産業素材

組織均質化による高信頼PCBドリル用素材
Tissue-Homogenized Material for High Reliability PCB Drills
＊山川隆洋

子吉雄太

澤園

善充

内野克哉

Takahiro Yamakawa

Yoshimitsu Sawazono

山本

Yuta Koyoshi

英司

Eiji Yamamoto

Katsuya Uchino

近年、プリント基板の穴開け加工に使用されるPCBドリルの小径化、長尺化が進んでいる。電子部品の小型化、高集積化により加工穴が小さくなり、また、能率向上のため加工時の基板重ね枚数が増加傾向にあるためである。これにより、穴開け加工中にドリルがたわみやすくなり、穴位置精度は低下し、折れやすくなる。そこで、それら特性低下を克服する画期的な超硬合金素材の開発が求められていた。我々は、従来製品を徹底的に調査し、改善方法を模索したところ、超硬合金の組織均質化が有効であることを突き止めた。原料選定の見直しと製造条件の最適化を行った結果、課題であった穴位置精度と耐折損性能が向上した高信頼性PCBドリル用超硬合金素材「ZF20A」の開発に成功した。
These days, printed circuit board (PCB) drill tends to be longer and smaller in diameter as the advanced miniaturizationand high integration of electronic components require smaller holes. In addition, an increasing number of substrates areoverlaid for efficient processing. Such drills are easy to be bent and broken, and accordingly the hole position accuracy
decreases. To prevent such property degradation, we investigated conventional products thoroughly and discovered thatthe tissue homogenization of cemented carbide is the key. Through the review of raw materials and optimization ofproduction processes, we succeeded in the development of the high reliability PCB drill material “ZF20A,” thus improving
the hole position accuracy and breakage resistance.
キーワード：PCBドリル用素材、超々微粒超硬合金、耐折損性能、合金組織均質化

1.

緒

言PCB（Printed Circuit Board）とは、半導体素子等の電子部品を固定、配線するための基板である。この基板の穴開けい、合金組織を均質化させることで穴位置精度と耐折損性能※3を向上させた高信頼性PCBドリル用超硬素材「ZF20A」の開発に成功した（2）。

加工に使用されるのがPCBドリルであり、材料として主に超硬合金※1 が用いられる。超硬合金は非常に硬く高い耐摩耗性を有し、また、ヤング率が高く剛性に優れ、良好な穴位置精度※2が得られるという特徴がある。

2.

従来品の課題使用後のドリル、及び従来品の超硬合金素材を詳細に調査

PCBドリルは自動車、スマートフォン等のあらゆる基板し、穴位置精度と耐折損性能に及ぼす因子を洗い出した。その加工に使用される。用途によって使用するドリル径が異なの結果、表1に示す通り、ドリル先端の偏摩耗抑制と組織中り、例えば車載用基板には刃径0.4～0.8mm程度、半導体の粗大な炭化タングステン（WC）粒の低減がドリル性能向パッケージ基板には刃径0.1mm程度のものが使用される。

上に必要であることが分かった（3）。それら課題に対し、原因電子部品の小型化、高集積化に伴い、ドリルの小径化への要と改善方法を洗い出し、定量的目標値を定めた。

求が高まり、近年では刃径0.05mmのドリルが実用化されている（1）。
また、加工能率向上のため、複数枚の基板を重ねて一度に穴開け加工することが以前より行われており、近年はその重ね枚数も増加傾向にある。それに伴ってドリルの長尺化が進表1
狙い課題

穴位置精度向上
偏摩耗抑制

んでおり、以前は刃径0.3mmのドリルの刃長は5.0mm程度であったが、現在は刃長6.5mmのドリルも使用されている。
これらPCBドリルの小径化、長尺化が進むことで、穴開け加工中にドリルがたわみやすくなる。このたわみにより穴位置精度は低下し、折れやすくなる傾向にある。そのため、それら特性低下を克服し、安定した加工を実現する素材の開発が求められていた。この要求に応えるべく、種々検討を行

134

組織均質化による高信頼PCBドリル用素材

耐折損性能向上（折損寿命向上）

粗大WC粒低減

開発方針

原因改善方法

改善目標【超硬原料の選定】
微粒Co使用によるCo相厚みバラつき
均質分散
合金中のCo偏在、（標準偏差σ）【混合工程の改善】
ミクロな凝集従 来:σ>0.07
分散装置使用による開発品:σ≦0.07
Co再凝集低減、分散性向上

