JP7098231B2

JP7098231B2 - 電着砥石

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Publication number: JP7098231B2
Application number: JP2018033503A
Authority: JP
Inventors: 和寛山本; 毅林
Original assignee: Disco Corp
Current assignee: Disco Corp
Priority date: 2018-02-27
Filing date: 2018-02-27
Publication date: 2022-07-11
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Description

本発明は、めっき層で砥粒を固定した砥石部を備える電着砥石に関する。

切削装置は、様々な被加工物の切削加工に広く用いられている。例えば、半導体ウェーハを複数のデバイスチップに分割する際の切削加工は切削装置を用いて実施される。また、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）パッケージには、ガラス繊維にエポキシ樹脂を含侵させて形成したガラスエポキシ基板などが用いられており、このガラスエポキシ基板を分割してデバイスパッケージを得る際にも切削装置による切削加工が行われる。

切削加工は、切削装置に備えられたスピンドルの先端部に装着される円環状の砥石（切削ブレード）を用いて実施される。この砥石は、例えば、ダイヤモンド等でなる砥粒をニッケル等を含むめっき層で固定することにより形成される。特許文献１には、ダイヤモンド等の砥粒が混入された硫酸ニッケル等の電解液に電着用の基盤を浸漬し、該基盤に砥粒を含むめっき層を成長させて円環状の砥石を製造する方法が開示されている。

切削装置のスピンドルを回転させ、円環状の砥石を回転させながら被加工物に切り込ませると、砥石のめっき層から露出した砥粒が被加工物と接触して被加工物が切削される。そして、切削加工を続けるとめっき層が摩耗して露出していた砥粒が脱落し、新たな砥粒がめっき層から露出する。この作用は自生発刃と呼ばれており、自生発刃により砥石の切削機能が維持される。

特開２０００－８７２８２号公報

ニッケルを含むめっき層で砥粒を固定した砥石では、砥粒が比較的強くめっき層に固定される。そのため、被加工物を切削しても砥粒がめっき層から脱落しにくく、自生発刃が生じにくい。自生発刃が適度に発生しないと、例えば露出した砥粒間に切削屑が蓄積して切削抵抗が増大したり（目詰まり）、露出した砥粒が摩耗により平滑化され砥石の切れ味が低下する（目つぶれ）などの現象が生じる。このような状態の砥石で切削加工を行うと、被加工物にチッピングと呼ばれる欠けが形成される等の加工不良が生じる。

また、特にガラス、セラミックス、ガラスエポキシ樹脂や、樹脂と電極との複合材料などの、難削材と呼ばれる切削加工が困難な材料の切削加工では、自生発刃が生じにくい。そのため、ニッケルを含むめっき層で砥粒を固定した砥石を用いると、元来切削しにくい難削材の切削加工がますます困難になるという問題がある。

本発明はかかる問題に鑑みてなされたものであり、加工不良の発生を抑制することが可能な電着砥石を提供することを課題とする。

本発明の一態様によれば、ニッケルを含むめっき層で砥粒を固定した砥石部を備え、該砥石部には、該砥石部の２．２体積％以上１５．０体積％以下のタルクが含有されている電着砥石が提供される。

また、本発明の一態様において、該砥石部には、該砥石部の２．２体積％以上６．２体積％以下のタルクが含有されていてもよい。また、本発明の一態様において、該砥石部に含有されているタルクの平均粒径は、０．６μｍ以上１０．０μｍ以下であってもよい。

また、本発明の一態様において、該電着砥石は、円環状の該砥石部のみによって構成されていてもよい。また、本発明の一態様において、該電着砥石は、把持部を有する円環状の基台と、該基台の外縁部に形成された該砥石部と、によって構成されていてもよい。

本発明の一態様に係る電着砥石は、ニッケルよりも硬度が低く潤滑性を有する材料であるタルクが含有された砥石部を備える。この電着砥石を用いて切削加工を行うことにより、電着砥石の自生発刃が促されるとともに電着砥石と被加工物との間の摩擦が低減され、加工不良の発生を抑制することが可能となる。

