以下、添付図面に従って本発明に係るダイシングブレードの好ましい実施の形態について説明する。
図1は、ダイシング装置の外観を示す斜視図である。図1に示すように、ダイシング装置10は、複数のワークWが収納されたカセットを外部装置との間で受渡すロードポート12と、吸着部14を有しワークWを装置各部に搬送する搬送手段16と、ワークWの表面を撮像する撮像手段18と、加工部20と、加工後のワークWを洗浄し、乾燥させるスピンナ22、及び装置各部の動作を制御するコントローラ24等とから構成されている。
加工部20には、2本対向して配置され、先端にダイシングブレード26が取り付けられた高周波モータ内臓型のエアーベアリング式スピンドル28(回転スピンドル)が設けられており、所定の回転速度で高速回転するとともに、互いに独立して図のY方向のインデックス送りとZ方向の切り込み送りとがなされる。また、ワークWを吸着載置するワークテーブル30がZ方向の軸心を中心に回転可能に構成されているとともに、Xテーブル32の移動によって図のX方向に研削送りされるように構成されている。
ワークテーブル30は、負圧を利用してワークWを真空吸着するポーラスチャック(多孔質体)を備えて構成される。ワークテーブル30に載置されたワークWは、ポーラスチャック(不図示)に真空吸着された状態で保持固定される。これにより、平板状試料であるワークWは、ポーラスチャックにより平面矯正された状態で全面一様に吸着される。このため、ダイシング加工時にワークWに対してせん断応力が作用しても、ワークWに位置ずれが生じることがない。
こうした、ワーク全体を真空吸着するワーク保持方式は、ブレードがワークに対して絶えず一定の切込み深さを与えることにつながる。
例えば、ワークが平板状に矯正されないような試料である場合などでは、ワーク表面の基準面を定義することが難しく、そのため、その基準面からどの程度のブレードの切込み深さを設定するかが難しくなる。ワークに対する一定のブレードの切込み深さが設定できない場合、一つの切れ刃が絶えず安定した切込みを与える臨界切込み深さも設定できなくなり、安定した延性モードダイシングは難しい。
ワークが平板状に矯正されておればワーク表面の基準面を定義でき、基準面からのブレード切込み深さを設定することができるため、一つの切れ刃あたりの臨界切込み深さが設定でき、安定した延性モードダイシングが可能となる。
尚、真空吸着ではなくても、硬質基板上に全面接着する形であっても構わない。全面強固に接着された面を基準として、薄い基板であっても表面を規定することができれば、安定した延性モードダイシングは可能となる。
図2は、ダイシングブレードの正面図である。図3は、図2のA−A断面を示す側断面図である。
図2及び図3に示すように、本実施形態のダイシングブレード(以下、単に「ブレード」ともいう。)26はリング型のブレードであり、その中央部にはダイシング装置10のスピンドル28に装着するための装着孔38が穿設されている。
なお、ブレード26は、焼結ダイヤモンドで構成され、円板状かリング状であって、同心円状の構成であれば、温度分布は軸対称となる。同一素材で軸対称の温度分布であれば、半径方向においてポアソン比に伴うせん断応力は作用することはない。そのため、外周端部は理想的な円形を保ち、また、外周端は同一面上を維持することになるため、回転によってワークに一直線上に作用する。
ブレード26は、ダイヤモンド砥粒を焼結して形成されたダイヤモンド焼結体(PCD)によって円板状に一体的に構成される。ブレード26は円板状に限らずリング状に構成されていてもよい。このダイヤモンド焼結体はダイヤモンド砥粒の含有量(ダイヤモンド含有量)が80%以上であり、各ダイヤモンド砥粒は焼結助剤(例えばコバルト等)により互いに結合されている。
ブレード26の外周部は、ワークWに対して切り込みされる部分であり、その内側部分よりも薄刃状に形成された切刃部40が設けられている。この切刃部40には、ダイヤモンド焼結体の表面に形成された微小な凹みからなる切れ刃(微小切刃)がブレード外周端部(外周縁部)26aの周方向に沿って微小ピッチ(例えば10μm)で連続的に形成されている。
本実施形態において、切刃部40の厚さ(刃厚)は少なくともワークWの厚さより薄く構成される。例えば100μmのワークWに対して切断加工を行う場合には、切刃部40の厚さは50μm以下が好ましく、より好ましくは30μm以下、さらに好ましくは10μm以下に構成される。
切刃部40の断面形状としては、外側(先端側)に向って厚みが徐々に薄くなるテーパ状に形成されていてもよいし、均一な厚みを有するストレート状に形成されていてもよい。
図4Aから4Cは、切刃部40の構成例を示した拡大断面図である。なお、図4Aから4Cは、図3のB部を拡大した部分に相当する。
図4Aに示した切刃部40Aは、片側の側面部のみがテーパ状に斜めに加工された片側テーパタイプ(片Vタイプ)のものである。この切刃部40Aは、例えば、最も薄く形成される外周端部の厚みT1が10μm、片側の側面部がテーパ状に加工された部分のテーパ角θ1は20度となっている。なお、ブレード26の内側部分(後述する当接領域36を除く)の厚みは1mmである(図4B及び4Cにおいても同様である。)。
図4Bに示した切刃部40Bは、両側の側面部がテーパ状に斜めに加工された両側テーパタイプ(両Vタイプ)のものである。この切刃部40Bは、例えば、最も薄く形成される外周端部の厚みT2が10μmであり、両側の側面部がテーパ状に加工された部分のテーパ角θ2は15度となっている。
図4Cに示した切刃部40Cは、両側の側面部がストレート状に平行に加工されたストレートタイプ(平行タイプ)のものである。この切刃部40Cは、例えば、最も薄くストレート状に加工された先端部の厚みT3が50μmとなっている。なお、ストレート状の先端部の内側部分(中央側部分)は片側の側面部がテーパ状に加工されており、そのテーパ角θ3は20度となっている。
図5は、ダイヤモンド焼結体の表面付近の様子を模式的に示した概略図である。図5に示すように、焼結助剤86によりダイヤモンド焼結体80は高密度にダイヤモンド砥粒(ダイヤモンド粒子)82同士が相互に結合した状態となっている。このダイヤモンド焼結体80の表面には微小な凹み(凹部)からなる切れ刃(微小切刃)84が形成される。この凹みは、ダイヤモンド焼結体80を機械的に加工することによってコバルトなどの焼結助剤86が選択的に摩耗することによって形成されるものである。ダイヤモンド焼結体80は砥粒密度が高いため、焼結助剤86が摩耗したところに形成される凹みは微小なポケット状になり、電鋳ブレードのように鋭利なダイヤモンド砥粒の突き出しはない(図20参照)。このため、ダイヤモンド焼結体80の表面に形成される凹みは、ワークWを切断加工する際に生じる切り屑を搬送するポケットとして機能するとともに、ワークWに対して切り込みを与える切れ刃84として機能する。これにより、切り屑の排出性が向上するとともに、ワークWに対するブレード26の切り込み深さを高精度に制御することが可能となる。
ここで、本実施形態のブレード26について更に詳しく説明する。
本実施形態のブレード26は、図5に示したように、焼結助剤86を用いてダイヤモンド砥粒82を焼結して形成されたダイヤモンド焼結体80により一体的に構成される。このため、ダイヤモンド焼結体80の隙間にはごくわずかに焼結助剤86が存在するが、焼結助剤はダイヤモンド砥粒自体の中にも拡散しており、実際はダイヤモンド同士が強固に結合する形態となる。この焼結助剤86はコバルトやニッケル等が使用され、ダイヤモンドと比較すると硬度的に低く、ダイヤモンド同士が結合するとはいえ、焼結助剤がリッチな部分は単結晶ダイヤモンドと比較すると少し強度的に弱くなる。こうした部分がワークWを加工する際に摩耗して目減りし、ダイヤモンド焼結体80の表面(基準平面)に対して適度な凹みとなる。また、ダイヤモンド焼結体80を摩耗処理加工することで、ダイヤモンド焼結体80の表面には焼結助剤が除去された凹みが形成される。また、GC(グリーンカーボランダム)の目立て用砥石で目立てを行うか、場合によっては硬い脆性材料である超硬合金を切断することで、焼結助剤のほかに一部のダイヤモンドが欠落して、ダイヤモンド焼結体の外周部に適度な粗さが形成される。この外周部の粗さを、ダイヤモンド粒径よりも大きくすることで、一つの切れ刃内で微小なダイヤモンド砥粒の欠落が起こり、切れ刃の摩滅が起こりにくくなる。
ダイヤモンド焼結体80の表面に形成された凹みは延性モードでの加工にとって有利に作用する。すなわち、この凹みは、前述したように、ワークWを切断加工する際に生じる切り屑を排出するためのポケットとして機能するとともに、ワークWに対して切り込みを与える切れ刃84として機能する。このため、ワークWへの切り込み量は自ずと所定範囲に制限され、致命的な切り込みを与えることはない。
また、本実施形態のブレード26によれば、ダイヤモンド焼結体80で一体的に構成されるので、ダイヤモンド焼結体80の表面に形成される凹みの数やピッチ、その幅についても恣意的に調整することが可能となる。
すなわち、本実施形態のブレード26を構成するダイヤモンド焼結体80は焼結助剤86を用いてダイヤモンド砥粒82が相互に結合されたものである。このため、相互に結合しているダイヤモンド砥粒82の間には焼結助剤86があり粒界が存在する。この粒界部分が凹みに相当するため、ダイヤモンド砥粒82の粒径(平均粒子径)を設定することで、自ずと凹みのピッチ、個数が定まることになる。また、軟質金属を使用した焼結助剤86を使用することで選択的な凹み加工ができるようになり、焼結助剤86を選択的に摩耗させることも可能となる。また、その粗さについても、ブレード26を回転させながら、摩耗処理やドレッシング処理を設定することにより、その粗さを調整することが可能となる。すなわち、ダイヤモンド砥粒82の粒径の選択に伴って形成される粒界のピッチによって、ダイヤモンド焼結体80の表面に形成される凹みからなる切れ刃84のピッチや幅、深さ、個数を調整することが可能となる。こうした切れ刃84のピッチや幅、深さ、個数は延性モードの加工を行う上で重要な役割を果たす。
このように本実施形態によれば、ダイヤモンド砥粒82の粒径の選択と摩耗処理、ドレッシング処理という制御性の良いパラメータを適宜調整することによって、精度よく結晶の粒界に沿って所望の切れ刃84の間隔を達成できる。また、ブレード26の外周部には、ダイヤモンド焼結体80の表面に形成された凹みからなる切れ刃84が周方向に沿って一直線状に並べることが可能となる。
ここで、比較として、ダイヤモンド砥粒を焼結したホイールに関し、類似するものとしてスクライビングに使用されるホイールがあるが、スクライビングホイールとの混同を避けるため、あえて違いに触れておく。
スクライビングに使用されるホイールは、例えば、特開2012−030992号公報などに示される。上記文献には、焼結ダイヤモンドで形成され、円環状の刃が外周部に刃先を有したホイールが開示されている。スクライビングと本発明のダイシングは、両者とも材料を分断する技術で同じ部類にあると捉えられがちだが、その加工原理や、その加工原理に伴って具体構成は全く異なる。
まず、上記文献と本発明との決定的な違いとして、上記文献のスクライビングとは、上記文献段落[0020]に記載されるように、脆性材料で形成された基板の表面にスクライビングライン(縦割れ)を入れる装置であり、スクライビングにより垂直方向に伸びる垂直クラックが発生する(上記文献段落[0022]参照)。このクラックを利用して割断する。
それに対して、本発明は、クラックやチッピングを発生させずに材料をせん断的に除去する加工方法として原理が全く異なる。具体的には、ブレード自体が高速回転し、ワーク面に対してほとんど水平方向に作用してワークを除去していくため、ワークの垂直方向へは応力はかからない。また、その切込み深さは材料の変形域内にとどめ、クラックが発生しない切込み深さで加工するため、結果として加工後はクラックのない面が得られる。以上から、加工原理が全く異なる。
以上の加工原理の違いに照らして、ブレードの仕様における具体的な違いを以下に列挙する。
・(刃先頂角の点)
スクライビングは、材料内部にクラックを発生させるだけであるため、材料内にほとんど入り込まない。刃先の稜線のみを作用させるため、刃先角は鈍角(上記文献段[0070]参照)であることが普通である。鋭角ましてや20度以下とすることは、捩りによる欠損などを考慮すると到底考えられない。
それに対して、ダイシングは材料内部に入り込んで入り込んだ部分を除去していくため、刃先はストレートか、せいぜい刃の頂角は、ブレード進行方向におけるダイシング抵抗による座屈を考慮した程度にV字である程度である。最大でも頂角は20度以下である。
