JP5576177B2 - 固定砥粒ワイヤーソー及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、シリコン、サファイア、単結晶炭化珪素、セラミックス材料、磁性材料などの硬脆材料のインゴットを切断加工する際に用いられる固定砥粒ワイヤーソー及びその製造方法に関するものである。

従来、シリコン、サファイア、磁性材料などの硬脆材料のインゴットを切断加工して薄板状基板を得る際には、一般に、砥粒を固着させた内周刃砥石を用いて上記薄板状基板を１枚ずつ切断する加工方法が採られていた。しかし、近年では、切断加工での生産性、および切断加工で生じるカーフロス低減等の観点より、ワイヤーソーを用いて複数枚の薄板状基板を同時に得る加工方式が適用される事例が増加している。

上記ワイヤーソーを用いた加工方式は、主として、被加工物にアルミナ、炭化珪素等の砥粒と分散材とを混合させたスラリーを供給しながらワイヤーソーで切断する遊離砥粒方式と、外周表面に砥粒を固着したワイヤーソーで被加工物を切断する固定砥粒方式とに分類される。ところが、前者の遊離砥粒加工方式は、切断加工後のスラリーの廃棄処理の問題や、切断加工に時間を要するという問題があることから、後者の固定砥粒方式が強く要望されている。

上記固定砥粒方式で用いられるワイヤーソー（固定砥粒ワイヤーソー）は、ピアノ線等の金属線を芯線として、その外周面に多数の砥粒を固着して成るもので、該砥粒を固着する結合材の種類により、レジンボンドを結合材とするレジンボンドワイヤーソーと、ニッケル等の金属メッキ層を結合材とする電着ワイヤーソーとに分類される。

このうちレジンボンドワイヤーソーは、機械的強度が比較的小さい樹脂を結合材として用いているため、砥粒の脱落や樹脂の剥離等が生じ易く、砥粒保持力が小さいという問題がある。しかも、砥粒の突出量を大きくすることができないため、被加工物の切断加工中に目詰まりを生じ、研削性が著しく低下するという問題もある。

これに対して上記電着ワイヤーソーは、ニッケル等の金属メッキ層を結合材として用いるためレジンボンドワイヤーソーに比べて機械的強度が比較的大きい。このため、上記レジンボンドワイヤーソーよりはこの電着ワイヤーソーを用いるのが有利である。

このような電着ワイヤーソーの例として、特許文献１には、表面にＮｉ、Ｔｉ、Ｃｕ等の金属を被覆した砥粒を、芯線の表面に電着によりランダムに固着したワイヤーソーが提案されている。このワイヤーソーは、メッキ層の厚みを薄くすることが出来るため砥粒の突出量が大きくなり、生産性も良いなどの利点がある。

しかし、上記電着ワイヤーソーは、芯線の表面に砥粒をランダムに固着しているため、砥粒間隔が小さくなったり、砥粒がワイヤーソーの走行方向に隣接して固着されたりすることが多く、これに伴う問題点を抱えている。即ち、一般に固定砥粒ワイヤーソーは、その加工方式から、切断加工時に被加工物に接触するのは該ワイヤーソーの円形断面の約半周部分程であることから、上述したように砥粒間隔が小さかったりワイヤーソーの走行方向に砥粒が隣接して固着されていると、被加工物の切断加工時に切削が冷却水と共に排除されずに砥粒間に詰まり易く、その結果、切削性能が低下するだけでなく、切削動作が不安定になってワイヤーソーが撓んだり横ぶれしたりし易く、加工精度が維持できにくいという問題がある。

上記の問題を解決するには、例えば特許文献２や特許文献３に開示されているように、芯線の外周に砥粒を螺旋状に固着することが望ましい。

しかし、特許文献２に開示されたワイヤーソーは、砥粒の固着に熱硬化性樹脂を用いたものであるため、レジンボンドワイヤーソーであり、従って、レジンボンドワイヤーソーに特有の砥粒の脱落や樹脂の剥離等が生じ易く、砥粒保持力が低いという問題を有している。
また、特許文献３に開示されたワイヤーソーは、コイル状に巻かれた台金線に砥粒をメタルボンド層で固着し、このコイル状台金線の中空部内にロープ状の芯線を挿入して形成したものであるため、被加工物の切断加工時に大きな張力を掛けることが出来ず、加工精度が低いという問題がある。

