JP2003062683A - 硬質材料の加工方法および同方法により加工された硬質材料部品 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 焼結された立方晶窒化硼素多結晶体や、ダイ
ヤモンド多結晶体等を、高速・低コストで加工面の品質
を高く保ち、多様な加工面を得ることができる硬質材料
のレーザー加工方法を提供する。 【解決手段】 超高硬度材料１の切断加工時に、加工部
分近傍に冷却水３を噴射することにより加工時の熱によ
る損傷を防ぎ、同時に良好な加工面が得られ、加工面の
テーバーも小さく押えることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は立方晶窒化硼素（以
下ｃＢＮという）、ダイヤモンドおよびセラミックス
等、高硬度物質の多結晶体を加工し、切削加工用工具や
ヒートシンク等に用いられる部材の形状を作製する方法
およびその部材に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ｃＢＮ焼結体、ダイヤモンド焼結体、気
相合成法により生成した多結晶ダイヤモンド（以下気相
合成ダイヤモンドという）、工業用セラミックスは、そ
れぞれの持つ、優れた物理的特性を利用して広く工業製
品を構成する部材として利用されている。

【０００３】超高圧・高温下で焼結されたｃＢＮ焼結体
やダイヤモンド焼結体は高硬度、高耐磨耗性を利用し
て、種々の切削工具や線引きダイスなどの耐摩工具を製
造する素材として使用されている。また、一部のｃＢＮ
焼結体は高熱伝導率を利用して半導体素子搭載用のヒー
トシンク用素材として使用されている。これらの焼結体
は、超高圧・高温下で焼結する際、通常、直径２５ｍｍ
以上の円板状で焼結される。製品用部材を作製する場
合、この円板から１辺数ｍｍ程度の多角形体を切り出し
て使用する。

【０００４】気相合成ダイヤモンドは高耐磨耗性、高熱
伝導率を利用して半導体熱圧着工具に、また、高熱伝導
率を利用して半導体素子搭載用ヒートシンクとして利用
されている。気相合成ダイヤモンドは通常、数ｃｍ×数
ｃｍの基材の表面に合成され、同じく数ｍｍ程度の製品
形状に成型加工して使用する。

【０００５】セラミックスは高硬度を利用して切削工具
に、高耐磨耗性を利用して耐摩工具に、また、高電気絶
縁性を利用して半導体素子搭載用パッケージ材料として
使用する。セラミックスの場合も種々の形状に焼結の
後、製品もしくは部品形状に成形して使用する。

【０００６】これら素材はいずれも硬度が非常に高いた
め、切断、成形といった加工においては、それぞれの特
性に合った加工方法が採用されている。ｃＢＮ焼結体や
ダイヤモンド焼結体では、その結合材のもつ電気伝導性
を利用して、ワイヤー放電加工が行われている。気相合
成ダイヤモンドの場合は、結合材を持たず導電性が低い
ため放電加工は適用できず、ＹＡＧレーザーによる加工
が行われている。セラミックスでは、被加工部材よりも
高硬度の砥粒を内包した回転刃によるダイシング加工が
行われている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ワイヤー放電加工は、
主に金属材料の切断加工に使用されており、異型の貫通
孔や２次元的屈曲面を容易に加工できる。ｃＢＮ焼結体
やダイヤモンド焼結体は結合材として導電性の金属成分
を含んでいるため放電加工が可能であり、従来、これら
の切断加工には主としてワイヤー放電加工が用いられて
きた。しかしながら、同焼結体群は素材内部に電気絶縁
性のｃＢＮ結晶粒子やダイヤモンド結晶粒子を含有する
ためこれらの部分では放電が起こらず、加工速度は通常
の金属をワイヤー放電加工する場合に比べて非常に遅
い。例えば厚さ４ｍｍのダイヤモンド焼結体を切断する
場合の切断速度は１ｍｍ／分程度である。また、加工時
には常に放電電極としてのワイヤーを連続的に供給する
必要があるため、加工費用を低く抑えることが難しい。
さらに、加工部分が被加工材を貫通するワイヤーの被加
工材との接触部分全体で起こるため、溝形状や非貫通孔
の加工には適用できない。