図１（Ａ）は砥石部からなる電着砥石の構成例を示す斜視図であり、図１（Ｂ）は基台及び砥石部を備える電着砥石の構成例を示す斜視図である。ワッシャータイプの電着砥石の製造に用いられる製造装置の構成例を模式的に示す断面図である。図３（Ａ）は基台の表面に砥石部が形成された状態を示す断面図であり、図３（Ｂ）は砥石部が基台から剥離される様子を示す断面図である。ハブタイプの電着砥石の製造に用いられる製造装置の構成例を模式的に示す断面図である。図５（Ａ）は基台の表面に砥石部が形成された状態を示す断面図であり、図５（Ｂ）は基台に覆われた砥石部の一部を露出させた状態を示す断面図である。電着砥石の砥石部に含有されたタルクの量と最大チッピングサイズの比率との関係を示すグラフである。電着砥石の砥石部に含有されたタルクの量と電着砥石の弾性率の比率との関係を示すグラフである。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。本実施形態は、電着によって形成された砥石（電着砥石）に関する。図１（Ａ）及び図１（Ｂ）に、本実施形態で用いることが可能な電着砥石の構成例を示す。

図１（Ａ）は、砥石部３からなる電着砥石１の構成例を示す斜視図である。電着砥石１は、中央部に貫通孔３ａを有する円環状の砥石部３のみによって構成され、その全体が電着によって形成された切刃となっている。砥石部３は、例えばニッケルを含むめっき層でダイヤモンド等の砥粒を固定することにより形成される。円環状の砥石部３によって構成される電着砥石１は、ワッシャータイプと呼ばれる。

図１（Ｂ）は、基台７及び砥石部９を備える電着砥石５の構成例を示す斜視図である。電着砥石５は、中央部に貫通孔７ａを有する円環状の基台７と、基台７の外縁部に電着によって形成された砥石部９とによって構成されている。砥石部９は、例えばニッケルを含むめっき層でダイヤモンド等の砥粒を固定することにより形成される。基台７の外縁部に砥石部９を電着した電着砥石５は、ハブタイプと呼ばれる。

また、基台７は幅方向に突出した円環状の把持部７ｂをその中央部に有する。切削装置を用いて切削加工を行う際、切削装置の使用者（オペレータ）は把持部７ｂを持って電着砥石５を切削装置に装着することができる。

電着砥石１，５は、切削装置に備えられたスピンドルの先端部に装着される。この状態でスピンドルを回転させると、電着砥石１，５はスピンドルの軸心を回転軸として回転する。そして、電着砥石１，５を回転させた状態で被加工物に切り込ませることにより、被加工物の切削加工が実施される。

なお、電着砥石１，５を用いて切削される被加工物の材料に制限はない。例えば、シリコンやＳｉＣ等の半導体材料、ガラス、セラミックス、ガラスエポキシ樹脂や、樹脂と電極との複合材料など、種々の材料の切削加工に用いることができる。

被加工物の切削は、砥石部３，９のめっき層から露出した砥粒が被加工物に接触することによって行われる。そして、切削加工を続けるとめっき層が摩耗して露出していた砥粒が脱落し、新たな砥粒がめっき層から露出される。この作用は自生発刃と呼ばれており、自生発刃により砥石の切削機能が維持される。

しかしながら、ニッケルを含むめっき層で砥粒を固定した砥石部３，９では、砥粒が比較的強くめっき層に固定される。そのため、被加工物を切削しても砥粒がめっき層から脱落しにくく、自生発刃が生じにくい。特に、ガラス、セラミックス、ガラスエポキシ樹脂や、樹脂と電極との複合材料など、切削加工が困難な材料（難削材）を切削する場合、自生発刃はより生じにくくなる。このような状態の砥石部３，９で切削加工を行うと、被加工物にチッピングと呼ばれる欠けが形成される等の加工不良が生じる。

そこで、本実施形態では、電着砥石１の砥石部３、電着砥石５の砥石部９にタルク（含水珪酸マグネシウム（Ｍｇ_３Ｓｉ_４Ｏ_１０（ＯＨ）_２））を含有させる。タルクはニッケルよりも硬度が低く（モース硬度１）、砥石部３，９にタルクを含有させるとめっき層が脆弱化して摩耗しやすくなり、自生発刃が促されることが期待できる。自生発刃を適度に発生させることにより電着砥石１，５の切削機能を維持し、切削加工時の加工不良の発生を抑制できる。

さらに、タルクは潤滑性を有する材料であるため、砥石部３，９にタルクを含有させると切削加工時に電着砥石１，５と被加工物との間の摩擦が低減されることが期待できる。この摩擦の低減により、切削加工時に被加工物の欠け（チッピング）などの切削不良の発生が抑制される。

砥石部３，９に含有されるタルクの量は、めっき層の材料、砥粒の材料及び粒径、被加工物の材料などに応じて適宜設定することができるが、加工不良を低減し、且つ電着砥石１，５の強度が一定以上に保たれる範囲に設定することが好ましい。

