TWM449059U - 單晶鑽石工具 - Google Patents

Description

單晶鑽石工具

本創作係關於一種鑽石切削工具，尤指一種單晶鑽石切削工具。

近年來，因半導體產業的蓬勃發展，各種使用超級磨料的工具，如研磨工具、切削工具等，因其符合半導體產品精細度之需求而被廣泛地應用於半導體產業。

習知超級磨料中，由於多晶鑽石因顆粒較大，易於透過各種方式黏附於工具上，故其最常被使用於上述工具中。然而，因多晶鑽石中常含有鉻(Cr)，使用其製造之工具加工工件，經常會導致被加工工件之光澤度變差，使得工件於研磨、切削等製程後，還需重新進行拋光製程；此外，一般人工多晶鑽石顆粒主要都是將晶種、催化劑及碳原料層在高溫高壓裝置(HTHP)下經過長時間的晶粒成長而形成，其製備時間長，且耗費成本高。因此，利用製備時間較短且生產成本更低的人工單晶鑽石製造所需之切削工具為目前急需發展之方向，雖可考慮以不含鉻之單晶鑽石製造所需之切削工具，然而，受限於單晶鑽石尺寸，單晶鑽石製造之切削工具之使用壽命往往低於以多晶鑽石所製造之工具，並不符合製造成本之考量。因此，發展一以單晶鑽石製造之切削工具，其能克服上述使用壽命之缺陷，實有其所需。

據此，於本創作中，申請人利用一種能夠提高鑽石握持力之方法，以使得顆粒尺寸較小之單晶鑽石得以穩固地固定於工具上，製造出以單晶鑽石作為超級磨料之切削工具，進而克服上述使用多晶鑽石製造之工具所衍生之問題。

本創作之主要目的係在提供一種單晶鑽石工具，係藉由將單晶鑽石穩固地固著於工具上，製造出以單晶鑽石作為超級磨料之切削工具，俾能克服因多晶鑽石含有鉻導致被加工工件光澤性變差及其衍生之問題。

為達成上述目的，本創作係提供一種單晶鑽石工具，包括：一金屬握持體，其頂部有一凹槽；一切削部，係容置於該凹槽，且該切削部係由一單晶鑽石及一金屬結合層組成，其中，該金屬結合層乃與該單晶鑽石之表面形成碳化物；以及一焊料合金層，係銲接於該凹槽之內截面以及該金屬結合層之間。

於上述本創作之單晶鑽石工具中，該凹槽可包括一容置部及一開口部，且該開口部之截面積係小於該容置部之截面積，並且，為使單晶鑽石於可穩固地固定在該凹槽，於本發明之一態樣中，該開口部更可包括一卡持部，以使該切削部可卡合固定於該凹槽。

於上述本創作之單晶鑽石工具中，單晶鑽石之尺寸並不特別限制，只要其可適當地容置於上述凹槽中即可，舉例而言，該單晶鑽石之最大邊長可為1毫米至5毫米。此外， 基體的材料亦不特別限制，任何本領域習知之基體材料皆可使用，舉例而言，該基體可為一模具鋼材、鎢鋼、高硬度合金鋼、不鏽鋼，或高碳鋼。

一般而言，由於鑽石的化學惰性高，因此應用於切削工具中會顯得相當穩定。然而，一般金屬焊料與鑽石之接觸角甚大，導致鑽石與焊料無法有效附著，亦無法潤濕鑽石，雖習知技術以嘗試各種方式以使得焊料得以有效附著於多晶鑽石上，然而，單晶鑽石受限於其尺寸較小，並不適合習知技術所採用之方式。

據此，於上述本創作之單晶鑽石工具中，該基體及該切削部藉由焊料合金層在高溫下硬焊結合，且該焊料合金層係為鎳基金屬成分；此外，於該單晶鑽石及該金屬結合層間可形成一冶金鍵結或一化學鍵結、或該焊料合金層及該金屬結合層間可形成一冶金鍵結或一化學鍵結，從而使該切削部及該基體間獲得強而有力之鍵結，進而使該切削部得以穩固地附著於該基體上。