また、20度以上の頂角とすると、切断後の断面が斜めになってしまって断面積が増大するほか、加工のメカニズム的にも、ブレード先端が切り進める要素よりも、ブレードの側面で研削する体積が増えることになる。その結果、加工の効率性が低下し、時として加工が進行しない。ダイシングの場合、ブレード外周に切れ刃を形成し、先端の切れ刃で効率よく切り進めていく一方で、ブレード側面はワークとの潤滑性を向上させて、研削する量を低下させながら鏡面化することが求められる。ブレードの側面で研削する量が多くなると、側面での研削量が必然的に多くなり、切断後の断面が鏡面化できなくなる。よって、ダイシングではストレート形状が最も望ましいが、最低でもブレードが座屈しない程度に極小さくV字であるのがよく、せいぜい20度以下である。
・(材料組成の点)
スクライビングは、ホイールがワークに当接させられた状態(食い込んだ状態)で進行方向が変化すると捩りの応力によって刃先が欠損することがある。そのため、同じダイヤモンドの焼結体であったとしてもダイヤモンドの重量%を65%〜75%としている。その結果、耐摩耗性、耐衝撃性だけでなく耐捩り強度特性を向上させている。ダイヤモンドの重量%を75%以上とすると、ホイールの硬度自体は上昇するが、耐捩り強度が低下する。よって比較的ダイヤモンド含有量は少なく設定される。
それに対して、ダイシングはブレードが高速回転して材料を一定量除去しながら直線的に進む。そのため、捩りの応力はかからない。その代わり、ダイヤモンド含有量が少ない場合、切り込んだ際に、みかけの硬度が低下してしまうため、ワークからの反力や、ブレードの切れ刃が切込む時間内にワークが弾性回復してしまい、所定の切込み深さを維持できない場合がある。そのため、ダイシングの場合、ブレードの硬度はワークの高度と比べて、跳ね返りが起こらず所定の切込みのまま切り進めることができるよう、十分大きい硬度を有する。延性モードで材料の変形域内で、加工時の切れ刃作用時間内における弾性回復を許さず加工を進行させる上では、単結晶ダイヤモンド(ヌープ硬度で10000程度)と同等の表面硬度が必要となり、ヌープ硬度で約8000程度は必要となる。結果としてダイヤモンド含有量は80%以上は必要となる。ただし、ダイヤモンド含有量が98%以上になると、焼結助剤の割合が極端に減るためダイヤモンド同士の結合力が弱くなり、ブレードそのものの靭性が低下して脆くて欠けやすくなる。よって、ダイヤモンド含有量は80%以上が必要であり、実用的な点を加味すると、98%以下とする方が望ましい。
以上から、スクライビングホイールに使用されるPCDと本発明のダイシングブレードに使用するPCDは、材料としては同種であったとしても、その加工原理が全く異なるため、求められるPCDの組成、具体的にはダイヤモンド含有量は全く異なるものとなる。
・(ホイール構造と基準面の点)
さらにホイールの構造が異なる。スクライビングホイールはホルダを有しており、ホルダはスクライビングホイールを回転自在に保持する要素である。ホルダは、主としてピンと支持枠体を有するので、ピンの部分(軸の部分)は回転しない。ホイールの内径部が軸受になり、軸であるピンの部分と、相対的に擦れることによって回転し、材料表面に垂直方向のスクライビングライン(縦割れ)を形成する。
それに対して、本発明に係るブレードは、回転するスピンドルにブレードは同軸で取り付ける。スピンドルとブレードは一体的に高速回転させる。ブレードはスピンドル軸に対して垂直に取り付ける必要があり、回転による振れをなくする必要がある。
そのため、ブレードには基準平面が存在する。ブレードに存在する基準面は、スピンドルに予め垂直に取り付けたフランジの基準端面と当接させて固定する。これにより、ブレードのスピンドル回転軸に対する垂直度が確保される。この垂直度が確保されて初めて、ブレードが回転することによって外周部に形成される切れ刃がワークに対して一直線状に作用することになる。
また、スクライビングの場合の基準面は、円板ブレードの軸と平行な円筒面で、ブレードを垂直に押圧することを前提にして規定している。しかしながら、本発明に係るブレードにおけるブレードの基準面は、先に述べたように、スピンドルのフランジに対向するブレードの側部端面(円板面)である。ブレードの基準面を、ブレードの側面(円板面)とすることで、ブレードは、ブレード中心に対してバランスが取れた状態で精度よく回転し、ブレード先端に形成された切れ刃は、ブレードが高速回転していても、ブレード中心を基準にして一定半径位置で定義される所定の高さ位置で精度よく切れ刃が作用し、所定高さのワークに対しても垂直な応力を与えることなく、ワーク面に対して水平に切れ刃が作用して除去していくだけである。そのため、ワークが脆性材料であっても、ワーク面に対して垂直応力によってクラックを及ぼすことは一切ない。
・(加工原理の点)
この垂直方向にクラックを与えて加工するか、それとも一切クラックを発生させることなく加工するかが、スクライビングと本発明に係るダイシングとの決定的に異なる原理の違いである。
・(外周刃の溝の役割)
また、スクライビングは表面だけにスクライバーの垂直応力によって押圧してスクライビングラインをつける。スクライビングの場合の外周刃の溝の役割は、ホイールの刃先の突起部が脆性材料基板に当接しつつ(食い込みつつ)、材料に垂直なクラックを発生させるためのものである(上記文献段落[0114]参照)。すなわち、溝以外の部分が、材料に食い込んで垂直クラックを及ぼす程度のスクライビングラインをつけることができるような溝である。よって、溝というよりも、溝と溝の間の山部分が材料にどのように食い込むかが重要になる。
それに対して、ダイシングの場合は、外周端部に設けられる凹部は、切れ刃の役割を果たす。凹部と凹部の間の部分は、外周の輪郭を形成し、その間に設けられる切れ刃がワーク表面に対してクラックを及ぼさない程度の臨界切込み深さとするように設定される。よって、ダイシングの場合は切れ刃を形成する必要がある。
また、スクライビングの場合の溝深さは、スクライビングラインをつけるための食い込み量を与える程度に溝深さを形成するが、ダイシングの場合は、ワーク内に入り込んで、一つ一つの切れ刃でワークを研削除去していかなければならない。そのため、ブレード先端は完全にワーク内に入り込みつつ、ブレードの振れは許されず、材料の奥深くまでワーク面に対して垂直に切れ刃を作用させなければならない。
本発明に係るブレードの場合は、外周端部に一定間隔の凹部の切れ刃を有する。その切れ刃間隔は後に示すとおり、一つの切れ刃が与える臨界切込み深さが、クラックを及ぼさない程度であればよい。そのためには、切れ刃間隔を適正に保つ必要がある。
また、スクライビングホイールは、スクライビングホールが脆性材料と当接したままスクライビングホイールの刃先の向きが90度変更させられ、これをキャスター効果と呼ぶ。
ダイシングブレードでは、刃は材料内に入り込んでいるため、刃先の向きを90度変更することはできない。例えば、ストレート形状や頂角が20度以下のダイシングブレードで当接させながら刃先を変更させれば刃は折れてしまう。
なお、軟質金属からなる焼結助剤86を用いて焼結されたダイヤモンド焼結体80の場合、その表面に凹みを形成する方法としては摩耗処理やドレッシング処理などが最も適しているが、これに限らない。例えば、コバルトやニッケルのような焼結助剤が用いられる場合、酸系のエッチングにより化学的に部分溶解することで、ダイヤモンド焼結体80の表面に凹みを形成することも可能である。
これに対して、従来の電鋳ブレードでは、ダイヤモンド砥粒自体が切れ刃の役割を果たすが、その切れ刃のピッチや幅などを調整するためには、初期にダイヤモンド砥粒を分散させる分散度合いに頼らざるを得ないため技術的に困難である。すなわち、ダイヤモンド砥粒の分散という曖昧さを多く含み、実質的には制御することができない。また、ダイヤモンド砥粒の分散が不十分で凝集している部分が存在したり、分散しすぎて疎らな部分があったりしても、これを恣意的に調整することは困難である。このように従来の電鋳ブレードでは、切れ刃の配列を制御することは不可能である。
また、従来の電鋳ブレードにおいて、ミクロンオーダのダイヤモンド砥粒を一つ一つ人為的に配列することは現状の技術にはなく、効率よく切れ刃を一直線状に整列させて配列することはほとんど不可能である。また、切れ刃の密な部分と疎な部分が混在し切れ刃の配列を実質的に制御できない従来の電鋳ブレードでは、ワークWに対する切り込み量を制御することは困難であり、原理的に延性モードの加工を行うことはできない。
本実施形態のブレード26において、ダイヤモンド焼結体に含有されるダイヤモンド砥粒の平均粒子径は25μm以下(より好ましくは10μm以下、さらに好ましくは5μm以下)であることが好ましい。
本発明者が行った実験結果によれば、ダイヤモンド砥粒の平均粒子径が50μmの場合、ウェーハ材料がSiCでは0.1mmの切り込み量でダイシングした場合にクラックが生じた。おそらくダイヤモンドが脱落したことが要因である。50μm以上のダイヤモンド平均粒子径で焼結した場合、ダイヤモンド粒子同士が密着する面積が小さくなり、局所的な面積で大きい粒子同士を結合させることになる。そのため、材料の組成的な点で耐衝撃性に非常に弱くなり欠けやすいという欠点を持つ。局所的な衝撃で50μm以上の単位でダイヤモンドが脱落してしまうと、その脱落をきっかけに非常に大きい切れ刃が形成される。その場合、孤立した切れ刃として所定の臨界切込み以上の切込み深さを与えることになり、結果的にチッピングやクラックを発生させてしまうことが確率的に極めて高くなる。また、50μm程度のダイヤモンドが脱落すると、残された部分の切れ刃が大きくなることのみならず、その脱落したダイヤモンド砥粒そのものが、ワークとブレードの間に絡まって、さらにクラックを及ぼすこともある。25μm以下の微粒子であればそうしたクラックが定常的に起こる結果は得られていない。
図6は、ダイヤモンド砥粒の平均粒子径が50μmのブレードにより溝入れ加工を行った場合のワーク表面の様子を示し、クラックが発生している事例を示す。
また、ダイヤモンド砥粒の平均粒子径を50μm、25μm、10μm、5μm、1μm、0.5μm の各々としたブレードにより溝入れ加工を行った場合のクラック又はチッピングの発生率を評価した結果を表2に示す。評価結果は、A、B、C、Dの順にクラック又はチッピングの発生率が高くなることを示す。その他の条件については以下の通りである。
・ 標準評価条件:SiC基板(4H)(六方晶)
・ スピンドル回転数:20000rpm
・ 送り速度:1mm/s
・ 切込み深さ:100μm
・ 評価指針:10μm以上のチッピングがあるかないかで評価。(理想的には完全にチッピングがないこと。)
また、サファイアでは0.2μmの切り込みでクラックが生じた。石英、シリコンでも同様な切り込みでクラックが発生した。
さらに、ダイヤモンド砥粒の平均粒子径が50μmの場合、ブレードの刃厚(ブレード外周端部の厚み)を50μm以下にすることも難しく、ブレード26を製作する際にブレード26の外周部で刃欠けが多い。また、100μm(0.1mm)の刃厚でブレードを製作しようとしても、大きな空隙がある部分もあり、さらに、少しの衝撃で割れてしまうこともあり、現実的にブレードを安定して製作することは困難であった。
一方、ダイヤモンド砥粒の平均粒子径が25μm、5μm、1μm、0.5μmの場合には、SiC、サファイア、石英、及びシリコンの各脆性材料でも、平均粒子径が50μmの場合と同様の切り込みを行ってもクラックは発生しなかった。すなわち、これらの脆性材料では、ダイヤモンド砥粒の平均粒子径が50μmではサブミクロンオーダの切り込みでクラックが発生し、それ以上の平均粒子径のダイヤモンド砥粒が用いられる場合には、必然的に切り込みが大きくなり、致命的なクラックを招くことになる。これに対し、平均粒子径が25μm以下(より好ましくは10μm以下、さらに好ましくは5μm以下)のダイヤモンド砥粒が用いられる場合には、切り込みを小さく抑えることができ、高精度な切り込み深さの制御が可能となる。
なお、本実験の一般的な加工条件としては、ブレード外径50.8mm、ウェーハサイズ2インチ、切り込み10μm溝入れ、スピンドル回転数20,000rpm、テーブル送り速度5mm/sである。
このように構成されるブレード26の製造方法としては、タングステンカーバイドを主成分とする基台の上にダイヤモンド微粉末を置いて型に入れる。次いで、この型の中に焼結助剤としてコバルト等の溶媒金属(焼結助剤)を添加する。次いで、5GPa以上の高圧、且つ、1300℃以上の高温雰囲気下で焼成・焼結する。これにより、ダイヤモンド砥粒同士が直接相互に結合し、非常に強固なダイヤモンドのインゴットが形成される。このようにして、例えば、直径60mmmサイズで焼結ダイヤモンド層(ダイヤモンド焼結体)が0.5mm、タングステンカーバイド層が3mmの円柱インゴットを得ることができる。タングステンカーバイド上に形成されたダイヤモンド焼結体としては、住友電工ハードメタル社製DA200等がある。ダイヤモンド焼結体だけを取り出すか、またはタングステンカーバイド上に形成したダイヤモンド焼結体のまま、ブレード基材を所定形状に外周摩耗処理ないしはドレッシング処理加工を施すことにより、本実施形態のブレード26を得ることができる。例えば、図7に示すような形態を得ることができる。
