JP5515646B2 - ワイヤソー及びワイヤソーの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、シリコンやセラミック、サファイヤなどの硬質材料の切断工具として好適なワイヤソーに関する。

現在、シリコンやセラミック、サファイヤなどの硬質材料のマルチワイヤソーによるスライス加工において、ワイヤ表面にダイヤモンド砥粒を固着させたダイヤモンドワイヤ工具が一般化している。これらのダイヤモンドワイヤ工具において、ダイヤモンド砥粒をワイヤに固着する方法には現在、大きく分けて３種類の方法が存在している。レジンボンドによる方法、電着による方法、ロー付けによる方法の３つである。

レジンボンドによる方法は、例えばフェノール樹脂とダイヤモンドの混合物をピアノ線であるワイヤの表面にコーティングして焼付け、ダイヤモンドがフェノール樹脂の硬化によってワイヤに固着される。この方法は生産性がよく、砥粒の量の多寡の調整はでき、安価で長尺のワイヤソーを製作することができる。しかしながら、レジンによる保持力は弱いため、使用中にダイヤモンドが次々脱落する。このため切れ味の低下やワイヤ径の細りなどが生じ、寿命が短いという欠点がある。これに対し、レジンボンドワイヤソーの砥粒保持力を高めるために、表面に金属層をめっきによって形成したワイヤソーが示されている（特許文献１参照）。しかしながら、基本的にワイヤの表面とレジンの接合力が砥粒の保持力に影響すること、更に金属層も基本的にはレジンの表面に形成されるので、金属層とレジン層の剥離強度にも限界があり，硬質物質の切断に適した保持力を十分に確保することはできない。

電着による方法は、ダイヤモンドの固定をニッケルめっき法により行うものであり、たとえばダイヤモンドを布袋に満たしてニッケルめっき液中に沈め、ピアノ線であるワイヤをこの布袋に貫通させ陰極とし、めっき液中に設けたニッケル陽極間に通電する。ワイヤはダイヤモンドとめっき液中でニッケルを析出し次第に太る。このときダイヤモンドはニッケル膜中に取り込まれて、ワイヤの表面に軽く固着される。このめっきはワイヤをゆっくり巻き取りながら連続で行う。前記の布袋から出たワイヤは、析出したニッケルの厚みが所定の厚みになるまで引き続きめっき液中でめっきされる。この電着法で固着されたダイヤモンドの保持力は比較的強い。しかし、この方法においては、ダイヤモンドの固着がめっきの析出速度で決まるため生産が非常に遅く、生産性が悪くコスト高である。また、砥粒の付着量を多くすることなど調整が難しい。

ろう付け法による方法としては、金属ワイヤとろう付け金属接合材或いははんだ付け金属接合材により砥粒をワイヤに固着したワイヤソーが提案されている（例えば、特許文献２、３参照。）。特許文献２記載のろう付け法においてろう付け金属接合材を使った場合、８００〜９５０℃の熱処理が必要であり、安価な高強度炭素鋼などのワイヤでは強度が大きく劣化するためワイヤソーとして使えない。実施例ではワイヤに高炭素鋼を使いつつ８８０℃、３０分間の真空下でろう付けした例が示されているが、強度面で実用に耐えるとは思われない。また、同じく特許文献２の他の実施例には、はんだ付け金属接合材を使ったものとして、はんだ組成の金属（９６％Ｓｎ／４％Ａｇ粉末９９ｇとＣｕ粉末１ｇ）にダイヤモンド粉末が適量混合されたペーストを通って２５０μｍ径のＩｎｃｏｎｅｌ ７１８ワイヤが３５０℃の管状炉を引っ張られ、ダイヤモンド被覆ワイヤを得た例が示されているが、ダイヤモンド砥粒の保持力は基本的にＳｎの強度に影響され、ニッケル電着に及ばない。

