KR20220055955A - 피씨디 마이크로 드릴의 제조방법 - Google Patents

피씨디 마이크로 드릴의 제조방법 Download PDF

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KR20220055955A
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천정철
이상현
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주식회사 대성솔루션
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Abstract

본 발명은 피씨디 마이크로 드릴의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 디스크로부터 PCD층과 기저층으로 이루어진 PCD 팁을 제작하는 단계와, 상기 PCD 팁이 접합될 절삭공구의 네크의 접합부를 V컷하는 단계와, 상기 PCD 팁의 기저층을 상기 네크의 접합부와 형합되도록 V컷하는단계와, 상기 V컷된 네크의 접합부에 상기 V컷된 PCD 팁의 기저층을 형합시켜 산소-아세틸렌 브레이징 접합하는 단계를 포함하여 이루어져, PCD 팁과 네크의 브레이징 접합부에 대한 접합강도가 우수하고 수명도 길게 유지될 수 있으며, PCD 디스크로부터 제작될 수 있는 PCD 팁의 개수가 종래에 비해 증가되므로 원가 절감의 효과와 더불어 생산성 향상의 효과를 기대할 수 있다.

Description

피씨디 마이크로 드릴의 제조방법{Manufacturing method of PC micro drill}
본 발명은 피씨디 마이크로 드릴의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 절삭성능을 고려한 드릴 형상을 최적화 하고, 절삭 저항 및 칩 배출을 고려한 비틀림 각을 결정하며, 가공 정밀도를 고려한 플루트 길이, 절삭력 및 공구 수명을 고려한 선단각, 드릴 외주면 형상 및 Flute 접합을 최적화하여 공구의 수명을 높일 수 있도록 하는 피시디 마이크로 드릴의 제조방법에 관한 기술이다.
PCD(Poly-Crystalline Diamond)는 다결정 다이아몬드 입자로, 다이아몬드 분말을 고온, 고압 소결하여 제작된다. PCD는 다이아몬드와 유사하고 초경합금보다 2~3배 이상 높은 강도를 가지고 있어, 높은 재료제거율의 고능률절삭과 단속절삭 시 발생하는 높은 절삭 저항에도 견딜 수 있다. 이와 같은 특성을 가지는 PCD를 초경합금과 함께 복합소재로 가공된 것이 PCD Drill이다. 아래 그림은 PCD Drill의 형상과구조이다.
현재 반도체 제조 공정에서 주로 사용되고 있는 소재는 Quartz(석영), Si(Silicon, 규소), Alumina(Al2O3, 알루미나), 질화알루미늄(AlN) 등이 있다. 이들 소재는 반도체 공정 특성상 열, 기계적 및 내화학적 특성이 우수하지만, 가공이 어렵다는 문제가 있다. 또한, 최근 반도체산업은 공정의 고집적화 및 대형화가 추진됨에 따라, 기존 소재들이 가지고 있는 취약점을 보완함에 따라 가공성이 더욱 떨어지는 문제가 수반된다. 부품 소재의 가공 표면 조도는 반도체 제조 공정에서 particle에 의한 불량과 직결된다.
또한, 반도체 장비 중에서도 Etching(식각) 공정의 핵심 부품인 Etching Plate에 미세 홀가공이 많이 적용된다. 제품마다 다르긴 하지만 일반적으로 12인치 기준 EtchingPlate 하나당 0.5파이사이즈 홀이 적게는 200개에서 많게는 1000개 이상이 적용된다. 500개의 홀을 가진 Plate 하나를 생산하는데, 소모품인 드릴이 평균적으로 2~3개 정도 사용된다.
