KR20090131531A - 절삭용 와이어 소우 - Google Patents

Abstract

와이어 소우에 전착된 절삭용입자(다이아몬드)의 부착성을 향상시켜 탈락률을 감소시킴으로써 절삭속도 및 절단 정밀도를 향상시킨 절삭용 와이어 소우 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

실시예의 와이어 소우는 피아노선과 같은 와이어(41)의 표면에 연질의 제1금속층(45)이 도금되고, 제1금속층(45)의 표면에 제1금속층(45)보다 상대적으로 경질인 제2금속층(46)이 도금되며, 제1금속층(45)과 제2금속층(46)에 다이아몬드 입자와 같은 절삭용 입자(43)의 일부분이 심어져 고착된 구조를 가진다.

이와 같은 절삭용 전착 와이어 소우는 다이아몬드 입자를 연질 및 경질의 다층도금층으로 고착시켜 다이아몬드 입자의 부착력을 현저하게 향상시킴으로써, 절단 작업시 발생하는 입자의 탈락에 의한 절삭속도의 감소를 억제하여 생산성을 현저하게 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 절단면의 절단 흔적을 최소화할 수 있는 잇점이 있다.

와이어소우, 절삭용입자, 구리, 니켈, 다이아몬드

Description

절삭용 와이어 소우{A wire saw}

본 발명은 반도체, 세라믹, 초경합금등의 경질 재료의 절단 및 슬라이스(slice)에 이용되는 절삭용 전착 와이어 소우 및 그 제조 방법에 관한 것으로써, 특히 와이어 소우에 전착된 절삭용입자(다이아몬드)의 부착성을 향상시켜 탈락률을 감소시킴으로써 절삭속도 및 절단 정밀도를 향상시킨 절삭용 와이어 소우 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

반도체 웨이퍼 재료로서 사용되는 실리콘 또는 화합물 반도체 또는 석영, 산화물 단결정 재료등은 표면 경도가 매우 높은 물질로서 실리콘 잉곳(ingot)으로부터 일정두께로 절단하기 위해서는 고경도의 다이아몬드와 같은 절삭용 입자가 필요하며 원하는 두께보다 약간 두껍게 절단을 실시한다.

최근에는 다이아몬드 블레이드를 사용한 절단방식에서 보다 발전한 와이어 소우(Wire Saw)를 이용한 절단 방식이 사용되고 있다.

와이어 소우를 이용한 절단은 다이아몬드를 사용한 블레이드 형식(Blade Type)의 절단 방식에 비하여 수율향상, 두께 편차, 휘어짐 정도를 감소시킬 수 있다.

이러한 와이어 소우는 공급릴(supply reel)과 감기릴(take up reel)에 수회권회되어서 공급과 감김이 가능하도록 되어 있으며, 와이어가 주행되면서 피절삭물에 접촉하여 절삭을 수행한다.

상기와 같은 와이어 소우에는 탄화규소가루, 절삭용 가루등의 절삭용 입자와 오일등이 혼합된 연삭액을 절단부에 공급하면서 다수개의 와이어 소우를 절단면에 통과시키는 멀티 와이어 소우와, 피아노 선등의 와이어 표면에 다이아 몬드 입자를 전착시킨 절삭용 전착 와이어 소우등이 있다.

절삭용 슬러리를 사용하는 멀티 와이어 소우의 경우에는 대형의 공작물을 1회의 절단작업으로 수십 또는 수 백장씩 절단할 수 있는 장점은 있으나, 슬러리 혼탁액에 오일을 혼합하여 사용하기 때문에 피절단재가 오염되기 쉽고 폐 슬러리 혼탁액의 처리가 까다로우며 절단 속도가 늦을 뿐 아니라 절단면이 거친 문제가 있다. 또한 절단 작업 중에 와이어 소우가 단선되면 실리콘 잉곳의 경우에는 불량이 발생되어 경제적 손실이 매우 크다.

반면에 다이아몬드 전착 와이어 소우는 상기에 비하여 절단면에 절단가공의 흔적을 적게 발생시켜, 절단면의 정밀도가 상대적으로 우수하다는 특성을 갖기 때문에 특히 실리콘 잉곳의 반도체 재료의 절단 공구로 널리 사용되고 있다.

이러한 종래의 다이아몬드 전착 와이어 소우의 대표적인 예를 살펴보면 다음과 같다.

일본 특허 공보 소62-260006호에는 피아노 선재의 표면을 열처리하여 연질의 페라이트조직으로 만든 후, 그 페라이트 기지에 다이아몬드 입자를 물리적으로 박 아 넣은 다이아몬드 소우가 개시되어 있다.

