JP2006096051A - 硬質材料の加工方法及び硬質材料部品 - Google Patents

Abstract

【課題】従来、ｃＢＮ焼結体やダイヤモンド焼結体などの超高硬度材料の切断加工には、多くの場合放電加工が使用されてきたが、加工速度が遅い為、製品のコストを低減することが難しかった。また、レーザー加工では加工端面の品質に問題があるため、後加工が必要とないやはり加工コストが高かった。
【解決手段】超高硬度材料の切断加工時に、加工部分近傍に冷却水を噴射することにより加工時の熱による損傷を防ぎ、同時に良好な加工面が得られ、加工面のテーパーも小さく押えることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は立方晶窒化硼素（以下ｃＢＮという）、ダイヤモンドおよびセラミックス等、高硬度物質の多結晶体を加工し、切削加工用工具やヒートシンク等に用いられる部材の形状を作製する方法およびその部材に関するものである。

ｃＢＮ焼結体、ダイヤモンド焼結体、気相合成法により生成した多結晶ダイヤモンド（以下気相合成ダイヤモンドという）、工業用セラミックスは、それぞれの持つ、優れた物理的特性を利用して広く工業製品を構成する部材として利用されている。

超高圧・高温下で焼結されたｃＢＮ焼結体やダイヤモンド焼結体は高硬度、高耐磨耗性を利用して、種々の切削工具や線引きダイスなどの耐摩工具を製造する素材として使用されている。また、一部のｃＢＮ焼結体は高熱伝導率を利用して半導体素子搭載用のヒートシンク用素材として使用されている。これらの焼結体は、超高圧・高温下で焼結する際、通常、直径２５ｍｍ以上の円板状で焼結される。製品用部材を作製する場合、この円板から１辺数ｍｍ程度の多角形体を切り出して使用する。

気相合成ダイヤモンドは高耐磨耗性、高熱伝導率を利用して半導体熱圧着工具に、また、高熱伝導率を利用して半導体素子搭載用ヒートシンクとして利用されている。気相合成ダイヤモンドは通常、数ｃｍ×数ｃｍの基材の表面に合成され、同じく数ｍｍ程度の製品形状に成型加工して使用する。

セラミックスは高硬度を利用して切削工具に、高耐磨耗性を利用して耐摩工具に、また、高電気絶縁性を利用して半導体素子搭載用パッケージ材料として使用する。セラミックスの場合も種々の形状に焼結後、製品もしくは部品形状に成形して使用する。

これらの素材はいずれも硬度が非常に高いため、切断、成形といった加工においては、それぞれの特性に合った加工方法が採用されている。ｃＢＮ焼結体やダイヤモンド焼結体では、その結合材のもつ電気伝導性を利用して、ワイヤー放電加工が行われている。気相合成ダイヤモンドの場合は、結合材を持たず導電性が低いため放電加工は適用できず、ＹＡＧレーザーによる加工が行われている。セラミックスでは、被加工部材よりも高硬度の砥粒を内包した回転刃によるダイシング加工が行われている。
特開２００１−１３８０８１号公報 特開平７−９１８５号公報

ワイヤー放電加工は、主に金属材料の切断加工に使用されており、異型の貫通孔や２次元的屈曲面を容易に加工できる。ｃＢＮ焼結体やダイヤモンド焼結体は結合材として導電性の金属成分を含んでいるため放電加工が可能であり、従来、これらの切断加工には主としてワイヤー放電加工が用いられてきた。しかしながら、同焼結体群は素材内部に電気絶縁性のｃＢＮ結晶粒子やダイヤモンド結晶粒子を含有するためこれらの部分では放電が起こらず、加工速度は通常の金属をワイヤー放電加工する場合に比べて非常に遅い。例えば厚さ４ｍｍのダイヤモンド焼結体を切断する場合の切断速度は１ｍｍ／分程度である。また、加工時には常に放電電極としてのワイヤーを連続的に供給する必要があるため、加工費用を低く抑えることが難しい。さらに、加工部分が被加工材を貫通するワイヤーの被加工材との接触部分全体で起こるため、溝形状や非貫通孔の加工には適用できない。

