JP7418779B2 - Electrode materials for electrical discharge machining or heat sinks for semiconductors, and methods of manufacturing them - Google Patents
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Description
本発明は、放電加工用電極材若しくは半導体用ヒートシンク並びにその製造方法に関する。 The present invention relates to an electrode material for electric discharge machining or a heat sink for a semiconductor, and a method for manufacturing the same.
放電加工とは、電極材料と被削材との間にパルス状のアーク放電を起こし、その際に発する高熱と衝撃波で互いを溶融、除去することを繰返すことで被削材を溶断する加工方法である。従って、理想的な放電加工とは、電極材料自体の消耗を抑える為に電極材料自身の溶融量を抑えた加工条件で行うことである。また、放電加工では複雑形状の加工を行うことから、電極材料自体の被削性も重視される。 Electrical discharge machining is a machining method in which a pulsed arc discharge is generated between an electrode material and a workpiece material, and the high heat and shock waves generated during this process repeatedly melt and remove the workpiece material. It is. Therefore, ideal electrical discharge machining is performed under machining conditions that suppress the amount of melting of the electrode material itself in order to suppress consumption of the electrode material itself. Furthermore, since complex shapes are machined in electric discharge machining, machinability of the electrode material itself is also important.
この条件に適した電極材料特性としては、被削材よりも熱伝導率や電気伝導率が高く、且つ、耐アーク消耗性や被削性が高いことも求められる。実用材料としては、熱伝導率や電気伝導率が高い銀や銅と融点が実用金属の中で最も高いタングステンを組合せた銀-タングステン系合金や銅-タングステン系合金が挙げられる。一般的には、高価な銀-タングステン系合金は避けて、銅-タングステン系合金が多く用いられている。 Electrode material properties suitable for these conditions include higher thermal conductivity and electrical conductivity than the material to be cut, as well as high arc wear resistance and machinability. Examples of practical materials include silver-tungsten alloys and copper-tungsten alloys, which are a combination of silver and copper, which have high thermal conductivity and electrical conductivity, and tungsten, which has the highest melting point among practical metals. Generally, expensive silver-tungsten alloys are avoided and copper-tungsten alloys are often used.
耐アーク消耗性は銀や銅では低く、非酸化性雰囲気下でのタングステンは高い。一方、タングステンは脆性材料で難削材であるが、銀や銅は展延性が高く加工しやすい。これらより放電加工用電極には、タングステンに、合金の総質量の30~35質量%の銅を含有した銅-タングステン系合金が多く用いられている。 Arc wear resistance is low for silver and copper, but high for tungsten in a non-oxidizing atmosphere. On the other hand, tungsten is a brittle material that is difficult to cut, whereas silver and copper are highly malleable and easy to process. For these reasons, copper-tungsten alloys containing tungsten and copper in an amount of 30 to 35% by mass of the total mass of the alloy are often used in electrical discharge machining electrodes.
しかしながら、銅-タングステン系合金を電極に用いると電極の消耗に関しては優れているものの、加工速度は決して速くは無い。加工速度を上げるには一パルス当たりのアーク放電のエネルギーを高くし、また単位時間あたりのパルス回数を増やす必要があるが、このような条件を設定して放電加工を実施すると集中放電といわれる異常放電を生じ、高い加工精度が得られないばかりか加工速度が低下する。 However, when a copper-tungsten alloy is used for the electrode, although it is excellent in terms of electrode wear, the processing speed is not fast. To increase the machining speed, it is necessary to increase the arc discharge energy per pulse and increase the number of pulses per unit time, but when performing electric discharge machining under these conditions, an abnormality called concentrated discharge may occur. Electric discharge occurs, which not only makes it impossible to obtain high machining accuracy but also reduces machining speed.
つまり、放電加工は加工面に対して均等に分散放電を起こすことで初めて面の加工が進行するが、放電に偏りがあると、放電が集中した個所では加工はされるが、そうでない個所では加工が進まない為、加工面全体としては局部的に穴が開くだけで加工が進行しない。 In other words, in electrical discharge machining, surface machining only progresses when uniformly distributed electrical discharge is generated on the machined surface, but if the electrical discharge is uneven, machining will occur in areas where electrical discharge is concentrated, but in areas where it is not. Since the machining does not proceed, the machining process does not proceed as only holes are formed locally on the entire machined surface.