また特許文献３では、レジンボンド法と電着法の欠点・課題を解決するためとしてろう付けによる方法が提案され、この場合も固着強度を確保するためにろう材による固着を採用している。ろう材としてたとえば、Ｃｕ−Ａｇ−Ｔｉ合金（溶融温度７００℃以上）の採用が望ましいとあり、そのために高温下にさらされても強度が低下しないタングステンワイヤを線材に使うことが望ましいとされている。線材として広く使われているピアノ線、高炭素鋼が使えないことはコスト面で優位性を減じる原因になっている。また高温下でのろう付けのために真空中或いは不活性ガス雰囲気でのろう付けが必要であり、設備面或いは操業面で煩雑になるという面も課題となっている。この課題を克服するために、５００〜６００℃で溶融するろう材を採用し、熱処理時に２０％以上の強度低下をきたさないステンレス鋼材のワイヤを採用することも提案されているが（特許文献４参照）、ピアノ線や高炭素鋼よりなるワイヤには強度面、コスト的には及ばず、依然として課題が残っている。つまりろう付け法においては、砥粒の多寡の調整ができるが、砥粒保持力を電着並みに高めようとすると、高温ロウ材が必要となり、タングステンなどの耐熱芯線が必要となり、コスト的に高くなる。

特開２００７−２５３２６８号公報 特許第４００８６６０号公報 特開２００６−１２３０２４号公報 特開２００８−２２１４０６号公報

そこで、本発明が前述の状況に鑑み、解決しようとするところは、レジンボンド法で問題とされている寿命が短い点、電着法で問題とされている生産性が悪くコスト高であるという点、ろう付け法で問題とされている高炭素鋼が使えずコスト的に優位でないという点をいずれも解決でき、砥粒の多寡の調整も可能な長寿命で生産性の高い固定砥粒式ワイヤソーを提供する点にある。

本発明は、前述の課題解決のために、ワイヤの表面に砥粒を分散固定したワイヤソーであって、ワイヤの表面にはんだめっき層を形成し、該はんだめっき層上に砥粒を単層に分散・付着させたうえ、該はんだめっき層の表面を溶融・固化して砥粒がその付着面で接合し且つ該砥粒の接着面の周辺に溶融したはんだめっき層のはんだが表面張力で引き寄せられた後に固まってなるフィレットを形成した砥粒仮付けワイヤとし、更に該砥粒仮付けワイヤを金属めっきすることにより砥粒をワイヤ表面に固着させてなることを特徴とするワイヤソーを提供する。

また本発明は、ワイヤの表面に砥粒を分散固定したワイヤソーの製造方法であって、予めワイヤ表面にはんだめっき層を形成し、該はんだめっき層上に砥粒を単層に分散・付着させた後、該はんだめっき層の表面を溶融・固化することにより、砥粒がその付着面で接合し且つ該砥粒の接着面の周辺に溶融したはんだめっき層のはんだが表面張力で引き寄せられた後に固まってなるフィレットを形成した砥粒仮付けワイヤとなし、該砥粒仮付けワイヤを金属めっきすることにより、前記砥粒をワイヤの表面に固着させるワイヤソーの製造方法をも提供する。

以上にしてなる本願発明によれば、ダイヤモンド等の砥粒がはんだによりワイヤに仮付けされ、更にその砥粒が仮付けされたワイヤをニッケルなどの金属でめっきして固着するので、レジンボンド法によるものに比べて砥粒保持力がきわめて強固である。また電着法と比較して、ワイヤへの砥粒の付着を液体による濡れを利用して行ったうえ、はんだの溶融固化により仮付けされるので、生産速度を高くすることができ、砥粒の多寡の調整も容易である。

また、この仮付けの際に砥粒との間にフィレットが形成されたうえで金属めっきされるので、はんだめっき及び金属めっきによる強固なフィレットによって砥粒付着部への応力集中を防止することができ、電着法よりも更に耐久性（砥粒保持力）に優れたワイヤソーを提供できる。また、ろう付け法と比較して、はんだめっきを用いた本発明では二百数十度以下の温度で製造可能であるため、タングステンやステンレスのワイヤ以外にピアノ線などの安価な高炭素鋼のワイヤを用いることができ、しかも真空炉を用いた煩雑な装置も不要であり、低コスト化を図ることができる。