그러나 이 와이어는 표면에 다이아몬드 압입에 따른 표면흠이 많아 절단작업중 단선이 발생하기 쉬운 단점이 있다.

또 다른 예로 일본 공개 특허 공보 평7-96455에는 도 1a 및 도 1b에서와 같이, 피아노 선재(2)에 제1니켈 도금층(1)을 피복하고, 그 위에 불소 수지등의 수지층(14)을 다시 피복한 다음, 수지층(14)을 일정 폭의 나선 형태로 제거하여 노출된 제1니켈 도금층(1)위에 선택적인 2차 니켈 도금층(11)과 함께 다이아몬드 입자(12)를 전착시킨 나선형 다이아몬드 소우가 개시되어 있다.

이러한 형태의 와이어 소우는 수지층을 피복시키고 그것을 다시 나선 형태로 연삭 제거하는 등의 작업이 포함됨에 따라 와이어 소우의 생산공정이 복잡하여 생산성이 낮고 제조원가가 높아진다는 문제점이 있다.

또한, 경질의 2차 니켈도금층(11)에 다이아몬드 입자(12)를 전착시킴으로써, 절삭중 마찰에 따른 충격으로 경질의 다이아몬드 입자(12)와 2차 니켈도금층(11)의 경계부분에서 균열이 진행되어 다이아몬드 입자(12)의 탈락이 발생하게 된다.

또한 다이아몬드 전착 와이어 소우의 가장 일반적인 형태로서 피아노 선재의 표면에 1차 하지도금을 한 후, 2차 니켈도금시 다이아몬드 입자를 함께 전착시킨 와이어 소우는 비교적 쉽게 제작이 가능하고 직경이 큰 절단물의 절단도 가능하다는 장점이 있으나, 절단 중 와이어 소우에서 탈락된 다이아몬드 입자가 섞인 슬러리에 의한 절단부의 막힘 현상이 발생되어 8인치 이상의 잉곳 절단시에는 와이어 소우의 단선과 탈락한 다이아 몬드 입자에 의한 절단 흔적이 크고 거칠게 되는 문 제가 있다.

또한 다이아몬드 입자의 탈락으로 인하여 사용중에 절삭 능력이 급격히 저하되는 문제점도 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로써, 경질 재료 절단면의 정밀도와 절단 흔적의 발생 및 슬러리에 의한 절단부의 막힘에 영향을 주는 다이아몬드 입자의 탈락을 감소시킨 다이아몬드 전착 와이어 소우 및 이의 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하는 본 발명은 절삭용 전착 와이어 소우에 있어서,

와이어의 표면에 도금되는 연질의 제1금속층과, 상기 제1금속층의 표면에 도금되는 경질의 제2금속층이 구비되고, 상기 제1금속층과 제2금속층이 교대로 적층되어 다층 도금층으로 형성되며, 상기 제1금속층과 제2금속층에 그 일부분이 심어지도록 고착된 절삭용 입자를 포함하여 된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 목적을 달성하는 본 발명은 절삭용 전착 와이어 소우에 있어서,

와이어의 표면에 도금되는 경질의 제2금속층과, 상기 제2금속층의 표면에 도금되는 연질의 제1금속층이 구비되고, 상기 제2금속층과 제1금속층이 교대로 적층되어 다층 도금층으로 형성되며, 상기 제1금속층과 제2금속층에 그 일부분이 심어지도록 고착된 절삭용 입자를 포함하여 된 것을 특징으로 한다.

본 발명 와이어 소우에 있어서, 상기 제1금속층은 구리(Cu)이고 상기 제2금속층은 니켈(Ni)인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 와이어의 선경은 0.05~0.30mm이고, 상기 제1,2금속층이 각각 0.05~1㎛의 두께로 도금된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 제1금속층과 상기 와이어 표면 사이에 연질의 구리도금층 또는 황동도금층이 0.1~1㎛ 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제2금속층과 상기 와이어 표면 사이에 연질의 구리도금층 또는 황동도금층이 0.1~1㎛ 두께로 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 절삭용 입자는 다이아몬드인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 절삭용 전착 와이어 소우는 다이아몬드 입자를 연질 및 경질의 다층도금층으로 고착시켜 다이아몬드 입자의 부착력을 현저하게 향상시킴으로써, 절단 작업시 발생하는 입자의 탈락에 의한 절삭속도의 감소를 억제하여 생산성을 현저하게 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 절단면의 절단 흔적을 최소화할 수 있는 잇점이 있다.

