JP2016040075A

JP2016040075A - 高硬度脆性材料の研削用砥石

Info

Publication number: JP2016040075A
Application number: JP2015251865A
Authority: JP
Inventors: 哲也野々下; Tetsuya Nonoshita
Original assignee: Noritake Co Ltd
Current assignee: Noritake Co Ltd
Priority date: 2015-12-24
Filing date: 2015-12-24
Publication date: 2016-03-24

Abstract

【課題】加工時に砥粒に作用する力と砥粒の脱落をコントロールすることで、サファイアやＳｉＣのような高硬度脆性材料を安定した研削能力で、高い精度、高効率に研磨するために適した高硬度脆性材料の研削用砥石の提供。
【解決手段】ダイヤモンド砥粒１１をボンド１２により保持した砥粒層１０であり、高硬度脆性材料の被削材を研削すると、仕事をしたダイヤモンド砥粒１１が脱落し、目変わりをして新しいダイヤモンド砥粒１１が出現して、被削材と接触する砥粒層表面１０ａに存在するダイヤモンド砥粒１１の数が１〜５０００個／ｃｍ²となるように砥粒集中度およびボンド１２の強度を調整した砥粒層１０を有する高硬度脆性材料の研削用砥石１である。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＬＥＤの基板等に用いられるサファイアやＳｉＣなどの高硬度脆性材料の研削用砥石に関する。

近年のＬＥＤ照明の需要増大に伴い、高効率、高精度のサファイアやＳｉＣ研削用砥石が求められている。例えば、特許文献１では、サファイアやシリコンカーバイト等の基板外周部を安定した研削能力で高精度かつ長寿命に面取加工が可能なホイール型回転砥石が提案されている。この回転砥石は、ダイヤモンド砥粒層がセグメント構造になっており、各セグメントの長さの合計長をＡ、各セグメント間に設けられた隙間部の長さの合計をＢとしたとき、Ｂ／Ａを０より大きくしている。

また、特許文献２では、サファイアやシリコンカーバイト等の基板外周部を安定した研削能力で高精度かつ高効率に削孔するカップ砥石が提案されている。このカップ砥石は、取り付けられるセグメント数を１４以上とし、セグメントとセグメント間の隙間面積を、セグメントの面積に対して４０％以上とし、さらに、セグメントのダイヤモンド砥粒の集中度を２０以下にする。実施例において、集中度が１２．５〜３０．０のものが記載されている。

また、特許文献３には、第１の固定砥粒を使用してサファイア基板の第１の面を研削する工程、第２の固定砥粒を使用してサファイア基板の第一の面を研削する工程を含み、第２の固定砥粒が、第１の固定砥粒よりも小さな平均粒径を有するものとした、サファイア基板の研削方法が記載されている。砥粒の一態様として、約０．５ｖｏｌ％以上かつ約２５ｖｏｌ％以下、約１．０ｖｏｌ％と約１５ｖｏｌ％、約２．０ｖｏｌ％と約１０ｖｏｌ％との間とすることが記載されている（段落［００３３］参照。）。

ダイヤモンド砥石やＣＢＮ砥石などの超砥粒砥石を高速回転させて工作物を研削していると、徐々に砥粒先端が摩耗するとともに、切り屑によって砥粒を固定しているボンドが少しずつ削られていく。その結果、砥粒やその周辺のボンドが削られて後退し、寿命を終えた砥粒は脱落して、下から新しい砥粒が頭を出す。このような自生作用によって、砥石で物を削ることができる。

一方、砥粒はボンドマトリックスによってしっかりと保持されているが、加えた力に対し、ボンドの保持力が充分でないと、寿命が尽きる前に砥粒が脱落してしまうことがある。ダイヤモンドを砥粒としている場合、研削中の砥石とワークとの間では、砥粒の先端がつねに尖っている状態を維持しているが、砥粒保持力が劣ると、砥粒はまだ使用できる状態であるにも関わらず、粒ごと脱落することがある。切れ刃となる砥粒は、砥粒の脱落、目こぼれが起きてしまうと、不経済であるばかりでなく、砥石の表面が突き出している「刃」そのものがなくなってしまうため、砥石の性能を発揮することができない。

また、使用によって砥石の先端が摩耗するが、ボンド後退が不十分であると、寿命となった砥粒が脱落せず平坦化してしまうといわゆる「目つぶれ」となる。この目つぶれは、ボンド後退の不具合に起因する場合と、サファイアやＳｉＣなどのビッカース硬さＨＶ１（荷重＝９．８０７Ｎ）で２０ＧＰａ以上、ヤング率４００ＧＰａ以上、破壊靱性値が１０ＭＰａ√ｍ以下の高硬度脆性材料では、加工しようとしているワークの硬度が高すぎるため、砥粒が負けてしまった場合に生じる。

