(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
砥粒が金属ワイヤーに固着部により固着された固定砥粒式ソーワイヤーであって、前記固着部が、Zn系又はSn系の低融点金属を含む低融点金属層と、前記低融点金属より融点の高い高融点金属で構成される１以上の高融点金属層とを有し、前記低融点金属層中に少なくとも前記高融点金属の析出物が存在し、前記１以上の高融点金属層のうち少なくとも１層は、前記金属ワイヤーと前記低融点金属層との間に形成される内層であることを特徴とするソーワイヤー。
【請求項２】
前記高融点金属層は、前記内層の他、前記低融点金属層の表面に形成される外層、及び／又は、前記低融点金属層の中間に形成される中間層であることを特徴とする請求項１に記載のソーワイヤー。
【請求項３】
前記砥粒が、Niの被覆層を有する砥粒であって、前記低融点金属が、Agを0.5〜5.0質量%含むSn系半田であり、前記低融点金属層中の前記高融点金属がSnを含む金属間化合物であることを特徴とする請求項１に記載のソーワイヤー。
【請求項４】
前記Agを0.5〜5.0質量%含むSn系半田が、1〜2μmの厚さを有する板状又は直径1〜2μmの紐状の少なくとも一方のAg3Sn系金属間化合物が分散した組織を有することを特徴とする請求項３に記載のソーワイヤー。
【請求項５】
前記Agを0.5〜5.0質量%含むSn系半田中にFeを0.01〜0.5質量%、Niを0.01〜0.5質量%含むことを特徴とする請求項３又は４に記載のソーワイヤー。
【請求項６】
前記砥粒が、下層にTi又はCr、上層にNiの複層被覆層を有することを特徴とする請求項３に記載のソーワイヤー。
【請求項７】
前記Snを含む金属間化合物が、前記砥粒の周囲に少なくとも存在することを特徴とする請求項３又は６に記載のソーワイヤー。
【請求項８】
SnとNiとを含む金属間化合物が、前記砥粒の周囲に金属間化合物層として存在することを特徴とする請求項２又は６に記載のソーワイヤー。
【請求項９】
SnとNiを含む金属間化合物が、Ni3Sn4、Ni3Sn2及びSn(1-x-y)NixCuy(ここで、0.1≦x≦0.7、0.01≦y≦0.5)のうち1種又は2種以上であることを特徴とする請求項８に記載のソーワイヤー。
【請求項１０】
前記低融点金属が、SnとZnを含む半田であって、前記低融点金属層中の前記高融点金属が、Sn又はZnを含む金属間化合物であることを特徴とする請求項１に記載のソーワイヤー。
【請求項１１】
前記半田中のZnの含有量が1〜35質量％であることを特徴とする請求項１０に記載のソーワイヤー。
【請求項１２】
前記半田の組成がSn-Zn-Xで示され、XがBi、Ni、Cu、Fe、Sb、Pb、In、及びAgのうち一種又は二種以上、Xの含有量が0.5〜5質量%であることを特徴とする請求項１１に記載のソーワイヤー。
【請求項１３】
前記砥粒が、Ni又はCuの被覆層を有することを特徴とする請求項１０に記載のソーワイヤー。
【請求項１４】
前記砥粒が、下層にTi又はCr、上層にNi又はCuの複層被覆層を有することを特徴とする請求項１０又は１３に記載のソーワイヤー。
【請求項１５】
前記Sn又はZnを含む金属間化合物が、前記砥粒の周囲に少なくとも存在することを特徴とする請求項１０又は１３に記載のソーワイヤー。
【請求項１６】
前記Sn又はZnを含む金属間化合物が、Ni-Sn系、Ni-Zn系、Ni-Sn-Zn系、Cu-Sn系、Cu-Sn-Zn系、及びCu-Zn系のうち1種又は2種以上の金属間化合物であることを特徴とする請求項１０又は１３に記載のソーワイヤー。
【請求項１７】
前記高融点金属層を構成する前記高融点金属の融点が７００℃以上であることを特徴とする請求項１に記載のソーワイヤー。
【請求項１８】
前記高融点金属層が前記低融点金属層に対し外側にも形成されていることを特徴とする請求項１７に記載のソーワイヤー。
【請求項１９】
前記高融点金属層を構成する前記高融点金属と前記低融点金属層を構成する前記低融点金属が拡散することにより、前記低融点金属層内に前記低融点金属と前記高融点金属との合金相が形成されていることを特徴とする請求項１７又は１８に記載のソーワイヤー。
【請求項２０】
前記高融点金属層を構成する前記高融点金属がNiまたはNi合金もしくはCuまたはCu合金であることを特徴とする請求項１７又は１８に記載のソーワイヤー。
【請求項２１】
前記砥粒が、Niの被覆層を有することを特徴とする請求項１７に記載のソーワイヤー。
【請求項２２】
前記低融点金属層が、溶融めっきにより形成されていることを特徴とする請求項１７又は１８に記載のソーワイヤー。
【請求項２３】
前記低融点金属層を構成する前記低融点金属が、Zn-Al合金であることを特徴とする請求項１７又は１８に記載のソーワイヤー。
【請求項２４】
前記砥粒が、ダイヤモンド砥粒であることを特徴とする請求項１、２、３、１０、１７のいずれか１項に記載のソーワイヤー。
【請求項２５】
前記金属ワイヤーは鋼線であることを特徴とする請求項１、２、３、１０，１７のいずれか１項に記載のソーワイヤー。
【請求項２６】
前記金属ワイヤーの表面にZn、真鍮、又はCuメッキ層があることを特徴とする請求項２５に記載のソーワイヤー。
【請求項２７】
金属ワイヤーに複数個の砥粒が固着された固定砥粒式ソーワイヤーを製造するソーワイヤーの製造方法において、
前記金属ワイヤーを第１高融点金属層で被覆し、
低融点金属を溶融してなる溶融金属浴中に前記砥粒を混合し、前記溶融金属浴中に前記金属ワイヤーを浸漬して当該金属ワイヤーを略鉛直方向に連続的に引き出すことにより、前記金属ワイヤーに前記砥粒を固着することを特徴とするソーワイヤーの製造方法。
【請求項２８】
前記溶融金属浴を振動もしくは回転させながら、前記金属ワイヤーを連続的に引き出すことを特徴とする請求項２７に記載のソーワイヤーの製造方法。
【請求項２９】
前記低融点金属がSnまたはSn合金もしくはZnまたはZn合金であることを特徴とする請求項２７又は２８に記載のソーワイヤーの製造方法。
【請求項３０】
前記砥粒が前記低融点金属で固着された後に、第２高融点金属層を表面に形成することを特徴とする請求項２７に記載のソーワイヤーの製造方法。
【請求項３１】
前記第１及び第２高融点金属層を形成した後、２００℃以上６００℃以下の温度で熱処理することにより、低融点金属層を構成する前記低融点金属と前記第１及び第２高融点金属層を構成する高融点金属との拡散層を形成することを特徴とする請求項３０に記載のソーワイヤーの製造方法。
【請求項３２】
前記第１及び第２高融点金属層を構成する高融点金属がNiまたはNi合金もしくはCuまたはCu合金であることを特徴とする請求項３０に記載のソーワイヤーの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ソーワイヤー及びソーワイヤーの製造方法に関し、特に固定砥粒式ソーワイヤー及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコンやSiC等の半導体用インゴットのスライス加工には、高能率、高精度にスライス加工ができる内周刃切断加工が用いられてきた。この内周刃切断加工では、シリコンインゴットの大形化に対応して、内周刃が大径化し、また切断ロス低減のため、内周刃の薄型化が図られている。しかし、シリコンインゴットの径が、12インチ(300mm)を超えるようになると、内周刃の薄型化には限界があり、高価な被削材の切断ロスの低減にも限度が見えてきている。【０００３】
そこで、内周刃切断加工に代わる半導体用インゴットの切断方法として、油中に混在するWA(白色アルミナ)、GC(緑色炭化珪素)等の遊離砥粒を利用するワイヤー切断法が行われている。また、サファイヤやSiC等の単結晶基板用インゴットのスライス加工には、油中に混在するWA(白色アルミナ)、GC(緑色炭化珪素)、ダイヤモンド等の遊離砥粒を利用するワイヤー切断法が行われている。しかし、このワイヤー切断方法は、切断速度が遅い上に、切断精度が悪く、また、被削材に油汚れを生じ、環境汚染になるという問題がある。【０００４】
