JPH0911050A - マイクロドリル及びその作成方法 - Google Patents

マイクロドリル及びその作成方法

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JPH0911050A
JPH0911050A JP8133328A JP13332896A JPH0911050A JP H0911050 A JPH0911050 A JP H0911050A JP 8133328 A JP8133328 A JP 8133328A JP 13332896 A JP13332896 A JP 13332896A JP H0911050 A JPH0911050 A JP H0911050A
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drill
tungsten carbide
microdrill
coating
tip
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JP8133328A
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Michael Bickham
マイケル・ビッカム
Richard W Burns
リチャード・ウェイン・バーンズ
Glenn D Johnson
グレン・ダグラス・ジョンソン
Joe Negron
ジョー・ネグロン
Oliver K Sparkman
オリヴァー・ケント・スパークマン
Dale W Wilhite
デール・ウェイン・ウィルハイト
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Original Assignee
International Business Machines Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 孔の位置精度及び品質を改善し、孔の形成を
迅速にし、かつ耐用期間の長いマイクロドリルを提供す
る。 【解決手段】 炭化タングステン・ベースのマイクロド
リルを、高温ダイアモンド状カーボンで数ミクロンの厚
さに被覆する。次に、マイクロドリルの切削ファセット
を研磨して、炭化タングステン材料を露出させる。この
溝面を低摩擦材料で被覆し、切削面のファセットには、
そのような被覆がないマイクロドリルは、著しく長いド
リルの耐用期間とより高い穿孔位置精度を示し、大幅に
高い切り屑負荷量で動作でき、プリント回路板に高品質
の孔を作成する際に特に有用である。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般にドリルに関
する。より詳細には、本発明は、マイクロドリルの性能
を改善する選択的被覆を対象とする。
【０００２】
【従来の技術】多層電子プリント回路板は、様々な層内
の銅パターンの間で電気的相互接続を必要とする。この
相互接続は、一般にビアまたはメッキ・スルーホールと
呼ばれ、様々な基板層によって画定された回路間で、電
力、電気接地、及び処理信号を伝える。層から層への実
際の接続は、基板を貫通するように開けられた孔の中に
銅メッキ層を形成することによって達成され、その孔の
位置が、層間の相互接続を画定する。電子デバイスが小
さくなり動作周波数が上昇するにつれて、個々の孔の大
きさは小さくなり、基板表面単位面積当たりの孔の数は
増え続けている。従来の方法では、ビアの位置を画定す
る孔は、一般にマイクロドリルと呼ばれる高速で直径の
小さなドリル・ビットを使って孔開けされる。
【０００３】プリント回路板にビアを作成する従来の方
法には、２つの段階がある。１つは、穿孔と呼ばれる機
械的プロセスを利用して、多層基板のファイバ・ガラス
と銅の積層板に孔を作成する。その後、メッキと呼ばれ
る化学的プロセスによって、機械的に開けた孔に導電性