超砥粒砥石は以上のような不具合が生じないように、ワークや求める機能に応じて、切れ味を左右する砥粒、切れ味の維持、砥粒の固着を左右するボンド、切りくずの逃げを左右する気孔のそれぞれをコントロールして設計される。従来、サファイアのような高硬度脆性材料を加工するためには、公知文献に示したように、一般にダイヤモンド砥粒を用いた加工法が適用される。砥石は、ダイヤモンド砥粒、砥粒の粒度、砥粒を保持するための結合剤の種類、結合の強さ、砥粒の集中度などの多くの要素の組み合わせによって決まり、サファイアのような高硬度脆性材料を研磨する場合、目的とする材料表面の状態に適合した性能をもった砥石が必要となる。

特開２００８−３６７７１号公報特開２００８−１２６０６号公報特表２０１０−５１４５８０号公報

しかしながら、サファイアなどの高硬度脆性材料を被削材として、行う場合の研削のメカニズムは明らかになっていない。このため、研削性能が不安定で再現性に乏しく、また研削能力が十分ではなく、仕上がり性状も悪いのが実情である。また、従来はサファイアやＳｉＣのような高硬度脆性材料の研削需要はさほど多くなく、したがって、時間をかけて行えば足りたが、昨今のＬＥＤの急激な普及に伴い、その基板に使用されるサファイアの高効率、高精度での研削が要望されている。

そこで、本発明においては、加工時に砥粒に作用する力と砥粒の脱落をコントロールすることで、サファイアやＳｉＣのような高硬度脆性材料を安定した研削能力で、高い精度、高効率に研磨するために適した高硬度脆性材料の研削用砥石を提供することを目的とする。

従来、一般的なダイヤモンド砥石は粒度＃２３０（平均粒径約７４μｍ）で砥粒集中度４０〜１００となっている。これは砥粒が仕事をし、脱落をして目変わりをして新しい砥粒が出現するために、経験的に決められたものである。本発明者らは、このような発想を根底から見直し、従来全く検討されることさえなかった被削材と接触する砥粒層表面に存在する砥粒の数を１〜５０００個／ｃｍ²となるように砥粒集中度を調整することを思いつき、しかも、これと砥粒を保持するボンドの強度とをコントロールすることで、サファイア等の高硬度脆性材料の研削に使用できるのではないかと考え、本発明をなすに至った。

すなわち、本発明の高硬度脆性材料の研削用砥石は、ダイヤモンド砥粒をボンドにより保持した砥粒層であり、高硬度脆性材料の被削材を研削すると、仕事をしたダイヤモンド砥粒が脱落し、目変わりをして新しいダイヤモンド砥粒が出現して、被削材と接触する砥粒層表面に存在するダイヤモンド砥粒の数が１〜５０００個／ｃｍ²となるように砥粒集中度およびボンドの強度を調整した砥粒層を有することを特徴とする。なお、砥粒集中度は砥粒の体積含有率を示したものであり（集中度２００は５０％、集中度１００は２５％）、従来の粒度＃２３０（平均粒径約７４μｍ）で砥粒集中度４０〜１００のダイヤモンド砥石の場合、砥粒層表面のダイヤモンド砥粒の数は６０００〜１２０００個／ｃｍ²程度である。本発明によれば、ダイヤモンド砥粒が高硬度脆性材料の被削材に深く食い込み、高速送りでも低負荷で研削できるとともに、自生作用が効果的に作用し、安定した負荷で連続研削することが可能となる。

なお、砥粒層表面のダイヤモンド砥粒の数が５０００個／ｃｍ²超では、加工時に砥粒１粒に掛かる力が分散して低くなり、高硬度脆性材料の被削材に食い込めず、砥粒が磨滅して研削不能となってしまう。高硬度脆性材料の被削材を研削する場合、ダイヤモンド砥粒が被削材の表面を滑ってしまうが、本発明の高硬度脆性材料の研削用砥石では、この被削材と接触する砥粒層表面に存在するダイヤモンド砥粒の数を１〜５０００個／ｃｍ²と少なくすることで、ダイヤモンド砥粒が切り込む深さを確保するものである。

また、ダイヤモンド砥粒の数が１〜５０００個／ｃｍ²の場合でも、ボンド強度が２００ＭＰａ超になると、ダイヤモンド砥粒を保持する力が大きいため、砥粒の自生作用が働かなく、加工によって少しずつ磨滅した砥粒が保持されたままになり、やがて研削不能となってしまう。また、ボンド強度が１００ＭＰａ未満では、砥粒を保持する力が小さすぎ、砥石の性能を発揮することができない。

