５号公報

特許文献１に記載の離型層（４）は、離型性および防汚性に優れるとされている。他方、特許文献１では、セラミックスからなる基材を用いているが、このようにした場合、基材の機械加工が難しい、基材の取り扱いが難しい（割れや欠けが生じやすい）という問題がある。

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、離型性および防汚性に優れ、かつ、割れや欠けが生じにくい成形型を提供することにある。

本発明に係る成形型は、成形品を成形する際に使用される成形型である。
本発明の１つの局面において、成形型は、鉄系の材料から構成される金属基材と、金属基材上に設けられ、酸化イットリウム、窒素および４Ａ族元素のカチオンを含み、成形品と接触するセラミックス層と、金属基材とセラミックス層との間に介在する接着層とを備え、接着層は、硬度の低い金属基材側から硬度の高いセラミックス層側に向けて高硬度となるように硬度が変化するものであり、接着層の厚み方向において金属基材に近づくにつれて窒素濃度が低減され、セラミックス層の表面が成形品と接触する。接着層は単層で形成されてもよいし、複数層で形成されてもよい。なお、ここでいう「変化」とは、連続的な変化および段階的な変化ならびに連続的、段階的の組み合わせをいずれも含む。

本発明の他の局面において、成形型は、鉄系の材料から構成される金属基材と、酸化イットリウム、窒素および４Ａ族元素のカチオンを含み、成形品と接触するセラミックス層と、基材とセラミックス層との間に介在する中間層とを備え、中間層は、硬度の低い金属基材側から硬度の高いセラミックス層側に向けて高硬度となるように硬度が変化するものであり、中間層の厚み方向において金属基材に近づくにつれて窒素濃度が低減され、セラミックス層の表面が成形品と接触する。中間層は単層で形成されてもよいし、複数層で形成されてもよい。

１つの実施態様において、成形型は、金属基材と中間層との間に介在する接着層をさらに備える。

１つの実施態様において、成形型は、中間層とセラミックス層との間に介在する接着層をさらに備える。

１つの実施態様において、中間層が複数層で形成され、複数の中間層における少なくとも２つの中間層の間に接着層を介在させる。

１つの実施態様において、中間層は、金属基材よりも硬度が高く、かつ、セラミックス層よりも靱性が高い部分を有する。

１つの実施態様において、中間層は、Ｍ−Ａ系（Ｍは、チタン、クロム、ニッケル、ジルコニウム、アルミニウム、またはシリコンであり、Ａは、窒素、炭素、または酸素である。）の窒化物、炭化物、酸化物からなる部分を含む。

１つの実施態様において、接着層は、チタン、クロム、ニッケル、ジルコニウム、イットリウム、アルミニウム、シリコンの金属単体やそれらの混合物、または、金属単体の酸化物もしくは金属単体を複数含む酸化物からなる部分を含む。

なお、本願明細書において「硬度」とは、株式会社島津製作所製の「ダイナミック微小硬度計」（型番：ＤＵＨ-２１１Ｓ）を用い、測定条件は、「圧子：三角錐圧子（ベルコビッチタイプ、陵間角１１５°）、表面からの押込み深さ：０．１μｍ、負荷速度：設定値８０（０．８７５８ｍＮ／ｓｅｃ）、負荷保持時間：１５ｓｅｃ」として測定したものを意味する。

本発明によれば、離型性および防汚性に優れ、かつ、割れや欠けが生じにくい成形型を提供することができる。

本発明の１つの実施の形態に係る成形型の断面を示す図である。 本発明の他の実施の形態に係る成形型の断面を示す図である。 中間層の構造の一例をより詳細に示す断面図である。 中間層の構造の他の例をより詳細に示す断面図である。 中間層の構造の他の例をより詳細に示す断面図である。 本発明の１つの実施例に係る成形型と比較例に係る成形型とについて離型性を評価した実験結果を示す図である。 本発明の１つの実施例に係る成形型を用いて所定回数の成形動作を行なった後の当該成形型の底面を示す写真である。 比較例に係る成形型を用いて所定回数の成形動作を行なった後の当該成形型の底面を示す写真である。

以下に、本発明の実施の形態について説明する。なお、同一または相当する部分に同一の参照符号を付し、その説明を繰返さない場合がある。

なお、以下に説明する実施の形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本発明の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。また、以下の実施の形態において、各々の構成要素は、特に記載がある場合を除き、本発明にとって必ずしも必須のものではない。