本発明の代表的実施形態に係るワイヤソーを示す断面図。 （ａ）〜（ｄ）は同じくワイヤソーを製造する手順を示す説明図。 第１の工程の製造プロセスを示す模式図。 第２ないし第３の工程の製造プロセスを示す模式図。 第４の工程の製造プロセスを示す模式図。 （ａ）はワイヤソーの変形例を示す断面図、（ｂ）はＡ部拡大断面図。 実施例１、比較例１のワイヤソーの拡大写真。

次に、本発明の実施形態を添付図面に基づき詳細に説明する。図１は、本発明に係るワイヤソーを示す断面図であり、図２はその製造工程を示す説明図である。図中符号１はワイヤソー、１０はワイヤ、１３ははんだめっき層、１４は砥粒、１６は金属めっき層をそれぞれ示している。

本発明のワイヤソー１は、図１に示すように、ワイヤ１０の表面に砥粒１４を分散固定したものであり、ワイヤ１０の表面にはんだめっき層１３が形成され、該はんだめっき層１３の上に砥粒１４が単層に接合されるとともに、その上から金属めっきすることにより砥粒１４をワイヤ表面に固着させた構造である。尚、本例では表面が導電性を有する砥粒１４を用いたことから金属めっき層１６が砥粒１４の上にも被覆されているが、本発明はこれに限定されず、表面が導電性を有さない砥粒を用いることもでき、その場合、図６（ａ），（ｂ）に示すように、砥粒１４間のはんだめっき層１３の上に金属めっき層１６が成長し、砥粒１４の間隙を隙間なく埋めて各砥粒１４を囲い込み、結果として砥粒１４が強固に固着されるのである。

ワイヤ１０は、はんだめっきの溶融温度により強度が劣化しない種々の金属ワイヤを用いることができ、鉄、ニッケル、コバルト、クロム、タングステン、モリブデン、銅、チタン、アルミニウム及びそれらの合金のいずれかからなるものが好適に用いられる。特に、ピアノ線を含む高炭素鋼からなるものが安価且つ安定して入手でき、コスト低減できる点で好ましい。

はんだめっき層１３に用いるはんだは、Ｓｎ単独、ＳｎＰｂ系、ＳｎＡｇＣｕ系、ＳｎＺｎＢｉ系、ＳｎＣｕ系、ＳｎＣｕＮｉ系、ＳｎＡｇＩｎＢｉ系、ＳｎＺｎＡｌ系のいずれかが好ましい。これらのはんだ成分が好ましい理由は、次のとおりである。すなわち、４５０℃以下の金属接合材を一般的にはんだと称するが、本発明における狙いは、比較的安価で、かつ高強度のピアノ線を含む高炭素鋼からなるワイヤに砥粒を固定したワイヤソーの提供である。ピアノ線などの高炭素鋼は３００℃近辺を超える熱環境に一定時間以上さらされると強度が低下するため、本発明に適用すべきはんだは、３００℃以下、望ましくは２７０℃以下の融点を持つはんだが望ましく、上述のはんだの成分により、３００℃以下の融点のはんだが設計・製造できるからである。

砥粒１４は、従来からのワイヤソーに用いられている種々の砥粒を用いることができるが、本発明の狙いである高硬質のシリコン、セラミック、サファイヤなどを切断するには超砥粒で硬度の高いダイヤモンド、ＣＢＮ、ＳｉＣのいずれか、或いはこれらの混合物を用いることが好ましい。
砥粒１４には、はんだへの接合性を良好とするべく、ニッケル、銅、又はチタンの金属で被覆されている。

金属めっき層１６は、好ましくは相互付着性を高められる点で砥粒１４又はその被覆金属と同種の金属からなるめっきが好ましく、例えばニッケルコートしたダイヤモンド砥粒１４に対してニッケルめっき層を電気めっきで形成することが好ましい。

以下、製造手順に沿ってワイヤソー１の詳細を説明する。ワイヤソー１の製造は、大きく分けて４つの工程からなる。

（第１の工程）
第１の工程は、図２（ａ）に示すようにワイヤ１０の表面にはんだめっき層１３を設ける工程である。はんだめっき層１３は、例えばるつぼ内ではんだを溶融し、ワイヤを溶融したはんだの中を通して形成される。図３は、第１の工程の製造プロセスを示す模式図である。本プロセスは、ワイヤの繰り出しリール２０から繰り出されたワイヤ１０が、フラックス塗布装置２１を経て、溶融はんだ槽２２を通過して、その表面に溶融はんだめっき層を形成し、冷却ゾーン２３を通って溶融はんだめっき層を固化し、プリコートワイヤ１１として巻取りリール２４に巻き取られるようにしたプロセスである。