の銅層を形成する。したがって、孔の穿孔プロセスの品
質が、孔の位置精度及び孔の滑らかさの点でボードに形
成されるビアの品質に影響を及ぼす。
【０００４】プリント回路板工場の資本の約２０％が機
械的穿孔プロセス機器に投資されることは珍しいことで
はない。プリント回路板製造の他の段階に比較して、穿
孔プロセスは遅いものである。各孔は穿孔機械で連続し
て穿孔される。穿孔機械は微細化された多層プリント回
路板に要求される高い精度を維持する。典型的な機械は
正規のチップ負荷で毎秒約３個の孔を穿孔する。
【０００５】プリント回路板工業用のマイクロドリル・
ビットの直径は約０．１ないし０．５ミリメートルまで
変動する。業界標準のツイスト・タイプのマイクロドリ
ルは８パーセントのコバルト・バインダで接合（cemen
t）された９２パーセントの炭化タングステン結晶で製
造される。炭化タングステンは複数のエポキシ層、銅層
及びケイ素ガラス層を有する積層プリント回路板を貫通
するのに適した耐磨耗性を示す。典型的な使用方法にお
いて、マイクロドリルは取り替えたり、再刃付けを行わ
なければならなくなるまでに、約１１００個の孔を作成
することができる。業界全体では、この範囲は１０００
〜２０００個の孔となっている。
【０００６】調査を行ったところ、マイクロドリルの切
削面のみに炭化タングステンによってもたらされる靱性
が必要なことが判明した。９２パーセントの炭化タング
ステンが広く使用されているのは、穿孔プロセス中に穿
孔速度及び貫入速度を高くすることによって孔の形成時
間を短縮するために行われた経験的な研究の結果であ
る。穿孔速度を高め、孔位置の精度を良好なものとする
ことを求めて、ドリル・ビットの炭化タングステン含有
量を高める試みは、穿孔プロセス中に除去されるボード
切り屑の影響のため不成功に終わった。切削速度を高く
すると、切り屑がドリルの溝の中で動かなくなり、孔の
形が粗くなったりドリル・ビットの破局的な破損を引き
起こしたりする。後者の場合、通常そのプリント回路板
はスクラップになる。
【０００７】また、プリント回路板の大きさが小さくな
ると、孔の位置精度の重要性が増す。積み重ねた３枚の
プリント回路板に一度に孔を開けるのに従来のマイクロ
ドリルを使用すると、３シグマの位置精度が約０．０７
５ミリメートルになる。マイクロドリルの組成の研究
で、炭化タングステンの濃度が高くなるほど位置精度は
良くなることが示されている。しかしながら、そのよう
に濃度が高くなると、前に述べたように、孔が粗くなり
ドリル・ビットの破損の発生が多くなる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】したがって、孔の位置
精度を維持または改善し、孔の粗さを改善し、孔の形成
を迅速にし、再刃付けサイクル間のマイクロドリル・ビ
ットの耐用期間を延ばすマイクロドリルが必要とされ
る。
【０００９】
【課題を解決するための手段】従来技術に特徴的な問題
は、低摩擦溝の炭化タングステン・ベースのマイクロド
リルの利用により解決される。マイクロドリルは、溝付
きのねじれ刃ドリルを炭化タングステンで作成し、マイ
クロドリルの表面に極めて低摩擦の材料を被覆し、ねじ
れ刃ドリルの切削面のファセットにおいて炭化タングス
テンを露出させることによって作成する。ねじれ刃ドリ
ル自体は、炭化タングステンの含有量が高く、ドリル・
ボディに溝が彫られ、ドリルの溝面が極めて低摩擦の材
料の薄い層で被覆され、切削先端のファセットにおいて
炭化タングステンが露出しているという特徴がある。
【００１０】本発明の特定の形態においては、９４パー
セントの炭化タングステンのマイクロドリル・ボディ
に、化学気相蒸着（ＣＶＤ）によって、シリコン強化ダ
イアモンド状カーボン（高温ダイアモンド状カーボンと
呼ばれる）を、公称厚さ１〜６ミクロンに被覆する。次
に、ドリルの先端を刃付けして、第１及び第２のファセ