於上述本創作之單晶鑽石工具中，本創作並不特別限制金屬結合層之組成。然而，考量其需與單晶鑽石表面形成一冶金鍵結或一化學鍵結，該金屬結合層之組成可至少一選自由鈦、釩、矽、錳、鎢、鉬、鋯、鉿、釩、鈮、鉭、鏷、及鉻所組成之群組。類似地，本創作亦不特別限制焊料合金層之組成，只要其可與該金屬結合層於熔融形成一冶金鍵結或一化學鍵結即可。舉例而言，於本創作之一態樣中，該焊料合金層可至少一選自由銀、鐵、鈷、鎳、銅、 錫、鋅、鈦、鉻、錳、鋁、及其合金所組成之群組，以較佳地與該金屬合金層結合。再者，考量製程之便利性，該焊料合金層之組成更可包括矽、磷、硼，或其類似成份，以使該高溫焊接製程可於較低之溫度下熔融該焊料合金層。更具體地，於本創作之特定態樣中，該焊料合金層係為鎳鉻合金(Ni-Cr)、鎳鉻矽硼合金(Ni-Cr-Si-B)、或鉻錳矽鋁合金(Cr-Mn-Si-Al)。

此外，於本創作之一態樣中，上述以高溫硬焊結合該基體及該切削部，可於真空環境中，將其加熱到900至1200℃，使焊料合金層形成熔融態，從而達到於該單晶鑽石及該金屬結合層間形成一冶金鍵結或一化學鍵結，以及該焊料合金層及該金屬結合層間形成一冶金鍵結或一化學鍵結。因此，於本創作之單晶鑽石工具中，根據所選之金屬合金層及焊料合金層之組成，更包括在該單晶鑽石及該焊料合金層間之接觸面形成一碳化物或鈦化物，以提高鑽石握持力，達到固定單晶鑽石之功效。具體而言，於本創作之一態樣中，所形成之碳化物或鈦化物可為鈦釩合金(TiV)、鈦鉻合金(TiCr)、碳化鈦(TiC)、或硼化鈦(TiB)。

於上述本創作之單晶鑽石工具中，金屬結合層之厚度並不特別限制，較佳地，該金屬結合層之厚度可為0.1微米至2微米。於本創作之一特定態樣中，該金屬結合層之厚度可為2微米，以充分使該單晶鑽石可穩固地附著於該凹槽中。此外，本創作亦不特別限制塗佈金屬結合層之方法，舉例而言，該金屬結合層可藉由物理沉積法、化學沉積法、 電鍍法、燒結法、或噴灑法而形成於該單晶鑽石表面。於本發明之一特定態樣中，該金屬結合層係以物理沉積法形成於該單晶鑽石之表面。

於上述本創作之單晶鑽石工具中，焊料合金層之厚度亦不特別限制，只要其能充分填充於切削部及凹槽之內截面間，以將切削部固定於該凹槽中即可。舉例而言，於本創作之一態樣中，該焊料合金層之厚度可為1微米至20微米，較佳地，於本創作之一特定態樣中，該焊料合金層之厚度可為10微米。

於本創作中，「潤濕」一詞係指熔化之金屬因其表面張力而附著於超級磨粒上，且可導致超級磨粒與熔化金屬間之化學鍵結。

於本創作中，「冶金鍵結」一詞係指兩個或以上的金屬間的鍵結，該鍵結可為金屬間簡單的機械力鎖固或鍵結，如：液態金屬或固態金屬間形成之鍵結；亦或，為一化學性質，如：典型發生於金屬鍵之離子鍵結。

於本創作中，「化學鍵結」一詞係指於原子間形成分子鍵結力，使得原子間形成堅固的結合，於本創作中所述之化學鍵結，當發生在鑽石時，基本上為碳鍵。

習知技術中，雖不含鉻之單晶鑽石所製造之切削工具，相較於以多晶鑽石所製造之切削工具而言，較可保持被加工工件之光澤性。然而，受限於單晶鑽石尺寸，習知 以單晶鑽石製造之切削工具之使用壽命往往低於以多晶鑽石所製造之工具，據此，申請人提出一種單晶鑽石工具，藉由有效提高鑽石握持力，使其使用壽命得以增加，進而解決於習知技術中，被加工工件光澤性不佳之問題。