ＹＡＧレーザー加工は、主にセラミックスや薄い金属箔の切断加工や一部電子回路のトリミング、部材表面への印字加工などに使用されている。上記のワイヤー放電加工のように被加工部材の導電性の有無を問わないので、導電性を有しない気相合成ダイヤモンドの加工にも用いることができる。しかしながら通常のＹＡＧレーザー加工は大気中で行われるため、第１に被加工材に熱損傷を与える、第２に表面が金属で覆われている場合には金属部分の変性を起こし、例えば、酸化物などが残る、第３に局部的な加熱による温度差でチッピングや割れを誘発するといった問題点がある。また、熱変性により固形物が発生する被加工材の場合は加工溝に同固形物が堆積し、以後の加工の進捗を妨げるといった問題がある。さらに従来のレーザー加工では、レーザーの光学的集光のためレーザーの入射側の加工幅が大きく出射側の加工幅が小さくなる。従って、切断断面が台形となり、切断後の部材の側面にテーパーがついてしまうという問題が避けられない。また、従来のレーザー加工では光学系の焦点近傍でしか加工ができないため、加工の深さ方向の進捗に合わせて、被加工物をレーザー光の光軸の垂直方向に移動させる必要がある。

ダイシング加工は、半導体素子のウエハからの切断や半導体素子搭載用セラミック部品の切断加工に使用されているが、チッピングやバリが発生しやすい、切断前の被加工材の固定、切断後の取り外しに手間がかかる、穴あけ、曲線加工が不可能といった問題がある。

一方レーザー加工による加工方法として、特許文献１に、冷却を行いながらレーザー切断をする方法が開示されている。この公報では、同方法により皮革製品のレーザー加工をすると、焦げ付きのない切断面が得られることが示されている。また、同じく、冷却を行いながら加工を進めるレーザーメスとして、特許文献２に、水冷しながら手術する方法が開示されている。

本発明者達は、この技術を用いて超高圧製品やセラミックなどを切断してみたが、満足できる結果は得られなかった。その理由は、概略以下の通りである。先ず、焼結された立方晶窒化硼素多結晶体や焼結されたダイヤモンド多結晶体ではその使用目的からして、２から５ｍｍ程度の切断能力が必要である。また、超高圧焼結体は一般的に熱伝導率が高く、十分な出力を持つレーザーでないと加熱部が加熱されなかった。さらには、レーザー切断された面の仕上げがよいことがことのほか重要である。即ち硬度が高いので、レーザー加工後のさらなる加工は大変加工費が高くなり、望ましいものではない。したがってレーザー切断といえども、熱損傷幅が小さく且つ被加工部分の加工側面の傾きがレーザー光の光軸方向に対して１゜以下であることが重要である。

本発明は上記従来技術の問題点を解決し、被加工材の種類を問わず、高速・低コストで加工面品質がよく、多様な加工面を得ることができる硬質材料の加工方法を提供することを課題とする。

本発明者らは上述の課題を克服すべく、種々の加工方法を検討した。その結果、レーザー光を照射し加工すると同時に、加工面近傍に冷却用液体を吹き付けることによって加工時の熱による損傷が抑制でき、また、良好な加工面が得られることを見いだした。

被加工材がｃＢＮ焼結体およびダイヤモンド焼結体の場合、従来の方法により大気中でレーザー加工を行うと加工に伴って発生する熱により加工部近傍の温度が上昇し、ｃＢＮ焼結体の場合は結合材部が、ダイヤモンド焼結体の場合はダイヤモンド結晶粒が熱的変性を受け、機械的強度が劣化する。その範囲はレーザー加工面から奥へ２００μｍにも及ぶ。しかしながら本発明の方法によれば、加工時に発生した熱は速やかに冷却用液体によって除去され、熱的変性を受ける部分を２０〜４０μｍ程度に抑えることができる。