Si(실리콘) 소재의 경우 Plate 하나 가격이 약 500만원 정도 하는데, Drill의 파손에 따른 표면 불량이 발생할 경우 홀 가공이 Plate 제작의 후공정에 속하기 ‹š문에 폐기해야만 하는 상황이 빈번히 발생한다. 이러한 공정 불량에 따른 제조원가 상승은 업계의 상당한 이슈로 오랫동안 해결해야 할 과제라 할 수 있다.
세계 공구 시장은 해외 기업이 대부분을 점유하고 있다. 이는 국내 상황도 마찬가지며, 반도체 세라믹스 소재 가공용으로 한정하면 그 차이는 더욱 심하다고 할 수 있다. PCD Drill에 대한 연구는 국내에서도 일부 이루어지고 있지만, 이는 알루미늄 소재 또는 법용 소재를 가공하기 위한 것으로 당사가 진행하고자 하는 반도체 공정용 소재 가공이라는 특수 목적성의 차이가 있으며, 실리콘 소재 가공 테스트 결과에서 소음, 홀 가공면 조도 저하, 드릴 파손 및 짧은 수명 등 기술력 부재의 문제로 실제 수요로 이어지지 못하고 있다. 현재 반도체 소재 홀 가공에 사용되는 0.45~0.47파이 PCD Drill 분야는 일본의 U社 80%, T社 15%가 점유하고 있고, 나머지 5% 정도만이 국산 대응하고 있지만, 이마저도 품질 경쟁력 저하로 인해 해외제품에 눈을 돌리고 있는 추세이다. 현재 반도체 업계의 위기상황을 거울로 삼아 후방산업의 국산화에 이바지 할 수 있는 기술 개발이 필요한 실정이다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출해낸 것으로, Si소재 가공을 위한 드릴을 구성하되, 원소재를 Flute 연마, PCD연마, 1차 및 2차각 연마, 세척공정 후 검사공정을 거쳐서 선단각, 비틀림각, 길이를 최적의 조건으로 하여, 수명 및 가공 성능이 우수한 제품을 제공할 수 있는 피씨디 마이크로 드릴의 제조방법을 제공함에 주안점을 두고 그 기술적 과제로 완성해낸 것이다.
이에 본 발명은, PCD 디스크로부터 PCD층과 기저층으로 이루어짐은 물론 상기 PCD층과 기저층은 1:1.5～2의 두께비로 형성되도록 PCD 팁을 제작하는 단계; 상기 PCD 팁이 접합될 절삭공구의 네크의 접합부를 내각이 80～120°가 되도록 V컷하는 단계; 상기 네크의 접합부와 형합되도록 상기 PCD 팁의 기저층을 내각이 80～120°가 되도록 V컷하는 단계; 상기 V컷된 네크의 접합부에 상기 V컷된 PCD 팁의 기저층을 형합시키도록 은납봉을 사용하는 산소-아세틸렌 브레이징 접합하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 기술적 특징으로 한다.
본 발명의 피씨디 마이크로 드릴의 제조방법에 의하면, 상기와 같이 구성된 본 발명에 따르면, PCD 팁과 네크의 브레이징 접합부에 대한 접합강도가 우수하고 수명도 길게 유지되는 PCD 절삭공구를 제작할 수 있는 효과가 있으며, PCD 디스크로부터 제작될 수 있는 PCD 팁의 개수가 종래에 비해 증가되고, PCD 팁의 두께가 종래의 임플란트 조인트 타입 등에 비해 현저히 작아지므로 원가 절감의 효과와 더불어 생산성 향상의 효과를 기대할 수 있다.
도 1은 PCD 팁의 제작에 소요되는 PCD 디스크를 나타낸 사시도이다.
도 2a는 종래에 PCD 팁을 네크에 일자형으로 브레이징 접합한 예를 나타낸 도면이다.
