(57)【要約】【課題】刃先への溶着を抑制し、ドリル穴開け加工時の折損寿命を向上させることが可能となるプリント基板加工用ドリルを提供する。【解決手段】工具径０．２ｍｍ以下、ＷＣの平均粒径が１．０μｍ以下の微粒超硬合金製プリント基板加工用ドリルにおいて、該微粒超硬合金は、Ｃｏ相の平均自由行程が０．０３μｍ以下、Ｃｏ相中のＷの固溶量が３ｗｔ％以上であり、該微粒超硬合金の組織中に村上試薬で腐食した１０００倍から１５００倍の光学顕微鏡による組織観察において、腐食されやすい相として観察されるＣｏとＷを含む炭化物相が観察されないことを特徴とするプリント基板加工用ドリルである。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
工具径０．２ｍｍ以下、ＷＣの平均粒径が１．０μｍ以下の微粒超硬合金製プリント基板加工用ドリルにおいて、該微粒超硬合金は、Ｃｏ相の平均自由行程が０．０３μｍ以下、Ｃｏ相中のＷの固溶量が３ｗｔ％以上であり、該微粒超硬合金の組織中に村上試薬で腐食した１０００倍から１５００倍の光学顕微鏡による組織観察において、腐食されやすい相として観察されるＣｏとＷを含む炭化物相が観察されないことを特徴とするプリント基板加工用ドリル。
【請求項２】
請求項１記載のプリント基板加工用ドリルにおいて、該Ｃｏ相の平均自由行程が０．０２５μｍ以下であることを特徴とするプリント基板加工用ドリル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、微粒超硬合金製プリント基板加工用ドリルに関し、特に微細孔加工用の極小径のプリント基板加工用ドリルに関する。
【背景技術】
【０００２】
プリント基板加工用ドリルに用いる微粒超硬合金材料に関する技術が、以下の特許文献に開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１４１９７４号公報
【特許文献２】特開平８−３２３５４０号公報
【特許文献３】特開平６−３３６６３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
プリント基板加工用ドリルを用いて穴開け加工を行う際、プリント基板には一般にガラスクロスにエポキシなどの樹脂を含浸した基板の表面に、Ｃｕの配線層を形成した構造をしている。加工途中にドリル先端部を観察すると、溶着物が存在する。この溶着物はＣｕを含有し、刃先への溶着と脱落を繰り返している。溶着現象は、超硬合金中のＣｏ相とＣｕとが反応して、拡散・合金化しているので、溶着物が脱落する際にＣｕと反応しているＣｏも脱落する。ここで、Ｃｏの脱落によって、超硬合金のＷＣ粒子の脱落現象も生じる。これがドリルの摩耗を大きくし、摩耗が大きくなると切削抵抗が増加し、これにより折損寿命が短くなる。従って、超硬合金中のＣｏと基板のＣｕとの接触及びそれに伴う反応を抑制することが重要である。本願発明が解決しようとする課題は、刃先への溶着を抑制し、ドリル穴開け加工時の折損寿命を向上させることが可能となるプリント基板加工用ドリルを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本願発明は、工具径０．２ｍｍ以下である、ＷＣの平均粒径が１．０μｍ以下の微粒超硬合金製プリント基板加工用ドリルにおいて該超硬合金は、Ｃｏ相の平均自由行程が０．０３μｍ以下、Ｃｏ相中のＷの固溶量が３ｗｔ％以上であり、かつ超硬合金の組織中に村上試薬で腐食した１０００倍から１５００倍の光学顕微鏡による組織観察において、著しく腐食されやすい相として観察されるＣｏとＷを含む炭化物相が観察されないことを特徴とする極小径プリント基板加工用ドリルである。上記の構成要件を満たすことにより、刃先への溶着を抑制し、ドリル穴開け加工時の折損寿命を向上させることが可能となるプリント基板加工用ドリルを提供することができる。また、本願発明のプリント基板加工用ドリルいて、Ｃｏ相の平均自由行程は、０．０２５μｍ以下であることが好ましい。これによって刃先への溶着を抑制するためにより有効であり、折損寿命の向上に対して、更に好ましい効果が得られる。
