專利名稱：成型用模具及模具表面的加工方法
技術領域：
本發(fā)明涉及成型用模具及模具表面的加工方法。

背景技術：
在利用模具對樹脂制品(塑料制品)、玻璃制品、金屬制品等進行轉印而成型 的工藝中，在從模具中取出制品時，存在由于制品和模具的摩擦而使脫模阻力增加的現(xiàn) 象。已知該脫模阻力與模具的表面粗糙度有關。以下，以樹脂成型為例進行說明。圖1是示出非專利文獻1中記載的表面粗糙度與脫模剝離力(脫模阻力)之間 的關系的圖。雖然脫模阻力隨著表面粗糙度的減小而降低，但是在表面粗糙度(算術平 均粗糙度)Ra為0.2 μ m左右以下的區(qū)域，脫模阻力反而隨著表面粗糙度的減小而急劇增 加。在Ra為0.2μιη左右以上的區(qū)域，隨著表面粗糙度的減小，由于樹脂進入模具 表面凹凸而產生的錨定效果和由于模具表面上的銳利突起掘出樹脂而產生的摩擦阻力減 少，從而使脫模阻力減小。另一方面，Ra為0.2 μ m左右以下時，可認為固體表面間的 粘合力增加而對摩擦力帶來支配性的影響，從而使脫模阻力變大。也就是說，在Ra為0.2 μ m左右以下時，模具表面的凹凸與樹脂表面間形成的間 隙為IOOnm以下的微小間隙，但在固體間的這樣的微小間隙中存在液體時，由于毛細管 現(xiàn)象而形成被稱作彎月面(J 二 7力7 )的液體架橋，由于其引力(彎月面)而在固體間 產生強大的粘合力。近年來，隨著電子部件和光部件的微細化、高精度化，使模具表面的算術平均 粗糙度Ra減小到0.2 μ m左右以下的必要性變得越來越大。因此，以往模具粗糙度大時 不會成為問題的粘合力，即，由脫模劑(使用脫模劑時)、大氣中水分和油分的凝結而產 生的薄薄的液體膜形成的彎月面，作為使脫模阻力增大的主要原因而成為問題。已知可以通過在表面上形成微細的凹凸來大幅度減少這種由彎月面引起的粘合 力。專利文獻1中公開了如下的技術使與樹脂接觸的模具表面形成Ra = SOnm以下鏡 面，然后通過以所需要的數量和所需要的配置形成微細的凹部或凸部，由此來降低脫模 阻力。當微細的凹部(凸部)的寬度為幾十 幾百微米，縱橫比為1以下，所需要的間 隔為10 幾百微米的范圍時，確認到具有良好的脫模性。另外，作為通常廣泛使用的方法，包括如下方法將與樹脂接觸的模具表面研 磨到Ra = 0.2 μ m左右以下，然后通過在脫模方向形成淺且稀疏的研磨損傷形成微細的凹 部來減小由彎月面引起的粘合力，由此來減小脫模阻力?，F(xiàn)有技術文獻[專利文獻]專利文獻1 日本特開2008-307735號公報[非專利文獻]非專利文獻1:小林義和、白井健二、佐々木哲夫，《注塑成型中的芯型表面粗 糙度與脫模阻力的關系(射出成形Cfclt 3 二 7表面粗 i離型抵抗力O関係)》，精密工學會志，Vol.67 (2001)，p.510
發(fā)明內容
發(fā)明要解決的問題
在上述專利文獻1中，使用切削技術作為模具表面的加工方法，制作具體的大 小、配置的微細凸部(凹部)寬度為25 500 μ m、縱橫比為0.06 1(高度12.5 50 μ m)、間隔為10 500 μ m。 SP，高度12.5 50 μ m的凸部或凹部被轉印到成型品 上。雖然這樣的凸部或凹部在比較大的樹脂成型品中是可以被忽略的尺寸，但在形成微 細的樹脂成型品、例如間距Imm以下的窄間距連接器的外殼等時，則存在不能允許幾十 微米的尺寸誤差的問題。