特開２００６−１８１７０１号公報 特開２００３−８０４６６号公報 特開２００４−１７２７６号公報

本発明は、上述した従来の問題点に鑑み、砥粒の高い保持力を維持しつつ、切屑の排出性も高く、しかも高張力での長時間の切断が可能な固定砥粒ワイヤーソーを提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するため、本発明の固定砥粒ワイヤーは、単線で導電性を有するワイヤーの外周面に、多数の砥粒が直接固着されることにより砥粒層が形成された固定砥粒ワイヤーソーであって、上記砥粒が、上記ワイヤーの外周面に対し、溶融により接着剤として作用するナイロン繊維で該外周面に螺旋状に形成された接着剤層によって一次固着されると共に、電着による金属メッキ層で二次固着されることにより、上記ワイヤーの外周面に上記砥粒層が螺旋状に形成されていることを特徴とするものである。

本発明において用いられる上記砥粒として好ましいのは、ダイヤモンド砥粒、ｃＢＮ砥粒、Ａｌ２Ｏ３砥粒、及びＳｉＣ砥粒の中から選択される一種又は二種以上の混合物である。
本発明において好ましくは、上記ワイヤーが金属線であり、また、上記砥粒層の螺旋ピッチがワイヤーの軸線方向に均一であることである。

また、本発明によれば、単線で導電性を有するワイヤーを軸線方向に連続的に移動させながら、該ワイヤーの外周面に対し、多数の砥粒を有機接着剤で固着したあとさらに金属メッキ層で固着して螺旋状の砥粒層を形成する固定砥粒ワイヤーソーの製造方法が提供される。この製造方法は、上記ワイヤーを有機接着剤の溶融温度に加熱する第１工程と、該第１工程で加熱された上記ワイヤーの外周面に対し、細線状の上記有機接着剤を螺旋状に巻き付けて溶融により付着させることにより、螺旋状の接着剤層を形成する第２工程と、該第２工程で上記ワイヤーの外周面に形成された上記接着剤層に多数の砥粒を付着させて一次固着させる第３工程と、該第３工程で砥粒が一次固着された上記ワイヤーを電解メッキ液中に浸漬し、該ワイヤーの外周面全体に電着による金属メッキ層を形成して上記砥粒を二次固着させることにより、該ワイヤーの外周面に螺旋状の上記砥粒層を形成する第４工程とを有する。

本発明の製造方法においては、上記第２工程において、上記有機接着剤を、上記ワイヤーの外周面に対し、該ワイヤーの軸線と直角を成す平面に沿って回転させながら巻き付けることにより螺旋状に溶融接着させることが望ましい。

本発明の固定砥粒ワイヤーは、芯線として単線のワイヤーを用い、該ワイヤーの表面に有機接着剤による接着剤層で砥粒を一次固着したあと、その上からさらに電着による金属メッキ層で上記砥粒を二次固着して螺旋状の砥粒層を形成しているので、砥粒保持力に勝れて該砥粒が脱落しにくいだけでなく、切屑の排出性にも勝れ、高張力での長時間の切断も可能である。

本発明に係る固定砥粒ワイヤーソーの実施形態を、一部の砥粒を省略した状態で概略的に示す部分側面図である。 図１の部分拡大断面図である。 図１の固定砥粒ワイヤーソーの製造工程を示す概念図である。 有機接着剤で接着剤層を形成する工程を示す概略図である。 本発明に係る固定砥粒ワイヤーソーの走査顕微鏡写真である。 ワイヤーソーの切断加工性能測定に使用した加工装置の概略構成図である。

以下、本発明に係る固定砥粒ワイヤーソーとその製造方法とについて説明する。
図１及び図２は本発明に係る固定砥粒ワイヤーソー１の一実施形態を概略的に示すもので、このワイヤーソー１は、導電性を有する単線のワイヤー２の外周面に、多数の砥粒４を、有機接着剤５ａ（図４参照）で形成された接着剤層５により直接かつ螺旋状に一次固着したあと、さらに電着による金属メッキ層６で二次固着することにより、上記ワイヤー２の外周面に螺旋状の砥粒層３を形成したものである。