【発明の効果】
【０００６】
本願発明は、刃先への溶着を抑制し、ドリル穴開け加工時の折損寿命を向上させることが可能となるプリント基板加工用ドリルを提供することができた。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本願発明は、穴開け加工においてＣｏ相の上にＳｉとＷを含有する酸化物相（以下、単に酸化物相と記す。）を形成することに注目した。この酸化物相が超硬合金のＣｏ相へのＣｕの付着に対しての保護となり、接触、反応を抑制することができる。これによりプリント基板用ドリルの折損寿命を大幅に向上させることが出来る。本願発明に用いる超硬合金について、Ｃｏ相の上に酸化物相が形成される条件について材料面から種々検討を実施した結果、超硬合金の結合相であるＣｏ相の平均自由行程（以下、λ値と記す。）、及び、Ｃｏ相中へのＷの固溶量を適正な範囲にすることにより、上記の条件を満たすことが出来ることを見出した。即ち、λ値を０．０３μｍ以下とすることにより、刃先表面部分のＣｏ相の厚さを薄くし、Ｃｏ相へのＣｕの直接の接触を防止した。また、１度Ｃｏ相の上に形成された酸化物相が脱落しにくくすることもできる。Ｃｏ中のＷの固溶量を３ｗｔ％以上とすることにより、酸化物相の形成を容易とするとともに、酸化物相とＣｏ相の密着性を向上した。その結果、酸化物相の脱落が起きにくくなり、酸化物相の脱落後の生じるＣｏ相とＣｕの接触を妨げることが可能となった。以下、本願発明において数値を限定した理由について述べる。
【０００８】
（１）ＷＣ粒径
本願発明の工具径０．２ｍｍ以下、ＷＣ粒径を１μｍ以下の微粒超硬合金とするのは、超硬合金の硬さを確保し、十分な耐摩耗性を得るためである。超硬合金の硬さはＷＣの平均粒径とＣｏ量により決まるが、ＷＣの平均粒径が１μｍを超えると、Ｃｏ量を下げてもドリルに必要な硬さを得ることが出来なくなる。また、このような場合Ｃｏ量を下げると焼結性が低下するため、ドリルに必要な強度をえることが出来なくなるためである。
【０００９】
（２）λ値
本願発明の微粒超硬合金製プリント基板加工用ドリルにおいて、λ値を０．０３μｍ以下とすることにより、ドリル刃先表面部分のＣｏ相の厚さを薄くし、それによりプリント基板穴開け時のＣｏ相へのＣｕの直接の接触を防止する。また溶着部分の寸法を小さくすることが出来る。更に、１度Ｃｏ相の上に形成された酸化物相が、ＷＣ粒子とＷＣ粒子の間に挟まれたＣｏ相の狭い領域に形成されるため、脱落し難くなる。λ値が０．０２５μｍ以下であると、より好ましく、更に好ましくは０．０２μｍ以下である。一方、λ値が０．０３μｍを超えると、刃先表面においてＣｏ相の厚い部分が多くなるため、厚いＣｏの部分にＣｕが直接接触しやすくなる。また、酸化物相が形成された場合、その寸法が大きいために脱落しやすくなり、その結果、溶着が著しくなるため好ましくない。また、超硬合金のＣｏ相にＣｕが溶着すると、ＣｏとＣｕの反応が生じ、Ｃｕが脱落する際にＣｏ相を併せて脱落させ、Ｃｏ相によるＷＣ粒子とＷＣ粒子との結合を維持することが出来なくなるため、ＷＣ粒子の脱落が生じ、刃先の著しい摩耗の原因となり、これが最終的にドリルの折損につながるのである。次に、λ値の測定法について述べる。λ値は、以下の化１により求めた。
【００１０】
【化１】
2008073815.tif 000002
【００１１】
ここでｆｗｃは、ＷＣの体積率でＣｏの含有量（ｗｔ％）とＷＣの比重、Ｃｏの比重から算出した。ｄｗｃは、ＷＣの平均結晶粒径で、これは以下の測定方法により求めた。即ち、超硬合金の断面を鏡面研磨した後、村上試薬で０．５分、王水で２分間エッチングすることにより超硬合金のＷＣ粒の結晶粒界を明確にした後、電界放射型走査電子顕微鏡（以下、ＦＥ−ＳＥＭと記す。）によって倍率１０ｋ倍で撮影した画像を拡大コピーし、ＷＣ粒子の境界部分を縁取りしたあと、画像解析ソフト（Ｉｍａｇｅ−Ｐｒｏ  Ｐｌｕｓ  Ｖｅｒｓｉｏｎ  ４．０  ｆｏｒ  Ｗｉｎｄｏｗｓ（Ｗｉｎｄｏｗｓは登録商標です。）、Ｍｅｄｉａ  Ｃｙｂｅｒｎｅｔｉｃｓ社）により解析し、各ＷＣ粒子の円相等径を求め、これを平均することにより算出した。
