JP2005238377A

JP2005238377A - ソーワイヤ

Info

Publication number: JP2005238377A
Application number: JP2004050843A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Ogami; 寛之大上
Original assignee: Tokusen Kogyo Co Ltd
Current assignee: Tokusen Kogyo Co Ltd
Priority date: 2004-02-26
Filing date: 2004-02-26
Publication date: 2005-09-08
Anticipated expiration: 2024-02-26
Also published as: JP4455096B2

Abstract

【課題】切断加工能率の高いソーワイヤを提供する。
【解決手段】高張力鋼からなるワイヤ２の表面にダイヤモンド砥粒３を固定したソーワイヤにおいて、同ソーワイヤ４の断面形状を多角形に形成する。さらに、ソーワイヤの表面に、砥粒、例えばダイヤモンド砥粒を固定、特に電着方式により固定している。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体、セラミックなどの硬質材料の切断用ワイヤソーに好適なワイヤ（以下「ソーワイヤ」という）に関する。

現在、半導体材料のマルチワイヤソーによるワイヤスライシング加工において、遊離砥粒を用いた遊離砥粒方式と、ワイヤ表面にダイヤモンド砥粒を固着させたダイヤモンドワイヤ工具を用いた固定砥粒方式とが一般的である。
そして、いずれの方式においても、ソーワイヤには、切断時にかかる張力に耐えうる強度が必要なため、通常高炭素鋼線材やピアノ線材が使用されている。
従来、このようなソーワイヤは、直径５ｍｍ程度の原線に伸線加工とパテンティング処理を繰り返し施すことにより製造されている。したがって、その断面形状を、例えば特許文献１にも記載されているように、円形に形成されている（図１３参照）。
特開２００１−２２５２５５号公報

上述のような、断面円形のソーワイヤは、図１４に示すようなワイヤソー装置により、半導体材料（ワーク）０５の切断に使用される。図１４は往復動型ワイヤソー装置を示しており、この装置は、ソーワイヤの送出しおよび巻取り部Ａ、切断加工部Ｂ、ワイヤ張力調整部Ｃで構成されている。
２連のドラム０１から送出されたワイヤ０２は、ガイドプーリー０４を介して切断加工部Ｂ、ワイヤ張力調整部Ｃの順に通り、２連ドラム０１のもう一方の片側に巻取られる。２連ドラム０１はモータ０３が正逆運転するので、ソーワイヤ０２の送出しと巻取りとを同時に行うことによって、ソーワイヤ０２は往復運動し、切断加工部Ｂにおいて、ワーク０５を切断加工することが可能となる。ワイヤ張力調整部Ｃはトルクモータ０８、トルクアーム０６およびテンションプーリー０７から構成されており、トルクモータ０８の回転によりソーワイヤ０２に一定の張力が与えられる。切断加工部Ｂは主にガイドプーリーおよびスライダーから構成されており、スライダーにはワークを取り付けられるための加工台が取り付けている。

円形断面のソーワイヤを使用して、上述のようなワイヤソー装置により、半導体材料（ワーク）の切断を行うと、その切断加工時に、ソーワイヤの断面形状が従来は円形であるため、ワーク面圧が均一に分散し、その結果加工能率が低くなるという課題がある。

本発明は、このような課題を解決しようとするもので、本発明は、ソーワイヤの断面形状を多角形状、特に三角形状とすることにより、エッジ効果（ソーワイヤの角部がワークに当接した時にワーク当接面積が減少し、その結果ワーク面圧が上昇して切削性能が向上するという効果）と、ソーワイヤがガイドプーリーとワーク面との間を移動中に発生するソーワイヤの捩れ効果（ソーワイヤがガイドプーリーとワーク面との間を移動中にソーワイヤに捩れが発生し、この捩れにより、切り粉の排出が促進されるという効果）とにより、切断能率の向上を可能にしたソーワイヤを提供しようとするものである。