一方、固定砥粒型ソーワイヤーを用いた切断法は、鋼線等に超砥粒を固着したソーワイヤーを案内ロール間に張り、被削材である半導体インゴット等に適当な荷重をかけ、接触させることにより、細いソーワイヤーで大径の被削材の切断が可能であり、切断ロスを低減することができる。また、このワイヤー切断法では、水系の研削液を使用することができる。【０００５】
超砥粒としてダイヤモンド砥粒を用いたダイヤモンドソーワイヤーの従来の製造法としては、粗いダイヤモンド砥粒をNi電着した後、細かいダイヤモンド砥粒をNi電着する方法(特許文献1:特公平4-4105号公報)や、ワイヤー吊具にワイヤーを数回螺旋状に巻回支持し、砥粒槽内に挿入して静的にNiメッキする方法(特許文献2:特開平7-227766号公報)等が提案されている。Ni電着以外の固定砥粒式ソーワイヤーとしては、樹脂を使用した樹脂固定型ソーワイヤー(特許文献3:特開2006-7387号公報)や、ロウ材や半田により砥粒を固着させたもの(特許文献4:特許第4008660号公報)等がある。【０００６】
しかし、樹脂固定型ソーワイヤーは、樹脂のダイヤモンド砥粒を固着する力が不十分であるため、十分な切断性能が得られていない。また、Ni電着ソーワイヤーの場合は、ダイヤモンド砥粒床にはワイヤーに実際に付着する量よりはるかに多量の砥粒を保給しておく必要があり、かつ電着速度が遅いため、高価なダイヤモンド砥粒を大量に長時間維持せざるを得なくなる。そのため、比較的高い切断性能を有するものの、高コストである欠点を有する。【０００７】
これらの製造方法に対して、比較的高い切断性能を有し、かつ、比較的低いコストでの製造方法としてロウ付け及び半田付けによる製造方法が、特許文献4に開示されている。この特許文献４には、Sn-Ag-Cu系半田を用い、Cuメッキダイヤモンド砥粒をInconel718ワイヤーに固定したダイヤモンド被覆ワイヤーの作製及び評価が、実施例3及び4に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特公平4-4105号公報
【特許文献２】特開平7-227766号公報
【特許文献３】特開2006-7387号公報
【特許文献４】特許第4008660号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記特許文献４に係るソーワイヤーでも、砥粒の保持力が十分であるとはいえず、そのため、切断性能の向上を図ることが困難であるという問題があった。【００１０】
本発明は、上記状況を鑑み、砥粒が金属ワイヤーに固着されたソーワイヤーであって、砥粒の脱落が少なく、切断性能に優れたソーワイヤー及びソーワイヤーの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の請求項１に係る発明は、砥粒が金属ワイヤーに固着部により固着された固定砥粒式ソーワイヤーであって、前記固着部が、Zn系又はSn系の低融点金属と、前記低融点金属より融点の高い高融点金属とを含むことを特徴とする。【００１２】
本発明の請求項２に係る発明は、請求項１において、前記高融点金属が、前記砥粒の周囲、前記ソーワイヤーの表面、及び、前記金属ワイヤーの表面の中で１ヶ所以上に形成された高融点金属層に含まれることを特徴とする。【００１３】
本発明の請求項３に係る発明は、請求項１において、前記砥粒が、Niの被覆層を有する砥粒であって、前記低融点金属が、Agを0.5〜5.0質量%含むSn系半田であり、前記高融点金属がSnを含む金属間化合物であることを特徴とする。【００１４】
本発明の請求項４に係る発明は、請求項３において、前記Agを0.5〜5.0質量%含むSn系半田が、1〜2μmの厚さを有する板状又は直径1〜2μmの紐状の少なくとも一方のAg3Sn系金属間化合物が分散した組織を有することを特徴とする。【００１５】
本発明の請求項５に係る発明は、請求項３又は４において、前記Agを0.5〜5.0質量%含むSn系半田中にFeを0.01〜0.5質量%、Niを0.01〜0.5質量%含むことを特徴とする。【００１６】
本発明の請求項６に係る発明は、請求項３において、前記砥粒が、下層にTi又はCr、上層にNiの複層被覆層を有することを特徴とする。【００１７】
本発明の請求項７に係る発明は、請求項３又は６において、前記Snを含む金属間化合物が、前記砥粒の周囲に少なくとも存在することを特徴とする。【００１８】
本発明の請求項８に係る発明は、請求項２又は６において、SnとNiとを含む金属間化合物が、前記砥粒の周囲に金属間化合物層として存在することを特徴とする。【００１９】
本発明の請求項９に係る発明は、請求項２又は６において、SnとNiを含む金属間化合物が、Ni3Sn4、Ni3Sn2及びSn(1-x-y)NixCuy(ここで、0.1≦x≦0.7、0.01≦y≦0.5)のうち1種又は2種以上であることを特徴とする。【００２０】
本発明の請求項１０に係る発明は、請求項１において、前記低融点金属が、SnとZnを含む半田であって、前記高融点金属が、Sn又はZnを含む金属間化合物であることを特徴とする。【００２１】
本発明の請求項１１に係る発明は、請求項１０において、前記半田中のZnの含有量が1〜35質量％であることを特徴とする。【００２２】
本発明の請求項１２に係る発明は、請求項１１において、前記半田の組成がSn-Zn-Xで示され、XがBi、Ni、Cu、Fe、Sb、Pb、In、及びAgのうち一種又は二種以上、Xの含有量が0.5〜5質量%であることを特徴とする。【００２３】
本発明の請求項１３に係る発明は、請求項１０において、前記砥粒が、Ni又はCuの被覆層を有することを特徴とする。【００２４】
本発明の請求項１４に係る発明は、請求項１０又は１３において、前記砥粒が、下層にTi又はCr、上層にNi又はCuの複層被覆層を有することを特徴とする。【００２５】
本発明の請求項１５に係る発明は、請求項１０又は１３において、前記Sn又はZnを含む金属間化合物が、前記砥粒の周囲に少なくとも存在することを特徴とする。【００２６】
本発明の請求項１６に係る発明は、請求項１０又は１３において、前記Sn又はZnを含む金属間化合物が、Ni-Sn系、Ni-Zn系、Ni-Sn-Zn系、Cu-Sn系、Cu-Sn-Zn系、及びCu-Zn系のうち1種又は2種以上の金属間化合物であることを特徴とする。【００２７】
本発明の請求項１７に係る発明は、請求項１において、前記固着部は、融点が７００℃以上の前記高融点金属からなる高融点金属層と、前記低融点金属からなる低融点金属層とを含むことを特徴とする。【００２８】
本発明の請求項１８に係る発明は、請求項１７において、前記高融点金属層が前記低融点金属層に対し外側に形成されていることを特徴とする。【００２９】
本発明の請求項１９に係る発明は、請求項１７又は１８において、前記高融点金属層を構成する高融点金属と低融点金属層を構成する低融点金属が拡散することにより、前記低融点金属層内に前記低融点金属と前記高融点金属との合金相が形成されていることを特徴とする。【００３０】
本発明の請求項２０に係る発明は、請求項１７又は１８において、前記高融点金属層を構成する高融点金属がNiまたはNi合金もしくはCuまたはCu合金であることを特徴とする。【００３１】
本発明の請求項２１に係る発明は、請求項１７において、前記砥粒が、Niの被覆層を有することを特徴とする。【００３２】
本発明の請求項２２に係る発明は、請求項１７又は１８において、前記低融点金属層が、溶融めっきにより形成されていることを特徴とする。【００３３】
本発明の請求項２３に係る発明は、請求項１７又は１８において、前記低融点金属層を構成する前記低融点金属が、Zn-Al合金であることを特徴とする。【００３４】
本発明の請求項２４に係る発明は、請求項１、２、３、１０、１７のいずれか１項において、前記砥粒が、ダイヤモンド砥粒であることを特徴とする。【００３５】
本発明の請求項２５に係る発明は、請求項１、２、３、１０、１７のいずれか１項において、前記金属ワイヤーは鋼線であることを特徴とする。【００３６】
本発明の請求項２６に係る発明は、請求項２５において、前記金属ワイヤーの表面にZn、真鍮、又はCuメッキ層があることを特徴とする。【００３７】