本発明によれば、サファイアやＳｉＣのような高硬度脆性材料を安定した研削能力で、高い精度、高効率に研磨するために適した高硬度脆性材料の研削用砥石が得られる。

本発明の実施の形態における高硬度脆性材料の研削用砥石を示す図である。

図１は本発明の実施の形態における高硬度脆性材料の研削用砥石１を示している。この研削用砥石１は、金属製の円板状の台金２と、台金２の外周縁に沿って固着された複数のセグメント砥石３とを備えている。セグメント砥石３は、一面側（回転軸心と平行な方向（図の上方））へ突き出す環状の研削平面４を構成している。

セグメント砥石３は、高硬度脆性材料の被削材と接触する砥粒層表面１０ａに存在するダイヤモンド砥粒１１の数が１〜５０００個／ｃｍ²となるように砥粒集中度を調整した砥粒層１０を有する。なお、各セグメント砥石３の砥粒層表面１０ａは１ｃｍ²前後の略長方形状であり、最低でも４つの各角に１個と中心に１個はダイヤモンド砥粒１１が存在した方が好ましく、この場合は最低５個／ｃｍ²以上となる。また、加工負荷に対する耐久性の面から、好ましくは１００個／ｃｍ²以上、より好ましくは５００個／ｃｍ²以上とする。一方、上限は５０００個／ｃｍ²以下であるが、好ましくは４５００個／ｃｍ²以下、より好ましくは４０００個／ｃｍ²以下とする。また、ダイヤモンド砥粒１１を保持するボンド１２の強度は、１００〜２００ＭＰａとしている。なお、本実施形態におけるボンド１２は、メタルボンドであるが、同程度の強度が得られれば他のボンドでも良い。

この研削用砥石１では、ダイヤモンド砥粒１１が高硬度脆性材料の被削材に深く食い込み、高速送りでも低負荷で研削できるとともに、自生作用が効果的に作用し、安定した負荷で連続研削することができ、サファイアやＳｉＣのような高硬度脆性材料を安定した研削能力で、高い精度、高効率に研磨するために適している。

上記本発明の実施形態における研削用砥石１と従来の研削用砥石との比較を行った。本実施例の研削用砥石１は、平均粒径約７４μｍ（＃２３０）のダイヤモンド砥粒１１をそれぞれ集中度２０（実施例１），３０（実施例２）でボンド１２としてのメタルボンドと混合し、焼結した。また、比較例として、平均粒径約７４μｍ（＃２３０）のダイヤモンド砥粒を集中度４０でメタルボンドと混合し、焼結した。焼結したセグメント砥石を台金に接着して表面を研磨し、表面の砥粒数がそれぞれ３８００個／ｃｍ²（実施例１）、５０００個／ｃｍ²（実施例２），５５００個／ｃｍ²（比較例１），６０００個／ｃｍ²（比較例２）個／ｃｍ²となる研削用砥石とした。

この研削用砥石を縦軸平面研削盤に取り付け、テーブル上に円周状に４枚配列した厚み９００μｍの４インチサファイアウェハを研削した。実施例１，２の研削用砥石では、加工速度を４００μｍ／ｍｉｎまで上げても加工負荷は安定して推移し、厚み３００μｍまでウェハが焼けることなく薄く削ることができた。

一方、比較例１の研削用砥石では、加工負荷は不安定で上下に推移し、焼けてしまうウェハが何枚か発生した。また、比較例２の研削用砥石にて、加工速度１００μｍ／ｍｉｎで研削した場合、加工途中で負荷が上昇し、継続研削が不可能となった。このとき、研削用砥石表面の砥粒は磨滅した状態になっており、ウェハは焼けて変色した状態になっていた。

本発明の高硬度脆性材料の研削用砥石は、サファイアやＳｉＣのような高硬度脆性材料を安定した研削能力で、高い精度、高効率に研磨するのに適している。

１研削用砥石
２台金
３セグメント砥石
４研削平面
１０砥粒層
１０ａ砥粒層表面
１１ダイヤモンド砥石
１２ボンド

Claims

ダイヤモンド砥粒をボンドにより保持した砥粒層であり、高硬度脆性材料の被削材を研削すると、仕事をしたダイヤモンド砥粒が脱落し、目変わりをして新しいダイヤモンド砥粒が出現して、前記被削材と接触する砥粒層表面に存在するダイヤモンド砥粒の数が１〜５０００個／ｃｍ²となるように砥粒集中度および前記ボンドの強度を調整した砥粒層を有する高硬度脆性材料の研削用砥石。