以下，將藉由各實施例，詳細描述本創作之單晶鑽石工具。

請參考圖1A，係本創作第一實施例之單晶鑽石工具1示意圖。該單晶鑽石工具1包括一金屬握持體11；以及一切削部12。請一併參考圖1B，係圖1A之A部分之放大圖，顯示第一實施例之單晶鑽石工具1於切削部12處之立體示意圖。是以，由圖1A及1B所示，本創作第一實施例之單晶鑽石工具1包括一金屬握持體11，其頂部有一凹槽111；一切削部12，係容置於該凹槽111，且該切削部12係由一單晶鑽石121及一金屬結合層122組成，其中，該金屬結合層122乃與該單晶鑽石121之表面形成碳化物；以及一焊料合金層13，係銲接於該凹槽111之內截面1111以及該金屬結合層122之間。於本創作第一實施例中，該單晶鑽石之最大邊長係為1毫米；該金屬結合層122係為鈦且其厚度為0.1微米；該焊料合金層13係為鎳鉻合金(Ni-Cr)焊料粉，據此，在1000℃下，經高溫焊接處理後，該金屬結合層122係與該單晶鑽石表面形成碳化鈦(TiC)，以及該金屬結合層122與該焊料層金層13間係形成鈦鉻合金(TiCr)。據此，即可穩固地將由單晶鑽石121所組成之切削部12固定於金屬握持體11上，完成本創作第一實施例之單晶鑽石工具1。

請參考圖2A，係本創作第二實施例之單晶鑽石工具2示意圖。該單晶鑽石工具2包括一金屬握持體2；以及一切削部22。請一併參考圖2B，係圖2A之B部分之放大圖，顯示第二實施例之單晶鑽石工具2於切削部22處之剖視圖。如圖2A及2B所示，本創作第二實施例之單晶鑽石工具2包括一金屬握持體21，其頂部有一凹槽211；一切削部22，係容置於該凹槽211，且該切削部22係由一單晶鑽石221及一金屬結合層222組成，其中，該金屬結合層222乃與該單晶鑽石221之表面形成碳化物；以及一焊料合金層23，係銲接於該凹槽211之內截面2111以及該金屬結合層222之間。

請參考圖3A，係第二實施例之單晶鑽石工具2頂部之立體示意圖，更具體地顯示該切削部22設置於該基體21頂部之凹槽211中。請一併參考圖4，係本創作第二實施例之單晶鑽石工具之製造流程圖。首先，如圖4A及4B所示，係利用物理沉積法(例如，濺鍍法)，將金屬結合層222塗佈於一單晶鑽石221之表面，以形成一切削部22，於此，該金屬結合層222之組成係為鈦且該其厚度約為2微米。接著，請參考圖3A及圖4C，係提供一金屬握持體21，並將上述製備之切削部22設置於該金屬握持體21頂部之凹槽211中，接著，請參考圖4D，係於該切削部22及該凹槽211內截面2111間填充作為焊料合金層23之鎳鉻矽硼合金(Ni-Cr-Si-B)焊料粉，接著，於真空環境中，以一高溫焊接法加熱至1000℃使焊料合金層23形成一熔融態，且在該單晶鑽石221及該金屬合金層222間形成碳化鈦(TiC)之化學鍵結，以及該金屬 合金層222及該焊料合金層23間形成化學鍵結或冶金鍵結，如鈦鉻合金(TiCr)或硼化鈦(TiB)。

據此，即可穩固地將由單晶鑽石221所組成之切削部22固定於金屬握持體21上，完成本創作第一實施例之單晶鑽石工具2。

如上述，本創作之單晶鑽石工具，於凹槽開口部更可包括一卡持部，以卡合固定該切削部。請參考圖3B，係本創作第三實施例之單晶鑽石工具3頂部之立體示意圖。與第二實施例大致相同，所不同處僅在於第三實施例之金屬握持體31頂部之凹槽311於開口部312處更包括一卡持部313，以卡合固定該切削部32，據此，於高溫焊接以及使用過程中，第三實施例之切削部32可更穩固地固定於凹槽311中而不易脫落。此外，於第三實施例中，金屬結合層322之組成為鈦及釩，並且以電弧沉積法塗佈於該單晶鑽石321之表面；而焊料合金層(圖未顯示)之組成則為鉻錳矽鋁合金(Cr-Mn-Si-Al)，因此，當此實施例之單晶鑽石工具3經高溫焊接後，該單晶鑽石321及該金屬合金層322間形成碳化鈦之化學鍵結及鈦釩合金(TiV)之冶金鍵結；該金屬合金層322及該焊料合金層間則形成如鈦鉻合金(TiCr)之冶金鍵結。