本発明の請求項２７に係る発明は、金属ワイヤーに複数個の砥粒が固着された固定砥粒式ソーワイヤーを製造するソーワイヤーの製造方法において、低融点金属を溶融してなる溶融金属浴中に前記砥粒を混合し、前記溶融金属浴中に前記金属ワイヤーを浸漬して当該金属ワイヤーを略鉛直方向に連続的に引き出すことにより、前記金属ワイヤーに前記砥粒を固着することを特徴とする。【００３８】
本発明の請求項２８に係る発明は、請求項２７において、前記溶融金属浴を振動もしくは回転させながら、前記金属ワイヤーを連続的に引き出すことを特徴とする。【００３９】
本発明の請求項２９に係る発明は、請求項２７又は２８において、前記低融点金属がSnまたはSn合金もしくはZnまたはZn合金であることを特徴とする。【００４０】
本発明の請求項３０に係る発明は、請求項２７において、前記金属ワイヤーが高融点金属層で被覆されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００４１】
本発明は、Zn系又はSn系の低融点金属と、前記低融点金属より融点の高い高融点金属とにより砥粒をワイヤーに固着されているので、簡便かつ安価に砥粒の保持力を高め、切断性能に優れたソーワイヤーを提供するものであり、特に半導体等の精密加工に適しており、その工業的効果は甚大である。【００４２】
また、本発明は、Agを0.5〜5.0質量%含むSn系半田及びSnを含む金属間化合物によりNiの被覆層を有する砥粒をワイヤーに固着することにより、簡便かつ安価に砥粒の保持力を高め、切断性能に優れたソーワイヤーを提供するものであり、特に半導体等の精密加工に適しており、その工業的効果は甚大である。【００４３】
また、本発明は、Sn-Zn系半田、及び、Sn又はZnを含む金属間化合物により砥粒をワイヤーに固着することにより、簡便かつ安価に砥粒の保持力を高め、切断性能に優れたソーワイヤーを提供するものであり、特に半導体等の精密加工に適しており、その工業的効果は甚大である。【００４４】
また、本発明は、高融点金属層を含む低融点金属層により砥粒を金属ワイヤーに固着することにより、砥粒の保持力を高め、切断性能に優れたソーワイヤーを提供するものであり、特に半導体等の精密加工に適しており、その工業的効果は甚大である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明に係るソーワイヤーの一例を模式的に示す断面図である。
【図２】被着装置の構成を示す模式図である。
【図３】被着装置の別の例に係る構成を示す模式図である。
【図４】実施例1で試作したワイヤーのダイヤモンド砥粒周辺の組織を示す模式図である。
【図５】実施例５で試作したワイヤーのダイヤモンド砥粒周辺の組織の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００４６】
切断性能に優れたソーワイヤーを実現するには、高強度の金属ワイヤーを用い、これに砥粒を強固に固着させる必要がある。砥粒を細い金属ワイヤーに強固に固着するためには、金属ワイヤーと低融点金属（以下、「半田」ともいう）の接合力、半田の強度、及び、半田と砥粒との接合力が高い必要がある。固着に低融点金属を使用する理由は、低融点金属が溶融することにより、砥粒を固着することができるからである。
【００４７】
因みに、高融点のロウ材が不適である理由は、溶融してロウ付けする場合は、加工により高強度化されている金属ワイヤーたとえば、スチールコードなどは軟化してしまうからである。またNi合金など高融点ロウ材を電解めっきにより被着する場合、数十μｍの径の砥粒を固着するためには、少なくとも１０μｍ以上のめっき厚みが必要で、長時間を要する工程となり高コストとなることが問題となる。
【００４８】
本発明者らは、上記のように低融点金属で砥粒を金属ワイヤーに固着部により固着したソーワイヤーに関し、切断性能に優れ、耐久性に優れるように（長寿命となるように）砥粒を強固に固着したソーワイヤーとするためには、前記固着部が、Zn系又はSn系の低融点金属と、前記低融点金属より融点の高い高融点金属とを含み、砥粒を金属ワイヤーに固着することで前記目的が達成できることを見出した。前記高融点金属が存在すると、切断中の砥粒の固着力をより高めることになる（切断中の砥粒の剥離を抑制できる）。
【００４９】
前記高融点金属は、前記砥粒の周囲、前記ソーワイヤーの表面、及び、前記金属ワイヤーの表面の中で、１ヶ所以上に高融点金属層として存在すると、後述するような理由で、切断中の砥粒の固着力を更により高めることができる。
【００５０】
また、前記砥粒がNiの被覆層を有する砥粒であって、前記低融点金属が、Agを0.5〜5.0質量%含むSn系半田であり、前記高融点金属がSnを含む金属間化合物であるソーワイヤーが、切断性能に優れ、切断中の砥粒の固着力が更に高いのでより好ましい。
【００５１】
また、前記低融点金属が、SnとZnを含む半田であって、前記高融点金属が、Sn又はZnを含む金属間化合物であるソーワイヤーであっても、切断性能に優れ、切断中の砥粒の固着力が更に高いのでより好ましい。
【００５２】
また、前記ソーワイヤーが金属ワイヤーに複数個の砥粒が固着された固定砥粒式ソーワイヤーであって、前記高融点金属と前記低融点金属が、融点が７００℃以上の高融点金属層と、Zn系またはSn系の低融点金属層とにより、前記砥粒が前記金属ワイヤーに固着されてなるソーワイヤーであっても、切断性能に優れ、切断中の砥粒の固着力が更に高いのでより好ましい。
【００５３】
まず、半田について述べる。
【００５４】
本発明に係る半田は、Ｚｎ系又はＳｎ系の低融点金属である。前記半田には、ＳｎとＺｎを含むＳｎ−Ｚｎ系低融点金属も含まれるものである。
【００５５】
前記砥粒がNiの被覆層を有する砥粒であって、前記低融点金属が、Agを0.5〜5.0質量%含むSn系半田であり、前記高融点金属がSnを含む金属間化合物である場合には、前記半田の中でも、以下のものがより好ましい。
【００５６】
即ち、半田は、高強度のものが望ましく、金属間化合物が微細に分散していることが望ましい。Sn-Ag系半田は添加物の種類と量によって各種の金属間化合物を形成する。金属間化合物の種類としては、Ni-Sn系、Sn-Cu系、Sn-Ag系の金属間化合物が代表的である。Sn-Ag系半田は、鉛フリー半田として一般的であるが、この他にも添加物の種類と量によって各種の金属間化合物を形成する。添加物としては、As、Ba、Co、Cd、Fe、Ni、Pt等があげられ、種各の金属間化合物を形成する。また、金属間化合物の形状には、島又は粒状、板状、針状、紐状、ブロック状のものがある。また、前記半田中に微細分散している金属間化合物の体積分率は、1体積％から10体積％であるのがより望ましい。
【００５７】
Sn系半田中のAgの添加量は0.5〜5.0質量%が望ましく、0.5質量%未満では、ワイヤーまたは砥粒との濡れ性が十分に得られない場合があるために、砥粒のワイヤーへの固着力が十分に得られず望ましくない場合がある。また、5.0質量%超では十分な濡れ性は得られるものの、半田自体が脆くなり、その結果として砥粒のワイヤーへの固着力が十分に得られず望ましくない場合がある。
【００５８】
また、特に望ましいのは、Sn-Ag系金属間化合物(Ag3Sn) が1〜2μm程度の厚さを有する板状又は直径1〜2μm程度の紐状に分散又はネットワークを形成し相互に連結した組織により強化されたものが望ましい。0.5質量%未満では、強度を維持するための十分なAg3Snが形成されないため望ましくない場合がある。また、5.0質量%超では、共晶組成(Sn:Ag=96.5:3.5)からのずれが大きくなり、Ag3Snの粗大化による強度低下及び高融点化が進むため望ましくない場合がある。また、高価なAgを必要以上に含むことは、経済的な観点からも望ましくない場合がある。さらに望ましくは、Agの添加量は1.0〜4.5質量%であり、この範囲では、ブロック状の粗大化した金属間化合物はほとんどできなくなり、さらに高い強度を維持できる。
【００５９】
Sn、Ag以外の元素を添加しても、添加元素の種類および量を適宜設定することにより、種々の金属間化合物を半田中に形成できる。
【００６０】
