JP4400677B2

JP4400677B2 - 薄刃砥石

Info

Publication number: JP4400677B2
Application number: JP2008042571A
Authority: JP
Inventors: 勇介鈴木; 昭三大寺
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2008-02-25
Filing date: 2008-02-25
Publication date: 2010-01-20
Anticipated expiration: 2028-02-25
Also published as: CN101945733B; JP2009196056A; WO2009107272A1; KR101151051B1; KR20100113578A; CN101945733A

Description

本発明は、セラミックスや単結晶材料などの被加工物を切断加工するのに適した薄刃砥石に関するものである。

従来、シリコン、ＧａＡｓ、フェライト等の被加工物を高精度に切削加工する薄刃砥石（ダイシングブレード）として、薄板リング状の電鋳薄刃砥石が知られている。この電鋳薄刃砥石は、ダイヤモンドやｃＢＮ等の砥粒を金属結合材中に分散配置したものであり、その厚さは数十μｍ〜数百μｍ程度の薄板リング状に形成されている。薄刃砥石は、その内周側領域を砥石軸に保持し、砥石軸を回転させることで、外周側領域で被加工物の切断加工や溝入れ加工を行うことができる。

近年の電子部品の小型化や収率向上などの理由から、電鋳薄刃砥石にもさらなる薄刃化が求められており、金属結合材としてＮｉなどの機械的強度が高い金属材料を用いることにより、厚さが５０μｍ以下の極薄電鋳砥石も提供されている。しかし、金属結合材による砥粒の保持力が大きくなると、砥粒による被加工物へのダメージが大きくなるため、切断加工時にチッピングと呼ばれる被加工物の割れ、欠けを増大させるという問題がある。

このような問題を解決するため、特許文献１には、Ｎｉ、Ｃｏ又はこれらの合金からなる金属結合材の刃先部の表面に、この金属結合材からの砥粒の突き出し量を越えない厚みのＳｎめっき層を形成した電鋳薄刃砥石が提案されている。この場合には、Ｓｎめっき層が金属結合材の表面を覆うことで、摺動性を向上させると共に、金属結合材より軟質のＳｎめっき層が緩衝層を構成し、被加工物へのダメージを低減し、チッピングを抑えることができるとされている。

しかしながら、この構造の電鋳薄刃砥石を用いて、電子セラミックスや単結晶材料などの高硬度脆性材料を切断加工した場合、Ｓｎめっき層が加工初期で大きく磨耗してしまい、長期間安定してチッピング抑制効果を維持することができず、実用的ではないという問題がある。その様子を、図６を参照して説明する。

図６の（ａ）は加工前の薄刃砥石１０、（ｂ）は切断加工中の薄刃砥石１０を示す。Ｎｉよりなる金属結合材１１の表面に、砥粒の突き出し量を越えない厚みのＳｎめっき層１２が形成されている。なお、図６では砥粒を省略してある。被加工物１３を切削することで薄刃砥石１０の外周部が磨耗するが、半径方向の磨耗よりも厚み方向の磨耗、特にＳｎめっき層１２を設けた両側面の磨耗が大きく、図６の（ｂ）に示すように、短時間で金属結合材１１が両側面に現れてしまう。これではＳｎめっき層１２による緩衝効果がなくなり、良好な切断性能（チッピング抑制）や加工精度を維持できない。そのため、Ｓｎめっき層で被覆した薄刃砥石１０の寿命は非常に短いという欠点があった。さらに、電鋳薄刃砥石を切削加工に使用する場合、砥粒の突き出し量を調整し、加工品質を安定させるために、事前にドレッシングと呼ばれる目立て作業を砥石刃先部に対して行う。この目立て作業は、例えば砥石刃先部で砥粒を固めたドレスボードをカットすることで行う。このドレスボードをカットすることにより、砥石刃先部で砥粒間の金属結合材が削り取られてチップポケットが形成される。しかしながら、この目立て作業において、Ｓｎめっき層は簡単に磨耗してしまうため、実際の切削加工時にはＳｎめっき層が殆ど残っておらず、Ｓｎめっき層による緩衝効果を十分に発揮できないという欠点があった。

特許文献１では、Ｓｎめっき層の厚みを例えば１０〜１５μｍとしているが、この様な分厚いＳｎめっき層を形成すると、砥粒の粒径をそれ以上に大きくする必要があるため、砥粒径の増大によるチッピングの増大や加工品質の低下、さらには加工幅の増大を招くという問題がある。
特開２００２−６６９３５号公報