被加工材が気相合成ダイヤモンドやセラミックスの場合、従来の方法により大気中でレーザー加工を行うと加工に伴って発生する熱により被加工材に熱的歪が発生し、加工精度が低下したり、熱応力により割れやチッピングが発生する場合がある。しかしながら本発明の方法によれば、加工時に発生した熱は速やかに冷却用液体によって除去され、高い加工精度が得られ、また割れやチッピングの発生を抑えることができる。さらに、被加工材が気相合成ダイヤモンドとセラミックスの複合材料の場合、本発明による熱応力の低減効果が顕著に現れる。

レーザー光源としては微細加工用レーザーとして工業的に一般的に使用されている波長１０６４ｎｍのＹＡＧレーザーや、５３２ｎｍ、３５５ｎｍ、２６６ｎｍを使用することができる。特に高長波ＹＡＧレーザーを使用することによって、被加工材において直接原子間の結合を切断することから加工時の熱の発生を防止し、熱変性による固形物の発生を抑制することができる。また、同波長に近い発振光をもつ半導体レーザーも使用できるが、ＹＡＧレーザーの方がレーザー光の性状や集光性がより優れている。

冷却用液体としては、比熱が大きく冷却能の高い水を使用するのが最も効率的であり、また費用も低く抑えることができる。また、加工装置の維持管理の観点から、水に防錆剤を添加したり、加工装置にフィルターおよびイオン交換装置を装着して水質の維持を図ることも効果的である。

冷却用液体は吐出用ポンプ等によって加圧し、吐出ノズル等の先端から口径を絞って水柱状に加工部分へ供給することが本発明の主要目的である冷却の効率を高める上で最も好ましい。冷却用液体の供給は、加工の進展に伴い、被加工材の加工経路にしたがってレーザー光と同期して走査させる。冷却用液体をレーザー光に同期して移動させることにより、加工部分の溝部に常に冷却用液体が充満し、レーザー光が溝の最深部まで効率よく到達し、加工溝が深くなっても加工能率が低下しない。特に冷却用液体の水質が維持された、すなわちレーザー光の透過性の高い冷却用液体を加工部に注入することによって、高能率で加工することができる。
冷却用液体の吐出圧力は１ＭＰａ以上１００ＭＰａ以下であることが望ましい。１ＭＰａ未満の水圧では十分な冷却効果が得られず、１００ＭＰａを超えるとそれ以上冷却能力の向上は期待できず、また、吐出用ポンプや吐出ノズルの寿命が低下する。レーザー光と冷却用液体を同期する際には、レーザー光の進行する後方から冷却用液体を供給しても良いし、冷却用液体中にレーザー光を導光させても良い。

さらに、本発明の方法による加工では、特に切断加工を実施する場合に、すでに加工された溝部分に水が充填されこれがレーザー光の導光路として機能し、溝の底部に集中的にレーザー光を照射することになるので、大きな加工深さまでほぼ同じ溝幅の加工が可能になる。同時に上記導光路の働きにより、加工溝が深くなってもレーザー光が導光路に閉じ込められ光束が広がらないので加工の進展にあわせて被加工物をレーザー光の光軸方向に移動させる必要がない。さらに加工時に生じるジェット噴流によって被加工材の熱変性物が加工溝中から除去され、それ以上の加工が妨げられることがないという効果も得られる。また、加工条件の調整により加工の深さを被加工材の厚さ以下でとめることにより、部分的な段加工や非貫通孔の作成を容易に行うことができる。

