(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面が樹脂と接する樹脂成形装置用部材であって、その金属製母材の少なくとも樹脂と接する表面に、元素周期律表の４Ａ族、５Ａ族、６Ａ族元素の窒化物、炭化物、炭窒化物のうちの少なくとも１種からなる単層の又は該単層を積層した硬質被膜を有しており、該硬質被膜の表面がフッ素のみ又はフッ素と炭素の両方をイオン注入した表面改質層であることを特徴とする樹脂成形装置用部材。
【請求項２】
前記硬質被膜が、チタン又はクロムの窒化物、炭化物、炭窒化物のうちの少なくとも１種からなる単層の又は該単層を積層した硬質被膜であることを特徴とする、請求項１に記載の樹脂成形装置用部材。
【請求項３】
表面が樹脂と接する樹脂成形装置用部材の製造方法であって、その金属製母材の少なくとも樹脂と接する表面に、元素周期律表の４Ａ族、５Ａ族、６Ａ族元素の窒化物、炭化物、炭窒化物のうちの少なくとも１種からなる単層の又は該単層を積層した硬質被膜を形成した後、該硬質被膜の表面にフッ素のみ又はフッ素と炭素の両方をイオン注入することを特徴とする樹脂成形装置用部材の製造方法。
【請求項４】
前記硬質被膜として、チタン又はクロムの窒化物、炭化物、炭窒化物のうちの少なくとも１種からなる単層の又は該単層を積層した硬質被膜を形成することを特徴とする、請求項３に記載の樹脂成形装置用部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、樹脂成形に用いられる成形金型及び成形装置のうちの樹脂と接する部品に関するものであり、特に耐摩耗性と離型性に優れた樹脂成形装置用部材及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
集積回路（ＩＣ）などの半導体素子を樹脂材料にて封止成形する場合や、樹脂製の光学素子を製造する際には、樹脂成形用の金型を用いた射出成形装置などにより成形が行われている。しかし、かかる樹脂成形においては、金型や成形装置の樹脂と接する表面に樹脂が付着しやすく、その離型性を改善することが望まれていた。
【０００３】
従来から、樹脂と接触する金型若しくは成形装置部品の表面の離型性を改善する方法として、離型剤などの非粘着物質を金型などの表面に塗布する方法か、又は非粘着層を金型表面に設ける方法が一般的に採用されている。
【０００４】
例えば、特開昭６０−７３８１６号公報には、フッ素などのハロゲン元素を含んだ離型剤を金型表面に塗布する方法が提案されている。また、特開昭６１−１６８２３号公報には、フッ素樹脂又はシリコーン樹脂を金型表面に被着する方法が開示されている。しかしながら、これらの方法は、いずれも有機物からなる離型層を金型表面に形成する方法であるため、離型層が耐摩耗性に劣り、早期にその効果が失われるという欠点があった。
【０００５】
また、特開平６−１７９２１８号公報では、炭素鋼、高速度工具鋼、合金工具鋼、超硬合金、ステンレス鋼などから構成された炭素を含有する金型の表面に、フッ素又はニッケルのイオンを注入することにより、離型性を向上させる方法が提案されている。しかし、この方法においても、離型性の向上は実現できるが、金型表面の耐摩耗性は何ら向上されない。
【０００６】
更に、特開平９−２９０４２３号公報には、表面がフッ素を含有するグラファイトの層間化合物で被覆された金型が提案されている。この金型の製造方法として、鉄やクロムなどを主成分とするＳＵＳ系鋼材又は亜鉛などの非鉄金属材料などからなる金型母材の表面に、炭素薄膜を形成した後、フッ素などのハロゲンイオンをイオン注入するか、又は炭素イオン注入とハロゲンイオン注入を併用する方法が開示されている。しかしながら、この方法もまた、離型性の向上は達成されるものの、耐摩耗性の向上には何ら効果が認められなかった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来提案された金型の離型性を向上させる方法では、いずれも離型層が低硬度材料であって、金型使用中における傷の発生を抑制するような耐摩耗性に乏しいという共通の欠点があった。従って、使用開始当初には離型性向上の効果が得られても、使用回数が増えるに伴って軟質な離型層が徐々に剥がれ落ち、次第にその効果が失われるのである。
【０００８】
特に半導体素子の封止成形を行う場合、樹脂中に添加されたフィラーと呼ばれる各種硬質微粉末と擦れあうことによって、金型表面の摩耗が一層顕著に起こりやすいため、離型層の効果も早期に失われていた。このため、半導体素子の樹脂封止の分野においては、特に離型性と同時に耐摩耗性にも優れた金型の開発が望まれていた。
【０００９】