Agを0.5〜5.0質量%含むSn系半田中の添加物としては、前述のようにAs、Ba、Co、Cd、Fe、Ni、Pt等があげられるが、その中でもFeを0.01〜0.5質量%、Niを0.01〜0.5質量%含むことよって半田の強度は向上する。Fe及びNiはSn中に僅かに固溶する。固溶したFe及びNiは、半田の強度を向上させる。比較的多量のFe又はNiを添加した場合、FeSn2、Ni3Sn4等の金属間化合物が析出する。これらの金属間化合物は、Fe又はNiの添加量が比較的少量の場合は、微細に析出し強度向上に寄与する。Fe又はNiの添加量が過剰になると、これら金属間化合物が凝集粗大化し、破壊の起点になり強度低下をもたらすため、望ましくない場合がある。
【００６１】
Feの場合、Agを0.5〜5.0質量%含むSn系半田中への添加量は、0.01〜0.5質量%が望ましい。0.01質量%未満では、固溶強化による強度向上効果が出ない場合があり、また、0.5質量%超では、金属間化合物の凝集粗大化により強度低下が進む場合があり好ましくない場合がある。Niの場合も同様に0.01〜0.5質量%が望ましい。
【００６２】
また、前記低融点金属が、SnとZnを含む半田であって、前記高融点金属が、Sn又はZnを含む金属間化合物である場合には、前記半田の中でも、以下のものがより好ましい。
【００６３】
半田は、高強度のものが望ましく、錫(Sn)中に1〜2μm程度の厚さを有する板状又は直径1〜2μm程度の針状のZnが分散した組織により強化されたものが望ましい。これらのZnは機械的強度が高く、これらZnがSn中に分散した半田は、複合材料となり、強度・粘り靭性に優れており、砥粒を保持する能力が高いため、砥粒が脱落し難く、Sn-Zn系半田で砥粒を固着したソーワイヤーは、高い切断性能を示す。
【００６４】
凝固後のSn系半田中のZnは、Sn中に殆ど固溶せず、板状又は直径1〜2μm程度の針状のZnとなって析出する。確実に板状又は針状のZnをSn系半田中に析出させるには、Znの添加量は、1質量%以上が望ましい。また、Znの添加量を増加させた場合、板状又は針状のZnの量及び半田の強度は向上する。さらに、共晶点(Sn:91.2質量%、Zn:8.8質量%、198.5℃)を超えて、Znの添加量を増やした場合、約35質量%で半田が固化し始める温度が、約320℃となり、Znの酸化が進み易くなることから、Znの上限量は35質量%が望ましい。Znの添加量は、第3添加元素の種類及び添加量によっても若干変化するが、さらに望ましくは、Znの微細化による強度向上の観点及びワイヤー母材の強度劣化の観点から、低温処理が望ましく、共晶点を中心とする前後約4質量%、即ち、Sn:96質量%、Zn:4質量%からSn:88質量%、Zn:12質量%までの範囲である。
【００６５】
Sn-Zn系半田（SnとZnを含む半田）は、Znが酸化し易い性質を有することから、表面に酸化皮膜ができ易く、Sn-Pb、Sn-Ag、Sn-Bi系等他の半田材料に比べ、濡れ性が劣る傾向にある。Sn-Zn系半田への第三添加元素としては、Ba、B、Cd、Ni、Cu、Fe、Sb、Pb、In、Ag、Mo、Co等が挙げられるが、この中で濡れ性を改善するためには、Biを始めとするNi、Cu、Fe、Sb、Pb、In、Agの1種類又はこれらの組み合わせを第三添加元素として0.5質量%〜5質量%添加することが有効である。0.5質量%未満では、効果が不十分な場合があり、5質量%超では添加物とSn又はZnとの粗大化した金属間化合物を形成する場合があり、望ましくない場合がある。また、前記Sn-Zn系半田中に分散した金属間化合物の体積分率は、1体積％から15体積％でるのがより望ましい。
【００６６】
次に、砥粒について述べる。
【００６７】
砥粒の素材としては、アルミナAl2O3、SiC、SiO2、ダイヤモンド等が挙げられる。この中で、ダイヤモンドは硬度及び熱伝導の点で最も優れている。半田と砥粒との接合力を上げるには、予め、Ni又はCu被覆をメッキ等により砥粒に施すことが、半田の濡れ性向上の観点からも望ましい。特にダイヤモンド砥粒を使用する場合、Ni又はCuメッキ層は、ダイヤモンドを、物理的(又は機械的)に包み込んでいるだけであり、Ni又はCuの原子とダイヤモンドとの化学的な結合はない。
【００６８】
ダイヤモンドとの化学的な結合が可能な金属皮膜としては、Ti(チタン)又はCr(クロム)の皮膜が望ましい。しかしながら、チタン及びクロムは半田の濡れ性が悪いため、ダイヤモンド表面に、まず、チタン又はクロム被覆を施し、さらにその外側にNi又はCu被覆を施した複層被覆砥粒を用いるのが、さらに、望ましい。チタン及びクロムとニッケル及び銅との間は金属結合となることから、ダイヤモンドと金属被覆層との間の結合が強化される。また、ダイヤモンドは、晶癖面が綺麗な対称性を有するいわゆる単結晶ダイヤより、むしろ、ワイヤーとの接合面積増大の観点から、破砕ダイヤの方が望ましい。
【００６９】
次に、砥粒と半田との結合について述べる。
【００７０】
ワイヤーに砥粒がしっかり固着したソーワイヤーを得るには、前述のように、機械的強度の優れた半田を用い、金属メッキ砥粒を固着させる必要があり、半田と金属メッキとの界面での結合が重要となる。この界面での強固な結合を得るには、化学結合を形成する必要がある。
【００７１】
金属メッキ砥粒と半田との界面に生成する金属間化合物は、金属メッキと半田との化学結合が存在することを示すものであり、半田と金属メッキとの界面に存在することが必要である。しかしながら、一般に金属間化合物は脆い性質を有することから、金属間化合物層が厚くなると、金属間化合物層での割れが発生し易くなり、砥粒の保持力の低下を招く。そのため、金属メッキ砥粒と半田との界面にできる金属間化合物層は、より均一で、より薄いことが望ましい。このような観点から、金属メッキ砥粒とこれを固着させるための半田とは、薄い金属間化合物層を形成するために適した組み合わせであることが重要である。特にNiメッキ砥粒とSn-Zn系半田は、適した組み合わせである。
【００７２】
Cuメッキ砥粒とAgを0.5〜5.0質量%含むSn-Ag系半田とは、界面に、3〜5μmの比較的厚い不均一なCu6Sn5、Cu3Snが形成するため、割れが発生し易く望ましくない。これに対し、Niメッキ砥粒とSn-Ag系半田とは、比較的薄く均一な金属間化合物層を作るため、適した組み合わせである。
【００７３】
強固な結合を得るための砥粒とAgを0.5〜5.0質量%含むSn系半田との界面組織は、2μm以下の薄いNi3Sn4又はNi3Sn2の金属間化合物が存在することが望ましい。また、Cuを1.5質量％以上含む場合、Sn(1-x-y)NixCuy(ここで、0.1≦x≦0.7、0.0<y≦0.8)の金属間化合物が生成され、Cuを0.5質量%程度含む半田の場合、Cuが固溶したSn(1-x-y)NixCuy(ここで、0.1≦x≦0.7、0.0<y≦0.5)の金属間化合物が生成される。ここで、Cuの割合であるyが0.5超の場合は、金属間化合物の厚さが厚くなるため望ましくない。さらに望ましくは、Ni3Sn4、Ni3Sn2又はSn(1-x-y)NixCuy(ここで、0.1≦x≦0.7、0.0<y≦0.5)の金属間化合物の厚さが1μm以下である。
【００７４】
また、強固な結合を得るためのSn-Zn系半田と砥粒との界面組織は、Sn-Zn系半田の第三添加元素によっては、Sn-Ba系、Sn-Ni-Zn系、Sn-Ni系およびNi-Zn系、Sn-Mo系など種々金属間化合物ができるが、この中で特に2μm以下の薄いSn-Ni-Zn系、Sn-Ni系およびNi-Zn系の金属間化合物がNiメッキされた金属メッキ砥粒の周囲を取り囲んだ組織を有することが望ましい。さらに望ましくは、Sn-Ni-Zn系の金属間化合物の厚さが1μm以下である。また、ここで言う金属間化合物は、必ずしも、化学量論組成である必要はない。
【００７５】
次に、ワイヤーについて述べる。
【００７６】
高強度のワイヤーとしては、ステンレス（SUS316,SUS304等）ワイヤーやInconelワイヤー、鋼線等があり、特にその種類は問わないが、3000MPa以上の引張強度を有する鋼線(ピアノ線)等が、価格の点からも望ましい。ワイヤーと半田の接合力に関しては、高強度のワイヤーに予め銅(Cu)、真鍮(Cu-Zn合金)又はZnの被覆を施したものが、半田の濡れ性がよく望ましい。また、これらメッキ層の厚みは、1μｍ以下であることが望ましい。
【００７７】