フラックス塗布装置２１は、フラックスをノズルから吹き付ける方法のものや、フラックスの貯槽を通過させる方法のものなどがある。溶融はんだ槽２２には、はんだを溶融させるに十分な加熱装置が設けられているものとする。また、溶融はんだ槽ににワイヤが通せるように案内装置がもうけられていて、ワイヤ１０が溶融はんだ内を通過する。同時にワイヤ１０の表面に溶融はんだめっき層１３を形成される。溶融はんだ槽２２を離れたときにほとんど溶融はんだは固化しているが、固化をより確実にするため、巻取りリール２４に巻き取られる前に冷却ゾーン２３を設けてある。前述したように、図２（ａ）がこの第１の工程を終えて製造されたワイヤの断面を示すもので、ワイヤ１０の表面にはんだめっき層１３が形成されている様子を示している。これをプリコートワイヤ１１と称す。

この第１の工程で形成されるはんだめっき層１３の厚さは、はんだの溶融時の粘性・表面張力及び線の走行速度により変化するが、通常のはんだの場合で数μｍ以下である。はんだめっき層の厚さが６μｍを越えてくると厚さムラが発生してきてワイヤ径が不均一になり、良好なワイヤソーが得られなくなるので、好ましくは５μｍ以下、より望ましくは３μｍ以下である。本例では溶融めっきとしているが、例えばスズの電気めっきによって金属めっき層を形成することもできるのは勿論である。

（第２の工程）
第２の工程は、図２（ｂ）に示すように、第１の工程ではんだめっきしたワイヤ１１の表面に砥粒１４を単層に分散・付着させる工程である。例えば、はんだの溶融する温度以下で分解或いは蒸発する液体で第１の工程で製作したプリコートワイヤ１１の表面を濡らし、その濡れたワイヤを砥粒の入った容器内を通過せしめ、ワイヤ表面にその濡れにより砥粒を付着させる。この場合、図２（ｂ）には示していないが実際には、砥粒相互の凝集力で、砥粒の上に砥粒が乗った状態がみられる。

より具体的には、図４の模式図に示すように、繰り出しリール３０から繰り出されたプリコートワイヤ１１が液体塗布装置３１にて表面が濡らされる。そして表面がぬれたプリコートワイヤ１１が、砥粒付着ゾーン３２内の砥粒散布装置３２aを通過するときに表面に砥粒１４が付着する。ここまでが第２の工程である。これにより図２（ｂ）に示すようにプリコートワイヤ１１のはんだめっき層１３表面に液体層１５が形成され、その液体の濡れにより砥粒１４がプリコートワイヤ１１の表面に張り付いた状況となる。ここで、ワイヤの走行スピード等を調整することで砥粒の付着密度をコントロールする機能を備えることが好ましい。

尚、第２の工程を実施する方法は本例以外にも考えられる。例えば、表面を同じように濡らしたプリコートワイヤを砥粒粉末の貯槽を通過させることでも行うことができるし、静電塗装の原理を使って砥粒をプリコートワイヤに付着させることもできる。また、単なるファンデルワールス力や帯電により付着させることも可能である。いずれもワイヤの走行スピードや吹きつけ量のコントロールにより、砥粒の付着量をコントロールできるのも特徴である。