本発明は、このような従来の事情に鑑み、優れた離型性を備えると同時に耐摩耗性にも優れ、その離型性を長期間にわたって維持できる金型などの樹脂成形装置用部材を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を達成するための手段】
上記目的を達成するため、本発明が提供する樹脂成形装置用部材は、表面が樹脂と接する金型その他の樹脂成形装置用部材であって、その金属製母材の少なくとも樹脂と接する表面に、元素周期律表の４Ａ族、５Ａ族、６Ａ族元素の窒化物、炭化物、炭窒化物のうちの少なくとも１種からなる単層の又は該単層を積層した硬質被膜を有しており、該硬質被膜の表面がフッ素のみ又はフッ素と炭素の両方をイオン注入した表面改質層であることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の上記樹脂成形装置用部材の製造方法は、その金属製母材の少なくとも樹脂と接する表面に、元素周期律表の４Ａ族、５Ａ族、６Ａ族元素の窒化物、炭化物、炭窒化物のうちの少なくとも１種からなる単層の又は該単層を積層した硬質被膜を形成した後、該硬質被膜の表面にフッ素のみ又はフッ素と炭素の両方をイオン注入することを特徴とする。
【００１２】
尚、本発明において、樹脂成形装置用部材とは、樹脂成形装置に用いる全ての金属製の部材であって、金型、射出ノズルなどを含む意味で使用する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
樹脂に対する粘着性が低く、樹脂成形金型や成形装置部品の表面に形成する非粘着性の離型層として、炭素とフッ素を主成分とする化合物、例えばフッ化グラファイトやポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などが知られている。しかしながら、これらの炭素−フッ素系化合物はいずれも材料としての硬度が低く、耐摩耗性に劣っている。従って、これらの炭素−フッ素系化合物を、そのまま離型層として金型などの表面に形成しても、長期間にわたる離型効果が得られないことは既に述べた通りである。
【００１４】
そこで本発明においては、樹脂成形装置用部材を構成する金属製母材の少なくとも樹脂と接する表面に、まず最初に、元素周期律表の４Ａ族、５Ａ族、６Ａ族元素の窒化物、炭化物、炭窒化物のうちの少なくとも１種からなる単層の又は該単層を積層した硬質被膜を形成する。その後、この硬質被膜の表面にフッ素のみ又はフッ素と炭素の両方をイオン注入することにより、内部にフッ素又はフッ化グラファイトなどの炭素−フッ素系化合物を分散させ、耐摩耗性を有する硬質被膜の表面に離型性に優れた表面改質層を形成する。
【００１５】
上記硬質被膜は、４Ａ族、５Ａ族、６Ａ族元素の窒化物、炭化物、又は炭窒化物の単独又はこれらの２種以上で構成される層からなり、また単層であっても、単層を２以上積層したものであってもよい。４Ａ族、５Ａ族、及び６Ａ族元素の中では、価格などの面からチタンやクロムが好ましい。尚、これらの硬質被膜の形成方法としては、熱ＣＶＤ法やプラズマＣＶＤ法のようなＣＶＤ法、又はスパッタリング法やイオンプレーティング法などのＰＶＤ法など、公知の方法により行うことができる。
【００１６】
元素周期律表の４Ａ族、５Ａ族、６Ａ族元素の窒化物、炭化物、炭窒化物は、いずれも硬度がビッカース硬度で１０００ｋｇ／ｍｍ2以上あり、それら自身が優れた耐摩耗性を有していることが知られている。また、これらの化合物からなる硬質被膜の膜厚としては、十分な耐摩耗性を得るために０.５μｍ以上必要であるが、３０μｍを越えて厚く形成しても耐摩耗性の更なる向上が得られないので、０.５〜３０μｍの範囲とすることが好ましい。
【００１７】
このような耐摩耗性を有する硬質被膜は、その表面にフッ素のイオンのみ又はフッ素と炭素の両方のイオンを注入することにより、フッ素あるいはＰＴＦＥやフッ化グラファイトなどの離型性付与物質が表面内部に分散された形で形成される。このような離型性付与物質が分散した表面改質層を有する硬質被膜は、優れた耐摩耗性と離型性を同時に実現することができ、長期にわたって安定した樹脂成形を可能とするものである。
【００１８】
【実施例】
実施例１
高速度鋼ＳＫＨ５１からなる樹脂封止成形用金型の入れ子として、外形寸法が縦３０ｍｍ×横３０ｍｍ×厚み１０ｍｍで、３０ｍｍ×３０ｍｍの表面に１５ｍｍ×１５ｍｍ×深さ４ｍｍの凹部を放電加工により形成した入り子（抜きテーパー角度１０°）を１６個用意した。これらの入れ子の幾つかについて、下記表１に示す表面処理を施して、単層又は積層の硬質被膜の形成及び／又はイオン注入を行った。尚、形成した硬質被膜の膜厚はいずれも約２μｍに統一した。
【００１９】
【表１】