이와 같이 절삭속도의 향상과 동시에 양호한 절단 정밀도를 얻을 수 있어 단결정 페라이트와 같은 고가의 피 절단체의 수율을 현저하게 증가시킬 수 있다.

이에 따라서, VTR, ATR 등의 자기 헤드, 반도체 칩과 같은 초 정밀한 표면 정밀도가 요구되는 것의 절단에 사용하는 경우에 현저한 효과를 나타낸다.

본 발명 실시예의 절삭용 전착 와이어 소우는 금속의 와이어 표면에 연질의 금속층과 경질의 금속층을 교대로 적층 도금하여 형성시키면서 절삭용 입자인 다이아몬드 입자를 고착시킨 것으로써, 취성재료의 절삭시 다이아몬드입자의 탈락률을 저하시킴으로써 절삭속도 및 절삭정밀도를 향상시킨다.

<제1실시예>

본 발명 실시예의 와이어 소우의 단면을 나타낸 도 2를 참조하면, 이는 피아노선과 같은 와이어(41)의 표면에 연질의 제1금속층(45)이 도금되고, 제1금속층(45)의 표면에 제1금속층(45)보다 상대적으로 경질인 제2금속층(46)이 도금되며, 제1금속층(45)과 제2금속층(46)에 다이아몬드 입자와 같은 절삭용 입자(43)의 일부분이 심어져 고착된 구조를 가진다.

본 발명 실시예에서 와이어(41)의 선경은 0.05~0.30mm를 사용하였고, 제1,2금속층은 각각 0.05~1㎛의 두께로 도금하였다.

또한, 제1금속층은 구리(Cu)도금층이고, 제2금속층은 니켈(Ni)도금층으로 하였다.

상기 제1금속층(45)과 상기 와이어(41) 표면 사이에는 연질의 구리도금층 또는 황동도금층(미도시)을 0.1~1㎛ 두께로 형성시킬 수 있다.

<제2실시예>

제2실시예의 와이어 소우는 제1실시예에서 제1,2금속층(45)(46)의 도금순서를 바꿔실시한 것이다.

즉, 선경 0.05~0.30mm인 와이어(41)의 표면에 제2금속층(46)을 0.05~1㎛의 두께로 먼저 도금형성하고, 제2금속층(46)의 표면에 제1금속층(45)을 0.05~1㎛의 두께로 도금형성시킨다.

마찬가지로, 상기 제2금속층(46)과 상기 와이어(41) 표면 사이에 연질의 구 리도금층 또는 황동도금층(미도시)을 0.1~1㎛ 두께로 도금형성시킬 수 있다.

<제3실시예>

도 3을 참조하면, 이 실시예는 상기 실시예들의 와이어(41)의 표면에 연질의 제1금속층(45)과 경질의 제2금속층(46)을 교대로 적층하여 도금형성하면서, 제1금속층(45)과 제2금속층(46)에 다이아몬드 입자와 같은 절삭용 입자(43)의 일부분이 심어져 고착되도록 한 것이다.

이때 제1금속층(45)을 먼저 도금형성시킬 수 있고, 제2금속층(46)을 먼저 도금 형성시킬 수 도 있으며, 두 경우 모두 절삭용 입자(43)의 일부분을 제1,2금속층(45)(46)에 심어지도록 하여 고착하는 것이다.

이 실시예에서도 만찬가지로 상기 제2금속층(46)과 상기 와이어(41) 표면 사이에 연질의 구리도금층 또는 황동도금층(44)을 0.1~1㎛ 두께로 도금형성시킬 수 있다.

상기와 같은 실시예들에서, 절삭용 입자(43;다이아몬드 입자)가 연질의 제1금속층(45)과 경질의 제2금속층(46)에 심어지도록 고착시킴으로써, 와이어 소우(40)가 주행하면서 피절삭물을 절삭시킬때 피절삭물과의 마찰충격으로부터 절삭용 입자(43)의 탈락률을 저하시킬 수 있게 된다.

즉, 니켈(Ni)과 같은 경질의 제2금속층(46)은 절삭용 입자(43)를 강한 부착력으로 부착시킬 수 있으나, 마찰충격에 의해서 절삭용 입자(43)와의 경계부분(도 2 참조)에서 균열이 진행되어 탈락이 유발될 수 있다.

그러나 절삭용 입자(43)가 구리(Cu)와 같은 연질의 제1금속층(45)과 함께 접 하여 부착됨으로써, 내마모성과 인성(靭性)이 동시에 확보되어 탈락률을 저하시킬 수 있게 된다.