（第３の工程）
第３の工程は、第２の工程で砥粒１４を仮付着したワイヤのはんだめっき層１３を加熱溶融した後、冷却固化して砥粒１４をはんだめっき層１３表面に接合させ、仮付けする工程である。具体的には、図４の模式図に示すように、第２の工程に連続して行なわれ、砥粒散布装置３２を通過した砥粒付着プリコートワイヤワイヤは加熱炉３３に導かれて加熱される。この加熱炉３３は、プリコートのはんだめっき層１３を溶融させるに十分な温度に過熱できるようになっており、加熱炉３３内では、付着している液体層１５の液体が蒸発し、同時にはんだめっきが溶融し、蒸発した液体層１５の液体に代わって溶融はんだめっき層１３により砥粒１４がその接触面でワイヤに濡れた状況になる。このワイヤが加熱炉３３を出て冷却ゾーン３４を通ると、溶融はんだめっき層１３が固化され、砥粒１４はワイヤに接合されることとなる。

図２（ｃ）は、この工程を終えたワイヤの断面で、溶融したはんだめっき層１３のはんだが砥粒１４の周囲に表面張力で引き寄せられた後に固まりフィレット１３ａを形成している様子を示している。すなわち、この方法の特長は、砥粒１４の接着面の周辺にフィレット１３ａが形成された形となり、砥粒１４が安定した形で接合されることである。このフィレット１３ａが存在することにより、後工程の金属めっきも滑らかに砥粒１４を囲うこととなり、フィレット１３ａが形成されない電着による砥粒の接合状態と異なり砥粒保持力の大きなワイヤソーが得られるのである。

第２の工程で砥粒相互の凝集力により砥粒１４上に余分に付着した砥粒は、はんだめっき層１３と接触していないので第３の工程においてもワイヤに接合されることはなく、たとえば冷却ゾーン３４で空気の流れを当てることにより除去されてワイヤ上の砥粒１４は単層をなすこととなる。以下、第３の工程で作製されたワイヤを砥粒仮付けワイヤ１２という。この砥粒のワイヤに対する接着力は、はんだと砥粒、はんだとワイヤの接着力により決まってくるが、ほとんど砥粒の一面だけで接着される状況なので、接着力が不十分で、このままワイヤソーになるものではない。したがって、ワイヤソーに使う場合は、後述の第４の工程により砥粒を更に強固にワイヤに固着させる必要がある。

（第４の工程）
第４の工程は、図２（ｄ）に示すように砥粒仮付けワイヤ１２に金属めっきを施し、砥粒１４をワイヤに強固に固着する工程である。図５は、第４の工程の製造プロセスを示す模式図である。本装置において、第３の工程で製作された砥粒仮付けワイヤ１２が繰り出しリール４０から繰り出され、、脱脂槽４２、酸洗い槽４３、水洗い槽４４、めっき槽４５、水洗い槽４６を経て巻取りリール４７に巻き取られる。

めっき槽４５には、アノード４５ｃとワイヤをカソードとするための給電ロール４５ｂが設置され、直流電源４５ａが設置されている。このめっき槽４５を通過する間に砥粒仮付けワイヤ１２の表面に金属めっき層が形成される。砥粒表面が導電性である場合、ワイヤのはんだめっき層の上のみならず砥粒上にも金属めっき層が形成され、砥粒はきわめて強固にワイヤに固着される。図２（ｄ）及び図１の断面の固定砥粒ワイヤが得られる。金属めっきの厚さは、ワイヤの走行速度、めっき電流によってコントロールされる。この第４の工程で形成される金属めっきの厚さは、本例のように導電性の被覆をした砥粒１４の場合、この砥粒１４表面にも金属めっきが乗るため、厚すぎるとワイヤ使用前のドレッシング（めだて）に時間がかかり効率が落ちる。したがって、好ましくは３〜１０μｍ、より好ましくは３〜５μｍである。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこうした形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

次に、本発明の製造方法で作製した実施例１のワイヤソーと、電着方法により作製した比較例１のワイヤソーを図７の写真に基づき説明する。

実施例１のワイヤソーは、上述した図３〜５のプロセスを用いて作製した。ワイヤとして直径１８０μｍのピアノ線を用い、溶融温度２２０℃の鉛フリーはんだを用いて２〜２．５μｍ厚のはんだめっき層を形成してプリコートワイヤを作製した。このプリコートワイヤを液体で濡らしたうえ、サイズ３０〜４０μｍのニッケルコートダイヤモンド砥粒をワイヤ走行速度２０ｍ／分で分散・付着させ、溶融固化して砥粒仮付けワイヤを作製した。図７（ａ）はこの砥粒仮付けワイヤの拡大写真である。はんだが砥粒の周辺に引き寄せられてフィレットを形成している。このためワイヤ周辺のはんだめっき層の厚さはサブミクロンレベルになっているとみられる。