도 2b는 종래에 PCD 팁을 네크에 요철형으로 브레이징 접합한 예를 나타낸 도면이다.
도 3은 종래에 PCD 팁을 네크에 임플란트 조인트한 절삭공구의 예를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따라 PCD 팁과 네크의 접합부를 V컷하고 산소-아세틸렌 브레이징한 절삭공구의 예를 나타낸 도면이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
도 4는 본 발명에서 제공하는 PCD 절삭공구의 실시예를 나타낸 도면으로서, 그 제조방법은 다음과 같은 단계에 따른다.
먼저, 전술한 도 1에서 설명되었던 PCD 디스크를 이용하여 PCD 팁(11)을 제작한다. 상기 PCD 디스크는 PCD층(11a)과 기저층(substrate : 11b)이 일정한 두께비로 소결된 소결체로서, PCD층(11a)은 다결정다이아몬드(Polycrystalline Diamond)로 이루어져 있고, 기저층(11b)은 주로 티타늄 합금강과 같은 소재로 이
루어져 있다. 본 발명에서 PCD층(11a)과 기저층(11b)의 두께비를 1:1.5～2로 하였는데, PCD층(11a)과 기저층(11b)의 두께비가 1:1.5보다 작거나 기저층(11b)이 없는 경우에는 PCD팁을 절삭공구의 네크(neck)에 브레이징할 때 브레이징 열이 PCD층(11a)을 가열하게 되어 PCD가 열에 의한 손상을 입게 된다.
또, PCD층(11a)과기저층(11b)의 두께비가 1:2보다 클 경우에는 PCD 디스크를 제작하는 비용이 상승하기 때문에 바람직하지 않다. 이러한 PCD 디스크를 와이어 커팅(wire cutting) 방전가공에 의해 낱개의 PCD 팁(11)으로 제조한다.
다음으로, 위와 같이 제조된 PCD팁(11)을 절삭공구의 네크(12)에 접합하기 위하여, PCD 팁(11)이 접합될 절삭공구의 네크(12)의 접합부(12a)를 V컷한다. 그리고, PCD 팁(11)의 기저층(11b)을 상기 네크(12)의 접합부(12a)와 형합되도록 V컷한다. 이때, 네크의 접합부(12a)와 PCD 팁 기저층(11b)의 V컷은, 그 내각(θ)이 80～120°가 되도록 하는 것이 바람직하다. 즉, 내각(θ)이 80°보다 작은 경우에는 V컷하기가 어려울 뿐만 아니라 접합부위의 강도가 떨어지게 되고, 120°보다 큰 경우에도 접합 부위의 강도가 저하된다.
이어서, V컷된 네크(12)의 접합부(12a)에 V컷된 PCD 팁(11)의 기저층(11b)을 형합시켜 산소-아세틸렌 브레이징으로 접합한다. 진공 브레이징이나 고주파 브레이징을 할 경우에는 밀폐된 공간에서 작업이 이루어지기 때문에 용가재를 페이스트로 사용할 수밖에 없는 한계가 있지만, 산소-아세틸렌 브레이징을 하면 용가재를 페이스트가 아닌 은납봉으로 사용할 수 있어 접합 강도면에서 페이스트 용가재에 비해 월등하게 향상된다. 즉, 페이스트는 플럭스에 용가재가 분말 형태로 첨가된 것으로서, 용가재의 밀도가 낮기 때문에 은납봉 자체를 용가재로 사용하는 경우에 비해 접합 강도가 낮아지게 된다. 또, 진공 브레이징이나 고주파 브레이징은 밀폐된 공간에서 열을 가하여 접합을 하기 때문에 은납봉을 직접 용가재로 사용할 수가 없다.
이와 같이, 본 발명에서는 네크(12)의 접합부(12a) 및 PCD 팁(11)의 기저층(11b)이 V자형으로 커팅되어 산소-아세틸렌 브레이징되기 때문에, 종래에 일자형이나 요철형으로 컷팅되어 진공 브레이징 또는 고주파 브레이징에 의해 접합되는 경우에 비해 접합부의 강도가 크게 향상되고 안정적인 접합이 이루어지는 효과를 볼 수있다.
