JP2019059020A - 加工砥石 - Google Patents
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Abstract
Description
まず、特許文献1に記載される電鋳ブレードは、図20に示すように、ダイヤモンド砥粒92が結合材(メタルボンド)94内に散在しており、表面には鋭利な先端部を有するダイヤモンド砥粒92が突出した状態となっている。このとき、ダイヤモンド砥粒92の突出位置や突出量はばらばらであり、原理的に砥粒突き出しを精度良く制御することは困難である。このため、1つの加工単位における切り込み深さを高精度に制御することはできない。特に厚さが100μm以下の極薄のワークに対して切断加工が行われる場合、ある一定以上の切り込みでクラックが発生し、ダイヤモンド砥粒の先端部がワークに対して致命的な切り込みを与えてしまうことがある。その結果、クラック同士が結びつくことで、多かれ少なかれチッピングや欠けが発生してしまう問題がある。
また、電鋳ブレードの場合、機械加工によってブレード先端部を薄く鋭利に加工しようとしても、ダイヤモンド砥粒がまばらに存在するため、一様に薄く加工したり、テーパをつけるように加工しようとしても、その加工に伴って表面からダイヤモンド砥粒が脱落してしまうので、ブレード先端部を鋭利化することには限界がある。
また、電鋳ブレードは、熱伝導性が悪く、切断加工時に溝側面との摩擦抵抗による発熱によってブレード内に熱が蓄積されやすく、ブレードの反りを招く恐れもある。
一方、特許文献2に記載されるダイヤモンドブレードには、以下に示すような問題がある。
また、異なる組成のダイヤモンド層を積層して形成する場合、その組成によって熱膨張が変化しやすくなる。このため、ダイシング加工中に発熱してくると各ダイヤモンド層間で熱応力が発生し、ブレードの真円度や平面度を維持できなくなる可能性がある。このとき、場合によっては反りが発生することもある。特にブレードが薄くなると、その影響はより顕著となる。
また、CVD法でダイヤモンドブレードを製作する場合、成膜分布によってブレードの刃厚分布が決定される。特に成膜分布にうねりがある場合に、そのうねりを除去することはできない。すなわち、機械加工でうねりを除去しようとしても、クラックが入るなどしてしまい、薄いブレードを成形することは困難である。したがって、高精度な振れのないスピンドルフランジに基準面同士を合わせて取り付け、振れ精度を向上させることは原理的に難しい。
また、ブレードによる切断溝の溝幅を細くするためにはブレードの外周部(先端部)はできるだけ細い方が好ましいが、フランジに当接させる部分は高精度な基準となる平面を維持するため反りが発生しない程度の厚みを必要とする。しかし、ブレードを一体物として製作する上で、こうした厚みの異なる部分を有するブレードとする場合、成膜による方法では、一体物で製作することはできず実質不可能である。なお、そのために異種の材料を接合するのでは、熱応力の関係から変形し、真円度、平面度を乱してしまうため、後述する本発明のような延性モードの加工を実現することはできない。ここで、研削や切削加工を行う際に、螺旋形や流線形の切り屑が出るような状態でワークの加工を行う場合を延性モードの加工という。
また、上記のダイヤモンドブレードでは、CVD法によって成膜されたダイヤモンド層からなる膜内に圧縮応力が形成されるので、膜が堆積するにしたがって、応力の入り方が異なる。このため、最終的に膜を剥してブレードにする際に、左右の両面において圧縮応力の入り方に違いがあり、結果的にブレードが大きく反ることになる。こうしたブレードの反りを修正するにしても、修正する手段はなく、膜の応力によって歩留りが悪くなることが懸念される。
また、他の問題として、ブレード自体の問題ではないが、たとえ、ブレードを精度よく製作し、先端部が鋭利でかつ、切断加工時の熱においても平面状態が変化することのない理想的なブレードを製作できたとしても、そのブレードの使用方法も重要となる。特に、ブレード自体をワークに対して鉛直方向に押圧してクラックを与えて切り進めるスクライビングなどの場合は、明らかに脆性破壊を利用した加工となるため、後述する本発明のような延性モードの加工を行うことはできない。
また、切断するに従って除去体積が大きく変化して、1つの切れ刃が除去する体積自体が変化し、その結果、1つの切れ刃が除去する上での所定の臨界切り込み深さを制御でき
ず、結果的に、切断加工中に切断抵抗が大きく変化して、そのアンバランスさからワーク材料内にクラックを及ぼす場合もある。こうした場合も、脆性破壊を誘発する原因となり、延性モードの加工を実現することはできない。すなわち、ワークに対して微視的に一つの切れ刃が一定の切込み深さを維持するために、ワークに対しても一定の切込みを与えて加工中は定常状態を確保する必要がある。