この問題を改善するため、この銅-タングステン系合金に低仕事関数化合物である酸化バリウム(BaO)等の添加物を含有させることにより、電極材料の仕事関数を低くしてアークスタート性を改善することによって集中放電を抑え、加工速度を高めた材料も知られている(例えば、特許文献1参照)。 To improve this problem, the copper-tungsten alloy contains additives such as barium oxide (BaO), which is a low work function compound, to lower the work function of the electrode material and improve arc starting performance. There is also known a material that suppresses concentrated discharge and increases machining speed by doing so (see, for example, Patent Document 1).
銅-タングステン系合金の用途としては、上記した放電加工用電極のみならず、半導体用ヒートシンク、接点等にも用いられる。半導体用ヒートシンクでは、通常、タングステンに合金の総質量の10~20質量%の銅を含有し、接点では、通常、タングステンに合金の総質量の20~40質量%の銅を含有する。 Copper-tungsten alloys are used not only as electrodes for electrical discharge machining as described above, but also as heat sinks for semiconductors, contacts, etc. In semiconductor heat sinks, the tungsten typically contains 10-20% by weight of copper based on the total weight of the alloy, and in contacts, the tungsten typically contains 20-40% by weight of copper based on the total weight of the alloy.
またタングステンの融点は3400℃なのに対して、銅の融点は1083℃と低く、銅-タングステン系合金が焼結によって緻密化する焼結温度は、銅の融点以上となる。そこで銅-タングステン系合金の製造工程としては、通常、所定の気孔率を有したタングステン多孔質体(タングステンスケルトン)を作り、そこに銅を溶かして溶浸(溶浸法)させることにより製造することが多い。ところが30質量%以上の銅を含有する銅-タングステン系合金の場合、成形した時点で所定の気孔率となっていることからタングステン多孔質体のハンドリングが困難となり、製造上の取扱いにおいて強度的な問題が生じる。このような場合、タングステン粉に総質量の5~10質量%の銅粉を混合して銅-タングステン多孔質体を作り、そこに銅を溶かして溶浸(部分溶浸法)させることにより製造することが多い。また、所定量のタングステン粉末と銅粉末を混合して液相焼結(混合法)することによっても製造することができる。ただし銅とタングステンは、濡れ性は良いものの、互いに固溶しないので溶解-析出機構(オストワルド成長)による緻密化は起こらないため、タングステン粒子の粗大化もほとんど起こらない。 Furthermore, while the melting point of tungsten is 3400°C, the melting point of copper is as low as 1083°C, and the sintering temperature at which the copper-tungsten alloy is densified by sintering is higher than the melting point of copper. Therefore, the manufacturing process for copper-tungsten alloys is usually to create a tungsten porous body (tungsten skeleton) with a predetermined porosity, and then melt and infiltrate it with copper (infiltration method). There are many things. However, in the case of copper-tungsten alloys containing 30% by mass or more of copper, handling of the porous tungsten material is difficult because the porosity has reached a certain level at the time of molding. A problem arises. In such cases, copper powder is mixed with tungsten powder in an amount of 5 to 10% by mass of the total mass to create a copper-tungsten porous body, and copper is melted and infiltrated into the porous body (partial infiltration method). There are many things to do. It can also be manufactured by mixing predetermined amounts of tungsten powder and copper powder and performing liquid phase sintering (mixing method). However, although copper and tungsten have good wettability, they do not form a solid solution with each other, so densification by a dissolution-precipitation mechanism (Ostwald growth) does not occur, and therefore tungsten particles hardly become coarse.