本発明は、ソーワイヤの断面を多角形形状、特に三角形形状、就中三角形形状乃至二等辺三角形形状に形成して課題解決の手段としている。

さらに、ソーワイヤの表面に、砥粒、例えばダイヤモンド砥粒を固定、特に電着方式により固定して課題解決の手段としている。

本発明のソーワイヤでは、その断面が多角形状、特に三角形状に形成されているので、ソーワイヤの角部がワークに当接した時にワーク当接面積が減少し、その結果、加工時の単位当たりのワーク面圧を上昇させることができて、切削性能を向上することが可能となる（この効果を「エッジ効果」という）。

また、ソーワイヤがガイドプーリーとワーク面との間を移動中にソーワイヤに捩れが発生する。このソーワイヤの捩れにより、切り粉のソーワイヤからの分離がスムーズとなって目詰まりが減り、さらにソーワイヤのワークに当たっていない面に沿って切り粉がソーワイヤとともに切断箇所から外部に連れ出される現象が発生し、これにより切り粉の排出が良好に行われて切断能率の向上が可能になる（この効果を「ソーワイヤの捩れ効果」という）。

以下、図面とともに本発明の一実施形態について説明する。
図１はソーワイヤの製作工程を示す概略図断面図、図２、図３はソーワイヤの加工能率の実験結果を示すグラフ、図４はソーワイヤの切断方向における加工面粗さの実験結果を示すグラフ、図５は同ワイヤ走行方向における加工面粗さの実験結果を示すグラフ、図６はソーワイヤの切断方向における加工面うねりの実験結果を示すグラフ、図７は同ワイヤ走行方向における加工面うねりの実験結果を示すグラフ、図８はソーワイヤのワイヤ走行方向における平均砥粒径と加工面粗さとの関係の実験結果を示すグラフ、図９はソーワイヤの加工能率と加工面うねりとの関係の実験結果を示すグラフ、図１０は切断加工部「Ｂ」の模試図、図１１（ａ）は図１０のＸ−Ｘ線断面図、（ｂ）は図１０のＹ−Ｙ線断面図、（ｃ）は図１０のＺ−Ｚ線断面図、図１２はソーワイヤによる切断部の一部の拡大断面図である。

図１に示すように、この実施形態のソーワイヤ４は、ＳＷＲＳ８２材（φ５．５mm）１（母材）にパテンティングおよび冷間伸線加工を施し、線径０．２ｍｍのワイヤに仕上げ、次にこのワイヤを圧延して一片の長さが約０．２３ｍｍ、高さ約０．２１ｍｍの断面形状が略正三角形のワイヤ２を製作する。
ついで、このワイヤ２の表面に、通常の方法により、つまり電着方式により、ダイヤモンド砥粒３を固着して、断面正三角形のダイヤモンド砥粒ソーワイヤ４（以下「ソーワイヤ４」という）を得ることができる。この実施形態のものでは、ダイヤモンド砥粒３はその平均砥粒径が０．０３〜の０．０４ｍｍ、砥粒層の厚みは０．０５０ｍｍである。

図２、３は上記工程により製作されたソーワイヤ４の切断加工試験の結果を示している。この切断加工試験の加工条件は次の通りである。
工作物：ソーダガラス
工作物寸法：５０×４０×１０ｍｍ
ソーワイヤの長さ：１２ｍ
加工荷重：１．９６Ｎ／Ｗｉｒｅ
ソーワイヤ張力：１９．６Ｎ
ソーワイヤ走行速度：１００ｍ／ｍｉｎ．
加工液：軽油
加工時間：１５ｍｉｎ．
図２、３に示す通り、従来のソーワイヤでは、固定されている砥粒３の径φが１０〜４０μｍの範囲のソーワイヤ４の加工能率は、加工回数１０回前後で安定している。しかし、砥粒径φが６５〜８０μｍのソーワイヤでは、砥粒の保持力を向上させるため、メッキ層が厚くなり、その結果ソーワイヤの径が太くなって、ねじり強度が弱くなり加工回数１０回前後で破断してしまう結果となった。
これに較べて、この実施形態のソーワイヤ４は、加工能率がほぼ５３０μｍ／ｍｉｎで安定している。このような加工能率のものを従来の円形断面のソーワイヤで得ようとすると、そのソーワイヤでは砥粒径φが１２０〜１５０μm となり実用上問題がある。つまり砥粒径φが６５〜８０μｍのソーワイヤですら加工回数１０回前後で破断してしまうことからみて、加工能率がほぼ５３０μｍ／ｍｉｎ．という加工能率のものを、従来の円形断面のソーワイヤで得ようとするのは到底実現不可能なことである。