なお、円柱インゴットのダイヤモンド表面(切刃部40を除く)は、回転時を振れをなくすための基準面形成としてスカイフ研磨(scaif、研磨用円盤)を行うことにより、表面粗さ(算術平均粗さRa)0.1μm程度の鏡面に加工しておくことが好ましい。
ここで、上記製造方法における摩耗処理・ドレッシング処理は、次のような条件とすることができる。
摩耗処理としては、次の条件などがある。
・ ブレード回転数:10000rpm
・ 送り速度:5mm/s
・ ワーク加工対象:石英ガラス(ガラス材料)
・ 加工処理時間:30分間
・ 上記処理により、わずかに1〜2μm程度のコバルト焼結助剤が除去されて凹みが形成された。さらに、非常に薄いエッチング液(弱酸系)を薄く塗って純水供給なしにドライ環境で処理することでさらに凹みが深くなった。
ドレッシング処理(摩耗処理)として次の条件であってもよい。
・ ブレード回転数:10000rpm
・ 送り速度:5mm/s
・ ワーク加工対象:GC600ドレッシング砥石(70mm□)
(GC600とは、炭化ケイ素質研削材の粒度600番手(#600)を意味する。粒度は日本工業規格(JIS:Japan Industrial Standards)R6001に基づく)
・ 加工処理時間:15分間 ・ この処理でもわずかにコバルト焼結助剤が除去されて凹みが形成された。
なお、ブレード外周部のうち、ブレード外周端部とブレード側面部は、粗さを変えた方が望ましい。具体的には、ブレード外周端部は切れ刃に相当し、摩耗処理によって結晶粒界に沿って切れ刃間隔を調整することになる。特にブレード外周端部は、ワーク材料に切り込みを入れつつ、ある程度は大きく加工除去していくことから、少し粗く加工する。
一方、ブレード側面部は、積極的に除去加工をするわけではなく、ワーク材料の溝側面部との接触時に溝側面部を削り出す程度に粗くなっていればよい。また、ブレード側面部に突起があると、溝側面部に割れを誘発してしまうので、突起部を形成することなく加工する一方で、溝側面部との接触面積を低下して、少しでも摩擦による熱の発生を軽減する必要がある。そのため、側面部は細かく粗す方が望ましい。
従来の電鋳ブレードなどでは、砥粒を鍍金にて固めて製作するため、面全体が同じような砥粒分布となり、その結果、ブレード外周端とブレード側面との砥粒のつき方の形態を大きく分けることができなかった。すなわち、ワークを切り進めるためのブレード外周端部と、ワークと擦れながら微小に削る程度とする側面部とで、明らかに粗さの状況を変化させることはできなかった。
本発明に係るブレードの場合は、ほとんどがダイヤモンドで構成され、その状態から成形加工することができる。たとえば、本発明に係るブレードの場合、側面部を荒らすためには、ダイヤモンドラッピングなどを行なっても構わない。微小なダイヤモンド(粒径1μm〜150μm)で表面を荒らすことにより、例えばRaが0.1μm〜20μm程度の粗さを形成することが可能となる。
一方、ブレード外周部は、ブレード側面部と異なり、ワークを加工しながら切り進めいく必要があるため、側面部と異なり切れ刃としての粗さをつけた方がよい。こうした粗さは、例えば、パルスレーザなどで外周部に切れ刃を形成することができる。
パルスレーザで切れ刃を形成する場合は、次に示す条件などが好適に使用される。
レーザ発振気器:米国IPG社製ファイバーレーザ:YLR−150−1500−QCW
送りテーブル:JK702
波長:1060nm
出力:250W
パルス幅:0.2msec
焦点位置0.1mm
ワーク回転数2.8rpm
ガス:高純度窒素ガス0.1L/min
穴径50μm
ワークブレード材料:住友電工製DA150(ダイヤモンド粒径5μm)
外径50.8mm
このようなパルス式ファイバーレーザによって、図22に示すように、0.1mmピッチでブレード外周端上に直径0.05mmの一定間隔で連続した半円状のシャープな切れ刃を形成することができる。こうした切れ刃形成ではダイヤモンド粒径は5μmの大きさであるが、一つの切れ刃自体は50μm切れ刃とすることができる。またこれを等間隔に形成すれば、回転数を高速回転させることによって、見かけの間隔が小さくなり、延性モードのダイシングを可能とする(例:スピンドル回転数10000rpm以上の場合など)。なお、図22は、レーザ光をブレード面(ブレード26の回転軸に垂直な面)の法線方向から入射し切れ刃を形成した場合の結果を示している。
ファイバーレーザでは一つの切れ刃の大きさは5μm程度の大きさから大きいものでは1mmまで、様々な孔径で切れ刃の大きさを形成することができるが、通常はレーザのビーム径から、5μmから200μm程度までをあけることが可能である。
電鋳法など、鍍金でダイヤモンドを固めた材料で切り欠きを形成するのではなく、焼結ダイヤモンドの材料で構成し、その円板状又はリング状にした外周端に微小な切り欠きを連続して構成することで、一つ一つの切り欠きが切れ刃として作用する。
特開2005-129741号公報は、電鋳法で製造したブレードにおいて、外周部に切り欠きを形成する方法が記載されるが、この場合の切り欠きは、切り屑の排出機能や目詰まりを防ぐ機能として切り欠きが設けられており、切れ刃として設けていない。電鋳法で製造された場合、切り欠きのエッジ部分に必ずしもダイヤモンドが存在するものでもなく、結合材と共に存在するので、結合材が加工と共に摩耗していくことから、材料として切れ刃として作用するものではない。
それに対して、ブレードがダイヤモンド焼結体から構成される場合、外周部に空けた切れ刃の先端はそのまま切れ刃として作用する。また、切れ刃の大きさ50μmと比べてダイヤモンド砥粒径は5μmと小さいため、一つの切れ刃の中で、一つのダイヤモンド砥粒が欠け落ちることで切れ刃内で小さく自生することも可能となる。従来の電鋳法における砥石は、ダイヤモンド砥粒がそのまま切れ刃として作用するため、切れ刃の大きさと自生単位は同じ大きさであるが、本発明の場合、恣意的な切れ刃を形成することで、切れ刃の大きさとその中でダイヤモンドが自生する単位を変えることができ、その結果、長い間切れ味を確保することができる。
さらに、ブレードの側面部の粗さに対して、ブレードの外周端部の粗さを大きくすることで、ブレード外周端で切り進めながらもブレード側面は細かい粗い面でワークを削りながら鏡面化することができる。従来は電鋳法によるブレードでは、外周端部の粗さと側面部の粗さを独立して変化させることが難しく、実質できなかったが、本発明のように焼結ダイヤモンドを使用することで恣意的に外周端部に等間隔の切れ刃を形成するとともに、ブレード側面は細かく荒らした面とすることが可能となる。それにより外周の切れ味を確保して効率よく切り進めながらも、ワーク側面では全く独立して鏡面仕上げ加工を独立して行なうことが可能となる。
尚、ブレード外周のみに高硬度のダイヤモンドチップを一つ一つ埋め込む構成(例えば特開平7-276137号公報など)は、切れ刃は等間隔で形成されるかもしれないが、一体の円板状又はリング状のPCDで形成されていないため、先述の通り、熱伝導の点、形状的な平面度や平面の連続性の点、加工による衝撃を吸収することなく局所的に効果的なせん断力をワークに与える点、さらには延性モードで加工を行う点などで、本発明に係るブレードとは全く異なることは明白である。
こうした切れ刃の間隔や側面部の表面の粗さは、加工対象材料に応じて適宜調整するものである。
図8は、ブレード26がスピンドル28に取り付けられた状態を示した断面図である。図8に示すように、スピンドル28は、不図示のモータ(高周波モータ)を内蔵したスピンドル本体44と、スピンドル本体44で回動可能に軸支され、その先端部がスピンドル本体44から突出した状態に配設されたスピンドル軸46とから主に構成される。
ハブフランジ48は、スピンドル軸46とブレード26との間に介装される部材であり、テーパ状に形成された取付孔48aが設けられるとともに、円筒状の突起部48bが設けられる。このハブフランジ48には、ブレード26のスピンドル軸46(回転軸)に対する垂直度を決定するための基準面となるフランジ面48cが設けられている。このフランジ面48cには、後述するようにブレード26のブレード基準面26aが当接される。
ブレード26には、片側の端面に切刃部40よりも内側部分に厚肉に形成された環状部(当接領域)36が設けられている(図2及び図3参照)。この環状部36には、ハブフランジ48のフランジ面48cが当接するブレード基準面36aが形成されている。ブレード基準面36aは、環状部36が形成される端面において他の位置よりも高い位置に設けられていることが好ましく、これにより平面度を出しやすくなっている。また、ブレード基準面36aを構成する環状部36の厚みは、ブレード外周部に設けられる切刃部40と比べて十分に厚くする必要がある。
ブレード外周部は、切断時に材料表面において脆性破壊を起こさないため切断幅も細くする必要があり、その厚みとしては50μm以下としなくてはならない。
しかしながら、そのブレード外周部の厚みのままでブレード基準面部分を含めて、すべてを50μm以下の厚みで製作する場合、ブレードの平面を出す過程で加工した際の加工歪が大きな問題になる。特に、ブレード全面を50μm程度の厚みで製作すると、ブレード両側面同士の歪のバランスで一方の側にブレードが反ることになる。ブレードが少しでも反っている場合、外周端部は非常に薄いので、非常に小さい応力で元々反っている側にブレードが座屈変形してしまい、結果的に使用できない。
このため、ブレード基準面を形成する部分は、ブレードの面に加工歪が残っていたとしても、その歪で反りが発生するほどの厚みであってはならない。直径にして50mm程度の円板で加工歪による反りが発生しない程度のブレードの基準面部分の厚みは、最低でも0.25mm以上、好ましくは0.5mm以上ある方がよい。この程度のブレード基準面部分の厚みがないと、ブレード基準面として平面を維持できない。平面が維持できなければブレード外周端部を一直線状にワークに作用させることが困難になる。
以上のことから、本実施形態のブレード26では次の条件を満たすことが必要となる。
すなわち、ブレード基準面36aは、ブレード26の両側面の加工歪のバランスが崩れていたとしても平面を維持しなくてはいけないことから、最低でも基準面部の厚みは0.3mm以上は必要である。
一方、ブレード外周端部は、材料にクラックを誘発させないためにも極微小領域で加工しなくてはいけない。そのためには、ブレード外周部に設けられる切刃部40の厚みは50μm以下とする必要がある。
つまり、例えば直径50mmのブレード全体で見ると、平面度維持のためすべてを一体で製作する必要があり、ブレード内周部は平面度維持のため分厚くしなくてはならない一方で、ブレード外周部は薄くしなくてはならない。
なお、平面度を出す方法としては、スカイフ研磨などによる鏡面加工を使用することができる。
ブレード26の取付方法としては、まず、ハブフランジ48の取付孔48aにテーパ状に形成されたスピンドル軸46を嵌合させて、不図示の固定手段でハブフランジ48をスピンドル軸46に位置決め固定する。次いで、ハブフランジ48の突起部48bにブレード26の装着孔38を嵌合させた状態で、ブレードナット52を突起部48bの先端に形成されたネジ部にねじ込むことにより、ブレード26をハブフランジ48に位置決め固定する。
このようにブレード26がハブフランジ48を介してスピンドル軸46に取り付けられたとき、ブレード26のスピンドル軸46に対する垂直度はハブフランジ48のフランジ面48cの平面度とブレード26のブレード基準面36aの平面度およびその両者を重ね合わせる取り付け精度で決定される。このため、ハブフランジ48のフランジ面(回転軸に対して垂直な面)48cと、このフランジ面48cに接触するブレード26のブレード基準面36aは、例えば鏡面加工によって平坦化され、スピンドル軸46に対する垂直度が高精度になるように形成されていることが好ましい。これにより、ハブフランジ48を介してブレード26をスピンドル軸46に装着する際、フランジ面48cとブレード基準面36aを接触させた状態で位置決め固定することにより、ブレード26をスピンドル軸46に対して高精度に垂直にすることができる。