また、ワイヤーとして鋼線を用いた場合、例えば、熱処理の際に、鋼線中のFeが半田中に僅かに溶け出し、半田の強度向上をもたらす。このような観点から、Agを0.5〜5.0質量%含むSn系半田を用い、Niメッキ層を有する砥粒を鋼線に固着させたソーワイヤーは、極めて望ましい組み合わせと言える。
【００７８】
次に、ワイヤーと半田の接合力に関して述べる。
【００７９】
一般的に、ワイヤーとメッキ層とは、伸線過程において、強加工されており、強固な金属結合状態を形成している。また、メッキ層とSn-Zn系半田とは、砥粒とSn-Zn系半田との界面と同様に、薄く均一な金属間化合物層が形成されていることが望ましく、もともとのメッキ層の厚さが薄ければ、界面で生成する金属間化合物層も薄くなることから、メッキ層の厚みは、1μｍ以下であることが望ましい。
【００８０】
次に、製造方法の例について概要を述べる。
【００８１】
ソーワイヤーの母材となる細線は、高い引張強度を有する鋼線等を用い、その表面に真鍮又は銅が被覆されているもの、さらには、これらの被覆の上に半田が予め被覆されたものが、砥粒固着工程での半田の濡れ性の観点から望ましい。砥粒は、微小半田ボール及びフラックスを混合し、ペースト状の混合物を予め作製しておく。
【００８２】
予め半田コーティング処理されたワイヤーは、上記ペースト状の混合物が入った容器内を通過した後、所定の穴径を有するノズル先から引き出されることによって、所定の厚さにペースト状の混合物が塗布される。ペースト状の混合物が塗布されたワイヤーは、加熱された電気炉中を通過することにより半田を溶融し、炉外で冷却され半田層を固化することで砥粒がワイヤーに固着される。さらに、余分なフラックス成分を除去するために、ワイヤーを洗浄層内に通過させることで除去し、リールに巻き取ることで砥粒固定式ソーワイヤーが製造される。
【００８３】
ソーワイヤーが金属ワイヤーに複数個の砥粒が固着された固定砥粒式ソーワイヤーであって、前記高融点金属と前記低融点金属が、融点が７００℃以上の高融点金属層と、Zn系またはSn系の低融点金属層とにより、前記砥粒が前記金属ワイヤーに固着されてなるソーワイヤーについて、以下に説明する。
【００８４】
ソーワイヤー１は、図1に示すように、金属ワイヤー２の表面に、低融点金属層３と、高融点金属層４とが形成され、当該低融点金属層３と高融点金属層４とにより砥粒５が固着されている。
【００８５】
低融点金属層３を構成する低融点金属は、例えば、上述の半田が挙げられる。また、低融点金属層３を構成する低融点金属は、高強度のものが望ましい。なお、高強度化のための合金化は、たとえば、Sn系、Zn系ではCu、Ni、Agなどを添加することが有効であるが、高濃度の合金化は、高融点となることや、析出物の粗大化がおこることから、それぞれ１％以下が望ましい。低融点金属は、Sn系、Zn系の金属もしくは合金が好ましく、さらにその融点は５５０℃以下が好ましい。
【００８６】
ソーワイヤー１は、高融点金属層４を形成することにより、固着力をさらに高めることができる。高融点金属層４を構成する高融点金属は、融点が７００℃以上、好ましくは融点が８５０℃以上のものが適用される。
【００８７】
本図では、高融点金属層４は、外層４Ａと内層４Ｂとからなり、当該外層４Ａと内層４Ｂとの間に低融点金属層３が設けられているが、本発明はこれに限らない。
【００８８】
すなわち、金属ワイヤー２上に設けられた低融点金属層３に対し、金属ワイヤー２と低融点金属層３との間（内側）、低融点金属層３の表面（外側）、または低融点金属層３の中間に、高融点金属層４を少なくとも一層設けて、砥粒５の固着を強化することが好ましい。高融点金属層４は、外層４Ａ、中間層（図示しない）、内層４Ｂのうちいずれか二以上の層を設けることも好ましい。外層４Ｂに高融点金属層４を設ける場合は、金属ワイヤー２の耐磨耗性も向上して、切断性能が向上できる。高融点金属としては、NiまたはNi合金もしくはCuまたはCu合金が最適であるが、Pd、Cr、Pt、Rh、Tiなども適している。
【００８９】
高融点金属層４を設ける場合は、低融点金属としてZn−Al合金を用いることも適している。すなわち、高融点金属層４のNi、Cuなどが低融点金属層３に拡散し拡散層が形成される。さらに、Ni、CuなどとAlとの合金相が界面あるいは低融点金属層３内部に形成されることによって、より強固に砥粒５を固着することができる。
【００９０】
高融点金属層４は、比較的、層厚が薄くても効果があるので、NiまたはNi合金もしくはCuまたはCu合金を、電解めっきあるいは無電解めっきすることにより形成することができる。高融点金属層４のめっき厚は、０．０１μｍ超から５μｍ以下、好ましくは０．０２μｍから２μｍ以下が適している。低融点金属層３の中間に高融点金属層４を設ける場合（図示しない）は、第１の低融点金属層上に高融点金属層４をめっきして形成した後、再度その高融点金属層４上に第２の低融点金属層を被着させることで形成できる。高融点金属層４のめっき厚が上限を超える場合は、めっき時間が長くなり生産性が落ちる。また高融点金属層４のめっき厚が下限以下の場合は拡散層による高強度化の効果が十分でない。
【００９１】
さらに高融点金属と低融点金属の拡散は、低融点金属の融点以下でも可能である。したがって、低温での熱処理により、高融点金属と低融点金属との合金相を設けることも可能であり、砥粒５の固着力をさらに高めることができる。低融点金属はSn系金属では１００℃以上２００℃以下、好ましくは１５０℃以上２００℃以下、Zn系金属では１５０℃以上４００℃以下、好ましくは２００℃以上３５０℃以下で拡散の効果が得られる。温度が下限未満の場合は、拡散層の厚みが十分ではなく、上限を超える場合には、組織の粗大化が顕著となるので、固着力が低減化するあるいは、金属ワイヤー２の強度低下をまねくことになる。
【００９２】
次に、砥粒について述べる。
【００９３】
上述と同様に、砥粒５の素材としては、アルミナ、SiC、SiO2、ダイヤモンド等が挙げられる。この中で、ダイヤモンドは硬度で最も優れている。半田３と砥粒５との接合力を上げるには、予め、Ni又はCuの被覆層（図示しない）をメッキ等により砥粒５に施したもの（以下、「被覆砥粒」という）を用いることが、半田３の濡れ性向上の観点からも望ましい。
【００９４】
特に砥粒５にダイヤモンドを使用する場合、Ni又はCu被覆は、ダイヤモンドとの結合力は少ない。ダイヤモンドとの化学的な結合が可能な金属皮膜としては、Ti(チタン)又はCr(クロム)の皮膜が望ましい。しかしながら、Ti及びCrは半田３の濡れ性が悪いため、ダイヤモンドからなる砥粒５の表面に、まず、Ti又はCr被覆を施し、さらにその外側にNi又はCu被覆を施した複層被覆砥粒（図示しない）を用いるのが、さらに、望ましい。Ti及びCrとNi及びCuとの間は金属結合となることから、ダイヤモンドからなる砥粒５とNi又はCu被覆との間の結合が強化される。また、ダイヤモンドは、晶癖面が綺麗な対称性を有するいわゆる単結晶ダイヤより、むしろ、金属ワイヤー２との接合面積増大の観点から、破砕ダイヤの方が望ましい。
【００９５】
次に、金属ワイヤーについて述べる。
【００９６】
高強度の金属ワイヤー２としては、例えば、上述の金属ワイヤーを使用できる。また、高強度の金属ワイヤー２としては、特にその種類は問わないが、3000MPa以上の引張強度を有する高炭素鋼線(ピアノ線)等が、強度、価格の点からも望ましい。線径は４０μｍから４００μｍが使用できるが、８０μｍから２００μｍ以下が好ましい。下限未満の場合は、断線の可能性が高まり、上限を超える場合は、切断代が大きくなり、被切断物のロスが大きくなる。
【００９７】
次に低融点金属による砥粒の被着方法について述べる。
【００９８】
低融点金属はいったん溶融過程を経て、砥粒５を金属ワイヤー２に固着することが、効率的である。砥粒５の被着には、図2に示す被着装置１０を用いることができる。被着装置１０は、溶融槽１１と、当該溶融槽１１を加熱するヒータ１２と、溶融槽１１内に金属ワイヤー２を送り出す送り部１３とを備える。溶融槽１１内には、ヒータ１２により加熱され、溶融めっきとしての溶融した低融点金属（以下、「溶融金属浴」という）３Ａと、当該溶融金属浴３Ａ中に混合された砥粒５とが収容されている。砥粒５は、低融点金属より比重が軽いため、溶融金属浴３Ａの表面近傍に浮遊している。送り部１３は、図中矢印方向へ金属ワイヤー２を送り出し、当該金属ワイヤー２が溶融槽１１内を一方向へ循環し得るように構成されている。