タングステンに10~20質量%の銅を含有する銅-タングステン系合金の場合、タングステン多孔質体を所定の気孔率とするために加熱することによってタングステン結晶粒同士の強固な固着が生じ、タングステン結晶粒同士による骨格構造が形成されることにより、銅-タングステン系合金の機械的強度向上及び線膨張係数の抑制に寄与している。この場合、使用されるタングテン粉末には0.1~0.3質量%のニッケルが硝酸ニッケルなどの可溶性化合物で液状ドープされることが多い。熱分解によって硝酸基等を除去し、タングステン粒子の表面に固着または固溶したニッケルは、タングステン粒子を活性化させて比較的低温で収縮(活性化焼結)させて所定の気孔率を経済的に得ることができるばかりか、タングステン多孔質体に銅を溶浸させる際の濡れ性改善に寄与して、ポアや溶浸不良等の内部欠陥を低減させるものの、銅とニッケルが固溶体を形成することにより、熱伝導率や電気伝導率の大幅な低下をもたらす。 In the case of copper-tungsten alloys containing 10 to 20 mass% copper in tungsten, heating the tungsten porous body to a predetermined porosity causes the tungsten crystal grains to firmly adhere to each other, resulting in tungsten crystals. The formation of a skeletal structure between grains contributes to improving the mechanical strength of the copper-tungsten alloy and suppressing the coefficient of linear expansion. In this case, the tungsten powder used is often doped with 0.1-0.3% by mass of nickel in liquid form with a soluble compound such as nickel nitrate. Nickel, which is fixed or solid-solved on the surface of tungsten particles after removing nitric acid groups through thermal decomposition, activates the tungsten particles and shrinks them at a relatively low temperature (activation sintering) to achieve a desired porosity economically. Not only can copper and nickel form a solid solution, but it also contributes to improving the wettability when infiltrating copper into porous tungsten materials, reducing internal defects such as pores and poor infiltration. This results in a significant decrease in thermal conductivity and electrical conductivity.
ところで放電加工用電極に使用される銅-タングステン系合金では、30~35質量%の銅を含有することから部分溶浸法又は混合法で作られることになる。これらの方法で作った場合、タングステン結晶粒同士の固着はほとんど起こらず、タングステン結晶粒の表面に溶融した銅が覆った構造となる。この場合、銅-タングステン系合金の機械的強度は、銅結晶粒同士の固着強度に依存するばかりか、線膨張係数も低線膨張係数物質であるタングステン結晶粒同士の固着による拘束力が低下し、高線膨張係数物質である銅結晶粒の寄与が大きくなる。その結果、銅-タングステン系合金を放電加工用電極として使用した際、パルス状のアーク放電により短い周期で加熱-冷却されるという熱サイクルを受けることにより、激しい膨張と収縮を繰り返して電極寿命を低減させる原因の一つとなっていた。 By the way, the copper-tungsten alloy used in electrodes for electric discharge machining contains 30 to 35% by mass of copper, so it is produced by a partial infiltration method or a mixing method. When manufactured using these methods, tungsten crystal grains hardly stick to each other, resulting in a structure in which the surfaces of the tungsten crystal grains are covered with molten copper. In this case, the mechanical strength of the copper-tungsten alloy not only depends on the adhesion strength between copper crystal grains, but also the binding force due to the adhesion of tungsten crystal grains, which are a material with a low coefficient of linear expansion, is reduced. , the contribution of copper crystal grains, which is a material with a high coefficient of linear expansion, increases. As a result, when a copper-tungsten alloy is used as an electrode for electrical discharge machining, it undergoes a thermal cycle in which it is heated and cooled in short cycles due to pulsed arc discharge, resulting in repeated rapid expansion and contraction, which shortens the life of the electrode. This was one of the reasons for the reduction.
一方、半導体用ヒートシンクに用いられる銅-タングステン系合金で要求される特性としては、高い熱伝導率及びセラミックパッケージとマッチングする線膨張係数となる。高い熱伝導率は、銅-タングステン合金中の銅含有率を高めることにより容易に達成されるが、低線膨張係数物質であるタングステンに高線膨張係数物質である銅を加え過ぎると、セラミックパッケージの線膨張係数とのマッチングが出来なくなる。 On the other hand, the characteristics required of a copper-tungsten alloy used in a semiconductor heat sink are high thermal conductivity and a coefficient of linear expansion matching that of a ceramic package. High thermal conductivity is easily achieved by increasing the copper content in copper-tungsten alloys, but adding too much copper, a material with a high coefficient of linear expansion, to tungsten, a material with a low coefficient of linear expansion, results in a failure in ceramic packages. Matching with the coefficient of linear expansion becomes impossible.