本発明の方法による加工の条件については、使用するレーザー光源、被加工材の種類、表面状態などによって影響を受ける。レーザー光の出力としては２Ｗ以上１０００Ｗ以下の出力を使用するのが好ましい。２Ｗ未満では充分な加工速度が得られず、１０００Ｗを超えると本発明の方法においても充分な冷却効果を得ることができない。さらに好ましくは、加工速度と加工面の品質の両立という観点から、１０〜３００Ｗの出力を採用できる。レーザー光と冷却用液体の走査速度は１ｍｍ／分以上１５００ｍｍ／分以下であることが好ましい。１ｍｍ／分未満では本発明が解決しようとしている課題である高い加工速度が得られない。また、１５００ｍｍ／分を超えると本発明が解決しようとしている課題である高い加工精度が得られない。さらに好ましくは、被加工材がｃＢＮ焼結体の場合は３００ｍｍ／分以上６００ｍｍ／分以下の範囲、被加工材がダイヤモンド焼結体の場合は、８００ｍｍ／分以上１０００ｍｍ／分以下の範囲が良好な加工結果をもたらす。気相合成ダイヤモンドおよびセラミックスの場合は、１ｍｍ／分以上、５０ｍｍ／分以下の範囲が良好な加工結果を得られる。

本発明の方法を使用して製造できる部材としては、ｃＢＮ焼結体およびダイヤモンド焼結体では、切削工具、耐摩工具等、気相合成ダイヤモンドでは、切削工具、耐摩工具、放熱基板等、セラミックスでは切削工具、耐摩工具、半導体搭載用基板等をあげることができる。さらに、本発明の方法を使用して、気相合成ダイヤモンドとｃＢＮ焼結体、ダイヤモンド焼結体、セラミックスおよびその他の材料を組み合わせた複合材料では、切削工具、耐摩工具、放熱基板、半導体実装工具などを製造することができる。

以上のように、本発明にかかる切断加工方法によりｃＢＮ焼結体やダイヤモンド焼結体、気相合成ダイヤモンド、セラミックスおよびそれらの複合体といった硬質材料の加工において、高速で、加工による損傷が少なく、種々の加工形状に対応可能な加工方法を提供でき、工業的に有用な効果がもたらされる。

以下、本発明に基づいた実施の形態を図を参照して説明するが、この図はあくまでも本発明の概念を示す図であり、本発明の技術的範囲は図の形態に限定されるものではない。

図１および２において、１は加工対象物であり、本発明の場合、ｃＢＮ焼結体、ダイヤモンド焼結体、気相合成ダイヤモンド、セラミックス、これらの複合材料などである。２はレーザー光であり、３は冷却用液体の噴流、４は吐出用ポンプに接続された吐出ノズルを示す。冷却液の噴流は、図１に示すようにレーザー光の進行する後方若しくは前方に配しても良いし、図２に示すようにレーザー光を取り囲むように複数本を配することによりさらに冷却効果が高まる。また、冷却液噴流の位置はレーザー光に対して固定でもよいが、レーザー光を中心にして冷却液が取り囲むようにノズルを回転させても良い。
次に本発明の詳細を実施例により説明するが限定を意図するものではない。

超高圧・高温下で焼結された、３０〜８０体積％のｃＢＮと残部がＴｉＮ、ＡｌＮなどのセラミックス結合相からなる、ｃＢＮ焼結体を出力３００Ｗのフラッシュランプ励起型Ｎｄ−ＹＡＧレーザーを用いて、周波数３００Ｈｚ、冷却水ノズル径１００μｍにて、冷却水を切断部に注入しながら、ＹＡＧレーザーと同期して移動させ、切断加工を行った。

直径５０ｍｍ、厚み３．２ｍｍのｃＢＮ焼結体から一辺が１３ｍｍの正方形を格子状に切り出す加工を種々の条件で行った。加工条件と加工速度、熱損傷の度合いを表１に示す。なお、表１に記載した、実加工速度とは、走査速度をパス数で除算することによって得られる値で、レーザーの走査１パスでの切断に換算した場合の切断速度を示し、この値が大きいほど加工速度は早くなる。