【００９９】
このように構成された被着装置１０において、金属ワイヤー２が溶融槽１１内へ送り部１３により送り出される。そうすると、当該金属ワイヤー２は、溶融槽１１内の溶融金属浴３Ａに浸漬する。溶融金属浴３Ａに浸漬した金属ワイヤー２は、溶融槽１１から引き出される際に、砥粒５が同時に固着される。このように、被着装置１０では、砥粒５を混合させた溶融金属浴３Ａに金属ワイヤー２を浸漬させ引き出す際に砥粒５を固着することにより、効率的に金属ワイヤー２に砥粒５を固着することができる。したがって、安価なソーワイヤー１を提供することができる。
【０１００】
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で適宜変更することが可能である。例えば、被着装置１０は、砥粒５の被着密度を制御し得るように構成してもよい。すなわち、図2に示した被着装置１０と同様の構成について同様の符号を付した図3を用いて説明すると、被着装置２０は、さらに、溶融槽１１内の金属ワイヤー２の引き出し部分を囲むように筒状部２１が設けられている。筒状部２１は、鉛直方向が開口してなり、下端において、溶融槽１１内の溶融金属浴が流通し得るように溶融槽１１に保持されていると共に、金属ワイヤー２が出入りし得るように側面に挿通穴２２が設けられている。また、溶融槽１１の底部には、筒状部２１の下方に回転自在にスターラー２３が設けられている。
【０１０１】
このように構成された被着装置２０は、図示しない駆動部によりスターラー２３を回転させることにより、金属ワイヤー２の引き出し方向を回転軸として、溶融金属浴３Ａを回転させる。これにより、被着装置２０は、砥粒５の供給を安定化し、砥粒５を混合させて、一定量の砥粒５を金属ワイヤー２に被着させることができる。
【０１０２】
また、砥粒５の被着密度を制御するためには、溶融金属浴３Ａに振動を与えることが好ましい。振動数は３００Hzから５００kHzの範囲で分散効果がある。
【０１０３】
さらに、図示しないが、溶融金属浴の流入、流出孔も設けて、流入量、流入、流出位置で制御することができる。また溶融金属浴は図示しないノズルの先端から噴流として噴出し、そのノズル中へ金属ワイヤーを送致し、砥粒を付着させることもできる。ノズルは鉛直上向きが適しているが、水平方向でも付着は可能である。溶融金属浴の厚みは、溶融温度の調整により粘性を管理し、金属ワイヤーの引き出し速度を変化させることで、制御できる。溶融金属浴による被覆は他の方法と比較して、特に生産性が優れている。
【０１０４】
また、上記した実施形態では、被着装置１０，２０を用いて砥粒５を金属ワイヤー２に固着する方法について説明したが、本発明はこれに限らない。例えば、図示しないが、低融点金属の粉末とフラックス成分とが混合されたペースト中に砥粒を分散させ金属ワイヤーに塗布または印刷したのち、熱処理炉内で、一旦溶融させてから凝固させ砥粒を固着することとしてもよい。
【０１０５】
実施例
(実施例1)
真鍮が被覆(Cu:Zn=2:1(mol比)、厚み約50nm)された直径160μmの鋼線(引張強度:3450MPa)に、厚み50nmの下層Tiメッキ及び厚み3μmの上層Niメッキを施した平均粒径35μmの複層被覆ダイヤモンド砥粒を、Feが0.05質量%及びNiが0.05質量%添加されたSn-Ag系半田により固着したソーワイヤーを試作した。以下に、その製造方法を述べる。
【０１０６】
上記砥粒とFeが0.05質量%及びNiが0.05質量%添加された96.5質量%Sn-3.4質量%Agの組成の平均粒径30μmの半田ボール及びハロゲン化亜鉛を含むフラックスを質量比で半田:砥粒:フラックス=3:2:4として攪拌・混合し、ペースト状の混合物を作製した。
【０１０７】
鋼線は、アセトン洗浄の後、一旦、250℃で溶融したFeが0.05質量%及びNiが0.05質量%添加された96.5質量%Sn-3.4質量%Agの半田組成の中を50cm/秒のスピードで通過すると同時に余分な半田を拭き取ることで、約3μｍの厚さの半田コーティング処理を行った。
【０１０８】
半田コーティング処理された鋼線は、上記ペースト状の混合物が入った容器内を通過した後、直径約200μmの穴を有するノズル先から引き出されることによって、ペースト状の混合物がさらに塗布された。ペースト状の混合物がさらに塗布された鋼線は、270℃に加熱された管状電気炉(均熱帯長さ:約40cm)の中を0.1m/分の速さで通過することにより半田を溶融し、その後冷却することで砥粒を鋼線に固着した。さらに、洗浄槽を通過させることで余分なフラックス成分を除去し、リールに巻き取って、ソーワイヤーを形成した。
【０１０９】
得られたソーワイヤーの砥粒周辺の組織を図4に模式図で示す。元素解析によりダイヤモンド３０の周辺に1〜2μm厚さのNiメッキの金属層３１が見られ、その周囲を1〜2μmの厚さでSn-Ni系の金属間化合物３２が分布していると共に、半田中にもSn-Ni系の金属間化合物３３が点在した組織であった。また、半田中には、1〜2μm程度の厚さを有する板状又は直径1〜2μm程度の紐状のSn-Ag系金属間化合物が、分散又はネットワーク状に連結した組織が確認された。また、上記金属間化合物の組成を分析したところ、Sn-Ni系の金属間化合物中にもCuが僅かに含まれ、モル比で(Sn:Ni:Cu)=(55:42:3)であり、Sn-Ag系の金属間化合物は、(Sn:Ag)=(25:75)であった。Feは半田中に金属間化合物を形成せず、ワイヤー表面で濃度が高く、表面からの距離の増加と共に減少していた。また、砥粒のNiメッキ表面でもFeの濃化が見られた。このことから、Feは半田中に固溶し、半田強度を高める作用をしているものと考えられる。
【０１１０】
このような金属間化合物がダイヤモンド砥粒の周囲に存在する長さ30mのソーワイヤーを実験室用ソーワイヤー装置(CS-203)に取り付け、ワイヤー張力14.7N、ワイヤー移動速度100m/分、加工荷重(ワークをワイヤーに押し付けるための錘の重さ)100gの条件で、往復させることにより切断性能を評価した。また、水を冷却溶媒に用いた。この時、直径20mmのシリコン単結晶の切断速度は、2.6mm/分であった。また、この切断試験において、ソーワイヤーからの砥粒の脱落はほとんど確認されなかった。
【０１１１】
以上のように、切断性能に優れた半田固着型ソーワイヤーができることが明らかになった。
【０１１２】
(実施例2)
Cuが被覆(厚み約50nm)された直径160μmの鋼線(引張強度:3450MPa)に、厚み50nmの下層Crメッキ及び厚み3μmの上層Niメッキを施した平均粒径35μmの複層被覆ダイヤモンド砥粒をNiが0.05質量%添加されたSn-Ag-Cu系半田により固着したソーワイヤーを試作した。以下に、その製造方法を述べる。
【０１１３】
上記砥粒と約96.5質量%Sn-3.0質量%Ag-0.5質量%Cuの組成の平均粒径30μmの半田ボール及びハロゲン化亜鉛を含むフラックスを質量比で半田:砥粒:フラックス=3:2:3として攪拌・混合し、ペースト状の混合物を作製した。
【０１１４】
鋼線は、アセトン洗浄の後、一旦、250℃で溶融したNiが0.05質量%添加された約96.5質量%Sn-3.0質量%Ag-0.5質量%Cuの半田組成の中を50cm/秒のスピードで通過すると同時に余分な半田を拭き取ることで、約3μmの厚さの半田コーティング処理を行った。
【０１１５】
半田コーティング処理された鋼線は、上記ペースト状の混合物が入った容器内を通過した後、直径約200μmの穴を有するノズル先から引き出されることによって、ペースト状の混合物がさらに塗布された。ペースト状の混合物がさらに塗布された鋼線は、270℃に加熱された管状電気炉(均熱帯長さ:約40cm)の中を0.1m/分の速さで通過することにより半田を溶融し、その後冷却することで砥粒を鋼線に固着した。さらに、洗浄層を通過させることで余分なフラックス成分を除去し、リールに巻き取って、ソーワイヤーを形成した。
【０１１６】
