JP4019365B2 - 高速穴あけ加工ですぐれた耐チッピング性を発揮する超硬合金製ミニチュアドリル - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、特に硬質相を構成する炭化タングステン(以下、WCで示す)相がすぐれた靭性と耐熱性を有し、特に高熱発生を伴なう半導体装置のプリント基板の高速穴あけ加工で、先端切刃面がすぐれた耐チッピング性を発揮する超硬合金製ミニチュアドリルに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、一般に、半導体装置のプリント基板の穴あけ加工に用いられる超硬合金製ミニチュアドリル(以下、単にミニチュアドリルという)として、例えば図1(a)に概略拡大正面図で示される通り先端面を切刃面(以下、先端切刃面という)とし、かつ0.1〜1.2mmの外径を有する溝形成部と、シャンク部とからなり、さらに前記溝形成部が図1(b)に長さ方向中央部における中心線に対して直角な方向の断面(直角断面)図で示される形状を有すると共に、少なくとも溝形成部、すなわち溝形成部のみ、または溝形成部とシャンク部が、結合相形成成分として質量%(以下、%は質量%を示す)で、4〜16%の割合で含有するCo中に0.1〜3%の割合で固溶含有したCrおよび/またはV成分による粒成長抑制作用で、硬質相形成成分としてのWC相の粒径を、平均粒径で、望ましくは0.7μm以下とした微粒組織の超硬合金で構成されたミニチュアドリルが知られている(例えば、特許文献1参照)。
また、ミニチュアドリルとして、シャンク部を再利用する目的で合金鋼や炭素鋼などで形成し、これに超硬合金の溝形成部を着脱自在に装着したものや、溝形成部とシャンク部を共に超硬合金で一体的に形成したものなどが知られている。
【0003】
さらに、上記のミニチュアドリルが、原料粉末として、いずれも0.1〜3μmの範囲内の所定の平均粒径を有するWC粉末、炭化クロム(以下、Cr3C2で示す)粉末、炭化バナジウム(以下、VCで示す)粉末、およびCo粉末を用い、これら原料粉末を所定の配合組成に配合し、湿式混合し、乾燥した後、押出しプレスにて所定の直径の長尺状成形体とし、この長尺状成形体を、1.3〜13.3Paの真空雰囲気中、1350〜1480℃の範囲内の所定の温度に昇温し、この昇温温度に1〜2時間保持後、雰囲気を、例えばArを導入して4.9〜14.7MPaの加圧雰囲気とし、前記昇温温度および加圧雰囲気の条件下に15〜60分間保持した後、少なくとも1200℃までを50〜100℃/minの冷却速度で冷却することにより、Cr(Cr3C2)および/またはV(VC)がCo中に固溶してなる結合相とWC相の硬質相で構成された超硬合金からなる所定の直径の長尺状加圧焼結体を形成し、この加圧焼結体から図1に示される形状に研削加工することにより製造されることも知られている(例えば、特許文献1参照)。
【0004】
【特許文献1】
特開昭61−12847号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
一方、近年の穴あけ加工の省力化および省エネ化、さらに低コスト化に対する要求は強く、これに伴い、ボール盤などの高性能化と相俟って、穴あけ加工は高速で行われる傾向にある。特に半導体装置のプリント基板(以下、単にプリント基板という)では、これを複数枚積み重ねた状態(加工抵抗の大きい状態)で、高速で穴あけ加工が行われることになる。しかし、上記の従来ミニチュアドリルの場合、これを高熱発生を伴なう加工抵抗の高い被削材の高速穴あけ加工に用いると、靭性および耐熱性不足が原因で、先端切刃面にチッピング(微小欠け)が発生し易くなり、比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。
【0006】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明者らは、上述のような観点から、特に高速で、かつ大きい加工抵抗を伴なうプリント基板の穴あけ加工で、先端切刃面がすぐれた耐チッピング性を発揮するミニチュアドリルを開発すべく研究を行った結果、
(a)従来の原料粉末としてのWC粉末は、高純度を意図して製造されているため、焼結後の超硬合金のWC相は、これの中心部のオージェ電子分光分析装置による測定で、
窒素(N):0.001〜0.03%、
酸素(O):0.001〜0.05%、
を含有するのが一般的であり、きわめて高純度をもつものであること。
【0007】