また、ブレード26の中心位置の精度は、ブレード26の装着孔38とハブフランジ48の突起部48bとの嵌め合い精度で決定されることから、装着孔38の内周面及び突起部48bの外周面の加工精度を高めることで、これらの同軸度を確保することができ、良好な取付精度を実現することができる。
その結果、ブレード単体精度に加えて、高精度なスピンドル軸46に対する取付精度も確保することで高精度な切断加工が実現できる。
すなわち、延性モードで加工するためには、ブレード26の切刃部40の厚みを薄く構成するだけでなく、その切刃部40をブレード26の回転軸(スピンドル軸46)に対して垂直な方向に略一直線上に作用させることができるように高精度な取り付けが必要となるが、その要求精度を十分に満たすことができる。
本実施形態では、ブレード26を軸支するハブフランジ48及びスピンドル軸46はステンレス(例えばSUS304、SUS304は日本工業規格(JIS: Japan Industrial Standards)に基づくステンレス鋼、以下、本発明におけるステンレス鋼は日本工業規格に基づく)等の金属材料で構成されている。一方、ブレード26は、上述のとおり、ダイヤモンド焼結体80により一体的に構成されている。すなわち、ブレード基準面36aは金属基準面で支えられる構成となっている。このような構成によれば、切断加工によってブレード外周部の切刃部40が熱をもち、或いは、スピンドル軸46側に熱があったとしても、まずはブレード26の内部に均一に熱が伝わる。すなわち、ブレード26は熱伝導率の非常に高いダイヤモンド焼結体80で構成されるのに対し、ブレード26を軸支するハブフランジ48及びスピンドル軸46はダイヤモンド焼結体80と比較すると格段に熱伝導率が低いステンレスで構成される。このため、これらに生じた熱は、ブレード26に沿って周方向に伝わり、ブレード26の周方向にすぐに均一化され、放射状の温度分布となる。ダイヤモンド部分だけが熱がすぐに伝わり、ステンレスのスピンドル軸46やハブフランジ48には断面積などの点で、熱が伝わりにくく接触部も少ないため、結果的にダイヤモンド部分がさらに熱の均一化が促進され、その均一な状態で、熱的平衡が確保されるようになる。
また、ブレード外周部において、熱膨張を阻害する部材もなく、またバイメタル効果もないため、ブレード26の外周部は真円度及び平面度を良好に保つことができる。その結果、ブレード外周端部に設けられる切れ刃84はワークWに対して一直線上に作用するようになる。
なお、本実施形態では、ブレード26がハブフランジ48を介してスピンドル軸46に装着される構成を示したが、ブレード26がスピンドル軸46に直接装着される構成としてもよく、同様の効果を得ることができる。
次に、本実施形態のブレード26を用いたダイシング方法について説明する。このダイシング方法は、シリコン、サファイア、SiC(シリコンカーバイド)、ガラスなどの脆性材料に対してクラックやチッピングなどの脆性破壊を伴うことなく塑性変形させながら安定して精度良く切断加工を行うことができる方法である。
まず、ロードポート12に載置されたカセットからワークWが取り出され、搬送手段16によりワークテーブル30上に載置される。ワークテーブル30上に載置されたワークWは、撮像手段18により表面が撮像され、ワークW上のダイシングされるラインの位置とブレード26との位置が、不図示のX,Y、θの各移動軸によりワークテーブル30を調整して合わせられる。位置合わせが終了し、ダイシングが開始されると、スピンドル28が回転を始め、ブレード26がワークWを切断するないしは溝入れする量だけスピンドル28が所定の高さまでZ方向へ下がりブレード26が高速に回転する。この状態でワークWは、ブレード位置に対してワークテーブル30とともに不図示の移動軸によって、図1に示すX方向へ加工送りされるとともに、所定の高さまで下げられたスピンドル先端につけられたブレード26でダイシングが行われる。
このとき、ブレード26のワークWに対する切り込み深さ(切り込み量)が設定される。外周に多数の切れ刃を要するブレード26を高速回転させることで、1つの切れ刃(微小切刃)84が臨界切り込み深さ(Dc値)以下になるように設定されなければならない。この臨界切り込み深さは、脆性材料の脆性破壊を起こすことなく、塑性変形による延性モードでの切断加工が可能な最大切り込み深さである。
ここで、ワーク材料とクラックを及ぼさない一つの刃あたりの臨界切り込み深さとの関係を表3に示す。
表3から分かるように、例えばワーク材料がシリコンの場合には、その臨界切り込み深さは0.15μmであることから、ブレード26のワークWに対する切り込み深さは0.15μm以下に設定される。仮に切り込み深さが0.15μmを超える場合にはワーク材料へのクラック発生は避けられない。
また、表3に示したワーク材料の中ではシリコンの臨界切り込み深さ(0.15μm)が最も小さく、他の材料と比べて割れやすいことが分かる。このことから、大抵の材料では、0.15μm以下の切り込み深さであれば、原理上クラックを発生することなく材料の変形範囲で加工を進行させることのできる延性モード加工が可能となる。
また、ブレード26のワークWに対する周速度(ブレード周速度)は、ブレード26のワークWに対する相対送り速度(加工送り速度)に比べて十分に大きく設定される。例えば、ブレード26の回転数20,000rpm、ブレード26の外径50.8mmの時、ブレード26の回転速度53.17m/sに対し、ブレード26の相対送り速度は10mm/sに設定される。
なお、ブレード26の切り込み深さや回転速度、ブレード26のワークWに対する相対送り速度の制御は、図1に示したコントローラ24によって行われる。
このような延性モードでのダイシング加工は、切断ラインの溝深さが最終切り込み深さとなるまで、1回あたりの切り込み深さが臨界切り込み深さ以下に設定された状態で繰り返し行われる。
そして、ワークWに対する1つの切断ラインに沿うダイシング加工が終了すると、ブレード26は、次に加工する隣の切断ラインにインデックス送りされて位置決めされ、前記と同様の加工手順により、当該切断ラインに沿うダイシング加工が実施される。
そして、前記ダイシング加工が繰り返されることにより、所定数の切断ラインに沿うダイシング加工が全て終了すると、ワークテーブル30とともにワークWを90度回転させて、前記と同様の加工手順により、前述した切断ラインと直交する方向の切断ラインに沿ってダイシング加工が行われる。
このようにして、全ての切断ラインに沿うダイシング加工が全て完了すると、ワークWは多数のチップに切断分割される。
ここで、本発明の効果を検証するために、上記ダイシング加工方法において、本実施形態のブレード26と従来の電鋳ブレードとを用いてワークに対して溝入れ加工を行った結果について説明する。
[比較実験1](シリコンウェーハ)
本実施形態のブレード26としては、両側テーパタイプ(両Vタイプ)のものを使用した。一方、従来の電鋳ブレードとしては、ブレード厚みが50μm(粒度#600)を使用した。その他の条件については以下のとおりである。
・装置:ブレードダイシング装置AD20T(東京精密製)
・ブレード回転数:20000rpm
・ワーク送り速度(加工送り速度):10mm/s
・切り込み深さ:30μm
・ワーク:シリコンウェハ(厚み780μm)
比較実験1の結果を図9A及び9Bに示す。なお、図9A及び9Bは、それぞれ、本実施形態及び従来技術による溝入れ加工後のワーク表面の様子を示したものである。
図9Aに示すように、本実施形態のブレード26を用いた場合には、ワークに対してクラックが発生させることなく切断溝を形成することができた。
一方、図9Bに示すように、従来の電鋳ブレードを用いた場合には、ワーク表面に微小なクラックが発生した。また、切断溝の底面にもクラックが生じていた。
このように本実施形態のブレード26を用いた場合には、従来の電鋳ブレードを用いた場合に比べて、クラックを発生させることなく、延性モードで安定して精度良い切断加工を行うことができることを確認した。
[比較実験2](サファイアウェーハ)
次に、比較実験1と同様のブレードを用いて、以下の条件で比較実験を行った。
・装置:ブレードダイシング装置AD20T(東京精密製)
・ブレード回転数:20000rpm
・ワーク送り速度(加工送り速度):10mm/s
・切り込み深さ:50μm
・ワーク:サファイアウェハ(厚み200μm)
比較実験2の結果を図10A及び10Bに示す。なお、図10A及び10Bは、溝入れ加工後のワーク表面の様子を示したものであり、図10Aは本実施形態のブレード26を用いた場合、図10Bは従来の電鋳ブレードを用いた場合である。
図10A及び10Bから明らかなように、ワークをサファイアウェハに変更した場合においても、シリコンウェハを対象とした比較実験1と同様の結果が得られることを確認した。
[比較実験3](SiCウェーハ)
次に、ストレート形状のブレードを用いて、以下の条件で比較実験を行った。
ブレード厚みは、20μm、50μm、70μm厚で行なった。
・装置:ブレードダイシング装置AD20T(東京精密製)
・ブレード回転数:20000rpm
・ワーク送り速度(加工送り速度):2mm/s
・切り込み深さ:200μm
・ワーク:4H-SiCウェハ Si面(厚み330μm)
図11Aから11Cは本実施形態のブレード26による溝入れ加工後のワーク表面の様子を示したものであり、図11Aは、ブレード厚みが20μmの場合、図11Bは、ブレード厚みが50μmの場合、図11Cは、ブレード厚みが70μmの場合を示す。
ブレード厚みは50μm以下とすることが理想的ではあるが、SiCの場合70μ刃厚では、小さいクラックはあるが、顕著なクラックはなかった。
[比較実験4](超硬合金)
次に、先と同様にストレート形状のブレードを用いて、以下の条件で比較実験を行った。
ブレード厚みは、20μm厚で行なった。
・装置:ブレードダイシング装置AD20T(東京精密製、AD20Tは装置の型番)
・ブレード回転数:10000rpm
・ワーク送り速度(加工送り速度):1mm/s
・切り込み深さ:40μm
・ワーク:超硬WC(WC:タングステンカーバイド)
図12A及び12Bは、本実施形態のブレード26による溝入れ加工後のワーク表面(図12A)及び断面(図12B)を示している。同図のように、超硬のような硬質材料でも理想的な延性モード加工を行うことができることを示している。
[比較実験5](ポリカーボネード)
次に、先と同様にストレート形状のブレードを用いて、以下の条件で比較実験を行った。
ブレード厚みは、50μm厚で行なった。
・装置:ブレードダイシング装置AD20T(東京精密製)
・ブレード回転数:20000rpm
・ワーク送り速度(加工送り速度):1mm/s
・切り込み深さ:500μm(フルカット)
・ワーク:ポリカーボネード
図13A及び13Bは、それぞれ、本実施形態のブレード26による溝入れ加工後のワーク表面、及びワーク断面を示している。図13Aに示すように、ワーク表面から見るとシャープな切断ラインが観察される。図13Bに示すように、従来の電鋳ブレードと比較しても鏡面の切断面を得たことが分かる。
[比較実験6](CFRP:carbon-fiber-reinforced plastic)
次に、先と同様にストレート形状のブレードを用いて、以下の条件で比較実験を行った。
ブレード厚みは、50μm厚で行なった。
・装置:ブレードダイシング装置AD20T(東京精密製)
・ブレード回転数:20000rpm
・ワーク送り速度(加工送り速度):1mm/s
・切り込み深さ:500μm(フルカット)
・ワーク:CFRP
比較実験6の結果を図14A及び14Bに示す。なお、図14A及び14Bは、溝入れ加工後のワーク断面の様子を示したものであり、図14Aは本実施形態のブレード26を用いた場合、図14Bは従来の電鋳ブレードを用いた場合である。
従来の電鋳ブレードと比較すると、電鋳ブレードは一つ一つの繊維を引きちぎるため、繊維のきれいな断面を観察できないが、本発明に係るブレードでは一つ一つの繊維が絡まって引きちぎれることなくシャープな繊維端面持つ切断面を得ることができる。
この結果は、本発明に係るブレードの場合、連続した切れ刃が形成され、それぞれの凹み部分が切れ刃になると共にダイヤモンド同士が結合している。そのため、電鋳ブレードでは切れ刃が繊維一本を切断するのに軟らかい結合材で衝撃を吸収してしまい、鋭利に切れ刃が作用しないが、本発明に係るブレードは、ダイヤモンドのせん断応力によって、瞬時の衝撃を吸収することなく鋭利に刃先が作用するためである。
次に、ブレード26のワークWに対する切り込み深さを臨界切り込み深さ(Dc値)以下として延性加工モードでの切断加工が行われる場合であっても実用的なダイシング加工が可能である理由について説明する。