そこで、本発明の目的は、寿命が長く、良好な切断性能を長期間維持できる薄刃砥石を提供することにある。

本発明は、砥粒をＮｉ又はＮｉを主体とする合金からなる金属結合材中に分散配置し、前記砥粒の一部を前記金属結合材の表面から突出させてなる電鋳薄刃砥石において、前記金属結合材の表面に、前記金属結合材からの砥粒の突き出し量を越えない厚みのＣｕめっき層又はＣｕを主体とする合金めっき層が形成され、前記Ｃｕめっき層又はＣｕを主体とする合金めっき層の厚みは１〜１０μｍであり、前記Ｃｕめっき層又はＣｕを主体とする合金めっき層は、そのヤング率が前記金属結合材を構成する金属のヤング率より小さく、かつＢＳ６４３０−１３：１９８６，ＥＮ１０１：１９９１に記されたモース硬度評価方法によるモース硬度が２．５より大きな材質であることを特徴とする電鋳薄刃砥石である。

本発明に係る薄刃砥石で被加工物を切削すると、Ｎｉより軟質のＣｕめっき層による緩衝効果によって、被加工物へのダメージを低減でき、チッピングを抑制できる。しかも、Ｃｕめっき層はＳｎめっき層に比べて耐磨耗性に優れているため、Ｃｕめっき層を設けた両側面の磨耗速度を低減できる。耐磨耗性を示す尺度としてモース硬度があるが、Ｓｎのモース硬度は１．８、Ｃｕのモース硬度は３．０、Ｎｉのモース硬度は３．５である。このようにＣｕのモース硬度はＮｉのモース硬度に近いため、切削加工に伴って薄刃砥石の外周部が磨耗したとき、半径方向の磨耗速度と厚み方向の磨耗速度とをバランスさせることができる。そのため、薄刃砥石が磨耗しても両側面が極端に磨耗することなく初期の切断性能（チッピングの抑制）と同様の性能を維持でき、長寿命の薄刃砥石を実現できる。さらに、実際の切削加工に先立って行われる目立て作業において、Ｃｕめっき層は簡単に磨耗しないので、切削加工時にＣｕめっき層による緩衝効果を十分に発揮できる。なお、Ｃｕめっき層はＮｉ金属結合材との密着性が高いので、切削加工中にＣｕめっき層がＮｉ金属結合材から剥離することがない。

Ｃｕめっき層又はＣｕを主体とする合金めっき層の厚みは 1〜１０μｍが望ましい。前述のようにＣｕめっき層が簡単に摩滅しないので、その厚さが１０μｍ以下の薄膜でも十分な緩衝効果を発揮できる。換言すると、砥粒の粒径をそれだけ小さくでき、高精度な切削加工を行うことができる。Ｃｕめっき層又はＣｕを主体とする合金めっき層の厚みは、砥粒の粒径に応じて設定されるが、砥粒の粒径が５〜１０μｍの場合、１〜１０μｍ、望ましくは１〜５μｍがよい。

薄刃砥石としては電鋳薄刃砥石を用いることができる。例えば、電鋳薄刃砥石の場合には、ステンレス等の台金をカソードとして、その上に電着法によりＮｉ又はＮｉを主体とする合金からなる金属結合材を形成し、カソードから金属結合材を剥離することで、極薄肉な薄刃砥石も作成できる。

Ｃｕを主体とする合金めっき層とは、少なくともＣｕが５０重量％以上含む合金をいう。そのような合金めっき層は、そのヤング率が金属結合材を構成する金属のヤング率より小さく、かつＢＳ６４３０−１３：１９８６，ＥＮ１０１：１９９１に記されたモース硬度評価方法によるモース硬度が２．５より大きな材質を使用するのが望ましい。モース硬度が２．５以下（例えばＡｕ，Ｓｎなど）の場合には、耐磨耗性が低いために早期に磨耗してしまい、当初の切断性能を維持できないからである。

金属結合材を構成する金属としては、Ｎｉのほか、主体となるＮｉと他の金属（例えばＣｏ等）との合金でもよい。ここで、Ｎｉを主体とする合金とは、少なくともＮｉが５０重量％以上含む合金をいう。Ｎｉと同等な機械的強度及び耐磨耗性を有する合金であればよい。本発明の薄刃砥石で切削できる被加工物としては、シリコンやＧａＡｓ、フェライトなどの他、ＰＺＴ等の圧電セラミックス、水晶、ＬｉＴａＯ₃単結晶、誘電体などの高硬度の材料も含む。