【０００８】ＹＡＧレーザー加工は、主にセラミックス
や薄い金属箔の切断加工や一部電子回路のトリミング、
部材表面への印字加工などに使用されている。上記のワ
イヤー放電加工のように被加工部材の導電性の有無を問
わないので、導電性を有しない気相合成ダイヤモンドの
加工にも用いることができる。しかしながら通常のＹＡ
Ｇレーザー加工は大気中で行われるため、第１に被加工
材に熱損傷を与える、第２に表面が金属で覆われている
場合には金属部分の変性を起こし、例えば、酸化物など
が残る、第３に局部的な加熱による温度差でチッピング
や割れを誘発するといった問題点がある。また、熱変性
により固形物が発生する被加工材の場合は加工溝に同固
形物が堆積し、以後の加工の進捗を妨げるといった問題
がある。さらに従来のレーザー加工では、レーザーの光
学的集光のためレーザーの入射側の加工幅が大きく出射
側の加工幅が小さくなる。従って、切断断面が台形とな
り、切断後の部材の側面にテーパーがついてしまうとい
う問題が避けられない。また、従来のレーザー加工では
光学系の焦点近傍でしか加工ができないため、加工の深
さ方向の進捗に合わせて、被加工物をレーザー光の光軸
の垂直方向に移動させる必要がある。

【０００９】ダイシング加工は、半導体素子のウエハか
らの切断や半導体素子搭載用セラミック部品の切断加工
に使用されているが、チッピングやバリが発生しやす
い、切断前の被加工材の固定、切断後の取り外しに手間
がかかる、穴あけ、曲線加工が不可能といった問題があ
る。

【００１０】一方レーザー加工による加工方法として、
特開２００１−１３８０８１号公報に、冷却を行いなが
らレーザー切断をする方法が開示されている。この公報
では、同方法により皮革製品のレーザー加工をすると、
焦げ付きのない切断面が得られることが示されている。
また、同じく、冷却を行いながら加工を進めるレーザー
メスとして、特開平７−９１８５号公報に水冷しながら
手術する方法が開示されている。

【００１１】本発明者達は、この技術を用いて超高圧製
品やセラミックなどを切断してみたが、満足できる結果
は得られなかった。その理由は、概略以下の通りであ
る。先ず、焼結された立方晶窒化硼素多結晶体や焼結さ
れたダイヤモンド多結晶体ではその使用目的からして、
２から５ｍｍ程度の切断能力が必要である。また、超高
圧焼結体は一般的に熱伝導率が高く、十分な出力を持つ
レーザーでないと加熱部が加熱されなかった。さらに
は、レーザー切断された面の仕上げがよいことがことの
ほか重要である。即ち硬度が高いので、レーザー加工後
のさらなる加工は大変加工費が高くなり、望ましいもの
ではない。したがってレーザー切断といえども、熱損傷
幅が小さく且つ被加工部分の加工側面の傾きがレーザー
光の光軸方向に対して１゜以下であることが重要であ
る。

【００１２】本発明は上記従来技術の問題点を解決し、
被加工材の種類を問わず、高速・低コストで加工面品質
がよく、多様な加工面を得ることができる硬質材料の加
工方法を提供することを課題とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明者らは上述の課題
を克服すべく、種々の加工方法を検討した。その結果、
レーザー光を照射し加工すると同時に、加工面近傍に冷
却用液体を吹き付けることによって加工時の熱による損
傷が抑制でき、また、良好な加工面が得られることを見
いだした。

【００１４】被加工材がｃＢＮ焼結体およびダイヤモン
ド焼結体の場合、従来の方法により大気中でレーザー加
工を行うと加工に伴って発生する熱により加工部近傍の
温度が上昇し、ｃＢＮ焼結体の場合は結合材部が、ダイ
ヤモンド焼結体の場合はダイヤモンド結晶粒が熱的変性
を受け、機械的強度が劣化する。その範囲はレーザー加
工面から奥へ２００μｍにも及ぶ。しかしながら本発明
の方法によれば、加工時に発生した熱は速やかに冷却用
液体によって除去され、熱的変性を受ける部分を２０〜
４０μｍ程度に抑えることができる。