本発明の方法により、比較として実施した従来の冷却をしないレーザー加工方法とほぼ同じ加工速度で、熱損傷幅が約１／３の切断加工を実施することができた。なお、被加工部分の加工側面とレーザー光の光軸とのなす角度は、０．６°であった。レーザーの入射側の巾が広くなっていた。

（加工条件と加工結果）

超高圧・高温下で焼結された９０体積％のダイヤモンドを含み、金属結合相がＣｏからなるダイヤモンド焼結体を出力３００Ｗのフラッシュランプ励起型Ｎｄ−ＹＡＧレーザーを用いて、周波数４００Ｈｚ、冷却水ノズル径１００μｍにて、冷却水を切断部に注入しながら、ＹＡＧレーザーと同期して移動させ、切断加工を行った。

直径５０ｍｍ、厚み３．２ｍｍのダイヤモンド焼結体から一辺が１３ｍｍの正方形を格子状に５個切り出す加工を種々の条件で行った。加工条件と加工速度、熱損傷の度合いを表２に示す。

本発明の方法により、比較として実施した従来の冷却をしないレーザー加工方法の約７割の加工速度で、熱損傷幅が約１／３の切断加工を実施することができた。なお、被加工部分の加工側面とレーザー光の光軸とのなす角度は、０．４°であった。

（加工条件と加工結果）

熱フィラメントＣＶＤ法により作製されたダイヤモンド多結晶体を出力３００Ｗのフラッシュランプ励起型Ｎｄ−ＹＡＧレーザーを用いて、周波数１ｋＨｚ、冷却水ノズル径７５μｍにて、冷却水を切断部に注入しながら、ＹＡＧレーザーと同期して移動させ、切断加工を行った。

５０ｍｍ×５０ｍｍ、厚み０．４ｍｍのダイヤモンド多結晶体から一辺が５ｍｍの正方形を格子状に切り出す加工を種々の条件で行った。加工条件と加工速度、熱損傷の度合いを表３に示す。

本発明の方法により、比較として実施した従来の冷却をしないレーザー加工方法の約６割の加工速度で、熱損傷幅が約１／３の切断加工を実施することができた。さらにこの場合の加工側面のアスペクト比［（レーザー光入射側の溝幅−レーザー光出射側の溝幅）÷被加工材の厚さ］は０．０１と従来の冷却を行わないレーザー加工の５分の１であった。なお、被加工部分の加工側面とレーザー光の光軸とのなす角度は、０．４°であった。

（加工条件と加工結果）

常圧焼結法を用いて作製されたＡｌＮ多結晶体およびＳｉＣ多結晶体を５０ＷのＹＡＧレーザーを用いて切断加工を行った。

２００ｍｍ×２００ｍｍ、厚み０．５ｍｍのＡｌＮ焼結体から、および１００ｍｍ×１００ｍｍ、厚さ０．５ｍｍのＳｉＣ焼結体から各辺が２ｍｍおよび１ｍｍの長方形を格子状に切り出す加工を種々の条件で行った。加工条件と加工速度、熱損傷の度合いを表４に示す。

本発明の方法により、比較として実施した従来の冷却をしないレーザー加工方法の約８割の加工速度で切断加工を実施することができた。さらにこの場合の加工側面のアスペクト比［（レーザー光入射側の溝幅−レーザー光出射側の溝幅）÷被加工材の厚さ］は０．０１と従来の冷却を行わないレーザー加工の５分の１であった。また、比較として実施した従来の冷却をしないレーザー加工方法では、いずれのセラミックスの場合も加工時の熱変性物が加工溝内に堆積し、単位時間あたりの加工速度が加工の進捗と共に低下していた。同熱変性物を機械的に除去することによって初期の加工速度に回復することができるが、総加工時間としては非常に長くなり、現実的な加工方法とは言いがたい。