本発明に係る薄刃砥石によれば、Ｎｉ又はＮｉを主体とする合金からなる金属結合材の表面にＣｕめっき層又はＣｕを主体とする合金めっき層を形成したので、Ｎｉより軟質のＣｕめっき層が砥粒が被加工物に当たった時の緩衝層として働き、被加工物へのダメージを低減でき、チッピングを抑制できる。また、Ｃｕめっき層は耐磨耗性に優れているので、Ｃｕめっき層を設けた両側面の磨耗速度を低減できる。そのため、切削加工に伴って薄刃砥石の外周部が磨耗したとき、半径方向の磨耗速度と厚み方向の磨耗速度とをバランスさせることができ、初期の切断性能と同様の性能を維持できる。その結果、長寿命の薄刃砥石を実現できる。さらに、Ｃｕめっき層が簡単に磨耗しないので、その厚さが薄くても十分な緩衝効果を発揮できると共に、砥粒の粒径をそれだけ小さくでき、高精度な切削加工を行うことができる。

以下に、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照して説明する。図１は本発明にかかる薄刃砥石の第１実施形態を示し、（ａ）は薄刃砥石の正面図、（ｂ）はＡ−Ａ線拡大断面図である。本実施形態の薄刃砥石１は薄板リング状の電鋳薄刃砥石であり、ダイヤモンドやｃＢＮ等の砥粒２を金属結合材３中に分散配置してなるものであり、その厚さは数十μｍ〜数百μｍ程度、望ましくは５０μｍ以下に設定されている。金属結合材３は、Ｎｉめっき層又はＮｉを主体とする合金めっき層からなる。Ｎｉ合金としては、例えばＮｉ−Ｃｏ合金，Ｎｉ−Ｗ合金，Ｎｉ−Ｂ合金などがある。

金属結合材３の表面には、金属結合材３からの砥粒２の突き出し量を越えない厚みのＣｕめっき層４が形成されている。Ｃｕめっき層４の厚さは、砥粒２の突き出し量を超えなければよいが、砥粒２の粒径が５〜１０μｍの場合、１〜１０μｍ程度、望ましくは１〜５μｍ程度がよく、平均砥粒径の15％〜100 ％が望ましい。なお、図１の（ｂ）では、表層部の全ての砥粒２がＣｕめっき層４から表面に突出している例を示したが、一部の砥粒２はＣｕめっき層４内に埋没していてもよい。

Ｃｕめっき層４に代えてＣｕを主体とする合金めっき層を用いてもよい。合金めっき層としては、例えばＣｕＺｎ，ＣｕＺｎＳｎ，ＣｕＳｎなどがあるが、そのヤング率が金属結合材３を構成するＮｉのヤング率（２１０ＧＰａ）より小さく、かつモース硬度（ＢＳ６４３０−１３：１９８６，ＥＮ１０１：１９９１に記されたモース硬度評価方法によるモース硬度）２．５より大きな材質であることが望ましい。Ｃｕめっき層４は、少なくとも薄刃砥石１の刃先部１ａに形成されるが、刃先部１ａだけでなく薄刃砥石１の全体にわたってＣｕめっき層４を形成してもよい。

次に、前記構成よりなる薄刃砥石１の製造方法の一例を、図２を参照して説明する。
まず、ダイヤモンド等の砥粒２を分散させたＮｉを含む電解めっき液を準備し、このめっき液中にステンレス等の基板と陽極板とを対向して配置し、基板を陰極に接続する。陰極と陽極間に通電すると、基板上にＮｉ合金めっき層が析出し、砥粒２が均一に分散された金属結合材３が形成される。金属結合材３が数十μｍ〜数百μｍとなった時点でめっきを終了し、この金属結合材３を形成した基板をめっき液から取り出し、基板から金属結合材３を剥離する。剥離した金属結合材３をリング状に成形して図２の（ａ）に示す単層砥石１Ａを得る。
次に、単層砥石１Ａの金属結合材３の表面をエッチング等により除去し、図２の（ｂ）のように砥粒２の突き出し量を大きくした単層砥石１Ｂを得る。
次に、単層砥石１ＢをＣｕイオンを含むめっき液に浸漬し、単層砥石１Ｂを陰極とし、この陰極に対向して陽極板を配置し、陰極と陽極間に通電すると、Ｃｕが単層砥石１Ｂ上に析出し、Ｃｕめっき層４が形成される。Ｃｕめっきは非導電性の砥粒２上には析出せず、金属結合材３上にのみ析出する。こうして、図２の（ｃ）に示す薄刃砥石１が得られる。なお、実際の切削加工に先立って、薄刃砥石１の刃先部をドレッシングすることにより、目立てを行うのがよい。