【００１５】被加工材が気相合成ダイヤモンドやセラミ
ックスの場合、従来の方法により大気中でレーザー加工
を行うと加工に伴って発生する熱により被加工材に熱的
歪が発生し、加工精度が低下したり、熱応力により割れ
やチッピングが発生する場合がある。しかしながら本発
明の方法によれば、加工時に発生した熱は速やかに冷却
用液体によって除去され、高い加工精度が得られ、また
割れやチッピングの発生を抑えることができる。さら
に、被加工材が気相合成ダイヤモンドとセラミックスの
複合材料の場合、本発明による熱応力の低減効果が顕著
に現れる。

【００１６】レーザー光源としては微細加工用レーザー
として工業的に一般的に使用されている波長１０６４Å
のＹＡＧレーザーを使用するのが最も効果的である。さ
らに、これらの高調波ＹＡＧレーザーを使用することも
できる。また、同波長に近い発振光をもつ半導体レーザ
ーも使用できるが、ＹＡＧレーザーの方がレーザー光の
性状や集光性がより優れている。

【００１７】冷却用液体としては、比熱が大きく冷却能
の高い水を使用するのが最も効率的でありまた費用も低
く抑えることができる。また、加工装置の維持管理の観
点から、水に防錆剤を添加したり、加工装置にフィルタ
ーおよびイオン交換装置を装着して水質の維持を図るこ
とも効果的である。

【００１８】冷却用液体は吐出用ポンプ等によって加圧
し、吐出ノズル等の先端から口径を絞って水柱状に加工
部分へ供給することが本発明の主要目的である冷却の効
率を高める上で最も好ましい。冷却用液体の供給は、加
工の進展に伴い、被加工材の加工経路にしたがってレー
ザー光と同期して走査させる。冷却用液体の吐出圧力は
１ＭＰａ以上１００ＭＰａ以下であることが望ましい。
１ＭＰａ未満の水圧では十分な冷却効果が得られず、１
００ＭＰａを超えるとそれ以上冷却能力の向上は期待で
きず、また、吐出用ポンプや吐出ノズルの寿命が低下す
る。

【００１９】さらに、本発明の方法による加工では、特
に切断加工を実施する場合に、すでに加工された溝部分
に水が充填されこれがレーザー光の導光路として機能
し、溝の底部に集中的にレーザー光を照射することにな
るので、大きな加工深さまでほぼ同じ溝幅の加工が可能
になる。同時に上記導光路の働きにより、加工溝が深く
なってもレーザー光が導光路に閉じ込められ光束が広が
らないので加工の進展にあわせて被加工物をレーザー光
の光軸方向に移動させる必要がない。さらに加工時に生
じるジェット噴流によって被加工材の熱変性物が加工溝
中から除去され、それ以上の加工が妨げられることがな
いという効果も得られる。また、加工条件の調整により
加工の深さを被加工材の厚さ以下でとめることにより、
部分的な段加工や非貫通孔の作成を容易に行うことがで
きる。

【００２０】本発明の方法による加工の条件について
は、使用するレーザー光源、被加工材の種類、表面状態
などによって影響を受ける。レーザー光の出力としては
２Ｗ以上１０００Ｗ以下の出力を使用するのが好まし
い。２Ｗ未満では充分な加工速度が得られず、１０００
Ｗを超えると本発明の方法においても充分な冷却効果を
得ることができない。さらに好ましくは、加工速度と加
工面の品質の両立という観点から、１０〜３００Ｗの出
力を採用できる。レーザー光と冷却用液体の走査速度は
１ｍｍ／分以上１５００ｍｍ／分以下であることが好ま
しい。１ｍｍ／分未満では本発明が解決しようとしてい
る課題である高い加工速度が得られない。また、１５０
０ｍｍ／分を超えると本発明が解決しようとしている課
題である高い加工精度が得られない。さらに好ましく
は、被加工材がｃＢＮ焼結体の場合は３００ｍｍ／分以
上６００ｍｍ／分以下の範囲、被加工材がダイヤモンド
焼結体の場合は、８００ｍｍ／分以上１０００ｍｍ／分
以下の範囲が良好な加工結果をもたらす。気相合成ダイ
ヤモンドおよびセラミックスの場合は、１ｍｍ／分以
上、５０ｍｍ／分以下の範囲が良好な加工結果を得られ
る。