특히, 제3실시예의 경우에서와 같이, 제1,2금속층(45)(46)이 2회 이상 반복적으로 적층도금되고, 절삭용 입자(43)가 제1,2금속층(45)(46)중 적어도 하나와 2회 이상 접하여 부착하게 되면 절삭용 입자(43)의 탈락을 효과적으로 방지할 수 있게 된다.

이하에서는 본 발명 실시예의 와이어 소우의 제조방법을 도 2 및 도 4를 참조하면서 설명한다.

0.7 ~ 1.1wt%의 탄소를 함유하는 선경 5.5mm의 와이어 원선을 사용하여 건식 연속 신선기에서 냉간 신선하여 선경 1.0~1.5mm의 1차 와이어를 얻는다.

이어서 신선된 1차 와이어를 가열로, 납 냉각조를 통과해 열처리(파텐팅)한 뒤, 산세조, 수세조, 구리도금조, 아연도금조를 통과시키면서 구리도금과 아연도금을 한다.

이어서 1차 와이어를 열 확산조에 통과시켜 도금층을 황동층으로 변화시키고, 인산조에서 표면의 산화층을 제거한 후에 다시 수세조에서 수세하고 열풍로에서 건조하여 황동도금된 중간선을 얻는다.

얻어진 중간선을 습식 연속 신선기에서 복수 개의 다이스로 95%~98% 의 고가공도로 신선하여, 인장강도 3000~4500MPa의 초고강도를 갖는 선경 0.05~0.30mm의 2차 와이어(41)를 형성한다.

얻어진 2차 와이어를 다이아몬드 입자(43)가 분산된 다층도금 욕조에서 구리 /니켈의 얇은 층이 여러 겹으로 형성된 다층 도금이 시행됨과 함께 다이아몬드 입자(43)의 전착이 이루어져 다층 도금층에 의해 단단히 고정된다.

상기 다층도금 욕조는 한 도금액에 구리와 니켈의 두가지 성분을 조성한 후에 전류나 전압의 사이클릭 펄스(Cyclic Pursing)로 충분히 다른 전기 화학적 방법을 이용하여, 낮은 전류밀도에서는 구리도금을 고 전류밀도에서는 니켈도금을 행한다.

이와 같이 와이어(41)의 표면에 구리와 니켈이 교대로 반복적으로 적층되어 도금층이 형성되는 동안 다이아몬드 입자(43)가 전착되게 되므로, 다이아몬드 입자(43)는 연질의 제1금속층(45)(구리) 및 경질의 제2금속층(46)(니켈)과 교대로 접하면서 고착되게 된다.

다층 도금층을 형성시에는 필요에 따라 제1금속층(45;구리층)을 먼저 형성할 수 도 있고, 제2금속층(46;니켈층)을 먼저 형성할 수도 있다. 다층 도금에 있어서 다이아몬드의 고착 강도를 중요시하면 다층에서의 각각의 제1,2금속층(45)(46)을 얇게 하면서 도금층의 수를 증가하는 것이 좋으며, 본 발명의 목적이 절삭입자의 탈락을 최소화하기 위해서는 다층 도금층의 도금층이 5회 이상 교대로 적층 구성하는 것이 좋다. 더욱 좋게는 다층 도금층에서는 각각의 구리와 니켈의 도금층 두께가 0.05~1.0㎛정도에서 비슷한 두께로 형성되는 것이 유리하다.

한편, 연질과 경질의 도금층을 다층으로 도금하는 방법으로 상기 실시예에서는 보다 경제적이고 양호한 다이아몬드 전착 도금층을 얻기 위한 방법으로 사이클릭 펄스(Cyclic Pursing)를 이용한 도금방법을 채택하였으나, 여러개 도금조와 수 세조를 갖추어 놓고 구리도금 -> 수세 -> 니켈도금 -> 수세 -> 구리도금 -> 수세 -> 니켈도금 등의 순으로 도금조를 배열하여 와이어를 진행시키면서 도금하는 방법이 채택될 수 있다.

[실험예]

이하 본 발명 실시예의 와이어 소우와 비교대상(종래예)의 와이어 소우의 절삭실험을 통한 실험예를 설명한다.

본 발명 실시예의 와이어 소우는 선경 0.14mm의 고강도 와이어(41)의 표면에 각각의 두께가 약0.05~1㎛인 제1금속층(45)과 제2금속층(46)을 교대로 반복 적층하여 도금형성하면서, 5~20㎛ 크기의 다이아몬드 입자(43)를 전착하여 최종 와이어 소우의 선경이 0.18mm인 와이어 소우를 사용하였다.