例えば、外径50mmのブレード26を用いてシリコンウェーハからなるワークWを切断加工する場合を考える。なお、ブレード外周端部には結晶粒界に沿った切れ刃(微小切刃)が約10μmピッチで周方向に沿って設けられているものとする。この場合、ブレードの外周長は157mm(157000μm)であることから、約15700個の切れ刃が外周部に形成されていることになる。
まず、1つの切れ刃がワークWにクラックを与えない程度の切り込みとして、0.15μmの切り込みを入れたものとし、その切り込みにより一度の除去量が0.02μm(20nm)であるとする。なお、通常、SiCやSi、サファイア、SiO2などクラックが発生しない臨界切り込み深さはサブミクロンオーダ(例えば約0.15μm)である。そうすると、ブレード外周端部には15700個の切れ刃が存在するため、ブレード一回転あたり原理的には0.314mm(314μm)ほど、加工を進めることができる。ダイシングのスピンドルとして10,000rpmとすると、1秒当たり166回転する。よって、1秒当たりのブレード外周端部での切断除去排除距離は52.124mmとなる。例えば、ブレードの送り速度を20mm/sとした場合、ワーク材料内を押しながら進む速度よりも、ワーク材料をせん断方向に加工して除去する速度の方が速い。すなわち、ワーク材料を切断する上では、ワーク材料の破壊が起きない程度に微小切り込みを入れて、ワーク材料をブレードの進行方向とは直交する水平方向に加工して払いのけ、その払いのけ除去された部分を、ブレードが進行していく形態となる。そのため、クラックが発生する程度の0.1μm以上の切り込みが入る余地がないため脆性破壊を起こすことなく、塑性変形に基づく延性加工領域での切断加工が可能となる。すなわち、高速にブレードを回転させながらブレード回転によるブレード外周端部(先端部)の加工対象材料に対する周速度を、ブレードの加工対象材料に対する送り速度に比べて大きくとることで、延性加工を行うことが可能となる。
なお、実際的には、多少のブレードの偏芯も考慮し少し余裕を持たせて実施し、φ50.8mmのブレード径では、20,000rpmで回転させながら、10mm/s程度の送り速度で加工すれば、材料のクラックは発生しない。
次に、本実施形態のブレード26を用いて延性モードでの加工を実現するために各種検討した結果について説明する。
[ダイヤモンド砥粒の粒径と含有量の関係について]
本実施形態において、延性モードで加工するためにはブレード26の周方向における砥粒配列について考慮する必要がある。その理由としては以下のとおりである。
まず、仮に0.15μmの切り込みを入れるためには、その切り込みを入れるための切れ刃(微小切刃)の大きさとしては、1桁程度の大きい砥粒径や切れ刃間隔である方が望ましい。3桁以上大きい切れ刃間隔となる場合、切れ刃間隔のばらつきも考慮すると、微小な切り込みを入れることは難しい。
一般的に、平板状試料に対して、略等間隔に切れ刃が設定されたブレードを平行移動させて加工する際の最大切込み深さを幾何学的に計算する。以下図15を基にすると、ハッチングした部分を一刃あたりの切り屑部分とすれば、ブレード中心Oと切り屑上の一点Aとを結ぶ線によって決まるACなる長さが一刃あたりの最大切込み深さgmaxとなる。
なお、Dはブレード直径、Zはブレード切れ刃数、Nはブレードの毎分回転数、Vsはブレードの円周速度(πDN)、Vwはワークの送り速度、Szはブレード一刃あたりの送り量、aは切込み深さとする。
そこで、
とおき、切込み深さgmaxはブレード直径Dに比べて十分小さいとすれば、
したがって、
ここで、ブレードの刃数Zの代わりに、切れ刃間隔λを使用して、Z=πD/λとして、上式に代入すると、一刃あたりの最大切込み深さが求まる。
ここで、πDNは明らかにブレード周速度VSに等しい。すなわち、ブレードによる平板加工において、切れ刃間隔λと一刃あたりの最大切り込み深さの関係は次式で与えられる。
但し、gmax:単位切れ刃あたりの切り込み深さ、λ:切れ刃間隔、Vω:ワーク送り速度、Vs:ブレード速度、a:ブレード切り込み深さ、D:ブレード径とする。
これからも、単位切れ刃あたりの切込み深さを一定以下にするためには、切れ刃の間隔が重要になることが分かる。また、ブレードの回転速度も重要になる。
式(1)に示した関係によれば、Vω:40mm/s、Vs:26166mm/s、a:1mm、D:50mm、λ:25μmとしても、0.027μm程度の切り込み量だけとなり、0.1μm以下の切り込み量となる。この範囲であれば、臨界切り込み深さ以下であるから、延性モード加工の範囲である。
延性モード加工を行うためには、必ず上記の条件を満たさなければならない。
さらには、実用的な条件として、2インチ径のブレード(直径50mm)を10000rpmで回転させて加工する条件で、ワーク厚みが0.5mm、ワークの送り速度を10mm/sとし、ブレード外周部分の切れ刃間隔を1mmピッチで形成したとする(Vω:10mm/s、Vs:157x104mm/s、a:0.5mm、D:50mm、λ:1mm)。
その条件であっても、上の式に代入すると、一つの刃が切込む臨界切込み深さは0.08μmとなり、依然0.1μm以下の切込み深さとなる。よって、ブレードが偏芯せず理想的にすべての切れ刃がワークの除去加工に作用するとした場合、臨界的にはブレード外周部に形成できる切れ刃間隔は1mm以下までであれば、致命的なクラックを生じる過剰な切込みを与えることなく、加工を進行させることが可能となる。
尚、SiCでは、クラックを生じさせない臨界切込み深さは0.1μm程度であるが、他のサファイア、ガラス、シリコンなどにおいては、同クラックを及ぼさない臨界切込み深さは、0.2〜0.5μ程度であるため、臨界切込み深さを0.1μm以下と設定しておれば、ほとんどの脆性材料はクラックを及ぼすことなく、材料の塑性変形域内で加工を行うことができる。
よって、ブレード周囲につける切れ刃間隔は1mm以下である方が望ましい。
一方、ブレード周囲の切れ刃間隔は1μm以上である方がよい。仮に、平均的な切れ刃間隔が1μm以下の場合、すなわちサブミクロンオーダの切れ刃間隔を有する場合、臨界切込み深さ量と材料除去の深さ単位がほぼ同程度になってくる。すなわち、両者ともサブミクロンオーダとなるが、このような条件では実際に一つの切れ刃が期待する除去量に達することは難しく、逆に目詰まりモードによって加工速度は急激に低下する。
こうした状況下では、一つの切れ刃の臨界切込み深さは別として一つの切れ刃が除去できる深さ自体に無理があると考えられる。
尚、上記の考えは、ワークを切断する断面積が一定である場合に成り立つ。すなわち、試料は略平板状試料において、ブレードを高速回転させて、ブレードを、平板状ワークに対して一定の切込み深さに設定し、ワークをスライドさせながら切断加工するブレードに関する内容において合致する。
また、上記の式は、一つの切れ刃が与える臨界切込み深さは、切れ刃間隔によることも重要なことである。一つの切れ刃が切り込む量は、次の切れ刃との間隔に影響し、ある部分で切れ刃間隔が大きい部分があると、所望の臨界切込み深さより深く切込みクラックを及ぼす可能性を示している。よって、切れ刃間隔は重要な要素であり、安定した切れ刃間隔を得るために、その切れ刃間隔を材料組成から自然に設定されるように、単結晶ダイヤモンドを焼結したPCD材料が好適に使用されるのである。
但し、ダイヤモンド砥粒の粒径(平均粒子径)が大きくても、その隙間が密に敷き詰められており、実質的な砥粒間隔がその粒径よりも小さいオーダであれば、さらに砥粒の切り込みを抑制し、制御することが可能となる。実際には、理想的な粒径として1μmから5μm程度のダイヤモンド砥粒が望ましい。
尚、粒径が必ずしも切れ刃間隔になるとは限らない。正確にツルーイングされている場合は、切れ刃の間隔は粒径に相当するかもしれないが、通常切り出してドレッシングされた状態では、切れ刃間隔は砥粒径よりも大きくなる。
すなわち、粒界で厳密に規定されれば、一つの砥粒の両脇に存在する隙間が、切れ刃に相当すると解釈されるが、実際はいくつかの砥粒が固まりで抜け落ちて、自然に一定周期の切れ刃を形成するようになる。これは、ブレードを平均的に荒らすことで切れ刃ピッチを形成することができる。
図16A及び16Bには、ブレード外周端を粗さ計で測定した結果を示す。さらに図17A及び17Bには、表面状態の写真を示す。焼結体であるため、基本的には表面に見える部分はすべて砥粒であるダイヤモンドで構成される。
また、表面の凹凸はダイヤモンド粒界から形成されており、自然な略等間隔の凹凸形状が構成される。この一つ一つの凹部が材料に切込むための切れ刃として作用する。この切れ刃ピッチは、図から明らかなように、4mmレンジで260個、263個の山数があるため、約15μmピッチの切れ刃間隔となっていることが分かる。尚、本材料は、住友電工ハードメタル社製のDA200で構成されており、構成されるダイヤモンド粒子の粒径は公称1μmである。このように、粒径は小さくても、切れ刃間隔はそれよりも大きく形成されており、図からわかるように略等間隔に形成されている。
こうした等間隔な切れ刃は、単結晶の微粒子を焼結させて作られたダイヤモンド焼結体によって、ブレードそのものを形成していることによるものである。
このように、ブレード先端部分は、ワークを切り進めるために大きく凹凸をつけるようにしているが、それに対して、ブレード先端部分に比べてブレード側面部分は除去後のワーク切断後の端面を鏡面になるように研削する。そのため、ブレード先端部は切り進めるために粗く成形しており、ブレード側面部はそれに対して細かく成形している。
なお、従来の電鋳ブレードでは、通常ダイヤモンド砥粒の間隔は、その粒径と比べて格段に大きい。これは、まばらに振りまいたダイヤモンド砥粒を単にメッキしているためであり、メッキする時点で全く異なる。
これに対して、本実施形態のブレード26では、ダイヤモンド焼結体は焼結助剤が焼結によりダイヤモンド内に溶融してダイヤモンド同士が強固に結合するため、非常に硬質かつ高強度に構成される。また、ダイヤモンド焼結体は電鋳ブレードと比較して相対的にダイヤモンド含有量が多く(例えば、特開昭61-104045号公報を参照)、電鋳ブレードと比較すると相対的に強度が大きい。
また、ブレード材料内部の多くがダイヤモンドで占められているために、ダイヤモンド体積よりも、それ以外の部分(焼結助剤含む)の方を小さくすることが可能となり、ダイヤモンド焼結体の場合、仮に粒径が大きくてもダイヤモンド粒径の隙間を実質的にミクロンオーダにすることが可能になる。
また、ダイヤモンド砥粒の間の凹み部分が本発明では極めて重要な役割を果たす。ダイヤモンド砥粒は非常に硬質であるが、焼結助剤として入れたコバルトは一部はダイヤモンド内に浸透するが、一部はダイヤモンド砥粒間に残っている。この部分はダイヤモンドと比べると硬度的に少し柔らかいので、切断加工において摩耗しやすく少し凹む形になる。すなわち、ダイヤモンド同士に挟まれた部分があって、その間の凹みを微小な切れ刃にすることで、過剰な切り込みを与えることなく、安定した切り込みを得ようとしているものである。また、微小な切れ刃は、ダイヤモンド同士に挟まれた凹みのみならず、ダイヤモンド粒子自体が欠落してできた凹み部分も切れ刃として作用させることもある。この切れ刃間隔は、先の式に示した一つの刃あたりの臨界切込み深さを超えない程度の間隔に設定しておけばよい。
例えば、25μm粒径のダイヤモンド砥粒を焼結で固める場合を考える。ここでは分かりやすくするために、ダイヤモンド砥粒は25μm四方の立方体であるものと仮定する。ダイヤモンド砥粒同士を結合するために、25μmの外側で両側1μmの部分を別の粒子と結合するための結合部分として利用するものとする。すると、27μm四方の立方体となる。その場合に、ダイヤモンド砥粒部分が締める体積%は78.6%程度になる。よって、80体積%(vol%)以上程度のダイヤモンド含有量があれば、たとえ、25μm粒径のダイヤモンド砥粒であっても、そのダイヤモンド砥粒間の隙間、すなわち粒子間隔は実質せいぜい1〜2μm程度となり、その凹み部分が切り込みを与えるための切れ刃(微小切刃)となる。また、2μm程度の粒子間隔であれば、その粒子間隔においてそのピッチの粒子がワーク材料に押し込まれたとしても、そのワーク材料の変位はダイヤモンド砥粒の間隔と比べて1桁以上小さくなる。
すなわち、0.15μmかそれ以下となる。また、25μmピッチで切れ刃(微小切刃)が形成されているとして、50mmのブレード径の場合、全周約157mmあたり6280個の切れ刃が形成されている。仮にブレードを20000rpmで回転させるとして、1秒当たりに切れ刃は、2093333個作用させることができる。
この1つの切れ刃が0.15μm以下の切り込みを入れて、仮にその1/5である0.03μmほど、1秒あたりに除去するとする。そうすれば、2093333個の微小切刃であれば1秒当たり、62799μmほど除去可能となり、理論上、一秒当たり6cm程度切り進めることが可能となる。