【００２１】本発明の方法を使用して製造できる部材と
しては、ｃＢＮ焼結体およびダイヤモンド焼結体では、
切削工具、耐摩工具等、気相合成ダイヤモンドでは、切
削工具、耐摩工具、放熱基板等、セラミックスでは切削
工具、耐摩工具、半導体搭載用基板等をあげることがで
きる。さらに、本発明の方法を使用して、気相合成ダイ
ヤモンドとｃＢＮ焼結体、ダイヤモンド焼結体、セラミ
ックスおよびその他の材料を組み合わせた複合材料で
は、切削工具、耐摩工具、放熱基板、半導体実装工具な
どを製造することができる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明に基づいた実施の形
態を図を参照して説明するが、この図はあくまでも本発
明の概念を示す図であり、本発明の技術的範囲は図の形
態に限定されるものではない。

【００２３】図１および２において、１は加工対象物で
あり、本発明の場合、ｃＢＮ焼結体、ダイヤモンド焼結
体、気相合成ダイヤモンド、セラミックス、これらの複
合材料などである。２はレーザー光であり、３は冷却用
液体の噴流、４は吐出用ポンプに接続された吐出ノズル
を示す。冷却液の噴流は図１のように１本でもよいが、
図２に示すようにレーザー光を取り囲むように複数本を
配することによりさらに冷却効果が高まる。また、冷却
液噴流の位置はレーザー光に対して固定でもよいが、レ
ーザー光を中心にして冷却液が取り囲むようにノズルを
回転させても良い。

【００２４】

【実施例】次に本発明の詳細を実施例により説明するが
限定を意図するものではない。

【００２５】

【実施例１】超高圧・高温下で焼結された、３０〜８０
体積％のｃＢＮと残部がＴｉＮ、ＡｌＮなどのセラミッ
クス結合相からなる、ｃＢＮ焼結体を出力３００Ｗのフ
ラッシュランプ励起型Ｎｄ−ＹＡＧレーザーを用いて、
周波数３００Ｈｚ、冷却水ノズル径１００μｍにて、冷
却水を切断部に注入しながら、ＹＡＧレーザーと同期し
て移動させ、切断加工を行った。

【００２６】直径５０ｍｍ、厚み３．２ｍｍのｃＢＮ焼
結体から一辺が１３ｍｍの正方形を格子状に切り出す加
工を種々の条件で行った。加工条件と加工速度、熱損傷
の度合いを表１に示す。なお、表１に記載した、実加工
速度とは、走査速度をパス数で除算することによって得
られる値で、レーザーの走査１パスでの切断に換算した
場合の切断速度を示し、この値が大きいほど加工速度は
早くなる。

【００２７】本発明の方法により、比較として実施した
従来の冷却をしないレーザー加工方法とほぼ同じ加工速
度で、熱損傷幅が約１／３の切断加工を実施することが
できた。なお、被加工部分の加工側面とレーザー光の光
軸とのなす角度は、０．６°であった。レーザーの入射
側の巾が広くなっていた。

【００２８】

【表１】加工条件と加工結果

【００２９】

【実施例２】超高圧・高温下で焼結された９０体積％の
ダイヤモンドを含み、金属結合相がＣｏからなるダイヤ
モンド焼結体を出力３００Ｗのフラッシュランプ励起型
Ｎｄ−ＹＡＧレーザーを用いて、周波数４００Ｈｚ、冷
却水ノズル径１００μｍにて、冷却水を切断部に注入し
ながら、ＹＡＧレーザーと同期して移動させ、切断加工
を行った。

【００３０】直径５０ｍｍ、厚み３．２ｍｍのダイヤモ
ンド焼結体から一辺が１３ｍｍの正方形を格子状に５個
切り出す加工を種々の条件で行った。加工条件と加工速
度、熱損傷の度合いを表２に示す。

【００３１】本発明の方法により、比較として実施した
従来の冷却をしないレーザー加工方法の約７割の加工速
度で、熱損傷幅が約１／３の切断加工を実施することが
できた。なお、被加工部分の加工側面とレーザー光の光
軸とのなす角度は、０．４°であった。