另外，在廣泛使用的通過研磨形成凹凸的方法中，由于研磨器具的限制，凹凸 的深度最小也達到IOOnm左右，并且賦予邊緣銳利的研磨損傷，可以減小由于彎月面引 起的粘合力，但卻導致由于錨定效果或掘出引起的摩擦力增大。結果，存在無法期待大 幅度降低脫模阻力的問題。
本發(fā)明的目的在于提供不會對樹脂或玻璃、金屬等微細成型品的尺寸精度帶來 影響且能夠大幅度降低脫模阻力的成型用模具和該模具表面的加工方法。
解決問題的方法
按照本發(fā)明的成型用模具，在測定區(qū)域10 μ m見方以下測定的與成型材料接觸 的模具表面的算術平均粗糙度Ra為5nm以下，并且在所述模具表面上以400個/ μ m2以 上的密度形成直徑10 80nm、高度10 40nm范圍的粒狀微細凸形結構物。
就本發(fā)明的模具表面的加工方法而言，以如下的照射量以上對模具表面照射氣 體離化團束，所述照射量為在測定區(qū)域IOym見方以下測定的模具表面的算術平均粗 糙度Ra與對模具表面照射的氣體離化團束(力D 9 7夕一 4才> κ 一 A)的照射量的 關系中，算術平均粗糙度Ra隨著照射量的增加而減少，然后隨著照射量的增加而增加并 達到恒定值時的照射量。
發(fā)明的效果
按照本發(fā)明的成型用模具及該模具表面的加工方法，可以在不對微細成型品的 尺寸精度帶來影響的情況下大幅降低脫模阻力。


圖1是示出表面粗糙度和脫模剝離力的關系的曲線圖。
圖2A是氣體離化團束照射前的硅晶片表面的原子力顯微鏡圖像的照片；圖2B 是氣體離化團束照射后的硅晶片表面的原子力顯微鏡圖像的照片。
圖3A是示出氣體離化團束照射后的硅晶片表面結構的圖像的平面圖；圖3B是 示出氣體離化團束照射后的硅晶片表面結構的圖像的剖面圖。
圖4是示出模具1 3的表面處理、算術平均粗糙度Ra和脫模成功率的表。
圖5A是示出模具1表面的原子力顯微鏡圖像(80μιη見方區(qū)域)的照片；圖5Β 是示出模具2表面的原子力顯微鏡圖像(80 μ m見方區(qū)域)的照片；圖5C是示出模具3 表面的原子力顯微鏡圖像(80 μ m見方區(qū)域)的照片；圖5D是示出模具3表面的原子力顯微鏡圖像(Iym見方區(qū)域)的照片。圖6是示出測定區(qū)域尺寸(原子力顯微鏡觀察區(qū)域尺寸)和氣體離化團束照射前 后的算術平均粗糙度Ra之比(模具3的Ra/模具2的Ra)的關系的曲線圖。圖7是示出模具4 7的氣體離化團束照射條件的表。圖8是示出形成在模具4 7的表面的粒狀微細凸形結構物的密度、高度、直徑 和算術平均粗糙度Ra的表。圖9是示出氣體離化團束的照射量N和算術平均粗糙度Ra(l μ m見方區(qū)域)的 關系的曲線圖。圖10是示出氣體離化團束的照射量N與脫模成功率、粒子的微細凸形結構物的 有無的關系的表。
具體實施例方式首先，對本發(fā)明的原理、作用進行說明。以往，在成型用模具中，可認為在模具表面的算術平均粗糙度Ra為0.2 μ m以下 的區(qū)域中，脫模阻力隨著表面粗糙度的降低而增加。在本發(fā)明中，發(fā)現(xiàn)了盡管將Ra降低 到0.2 μ m以下也不會使脫模阻力增加的表面形狀及其形成方法。S卩，可以明確在微 小區(qū)域(ΙΟμιη見方以下程度)內觀察時，顯著平坦化至算術平均粗糙度Ra為幾納米以 下、同時在模具表面形成存在高度和寬度為幾十納米左右的微細凹凸結構的表面是降低 脫模阻力的關鍵。另外可知，該微細凹凸結構可通過使用氣體離化團束(GCIB)形成。 