切断加工を行うことができる。
ーンカーボランダム)の目立て用砥石で目立てを行うか、場合によっては硬い脆性材料である超硬合金を切断することで、焼結助剤のほかに一部のダイヤモンドが欠落して、ダイヤモンド焼結体の外周部に適度な粗さが形成される。この外周部の粗さを、ダイヤモンド粒径よりも大きくすることで、一つの切れ刃内で微小なダイヤモンド砥粒の欠落が起こり、切れ刃の摩滅が起こりにくくなる。
スクライビングは、材料内部にクラックを発生させるだけであるため、材料内にほとんど入り込まない。刃先の稜線のみを作用させるため、刃先角は鈍角(上記文献段[0070]参照)であることが普通である。鋭角ましてや20度以下とすることは、捩りによる欠損などを考慮すると到底考えられない。
スクライビングは、ホイールがワークに当接させられた状態(食い込んだ状態)で進行方向が変化すると捩りの応力によって刃先が欠損することがある。そのため、同じダイヤモンドの焼結体であったとしてもダイヤモンドの重量%を65%〜75%としている。その結果、耐摩耗性、耐衝撃性だけでなく耐捩り強度特性を向上させている。ダイヤモンドの重量%を75%以上とすると、ホイールの硬度自体は上昇するが、耐捩り強度が低下する。よって比較的ダイヤモンド含有量は少なく設定される。
さらにホイールの構造が異なる。スクライビングホイールはホルダを有しており、ホルダはスクライビングホイールを回転自在に保持する要素である。ホルダは、主としてピンと支持枠体を有するので、ピンの部分(軸の部分)は回転しない。ホイールの内径部が軸受になり、軸であるピンの部分と、相対的に擦れることによって回転し、材料表面に垂直方向のスクライビングライン(縦割れ)を形成する。
この垂直方向にクラックを与えて加工するか、それとも一切クラックを発生させることなく加工するかが、スクライビングと本発明に係るダイシングとの決定的に異なる原理の違いである。
また、スクライビングは表面だけにスクライバーの垂直応力によって押圧してスクライビングラインをつける。スクライビングの場合の外周刃の溝の役割は、ホイールの刃先の突起部が脆性材料基板に当接しつつ(食い込みつつ)、材料に垂直なクラックを発生させるためのものである(上記文献段落[0114]参照)。すなわち、溝以外の部分が、材料に食い込んで垂直クラックを及ぼす程度のスクライビングラインをつけることができるような溝である。よって、溝というよりも、溝と溝の間の山部分が材料にどのように食い込むかが重要になる。
・ スピンドル回転数:20000rpm
・ 送り速度:1mm/s
・ 切込み深さ:100μm
・ 評価指針:10μm以上のチッピングがあるかないかで評価。(理想的には完全にチッピングがないこと。)
・ 送り速度:5mm/s
・ ワーク加工対象:石英ガラス(ガラス材料)
・ 加工処理時間:30分間
・ 上記処理により、わずかに1〜2μm程度のコバルト焼結助剤が除去されて凹みが形成された。さらに、非常に薄いエッチング液(弱酸系)を薄く塗って純水供給なしにドライ環境で処理することでさらに凹みが深くなった。
・ 送り速度:5mm/s
・ ワーク加工対象:GC600ドレッシング砥石(70mm□)
(GC600とは、炭化ケイ素質研削材の粒度600番手(#600)を意味する。粒度は日本工業規格(JIS:Japan Industrial Standards)R6001に基づく)
・ 加工処理時間:15分間
・ この処理でもわずかにコバルト焼結助剤が除去されて凹みが形成された。
送りテーブル:JK702
波長:1060nm
出力:250W
パルス幅:0.2msec
焦点位置0.1mm
ワーク回転数2.8rpm
ガス:高純度窒素ガス0.1L/min
穴径50μm
ワークブレード材料:住友電工製DA150(ダイヤモンド粒径5μm)
外径50.8mm
このようなパルス式ファイバーレーザによって、図22に示すように、0.1mmピッチでブレード外周端上に直径0.05mmの一定間隔で連続した半円状のシャープな切れ刃を形成することができる。こうした切れ刃形成ではダイヤモンド粒径は5μmの大きさであるが、一つの切れ刃自体は50μm切れ刃とすることができる。またこれを等間隔に形成すれば、回転数を高速回転させることによって、見かけの間隔が小さくなり、延性モードのダイシングを可能とする(例:スピンドル回転数10000rpm以上の場合など)。なお、図22は、レーザ光をブレード面(ブレード26の回転軸に垂直な面)の法線方向から入射し切れ刃を形成した場合の結果を示している。
て、前記と同様の加工手順により、前述した切断ラインと直交する方向の切断ラインに沿ってダイシング加工が行われる。