【００３２】

【表２】加工条件と加工結果

【００３３】

【実施例３】熱フィラメントCVD法により作製されたダ
イヤモンド多結晶体を出力３００Ｗのフラッシュランプ
励起型Ｎｄ−ＹＡＧレーザーを用いて、周波数１ｋＨ
ｚ、冷却水ノズル径７５μｍにて、冷却水を切断部に注
入しながら、ＹＡＧレーザーと同期して移動させ、切断
加工を行った。

【００３４】５０ｍｍ×５０ｍｍ、厚み０．４ｍｍのダ
イヤモンド多結晶体から一辺が５ｍｍの正方形を格子状
に切り出す加工を種々の条件で行った。加工条件と加工
速度、熱損傷の度合いを表３に示す。

【００３５】本発明の方法により、比較として実施した
従来の冷却をしないレーザー加工方法の約６割の加工速
度で、熱損傷幅が約１／３の切断加工を実施することが
できた。さらにこの場合の加工側面のアスペクト比
（（レーザー光入射側の溝幅−レーザー光出射側の溝
幅）÷被加工材の厚さ）は０．０１と従来の冷却を行わ
ないレーザー加工の５分の１であった。なお、被加工部
分の加工側面とレーザー光の光軸とのなす角度は、０．
４°であった。

【００３６】

【表３】加工条件と加工結果

【００３７】

【実施例４】常圧焼結法を用いて作製されたＡｌＮ多結
晶体およびＳｉＣ多結晶体を５０ＷのＹＡＧレーザーを
用いて切断加工を行った。

【００３８】２００ｍｍ×２００ｍｍ、厚み０．５ｍｍ
のＡｌＮ焼結体から、および１００ｍｍ×１００ｍｍ、
厚さ０．５ｍｍのＳｉＣ焼結体から各辺が２ｍｍおよび
１ｍｍの長方形を格子状に切り出す加工を種々の条件で
行った。加工条件と加工速度、熱損傷の度合いを表４に
示す。

【００３９】本発明の方法により、比較として実施した
従来の冷却をしないレーザー加工方法の約８割の加工速
度で切断加工を実施することができた。さらにこの場合
の加工側面のアスペクト比（（レーザー光入射側の溝幅
−レーザー光出射側の溝幅）÷被加工材の厚さ）は０．
０１と従来の冷却を行わないレーザー加工の５分の１で
あった。また、比較として実施した従来の冷却をしない
レーザー加工方法では、いずれのセラミックスの場合も
加工時の熱変性物が加工溝内に堆積し、単位時間あたり
の加工速度が加工の進捗と共に低下していた。同熱変性
物を機械的に除去することによって初期の加工速度に回
復することができるが、総加工時間としては非常に長く
なり、現実的な加工方法とは言いがたい。

【００４０】

【表４】加工条件と加工結果

【００４１】

【実施例５】超高圧・高温下で焼結された体積で８５％
のｃＢＮ、６％のＡｌＮ、６％のＡｌＢ２、及び残部が
Ｃ、Ｏ、Ｓｉ、Ｗ、鉄族金属からなるｃＢＮ焼結体を出
力１５Ｗの各種ＬＤ励起ＵＶレーザー（Ｎｄ−ＹＡＧ）
を用いて、周波数１ｋＨｚ、ノズル径７５μｍにて切断
加工を行った。

【００４２】直径５０ｍｍ、厚み４．８ｍｍのｃＢＮ焼
結体から一辺が１３ｍｍの正方形を格子状に切り出す加
工を種々の条件で行った。加工条件と加工速度、熱損傷
の度合いを表１に示す。この実施例は、２次、３次、４
次の高調波ＹＡＧレーザーによる切断と、基本波による
切断とを比較した例を示す。これらの結果は、高調波を
使用した方が実加工速度が高くなった。