(１) 炭窒化チタン(ＴｉＣＮ)の単層硬質被膜
四塩化チタンと、メタンガス、窒素ガス、水素ガスを原料として、熱ＣＶＤ法により形成
(２) 炭化バナジウム(ＶＣ)の単層硬質被膜
金属バナジウムとメタンガスを原料として、スパッタイオンプレーティング法により形成
(３) 窒化クロム(ＣｒＮ)の単層硬質被膜
金属クロムと窒素ガスを原料として、アークイオンプレーティング法により形成
(４) 炭化ジルコニウム(ＺｒＣ)の単層硬質被膜
金属ジルコニウムとメタンガスを原料として、アークイオンプレーティング法により形成
(５) 窒化ニオブ(ＮｂＮ)の単層硬質被膜
金属ニオブと窒素ガスを原料として、スパッタイオンプレーティング法により形成
(６) 炭化モリブデン(ＭｏＣ)の単層硬質被膜
モリブデンのカルボニル化合物を原料として、熱ＣＶＤ法により形成
(７) 炭窒化ハフニウム(ＨｆＣＮ)の単層硬質被膜
金属ハフニウムと、メタンガス、窒素ガスを原料として、アークイオンプレーティング法により形成
(８) 窒化タンタル(ＴａＮ)の単層硬質被膜
金属タンタルと窒素ガスを原料として、スパッタイオンプレーティング法により形成
(９) 炭化タングステン(ＷＣ)の単層硬質被膜
六フッ化タングステンと、水素ガス、ベンゼンガスを原料として、熱ＣＶＤ法により形成
(１０) 炭窒化チタン(ＴｉＣＮ)と窒化クロム(ＣｒＮ)の積層硬質被膜
金属チタンと金属クロム、窒素ガス、メタンガスを原料として、アークイオンプレーティング法により、層厚０.５μｍの窒化クロム層と層厚０.５μｍの炭窒化チタン層とを交互に２回ずつ積層して形成
(１１) 炭化タングステン(ＷＣ)と窒化チタン(ＴｉＮ)の積層硬質被膜
炭化タングステンと金属チタン、窒素ガスを原料として、スパッタイオンプレーティング法により、層厚０.３μｍの窒化チタン層と層厚０.２μｍの炭窒化チタン層とを交互に４回ずつ積層して形成
(１２) フッ素(Ｆ)のイオン注入
質量分離したフッ素の一価の正イオンを、イオン加速エネルギー７０ｋｅＶ、注入量２×１０17ｉｏｎｓ／ｃｍ2で注入
(１３) フッ素(Ｆ)の多重イオン注入
質量分離したフッ素の一価の正イオンを、イオン加速エネルギー８０ｋｅＶ、注入量１.７×１０17ｉｏｎｓ／ｃｍ2で注入した後、イオン加速エネルギー３５ｋｅＶ、注入量２.５×１０16ｉｏｎｓ／ｃｍ2として注入
(１４) 炭素(Ｃ)のイオン注入
質量分離した炭素の一価の正イオンを、イオン加速エネルギー５０ｋｅＶ、注入量２.５×１０17ｉｏｎｓ／ｃｍ2で注入
(１５) 炭素(Ｃ)の多重イオン注入
質量分離した炭素の一価の正イオンを、イオン加速エネルギー５０ｋｅＶ、注入量１.９×１０17ｉｏｎｓ／ｃｍ2で注入した後、イオン加速エネルギー１８ｋｅＶ、注入量２.３×１０16ｉｏｎｓ／ｃｍ2として注入
【００２０】
下記表２に示すように上記表１の各表面処理を組み合わせて施した入れ子、及び全く表面処理を施していない入れ子について、射出成型機を用い、２酸化ケイ素フイラーを約８０重量％含有する熱硬化性エポキシ樹脂による射出成型を実施した。他に離型剤を施すことなく、連続的に射出成形を行い、離型不良が発生した時点での成形回数を表２に併せて示した。
【００２１】
【表２】
0003837928.tif 000002
【００２２】
上記の結果から分かるように、本発明における各試料においては、優れた耐摩耗性と離型性が同時に達成されているため、いずれも１７〜２５万ショットの長期間にわたって安定した樹脂成形が実施できた。しかし、比較例の各試料では、初期のみ離型性の向上は認められたものの、１万回未満の極めて少ないショット数でその効果が失われ、離型不良が発生した。
【００２３】
実施例２
光学素子成形用の金型として、析出硬化型ステンレス鋼からなる凹面形状の金型４個を用意し、前記実施例１における試料１、１０、１２、１５と同様の表面処理を施した後、アクリル樹脂にて射出成型を行った。離型不良が発生した時点での成形回数を、下記表３に示した。
【００２４】
【表３】
0003837928.tif 000003
【００２５】
この結果から分かるように、本発明の各試料では、いずれも優れた耐摩耗性と離型性が同時に達成されているため、極めて長期間にわたって安定した樹脂成形を行うことができた。他方、比較例の各試料においては、初期のみ離型性向上が認められたものの、１万回未満の極めて少ないショット数でその効果が失われ、離型不良が発生した。
【００２６】
【発明の効果】
本発明によれば、樹脂成形において問題となっていた金型などの部材の離型性が向上するのみならず、優れた耐摩耗性を兼ね備えることによって、その離型性が長期間にわたって維持されれるため、樹脂成形加工における生産性を大幅に向上させることができる。