このように、この実施形態のソーワイヤ４は、加工能率がほぼ５３０μｍ／ｍｉｎ．で３０回以上の加工回数にも耐えうることが試験の結果判明した。加工能率がほぼ５３０μｍ／ｍｉｎ．であるということは、砥粒径φが１５〜３０μｍの従来の一般的な円形断面のソーワイヤのものの約２倍の加工能率であるということができる。
さらに、加工面（表面）粗さ、および加工面（表面）うねりについては、試験により、それぞれ図４〜７に示す通りの結果が得られた。なお、図４〜７における従来のソーワイヤは、線径：０．２９ｍｍ、砥粒径：０．０３０〜０．０４０ｍｍ、母線径：０．２０ｍｍである。

すなわち、加工面（表面）粗さについては、平均砥粒径がほぼ同じ場合、従来の（断面
円形の）ソーワイヤに較べて、切断方向およびワイヤ走行方向について、若干性能の低下が認められた（図４、５参照）。
また、加工面（表面）うねりについては、平均砥粒径がほぼ同じ場合、従来の（断面円形の）ソーワイヤに較べて、切断方向およびワイヤ走行方向について、若干性能の低下が認められた（図６、７参照）。

しかしながら、図８、９に示す通り、この実施形態のソーワイヤ４は、加工面（表面）粗さについては、平均砥粒径がφ３０〜４０μｍの従来の（断面円形の）ソーワイヤの加工面（表面）粗さに相当する性能をそなえ（図８参照）、また加工面（表面）うねりについては、φ１０〜２０μｍの従来の（断面円形の）ソーワイヤの加工面（表面）うねりに相当する性能をそなえている（図９参照）ことが判明した。

さらに、この実施形態のソーワイヤ４の切断加工状態を高速度カメラにより撮影し、その画像を解析することにより、ソーワイヤ４はガイドプーリーとワークとの間において、捩れながら走行していることが判明した。
この「捩れ」は、次に述べる理由により発生するものと推測される。

すなわち、図１１に示すように、ソーワイヤ４は三角形断面に形成されている。一方ガイドプーリー１４はＶ型溝をそなえており、このＶ型溝でソーワイヤ４を案内する構成となっている。ソーワイヤ４には所定値の張力が付与され、一方ワーク１５は矢Ｗ方向に押圧されていることから、ガイドプーリー１４に接当する箇所では、ソーワイヤ４は、その角部（エッジ）がＶ型溝の鋭角状の内径面に当接する状態となる〔図１１（ａ）、（ｃ）〕。なお図１０中符号「Ａ」、「Ｂ」、「Ｃ」はそれぞれ図１４中の「Ａ」、「Ｂ」、「Ｃ」と同じ部分を示す。

ソーワイヤ４がワーク１５に接当する箇所切断加工では、ソーワイヤ４は平面部がワーク１５に接当する状態〔（図１１（ｂ））となり、この状態でワークの切断が行われる。

このように、ソーワイヤ４は、ガイドプーリー１４からワーク１５に進むうちに、ほぼ６０°捩じられ、ワーク１５から離れて巻取り側のガイドプーリー１４に進むうちに、ほぼ６０°捩じられた分が戻されて、ソーワイヤ４は、巻取り側のガイドプーリー１４のＶ型溝に適応するように、角部（エッジ）が内側（図１０において右側）に向かう状態に戻る〔図１１（ｃ）〕。

すなわち、ソーワイヤ４は、ワーク切断加工時に、捩れ現象を伴いながら、移動することになる。したがって、ソーワイヤ４に付着した切り粉は、ソーワイヤ４がワーク切断部から外方に露出した直後に、ソーワイヤ４のねじれによる振動で振り落とされることになり、その結果ソーワイヤ４の目詰まりが抑制される。すなわち「ソーワイヤの捩れ効果」が奏される。