粒成長抑制剤偏在【超硬原料の選定】
微細な粒成長抑制剤使用による均質分散【混合工程の改善】
分散装置使用による粒成長抑制剤分散性向上

焼結温度不適【焼結工程の改善】
焼結温度の最適化

粗大WC粒
10µm以上
従来：4個／10ｍｍ 2
従来：0個／10ｍｍ 21～10µｍ
従 来：11個／10mm2
開発品：0個／10mm2

2－1となる（図4）。その中に0.015mmの粗大WC粒が存在していCo偏在によるドリル先端偏摩耗

当社従来素材を使用したPCBドリルの穴開け試験では、ると、それが起点となって折損に至るのは自明だからである。

初期の段階で、加工数が増えると穴位置精度が徐々に悪化することがあった。小径ドリルでは特にこの傾向が顕著である。試験後のPCBドリル刃先を電子顕微鏡で詳細観察した
ところ、図1に示す局所的な偏摩耗が発生していた。この偏摩耗により切削抵抗が大きくなり、穴位置精度が悪化したと考えた。超硬合金の組織は主に、硬質相であるWCと結合相であるコバルト（Co）で構成される。従来品ではこのCoが均一に分散しておらず、偏在している箇所があることがわかっている。Coが偏在している箇所は周囲よりも硬度が低いため、耐摩耗性が劣る。そのため、その部分から局所的に硬質材料粉末
WC

金属粉末
Co原料
完粉

混合

完粉

乾燥造粒

潤滑剤

偏摩耗が進行すると判断した。このCo偏在をなくし、均質切断な組織とすることで、偏摩耗を抑制し、穴位置精度を向上させることを目標とした。さらに、偏摩耗により切削抵抗が大きくなることで、折損寿命も短くなるため、耐折損性能向上にも効果があると考えた。

混練

押出

図2

PCBドリル用超硬合金素材の製造工程

焼結・HIP※6

黒：WC 灰：Co

偏摩耗

図1

焼結初期

PCBドリル刃先の偏摩耗

微粒WCの溶解

図3

2－2WC再析出（粗大WC粒発生）

粗大WC粒発生メカニズム

合金組織中の粗大WC粒

当社では、様々な粒径のWC原料を用途に応じて使い分け

心厚：0.03～0.05mmている。その中でも、PCBドリル用超硬合金素材に用いられるWC原料は、Ultra micro fine gradeと呼ばれる平均粒粗大WC粒径0.1～0.5µmの超々微粒原料が使用される。WC粒径が小さいほど組織が微細になるため、抗折力※4 は高くなり、ドリルが高い耐折損性能を備えるためである。しかし、単純に0.015mm

微粒で均質なWC原料を用いただけでは、微細な組織とはなドリル刃先（φ0.10mm）

らない。図2の合金製造工程における焼結工程にて、オストワルド成長※5 により一部が粗大WC粒へと変化するからで

図4ある。焼結工程は、材料を1,300℃以上で加熱しCoを溶解ドリル刃先と粗大WC粒させ、WC粒子を再配列（緻密化）し、Coを介して結合する目的で行われる。その際、極端に微粒（0.1µm未満）なWCはCo中に溶解し、再度WC表面に析出する（図3）。その結果、原料WCの平均粒径をはるかに超える15µm程度の粗大WC粒が発生しうる。

2－3

課題に対する取組内容

筆者はPCBドリルの穴位置精度向上及び耐折損性能向上のため、組織均質化、つまり、Co偏在の抑制と粗大WC粒組織中の粗大WC粒には穴開け加工中に応力が集中しやすの低減が必要であることを突き止めた。これまで、超々微粒

く、ドリルの折損原因となり、特に小径ドリルでは顕著であ超硬合金の組織を極限まで均質化した取り組みはなかった。

る。ドリル刃径が0.10mmの場合、心厚は0.03～0.05mm

表1に示した通り、①超硬原料の選定、②混合工程の改善、2016 年 1 月・S E I テクニカルレビュー・第 188 号

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③焼結工程の改善について検討を行った。

偏在が見られるが、開発品はCoが均質に分散していることが確認できる。Co分散性を定量的に評価するため、Co相3.