(b)一般に、上記の従来高純度WC粉末は、原料粉末としてWO3粉末を用い、これに還元粉末として所定量のカーボンブラックを配合し、混合した後、この混合粉末を950〜1050℃に加熱し、窒素気流中で所定時間保持の条件で還元処理を行い、ついで加熱温度を1150〜1250℃とすると共に、前記窒素気流を水素気流に変えて所定時間保持の条件で炭化処理を行うことにより製造されているが、この従来高純度WC粉末の製造において、還元処理の窒素気流中および炭化処理の水素気流中に所定割合、望ましくは5〜15容量%の割合でCOガスを配合すると、製造されたWC粉末中の窒素および酸素含有量が上昇するようになり、前記のCOガスの5〜15容量%の配合で、製造されたWC粉末は、
窒素(N):0.1〜0.25%、
酸素(O):0.2〜0.6%、
を含有するようになること。
【0008】
(c)この結果の高窒素高酸素含有のWC粉末を原料粉末として用いて製造されたミニチュアドリルにおいては、これの超硬合金の硬質相を構成するWC相は、これの中心部のオージェ電子分光分析装置による測定で、N:0.1〜0.25%、O:0.2〜0.6%、を含有し、前記Nによる靭性向上およびOによる耐熱性向上が図られるようになり、このWC相芯部のもつ高靭性およびすぐれた耐熱性は超硬合金自体の特性として具備するものとなり、高熱発生を伴なう高速穴あけ加工でもすぐれた耐チッピング性を発揮するようになること。
以上(a)〜(c)に示される研究結果を得たのである。
【0009】
この発明は、上記の研究結果に基づいてなされたものであって、溝形成部とシャンク部からなり、少なくとも前記溝形成部を、いずれも結合相形成成分として、以下いずれも質量%で、
Co:4〜16%、
Crおよび/またはV:0.1〜3%、
を含有し、残りが硬質相形成成分としてのWCと不可避不純物からなる組成を有し、かつ前記硬質相形成成分としてのWC相が、これの中心部のオージェ電子分光分析装置による測定で、
N:0.1〜0.25%、
O:0.2〜0.6%、
を含有する超硬合金で構成してなる、プリント基板の高速穴あけ加工ですぐれた耐チッピング性を発揮するミニチュアドリルに特徴を有するものである。
【0010】
以下に、この発明のミニチュアドリルにおいて、これを構成する超硬合金の組成を上記の通りに限定した理由を説明する。
(1) Co
結合相形成成分としてのCo含有量が4%未満では所望の強度および靭性を確保することができず、一方Co含有量が16%を超えると急激に軟化し、細径のものではねじれ切れが発生し易くなることから、Co含有量を4〜16%と定めた。
【0011】
(2) Crおよび/またはV
これらの成分には、結合相を形成するCo中に固溶した状態で硬質相を形成するWC相の成長を著しく抑制して、WC相の粒径を平均粒径で、望ましくは0.7μm以下とした微粒組織とする作用があるが、この作用はCrおよびV成分の含有量が0.1%未満では不充分となり、一方その含有量が3%を超えると、これらの成分が炭化物として析出し、強度および靭性を低下させるようになることから、その含有量を0.1〜3%と定めた。
【0012】
(3) WC相のNおよびO含有量
ミニチュアドリルを構成する超硬合金のWC相におけるN含有量が0.1%未満では、所望の高靭性を確保することができないので、原料粉末として用いられるWC粉末の製造に際して、還元処理の窒素気流中および炭化処理の水素気流中に配合するCOガスの割合を調整して0.1%以上含有するようにするが、一方その含有量が0.25%を超えると硬さが急激に低下するようになって、摩耗進行が著しく促進され、使用寿命短命化の原因となることから、その含有量を0.1〜0.25%と定めた。
また、同WC相におけるO含有量が0.2%未満では、所望のすぐれた耐熱性を確保することがでかないので、同じくWC粉末の製造時に、還元処理の窒素気流中および炭化処理の水素気流中に配合するCOガスの割合を調整して0.2%以上含有させ、すぐれた耐熱性を確保して、高熱発生の高速穴あけ加工でもN成分との共存においてすぐれた耐チッピング性を発揮するようにするが、一方その含有量が0.6%を超えると靭性が急激に低下するようになって、チッピングが起り易くなり、これも使用寿命短命化をもたらすことから、その含有量を0.2〜0.6%と定めた。
【0013】
【発明の実施の態様】
つぎに、この発明のミニチュアドリルを実施例により具体的に説明する。
原料粉末として、平均粒径:0.5μmを有するWO3粉末、および同0.2μmのカーボンブラックを用意し、まずこれら原料粉末を、カーボンブラック:17%、WO3粉末:残り、の割合に配合し、湿式ボールミルでアセトンを加えて3時間混合し、減圧乾燥した後、よくほぐした状態でカーボンボートに充てんした後、この混合粉末を950〜1050℃に加熱し、COガスを5〜15容量%の範囲内の所定の割合で配合してなる窒素−CO気流中で3時間保持の条件で還元処理を行い、ついで加熱温度を1150〜1250℃とすると共に、前記窒素−CO気流を同じくCOガスを5〜15容量%の範囲内の所定の割合で配合してなる水素−CO気流に変えて3時間保持の条件で炭化処理を行い、最終的に粒度調整を行うことにより、表1に示される窒素および酸素を含有し、かつ平均粒径をもった本発明ミニチュアドリル製造用原料粉末としてのWC粉末(以下、本発明原料WC粉末という)A〜Fをそれぞれ製造した。