下面，對該微細凹凸結構的形成原理進行敘述。氣體離化團束是數千個到數萬個分子凝聚而成的，其大小為幾nm左右。已知 對固體表面上照射該團束時，在微觀上形成作為照射痕的幾nm IOnm左右的月牙狀 (crater)微細結構(山田公編著《離化團束基礎和應用(夕，^夕一^才>匕'一^基礎么 応用)》，p.57、70、71、72)。S卩，如果對表面粗糙度Ra = Inm以下的非常平坦的表 面例如硅晶片照射氣體離化團束時，將不會發(fā)生上述以上的平坦化，而使表面粗糙度惡 化。在圖2A和圖2B中示出了氣體離化團束照射前的硅晶片表面、以及在3OkeV下 用Ar離化團束以4X IO16離子/cm2照射后的硅晶片表面的原子力顯微鏡圖像。觀察區(qū) 域(算術平均粗糙度Ra的測定區(qū)域)為Iym見方的區(qū)域。另外，圖3A示出氣體離化 團束照射后的硅晶片10的表面結構的圖像，圖3B示出了其截面結構的圖像。照射前為 Ra = 0.23nm的非常平坦的表面，但是通過照射而成為鋪滿直徑D和高度H為幾十納米 左右的粒狀微細凸形結構物11的表面形狀。其結果是，雖然照射前的硅晶片的表面粗糙 度Ra = 0.23nm,但在照射后Ra = IJnm,表面粗糙度增加。在初期表面Ra為比晶片水平更粗糙的幾納米以上時，在氣體離化團束的照射量 少時，主要發(fā)生削去凸部(山形)、埋平凹部(谷形)的結構變化，從而減小算術平均粗 糙度Ra，其中凸部是利用橫向濺射效果形成表面粗糙度而得到的。以往，認為Ra隨著 離子束照射量的增加而減少，即使照射量增加也未發(fā)現(xiàn)表面粗糙度惡化，從而能夠收斂 到某個恒定值(山田公編著《離化團束基礎和應用(々，ζ夕一4才> e — A基礎i応 用)》，第84頁)。然而，在本發(fā)明中首次發(fā)現(xiàn)下述現(xiàn)象隨著照射量的增加算術平均粗糙度Ra逐漸平坦化，達到Inm的水平，然后與上述硅晶片的情況同樣地，形成粒狀微 細凸形結構物的過程變得顯著，并且表面粗糙度稍有增加。這是通過照射團束而引起形 成月牙狀的本質的表面形狀，其不依賴于團束的種類和固體材料的種類。在以上這樣的 初期表面粗糙的情況下，由于Ra減少(平坦化)而形成粒狀結構的原理如下使脫模阻 力降低的高度、寬度有助于形成幾十納米的微細凹凸。
實施例
以下，通過進行的各種實驗來對本發(fā)明的實施例進行說明。
[實驗1]
對注塑成型用模具的樹脂接觸面的表面結構與樹脂脫模性之間的關系進行了研
使用工具鋼SKD61作為模具材料、使用液晶聚合物作為樹脂材料，成型長度 35mm、寬度3mm、高度0.2mm的薄的長方體樹脂部件。準備3種模具表面的表面結構 不同的模具(模具1 3)作為模具。各模具1 3的模具表面如下
模具1 :通過#400號磨石進行磨削的磨削面
模具2 通過#600號磨石進行磨削的磨削面
模具3 通過#600號磨石進行磨削的磨削面，
并且對上述磨削面進行氣體離化團束的照射。氣體離化團束的照射條件如下 使用Ar離化團束，加速能為20keV，照射量為5.0X IO17離子/cm2。
通過頂出銷(ejectorpin)推出固化后的樹脂的一端，使樹脂部件從模具中脫模。 使用三種模具1 3，并且利用同一頂出銷推出力將其推出，分別進行50次成型，由固化 后的樹脂脫模的次數計算脫模成功率并進行比較，結果如圖4的表1所示。