つまり放電加工用電極材料に求められる線膨張係数は小さいほど望ましいが、半導体ヒートシンク材料に求められる線膨張係数は、ろう付けするセラミックパッケージとのマッチングが重要となる。 In other words, it is desirable that the linear expansion coefficient required for the electrode material for electrical discharge machining be as small as possible, but it is important that the linear expansion coefficient required for the semiconductor heat sink material matches the ceramic package to be brazed.
複合材料における線膨張係数の変化は、含有成分の含有比に依存する複合則が成立すると云われている。しかしながら銅-タングステン系合金の場合、銅含有量が増えるとタングステン結晶粒同士の固着が減り、銅の高い線膨張係数を抑える拘束力が急激に低下する。これは銅-タングステン系合金を構成するタングステン結晶粒と銅結晶粒は、互いに固溶体等を形成せず、単純に複合されているのに加えて、溶融して凝固した銅粒子がタングステン粒子の表面を被覆しているからである。所定の気孔率を有したタングステン多孔質体又は銅-タングステン多孔質体を作る際の加熱により、タングステン結晶粒同士の固着が促進されるが、多くの銅を含有させるためには大きな気孔率が必要となることから、加熱温度の低下に基づく固着強度の低下をもたらす。 It is said that the change in the coefficient of linear expansion in a composite material is based on a composite law that depends on the content ratio of the contained components. However, in the case of a copper-tungsten alloy, as the copper content increases, the adhesion of tungsten crystal grains to each other decreases, and the restraining force that suppresses copper's high coefficient of linear expansion rapidly decreases. This is because the tungsten crystal grains and copper crystal grains that make up the copper-tungsten alloy do not form a solid solution with each other, but are simply composited together. This is because it covers the Heating when making a tungsten porous body or a copper-tungsten porous body with a predetermined porosity promotes the fixation of tungsten crystal grains, but in order to contain a large amount of copper, a large porosity is required. Since this is necessary, it results in a decrease in fixing strength due to a decrease in heating temperature.
従来の溶浸法、部分溶浸法及び混合法で作製された銅-タングステン系材料の伸び率をみると、500℃以下では直線的に変化しているが、500℃以上では伸び率が右肩上がりに増加する傾向が見て取れる。これは、500℃以上の温度領域において理想的な複合則から逸脱していることを示している。この現象は、500℃以上において、タングステン結晶粒による拘束力が低下し、高線膨張係数物質である銅の伸び率に対する寄与が大きくなったためであると考えられる。 Looking at the elongation rates of copper-tungsten materials produced by conventional infiltration methods, partial infiltration methods, and mixed methods, the elongation rates change linearly below 500℃, but above 500℃, the elongation rates change to the right. A tendency to increase gradually can be seen. This shows that there is a deviation from the ideal compound law in the temperature range of 500°C or higher. This phenomenon is thought to be due to the fact that at temperatures above 500°C, the restraining force of tungsten crystal grains decreases, and the contribution of copper, which is a material with a high coefficient of linear expansion, to the elongation rate increases.
つまり、従来製法による銅-タングステン系材料における500℃以上の温度領域での複合則からの正方向への逸脱は、膨張-収縮挙動の促進に伴い放電加工用電極材料の寿命を縮める。また半導体ヒートシンク用に用いられる銅-タングステン系合金とセラミックパッケージとの線膨張係数のマッチングのため、複合則から求められる銅含有量の更なる低減を材料設計に織り込む必要があることを意味している。 In other words, a positive deviation from the composite law in the temperature range of 500°C or higher in copper-tungsten materials produced by conventional methods shortens the life of the electrode material for electrical discharge machining due to the promotion of expansion-contraction behavior. Furthermore, in order to match the coefficient of linear expansion between copper-tungsten alloys used for semiconductor heat sinks and ceramic packages, this means that it is necessary to incorporate further reductions in copper content, as required by the composite rule, into material design. There is.