こうした点からも、理論上、25μm粒径のダイヤモンド砥粒であっても、80%以上のダイヤモンド含有量を有しておれば、ダイヤモンド砥粒同士が結合している隙間の部分は1〜2μm程度となり、その結果、過剰な切り込み量を与えることなく、安定した切り込み量として0.15μmとすることが可能となる。
また、ダイヤモンド砥粒の粒径が25μmではなく、それ以下であっても、ダイヤモンド含有量を80%以上とすれば切り込みや材料除去量の点において、臨界切り込み深さを越えることがないため問題はなく、クラックを発生することなく延性モードでの加工を行うことが可能となる。
以上のように、ダイヤモンド焼結体の場合、ダイヤモンド砥粒(ダイヤモンド粒子)間が密に詰まっているため、ダイヤモンド含有量が非常に高く、個々のダイヤモンド砥粒がそのダイヤモンド砥粒のサイズの切れ刃として作用する。
また、ダイヤモンド砥粒の粒径と比較して、ダイヤモンド砥粒間の距離が格段に小さくなり、切り込み量として正確に制御することが可能となる。その結果、切り込み深さが所定の当初目論んだ切り込み深さ以上に大きくなることはなく、加工中絶えず安定した切り込み深さを保証する。その結果、ミス無く、延性モードの切断加工を行うことが可能となる。
なお、25μm程度の大きい粒径では、ダイヤモンド砥粒の含有率をさらに多くすることができ、通常市販されているものであれば93%程度の含有率(ダイヤモンド含有量)のものがある。そうであれば、なおさら、焼結助剤の割合が減少し、すなわち、ダイヤモンド砥粒同士の隙間は、実際微小になる。
ただし、25μm以上の大きい粒径のダイヤモンドを使用する場合、先に述べたように切れ刃間隔としては、延性モード加工を行う上で十分なのであるが、一方でブレードの刃厚を50μm以下とする場合には、そうした大きい砥粒では製作することはできない。
なぜならば、たとえば、40μmの刃厚で製作する場合は、少なくともブレード断面に二つ以上のダイヤモンド砥粒を要していないとならないが、理論上二つ入らず、1.6個となるからである。
[ワーク材料の変形を考慮したブレードの刃厚について]
延性モードの加工を安定して行うためには、前述したように、深さ方向においては切り込みを0.15μm程度以下にする必要がある。この切り込みを安定的に行うためには、切り込み幅から考慮されるワーク材料の厚み方向変位(縦方向変位)も考慮しなくてはならない。
すなわち、広い範囲でブレード面(ブレード26の回転軸に垂直な面)に平行な方向に切り込みを入れて除去する場合、それに伴うワーク材料の変形は縦方向(切り込み深さ方向)にも広がる。すなわち、ワーク材料のポアソン比を考慮して、ある程度有限の切り込み幅とする必要がある。なぜなら、極端に切り込み幅を大きくすると、ポアソン比の影響による材料変形で縦方向にもその変形余波が及んでしまう。これにより、所定の設定した臨界切り込み深さ以上の切り込み量が入ってしまい、結果的にワークWの割れを誘起することがあるためである。
ここで、ポアソン比の影響を考慮した場合に安定的に切り込みを与えることができるブレードの刃厚(ブレード幅)について検討する。表4は、脆性材料のヤング率とポアソン比との関係を示したものである。
ここでは、1つの切れ刃がワーク材料に切り込むものとする。また、細いストレートなブレード先端は、特段恣意的に鋭利化するものではなく常に加工すると、断面形状は略半円形になるものとする。
そうした場合、例えば0.15μmの切り込みを直方体状のもので与えるとすれば、略1μm程度の幅で平行に切り込みを与えると、ポアソン比によれば、付随的に縦方向に単純に0.17μm程度変位することになり、これは実際の切り込み量近くになる。実際は、ポアソン比の影響は縦変位のみならず、水平方向にも及ぶため、概算で1μm程度の幅であれば切り込み量として与えることができる。
しかし、図18に示すように、略半円状のブレード先端(ブレード外周端部)をワーク材料に対して0.15μm切り込む場合は、その幅として平行に一様に変位させているわけではないので、外周の立ち上がりを考慮すると、約5μmの円弧状の幅であればポアソン比の影響を受けずに切り込むことが可能となる。すなわち、Rsinθ=2.5となり、R(1-cosθ)=0.15となる。
これを逆算すると、先端部分のブレード半径は約25μm程度となり、上記5μm幅の切り込みを与える頂角は12度程度になる。
よって、材料に切り込むブレードの幅としては、約50μm以内には抑えておく必要がある。それ以上となると、各点平面的に同時に材料に作用することになり、時として微小なクラックを誘発することにつながる。
なお、それ以上の曲率、すなわち、30μm程度のブレード厚みであれば、基本的に上記の状態よりも局所的に切れ刃が作用するため、基本的に切れ刃の横幅が切り込み深さに影響を及ぼすことはなく安定的に切り込むことができる。
なお、ブレードの幅については、延性モードの加工を行う上での観点もあるが、ブレード単体の座屈強度とも大きく関係する。
上記ブレードの幅は、ワーク厚みからも制限を受ける。
ここで、ブレードの幅とワーク厚みの関係を示す。
ワークは、一般的にはダイシングテープに支えられている。ダイシングテープは弾性体であるため、ワークのような硬い材料とは異なり、少しの応力で多少なりとも縦方向(Z方向)に変位しやすい。ここで、ワークをブレードで切断する際には、ワーク内の切断される部分の断面形状、図19Aに示される斜線部分が重要になる。
ブレード接触領域lがワーク厚みhよりも大きいl>hの場合、図19Bに示すようにブレードが接する部分(加工除去される部分)は横長の長方形になる。こうした除去対象の断面部分が横長の長方形になる場合においては、上部から分布荷重が作用すると、撓みによって弓なりに曲がる状態が発生し、その撓みの最大変位は以下となる。(実際は板の撓みではあるが、単純に梁の問題と考え分布荷重が作用と仮定)
断面が奥行きbで高さhの長方形梁の場合、
であるため、上式は以下となる。
最大撓みは、梁の中央部分で、ワーク厚みhの3乗に反比例し、ブレード接触領域lの4乗に比例する。
特に、(l/h)3において、l/hが1を境にして、l/hが1より小さくなれば撓みは格段に小さくなり、逆にl/hが1より大きくなれば撓みは格段に大きくなる。これより、ブレード厚み(ブレード接触領域)lとワーク厚みhの相対的な厚みの形状で撓みが発生する場合と、発生しない場合が分かれる。
このブレード接触領域がワーク厚みよりも大きい場合(l>h)、ワークは接触領域内で撓みが発生するが、ワークが撓む場合、断続的に面内で上下に撓みによるワークの振れの振動が発生し、所定の切込みを達成できなくなる。結果的にワークの縦方向の振動でブレードから致命的な切込みが与えられ、ワーク表面に割れが発生する。
よって、特に本発明のPCDブレードによる加工では、クラックフリーの加工を行うため、所定の切込み深さを安定して忠実に守る必要がある。そのためには、切れ刃間隔制御による切込み深さを設定する他にも、ワークそのものの加工時おける縦振動を抑えることで、所定の切込みを精度よく確保しなればならない。
そのためにも、ブレード厚みは、図19Cに示すように対象ワークの厚みよりも薄くしなければならない。
例えば、ワーク厚みが50μm以下の場合は、ブレードの幅は当然50μm以下にする必要がある。
この場合には、ワークは接触領域内で撓むことはない。一方、接触領域内で屈曲ないしは圧縮させる応力が働くが、ワークは横方向には密な連続体でポアソン比により変形が拘束される。そのため、局所的にはワークから反力としてブレードから与えられた応力に作用し、結果的に、割れを発生することなく所定切込みでの加工が可能となる。
[従来のブレードとの比較]
特許文献1にあるような電鋳ブレードの場合、ダイヤモンドを分散させ、その上からメッキを行うため、ダイヤモンドはまばらに存在し、しかもそれらは突き出した構成となる。その結果、突き出した部分は、当然のように過剰な切り込みを与えてしまうこともあり、脆性破壊を誘発する。なお、溝の底部や側面部も連続している部分は、ワーク材料も互いに密に構成されているため、すぐさまクラックは入りにくいが、ブレードが抜ける部分が最もクラックや割れが入りやすい。それは、ブレードが抜ける際に、バリがでることと同じであり、ワーク材料は連続ではなく支えがないからである。
また、特許文献2のブレードの場合は、CVD法で成膜されているために、突出したクラックはない。ただし、ブレード端部の切れ刃の配列、ブレード側面部の平面状態やうねりなど、制御することは不可能である。特に、ブレード側面部に限れば、成膜時の膜厚むらはそのままブレードの厚みむらに相当する。また、成膜の表面そのものは無垢な面であるため、材料側面と完全に接触して摩擦熱を誘発することや、微妙なうねりがあり、そのうねりで材料を叩き割ることもある。
それに対して、本実施形態のブレード26では、軟質金属の焼結助剤を用いて焼結されたダイヤモンド焼結体で一体的に構成されるため、ブレード外周端部とブレード側面部を摩耗処理で成形することが可能となる。特にブレード外周端部は切れ刃となるため、前述のように、所定の切れ刃とするためにさらに摩耗処理条件を変更することも可能である。一方、ブレード側面部の役割としては、切り屑を排除することがまず第一にあるが、ワーク側面との接触を加味すると、ある程度の接触しつつも、過度に接触せず、安定してワーク側面を微小に削る程度にブレード側面部が荒らされていることが望ましい。
このようにブレードの外周端部と、ブレード側面部をそれぞれその状態に応じて所望の表面状態を設計し、そのような表面に製作できることについていずれの引用文献の技術も不可能である。
なお、スクライビングで使用されるブレードの場合、以下のような理由から延性モードでの加工には適さない。
すなわち、スクライビングでは、ブレード自体を回転させるわけではないので、等間隔に揃った微小な切れ刃自体が必要になるものではない。また、たとえ、切れ刃があったとしても、ミクロンオーダの結晶粒界に沿った微小切刃でなく、大きい切れ刃とする場合、高速回転のダイシングでは材料にクラックを与えてしまい到底使用することはできない。
また、結晶粒界に沿った微小な切れ刃をもつブレードをスクライビングで使用しても、その微小な切れ刃はスクライビングのクラックを与える切れ刃として機能するものではない。
また、スクライビングは、ブレードを鉛直方向に押圧する。そのため、ブレード内を通す軸に垂直下方向に応力を与え、ブレードを軸に対して滑るように構成する。軸とブレードを固定して使用するものではないため、軸に対するブレードのクリアランスは低く、また、ブレード自体が高速回転しないので、ブレードの片側面に基準面を設ける必要もない。
また、50μm以下、とりわけ30μm以下の細い刃先のスクライビング用のブレードを製作しても、ブレードは薄い軸受けで受け、またブレードの片側面に広い面で受ける基準面が存在しないため、ワークに対する精度良い真直度を確保できない。その結果、細い刃先のブレードは座屈変形してしまうことになり使用できない。
[ブレードの強度について]
次に、ブレード材料の強度(弾性率)とワーク材料の強度(弾性率)の関係について述べる。
ブレードがワークに一定量切り込んでそのまま切り進めるためには、ブレード材料はワーク材料に対して大きい強度が必要となる。仮に、単純にブレード材料がワーク材料に対して軟らかい材料、すなわちヤング率の小さい材料で構成されていた場合、極細いブレード先端部分をワーク表面に作用させ、ブレードを進めようとしても、ワーク材料が高弾性率の部材であればワーク表面を微小に変形させることができず、それを無理に変形させようとすると、ブレード自体が座屈変形する。そのため、結果的に加工が進行しない。ここで、両端支持の長柱の座屈荷重Pは次式で与えられる。
なお、E:ヤング率、I:断面二次モーメント、l:長柱の長さ(ブレード径に対応)とする。
仮に、ワーク材料より低い弾性率を有するブレードの場合、ブレードの座屈変形を抑えながら加工を進展させるのであれば、座屈変形しない程度の断面二次モーメントが必要となり、具体的にはブレード厚みを分厚くせざるを得ない。しかし、特に脆性材料を加工する場合でブレード厚みがワーク厚みより厚い場合、ワーク材料表面を変形させ押し割ってしまう。よって、ブレード厚みはワーク厚みよりも薄くしなくてはならない。
そうすれば、結果的には、ブレード材料はワーク材料よりも高弾性率のものを使用しなくてはならないことになる。