（加工条件と加工結果）

超高圧・高温下で焼結された体積で８５％のｃＢＮ、６％のＡｌＮ、６％のＡｌＢ₂、及び残部がＣ、Ｏ、Ｓｉ、Ｗ、鉄族金属からなるｃＢＮ焼結体を出力１５Ｗの各種ＬＤ励起ＵＶレーザー（Ｎｄ−ＹＡＧ）を用いて、周波数１ｋＨｚ、ノズル径７５μｍにて切断加工を行った。

直径５０ｍｍ、厚み４．８ｍｍのｃＢＮ焼結体から一辺が１３ｍｍの正方形を格子状に切り出す加工を種々の条件で行った。加工条件と加工速度、熱損傷の度合いを表１に示す。この実施例は、２次、３次、４次の高調波ＹＡＧレーザーによる切断と、基本波による切断とを比較した例を示す。これらの結果は、高調波を使用した方が実加工速度が高くなった。

（加工条件と加工結果）

※Ｎo.１及び、比較例２は、フラッシュランプ励起の円柱状Ｎｄ−ＹＡＧレーザー、比較例１はスラブ型ＹＡＧレーザーを用いた。

本発明に係るレーザー加工方法の一例を示す。 本発明に係るレーザー加工方法の別の実施例を示す。

符号の説明

１ 加工対象物
２ レーザー光
３ 冷却用液体
４ 冷却用液体吐出ノズル

Claims (15)

1. 非金属高硬度材料の板状素材をレーザー光により切断する方法において、レーザー光が照射されている加工部近傍に冷却用液体を吹き付けることにより、素材の冷却と同時に加工を行うことを特徴とする硬質材料の加工方法。
2. 非金属高硬度材料が超高圧・高温下で焼結された立方晶窒化硼素多結晶体であることを特徴とする請求項１に記載の加工方法。
3. 非金属高硬度材料が超高圧・高温下で焼結されたダイヤモンド多結晶体であることを特徴とする請求項１に記載の加工方法。
4. 非金属高硬度材料が気相合成法により作製された多結晶ダイヤモンドであることを特徴とする請求項１に記載の加工方法。
5. 請求項１ないし４記載の加工方法において、使用するレーザーがＹＡＧレーザー、もしくは半導体レーザーであることを特徴とする硬質材料の加工方法。
6. 請求項１ないし５記載の加工方法において、使用するレーザーが高調波ＹＡＧレーザーであることを特徴とする硬質材料の加工方法。
7. 請求項１ないし６記載の加工方法において、レーザー光の照射出力が２Ｗ以上１０００Ｗ以下であることを特徴とする硬質材料の加工方法。
8. 請求項１ないし７記載の加工方法において、加工対象物の加工経路に従ってレーザー光および冷却用液体を同期させながら走査することを特徴とする硬質材料の加工方法。
9. 請求項１ないし８記載の加工方法において、吹き付ける冷却用液体の圧力が、1Mpa以上100Mpa以下の圧力であることを特徴とする硬質材料の加工方法。
10. 請求項１ないし９記載の加工方法において、吹き付ける冷却用液体として水を用いることを特徴とする硬質材料の加工方法。
11. 請求項１ないし１０記載の加工方法において、レーザー光および冷却用液体の走査速度が１mm/min以上１５００mm/min以下であることを特徴とする硬質材料の加工方法。
12. 請求項２または３記載の加工方法において、加工対象物の被加工深さが２ｍｍ以上５ｍｍ以下であることを特徴とする硬質材料の加工方法。
13. 請求項４記載の加工方法において、加工対象物の被加工深さが０．０１ｍｍ以上２ｍｍ以下であることを特徴とする硬質材料の加工方法。
14. 請求項１ないし１３記載の加工方法を用いて製作された硬質材料部品。
15. 請求項１４記載の硬質材料部品において、被加工部分の加工側面の傾きがレーザー光の光軸方向に対して１ー以下で、切口の巾はレーザー光の入射側が広くなっていることを特徴とする硬質材料部品。

Images