また、熱伝導率を低下させるニッケルの含有を無くすると、所定の気孔率を有したタングステン多孔質体を得るのに極度に高い成型圧力や焼結温度が必要となるばかりか、銅の溶浸不良に基づく内部欠陥が残りやすい。 Furthermore, if the content of nickel, which reduces thermal conductivity, is eliminated, extremely high molding pressure and sintering temperature are required to obtain a porous tungsten body with a predetermined porosity, and copper infiltration becomes necessary. Internal defects due to defects tend to remain.
近年特に、放電加工用電極材料に関しては、放電加工機の自動化に伴い、加工速度を高めるのみならず、電極交換コストの観点から電極消耗をさらに低減するという要望があり、上記の特許文献1の方法では電極材料の消耗量及び加工速度に関して十分に改善できているとは言えない。一方、半導体ヒートシンクに関しては、半導体の高集積化による発熱量の増大に対応するため、より高い熱伝導率の達成が要望されていた。また、高い熱伝導率と大きな線膨張係数を有する銅を多量に(例えば30質量%以上)含んだ銅-タングステン系合金の組織構造を改善させると共に大き過ぎる線膨張係数を抑制させることができれば、放電加工用電極のみならず、半導体用ヒートシンク、接点等にも適用可能である。 In recent years, especially regarding electrode materials for electrical discharge machining, there has been a demand for not only increasing processing speed but also further reducing electrode wear from the viewpoint of electrode replacement costs due to the automation of electrical discharge machines. It cannot be said that this method has sufficiently improved the amount of electrode material consumed and the processing speed. On the other hand, with regard to semiconductor heat sinks, there has been a demand for higher thermal conductivity in order to cope with the increase in heat generation due to higher integration of semiconductors. In addition, if it is possible to improve the structure of a copper-tungsten alloy containing a large amount of copper (for example, 30% by mass or more), which has a high thermal conductivity and a large coefficient of linear expansion, and to suppress an excessively large coefficient of linear expansion, It can be applied not only to electrodes for electrical discharge machining, but also to semiconductor heat sinks, contacts, etc.
本発明は、上記のような課題を解決しようとするものであり、材料の消耗を抑え、加工速度を改善した放電加工用電極材料又は従来よりも多くの銅を含有させることにより、高い熱伝導率を有するにも拘わらず、線膨張係数を抑制させた半導体用ヒートシンクを提供することを目的とする。 The present invention is an attempt to solve the above-mentioned problems, and includes an electrode material for electric discharge machining that suppresses material consumption and improves machining speed, or a material that has high thermal conductivity by containing more copper than before. An object of the present invention is to provide a heat sink for a semiconductor that has a suppressed coefficient of linear expansion despite having a high coefficient of thermal expansion.
本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、15~45質量%の銅と、0.3~3質量%のアルカリ土類金属酸化物と、残部タングステンとより成り、タングステン結晶粒間を強固に固着させて、800℃における線膨張係数が、500℃における線膨張係数よりも小さい銅-タングステン系合金を使用することにより、材料の消耗を抑え、加工速度も改善した放電加工用電極材料又は従来よりも多くの銅を含有させることにより高い熱伝導率を有するにも拘わらず、線膨張係数を抑制させた半導体用ヒートシンクが得られることを見出した。本発明は、このような知見に基づき、さらに研究を重ね、完成したものである。すなわち、本発明は、以下の構成を包含する。 As a result of extensive research, the present inventors have discovered that the tungsten crystal is composed of 15-45% by mass of copper, 0.3-3% by mass of alkaline earth metal oxide, and the balance is tungsten, and firmly adheres between tungsten crystal grains. By using a copper-tungsten alloy whose coefficient of linear expansion at 800℃ is smaller than that at 500℃, we have created an electrode material for electrical discharge machining that reduces material consumption and improves machining speed. It has been found that by containing a large amount of copper, it is possible to obtain a semiconductor heat sink with a suppressed coefficient of linear expansion despite having high thermal conductivity. The present invention has been completed based on such knowledge through further research. That is, the present invention includes the following configurations.