據此，即可穩固地將由單晶鑽石321所組成之切削部32固定於金屬握持體31上，完成本創作第三實施例之單晶鑽石工具3。

上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本創作所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。

1,2,3‧‧‧單晶鑽石工具

11,21,31‧‧‧金屬握持體

111,211,311‧‧‧凹槽

1111,2111‧‧‧內截面

12,22,32‧‧‧切削部

121,221.321‧‧‧單晶鑽石

122,222,322‧‧‧金屬結合層

13,23‧‧‧焊料合金層

312‧‧‧開口部

313‧‧‧卡持部

圖1A係本創作第一實施例之單晶鑽石工具之示意圖。

圖1B係本創作第一實施例之單晶鑽石工具頂部之立體示意圖。

圖2A係本創作第二實施例之單晶鑽石工具之示意圖。

圖2B係本創作第二實施例之單晶鑽石工具頂部之剖視圖

圖3A係本創作第二實施例之單晶鑽石工具頂部之立體示意圖。

圖3B係本創作第三實施例之單晶鑽石工具頂部之立體示意圖。

圖4A至4D係本創作第二實施例之單晶鑽石工具之製造流程示意圖。

1‧‧‧單晶鑽石工具

11‧‧‧金屬握持體

12‧‧‧切削部

13‧‧‧焊料合金層

Claims (14)

1. 一種單晶鑽石工具，包括：一金屬握持體，其頂部有一凹槽；一切削部，係容置於該凹槽，且該切削部係由一單晶鑽石及一金屬結合層組成，其中，該金屬結合層乃與該單晶鑽石之表面形成碳化物；以及一焊料合金層，係銲接於該凹槽之內截面以及該金屬結合層之間。
2. 如申請專利範圍第1項所述之單晶鑽石工具，其中，該凹槽係包括一容置部及一開口部，且該開口部之截面積係小於該容置部之截面積。
3. 如申請專利範圍第2項所述之單晶鑽石工具，其中，該開口部更包括一卡持部，其係使該切削部卡合固定於該凹槽。
4. 如申請專利範圍第1項所述之單晶鑽石工具，其中，該單晶鑽石之最大邊長係為1毫米至5毫米。
5. 如申請專利範圍第1項所述之單晶鑽石工具，其中，該金屬握持體係為一模具鋼材、鎢鋼、高硬度合金鋼、不鏽鋼，或高碳鋼。
6. 如申請專利範圍第1項所述之單晶鑽石工具，其中，該金屬結合層係至少一選自由鈦、釩、矽、錳、鎢、鉬、鋯、鉿、釩、鈮、鉭、鏷、及鉻所組成之群組。
7. 如申請專利範圍第1項所述之單晶鑽石工具，其中，該金屬結合層之厚度為0.1微米至2微米。
8. 如申請專利範圍第1項所述之單晶鑽石工具，其中，該金屬結合層係藉由物理沉積法、化學沉積法、電鍍法、燒結法、或噴灑法而形成於該單晶鑽石表面。
9. 如申請專利範圍第1項所述之單晶鑽石工具，其中，該金屬握持體及該切削部係將藉由焊料合金層在高溫下硬焊結合，該焊料合金層係為鎳基金屬成分。
10. 如申請專利範圍第1項所述之單晶鑽石工具，其中，在該單晶鑽石及該金屬結合層間係形成一冶金鍵結或一化學鍵結，或在該焊料合金層及該金屬結合層間係形成一冶金鍵結或一化學鍵結。
11. 如申請專利範圍第1項所述之單晶鑽石工具，其中，該焊料合金層係至少一選自由銀、鐵、鈷、鎳、銅、錫、鋅、鈦、鉻、錳、鋁、及其合金所組成之群組。
12. 如申請專利範圍第11項所述之單晶鑽石工具，其中，該焊料合金層更包括矽、磷、硼。
13. 如申請專利範圍第1項所述之單晶鑽石工具，其中，該焊料合金層之厚度為1微米至20微米。
14. 如申請專利範圍第1項所述之單晶鑽石工具，其中，更包括在該單晶鑽石及該焊料合金層間之接觸面形成一碳化物或鈦化物。