例えば、砥石部３，９に対するタルクの含有量が、２．０体積％以上１５．０体積％以下、好ましくは２．２体積％以上１５．０体積％以下、より好ましくは２．２体積％以上６．２体積％以下となるように、砥石部３，９にタルクを含有させることができる。このタルクの含有量は、例えばアルキメデス法によって測定することができる。

また、タルクの粒径もタルクの含有量と同様に適宜設定できる。例えば、レーザー回折法で測定したときの平均粒径が０．６μｍ以上１０．０μｍ以下であるタルクを用いることができる。

以上のように、ニッケルを含むめっき層で砥粒を固定した砥石部３，９にタルクを含有させることにより、切削加工時の加工不良を抑制できる。

次に、砥石部にタルクが含有された電着砥石の製造方法の例について説明する。図１（Ａ）に示す電着砥石１、図１（Ｂ）に示す電着砥石５はそれぞれ、電解めっき等を用いて製造できる。

図２は、ワッシャータイプの電着砥石１の製造に用いられる製造装置２の構成例を模式的に示す断面図である。図２に示すように、電着砥石１を製造する際はまず、ダイヤモンド等の砥粒が混入されたニッケルめっき液１６が収容されためっき浴槽４を準備する。ニッケルめっき液１６の材料は任意に選択でき、例えば、硫酸ニッケルや硝酸ニッケル等のニッケルを含む電解液を用いることができる。

また、ニッケルめっき液１６には電着砥石１の砥石部３に含有させるタルクが添加される。具体的には、図２に示すように、タルクと界面活性剤とを混合して生成した混合液１８がニッケルめっき液１６に添加される。この界面活性剤は、タルクをニッケルめっき液１６中に分散させる機能を有する。なお、界面活性剤の材料は任意に選択できる。ニッケルめっき液１６に混合液１８を添加すると、ニッケルめっき液１６中にタルクが概ね均等に分散される。

次に、ステンレスやアルミニウム等の金属材料で形成された円盤状の基台２０とニッケル電極６とを、めっき浴槽４内のニッケルめっき液１６に浸漬する。基台２０の表面には、所望の砥石部３の形状に対応したマスク２２が形成されている。例えば、図１（Ａ）に示すような円環状の砥石部３を形成する場合には、上面視で円環状の開口部を有するマスク２２が形成される。

また、基台２０はスイッチ８を介して直流電源１０のマイナス端子（負極）に接続され、ニッケル電極６は直流電源１０のプラス端子（正極）に接続される。なお、スイッチ８はニッケル電極６と直流電源１０との間に配置されてもよい。

次に、モータ等の回転駆動源１２によってファン１４を回転させてニッケルめっき液１６を攪拌しながら、基台２０と直流電源１０との間に配置されたスイッチ８を短絡させる。これにより、基台２０を陰極、ニッケル電極６を陽極としてニッケルめっき液１６に直流電流が流れ、基台２０の表面のマスク２２で覆われていない領域にニッケルを含むめっき層が電着され、タルク及び砥粒を含む砥石部３が形成される。

図３（Ａ）は、基台２０の表面に砥石部３が形成された状態を示す断面図である。図３（Ａ）に示すように、基台２０の表面のマスク２２で覆われていない領域には、ニッケルを含むめっき層中にタルク及び砥粒が概ね均等に分散された円環状の砥石部３が形成される。

その後、基台２０の表面に形成された砥石部３を基台２０から剥離する。図３（Ｂ）は、砥石部３が基台２０から剥離される様子を示す断面図である。これにより、砥石部３が基台２０から分離され、砥石部３から構成されるワッシャータイプの電着砥石１が得られる。

なお、図１（Ｂ）に示す電着砥石５も電着砥石１と同様の方法で製造することができる。図４は、ハブタイプの電着砥石５の製造に用いられる製造装置２４の構成例を模式的に示す断面図である。なお、以下で説明する構成以外については、製造装置２（図２）の説明を参酌できる。

まず、電着砥石１の製造方法と同様に、ダイヤモンド等の砥粒が混入されたニッケルめっき液１６が収容されためっき浴槽４を準備する。そして、タルクと界面活性剤とを混合して生成した混合液１８をニッケルめっき液１６に添加する。ニッケルめっき液１６及び混合液１８に用いることができる材料は、電着砥石１の製造方法と同様であるため説明を省略する。

次に、ステンレスやアルミニウム等の金属材料で形成された基台２６とニッケル電極６とを、めっき浴槽４内のニッケルめっき液１６に浸漬する。なお、基台２６は後の工程を経て電着砥石５の砥石部９を支持する基台７（図１（Ｂ）参照）となるため、基台２６の形状は基台７に対応した形状とする。