ットにおいて炭化タングステンを露出させる。シリコン
強化高温ダイアモンド状カーボンの被覆が、マイクロド
リル上の切削先端以外の部分に残る。シリコン強化高温
ダイアモンド状カーボンの摩擦は小さいため、特に切り
屑の張り付きが少なくマイクロドリルの温度が高温にな
らないという点で、マイクロドリルの溝の切り屑除去特
性が著しく改善される。シリコン強化高温ダイアモンド
状カーボンは、最初マイクロドリル・ボディのマージン
及び２番取り面（relief）上にあり、その位置の摩擦を
低減するが、これらの付着物は、ドリルの使用によって
磨耗する傾向がある。しかし、溝中の特に有用な付着物
は、ドリルの耐用期間が終わるまで十分な量だけ残り、
溝面に沿った摩擦を著しく減少させ、それによりマイク
ロドリル・ビットの切削先端からの切り屑の除去を促進
する。
【００１１】溝面の低摩擦被覆が、低摩擦の溝によって
高くなった炭化タングステン比率とあいまって、孔位置
精度が高く、切り屑負荷性能が公称４０パーセント増大
し、再刃付けまでのビットの耐用期間が延びたマイクロ
ドリルを提供する。その結果、プリント回路板メーカの
ドリル装置のスループットが著しく上昇し、マイクロド
リルの交換コストが低下する。
【００１２】
【発明の実施の形態】電子プリント回路板に孔を開ける
には、一般に炭化タングステン・ベースのマイクロドリ
ルが使われる。マイクロドリル・ビットの形状と組成を
選択する際には、マイクロドリルの耐用期間のバランス
をとるために、刃付けサイクルと、マイクロドリルの位
置精度と、切り屑負荷量と、孔の品質との間でトレード
オフを行う。たとえば、直径０．１〜０．５ミリメート
ルの範囲の従来のマイクロドリルは、再刃付けまでの間
に１５００孔よりも著しく短い平均ドリル耐用期間と、
０．０７５ミリメートルの典型的な３シグマ穿孔位置精
度と、公称約０．０２５ミリメートル（１ミル）の切り
屑負荷量を示す。この性能は、８パーセントのコバルト
・バインダで接合された９２パーセントの炭化タングス
テン結晶からなるマイクロドリルでは代表的なものであ
る。
【００１３】本発明は、溝面の摩擦の重要さを認識し、
溝面用の低摩擦で高温耐性の独特な被覆を開発すること
により、従来技術の性能の制限を克服する。この組合せ
により、再刃付けまでの耐用期間が延び、穿孔位置精度
が改善され、切り屑負荷性能が著しく高まり、ドリルの
破損が減少し、プリント回路板内に形成したビア・ホー
ルの品質が改善された、マイクロドリルの設計が提供さ
れる。本発明によるマイクロドリルの重要な要素は、ド
リルの溝面に高温耐性の低摩擦被覆を使用すること、及
びそのような被覆をマイクロドリルの切削先端のファセ
ットには設けないことである。
【００１４】マイクロドリルを使ってプリント回路板に
ビア・ホールを形成することに関する穿孔現象の研究に
よって、溝面の摩擦が、より早く、より正確で、より良
い孔の形成にとって重要で制約的なパラメータであると
いう結論が導かれた。被覆材料の評価では、高温ダイア
モンド状カーボンが、十分な耐磨耗性と、十分な高温耐
性と、特に小さい摩擦係数を有することが確認された。
一般にダイアモンド状カーボンとして知られる単なるア
モルファス・カーボンは、所望の低い摩擦を示すが、こ
のダイアモンド状カーボンは、通常のプリント回路板の
穿孔温度に耐えることはできない。マイクロドリルの溝
面は普通、３５０〜４５０℃の範囲の温度を発生する。
しかし、シリコン強化ダイアモンド状カーボンは、ダイ
アモンド状カーボンの被覆の特徴である低い摩擦と高い
耐磨耗性を示しながら、溝面に必要な高温耐性を提供す
る。
【００１５】溝面をシリコン強化ダイアモンド状カーボ
ンで被覆したマイクロドリルの試験で、摩擦が小さいた
めに、切り屑負荷が約４０パーセント増大してもよいこ
とが確認された。さらに、ドリルの送り速度が早くなる
ほど、ドリルの磨耗は少なくなる。その上、溝を低摩擦
材料で被覆した場合、ドリル材料の炭化タングステン含