另外，通過原子力顯微鏡(AFM)觀察各模具1 3的表面形狀。在圖4的表1 中示出了以80μιη見方區(qū)域和1 μ m見方區(qū)域進行評價的各模具1 3的算術平均粗糙度 Ra。在圖5A 圖5C中示出了各模具1 3的代表性的AFM圖像(80 μ m見方區(qū)域)。 此外，在圖6中示出了 AFM觀察區(qū)域尺寸( = Ra測量區(qū)域尺寸)與氣體離化團束照射前 后(照射前模具2 ；照射后模具3) Ra的比值的關系。
圖5D示出了將1 μ m見方區(qū)域的模具3表面放大為高度刻度30nm來進行觀察 的AFM圖像，可知在模具3表面存在直徑20 50nm、高度10 30nm的粒狀微細凸形 結構物。另一方面，在模具1和模具2的表面未觀察到模具3那樣的粒狀微細凸形結構 物。
[實驗2]
對于與實驗1相同類型的注塑成型用模具(材料為SKD11)的樹脂接觸面，在各 種照射條件下照射氣體離化團束，并對此時的表面結構與脫模性的關系進行研究。
作為氣體離化團束的照射條件，使用Ar離化團束，如圖7的表2所示，改變加 速能Va、照射角度Θ、照射量N。對于表2的各模具4 7，測定通過照射而形成在樹 脂接觸面上的粒狀微細凸形結構物的密度、高度、直徑以及在Iym見方區(qū)域內的算術平 均粗糙度Ra，其結果如圖8的表3所示。需要說明的是，在沒有進行照射的模具表面未 觀察到粒狀微細凸形結構物。此外，按照與實驗1同樣的方法分別對模具4 7的脫模 成功率進行研究。其結果是，未進行氣體離化團束照射的模具的脫模成功率為0%，而進行照射的模具4 7的脫模成功率為94 100%。[實驗3]使用SKDll (工具鋼)和V20 (由碳化鎢和作為粘合劑的Co形成的超硬材料)制 造與實驗1相同類型的模具，并對氣體離化團束的照射量和表面形狀變化之間的關系進 行了研究。作為氣體離化團束的照射條件，使用Ar團束以20keV的加速能對模具表面垂直 照射射線。照射量與在ι μ m見方區(qū)域評價的算術平均粗糙度Ra之間的關系如圖9所 示。需要說明的是，圖9內部的曲線圖是分別縮小對SKD11、V20的照射量范圍并進行 放大而得到的曲線圖。對于SKDll而言，照射量為2X IO16離子/cm2以上，對于V20而 言，照射量為5X IO16離子/cm2以上，分別觀察到與圖5D類似的粒狀微細凸形結構物。通過與實驗1相同的方法對這些模具照射氣體離化團束的照射量與脫模性之間 的關系進行研究。與是否存在粒狀微細凸形結構物一起將結果示于圖10的表4。[考察]基于實驗1 3的結果，對模具的表面結構與脫模阻力之間的關系進行考察。在固體表面上存在各種周期的粗糙度。例如，在連接器等電子部件用的注塑成 型用模具表面的情況下，為對模具材料本身進行切割并研磨時形成的幾十納米至微米級 別以下的表面粗糙度、加工模具形狀時由切削加工形成的幾十微米周期的工具痕。艮口， 存在周期為幾十納米到幾十微米的寬范圍周期的表面粗糙度。因此，在測定整個模具表 面的表面粗糙度時，大多在IOym見方到IOOym見方的測定區(qū)域內進行，在本實驗中是 在80 μ m見方下測定的。另一方面，對于在幾十微米周期的大的凹凸上重疊存在的細小周期的凹凸的尺 寸，由于在80 μ m見方區(qū)域中難以準確測定，因此，在本實驗中還在更小的測定區(qū)域中 進行了測定。參照實驗1時，模具2和模具3在表1所示的80 μ m見方區(qū)域內的Ra幾乎是相 同的，隨著測定區(qū)域變小，模具3的Ra與模具2的Ra相比則明顯變小(圖6)。