비교 대상의 다이아몬드 전착 와이어 소우는 선경 0.14mm인 고강도 와이어(AISI1080)를 세정 후에 구리도금을 하고, 그 위에 5~20 ㎛ 크기의 다이아몬드 입자의 전착을 위한 니켈도금을 하여 제조된 최종 선경 0.18mm인 다이아몬드 전착 와이어 소우를 사용하였다.

상기 두 종류의 와이어 소우에 대해서 취성 재료인 석영을 절단하면서 왕복횟수에 따른 절단능, 피절단체의 정밀도 및 다이아몬드 입자의 탈락률을 측정하여 그 결과를 아래 <표 1>과 도 5에 나타내었다.

석영의 절단을 위한 와이어의 속도는 1m/sec, 하중은 1kgf로 적용하였다.

<표1>

실험에 의하면, 본 발명의 실시예의 와이어 소우는 비교예의 와이어 소우에 비하여 동일한 왕복횟수에서 피절단체의 절단 정밀도(warp)가 매우 양호하게 나타났으며, 피절단체의 절단 속도에 대해서도 비교대상 와이어 소우에 비해 매우 유리하게 나타났다.

특히 본 발명의 다이아몬드 전착 와이어 소우는 왕복 횟수 2000회에서도 다이아몬드 입자의 탈락이 발견되지 않았으나, 비교대상의 다이아몬드 전착 와이어 소우에서는 다이아몬드 입자의 탈락률이 14%에 달했으며, 4000회의 왕복조건에서는 본 발명의 다이아몬드 전착 와이어 소우의 입자 탈락율은 8%인데 반하여 비교대상의 예에서는 다이아몬드 입자의 탈락률이 64%에 달했다.

상기 실험의 결과로부터 분명하게, 다이아몬드 전착 와이어 소우에 있어서 연질과 경질의 다층 도금층을 복합 구성하는 것에 의해 다이아몬드 입자가 와이어 소우에 강하게 고착되어 피절단체를 절단 작업시 다이아몬드 입자의 탈락을 억제하여 빠른 절단속도와 양호한 절단 정밀도를 갖는 개선 효과를 확인할 수가 있었다.

도 1a 및 도 1b는 종래 와이어 소우를 나타낸 개략도,

도 2는 본 발명 실시예의 와이어 소우를 나타낸 단면도,

도 3은 본 발명 다른 실시예의 와이어 소우를 나타낸 단면도,

도 4는 본 발명 와이어 소우의 제조방법을 나타낸 흐름도,

도 5는 본 발명 와이어소우와 비교대상 와이어 소우의 절삭실험 결과를 나타낸 그래픽.

Claims (7)

1. 절삭용 전착 와이어 소우에 있어서,

   와이어의 표면에 도금되는 연질의 제1금속층과, 상기 제1금속층의 표면에 도금되며 상기 제1금속층보다 상대적으로 경질인 제2금속층이 구비되고,

   상기 제1금속층과 제2금속층이 교대로 적층되어 다층 도금층으로 형성되며,

   상기 제1금속층과 제2금속층에 그 일부분이 심어지도록 고착된 절삭용 입자를 포함하여 된 것을 특징으로 하는 절삭용 전착 와이어 소우.
2. 절삭용 전착 와이어 소우에 있어서,

   와이어의 표면에 도금되는 경질의 제2금속층과, 상기 제2금속층의 표면에 도금되며 상기 제2금속층보다 상대적으로 연질인 제1금속층이 구비되고,

   상기 제2금속층과 제1금속층이 교대로 적층되어 다층 도금층으로 형성되며,

   상기 제1금속층과 제2금속층에 그 일부분이 심어지도록 고착된 절삭용 입자를 포함하여 된 것을 특징으로 하는 절삭용 전착 와이어 소우.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제1금속층은 구리(Cu)이고 상기 제2금속층은 니켈(Ni)인 것을 특징으로 하는 절삭용 전착 와이어 소우.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 와이어의 선경은 0.05~0.30mm이고, 상기 제1,2금속 층이 각각 0.05~1㎛의 두께로 도금된 것을 특징으로 하는 절삭용 전착 와이어 소우.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 제1금속층과 상기 와이어 표면 사이에 연질의 구리도금층 또는 황동도금층이 0.1~1㎛ 형성된 것을 특징으로 하는 절삭용 전착 와이어 소우.
6. 제 2 항에 있어서, 상기 제2금속층과 상기 와이어 표면 사이에 연질의 구리도금층 또는 황동도금층이 0.1~1㎛ 형성된 것을 특징으로 하는 절삭용 전착 와이어 소우.
7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 절삭용 입자는 다이아몬드인 것을 특징으로 하는 절삭용 전착 와이어 소우.

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