得られたソーワイヤーの砥粒周辺の組織は、元素解析によりダイヤモンドの周辺に1〜2μm厚さのNiメッキの金属層が見られ、その周囲を2〜3μmの厚さでSn-Ni-Cu系の金属間化合物が分布していると共に、半田中にもSn-Ni-Cu系の金属間化合物が点在した組織であった。また、半田中には、1〜2μm程度の厚さを有する板状又は直径1〜2μm程度の紐状のSn-Ag系金属間化合物及び直径1〜2μm程度の粒状のSn-Cu系金属間化合物が分散した組織が確認された。また、上記金属間化合物の組成を分析したところ、Sn-Ni-Cu系の金属間化合物は、モル比で(Sn:Ni:Cu)=(40:26:34)であり、Sn-Ag系の金属間化合物は、(Sn:Ag)=(25:75)であった。
【０１１７】
このような金属間化合物がダイヤモンド砥粒の周囲に存在する長さ30mのソーワイヤーを実験室用ワイヤーソー装置(CS-203)に取り付け、ワイヤー張力14.7N、ワイヤー移動速度100m/分、加工荷重100gで、往復させることにより切断性能を評価した。また、水を冷却溶媒に用いた。この時、直径20mmのシリコン単結晶の切断速度は、2.4mm/分であった。また、この切断試験において、ソーワイヤーからの砥粒の脱落はほとんど確認されなかった。
【０１１８】
以上のように、切断性能に優れた半田固着型ソーワイヤーができることが明らかになった。
【０１１９】
(実施例3)
真鍮が被覆(Cu:Zn=2:1(mol比)、厚み約50nm)された直径180μmの鋼線(引張強度:3300MPa)に、厚み50nmの下層Tiメッキ及び厚み4μmの上層Niメッキを施した平均粒径40μmの複層被覆ダイヤモンド砥粒を、Feを0.05質量%添加したSn-Ag-Cu系半田により固着したソーワイヤーを試作した。以下に、その製造方法を述べる。
【０１２０】
上記砥粒と94.0質量%Sn-5.0質量%Ag-1.0質量%Cuの組成の平均粒径30μmの半田ボール及びハロゲン化亜鉛を含むフラックスを質量比で半田:砥粒:フラックス=2:2:3として攪拌・混合し、ペースト状の混合物を作製した。
【０１２１】
鋼線は、アセトン洗浄の後、一旦、250℃で溶融した94.0質量%Sn-5.0質量%Ag-1.0質量%Cuの半田組成の中を50cm/秒のスピードで通過すると同時に余分な半田を拭き取ることで、約3μｍの厚さの半田コーティング処理を行った。
【０１２２】
半田コーティング処理された鋼線は、上記ペースト状の混合物が入った容器内を通過した後、直径約250μmの穴を有するノズル先から引き出されることによって、ペースト状の混合物がさらに塗布された。ペースト状の混合物がさらに塗布された鋼線は、280℃に加熱された管状電気炉(均熱帯長さ:約40cm)の中を0.15m/分の速さで通過することにより半田を溶融し、その後冷却することで砥粒を鋼線に固着した。さらに、洗浄層を通過させることで余分なフラックス成分を除去し、リールに巻き取って、ソーワイヤーを形成した。
【０１２３】
得られたソーワイヤーの砥粒周辺の組織は、元素解析によりダイヤモンドの周辺に1〜2μm厚さのNiメッキの金属層が見られ、その周囲を2〜3μmの厚さでSn-Ni-Cu系の金属間化合物が分布していると共に、半田中にもSn-Ni-Cu系の金属間化合物が点在した組織であった。また、半田中には、1〜2μm程度の厚さを有する板状又は直径1〜2μm程度の紐状のSn-Ag系金属間化合物及び直径1〜2μm程度の粒状のSn-Cu系金属間化合物が分散した組織が確認された。また、上記金属間化合物の組成を分析したところ、Sn-Ni-Cu系の金属間化合物は、モル比で(Sn:Ni:Cu)=(43:25:32)であり、Sn-Ag系の金属間化合物は、(Sn:Ag)=(25:75)であり、Sn-Cu系の金属間化合物は、(Sn:Cu)=(45:55)であった。
【０１２４】
このような金属間化合物がダイヤモンド砥粒の周囲に存在する長さ30mのソーワイヤーを実験室用ワイヤーソー装置(CS-203)に取り付け、ワイヤー張力1000MPa、ワイヤー移動速度500m/分、加工荷重100gで、水を冷却溶媒に用いて切断性能を評価した。直径20mmのシリコン単結晶の切断速度は、2.2ｍｍ/分であった。また、この切断試験において、ソーワイヤーからの砥粒の脱落はほとんど確認されなかった。
【０１２５】
以上のように、切断性能に優れた半田固着型ソーワイヤーができることが明らかになった。
【０１２６】
(実施例4)
実施例1〜実施例3に準じて、表1のように種々の条件でソーワイヤーを作製し、切断性能を比較した。表1に各条件で作製したソーワイヤーの製造条件及び性能を示す。また、各実施例で得られたソーワイヤーの組織は、砥粒の周辺に1〜2μm厚さのNiメッキの金属層が見られ、その周囲を1〜2μmの厚さでSn-Ni系の金属間化合物が分布していた。No.4-25では、SnBaO3の分散が見られた。また、No.4-27ではSn-B系の金属間化合物が見られた。さらにN0.4-28ではNiMoO4が砥粒の周辺部で見られた。なお、砥粒の脱落状況については、上記切断性能評価後のワイヤー表面を観察し、砥粒の残存状態を以下の基準で評価し、△以上を実用に耐えるとした。
【０１２７】
◎ :  脱落が殆ど見られない、○ : 僅かに脱落が見られる、
△ :  明らかに脱落箇所が確認できる、× :  全体に脱落が進んでいる。
【０１２８】
実施例1及び実施例2と同様に、No.4-1〜4-9、No.4-16〜4-28のソーワイヤーから、切断性能に優れた半田固着型の固定砥粒式ソーワイヤーができることが分かった。
【０１２９】
No.4-10、4-11、4-14、4-15、4-29、4-30のソーワイヤーは、砥粒の外側のメッキ金属がCuであるため半田とCuメッキ層との界面でCuを含む金属間化合物が厚くなり、その結果、金属間化合物近傍で割れ易くなるので、切断性能が低くなったものと考えられる。また、No.4-12、4-13、4-15のソーワイヤーは、半田中にAgを含まない組成であるため半田強度が低下し、切断性能が低くなったものと考えられる。また、No.4-31のソーワイヤーは、半田中のAgが過剰であったため半田強度が低下し、切断性能が低くなったものと考えられる。No.4-32のソーワイヤーでは、金属間化合物が形成されていないので、砥粒が全部脱落し、切断速度が極端に小さいものであった。
【０１３０】
【表１】
0005516420.tif 000002
【０１３１】
(実施例5)
真鍮が被覆(Cu:Zn=2:1(mol比)、厚み約50nm)された直径160μmの鋼線(引張強度:3450MPa)に、厚み50nmの下層Tiメッキ及び厚み3μmの上層Niメッキを施した平均粒径35μmの複層被覆ダイヤモンド砥粒をSn-Zn-Bi系半田により固着したソーワイヤーを試作した。以下に、その製造方法を述べる。
【０１３２】
上記砥粒と89質量%Sn-8質量%Zn-3質量%Biの組成の平均粒径30μmの半田ボール及びハロゲン化亜鉛を含むフラックスを質量比で半田:砥粒:フラックス=3:2:3として攪拌・混合し、ペースト状の混合物を作製した。
【０１３３】
鋼線は、アセトン洗浄の後、一旦、290℃で溶融した89質量%Sn-8質量%Zn-3質量%Biの半田の中を50cm/秒のスピードで通過すると同時に、余分な半田を拭き取ることで、約3μｍの厚さの半田コーティング処理を行った。
【０１３４】
半田コーティング処理された鋼線は、上記ペースト状の混合物が入った容器内を通過した後、直径300μmの穴を有するノズル先から引き出されることによって、所定量のペースト状の混合物が塗布された。ペースト状の混合物が塗布された鋼線は、280℃に加熱された管状電気炉(均熱帯長さ:約40cm)の中を0.1m/分の速さで通過することにより半田を溶融し、その後冷却することで砥粒を鋼線に固着した。さらに、洗浄槽を通過させることで余分なフラックス成分を除去し、リールに巻き取って、ソーワイヤーを形成した。
【０１３５】
得られたソーワイヤーの砥粒周辺の組織を図5に示す。元素解析によりダイヤモンド４０の周辺に1〜2μm厚さのNiメッキの金属層４１が見られ、その周囲を1μm程度の厚さでSn-Ni-Zn系の金属間化合物４２が分布している。また、半田中には1〜2μm程度の厚さを有する板状又は直径1〜2μm程度の針状のZnが分散した組織４３が確認された。