Ｃｕめっき層４のヤング率（１２０ＧＰａ）は、Ｎｉよりなる金属結合材３のヤング率（２１０ＧＰａ）より低い。つまり、Ｃｕめっき層４は金属結合材３より軟質であるので、砥粒２が被加工物に衝突した時に緩衝効果を発揮し、被加工物へのダメージを低減でき、チッピングを抑制できる。一方、耐磨耗性の尺度となるモース硬度は、Ｃｕが３．０、Ｎｉが３．５であり、Ｃｕのモース硬度はＮｉのモース硬度に近いため、切削加工に伴って薄刃砥石の外周部が磨耗したとき、半径方向の磨耗速度と厚み方向の磨耗速度とをバランスさせることができる。砥粒２の中間部は軟質のＣｕめっき層４で保持されるが、砥粒２の底部は硬質の金属結合材３で保持されているので、砥粒２が簡単に脱落するのを防止できる。

図３に本実施形態における薄刃砥石１の初期状態（ａ）と何回かの切断加工を実施した後の状態（ｂ）とを示す。なお、図３では砥粒を省略してある。被加工物５を切削することで薄刃砥石１の外周部が磨耗するが、ＣｕとＮｉはモース硬度が近いので、金属結合材３の外周部が円弧状に磨耗するとともに、Ｃｕめっき層４の先端部も磨耗し、この形態を維持しながら磨耗が進行する。特に、薄刃砥石１の外周部の両側面の硬度がチッピングの発生に大きく影響するが、本実施形態における薄刃砥石１の場合には、図３の（ｂ）に示すように薄刃砥石１の外周部の両側面にＣｕめっき層４を残しながら磨耗していくので、Ｃｕめっき層４による緩衝効果を維持でき、良好な切断性能（チッピング抑制）や加工精度を維持できる。そのため、薄刃砥石１の寿命が長くなる。

ここで、次の４種類の薄刃砥石を用いて単結晶材料（ＬｉＴａＯ₃）を加工したときのチッピング量と砥石外側層の磨耗状態を比較する。薄刃砥石（１）は、砥粒を分散させたＮｉの金属結合材のみからなる単層砥石、薄刃砥石（２）は砥粒を分散させたＮｉの金属結合材の上にＳｎめっき層を形成した三層砥石（特許文献１に記載のもの）、薄刃砥石（３）は砥粒を分散させたＮｉの金属結合材の上にＣｕめっき層を形成した三層砥石（本発明品）、薄刃砥石（４）は砥粒を分散させたＮｉの金属結合材の上にＡｕめっき層を形成した三層砥石（比較例）である。
（１）Ｎｉ電鋳単層砥石（従来技術品）
金属結合材：Ｎｉ（モース硬度：3.5 、ヤング率:210[GPa] ）
砥粒径：5/10μm
形状：外径52×厚さ0.04×内径40 [ｍｍ]
（２）Ｓｎ三層砥石（先行技術品）
金属結合材：Ｎｉ
外側層材質：Ｓｎ（モース硬度：1.5 、ヤング率:55[GPa]）
外側層厚：1.2 μｍ
（３）Ｃｕ三層砥石（本発明品）
金属結合材：Ｎｉ
外側層材質：Ｃｕ（モース硬度：3.0 、ヤング率:120[GPa] ）
外側層厚：1.2 μｍ
（４）Ａｕ三層砥石（比較例）
金属結合材：Ｎｉ
外側層材質：Ａｕ（モース硬度：2.5 、ヤング率:78[GPa]）
外側層厚：1.2 μｍ

加工条件は次の通りである。
加工機：ダイサーDAD522（株式会社ディスコ製）
主軸回転数：30000rpm
被加工物：単結晶材料（ＬｉＴａＯ₃）
ワーク形状：短冊形状（20×80ｍｍ）
送り速度：20ｍｍ/s
カット本数：５本
カット長さ：20ｍｍ×５本計100 ｍｍ

図４は、前述の薄刃砥石（１）〜（４）で加工した際のチッピング結果を示す。この図は、平板状の被加工物を切断した際の切断面に現れるチッピングの大きさを示したもので、各切断面における最大チッピングを集計し、その最大値と最小値と平均値とを示したものである。図４に示すように、Ｎｉ単層砥石の場合には、Ｎｉ金属結合材の硬度が高いため、チッピングが大きい。Ｓｎ三層砥石とＡｕ三層砥石は、外側層であるＳｎめっき層，Ａｕめっき層が緩衝層として働く筈であるが、耐磨耗性が低く、目立て作業によってＳｎめっき層，Ａｕめっき層が殆ど磨耗してしまうため、実際の切断加工におけるチッピング結果はＮｉ単層砥石の場合と殆ど差異がない。一方、Ｃｕ三層砥石では、目立て作業によってＣｕめっき層が磨耗しないので、切断加工におけるチッピング結果はＮｉ単層砥石、Ｓｎ三層砥石及びＡｕ三層砥石に比べて大幅に低減され、かつそのバラツキも小さくなっていることがわかる。このようにＣｕ三層砥石は、他の砥石に比べて良好な切断性能を持つことがわかる。