次に、この砥粒仮付けワイヤに対し、ワイヤ走行速度１０ｍ／分、電流２０アンペアでニッケルめっきを１０μｍの厚さまで行った。図７（ｂ）は金属めっき後の完成したワイヤソーの拡大写真である。金属めっき層はフィレット上をもカバーする形で被覆され、砥粒が完全に被覆された形で固着されているのが分かる。

比較例１のワイヤソーは、ダイヤモンド砥粒を電着でワイヤに固定したものである。ワイヤ径は１８０ミクロン、砥粒はダイヤモンド砥粒（平均粒子径３０〜４０ミクロン）、電着素材はニッケルである。

図７（ｃ）は比較例１のワイヤソーの拡大写真である。金属めっきで被覆されている砥粒の付着面の周囲が黒い影のように見えるが、これは実施例１のように金属めっきの下地としてはんだめっき層のフィレットが存在しないため、金属めっきが当該付着面の周囲の隙間に十分に付着せず、ワイヤ表面の金属めっきと砥粒表面の金属めっきとが十分に結合できていないことを示している。

ワイヤソーを使用する際には砥粒にワイヤの走行方向と逆に力がかかり、砥粒とワイヤの間には砥粒を引き剥がそうという力がかかるが、この力が比較例１のような電着による場合の形状では、金属めっきがのっていない砥粒付着面に応力集中が生じ、砥粒が脱落しやすい。これに対し、実施例１でははんだめっき層のフィレットが当該付着面の周囲に形成され、そのうえに金属めっきが確実に載って前記した応力集中を避けることができ、これが電着法よりも更に耐久性（砥粒保持力）に優れたワイヤソーが実現できた理由になっていることが分かる。

１ ワイヤソー
１０ ワイヤ
１１ プリコートワイヤ
１２ 砥粒仮付けワイヤ
１３ はんだめっき層
１３ａ フィレット
１４ 砥粒
１５ 液体層
１６ 金属めっき層
２０ 繰り出しリール
２１ フラックス塗布装置
２２ 溶融はんだ槽
２３ 冷却ゾーン
２４ 巻取りリール
３０ 繰り出しリール
３１ 液体塗布装置
３２ 砥粒付着ゾーン
３２ａ 砥粒散布装置
３３ 加熱炉
３４ 冷却ゾーン
４０ 繰り出しリール
４２ 脱脂槽
４３ 酸洗い槽
４４ 水洗い槽
４５ めっき槽
４５ａ 直流電源
４５ｂ 給電ロール
４５ｃ アノード
４６ 水洗い槽
４７ 巻取りリール

Claims (2)

1. ワイヤの表面に砥粒を分散固定したワイヤソーであって、ワイヤの表面にはんだめっき層を形成し、該はんだめっき層上に砥粒を単層に分散・付着させたうえ、該はんだめっき層の表面を溶融・固化して砥粒がその付着面で接合し且つ該砥粒の接着面の周辺に溶融したはんだめっき層のはんだが表面張力で引き寄せられた後に固まってなるフィレットを形成した砥粒仮付けワイヤとし、更に該砥粒仮付けワイヤを金属めっきすることにより砥粒をワイヤ表面に固着させてなることを特徴とするワイヤソー。
2. ワイヤの表面に砥粒を分散固定したワイヤソーの製造方法であって、
   予めワイヤ表面にはんだめっき層を形成し、
   該はんだめっき層上に砥粒を単層に分散・付着させた後、
   該はんだめっき層の表面を溶融・固化することにより、砥粒がその付着面で接合し且つ該砥粒の接着面の周辺に溶融したはんだめっき層のはんだが表面張力で引き寄せられた後に固まってなるフィレットを形成した砥粒仮付けワイヤとなし、
   該砥粒仮付けワイヤを金属めっきすることにより、前記砥粒をワイヤの表面に固着させるワイヤソーの製造方法。