図示した例では、上記接着剤層５に沿って砥粒４が一列に固着された状態が示されているが、これは単純化した形で描かれているだけで、実際には、上記接着剤層５の幅方向に複数の砥粒４がランダムな配置で固着されることも当然あり得る。
また、図示した例では、上記砥粒層３が一筋の螺旋に沿って形成されているが、二重あるいは三重以上の螺旋に沿って砥粒層３を形成することもできる。

上記ワイヤーソー１は、図３に示す方法によって製造することができる。この方法によれば、第１ボビン１１に巻かれたワイヤー２が該第１ボビン１１から引き出され、予備加熱のための第１工程１３、接着剤層５を形成するための第２工程１４、該接着剤層５に砥粒４を付着させるための第３工程１５、電着のための第４工程１６、洗浄のための第５工程１７を経て第２ボビン１２に巻き取られる間に、上記ワイヤーソー１が形成される。

さらに具体的に説明すると、上記第１ボビン１１に巻かれたワイヤー２は、第２ボビン１２によって一定の速度で引き出され、先ず上記第１工程１３に送られる。この第１工程１３は、ワイヤー２の外周に有機接着剤５ａによる上記接着剤層５を形成するための前処理工程であって、電気ヒータやその他の適宜加熱手段によって上記ワイヤー２が、上記有機接着剤５ａの溶融温度に加熱される。
上記ワイヤー２には、ブラスメッキされたピアノ線、硬鋼線、ステンレス線などの加工ばね鋼による金属線材が好適に使用される。

加熱された上記ワイヤー２は第２工程１４に送られ、図４から分かるように、ここで、繊維状あるいは糸状などの細線状に形成された上記有機接着剤５ａを螺旋状に巻き付けられることにより、上記接着剤層５が形成される。即ち、上記細線状の有機接着剤５ａを供給する接着剤供給源１８が、一定速度で移動する上記ワイヤー２に対し、該ワイヤー２の軸線Ｌを中心として該ワイヤー２の移動方向（軸線Ｌ方向）と直角を成す平面１９に沿って回転することにより、上記接着剤供給源１８から繰り出された有機接着剤５ａが該ワイヤー２の外周面に螺旋状に巻き付けられる。そうすると、ワイヤー２の熱で該有機接着剤５ａが溶融して帯状に拡散した状態で該ワイヤー２に付着し、螺旋状の上記接着剤層５が形成される。このとき、上記接着剤供給源１８即ち有機接着剤５ａの回転速度を一定にすることにより、上記接着剤層５の螺旋ピッチＰを軸線Ｌ方向に均一にすることができる。しかし、要すれば、上記有機接着剤５ａの回転速度を変化させることにより上記接着剤層５の螺旋ピッチＰを部分的あるいは全体的に変化させても良い。

また、図４に鎖線で示すように、第２の接着剤供給源１８Ａを上記平面１９に沿って上記接着剤供給源１８と１８０度異なる位置に配置し、２つの接着剤供給源１８，１８Ａを同期させて回転させることにより、接着剤層５を二重螺旋状に形成することもできる。この場合、該接着剤層５の螺旋ピッチは、該接着剤層５が１筋の螺旋である場合の１／２になる。
このように、複数の接着剤供給源１８，１８Ａを上記ワイヤー２の回りに等角度間隔で配置することにより、該接着剤供給源１８，１８Ａと同じ数の接着剤層５を多重に形成することができる。
上記有機接着剤５ａとしては、例えば低融点ナイロン繊維（東レ株式会社製＼商品名：エルダー）を好適に使用することができる。

続いて、上記ワイヤー２は第３工程１５に送られ、ここで、多数の砥粒４が上記接着剤層５に付着させられることによって該ワイヤー２の外周面に螺旋状に一次固着され、乾燥される。
上記砥粒４としては、ダイヤモンド砥粒、ｃＢＮ砥粒、Ａｌ２Ｏ３砥粒、及びＳｉＣ砥粒の中から選択される一種又は二種以上の混合物が用いられる。好ましくは、砥粒４の表面が部分的あるいは全体的に導電性を有していることである。

次に、砥粒４が一次固着された上記ワイヤー２は第４工程１６に送られ、メッキ槽２０内の電解メッキ液２１中に浸漬され、この電解メッキ液２１中を通過する間に電着による金属メッキが施され、金属メッキ層６（図２参照）によって上記砥粒４がさらに二次固着される。即ち、上記ワイヤー２を陰極とし、電解メッキ液２１中に浸漬したニッケル等の金属板２２を陽極とした状態で上記ワイヤー２が上記メッキ槽２０中を通過すると、該ワイヤー２の外周面及び砥粒４の表面にメッキ金属が析出し、接着剤層５でワイヤー２に一次固着された各砥粒４がその上からさらにニッケルによる金属メッキ層６で二次固着される。