さらに、ワークの切断箇所においても、ソーワイヤ４は常にその平面部がワーク１５に当接した状態で走行し続けるのではなく、捩れながらワーク１５に当接して走行していることも、高速度カメラによる撮影映像の解析により判明した。つまり、ソーワイヤ４によるワーク１５の切断は、ソーワイヤ４の平面部がワーク１５に当接したり、ソーワイヤ４の角部（エッジ）４ａがワーク１５に当接したり（図１２参照）しながらソーワイヤ４が走行することにより、行われるということが判明した。そして、ソーワイヤ４の角部４ａがワーク１５に当接する時には、ソーワイヤ４のワーク１５に対する当接面積が減少し、その結果、加工時の単位当たりのワーク面圧が上昇することとなるので、切削性能が向上する。すなわち「エッジ効果」が奏される。

さらに、ソーワイヤ４が図１２に示す状態、つまりソーワイヤ４の角部（エッジ）４ａがワーク１５に当接したときには、ソーワイヤ４の平面部４ｂに切り粉１６が付着し、その切り粉１６は、そのままソーワイヤ４とともに切断部外方に運び出されることも高速度カメラによる撮影映像の解析により判明した。このように、この実施形態のソーワイヤ４による切断では、切断部からの切り粉の積極的な排出が行われており、このことも切断能率の向上に寄与していると考えられる。

上述の説明は、断面形状が正三角形のソーワイヤを対象としているが、正三角形断面のほかの三角形断面（たとえば二等辺三角形断面）のソーワイヤにおいても、同様の効果が得られることは、いうまでもない。なお製作コストの面からみた場合、断面形状が正三角形形状ものもが最も有利である。さらに、三角形断面のほかの多角形断面形状のソーワイヤにおいても、ほぼ同様の効果が得られることは明らかである。

本発明の一実施形態としてのソーワイヤの製作工程を示す概略図である。同ソーワイヤの加工能率の実験結果を示すグラフである。同ソーワイヤの加工能率の実験結果を示すグラフである。同ソーワイヤの切断方向における加工面粗さの実験結果を示すグラフである。同ワイヤ走行方向における加工面粗さの実験結果を示すグラフである。同ソーワイヤの切断方向における加工面うねりの実験結果を示すグラフである。同ワイヤ走行方向における加工面うねりの実験結果を示すグラフである。同ソーワイヤのワイヤ走行方向における平均砥粒径と加工面粗さとの関係の実験結果を示すグラフである。同ソーワイヤの加工能率と加工面うねりとの関係の実験結果を示すグラフである。同切断加工部「Ｂ」の模試図である。（ａ）は図１０のＸ−Ｘ線断面図である。（ｂ）は図１０のＹ−Ｙ線断面図である。（ｃ）は図１０のＺ−Ｚ線断面図である。同ソーワイヤによる切断部の一部の拡大断面図である。従来のソーワイヤの断面図である。一般的なワイヤソー装置の概略斜視図である。

符号の説明

１：母材
２：ワイヤ
３：ダイヤモンド砥粒
４：ソーワイヤ
４ａ：角部（エッジ）
４ｂ：平面部
１４：ガイドプーリー
１５：ワーク
１６：切り粉

Claims

ワイヤの断面が多角形であることを特徴とするソーワイヤ。
ワイヤの断面が三角形であることを特徴とするソーワイヤ。
ワイヤの断面が正三角形であることを特徴とするソーワイヤ。
ワイヤの断面が二等辺三角形であることを特徴とするソーワイヤ。
上記ワイヤの表面に、砥粒が固定されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のソーワイヤ。
上記ワイヤが、高強度ピアノ線を素材とすることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のソーワイヤ。
上記ワイヤの表面への上記砥粒の固定が、電着方式により行われることを特徴とする請求項５に記載のソーワイヤ。
上記砥粒が、ダイヤモンド砥粒であることを特徴とする請求項５または請求項７のいずれか１項に記載のソーワイヤ。