まず、本発明の実施の形態を概略的に説明する。
本発明の実施の一つの形態は、成形品を成形する際に使用される成形型であって、金属製の基材と、上記基材上に設けられ、酸化イットリウム、窒素および４Ａ族元素のカチオンを含み、上記成形品と接触するセラミックス層とを備えた成形型である。上記基材と上記セラミック層との間には接着層を設けてもよい。

また、本発明の一つの形態は、成形品を成形する際に使用される成形型であって、金属製の基材と、酸化イットリウム、窒素および４Ａ族元素のカチオンを含み、上記成形品と接触するセラミックス層とを備え、上記基材と上記セラミックス層との間に介在する中間層をさらに備えた成形型である。また、上記基材と中間層との間に接着層を介在させてもよい。さらに、上記中間層と上記セラミックス層との間に接着層を介在させてもよい。

なお、上記中間層を複数層で形成した場合、上記複数の中間層における少なくとも二つの中間層の間に接着層を介在させてもよい。

更に、上記接着層を単層あるいは複数層で形成してもよい。
また、上記成形型において、上記中間層は、上記基材よりも硬度が高く、かつ、上記セラミックス層よりも靱性が高い部分を有する。また、上記中間層は、少なくとも上記セラミックス層側の表面部分において上記基材よりも硬度が高い。

また、上記成形型において、上記中間層に緩衝層を含むことができ、例えば、上記緩衝層は、上記基材側から上記セラミックス層側に向けて高硬度となるように硬度が変化するように構成されている。

また、上記成形型において、上記中間層に接着層を含む構成とすることができる。
また、緩衝層を複数層、設けることができ、少なくとも二つの緩衝層の間に、単層あるいは複数層の接着層を介在させることができる。

なお、上記接着層が緩衝層の機能を示す場合がある。
また、例えば、中間層（緩衝層）とセラミックス層とを単層の接着層で接合しがたい場合がある。この場合、中間層（緩衝層）とセラミックス層とを多層の接着層（例えば三層の場合、セラミックス層側から第１接着層、第２接着層、第３接着層とする）を介在させて段階的に接合してもよい（図５参照）。

即ち、セラミックス層と接する第１接着層をセラミックス層と接着しやすい物質で構成
し、かつ、中間層（緩衝層）と接する別の接着層（上記第３接着層に相当する）を中間層（緩衝層）と接着しやすい物質で形成することができる。すなわち接着層を必要に応じ多層構造とすることができる。

なお、上記多層の接着層を三層とした場合、上記第１接着層と上記第３接着層とを上記第１および第３接着層と接着しやすい物質で形成される第２接着層で接合することができる。

また、総じて言えば、上記中間層は実質的に緩衝層であり、上記中間層（緩衝層）は他の層と接着層を介して接合することができる（中間層に対する接着層の外的付加）。

また、図例に示すように、上記中間層は緩衝層と接着層とから構成することができ、上記中間層は上記接着層を含む中間層となっている（中間層における接着層の内的付加）。

従って、本発明に係る中間層は、実質的な中間層となる緩衝層に対して、接着層を外的にあるいは内的に付加することができるものである。

なお、本発明に係る中間層は緩衝層のみであってもよいし、接着層のみであってもよい。

また、緩衝層が接着作用を有する場合もあり、接着層が緩衝作用を有する場合もある。
また、前述した中間層（緩衝層あるいは接着層）による緩衝作用について言及する。上記セラミックス層は薄層であり上記金属製の基材に対して硬さが硬く靱性が低いものである。この両者の硬さの差及び靱性の差を緩衝する層として中間層が設けられることになる。

以下、図面を用いてより具体的に説明する。
図１は、本実施の形態に係る成形型の断面を示す図である。本実施の形態に係る成形型は、樹脂成形品などを成形する際に使用されるものであって、図１に示すように、金属基材１０と、金属基材１０上に設けられ、成形品と接触するセラミックス層２０とを備える。

金属基材１０は、鉄系の材料（たとえば、ステンレス鋼、炭素鋼、合金鋼、合金工具鋼、高速度鋼、プリハードン鋼など）から構成されてもよいし、非鉄系の材料（銅系、アルミニウム系、超硬合金系など）から構成されてもよい。これにより、加工性に優れるとともに、割れや欠けが生じにくい金属基材１０とすることができる。

セラミックス層２０は、酸化イットリウム、窒素および４Ａ族元素のカチオンを含む。これにより、離型性および防汚性に優れた成形型が提供される。金属基材１０とセラミックス層２０とは、図示しない接着層を介して接合してもよい。