上記金属メッキ層６の好ましい厚みは、砥粒４の平均粒径の３０−５０％の範囲内であり、より好ましくは３５−４５％の範囲内であり、最も好ましいのは４０％である。
また、上記電解メッキ液２１は、例えばスルファミン酸ニッケル、ホウ酸、塩化ニッケル、添加剤から成り立っている。

そして、上記第４工程１６を通過した上記ワイヤー２は第５工程１７に送られ、洗浄槽中の洗浄液に浸漬されることによって洗浄されたあと、乾燥されることによって固定砥粒ワイヤーソー１となり、上記第２ボビン１２に巻き取られる。
なお、本発明の固定砥粒ワイヤーソーおよびその製造方法は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々変更を加えることができるものである。

以下に本発明の実施例を比較例との性能を比較するが、本発明がこの実施例のものに限定されることを意味するものではない。

［実施例］
図５は、図３の方法で製造された本発明に係る固定砥粒ワイヤーソー１の走査電子顕微鏡写真である。このワイヤーソー１は、ワイヤー２として表面がブラスメッキされた線径０．１２ｍｍのピアノ線を使用し、砥粒４には、表面がＴｉで導電性被覆された平均粒径１５μｍの砥粒を使用し、上記ワイヤー２の外周に、有機化合物からなる直径１０μｍの撚り糸状の有機接着剤５ａを二重螺旋状に巻き付けて接着剤層５を形成し、この接着剤層５で上記砥粒４をワイヤー２に一次固着したあと、ニッケルメッキにより二次固着したものである。製造されたワイヤーソー１の線径は１６０μｍで、金属メッキ層６の厚さは７．２μｍであった。

［比較例］
比較例として、次の方法で製造した固定砥粒ワイヤーソーを用いた。このワイヤーソーは、表面がブラスメッキされた線径０．１２ｍｍのピアノ線からなるワイヤーを、表面がＴｉで導電性被覆された平均粒径１５μｍの砥粒を分散させた懸濁液状態の電解メッキ液中に浸漬し、ニッケルメッキにより上記砥粒を上記ワイヤーの外周面にランダムに固着したものである。このワイヤーソーの線径は１５８μｍで、メッキ層の厚さは７．１μｍであった。

そして、上記実施例のワイヤーソーと比較例のワイヤーソーとの破断強度、捻回クラック数を測定すると共に、加工性能を測定し、それらを比較した。

ここで、上記捻回クラック数とは、ワイヤーソーを１００ｍｍの間隔をおいた２箇所でチャックし、５００ｇｆの荷重を強制的に与えて１０回捻った後、２０倍の光学顕微鏡で金属メッキ層の表面に現れたクラックの数を測定したものである。

また、加工性能の測定では、図６に示すような加工装置を使用し、この加工装置に上記実施例のワイヤーソーと比較例のワイヤーソーとを装着して単結晶シリコンインゴット（１２５ｍｍ×１２５ｍｍ×１００ｍｍ）３０の切断加工を行った。

上記加工装置は、その構成自体公知のもので、供給側リール３１から引き出されたワイヤーソーＹを、外周に螺旋状のガイド溝３２ａが設けられた２つのメインローラ３２に該ガイド溝３２ａに沿って多重に巻き掛けることにより、両メインローラ３２，３２の上部間に、ワイヤーソーＹが一定ピッチで並行するワイヤーソー列ＹＲを形成し、上記ワイヤーソーＹの先端を回収側リール３３に巻き付けたものである。

そして、上記リール３１，３３と２つのメインローラ３２とを同期させて往復回転させることにより、上記ワイヤーソー列ＹＲ中の各ワイヤーソーＹを長さ方向（図６の左右方向）に同期させて往復動させると共に、供給側リール３１から少しずつ新たなワイヤーソー（新線）を繰り出しながら、上記ワイヤーソー列ＹＲ中の各ワイヤーソーＹで上記シリコンインゴット３０を薄板状に一度に切断加工するものである。このとき、上記シリコンインゴット３０は上記ワイヤーソー列ＹＲに向けて図の下向きに一定速度で送られ、加工部には水溶性加工液が供給される。
なお、上記ワイヤーソー列ＹＲの部分では、各ワイヤーソーＹが定位置で往復動し、メインローラ３２の中心軸線方向には変位しないようになっている。