앞에서도 언급한 바와 같이, 산소-아세틸렌으로 브레이징하는 경우에는 은납봉을 용가재로 사용할 수 있어 접합 부위의 강도를 향상시킬 수 있고, 정확한 위치에 브레이징이 가능하게 되며, 680℃ 내외의 온도 조절이 용이하다는 장점이 있다.
V컷된 접합 부위에 대한 산소-아세틸렌 브레이징의 경우에는 동일한 크기의 PCD 디스크로부터 제작할 수 있는 PCD 팁의 수량도 종래에 비해 증가하게 되어 원가 절감에도 크게 기여할 수 있다. 즉, 네크와 PCD 팁의 접합부위를 요철형으로 브레이징하는 종래의 경우에는 브레이징 후에 PCD 팁을 상당부분 연마하여야 하는 후속공정이 따르기 때문에, 연마공정 이전의 PCD 팁의 크기를 최종 크기보다 2배 정도 더 크게 제작하여야 한다. 따라서, 동일한 크기의 PCD 디스크로부터 제작될 수 있는 PCD 팁의 개수가 적을 수 밖에 없고, PCD 디스크의 가격이 고가임을 고려하면 본 발명에 따른 제조방법이 매우 경제적임을 알 수 있다.
예를 들어, 직경 60mm인 PCD 디스크를 이용하여 PCD 팁을 제조할 때, PCD 팁과 네크의 접합부위가 일자형인 경우에는 직경과 상관없이 120개 정도의 PCD 팁이 제작될 수 있고, PCD 팁과 네크의 접합부위가 요철형인 경우에 는 PCD 팁의 직경에 따라 120～400개 정도의 PCD 팁이 제작될 수 있다. 이에 비해, 본 발명과 같이 PCD 팁과 네크의 접합부위가 V컷된 형태인 경우에는 PCD 팁의 직경에 따라 120～1000개 정도의 PCD 팁이 제작될 수 있다. PCD 디스크의 직경이 동일한 경우를 가정할 때 하나의 PCD 디스크로부터 제작될 수 있는 PCD 팁의 개수는, 본 발명과 같이 V컷 형태의 브레이징 접합시 일자형 브레이징 접합에 비해 800% 이상, 요철형 브레이징 접합에 비해 200% 이상 증가된 효과를 볼 수 있다. 이는 일자형이나 요철형 브레이징 접합의 경우에는 진공 브레이징 또는 고주파 브레이징을 하기 때문에, 본 발명과 같은 V컷된 브레이징 접합부에 산소-아세틸렌 브레이징에 비해 후가공의 양이 많아지기 때문이다.
따라서, 본 발명과 같이 PCD 팁과 네크의 접합부를 V컷 형태로 제작하고 산소-아세틸렌 브레이징을 하는 경우는, PCD 팁과 네크의 접합부를 일자형 또는 요철형으로 하여 진공 브레이징이나 고주파 브레이징을 하는 종래에 비해 원가 절감의 효과가 월등함을 알 수 있다.
이상에서는 본 발명을 바람직한 실시예에 의거하여 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
11 : PCD 팁 11a : PCD층
11b : 기저층 12 : 네크 12a : 접합부

Claims (1)

  1. PCD 디스크로부터 PCD층과 기저층으로 이루어짐은 물론 상기 PCD층과 기저층은 1:1.5～2의 두께비로 형성되도록 PCD 팁을 제작하는 단계;
    상기 PCD 팁이 접합될 절삭공구의 네크의 접합부를 내각이 80～120°가 되도록 V컷하는 단계;
    상기 네크의 접합부와 형합되도록 상기 PCD 팁의 기저층을 내각이 80～120°가 되도록 V컷하는 단계;
    상기 V컷된 네크의 접합부에 상기 V컷된 PCD 팁의 기저층을 형합시키도록 은납봉을 사용하는 산소-아세틸렌 브레이징 접합하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 피시디 마이크로 드릴의 제조방법.
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