金属基材１０は、切削加工や放電加工など、従来の金属加工法で形成可能である。セラミックス層は、たとえば、スパッタリングやイオンプレーティングなどの物理的蒸着法（ＰＶＤ）により形成可能である。

図１の例において、セラミックス層２０の厚みは、０．１μｍ〜５μｍ程度である。金属基材１０とセラミックス層２０との間の接着層の厚みは、０．０１μｍ〜１μｍ程度である。

図２は、他の実施の形態に係る成形型の断面を示す図である。図２に示す実施の形態において、成形型は、基材１０とセラミックス層２０との間に介在する中間層３０をさらに備える。中間層３０は、金属基材１０よりも硬度が高く、かつ、セラミックス層２０よりも靱性が高い部分を有する。これにより、セラミックス層２０が割れたり金属基材１０から剥離したりすることを抑制できる。

図２の例において、中間層３０の厚みは、０．２μｍ〜５μｍ程度である。セラミックス層２０の厚みは、図１の例と同様、０．１μｍ〜５μｍ程度である。

次に、図３ないし図５を用いて、中間層３０の構造をより詳細に説明する。図３の例において、中間層３０は、緩衝層３１Ａ，３１Ｂと接着層３２Ａ，３２Ｂとを有し、図４の例において、中間層３０は、緩衝層３１と接着層３２Ａ，３２Ｂとを有し、図５の例において、中間層３０は、緩衝層３１Ａ，３１Ｂと接着層３２Ａ〜３２Ｄとを有する。

すなわち、緩衝層は、図３、図５に示すように複数層からなるものであってもよいし、図４に示すように単層からなるものであってもよい。接着層も、図３、図４に示すように、緩衝層の両側において単層からなるものであってもよいし、図５に示すように、緩衝層の一方側において複数層、他方側において単層からなるものであってもよいし、さらに、緩衝層の両側において複数層からなるものであってもよい。

なお、図５の中間層３０において、実質的に中間層となる緩衝層３１Ａ，３１Ｂとの間に単層あるいは複数層からなる接着層を設けてもよい。また、上記緩衝層（実質的な中間層）に他の層との接着層を設けた場合、上記中間層は接着層を含むものとなる。

また、図４において、緩衝層３１と金属基材１０とを直接的に接合することができる。さらに、図４において、緩衝層３１とセラミックス層２０とを直接的に接合することができる。

緩衝層および接着層ともに、たとえば、スパッタリングやイオンプレーティングなどの物理的蒸着法（ＰＶＤ）により形成可能である。

緩衝層は、硬度の低い金属基材１０側から硬度の高いセラミックス層２０側に向けて高硬度となるように硬度が変化するものであることが好ましい。たとえば、図３、図５のように積層構造の緩衝層３１Ａ，３１Ｂの場合は、金属基材１０側の緩衝層３１Ａの硬度をセラミックス層２０側の緩衝層３１Ｂの硬度よりも低くすることにより、硬度を段階的に変化させることができる。また、図４のように単層構造緩衝層３１の場合は、緩衝層の厚み方向に組成を変化させる（たとえば金属基材１０に近づくにつれて窒素濃度を低減する）ことにより、硬度を連続的に変化させることができる。

緩衝層は、たとえば、Ｍ−Ａ系（Ｍは、チタン、クロム、ニッケル、ジルコニウム、アルミニウム、またはシリコンであり、Ａは、窒素、炭素、または酸素である。）の窒化物、炭化物、酸化物からなる。

接着層は、たとえば、チタン、クロム、ニッケル、ジルコニウム、イットリウム、アルミニウム、シリコンの金属単体やそれらの混合物、または、上記金属単体の酸化物もしくは上記金属を複数含む酸化物からなる。

緩衝層を構成する素材および接着層を構成する素材は、適宜選択して組み合わせることが可能である。なお、緩衝層の厚み（合計）は、０．２μｍ〜５μｍ程度である。

次に、図６を用いて、本発明の実施例による離型性の向上について説明する。図６は、本発明の１つの実施例に係る成形型と比較例に係る成形型（金属基材に硬質クロムめっきを施したもの）とについて所定回数の成形動作を行ない、その都度、離型力を測定することによって離型性を評価した実験結果を示すものである。

図６を参照して、本発明の実施例に係る成形型によれば、比較例に係る成形型と比較して、離型力が低減されており、セラミックス層２０によって、離型性に優れた成形型とされていることがわかる。