こうした関係は、従来の電鋳ブレードと本実施形態のブレード26との差に相当する。すなわち、電鋳ブレードは、ニッケル等の結合材で結合しており素材的にはニッケルベースとなる。ニッケルのヤング率は219GPaであるが、例えばSiCは450GPaである。ニッケルに電着されているダイヤモンド砥粒自体は970GPaであるが、それらは個別に独立に存在するため、結果的にニッケルのヤング率に支配される。そうすれば、原理上、ワーク材料が高弾性であるため、付随的にブレード厚みを増して対応しなくてはならない。その結果、電鋳ブレードの厚みを太くして接触面積を大きくすることを余儀なくされ、クラックや割れを誘発することになる。
これに対して、本実施形態のブレード26の場合、ダイヤモンド焼結体のヤング率はダイヤモンド同士が結合しているため、700〜800GPa相当である。これは、ほとんどダイヤ
モンドのヤング率に匹敵する。
ここで、ブレード26の弾性率がワークWの弾性率に比べて大きい場合、ブレード26は切り込みを与えた際に、ブレード26ではなくワークW側の表面が変形することになる。ワークW側が変形したまま、そのまま切り込みを入れて加工除去していくことが可能となる。しかも、その過程でブレード26が座屈変形することはない。よって、非常に鋭利なブレード26であっても、座屈することなく加工を進めることが可能となる。
表5に各材料のヤング率を示す。表5から明らかなように、ダイヤモンド焼結体(PCD)は、サファイアやSiCなどの大抵の材料と比較しても格段にヤング率が高い。このため、ワーク材料厚みより細いブレードであっても加工することが可能となる。
次に、ワーク材料とブレード材料の硬度の関係を述べるが、高度の関係も先の弾性率と同様である。
ブレード材料の硬度がワーク材料の硬度に比べて低い場合、例えば電鋳ブレードの場合は、ダイヤモンドを軟質の銅やニッケルが支えている。表面のダイヤモンド砥粒は非常に硬度が高いが、その下でダイヤモンド砥粒を支えているニッケルの硬度は、ダイヤモンドと比較すると極めて低い。よって、ダイヤモンド砥粒に衝撃が与えられると、その下のニッケルが衝撃を吸収することになる。結果的に、電鋳ブレードの場合はニッケルの硬度が支配的になるため、結果、硬質のダイヤモンド砥粒がワーク材料に衝突し、ワークに切り込みを与えようとしても、結合材がその衝撃を吸収するため、結果的に所定の切り込みを与えることが難しい。よって、加工を進行させるためには、ある一定以上のブレード回転数をダイヤモンドに衝撃的に与えないことには加工が進まない。また、この際にニッケルに一瞬衝撃が吸収され、その反力がダイヤモンド砥粒にのって大きな力でワーク材料を押圧するため、ワーク材料を脆性破壊させてしまう。
それに対して、本実施形態のブレード26の場合、ダイヤモンド焼結体はダイヤモンド単結晶に匹敵する硬度を有し、サファイア、SiCなどの硬脆性材料と比較しても格段に高い硬度である。その結果、ダイヤモンド焼結体の表面に形成される凹部からなる切れ刃(微小切刃)がワーク材料に作用しても、その衝撃はそのまま微小な切れ刃部分に局所的に作用し、鋭利な先端部分と相まって、極微小部分を精度よく除去加工することが可能となる。
[ブレードの切れ刃付けについて]
次に、ブレードの切れ刃付けについて説明する。
上述した実施形態では、レーザ光(パルスレーザ)を用いてブレード外周端部に切れ刃付けを行う方法として、ブレード面(ブレード26の回転軸に垂直な面)の法線方向(ブレード法線方向)からレーザ光を照射することにより切れ刃を形成している。
しかしながら、本発明者らが鋭意検討したところ、上記のような切れ刃付けの方法では、レーザ光が照射されていない逃げ面で磨耗が進行し、切れ刃は比較的早期に摩滅してしまうことが判明した。
そこで、さらに検討を重ねた結果、レーザ光をブレード法線方向ではなく、ブレード面に平行な方向(ブレード接線方向)から照射することにより、ブレード外周端部には、掬い面と逃げ面を有する切れ刃が周方向に沿って連続して形成され、安定した加工を実現することできるようになった。以下、本発明のより好ましい態様について説明する。
まず、先の説明と一部重複するが、本発明に係るブレード(PCDブレード)の切れ刃付けの考え方と従来の砥石との違いについて説明する。
図23A及び23Bは、従来の砥石と本発明に係るブレードによる砥石切れ刃に関する違いを示す模式図である。従来の一般砥石は、図23Aに示すように、砥粒と結合材で構成される。目詰まりや砥粒の摩滅を防ぐには、結合材を削りながら自生発刃させることで切れ味を確保する。それに対し、本発明に係るブレード(PCDブレード)は、図23Bに示すように、80%以上(例えば、約90%)のダイヤモンド砥粒と極微量の焼結助剤で一体的に焼結した一様なPCD素材で構成される。PCDは、一般的に切削工具として使用されてきたが、本発明では、一様なPCD表面にパルスレーザで恣意的に刻みをつけ、切れ刃を等間隔に恣意的に形成することで、延性モード加工を行う砥石として機能させる。切れ刃は、砥粒径とは関係なく独立して設定できることから、切れ刃サイズが砥粒径と同じになる従来の砥粒番手の概念とは全く異なる。
仮に、PCDブレードではなく、結合材で砥粒を保持して形成された従来の砥石(例えば、ニッケル等の電鋳ブレード、ビトリファイド、レジンブレード)にレーザ加工を施した場合、結合材とともに砥粒(ダイヤモンド砥粒)も同時に吹き飛ばされる。このときの様子を図24に示す。ダイヤモンド砥粒は600℃でグラファイト化する一方、例えば結合材のニッケルの融点は1455℃であり、酸化したニッケルの融点は1900℃である。そのとき、ダイヤモンド砥粒はグラファイト化するが、ニッケルは酸化して残り、内部の硬質なダイヤモンド砥粒を覆う場合がある。そのまま砥石として加工すると、表面にダイヤモンド砥粒がなく、酸化ニッケルが支配的となるため、レーザ光を照射した部分がそのままダイヤモンド砥粒のエッジとして機能しない。
すなわち、レーザの当て方などで、掬い面や逃げ面を形成できるものではない。基本的に結合材を除去して下地の新しい砥粒を発生する原理にとどまり、レーザ照射そのものが切れ刃を形成するといった原理に属するものではない。
こうして形成した表面は、基本的にレーザ光によって、切れ刃間隔を形成されたものではない。なぜなら、ある周期でレーザ光を照射したとしても、その照射されたピッチで形成された凹凸の凸部は、ダイヤモンド砥粒が存在せず、切れ刃としての機能を果たさないからである。単純に、結合材を削り取って下地の新しいダイヤモンド砥粒を出しやすくしているだけである。
結局、切れ刃間隔は、下地のダイヤモンドの砥粒や集中度に依存した形となり、レーザ光のパルス周期と関係ない。すなわち、レーザ光のパルス間隔などによるレーザ痕の間隔が、切れ刃の間隔にならない。これは、本発明に係るブレード(PCDブレード)をレーザ光の照射によるドレッシングを行って切れ刃を形成することとは全く異なる原理で、単に表面の結合材をレーザ光の照射によるジュール熱で溶かしているに過ぎず、レーザ光のパルス間隔で形成した凹凸を切れ刃として利用するものではない。
一方、本発明に係るブレード(PCDブレード)は、ほとんどがダイヤモンド砥粒で構成されているために、レーザによって局所的に熱せられて昇華する。このときの様子を図25に示す。同図に示すように、レーザ光が照射されると、ブレードを構成するダイヤモンド砥粒の一部がグラファイト化して残るが、これは物理的にもろく、加工中で容易に剥がれ落ち、その下にあるダイヤモンド砥粒が作用する。レーザ光(レーザビーム)の照射角度、強度や集光手段にもよるが、ブレード外周端部(砥石表面)に、ブレードのワークに対する進行方向に略垂直な稜線をもった尖った形状が形成され、その稜線部分はほとんどがダイヤモンド砥粒で形成される。その結果、ブレードの進行方向に対して稜線を境として掬い面と逃げ面が形成され、これが切れ刃に相当する。
ブレードを回転させながら切れ刃加工する場合、レーザ光のパルス周期やブレードの回転数を変えることで、切れ刃間隔を調整することができる。従来の砥石の場合、通常番手(砥粒径)や集中度で、一つの切れ刃の切込み量や切れ刃間隔を変化させる。しかし、本発明のように、ダイヤモンド焼結体をレーザ光で切れ刃付けする方法では、こうした番手や集中度に相当するパラメータをレーザ光のパルス周波数や出力、パルス幅で調整することによって任意の形態の切れ刃サイズを構成できる。これは、各ワークの切込みをワーク毎に一つの素材(PCDブレード)で自由に設定できることを意味する。なお、ダイヤモンド焼結体の場合では、ダイヤモンド砥粒(ダイヤモンド粒子)を大きくすると、硬度は増すが靱性は低下する。靱性を増すためには、ダイヤモンド砥粒を微粒化して焼結助剤の含有量を少し多くするとよい。通常、80%以上のダイヤモンド含有量は必要だが、ダイヤモンド焼結体の硬度を保ちつつ靱性を確保しながら、レーザ光で切れ刃付けした際に切れ刃の先端のダイヤモンド硬度を確保する場合は、70vol%以上、可能ならば70vol%を超えたダイヤモンド砥粒で構成することが必要となる。
なお、70vol%より多いダイヤモンド砥粒を焼結して構成されている製品には、トーメイダイヤ社製TDC-HM80,TDC-GM80などがありこれらの素材も好適に使用できる。
また、通常、研削において電鋳などの場合の砥粒分布は平均的に切れ刃を設定することはできても、ローカルな箇所では砥粒分布の濃淡などにより調整することはできない。しかし、レーザ光(パルスレーザ)による切れ刃形成は、先に述べたように延性モード加工を実現するための必須条件になる。ローカルな場所でも理論通りにブレードの外周端部に周方向に沿って等間隔の切れ刃を形成することは、一つの切れ刃の切込み量を厳密に制御することにつながり、理想的な延性モード加工を実現し、鏡面加工を行うことが可能となる。
ところで、上述した実施形態では、ブレード外周端部への切れ刃付けを行う方法として、図26に示すように、レーザ光を用いて、ブレード法線方向からレーザ光を照射することにより切れ刃を形成している。図27に、レーザ光(パルスレーザ)による切れ刃付けと逃げ面磨耗の状態を示す。同図から分かるように、ブレード法線方向からレーザ光を照射することにより切れ刃を形成する方法では、長期間にわたって安定して使用する場合には、次のような問題があることが明らかになった。
まず、1つ目の問題としては、レーザ光の入側と出側で穴径が変わることである。図27に示すように、入側の方がどうしても穴径が広くなり、出側で穴径が小さくなる傾向がある。この場合、加工ではレーザ光の入側と出側で切削抵抗が異なることに対応し、ワークWの割れにつながりやすい。
また、2つ目の問題は、切れ刃が早く磨耗していくことである。これは、切れ刃を形成した際に、その切れ刃と切れ刃の間は、フラットのままになる(図22参照)。そのときにワークとこすれて摩滅しやすくなってしまう。特に切れ刃部分の切り屑がそのまま巻き込まれながら、フラットの部分に入り込み、さらに先端部の摩滅が早まることになる。図27にも示すように、使用前(図27の左側の写真)と使用後(図27の右側の写真)で穴がない先端部分の摩滅が早まることになる。また、使用前と使用後で穴がない先端部分の摩滅が早急に進行し、摩滅で光っていることが分かる。これは、逃げ面磨耗に相当し、逃げ面が存在しないために、その逃げの部分が摩滅することになる。
同じレーザで加工するにも、切れ刃を形成する上で逃げ面を形成することは非常に重要となる。本発明のより好ましい態様では、図28に示すように、ブレード面に平行な方向(ブレード接線方向)からレーザ光を入射し、すなわち加工対象のブレードの進行方向に沿ってレーザ光を入射し、掬い面と逃げ面を有する切れ刃をブレード外周端部の周方向に沿って連続的に形成する。ビーム状のレーザ光(レーザビーム)による加工の場合、図29に示すように、ブレード接線方向にレーザ光を入れることでレーザ光が照射された部分は掬い面となり、途中のレーザ光が通過した部分は逃げ面になる。このようにして、ブレード面内に掬い面と逃げ面が形成され、その間に稜線が生じて切れ刃に相当する形になる。
こうして形成された、ブレード外周端部に一定の間隔の稜線が形成され、その稜線を境に掬い面と逃げ面を形成すること自体は、ブレード面の横から、すなわち、ブレード面の法線方向からレーザを照射して形成した方法とは、作用効果が全く異なる。所定の切込みを安定して入れるには、逃げ面が形成されていることが非常に重要になっている。
また、掬い面と逃げ面を形成する際にも、レーザ光のようにビームで形成することに非常に意義がある。ビームで形成する場合、ブレード面の法線方向からレーザ光を照射することにより切れ刃を形成すると(図26参照)、ビーム特性上、ビームが入射する手前は大きく穴が開くが、出口側は、穴径は小さくなり、結果的にブレードの通過・進行方向に対してきれいに垂直な切れ刃ができない。
それに対し、レーザ光のビームをブレードの運動する方向に迎え撃つ形で平行かつ低角度で照射した場合、掬い面と逃げ面をきれいに形成できる。また、ビームの入射先端が掬い面の形成に寄与し、ビームの側面部が逃げ面を形成することに寄与する。掬い角は小さい負の角であることが望ましいので、ブレード面に対して仰角を低い角度で入射させることと切り立った掬い面ができる。すなわち、ビームの直進性という特性を利用することで、掬い面と逃げ面を形成することが可能となるのである。