【００１２】
（３）Ｃｏ相中のＷの固溶量
本願発明のドリルにおいて、Ｃｏ相中のＷの固溶量を３ｗｔ％以上とするのは、プリント基板のガラスクロスに含有されるＳｉと、Ｗを含む酸化物相が、Ｃｏ相の上に形成しやすくなり、また、Ｃｏ相と酸化物相との親和力を高くすることが出来るためである。このことによって接着強度が高くなり、酸化物相が脱落しにくくなるのである。その結果、超硬合金中のＣｏ相がＣｕと直接接触することが減少し、Ｃｕの溶着を回避する。Ｃｏ相の脱落が発生し難くなるため、Ｃｏ相によるＷＣ粒子の結合を維持することができるのである。そして最終的に、ドリル刃先のＷＣ粒子の脱落が少なくなり、耐摩耗性が向上し、折損の原因となる切削抵抗の上昇を抑制することが可能となるのである。一方、Ｃｏ相中のＷの固溶量が３ｗｔ％未満の場合には、Ｃｏ相中のＷが少ないために、Ｃｏ相上への酸化物相の形成が抑制され、また形成された酸化物相とＣｏ相との親和力が低くなるため、接着強度が低くなり、酸化物が脱落しやすくなる。その結果、Ｃｏ相がＣｕと直接接触しやすくなり、ＣｏとＣｕの反応が生じてＣｕの溶着が進行する。そしてＣｕが脱落する際にＣｏ相を併せて脱落させ、Ｃｏ相によるＷＣ粒子とＷＣ粒子の結合を維持することが出来なくなるため、ＷＣ粒子の脱落が生じ、刃先の著しい摩耗につながり、それが最終的に折損につながるのである。
ここでＣｏ相中のＷ固溶量は、粗粒のモデル合金、又は意図的にＣｏプールを形成させた合金のＣｏ相を電子線マイクロアナライザ（以下、ＥＰＭＡと記す。）分析により求めることが出来る。またビーム径及び分析領域を微小に出来るオージェ電子分光分析法や、電界放射型の電子銃を有するＦＥ−ＥＰＭＡにより比較的大きいＣｏ相中のＷを分析することも出来る。同一組成の合金についてはＣｏ中のＷ量を変化させた合金を作成し、Ｗの分析値と飽和磁化値、Ｃ量との関係より検量線を作り、Ｗ量の分析をすることなく飽和磁化値、Ｃ量を求めることによりＷ量の値を得ることも可能である。
【００１３】
（４）腐食されやすい相として観察されるＣｏとＷを含む炭化物相が観察されないこと
本願発明の微粒超硬合金の組織中に、村上試薬などで腐食した１０００倍から１５００倍の光学顕微鏡による組織観察において、腐食されやすい相として観察されるＣｏとＷを含む炭化物相が観察されないこと、と規定する。この理由は、この炭化物相の存在が耐溶着性に関係するからである、即ち、この相は金属相でなく安定な相であるために、この相が存在することにより、Ｃｏ相上に形成される酸化物とＣｏとの親和性を阻害するのである。これはＣｏ中のＷ量が減少したのと同様な現象となり、Ｃｏ相と酸化物相の親和性を低下させる。この相が存在することにより、酸化物相とＣｏ相との密着性が劣化し、酸化物相が脱落しやすくなるため、酸化物相の保護相としての役割を阻害する要因となり、その結果Ｃｏ相へのＣｕの溶着抑制の効果が妨げられるのである。
この、ＣｏとＷを含む炭化物相とは超硬合金の主たる硬質相を形成する炭化物であるＷＣ相とは別に存在する、複炭化物相のことを指す。超硬合金の組織中にＣｏとＷを含む炭化物相が存在しないとは、村上試薬などで腐食した１０００倍から１５００倍の光学顕微鏡による組織観察において、この炭化物相が観察されないことを意味する。この炭化物相は通常Ｃｏ３Ｗ３Ｃ又はＣｏ６Ｗ６Ｃの形で記述され、所謂η相と呼ばれるものである。このη相は、ＷＣとＣｏのみからなる２相域よりも、低炭素側になるときに生じる。ここで、Ｃｏ中のＷの固溶量が増加し、固溶限以上になったときにこの相が存在するようになる。この相の出現の有無は上述のような判定法により判定するのであるが、この相が存在しないことを規定するのは、即ち、Ｃｏ中へのＷの固溶量の上限値を規定することに他ならない。この相は脆弱であり、超硬合金の破壊時に破壊の起点となるため、強度が著しく低下する。よってこの相が存在しないことが重要となる。以下、本願発明を実施例により更に詳細に開示する。