次に、図７，図８を用いて、本発明の実施例による防汚性の向上について説明する。図７，図８は、各々、本発明の実施例に係る成形型、および、比較例に係る成形型を用いて所定回数（図７：１０００回、図８：３００回）の成形動作を行なった後の当該成形型の底面を示す写真である。

図７，図８を参照して、本発明の実施例に係る成形型（図７）においては、１０００回の成形動作を行なった後も、目立った汚れは認められないのに対し、比較例に係る成形型（図８）においては、３００回の成形動作の後、Ａ部において樹脂の固着が認められる他、Ｂ部においてフラッシュの堆積が認められる。さらに、キャビティ底面全体において変色が認められる。以上の結果から、セラミックス層２０によって、防汚性に優れた成形型とされていることがわかる。

このように、本実施の形態に係る成形型によれば、セラミックス層２０を用いることによって離型性および防汚性に優れた成形型にするとともに、金属基材１０を用いることによって、成形型の割れや欠けを抑制できる。さらに、中間層３０によって、金属基材１０とセラミックス層２０との接合構造を改善し、セラミックス層２０の割れや金属基材１０からの剥離を抑制することができる。

なお、上記成形型は、例えば、射出成形、トランスファー成形、圧縮成形に用いることができる。

トランスファー成形（ないしは圧縮成形）の場合、樹脂材料を用いて、基板に装着した半導体チップをセラミックス層が設けられたキャビティ内で当該キャビティの形状に対応したパッケージ（成形品）内に封止成形（ないしは圧縮成形）することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０ 金属基材、２０ セラミックス層、３０ 中間層、３１，３１Ａ，３１Ｂ 緩衝層、３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃ，３２Ｄ 接着層。

Claims (12)

1. 成形品を成形する際に使用される成形型であって、
   鉄系の材料から構成される金属基材と、
   前記金属基材上に設けられ、酸化イットリウム、窒素および４Ａ族元素のカチオンを含み、前記成形品と接触するセラミックス層と、
   前記金属基材と前記セラミックス層との間に介在する接着層とを備え、
   前記接着層は、硬度の低い前記金属基材側から硬度の高い前記セラミックス層側に向けて高硬度となるように硬度が変化するものであり、
   前記接着層の厚み方向において前記金属基材に近づくにつれて窒素濃度が低減され、
   前記セラミックス層の表面が前記成形品と接触する、成形型。
2. 成形品を成形する際に使用される成形型であって、
   鉄系の材料から構成される金属基材と、
   酸化イットリウム、窒素および４Ａ族元素のカチオンを含み、前記成形品と接触するセラミックス層と、
   前記金属基材と前記セラミックス層との間に介在する中間層とを備え、
   前記中間層は、硬度の低い前記金属基材側から硬度の高い前記セラミックス層側に向けて高硬度となるように硬度が変化するものであり、
   前記中間層の厚み方向において前記金属基材に近づくにつれて窒素濃度が低減され、
   前記セラミックス層の表面が前記成形品と接触する、成形型。
3. 前記金属基材と前記中間層との間に介在する接着層をさらに備えた、請求項２に記載の成形型。
4. 前記中間層と前記セラミックス層との間に介在する接着層をさらに備えた、請求項２に記載の成形型。
5. 前記中間層が単層で形成されている、請求項２に記載の成形型。
6. 前記中間層が複数層で形成されている、請求項２に記載の成形型。
7. 前記中間層が複数層で形成され、前記複数の中間層における少なくとも２つの中間層の間に接着層を介在させた、請求項２に記載の成形型。
8. 前記接着層が単層で形成されている、請求項１、請求項３、請求項４、および請求項７のいずれか１項に記載の成形型。
9. 前記接着層が複数層で形成されている、請求項１、請求項３、請求項４、および請求項７のいずれか１項に記載の成形型。
10. 前記中間層は、前記金属基材よりも硬度が高く、かつ、前記セラミックス層よりも靱性が高い部分を有する、請求項２に記載の成形型。
11. 前記中間層は、Ｍ−Ａ系（Ｍは、チタン、クロム、ニッケル、ジルコニウム、アルミニウム、またはシリコンであり、Ａは、窒素、炭素、または酸素である。）の窒化物、炭化物、酸化物からなる部分を含む、請求項２に記載の成形型。
12. 前記接着層は、チタン、クロム、ニッケル、ジルコニウム、イットリウム、アルミニウム、シリコンの金属単体やそれらの混合物、または、前記金属単体の酸化物もしくは前記金属単体を複数含む酸化物からなる部分を含む、請求項１、請求項３、請求項４、請求項７〜９のいずれか１項に記載の成形型。