次に、Ni単層砥石、Cu三層砥石、Sn三層砥石の３種類の薄刃砥石を用いて加工した際のチッピング抑制効果の持続性を評価した。実験条件は以下の通りである。
（１）Ni単層砥石
砥粒径：5/10μm
形状：外径52×厚さ0.04×内径40 [ｍｍ]
（２）Cu三層砥石
基材：Ni単層砥石
エッチング処理
エッチング液：35％塩酸：60％硝酸：純水＝１：１：３(vol％) 混合液
エッチング液量：400ml
エッチング厚：1.7μｍ
めっき処理
めっき液：硫酸銅めっき液
電流：0.2A
めっき時間：340s
浴温度：25℃
Cuめっき厚：1.1μｍ
（３）Sn三層砥石
基材：Ni単層砥石
エッチング処理：Cu三層砥石と同一条件
めっき処理
めっき液：スズめっき酸性浴
電流：0.04A
めっき時間：780s
浴温度：25℃
Snめっき厚：1.1μｍ

加工条件は次の通りである。
加工機：DAD3350（株式会社ディスコ製）
スピンドル回転数：30000rpm
加工速度：20mm/s
切削水流量：1.0リットル/min
加工ワーク：PFLT基板（X-Y焦電処理品）φ100mm
加工ピッチ：0.9mm
加工本数：100本
加工枚数：２枚

以上の条件にて、（１）〜（３）の３種類の砥石にて各２枚のPFLTウェハを加工し、そのとき発生した裏面チッピング量を図５に示す。図５は、砥石のトータル加工長さを横軸にとり、縦軸にそのときのSn三層砥石、Cu三層砥石における裏面チッピング量を、Ni単層砥石で加工したときのチッピング量を１としたときの割合にて示したものである。図５の結果より、Sn三層砥石では、カット長さ10000mmまでは、Ni単層砥石と比べチッピングを20％程度低減する効果が確認できるが、13000mm（ウェハ1.5枚分）を超えるカット長さより、チッピング抑制効果が小さくなり、カット長さ15000mm（ウェハ２枚分）を超える領域ではNi単層砥石と同等のチッピング量にまで悪化する。それに対して、Cu三層砥石では、最初から最後まで20〜30％程度のチッピング抑制効果を持続していることがわかる。

以上のように、Sn皮膜ではチッピング抑制効果が長期的に持続しないのに対し、Cu皮膜では維持していることが確かめられた。今回の加工ワークの場合、１枚のCu三層砥石を用いておおよそ150〜200枚のウェハの切断が可能であり、砥石の長寿命化を達成できた。

本発明に係る薄刃砥石の第１実施形態の正面図及びＡ−Ａ線断面図である。図１に示す薄刃砥石の製造段階を示す断面図である。本発明に係る薄刃砥石の加工前と加工途中の側面図である。各種薄刃砥石のチッピング結果を示す比較図である。 Sn三層砥石とCu三層砥石のチッピング抑制効果の持続性を評価した図である。従来の薄刃砥石の加工前と加工途中の側面図である。

符号の説明

１薄刃砥石
２砥粒
３金属結合材（Ｎｉめっき層）
４Ｃｕめっき層
５被加工物

Claims

砥粒をＮｉ又はＮｉを主体とする合金からなる金属結合材中に分散配置し、前記砥粒の一部を前記金属結合材の表面から突出させてなる電鋳薄刃砥石において、
前記金属結合材の表面に、前記金属結合材からの砥粒の突き出し量を越えない厚みのＣｕめっき層又はＣｕを主体とする合金めっき層が形成され、
前記Ｃｕめっき層又はＣｕを主体とする合金めっき層の厚みは１〜１０μｍであり、
前記Ｃｕめっき層又はＣｕを主体とする合金めっき層は、そのヤング率が前記金属結合材を構成する金属のヤング率より小さく、かつＢＳ６４３０−１３：１９８６，ＥＮ１０１：１９９１に記されたモース硬度評価方法によるモース硬度が２．５より大きな材質であることを特徴とする電鋳薄刃砥石。
前記Ｃｕめっき層又はＣｕを主体とする合金めっき層は、前記砥粒の平均粒径の１５〜１００％の厚みで形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電鋳薄刃砥石。
前記薄刃砥石の全体の厚みは５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の電鋳薄刃砥石。