有量を９４パーセントまで高めることができ、マイクロ
ドリル先端の耐磨耗性がさらに改善される。同時に、マ
イクロドリルの平均耐用期間は、再刃付けが必要になる
までの穿孔数が、約１１００から約６０００まで増大す
る。
【００１６】また、炭化タングステンの含有率が９４パ
ーセントに変化すると、３シグマ穿孔位置精度も、現在
の０．０７５ミリメートルから約０．０５ミリメートル
に改善される。ただし、その改善は、マイクロドリルの
先の切削先端の表面には被覆材料があってはならないと
いう認識の上に成り立つ。ドリル先端の切削面上に低摩
擦の被覆材料があると、ドリル先端の実効すべりが大き
くなり、孔の位置精度が実際に低下すると思われる。
【００１７】図１に、本発明が関係するタイプのマイク
ロドリル１を示す。マイクロドリルのシャンク２は、マ
イクロドリル・ボディ３よりも直径がかなり大きい。マ
イクロドリル・ボディ３は、６パーセントのコバルト・
バインダで固めた９４パーセントの炭化タングステン結
晶からなる。マイクロドリル・ボディ３は、シリコン強
化ダイアモンド状カーボンによって、公称厚さ１〜６マ
イクロメートルに被覆されているが、シャンク２はそう
ではない。これは、図１では、斑点で示されている。被
覆工程を簡単にするため、図１のビットは、マイクロド
リル・ボディ３の全体にわたって被覆が付着されてい
る。本発明の重要な態様は、ドリル１の少なくとも溝４
に低摩擦被覆があることである。孔を開けている間に外
側面が強く接触すると、何回か使用した後は溝面にだけ
低摩擦被覆材料が残る。図１は、切削端５の先端面を刃
付けする前のドリルを示す。
【００１８】シリコン強化高温ダイアモンド状カーボン
被覆の形成は、オグリ等の論文「Tribological Propert
ies and Characterization of Diamond-Like Carbon Co
atings with Silicon Prepared by Plasma-Assisted Ch
emical Vapour Deposition」、Surface and Coatings T
echnology、47巻、710〜721ページ（1991年）に記載さ
れた方法で行うことができる。この論文の内容を参照に
より本明細書に組み込む。オグリ等が述べているよう
に、高純度のＣＨ4、ＳｉＣｌ4、Ｈ2、及びアルゴン・
ガスを化学的気相付着チャンバにチャンバ圧力４トルで
導入する。Ｈ2の流量は毎分７５０立方センチメート
ル、アルゴンの流量は毎分５００立方センチメートル、
ＣＨ4の流量は毎分０〜８０立方センチメートルの範囲
で変わり、ＳｉＣｌ4の流量は毎分０〜７．５立方セン
チメートルの範囲で変わる。付着温度は、５５０℃に維
持する。プラズマを生成するために使用される直流電圧
及び電流は、それぞれ３３０〜４４０ボルト及び１．５
〜２アンペアの範囲であり、これは、ＣＨ4及びＳｉＣ
ｌ4の流量に依存し、その温度を一定に保つために必要
である。このような条件下では、被覆は毎時１〜４マイ
クロメートルの速度で付着する。他の付着方法でも同様
の被覆を作成できることは明らかであり、重要な目的
は、マイクロドリルの溝面に低摩擦の被覆を行うことで
ある。
【００１９】様々な被覆の摩擦特性の評価により、アモ
ルファス・カーボン、特にシリコン強化高温ダイアモン
ド状カーボンが、約０．０１５の低い摩擦係数を示すこ
とが立証された。これとはまったく対照的に、炭化タン
グステンの摩擦係数は、その約６０倍の約０．９であ
る。多結晶ダイアモンドなど他の耐久性のある化学的気
相付着被覆も、比較的高い摩擦係数を有する。例えば、
多結晶ダイアモンドの表面は、付着時に０．４、研磨後
は０．０２である。溝の被覆の研磨は、特に必要ではな
い。
【００２０】図２は、完成したマイクロドリルの好まし
い構成を示す。図示したように、シリコン強化高温ダイ
アモンド状カーボン被覆は、溝４の表面、ドリルの２番