高信頼PCBドリル素材の特徴

3－1

超硬原料の選定である黒点領域を円近似し、Co相厚みの絶対値と標準偏差を求めた（図6）。従来品のCo相厚みの標準偏差は0.09で、それに対し、開発品のCo相厚みの標準偏差は0.06とバラ

これまで、PCBドリル用超硬素材開発は硬質材料であるつきが低減できており、当初に立てた目標を達成できた。

WCに着目して進められてきた。今回、これまで実現できてまた、図7に示すように、開発品は粗大WC粒のゼロ化が達いない組織均質化を進めるに際し、結合相であるCoや他の添成できている。

加原料も改めて見直した。これまでCoは、平均粒径0.6µm以上のものを使用していた。混合工程後のCoを観察したところ、Coの粒径が大きいことが原因で、WC中にCoが均質に分散していないことが判明した。そこで、本開発品にはWC従来品開発品に近い粒径のCo（平均粒径0.2～0.6µm）を使用し、混合後にそれぞれが均質に分散していることを確認した。
同様に、他の添加原料についても選定を見直した。超々微粒超硬合金で顕著なオストワルド成長を抑える粒成長抑制原5μm料も、従来の平均粒径0.4µm超では分散が進まず、抑制効5μm

果が場所によって異なると判断したためである。そこで、分散性向上のためにWCに近い粒径の原料（0.2～0.4µm）を図5

合金組織比較使用した。これにより、粒成長抑制効果が均質になり、粗大WC粒低減が期待できると考えた。
原料に微粒Co粉末を用いても、Coの凝集や偏在が生じる※7ことがある。アトライター（ATR）
での混合では、図2に示したように、円筒容器に原料粉末と液体を混ぜたスラリーと0.25

超硬ビーズを投入し、アームを有する攪拌杵を回転させ複数0.20

従来品 Co 相厚み0.15

平均値=0.1420.10

σ=0.090.25
頻度×面積

混合工程の改善頻度×面積3－20.050.20

開発品 Co 相厚み0.15平均値=0.1330.10

σ=0.060.050.000.00

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0Co相厚み[μm]0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Co相厚み[μm]種類の原料を混合する。また、攪拌されたビーズ同士の衝突による粉砕、分散も行う。ATRに用いるビーズは直径5mm

図6程度と大きく、処理時間は10時間以上と長い。Coは延性・Co相厚み比較

展性があるため、混合中に再凝集して粗大化する。そのため、原料の時点で微粒なCoも、混合後は粗大になり、偏在粗大WC粒[個/10mm2]が生じる。
ATRよりも粉砕性は低いが、分散性は良好な分散装置での混合を検討した。分散装置での混合では、Coの再凝集を起こすことなく、均質に分散させることが可能であると考えたためである。テストを行ったところ、ATRよりも良好な合金組織が得られた。本装置による分散能力向上により各原料が均質に分散し、Co均質分散による合金中Co偏在抑制、粒成長抑制剤均質分散による粗大WC粒低減が達成できた。
3－3151～10μm11個10>10μm54個>10μm 1～10μm0個

0
従来品

焼結工程の改善焼結工程では、オストワルド成長により粗大WC粒の生図7成が促進されるが、これは焼結温度が高い程顕著である。低0個
開発品

粗粒WC数比較

温で焼結を行うと粗大WC粒は生じにくいが、Co溶解後のWC粒子間への流動が行われにくくなり、微小な空隙（合金巣）の発生へとつながる。検討の結果、粗大WC粒及び合金巣どちらの発生も抑制できる最適焼結条件を見出した。
3－4

開発品の合金組織

従来品と上記検討事項を反映した開発品の合金組織比較を行った（図5）。図中の黒点がCoである。従来品にはCoの136

組織均質化による高信頼PCBドリル用素材

4.