也就是 說，照射氣體離化團束時，周期小的粗糙度比周期性的大的粗糙度減小得更快。這是因 為，可認為氣體離化團束的橫向濺射效果所涉及的范圍為幾百納米左右，反過來說，雖 然周期大的表面粗糙度不易降低，但周期小的表面粗糙度容易降低，如果僅限于IOym 見方以下的小的區(qū)域，則表面粗糙度明顯變小。在1 10 μ m見方的測定區(qū)域，模具3 的Ra大約是模具2的Ra的1/5。另外，由圖5B、5C的AFM圖像可以看出，雖然對于模具2在80 μ m見方區(qū)域 觀測到的縱條狀的研削傷痕是尖銳的，但在模具3中銳利的邊緣變鈍，變得只是隱約可 見。即，雖然難以大幅度降低大周期的凹凸的高度(因此，Ra值不會變小)，但是通過 對這些尖銳的邊緣照射氣體離化團束，可以使上述邊緣變鈍。因此，就氣體離化團束照射的特征而言，能夠減小ΙΟμιη左右以下小周期的凹 凸、以及能夠使銳利的邊緣變鈍是其重要特征。而且，在Iym見方區(qū)域對模具3的表 面進行AFM觀察時，如圖5D所示，在利用氣體離化團束而平坦化的表面觀測到具有如 下特征的表面構造，即，該表面鋪滿了大小和高度為幾十納米左右的粒狀微細凸形結構 物。下面，對于因照射氣體離化團束而引起的表面結構變化與脫模成功率之間的關系進行考察。
參照實驗1時，模具1的脫模成功率為100%，而模具2的脫模成功率為0%，完 全不能脫模。作為模具2比模具1的脫模阻力大的理由，可認為是由于在模具2的80 μ m 見方區(qū)域中測定的算術平均粗糙度Ra小于0.2 μ m,進入了彎月面起支配性作用的區(qū)域， 從而使模具表面與樹脂的粘合力增加。
另一方面，將模具2與模具3相比，模具3的脫模成功率恢復到98%。模具2 和模具3在80 μ m見方區(qū)域測定的Ra基本相同，不能僅以Ra值來說明模具3比模具2 脫模阻力變小的理由?？烧J為其理由如下。即，如果關注微峰狀的表面性質變化，則通 過氣體離化團束的照射處理而使尖銳的邊緣消失，可認為這一方面由于錨定效果和掘出 效果而使摩擦力減少，另一方面，通過在Ra為幾納米的平坦表面上形成微細的凹凸形狀 而使彎月面力減小，即使在表面粗糙度比0.2 μ m小的區(qū)域也無法使脫模阻力增加，從而 實現(xiàn)良好的脫模性。
參照實驗2時，可知實現(xiàn)良好脫模性的模具表面在1 μ m見方區(qū)域測定的算術平 均粗糙度Ra為5nm以下，并且以400個/ μ m2以上密度形成直徑10 80nm、高度10 40nm的粒狀微細凸形結構物。另外，該微細凸形結構物可以通過如下所述地照射所需的 照射量N的氣體離化團束而形成，與氣體離化團束的照射角度θ和加速能Va這樣的照射 條件無關。
參照實驗3時，發(fā)現(xiàn)如下現(xiàn)象模具表面的算術平均粗糙度Ra隨著氣體離化團 束的照射量的增加而減少，然后隨著照射量的增加而增加，并且達到恒定值。Ra增加后 達到恒定值時的照射量，即，在SKDll的情況下在2X IO"5離子/cm2的照射量時觀測到 粒狀微細凸形結構物，在V20的情況下在5X IO16離子/cm2的照射量時觀測到粒狀微細 凸形結構物；另一方面，Ra達到最小時的照射量，即，在SKDll的情況下在5X IO15離 子/cm2的照射量時沒有形成該微細凸形結構物，在V20的情況下在1 X IO16離子/cm2的 照射量時沒有形成該微細凸形結構物，因此，可認為Ra的增加依賴于是否形成該微細凸 形結構物。與沒有形成這種粒狀微細凸形結構物的模具相比，在形成有這種粒狀微細凸 形結構物的模具表面的脫模成功率明顯較高。即，通過使用算術平均粗糙度Ra隨著氣體 離化團束的照射量的增加而增加、并顯示出恒定值的區(qū)域的照射量，可以形成用于降低 脫模阻力的模具表面的微細凹凸結構。