具体的には、図５（Ａ）に示すように、基台２６は電着砥石５の基台７の形状に対応して円環状に形成されており、その中心部には貫通孔２６ａが設けられている。この貫通孔は、基台７の中央部に設けられる貫通孔７ａ（図１（Ｂ）参照）に相当する。

基台２６の表面には、所望の砥石部９の形状に対応したマスク２８が形成されている。例えば、図１（Ｂ）に示すように基台７の外縁部に沿って円環状の砥石部９を形成する場合は、上面視で基台２６の外縁部に沿って形成された円環状の開口部を有するマスク２８が形成される。そして、電着砥石１の製造方法と同様にして、基台２６の表面のマスク２８で覆われていない領域にニッケルを含むめっき層が電着され、タルク及び砥粒を含む砥石部９が形成される。

その後、マスク２８を基台２６から除去する。これにより、表面に砥石部９が形成された基台２６が得られる。図５（Ａ）は、基台２６の表面に砥石部９が形成された状態を示す断面図である。

そして、基台２６の外縁部をエッチングすることにより、基台２６に覆われた砥石部９の一部を露出させる。これにより、図５（Ｂ）に示すように基台７の外縁部に砥石部９が形成されたハブタイプの電着砥石５が得られる。また、上記のエッチングによって把持部７ｂの形状を調整してもよい。

以上の製造方法を用いることにより、タルクが含有された砥石部３，９を備えた電着砥石１，５を製造することができる。

次に、タルクが含有された砥石部を備える電着砥石の評価結果について説明する。ここでは、砥石部に含有されたタルクの量が異なる複数の電着砥石でそれぞれ被加工物を切削し、切削によって被加工物に生じた欠け（チッピング）のサイズを測定することにより加工の精度を評価した。また、砥石部に含有されたタルクの量が異なる複数の電着砥石の弾性率を測定し、この弾性率から電着砥石の強度を評価した。

評価には、上述の製造方法に従って製造した、砥石部にタルクが含有されたワッシャータイプ（図１（Ａ）参照）の電着砥石を用いた。電着砥石の外径は５３．４ｍｍ、内径は４０ｍｍ、厚さは０．１０ｍｍであり、砥粒にはふるいで分級されたときの平均粒径が９μｍであるダイヤモンド粒を用いた。なお、砥粒の集中度は５０（１２．５体積％）であった。

また、タルクの含有量による影響を評価するため、砥石部に含まれるタルクの量が異なる７種類の電着砥石を作製した。電着砥石の作製には、レーザー回折法で測定したときの平均粒径が０．８μｍのタルクを用いた。作製された７種類の電着砥石の砥石部に含有されたタルクの量をアルキメデス法を用いて測定したところ、７種類の砥石部にはそれぞれ、砥石部に対して０．０体積％（タルクを添加していない電着砥石）、１．０体積％、２．２体積％、６．２体積％、１１．４体積％、１５．０体積％、１７．５体積％のタルクが含有されていた。

次に、７種類の電着砥石をそれぞれ整形し、目立て及び真円出しを行った。その後、被加工物を切削装置のチャックテーブルによって吸引保持し、電着砥石に切削水（水温２０℃の純水）を供給しながら電着砥石を被加工物に切り込ませて該被加工物を切削する加工を、７種類の電着砥石それぞれについて行った。

被加工物には、長さ１００ｍｍ、幅１００ｍｍ、厚さ０．４ｍｍのホウケイ酸ガラスを用いた。そして、電着砥石を３００００回転／ｍｉｎの速度で回転させ、電着砥石をその下端が被加工物の下端よりも下側に位置するように配置し、被加工物の長さ方向と概ね平行な方向に沿って被加工物と電着砥石とを５ｍｍ／ｓの速度で相対的に移動させることにより被加工物を切削した。この切削加工を被加工物の幅方向に５．０ｍｍ間隔で１９回行うことにより、被加工物を２０の小片に分割した。

その後、チャックテーブルを水平方向に９０°回転させ、同様の条件で被加工物をその幅方向と概ね平行な方向に沿って切削することにより、各小片をさらに２０分割した。このようにして、被加工物を４００個のチップに分割した。

その後、得られた４００個のチップから５個のチップを選択し、５個のチップそれぞれについて、切削加工によって切削面に生じたチッピングの、被加工物の厚さ方向と垂直な方向における長さを測定した。そして、チッピングの最大の長さをチッピングサイズとし、５個のチップのチッピングサイズの平均値（平均チッピングサイズ）を算出した。