取り面７、及びドリルのマージン８上にある。しかし、
マイクロドリル先端６の切削先端ファセットには、付着
中のマスキング、付着後のエッチング除去、あるいは好
ましい工程ではドリル先端の刃付け時の除去の結果とし
て被覆がなくなっている。
【００２１】図３に、マイクロドリル先端６の拡大図を
示す。図示したように、マイクロドリルは、主ファセッ
ト１１の切削エッジ９によって除去される切り屑を受け
る２つの溝４を有する。副ファセット１２は、マイクロ
ドリルが回転するときに切り屑を剥いで溝４に送る。主
ファセット１１及び副ファセット１２では、炭化タング
ステンが露出していることに特に留意されたい。
【００２２】ドリルの使用により、２番取り面７とマー
ジン８の高くなった接触面は、マイクロドリルの耐用期
間の比較的早い時期に被覆がなくなると予想される。こ
れらの面は最初、マイクロドリルの摩擦及びそれに関連
するマイクロドリルの加熱を低減するのに役立つが、本
発明の重要な特徴は、マイクロドリルの溝面に、低摩擦
の好ましくはシリコン強化高温ダイアモンド状カーボン
の被覆があることである。したがって、低摩擦被覆が、
溝に選択的に付着されたものであろうと磨耗の結果溝に
だけ残ったものであろうと、本発明の特徴は、溝面が被
覆されていること、及びドリルの先端切削面に被覆がな
いことの組合せである。
【００２３】低摩擦被覆を選択的にマイクロドリルの溝
面にのみ設け先端の切削面には設けないことによって、
マイクロドリルの耐用期間は約５倍改善される。位置精
度は約３０パーセント改善され、切り屑負荷は約４０パ
ーセント高まり、同時に、マイクロドリルの破損が低減
し、プリント回路板の孔の品質が改善される。寸法が小
さくなる傾向にあって、これらの改良は、ビア・ホール
を有する先端的プリント回路板を効率よく製造するため
に重要である。
【００２４】まとめとして、本発明の構成に関して以下
の事項を開示する。
【００２５】（１）炭化タングステンを含む材料で溝付
きドリルを作成する段階と、前記ドリルの溝面に極めて
低摩擦の材料を被覆する段階と、前記ドリルの切削面に
前記炭化タングステンを露出させる段階とを含むドリル
を作成する方法。 （２）前記被覆段階が、前記ドリルを高温ダイアモンド
状カーボンで被覆する処理を含み、前記露出段階が、前
記切削面から前記高温ダイアモンド状カーボンを選択的
に除去する処理を含むことを特徴とする、上記（１）に
記載の方法。 （３）前記被覆した材料の厚さが、公称１〜１０マイク
ロメートルであることを特徴とする、上記（１）または
（２）に記載の方法。 （４）前記露出段階が、前記ドリルの先端の刃付け作業
を含むことを特徴とする、上記（１）または（２）に記
載の方法。 （５）前記ドリルが２つの溝を有し、前記ドリルの組成
が、公称９４パーセントの炭化タングステン結晶と６パ
ーセントのコバルト・バインダであり、前記ドリルの直
径が、公称０．５ミリメートル以下であることを特徴と
する、上記（１）ないし（４）のいずれか一項に記載の
方法。 （６）実質的に炭化タングステンからなる溝付きドリル
・ボディと、前記ドリル・ボディの溝面を被覆する極め
て低摩擦の材料の薄い層と、前記炭化タングステンか露
出した、前記ドリル・ボディの切削面のファセットとを
備えるドリル。 （７）前記薄い層が高温ダイアモンド状カーボンからな
り、前記露出した炭化タングステンが、前記ドリル・ボ
ディの刃付け先端にあることを特徴とする、上記（６）
に記載のドリル。 （８）前記薄い層の厚さが、公称１〜１０マイクロメー
トルであることを特徴とする、上記（６）または（７）
に記載のドリル。 （９）前記ドリルが２つの溝を有し、前記ドリルの組成
が、公称９４パーセント以上の炭化タングステン結晶と
６パーセント以下のコバルト・バインダであり、前記ド
リルの直径が、公称０．５ミリメートル以下であること
を特徴とする、上記（６）ないし（８）のいずれか一項
に記載のドリル。
【図面の簡単な説明】