【実施例】
【００１４】
（実施例１）
原料粉末として平均粒径０．３、０．４、０．６、０．８μｍのＷＣ粉末、平均粒径０．８μｍのＣｏ粉末、平均粒径１．２μｍのＶＣ粉末、平均粒径１．４μｍのＣｒ３Ｃ２分粉末、平均粒径１．３μｍのＴａＣ粉末を用いて、これらの粉末を所定の組成に配合し、アトライタにてアルコールを溶媒として、バインダを添加して１２時間混合した。混合後スラリーを乾燥し、更に溶媒を加えて混練の後、押出し成形にて、焼結体寸法が直径２．２ｍｍとなるように丸棒を成形した。これらの成形体を１３５０〜１４００℃の温度、真空中で焼結した後、同一温度に保ったまま４．９ＭＰａのＡｒガス中にて加圧し焼結体を得た。ＣｏとＷを含む炭化物相は、Ｃｏ中のＷの固溶量が増加し、固溶限以上になったときに存在するため、昇温過程及び焼結過程において真空度、ガスによる雰囲気調整を行うことにより、Ｃｏ中のＷ固溶量を変化させた。例えば、Ｃｏ中のＷ固溶量が固溶限以上とならないように、Ｗ固溶量を抑える方向に制御するために、真空状態は低真空度に保ち、雰囲気は浸炭性雰囲気となるように調整を行った。逆に、Ｃｏ中のＷ固溶量が一定以上の値となり、Ｗ固溶量を促進させる方向に制御するために、真空状態を高真空度に保ち、雰囲気は脱炭性雰囲気となるように調整を行った。原料粉末の配合組成を表１に示す。
【００１５】
【表１】
2008073815.tif 000003
【００１６】
得られた焼結体についてλ値を化１により算出した。また別の鏡面試料を用いて、電界放射型の電子銃を有するＥＰＭＡによりＣｏ中のＷ量の定量を行った。即ち電子ビーム径を絞り、分析領域を極小化した状態にて、組織中の比較的大きなＣｏ相についてＷの定量分析を行い、Ｗ固溶量を解析した。更に別の鏡面試料を用いて、村上試薬にて０．１分程度軽く腐食し、１０００〜１５００倍の光学顕微鏡を用いて組織観察を行い、ＣｏとＷを含む炭化物相であるη相の有無を判定した。これらの結果を表２に示す。
【００１７】
【表２】
2008073815.tif 000004
【００１８】
（実施例２）
次にこれらの丸棒焼結体を切断、研磨加工して、直径２．０×３１．８ｍｍの丸棒とし、これより刃先直径０．１５ｍｍ、０．０７５ｍｍのプリント基板用ドリルを作製した。これらのドリルを用いて下記の条件にて穴開けを実施し、折損までの穴開け数を評価した。評価本数は５本とし平均値をとった。プリント基板は、ガラスクロスにエポキシなどの樹脂を含浸した基板の表面に、Ｃｕの配線層を形成した構造をしている。評価結果を表２に併記した。また、平均寿命の半分の穴開け数で刃先をＳＥＭにて観察したときの、刃先へのＣｕの溶着の有無も併せて表２に示した。
（加工条件）
プリント基板：０．１ｍｍｔ、両面板、銅厚さ５μｍ、６枚重ね
回転数：３００ｋ回転／分
送り量：５μｍ／回転
【００１９】
切削途中のプリント基板用ドリル刃先の溶着現象を観察した結果について述べる。今回、折損寿命に至る前のドリルの刃先を詳細に観察した結果、穴開け時の極小径ドリルの刃先部分は、特に２５０ｋ回転／分から３００ｋ回転／分の高速回転で用いられた場合、熱電対法などにより通常測定される刃先温度である２５０℃から３００℃に比べて、はるかに高い温度となっていることが明らかとなった。図１は、比較例２３の刃先部分について、切削途中の付着物が付着した状態のものをフォーカスイオンビーム（以下、ＦＩＢと記す。）法にて切り出し、薄膜化したものを透過電子顕微鏡（以下、ＴＥＭと記す。）で観察した写真である。図１中の視野１及び視野２に相当する場所を拡大したものが図２及び図３である。図２を更に走査透過電子顕微鏡（以下、ＳＴＥＭと記す。）で拡大したＳＴＥＭ像が図４、図３を更に拡大したＳＴＥＭ像が図５である。ここで図１から図３は、透過電子像であるため、原子番号の小さい元素ほど、電子が透過しやすいことから、白色に近いコントラストとなる。これに対し、図４、図５は、２次電子像であるため、原子番号の小さい元素ほど黒色に近いコントラストとなっている。図４、図５において１〜１０までの各点において、エネルギー分散型Ｘ線（以下、ＥＤＸと記す。）分析した。その結果を表３、表４に示す。なお図２から図５は、図１を反時計回りに９０度回転した方向となっている。