本実施形態のブレード26としては、両側テーパタイプ(両Vタイプ)のものを使用した。一方、従来の電鋳ブレードとしては、ブレード厚みが50μm(粒度#600)を使用した。その他の条件については以下のとおりである。
・ブレード回転数:20000rpm
・ワーク送り速度(加工送り速度):10mm/s
・切り込み深さ:30μm
・ワーク:シリコンウェハ(厚み780μm)
比較実験1の結果を図9A及び9Bに示す。なお、図9A及び9Bは、それぞれ、本実施形態及び従来技術による溝入れ加工後のワーク表面の様子を示したものである。
次に、比較実験1と同様のブレードを用いて、以下の条件で比較実験を行った。
・ブレード回転数:20000rpm
・ワーク送り速度(加工送り速度):10mm/s
・切り込み深さ:50μm
・ワーク:サファイアウェハ(厚み200μm)
比較実験2の結果を図10A及び10Bに示す。なお、図10A及び10Bは、溝入れ加工後のワーク表面の様子を示したものであり、図10Aは本実施形態のブレード26を用いた場合、図10Bは従来の電鋳ブレードを用いた場合である。
次に、ストレート形状のブレードを用いて、以下の条件で比較実験を行った。
ブレード厚みは、20μm、50μm、70μm厚で行なった。
・ブレード回転数:20000rpm
・ワーク送り速度(加工送り速度):2mm/s
・切り込み深さ:200μm
・ワーク:4H-SiCウェハ Si面(厚み330μm)
図11Aから11Cは本実施形態のブレード26による溝入れ加工後のワーク表面の様子を示したものであり、図11Aは、ブレード厚みが20μmの場合、図11Bは、ブレード厚みが50μmの場合、図11Cは、ブレード厚みが70μmの場合を示す。
次に、先と同様にストレート形状のブレードを用いて、以下の条件で比較実験を行った。
・ブレード回転数:10000rpm
・ワーク送り速度(加工送り速度):1mm/s
・切り込み深さ:40μm
・ワーク:超硬WC(WC:タングステンカーバイド)
図12A及び12Bは、本実施形態のブレード26による溝入れ加工後のワーク表面(図12A)及び断面(図12B)を示している。同図のように、超硬のような硬質材料でも理想的な延性モード加工を行うことができることを示している。
次に、先と同様にストレート形状のブレードを用いて、以下の条件で比較実験を行った。
・ブレード回転数:20000rpm
・ワーク送り速度(加工送り速度):1mm/s
・切り込み深さ:500μm(フルカット)
・ワーク:ポリカーボネード
図13A及び13Bは、それぞれ、本実施形態のブレード26による溝入れ加工後のワーク表面、及びワーク断面を示している。図13Aに示すように、ワーク表面から見るとシャープな切断ラインが観察される。図13Bに示すように、従来の電鋳ブレードと比較しても鏡面の切断面を得たことが分かる。
次に、先と同様にストレート形状のブレードを用いて、以下の条件で比較実験を行った。
・ブレード回転数:20000rpm
・ワーク送り速度(加工送り速度):1mm/s
・切り込み深さ:500μm(フルカット)
・ワーク:CFRP
比較実験6の結果を図14A及び14Bに示す。なお、図14A及び14Bは、溝入れ加工後のワーク断面の様子を示したものであり、図14Aは本実施形態のブレード26を用いた場合、図14Bは従来の電鋳ブレードを用いた場合である。
本実施形態において、延性モードで加工するためにはブレード26の周方向における砥粒配列について考慮する必要がある。その理由としては以下のとおりである。
延性モードの加工を安定して行うためには、前述したように、深さ方向においては切り込みを0.15μm程度以下にする必要がある。この切り込みを安定的に行うためには、切り込み幅から考慮されるワーク材料の厚み方向変位(縦方向変位)も考慮しなくてはならない。
特許文献1にあるような電鋳ブレードの場合、ダイヤモンドを分散させ、その上からメッキを行うため、ダイヤモンドはまばらに存在し、しかもそれらは突き出した構成となる。その結果、突き出した部分は、当然のように過剰な切り込みを与えてしまうこともあり、脆性破壊を誘発する。なお、溝の底部や側面部も連続している部分は、ワーク材料も互いに密に構成されているため、すぐさまクラックは入りにくいが、ブレードが抜ける部分が最もクラックや割れが入りやすい。それは、ブレードが抜ける際に、バリがでることと同じであり、ワーク材料は連続ではなく支えがないからである。
次に、ブレード材料の強度(弾性率)とワーク材料の強度(弾性率)の関係について述べる。
次に、ブレードの切れ刃付けについて説明する。
レーザ光の周波数 100kHz
レーザ光の出力 6W
送り速度 300mm/s