ここで、上記ワイヤーソー列ＹＲにおけるワイヤーソーＹの配列間隔は０．３６ｍｍ、張力は２５Ｎ、往復動の速度は６００ｍ＼ｍｉｎ、新線の供給速度は４ｍ＼ｍｉｎ、シリコンインゴット３０の送り速度は６０ｍｍ＼ｈとし、上記シリコンインゴット３０を２７７枚の薄板状基板に切断した。
そして、全ての薄板状基板について、厚みのばらつき（基板面内５点における厚みの最大値と最小値との差）と、反り（切断開始端から切断終了端までの平面度を接触式測定器で測定したもの）とを測定した。その測定結果を表１に示す。

表１から分かるように、砥粒をワイヤーに有機接着剤層と金属メッキ層とによって螺旋状に固着した本発明のワイヤーソーは、砥粒をワイヤーにランダムに固着した比較例のワイヤーソーより、切断したワークの厚みのばらつきを９μｍ小さくすることができると共に、反りを８．５μｍ小さくすることが可能であり、加工精度に勝れるものである。

１ 固定砥粒ワイヤーソー
２ ワイヤー
３ 砥粒層
４ 砥粒
５ 接着剤層
５ａ 有機接着剤
６ 金属メッキ層
１３ 第１工程
１４ 第２工程
１５ 第３工程
１６ 第４工程
１９ 平面
２１ 電解メッキ液

Claims (6)

1. 単線で導電性を有するワイヤーの外周面に、多数の砥粒が直接固着されることにより砥粒層が形成された固定砥粒ワイヤーソーであって、
   上記砥粒が、上記ワイヤーの外周面に対し、溶融により接着剤として作用するナイロン繊維で該外周面に螺旋状に形成された接着剤層によって一次固着されると共に、電着による金属メッキ層で二次固着されることにより、上記ワイヤーの外周面に上記砥粒層が螺旋状に形成されている、
   ことを特徴とする固定砥粒ワイヤーソー。
2. 上記砥粒が、ダイヤモンド砥粒、ｃＢＮ砥粒、Ａｌ２Ｏ３砥粒、及びＳｉＣ砥粒の中から選択される一種又は二種以上の混合物であることを特徴とする請求項１に記載の固定砥粒ワイヤーソー。
3. 上記ワイヤーが金属線であることを特徴とする請求項１または２に記載の固定砥粒ワイヤーソー。
4. 上記砥粒層の螺旋ピッチがワイヤーの軸線方向に略均一であることを特徴とする請求項１−３の何れかに記載の固定砥粒ワイヤーソー。
5. 単線で導電性を有するワイヤーを軸線方向に連続的に移動させながら、該ワイヤーの外周面に対し、多数の砥粒を有機接着剤で固着したあとさらに金属メッキ層で固着して螺旋状の砥粒層を形成する固定砥粒ワイヤーソーの製造方法であって、
   上記ワイヤーを上記有機接着剤の溶融温度に加熱する第１工程と、
   上記第１工程で加熱された上記ワイヤーの外周面に対し、細線状の上記有機接着剤を螺旋状に巻き付けて溶融により付着させることにより、螺旋状の接着剤層を形成する第２工程と、
   上記第２工程で上記ワイヤーの外周面に形成された上記接着剤層に多数の砥粒を付着させて一次固着させる第３工程と、
   上記第３工程で砥粒が一次固着された上記ワイヤーを電解メッキ液中に浸漬し、該ワイヤーの外周面全体に電着による金属メッキ層を形成して上記砥粒を二次固着させることにより、該ワイヤーの外周面に螺旋状の上記砥粒層を形成する第４工程と、
   を有することを特徴とする固定砥粒ワイヤーソーの製造方法。
6. 上記第２工程において、上記有機接着剤を、上記ワイヤーの外周面に対し、該ワイヤーの軸線と直角を成す平面に沿って回転させながら巻き付けることにより螺旋状に溶融、接着させることを特徴とする請求項５に記載の固定砥粒ワイヤーソーの製造方法。