【００２０】
【表３】
2008073815.tif 000005
【００２１】
【表４】
2008073815.tif 000006
【００２２】
図４と表３、及び図５と表４より、Ｃｏ相の上に黒いコントラストのＳｉとＷを主体とする酸化物相が付着している現象が観察された。プリント基板は一般にガラスクロスにエポキシなどの樹脂を含浸した基板の表面にＣｕの配線層を形成した構造をしている。プリント基板中のガラスはガラスクロスの形態で存在し、ガラスクロスは、ガラスの糸状のヤーンを編んだものなので、切り粉として観察される場合には繊維状の形態である。超硬合金中のＣｏ相の上にガラス成分が繊維上の形態でなく付着するためには、少なくとも局所的にはガラスの軟化点以上の温度になっていることがわかった。ガラスの軟化点はガラスの種類により異なるが、通常プリント基板に用いられるＥガラスの場合で８５０℃であり、そのほかプリント基板に用いられるガラスについても８００℃〜１０５０℃程度である。従ってドリルの刃先部分では局所的に８００℃以上となっていることがわかった。８００℃という温度は、ドリル素材である超硬合金に、結合相として含まれるＣｏや基板表面の配線材料であるＣｕの拡散が盛んになる温度をはるかに超える高温である。ここで、拡散が盛んになる温度とは、融点温度の１／２程度である。Ｃｏの融点は、１４９２℃、Ｃｕの融点は１０８３℃であることから、拡散が盛んになる温度は、夫々Ｃｏの場合は７４６℃、Ｃｕの場合は５４２℃程度である。このような高い温度において超硬合金中のＣｏ相と基板のＣｕが接触した場合、反応によって拡散及び合金化が進行するのである。従って、超硬合金中のＣｏと基板のＣｕとの接触及びそれに伴う反応を抑制することが重要である。
【００２３】
穴開け加工を、φ０．１５ｍｍ、φ０．０７５ｍｍの２種類のドリルを用いて行った。その結果、いずれもλ値が０．０３μｍ以下、Ｃｏ相中のＷの固溶量が３ｗｔ％以上、η相の無い本発明例１〜２２は、Ｃｕの溶着が無く、穴開け加工時の折損寿命が優れていた。λ値が０．０２５μｍ以下である本発明例１〜１２、本発明例１９〜２２は、本発明例１３〜１８と比較して、折損寿命が長く、優れていた。一方、λ値が０．０３μｍを超える比較例３０と３１、３３と３４は、夫々本発明例１３〜１５、１６〜１８と比較して、Ｃｕの溶着が見られるとともに、折損寿命が非常に短かった。ここで、比較例３０と３１、本発明例１３〜１５の素材の組成番号は４で共通であり、比較例３３と３４、本発明例１６〜１８は組成番号５で共通である。更に、λ値が０．０３μｍを超え、Ｃｏ相中のＷ固溶量が３ｗｔ％未満の比較例３１、３４は、特に折損寿命が短くなった。η相の有る比較例２３、２５、２７、２９、３２、３５では夫々同じ組成番号の本発明例と比較して、Ｃｕの溶着が見られるとともに、折損寿命が非常に短くなった。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、比較例２３の刃先部分のＴＥＭ観察写真を示す。
【図２】図２は、図１の視野１を拡大したＴＥＭ観察写真を示す。
【図３】図３は、図１の視野２を拡大したＴＥＭ観察写真を示す。
【図４】図４は、図２を拡大したＳＴＥＭ観察写真を示す。
【図５】図５は、図３の拡大したＳＴＥＭ観察写真を示す。
【図１】
2008073815.tif 000007
【図２】
2008073815.tif 000008
【図３】
2008073815.tif 000009
【図４】
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【図５】
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