【０１３６】
このような長さ30mのソーワイヤーを実験室用ワイヤーソー装置(CS-203)に取り付け、ワイヤー張力14.7N、ワイヤー移動速度100m/分、加工荷重(ワークをワイヤーに押し付けるための錘の重さ)100gの条件で往復させることにより切断性能を評価した。また、水を冷却溶媒に用いた。この時、厚さ20mmのシリコン単結晶の切断速度は、3.2mm/分であった。また、切断中にソーワイヤーからの砥粒の脱落も殆ど認められず、良好な固着状態であることも判った。
【０１３７】
以上のように、切断性能に優れた半田固着型ソーワイヤーができることが明らかになった。
【０１３８】
(実施例6)
銅が被覆(厚み:約50nm)された直径180μmの鋼線(引張強度:3300MPa)に、厚み50nmの下層Tiメッキ及び厚み4μmの上層Niメッキを施した平均粒径30μmの複層被覆ダイヤモンド砥粒をSn-Zn系半田により固着したソーワイヤーを試作した。以下に、その製造方法を述べる。
【０１３９】
上記砥粒と91質量%Sn-9質量%Znの組成の平均粒径30μmの半田ボール及びハロゲン化亜鉛を含むフラックスを質量比で半田:砥粒:フラックス=2:2:3として攪拌・混合し、ペースト状の混合物を作製した。
【０１４０】
鋼線は、アセトン洗浄の後、一旦、250℃で溶融した91.0質量%Sn-9.0質量%Znの半田組成の中を50cm/秒のスピードで通過すると同時に、余分な半田を拭き取ることで、約3μｍの厚さの半田コーティング処理を行った。
【０１４１】
半田コーティング処理された鋼線は、上記ペースト状の混合物が入った容器内を通過した後、直径350μmの穴を有するノズル先から引き出されることによって、所定量のペースト状の混合物が塗布された。ペースト状の混合物が塗布された鋼線は、280℃に加熱された管状電気炉(均熱帯長さ:約40cm)の中を0.15m/分の速さで通過することにより半田を溶融し、その後冷却することで砥粒を金属ワイヤーに固着した。さらに、洗浄槽を通過させることで余分なフラックス成分を除去し、リールに巻き取って、ソーワイヤーを形成した。
【０１４２】
得られたソーワイヤーの組織は、ダイヤモンドの周辺に1〜2μm厚さのNiメッキの金属層が見られ、その周囲を1μm程度の厚さでSn-Ni-Cu系の金属間化合物が分布している。半田中には1〜2μm程度の厚さを有する板状又は直径1〜2μm程度の針状のZnが分散した組織が確認された。
【０１４３】
このような金属間化合物がダイヤモンド砥粒の周囲に存在する長さ30mのソーワイヤーを実験室用ワイヤーソー装置(CS-203)に取り付け、実施例5と同様にして、ワイヤー張力14.7N、ワイヤー移動速度100ｍ/分、加工荷重100gで、水を冷却溶媒に用いて切断性能を評価した。厚さ20mmのシリコン単結晶の切断速度は、3.1ｍｍ/分であった。また、切断中にソーワイヤーからの砥粒の脱落も殆ど認められず、良好な固着状態であることも判った。
【０１４４】
以上のように、切断性能に優れた半田固着型ソーワイヤーができることが明らかになった。
【０１４５】
(実施例7)
実施例5及び実施例6に準じて、表2のように種々の条件でソーワイヤーを作製し、他の半田材料を用いたソーワイヤーとの切断性能を比較した。表2に各ソーワイヤーの製造条件を示す。また、表3に各ソーワイヤーの製造条件（つづき）及び評価結果を示す。No.7-8、No.7-16〜17、No.7-19〜21、No.7-37、No.7-40〜42を除く各ソーワイヤーでは、砥粒の周辺に1〜2μm厚さのNiメッキの金属層が見られ、その周囲を1μm程度の厚さでSn-Ni-Zn系の金属間化合物が分布していた。No.7-30ではBaSnO3で示される金属間化合物が、砥粒の周囲に見られたとともに、No.7-31ではPt-Sn-Ni系の金属間化合物も見られた。さらに、No.7-6では、Sn-Ni-In系の金属間化合物が確認された。No.7-8およびNo.7-37では、ダイヤモンドの周辺に1〜2μm厚さのCuメッキの金属層が見られ、その周囲を2〜3μm程度の厚さでSn-Cu-Zn系の金属間化合物が分布していた。また、特許第400866号の実施例3記載の製法と類似の方法により試作したソーワイヤー(No.7-20)の切断性能を比較した。さらに、市販のダイヤモンドNi電着ワイヤー(No.7-24)についても、比較例として切断性能を比較した。なお、砥粒の脱落状況については、上記切断性能評価後のワイヤー表面を観察し、砥粒の残存状態を以下の基準で評価し、△以上を実用に耐えるとした。
【０１４６】
◎:脱落が殆ど見られない、○:わずかに脱落が見られる、
△:明らかに脱落箇所が確認できる、×:全体に脱落が進んでいる。
【０１４７】
その結果、Sn-Zn系半田を用いた砥粒固着型ソーワイヤー（No.7-1〜No.7-14、No.7-25〜No.7-41）は、他のソーワイヤー（No.7-15〜No.7-24、No.7-42）に比べて、切断性能に優れていることが明らかになった。
【０１４８】
【表２】
0005516420.tif 000003
【０１４９】
【表３】
0005516420.tif 000004
【０１５０】
(実施例8)
金属ワイヤーとしての直径140μmの鋼線(引張強度:3450MPa)の表面に、高融点金属層（下層）としてCu-Zn合金(Cu70％)を厚み約1.0μm被覆し、被覆砥粒として厚み3μmのNiメッキを施した平均粒径25μmの被覆ダイヤモンド砥粒を、低融点金属としてのAlが2.0質量%添加されたZn系半田により固着したソーワイヤーを試作した。以下に、その製造方法を述べる。
【０１５１】
上記砥粒を、溶融槽で加熱溶融したZnを低融点金属とする溶融金属浴に混合し、上記鋼線を浸漬して、一定速度で、鉛直方向に引き上げた。液面で鋼線に濡れた低融点金属（Zn金属）とともにダイヤモンド砥粒が引き上げられ、液面上方で、冷却されて、低融点金属（Zn金属）が凝固すると同時に砥粒が補足され固着された。引き上げ速度を調整して、低融点金属層（Zn層）の平均厚みが15μｍになるように調整した。砥粒被着後の鋼線の引っ張り強度低下は５％以内であった。断面観察により、高融点金属層（下層）のCuと溶融金属浴が凝固してなる低融点金属層（Zn層）との界面に拡散層が存在することが確認された。
【０１５２】
シングルワイヤソー装置で、約２５mm径の４HポリタイプSiC単結晶を切断した。樹脂によりダイヤモンドを固着した固定砥粒ソーワイヤーと比較して、切断速度は約４倍、ワイヤー消費量は1/4程度となった。ソーワイヤー表面の砥粒の密度はほぼ同等であった。高融点金属層（下層）の厚みが1.0μｍの場合と比較して、０．０１μｍの場合は、使用後の、砥粒の脱落は顕著に多く、０．０５μｍの場合はやや多かった。０．２μｍの場合はわずかに多かった。なおいずれも、切断時のワイヤー送り速度は一定とした。
【０１５３】
(実施例9)
上記ソーワイヤー表面に、高融点金属層として０．１μｍのNi電解めっきを施したもの、ならびに０．０５μｍのＮｉ-Ｂ無電解めっきを行ったものを、２００℃に再加熱して、低融点金属層（Zn層）と拡散させた。界面には、拡散層、ＮｉとＡｌの金属間化合物層（合金相）が確認された。
【０１５４】
同様に切断評価をおこなったところ、実施例９に係るソーワイヤーは、上記ソーワイヤー表面にめっきを行わない実施例８に対して、切断速度はさらに２０％上がった。また、実施例９では、使用後のソーワイヤー表面の砥粒脱落も実施例８に比べ少ないことが確認された。
【０１５５】
尚、上記実施例８のZn系半田は、2.0質量％のAlが添加されたものである（Zn:Al=98:2）が、3.0質量％のAl及び2.0質量％のAgが添加されたZn系半田（Zn:Al:Ag=95:3:2）でも実施例８及び実施例９と同様の結果が得られている。
【符号の説明】
【０１５６】
１    ソーワイヤー
２    金属ワイヤー
３    低融点金属層
４    高融点金属層
５    砥粒
【図１】
0005516420.tif 000005
【図２】
0005516420.tif 000006
【図３】
0005516420.tif 000007
【図４】
0005516420.tif 000008
【図５】
0005516420.tif 000009