【００４３】

【表５】加工条件と加工結果 ※No.１及び、比較例２は、フラッシュランプ励起の円
柱状Ｎｄ−ＹＡＧレーザー、比較例１はスラブ型ＹＡＧ
レーザーを用いた

【００４４】

【発明の効果】以上のように、本発明にかかる切断加工
方法によりｃＢＮ焼結体やダイヤモンド焼結体、気相合
成ダイヤモンド、セラミックスおよびそれらの複合体と
いった硬質材料の加工において、高速で、加工による損
傷が少なく、種々の加工形状に対応可能な加工方法を提
供でき、工業的に有用な効果がもたらされる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わるレーザー加工方法の１例を示
す。

【図２】本発明に係わるレーザー加工方法の別の実施例
を示す。

【符号の説明】

１ 被加工材 ２ レーザー光 ３ 冷却用液体 ４ 冷却用液体吐出ノズル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 後藤 光宏 兵庫県伊丹市昆陽北一丁目１番１号 住友 電気工業株式会社伊丹製作所内 (72)発明者 中井 哲男 兵庫県伊丹市昆陽北一丁目１番１号 住友 電気工業株式会社伊丹製作所内 Ｆターム(参考） 4E068 AE01 CA01 CA02 CB06 CH05 CH08 CJ07 DB11 DB12

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 非金属高硬度材料の板状素材をレーザー
   光により切断する方法において、レーザー光が照射され
   ている加工部近傍に冷却用液体を吹き付けることによ
   り、素材の冷却と同時に加工を行うことを特徴とする硬
   質材料の加工方法。
2. 【請求項２】 非金属高硬度材料が超高圧・高温下で焼
   結された立方晶窒化硼素多結晶体であることを特徴とす
   る請求項１に記載の加工方法。
3. 【請求項３】 非金属高硬度材料が超高圧・高温下で焼
   結されたダイヤモンド多結晶体であることを特徴とする
   請求項１に記載の加工方法。
4. 【請求項４】 非金属高硬度材料が気相合成法により作
   製された多結晶ダイヤモンドであることを特徴とする請
   求項１に記載の加工方法。
5. 【請求項５】 請求項１ないし４記載の加工方法におい
   て、使用するレーザーがＹＡＧレーザー、もしくは半導
   体レーザーであることを特徴とする硬質材料の加工方
   法。
6. 【請求項６】 請求項１ないし５記載の加工方法におい
   て、使用するレーザーが高調波ＹＡＧレーザーであるこ
   とを特徴とする硬質材料の加工方法。
7. 【請求項７】 請求項１ないし６記載の加工方法におい
   て、レーザー光の照射出力が２Ｗ以上１０００Ｗ以下で
   あることを特徴とする硬質材料の加工方法。
8. 【請求項８】 請求項１ないし７記載の加工方法におい
   て、加工対象物の加工経路に従ってレーザー光および冷
   却用液体を同期させながら走査することを特徴とする硬
   質材料の加工方法。
9. 【請求項９】 請求項１ないし８記載の加工方法におい
   て、吹き付ける冷却用液体の圧力が、1Mpa以上100Mpa以
   下の圧力であることを特徴とする硬質材料の加工方法。
10. 【請求項１０】 請求項１ないし９記載の加工方法にお
    いて、吹き付ける冷却用液体として水を用いることを特
    徴とする硬質材料の加工方法。
11. 【請求項１１】 請求項１ないし１０記載の加工方法に
    おいて、レーザー光および冷却用液体の走査速度が１mm
    /min以上１５００mm/min以下であることを特徴とする硬
    質材料の加工方法。
12. 【請求項１２】 請求項２または３記載の加工方法にお
    いて、加工対象物の被加工深さが２ｍｍ以上５ｍｍ以下
    であることを特徴とする硬質材料の加工方法。
13. 【請求項１３】 請求項４記載の加工方法において、加
    工対象物の被加工深さが０．０１ｍｍ以上２ｍｍ以下で
    あることを特徴とする硬質材料の加工方法。
14. 【請求項１４】 請求項１記載の加工方法を用いて製作
    された硬質材料部品
15. 【請求項１５】 請求項１４記載の硬質材料部品におい
    て、被加工部分の加工側面の傾きがレーザー光の光軸方
    向に対して１°以下で、切口の巾はレーザー光の入射側
    が広くなっていることを特徴とする硬質材料部品