レーザ光の入射角 30度
図30に、ブレード接線方向からレーザ光を照射することにより切れ刃付けを行った結果を示す。図30に示すように、ブレード外周端部には、ブレード接線方向からのレーザ光の照射によって、掬い面と逃げ面を有する切れ刃が形成されている。したがって、新たに加工されたエッジ部分が、そのまま切れ刃として作用するため、定期的に連続して切れ刃付けを行うことで、砥石の目立てを行うことが可能となる。
シリンドリカルレンズ
加工ビーム形状 80μm(1:7)
1パルスエネルギー 6/100k 60μJ
レーザ光のパルス幅 5ns
周速度 300mm/s
レーザパワー 2.4W
レーザ繰り返し 40khz
(1パルスエネルギー60μJ)
シリンドリカルレンズ(蒲鉾レンズ)を使用することで、レーザ痕を円形ではなく楕円形につくることが可能となる。特に、切れ刃となる溝を、ブレード進行方向に対して垂直方向に細かいピッチで形成するとよい。例えば、上述したレーザ加工条件では、図31に示すように、溝幅が80μmに対して、溝ピッチの間隔が約10μmとなる。このため、例えば、ブレード幅が50μmブレードの外周端部に対して稜線がブレード回転によるブレード進行方向に対して略垂直になるように形成すればよい。図32は、シリンドリカルレンズを用いてブレード外周端部に切れ刃が形成された様子を示した図であり、ブレード面に平行な方向から見た図である。図32に示すように、ブレード外周端部に急峻な稜線が多数形成されると、それぞれの端面が切れ刃となってワークに作用させることができる。その結果、理想的な延性モード加工を行うことができる。
先に述べたのと同様の原理で、ダイシングブレードのみならず、平面砥石にも同じ原理が利用できる。すなわち、図33に示すように、回転する平面砥石の進行方向前方から、迎え撃つように傾けてレーザを照射する。その結果、砥石の進行方向に対して、垂直な方向に稜線が形成され、掬い面と逃げ面が形成される。これを平面砥石の回転数を一定にして、一定パルスで照射し、パルス幅を制御すると、切れ刃間隔をコントロールできる。一つの切れ刃の切込み量がワークにクラックを及ぼさない程度に切れ刃間隔を調整することで、安定した延性モード研削を行うことができる。
こうした条件で、効率よく加工することが可能となる。
上記に詳述した実施形態についての記載から把握されるとおり、本明細書では以下に示す発明を含む多様な技術思想の開示を含んでいる。
ワークを相対的にスライドさせて切断ないしは溝入れ加工するための回転するスピンドルに取り付ける砥石ブレードであって、前記砥石ブレードは、円盤状ないしは円環状で構成され、前記砥石ブレードの加工に寄与する外周端部は、連続した一様なダイヤモンド焼結体で構成され、前記ワークに対する進行方向に対し、ブレードの最外周端に連続かつ一定の間隔の稜線が形成され、前記稜線を境に掬い面と逃げ面が形成されていることを特徴とする砥石ブレード。
前記砥石ブレードは、ダイヤモンドの体積含有率が70%以上であることを特徴とする付記1記載の砥石ブレード。
前記砥石ブレードにおいて、前記等間隔に形成された前記切れ刃の大きさは、ダイヤモンド砥粒より大きいことを特徴とする付記1記載の砥石ブレード。
前記砥石ブレードにおいて、一定の等間隔で凹状に掘り込まれた切れ刃は、パルスレーザによりブレードを一定回転させながら形成したことを特徴とする付記1〜3のいずれかに記載の砥石ブレード。
前記砥石ブレードにおいて前記砥石ブレードの切れ刃は、前記パルスレーザを、ブレード面に平行かつブレード外周端に向けて照射し、ブレードのワークに対する加工方向に対して、垂直方向に稜線が形成され、掬い面と逃げ面を有する切れ刃を形成したことを特徴とする付記4記載の砥石ブレード。
前記砥石ブレードの外周端の切れ刃を形成する前記パルスレーザは、ブレード面に平行かつブレード外周端で、外周の接線方向から0度から90度の間の所定の角度で照射し形成したことを特徴とする付記5記載の砥石ブレード。
前記砥石ブレードの外周端の切れ刃を形成する前記パルスレーザは、ブレード面に平行かつブレード外周端で、外周の接線方向から楕円状に集光してレーザによる切れ目を入れたことを特徴とする付記5記載の砥石ブレード。
Claims (3)
- ワークを延性モードで加工する回転駆動用の加工砥石において、
ダイヤモンド単結晶粒子同士の焼結結合体である多結晶ダイヤモンドで構成した、加工砥石。 - 前記ダイヤモンド単結晶粒子の結合部分である結晶粒界部分を切れ刃とする、
請求項1に記載の加工砥石。 - 前記加工砥石は円盤状である、
請求項1又は2に記載の加工砥石。
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