上記の平均チッピングサイズの算出を、タルクの含有量が異なる７種類の電着砥石を用いて得たチップそれぞれについて行った。図６は、電着砥石の砥石部に含有されたタルクの量と平均チッピングサイズとの関係を示すグラフである。なお、図６では、タルクが含有されていない電着砥石（タルクの含有量が０．０体積％の電着砥石）を用いて得たチップの平均チッピングサイズを基準（１００％）として、他の電着砥石を用いて得たチップの平均チッピングサイズの比率を示している。

図６に示すように、タルクの含有量が２．２体積％以上となると平均チッピングサイズが大幅に低減されている。これは、タルクの含有量が２．２体積％以上となると、砥石部に含まれるめっき層がタルクにより脆弱化して自生発刃が適度に生じるとともに、タルクの潤滑性によって電着砥石と被加工物との間の摩擦が低減され、加工の精度が向上したためと推察される。従って、電着砥石の砥石部に含有されるタルクの量は、特に２．２体積％以上とすることが好ましい。

また、タルクの含有量が異なる７種類の電着砥石の強度を評価するため、各電着砥石の弾性率を測定した。弾性率は、切削加工後の電着砥石の先端部に所定の荷重を負荷して得た応力－歪み曲線から算出した。そして、弾性率が高い電着砥石ほど変形しにくく強度が高いとして、電着砥石の強度を評価した。

図７は、電着砥石の砥石部に含有されたタルクの量と電着砥石の弾性率との関係を示すグラフである。なお、図７では、タルクが含有されていない電着砥石（タルクの含有量が０．０体積％の電着砥石）の弾性率を基準（１００％）として、他の電着砥石の弾性率の比率を示している。

図７より、タルクの含有量が１．０体積％以上６．２体積％以下の電着砥石の弾性率は、タルクが含有されていない電着砥石の弾性率よりも高く、強度が向上している。このようにタルクを少量添加した際に電着砥石の弾性率が上昇する理由は必ずしも明らかではないが、タルクの添加量が少量である場合、タルクの粒子がめっき層の内部に均等に分散し、めっき層の転移を抑制するためと推察される。

タルクの含有量が１．０体積％から増加すると、弾性率は徐々に低下する。これは、タルクの含有量の増加によって砥石部に含まれるめっき層が脆弱化したことに起因すると推察される。しかしながら、いずれの電着砥石でも切削加工時に電着砥石が変形して蛇行する様子は観察されず、各電着砥石は被加工物の切削に必要な強度を備えていることが確認できた。

但し、タルクの含有量が１７．５体積％に達すると弾性率の比率が３０％程度となり、弾性率が急激に低下していることが分かる。この電着砥石では、特に難削材などの加工が困難になる場合がある。そのため、電着砥石の強度を大きく低下させることなく平均チッピングサイズを低減するためには、特にタルクの含有量を２．２体積％以上１５．０体積％以下とすることが好ましい。

また、特にタルクの含有量が６．２体積％以下の電着砥石は、タルクが含有されていない電着砥石と比較して弾性率が高く、電着砥石の強度が向上している。そのため、タルクの含有量を２．２体積％以上６．２体積％以下とすると、電着砥石の強度を向上させつつチッピングの発生を抑制できる。

以上の評価結果より、砥石部にタルクを含有させた電着砥石を用いることにより、切削加工時のチッピングを低減し、精度の高い切削加工を行うことが可能となる。

その他、上記実施形態に係る構造、方法等は、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施できる。

１電着砥石
３砥石部
３ａ貫通孔
５電着砥石
７基台
７ａ貫通孔
７ｂ把持部
９砥石部
２製造装置
４めっき浴槽
６ニッケル電極
８スイッチ
１０直流電源
１２回転駆動源
１４ファン
１６ニッケルめっき液
１８添加剤
２０基台
２２マスク
２４製造装置
２６基台
２８マスク

Claims

ニッケルを含むめっき層で砥粒を固定した砥石部を備え、
該砥石部には、該砥石部の２．２体積％以上１５．０体積％以下のタルクが含有されていることを特徴とする電着砥石。
該砥石部には、該砥石部の２．２体積％以上６．２体積％以下のタルクが含有されていることを特徴とする請求項１に記載の電着砥石。
該砥石部に含有されているタルクの平均粒径は、０．６μｍ以上１０．０μｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の電着砥石。
該電着砥石は、円環状の該砥石部のみによって構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の電着砥石。
該電着砥石は、把持部を有する円環状の基台と、該基台の外縁部に形成された該砥石部と、によって構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の電着砥石。