以上のように、ブレード法線方向ではなく、ブレード接線方向からレーザ光を照射することにより切れ刃付けを行う態様によれば、ブレード外周端部に掬い面と逃げ面を有する切れ刃を周方向に沿って連続的に形成することができる。
以下、図28に示した構成を用いて、PCDブレードに切れ刃付けを行ったときの実施例について説明する。なお、ブレードは、図28において右回転で使用する。また、このときのレーザ加工条件は、以下のとおりである。
レーザ光の波長 1060−1070nm
レーザ光の周波数 100kHz
レーザ光の出力 6W
送り速度 300mm/s
レーザ光の入射角 30度
図30に、ブレード接線方向からレーザ光を照射することにより切れ刃付けを行った結果を示す。図30に示すように、ブレード外周端部には、ブレード接線方向からのレーザ光の照射によって、掬い面と逃げ面を有する切れ刃が形成されている。したがって、新たに加工されたエッジ部分が、そのまま切れ刃として作用するため、定期的に連続して切れ刃付けを行うことで、砥石の目立てを行うことが可能となる。
また、上述のように、ブレード接線方向からレーザ光を照射する場合、シリンドリカルレンズを介してレーザ光を照射する態様がより好ましい。
図31は、ダイヤモンド焼結体(平板試料)に対してシリンドリカルレンズを介してレーザ光を照射した結果を示す。このときのレーザ加工条件は、以下のとおりである。
レーザ:100kHz 5ns 6W
シリンドリカルレンズ
加工ビーム形状 80μm(1:7)
1パルスエネルギー 6/100k 60μJ
レーザ光のパルス幅 5ns
周速度 300mm/s
レーザパワー 2.4W
レーザ繰り返し 40khz
(1パルスエネルギー60μJ)
シリンドリカルレンズ(蒲鉾レンズ)を使用することで、レーザ痕を円形ではなく楕円形につくることが可能となる。特に、切れ刃となる溝を、ブレード進行方向に対して垂直方向に細かいピッチで形成するとよい。例えば、上述したレーザ加工条件では、図31に示すように、溝幅が80μmに対して、溝ピッチの間隔が約10μmとなる。このため、例えば、ブレード幅が50μmブレードの外周端部に対して稜線がブレード回転によるブレード進行方向に対して略垂直になるように形成すればよい。図32は、シリンドリカルレンズを用いてブレード外周端部に切れ刃が形成された様子を示した図であり、ブレード面に平行な方向から見た図である。図32に示すように、ブレード外周端部に急峻な稜線が多数形成されると、それぞれの端面が切れ刃となってワークに作用させることができる。その結果、理想的な延性モード加工を行うことができる。
[平面砥石への応用について]
先に述べたのと同様の原理で、ダイシングブレードのみならず、平面砥石にも同じ原理が利用できる。すなわち、図33に示すように、回転する平面砥石の進行方向前方から、迎え撃つように傾けてレーザを照射する。その結果、砥石の進行方向に対して、垂直な方向に稜線が形成され、掬い面と逃げ面が形成される。これを平面砥石の回転数を一定にして、一定パルスで照射し、パルス幅を制御すると、切れ刃間隔をコントロールできる。一つの切れ刃の切込み量がワークにクラックを及ぼさない程度に切れ刃間隔を調整することで、安定した延性モード研削を行うことができる。
また、図33に示すようにレーザ光を砥石の半径方向にスキャンしていくことで、平面砥石のリング状の面内に同様の切れ刃を多数形成することができる。
このようにダイヤモンドを70vol%以上含むことにより、レーザ光の照射によって得られたダイヤモンド焼結体の表面の形態は、そのまま切れ刃として作用し、砥石としての役割を果たす。
なお、従来よりレーザ光の照射によりドレッシングする公知例は存在するが、それは結合材をレーザ光の照射によるジュール熱によって溶かして除去し、次のダイヤモンド砥粒の目だしを行うことが目的であった。しかし、本発明の場合は、レーザ光でダイヤモンド焼結体そのものを荒らし、掬い面と逃げ面とを形成して、表面に形成された荒さそのものを切れ刃として機能させる。
また、従来、砥石には砥粒の粒径によって切れ刃サイズを変化させ、砥粒番手という形で考えられていた。本発明の場合は、切れ刃サイズはレーザ照射間隔に依存するので、砥石に含まれる砥粒の粒径は関係ない。すなわち、砥粒番手という概念は存在しない。また、レーザの照射方向によっては、一つ一つの切れ刃に掬い面や逃げ面を形成でき、効率的な研削加工を実現する。
以上説明したように、本実施形態のブレード26によれば、ダイヤモンド砥粒82の含有量が80%以上からなるダイヤモンド焼結体80によって円板状又はリング状に一体的に構成され、このブレード26の外周部にはダイヤモンド焼結体の表面に形成された凹部からなる切れ刃(微小切刃)が周方向に沿って連続的に配列された切刃部40が設けられる。このため、従来の電鋳ブレードに比べて、ワークに対するブレード26の切り込み量を高精度に制することが可能となる。その結果、脆性材料から構成されるワークに対しても、ブレード26の切り込み量をワークの臨界切り込み量以下に設定した状態で切り込みを行うことにより、クラックや割れを発生させることなく、延性モードで安定して精度良い切断加工を行うことができる。
また、ダイヤモンド焼結体80の表面に形成された凹部は、ワークWを加工する際に生じる切り屑を搬送するポケットとして機能する。これにより、切り屑の排出性が向上するとともに、加工時に生じる熱を切り屑とともに排出することが可能となる。また、ダイヤモンド焼結体80は熱伝導率が高いので、切断加工時に発生する熱がブレード26に蓄積されることがなく、切断抵抗の上昇やブレード26の反りを防ぐ効果もある。
ブレードの材質として、上記において、ダイヤモンド砥粒を焼結して形成されたダイヤモンド焼結体によって、円板状に一体的に構成されるブレードを示した。
しかし、ワークが磁性材料などの鉄系の材料とする場合は、ダイヤモンド砥粒ではなく、CBN砥粒を使用した焼結体(PCBN:Poly-crystalline Boron Nitride)が好適に使用できる。
PCBNもPCDとほとんど同じ製法で製造される。すなわち、PCBN砥粒を圧力容器に入れて、高温高圧化で焼成することにより、PCDと同様にPCBNは完成される。
焼結体のPCBNとして、汎用的な商品は、住友電工ハードメタル社製のスミボロンがある。スミボロンBNC200やBNC300はCBNを80%以上含み、PCDと同構成で、PCDに次ぐ硬度を有する。(PCDはHv8600に対し、CBNは約Hv5000)(Hvはビッカース硬度)熱伝導率もPCDでは1000W/mK有するが、PCBNも200W/mKの熱伝導率を持つ。
PCBNの別なる汎用商品としては、エレメントシックス社のPCBN焼結体として市販されているDBW85、AMB90、DBS900なども好適に使用される。DBW85ではCBN砥粒を85%、AMB90ではCBN砥粒を90%、DBS900ではCBN砥粒を90%含有している。
これらCBN砥粒を80%以上の割合で含有し、高温高圧化で焼結した砥石は、延性モード加工を行う切れ刃の作用においてPCDと同じ特徴を有する。特にPCBNは焼結体にした場合も、CBN砥粒同士が密に結合されるとともに、その砥粒間の粒界部分が切れ刃となる。
本ブレードを試作し、鉄系の磁性材料を加工した結果、PCDは、鉄系ワークに溶着して、すぐにダイヤモンド表面が摩滅するため使い物にならないことを確認した。それに対して、CBNで構成したブレードの場合、長い時間、先端部の摩滅が起こることなく、持続的に加工できることを確認した。また、CBNの焼結体で製作したブレードも、単結晶ではなく、砥粒を組み合わせて高温高圧化で焼結した焼結体とすることで、結晶方位性はなくなる。すなわち、円板ブレードのあらゆるところで同じ強度や硬度を有するブレードを提供できる。
さらに、ブレード円周一周において回転させながらレーザ加工などによる刃付け加工を行うことで結晶粒界に基づく一様な切れ刃間隔を有する凹凸を自動的に形成することも可能となる。その凹凸を有するブレードが高速に回転することで、一定間隔の切れ刃が効率的に作用し延性モード加工を実現する。たとえば、鉄系金属の代表例としてSUS304(日本工業規格で規定するステンレス鋼材料)を加工する実施例としては、以下がある。
材料:DBW85,ブレード外径50.8mm、ブレード厚50μm、送り速度2mm/s、スピンドル回転数30000rpm、切り込み深さ200mm
こうした条件で、効率よく加工することが可能となる。
以上、本発明のダイシングブレードについて詳細に説明したが、本発明は、以上の例には限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行ってもよいのはもちろんである。
(付記)
上記に詳述した実施形態についての記載から把握されるとおり、本明細書では以下に示す発明を含む多様な技術思想の開示を含んでいる。
(付記1)
ワークを相対的にスライドさせて切断ないしは溝入れ加工するための回転するスピンドルに取り付ける砥石ブレードであって、前記砥石ブレードは、円盤状ないしは円環状で構成され、前記砥石ブレードの加工に寄与する外周端部は、連続した一様なダイヤモンド焼結体で構成され、前記ワークに対する進行方向に対し、ブレードの最外周端に連続かつ一定の間隔の稜線が形成され、前記稜線を境に掬い面と逃げ面が形成されていることを特徴とする砥石ブレード。
付記1の構成によれば、まず円盤状ないし円環状に連続した外周端を有することで、個片化したものではなく、一体物として円形状にダイヤモンド焼結体が構成される。このことから、加工中の温度分布は軸対称の温度分布になる。その結果、先端部分の切れ刃に相当する部分が形成する平面の平面度は乱れることなく向上し、ブレードが回転しても一直線上に作用する。
次に、外周端部が一様なダイヤモンド焼結体で構成されている。このことから、ダイヤモンド焼結体に対して周期性を有する加工を施すことで、任意の間隔の切れ刃を形成することが可能となる(周期性を有する加工としては、パルスレーザによる加工がある。)。従来は、砥石の切れ刃を変化させるためには、構成する砥粒径を変えることで、作用する切れ刃サイズを変更していたが、一様なダイヤモンド焼結体であれば、これに任意の間隔や大きさの切れ刃を形成することで、砥粒径とは関係ないピッチの凹凸を形成することができ、これが切れ刃として機能する。
このように周期性のある加工により、番手とは関係なく、任意の切れ刃を形成できる。特に、従来の砥石で番手の低い(粒径の大きい)砥石を形成しようとした場合に、ダイヤモンド砥粒を大きくした焼結体を使用すると、単結晶ダイヤモンド割合が大きくなり、非常に硬度が上がる一方、砥粒同士に隙間ができ焼結助剤が十分に拡散せず、靱性が低下してしまって欠けやすく脆い砥石となってしまう問題があった。そこで、切れ刃を大きく形成する場合においても小径のダイヤモンドで密に形成した焼結体を形成し、その一様な焼結体の外側に粒径よりも大きい切れ刃を形成することで、見かけ上番手の低い砥石を形成することが可能となる。このように単一の部材で任意の切れ刃を形成でき、その強度も安定させることが可能となる。続いて、最外周端部に一定の間隔の稜線が形成され、その稜線を境に掬い面と逃げ面が形成されるので、効率的な研削加工を実現することができる。
(付記2)
前記砥石ブレードは、ダイヤモンドの体積含有率が70%以上であることを特徴とする付記1記載の砥石ブレード。
(付記3)
前記砥石ブレードにおいて、前記等間隔に形成された前記切れ刃の大きさは、ダイヤモンド砥粒より大きいことを特徴とする付記1記載の砥石ブレード。
(付記4)
前記砥石ブレードにおいて、一定の等間隔で凹状に掘り込まれた切れ刃は、パルスレーザによりブレードを一定回転させながら形成したことを特徴とする付記1〜3のいずれかに記載の砥石ブレード。
(付記5)
前記砥石ブレードにおいて前記砥石ブレードの切れ刃は、前記パルスレーザを、ブレード面に平行かつブレード外周端に向けて照射し、ブレードのワークに対する加工方向に対して、垂直方向に稜線が形成され、掬い面と逃げ面を有する切れ刃を形成したことを特徴とする付記4記載の砥石ブレード。
(付記6)
前記砥石ブレードの外周端の切れ刃を形成する前記パルスレーザは、ブレード面に平行かつブレード外周端で、外周の接線方向から0度から90度の間の所定の角度で照射し形成したことを特徴とする付記5記載の砥石ブレード。
(付記7)
前記砥石ブレードの外周端の切れ刃を形成する前記パルスレーザは、ブレード面に平行かつブレード外周端で、外周の接線方向から楕円状に集光してレーザによる切れ目を入れたことを特徴とする付記5記載の砥石ブレード。