ドリル評価

従来品と開発品をPCBドリルに加工し、基板への穴開け評価を行った。評価内容は穴位置精度試験と折損寿命試験である。試験は同時に6本のドリル加工が行える設備にて行い、加工するPCBは7枚重ねとした。

高負荷時折損寿命[hit]

穴位置精度試験は3,500回穴開けを行い、目標位置から実穴位置までの最大距離を評価指標として用いた（図8）。
折損寿命試験は通常よりドリルに負荷のかかる条件にて行い、折損までに加工できた回数を折損寿命として評価した。
なお、加工回数は5,500回を上限とした。
4－1

穴位置精度試験

穴位置精度評価結果を図9に示す。棒グラフは同時に加工6,0005,000
4,0003,000を行った6サンプルの平均値を表している。開発品は従来品

従来品よりCo偏在による偏摩耗が減少したことにより、穴位置精度が向上している。

図10

穴位置+Y
30μm
20μm

最大距離（評価指標）

結折損寿命比較

言

原料選定の見直し及び混合工程・焼結工程の改善により、組織を極限まで均質化することに成功した。これによりPCBドリルの穴位置精度と耐折損性能は、従来品よりも10μm

-X5.

開発品

+X優れた実力を発揮した。穴位置精度不良や加工途中での折損は、不良基板発生による損失や、ライン停止に繋がるため、性能向上できた意義は大きい。

目標位置（座標中心）も横展開しており、高品質品のラインナップを広げる原動力-Y

目標からの位置ずれ[μm]図8

開発品「ZF20A」はその高い品質、信頼性により顧客より高い評価を得ている。本開発にて得られた知見は、他製品へとなった。また、これら横展開された開発品も高評価であ穴位置精度評価方法

り、これら製品がPCBドリル穴開け加工における高い要求に応えることができると確信している。

28.0

用 語 集 ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー※126.0超硬合金

硬質相である炭化タングステン(WC)と結合層であるコバルト(Co)を主成分とする合金。WC、Co粉末を焼結して得ら24.0れる。非常に硬く、高い耐摩耗性が要求される切削工具に多く用いられる。

22.0
従来品
図9開発品

穴位置精度比較※2

穴位置精度

PCBドリルの評価指標の一つ。目標位置に対する実際の穴開け位置との差を評価し、差が大きい程低品質。PCBを複数枚重ねて評価する際には、最下基板の位置ずれで評価する。

4－2

折損寿命試験

※3

耐折損性能

折損寿命評価結果を図10に示す。棒グラフは同時に加工素材の折れにくさを表す。PCBドリルにおいては、通常よりを行った6サンプルの平均値、エラーバーはバラつきを表

厳しい条件下で穴開けを行う加速度試験で、折れるまでに加す。従来品は5,500回到達前に折損したサンプルがあるが、工できた回数等で評価する。

開発品は5,500回で折損するサンプルはなく、安定した耐折損性能を発揮した。

※4

抗折力

曲げに対する強度を示す物性値。試料に曲げ荷重を加え、破断した時の最大応力を示す。

2016 年 1 月・S E I テクニカルレビュー・第 188 号

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※5

オストワルド成長

粒子径が種々異なる固相粒子が存在している合金において、焼結中に微細な粒子が液相に溶解し、冷却中に再度他の固相粒子表面に析出し粗大な粒となる現象。超硬合金では固相粒子がWC、液相がCoに当たる。
※6HIP

Hot Isostatic Press：焼結後、合金中には微小な空隙（合金巣）が発生することがあるが、これをCoの流入により埋めるために、高温・高圧下で行う処理。PCBドリル用素材においては、合金巣がドリルの折損原因となるため、全製品に対して行う。
※7アトライター

複数種類の原料を混合・粉砕・分散するための設備。アームでの攪拌とビーズ同士の衝突により処理を行う。
参 考 文 献（1） 津坂英夫、「電子回路基板のドリル・ルータ加工入門（第六回）」、JPCA
NEWS、pp.16-21（June 2010）（2） 住友電工ハードメタル㈱、超硬合金、特開2009-35810（2009-2-19）（3） 津坂英夫、「電子回路基板のドリル・ルータ加工入門（第五回）」、JPCA
NEWS、pp.15-21（May 2010）

者 ----------------------------------------------------------------------------------

執筆山川

隆 洋 ＊ ：住友電工ハードメタル㈱合金開発部

子吉雄 太 ：住友電工ハードメタル㈱
合金開発部

山本

英 司 ：住友電工ハードメタル㈱合金開発部 主席

澤園

善 充 ：住友電工ハードメタル㈱合金開発部 グループ長

内野克 哉 ：㈱アクシスマテリア
取締役---------------------------------------------------------------------------------------------------------＊主執筆者

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