【図１】高温ダイアモンド状カーボンで被覆した刃付け
前のマイクロドリルを示す図である。
【図２】刃付けによって刃先を作成した後の好ましいマ
イクロドリルを示す図である。
【図３】被覆していないファセットを示す、先端から見
たマイクロドリルを示す図である。
【符号の説明】
１ マイクロドリル ２ シャンク ３ ドリル・ボディ ４ 溝 ５ 切削端 ６ マイクロドリル先端 ７ ドリル２番取り面 ８ ドリル・マージン ９ 切削エッジ １１ 主ファセット １２ 副ファセット
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 リチャード・ウェイン・バーンズ アメリカ合衆国78664 テキサス州ラウン ド・ロッック ガーデン・パス 805 (72)発明者 グレン・ダグラス・ジョンソン アメリカ合衆国78737 テキサス州オース チン タラ・レーン 9105 (72)発明者 ジョー・ネグロン アメリカ合衆国78634 テキサス州ハット ー グリーンリッジ・ドライブ 213 (72)発明者 オリヴァー・ケント・スパークマン アメリカ合衆国78628 テキサス州ジョー ジタウンフォーンリッジ 307 (72)発明者 デール・ウェイン・ウィルハイト アメリカ合衆国78681 テキサス州ラウン ドロックボブホワイト・コート 1209

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】炭化タングステンを含む材料で溝付きドリ
    ルを作成する段階と、 前記ドリルの溝面に極めて低摩擦の材料を被覆する段階
    と、 前記ドリルの切削面に前記炭化タングステンを露出させ
    る段階とを含むドリルを作成する方法。
  2. 【請求項２】前記被覆段階が、前記ドリルを高温ダイア
    モンド状カーボンで被覆する処理を含み、 前記露出段階が、前記切削面から前記高温ダイアモンド
    状カーボンを選択的に除去する処理を含むことを特徴と
    する、請求項１に記載の方法。
  3. 【請求項３】前記被覆した材料の厚さが、公称１〜１０
    マイクロメートルであることを特徴とする、請求項１ま
    たは２に記載の方法。
  4. 【請求項４】前記露出段階が、前記ドリルの先端の刃付
    け作業を含むことを特徴とする、請求項１または２に記
    載の方法。
  5. 【請求項５】前記ドリルが２つの溝を有し、 前記ドリルの組成が、公称９４パーセントの炭化タング
    ステン結晶と６パーセントのコバルト・バインダであ
    り、 前記ドリルの直径が、公称０．５ミリメートル以下であ
    ることを特徴とする、請求項１ないし４のいずれか一項
    に記載の方法。
  6. 【請求項６】実質的に炭化タングステンからなる溝付き
    ドリル・ボディと、 前記ドリル・ボディの溝面を被覆する極めて低摩擦の材
    料の薄い層と、 前記炭化タングステンか露出した、前記ドリル・ボディ
    の切削面のファセットとを備えるドリル。
  7. 【請求項７】前記薄い層が高温ダイアモンド状カーボン
    からなり、 前記露出した炭化タングステンが、前記ドリル・ボディ
    の刃付け先端にあることを特徴とする、請求項６に記載
    のドリル。
  8. 【請求項８】前記薄い層の厚さが、公称１〜１０マイク
    ロメートルであることを特徴とする、請求項６または７
    に記載のドリル。
  9. 【請求項９】前記ドリルが２つの溝を有し、 前記ドリルの組成が、公称９４パーセント以上の炭化タ
    ングステン結晶と６パーセント以下のコバルト・バイン
    ダであり、 前記ドリルの直径が、公称０．５ミリメートル以下であ
    ることを特徴とする、請求項６ないし８のいずれか一項
    に記載のドリル。
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