【0014】
さらに、比較の目的で、還元処理の反応雰囲気を窒素気流、炭化処理の反応雰囲気を水素気流とする以外は、同一の条件で、同じく表1に示される窒素および酸素含有量、並びに平均粒径の従来ミニチュアドリル製造用原料粉末としてのWC粉末(以下、従来原料WC粉末という)a〜fをそれぞれ製造した。
【0015】
ついで、上記の本発明原料WC粉末A〜Fおよび従来原料WC粉末a〜fのそれぞれに、平均粒径:1.2μmのCo粉末、同1.8μmのVC粉末、および同2.3μmのCr3C2粉末を表2に示される割合に配合し、ボールミルで72時間湿式混合し、減圧乾燥し、さらにワックスと溶剤を加えて1時間混和した後、押出しプレスにて直径:4.4mmの長尺状成形体とし、これらの長尺状成形体
を、1.3Pa(1×10-2Torr)の真空雰囲気中、7℃/分の昇温速度で1380〜1480℃の範囲内の所定の温度に昇温し、この温度に1時間保持して焼結した後、前記昇温温度に保持したまま、Arを導入して雰囲気を圧力:6MPaの加圧雰囲気として1時間保持し、その後60℃/分の冷却速度で急冷するHIP処理を施すことにより、いずれも直径が3.5mmの長尺状の加圧焼結体とし、さらにこれらの加圧焼結体から研削加工にて溝形成部の外径がそれぞれ表2に示される寸法(この場合いずれもシャンク部の外径は3.2mm、全長は38mm)を有し、かついずれも図1に示される形状をもった本発明ミニチュアドリル1〜7および従来ミニチュアドリル1〜7それぞれを製造した。
【0016】
この結果得られた本発明ミニチュアドリル1〜7および従来ミニチュアドリル1〜7について、オージェ電子分光分析装置を用い、これを構成する超硬合金における任意5個のWC相の中心部のN含有量およびO含有量を測定し、この結果を表2に平均値で示した。
また、表2には、これらのミニチュアドリルを構成する超硬合金の任意断面におけるWC相(硬質相)の平均粒径を走査型電子顕微鏡を用いて測定した結果を示した。さらに、前記超硬合金のCo、Cr、およびVの含有量を測定したところ、配合組成と実質的に同じ値を示した。
【0017】
つぎに、上記の各種のミニチュアドリルについて、ガラス層とエポキシ樹脂層の交互8層積層板からなる厚さ:1.6mmのプリント基板を6枚重ねたものに表3に示される条件および試験本数:20本にて高速穴あけ加工試験を行い、ミニチュアドリルの溝形成部外径寸法に10%の摩耗が生じるまでの穴あけ加工数を測定した。これらの測定結果を表3にそれぞれ平均値で示した。
【0018】
【表1】
【0019】
【表2】
【0020】
【表3】
【0021】
【発明の効果】
表2,3に示される結果から、本発明ミニチュアドリル1〜7は、いずれもこれを構成する超硬合金の硬質相(WC相)のNおよびOの含有量が相対的に高く、前記WC相によって高靭性とすぐれた耐熱性が確保されることから、高熱発生を伴なうプリント基板の高速穴あけ加工でも先端切刃面にチッピングの発生なく、すぐれた耐摩耗性を発揮するのに対して、前記硬質相(WC相)のNおよびOの含有量が相対的に低い従来ミニチュアドリル1〜7においては、いずれも靭性および耐熱性不足が原因で、プリント基板の高速穴あけ加工では先端切刃面部にチッピングが発生し易くなり、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。
上述のように、この発明のミニチュアドリルは、通常の条件でのプリント基板の穴あけ加工は勿論のこと、高速穴あけ加工でもすぐれた耐摩耗性を長期に亘って発揮するものであるから、穴あけ加工の省力化および省エネ化、さらに低コスト化に十分満足に対応することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)はミニチュアドリルを例示する概略拡大正面図、(b)は溝形成部の長さ方向中央部における中心線に対して直角な方向の断面(直角断面)図である。
Claims (1)
- 溝形成部とシャンク部からなり、少なくとも前記溝形成部を、いずれも結合相形成成分として、以下いずれも質量%で、
Co:4〜16%、
Crおよび/またはV:0.1〜3%、
を含有し、残りが硬質相形成成分としての炭化タングステンと不可避不純物からなる組成を有し、かつ前記硬質相形成成分としての炭化タングステン相が、これの中心部のオージェ電子分光分析装置による測定で、
窒素:0.1〜0.25%、
酸素:0.2〜0.6%、
を含有する超硬合金で構成したこと、
を特徴とする半導体装置のプリント基板の高速穴あけ加工ですぐれた耐チッピング性を発揮する超硬合金製ミニチュアドリル。
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