如上所述，即使是以往的脫模阻力大時存在問題的算術平均粗糙度Ra為0.2 μ m 以下的模具表面，也可以通過在模具表面形成粒狀的微細凸形結構物來降低脫模阻力。 需要說明的是，已經以利用注塑成型用模具對樹脂進行成型時的脫模阻力為例進行了敘 述，但本發(fā)明的成型用模具中形成的表面結構是降低兩種材料接觸時的材料間粘合力的 結構，由于所述原理，即使成型材料為玻璃或金屬也可發(fā)揮同樣的效果。另外，成型方 法不只適用于注塑成型，也適用于例如納米壓印成型那樣的在樹脂或玻璃、有機薄膜等 成型材料上壓合模具(印模)而用于轉印模具形狀的成型用模具。另外，在壓制成型的 彎曲加工或倒角加工那樣的希望降低在成型材料與模具表面接觸時模具與成型材料之間 的粘合力的用途中，也可以利用本發(fā)明的成型用模具及模具表面的加工方法。
權利要求
1.一種成型用模具，其中，在測定區(qū)域10 ym見方以下測定的與成型材料接觸的模 具表面的算術平均粗糙度Ra為5nm以下，并且在所述模具表面以400個/ym2以上的密 度形成直徑10 80nm、高度10 40nm范圍的粒狀微細凸形結構物。
2.一種模具表面的加工方法，其是成型用模具中與成型材料接觸的模具表面的加工 方法，其中，在如下的照射量以上對模具表面照射氣體離化團束，所述照射量為在測 定區(qū)域10 y m見方以下測定的模具表面的算術平均粗糙度Ra與對模具表面照射的氣體離 化團束的照射量的關系中，算術平均粗糙度Ra隨著照射量的增加而減少，然后隨著照射 量的增加而增加并達到恒定值時的照射量。
3.一種模具表面的加工方法，其是成型用模具中與成型材料接觸的模具表面的加 工方法，其中，通過在如下的照射量以上對模具表面照射氣體離化團束，使在測定區(qū)域 10 um見方以下測定的模具表面的算術平均粗糙度Ra為5nm以下，并且在所述模具表面 以400個/ii m2以上的密度形成直徑10 80nm、高度10 40nm范圍的粒狀微細凸形 結構物，所述照射量為在測定區(qū)域10 ym見方以下測定的模具表面的算術平均粗糙度 Ra與對模具表面照射的氣體離化團束的照射量的關系中，算術平均粗糙度Ra隨著照射量 的增加而減少，然后隨著照射量的增加而增加并達到恒定值時的照射量。
全文摘要
本發(fā)明提供一種不會對微細成型品的尺寸精度帶來影響且可以大幅度降低脫模阻力的成型用模具和該模具表面的加工方法。在所述成型用模具中，在測定區(qū)域10μm見方以下測定的與成型材料接觸的模具表面的算術平均粗糙度Ra為5nm以下，并且在所述模具表面以400個/μm2以上的密度形成直徑10～80nm、高度10～40nm范圍的粒狀微細凸形結構物。這樣，不僅可減小由于錨定效果和掘出而產生的摩擦力，并且還可以同時降低由于彎月面而產生的粘合力。
文檔編號B29C45/37GK102019673SQ20101027781
公開日2011年4月20日 申請日期2010年9月8日 優(yōu)先權日2009年9月18日
發(fā)明者佐藤明伸, 河野健司, 鈴木晃子 申請人:日本航空電子工業(yè)株式會社