項1.銅-タングステン系合金より成る放電加工用電極材料又は半導体用ヒートシンクであって、
前記銅-タングステン系合金は、前記銅-タングステン系合金の総量を100質量%として、15~45質量%の銅と、55~85質量%のタングステンを含有する銅-タングステン系合金であり、
前記銅-タングステン系合金は、タングステン結晶粒の平均粒径が0.6~16μmであり、
前記銅-タングステン系合金は、800℃における線膨張係数が、500℃における線膨張係数よりも小さい、放電加工用電極材料又は半導体用ヒートシンク。
項2.前記銅-タングステン系合金が、タングステン結晶粒同士の強固な固着を有する、項1に記載の放電加工用電極材料又は半導体用ヒートシンク。
項3.10℃/分で900℃まで昇温した後に室温まで自然冷却する熱処理試験を行った場合、熱処理を加えた後の収縮率が0.05%以下である、項1又は2に記載の放電加工用電極材料又は半導体用ヒートシンク。
項4.銅-タングステン系合金より成る放電加工用電極材料であって、
前記銅-タングステン系合金は、前記銅-タングステン系合金の総量を100質量%として、15~45質量%の銅と、54.7~82質量%のタングステンと、0.3~3質量%のアルカリ土類金属酸化物を含有する銅-タングステン系合金であり、
前記銅-タングステン系合金は、タングステン結晶粒の平均粒径が2~16μmであり、
前記銅-タングステン系合金は、800℃における線膨張係数が、500℃における線膨張係数よりも小さい、放電加工用電極材料。
項5.前記銅-タングステン系合金が、タングステン結晶粒同士の強固な固着を有する、項4に記載の放電加工用電極材料。
項6.10℃/分で900℃まで昇温した後に室温まで自然冷却する熱処理試験を行った場合、熱処理を加えた後の収縮率が0.05%以下である、項4又は5に記載の放電加工用電極材料。
項7.項1~3のいずれか1項に記載の放電加工用電極材料又は半導体用ヒートシンクの製造方法であって、
銅粉末と、タングステン粉末とを含有する原料粉末を混合し、固相焼結条件で放電プラズマ焼結処理する工程を備え、
前記タングステン粉末の平均粒子径が0.6~16μmである、製造方法。
項8.前記原料粉末において、原料粉末の総量を100質量%として、前記銅粉末の含有量が15~45質量%であり、前記タングステン粉末の含有量が55~85質量%である、項7に記載の製造方法。
項9.項4~6のいずれか1項に記載の放電加工用電極材料の製造方法であって、
銅粉末と、タングステン粉末と、タングステン酸アルカリ土類金属粉末とを含有する原料粉末を混合し、固相焼結条件で放電プラズマ焼結処理する工程
を備え、
前記タングステン粉末の平均粒子径が2~16μmである、製造方法。
項10.前記原料粉末において、原料粉末の総量を100質量%として、前記銅粉末の含有量が15~45質量%であり、前記タングステン粉末の含有量が54.7~82質量%であり、前記タングステン酸アルカリ土類金属粉末の含有量が0.3~3質量%である、項9に記載の製造方法。
Item 1. An electrode material for electric discharge machining or a heat sink for semiconductors made of a copper-tungsten alloy,
The copper-tungsten alloy is a copper-tungsten alloy containing 15 to 45% by mass of copper and 55 to 85% by mass of tungsten, with the total amount of the copper-tungsten alloy being 100% by mass,
The copper-tungsten alloy has tungsten crystal grains having an average grain size of 0.6 to 16 μm,
The copper-tungsten alloy is an electrode material for electric discharge machining or a heat sink for semiconductors, and has a linear expansion coefficient at 800°C that is smaller than a linear expansion coefficient at 500°C.
Item 2. Item 2. The electrode material for electrical discharge machining or the heat sink for semiconductors according to Item 1, wherein the copper-tungsten alloy has tungsten crystal grains firmly fixed to each other.
Item 3. The discharge according to item 1 or 2, in which the shrinkage rate after heat treatment is 0.05% or less when subjected to a heat treatment test in which the temperature is raised to 900°C at a rate of 10°C/min and then naturally cooled to room temperature. Electrode material for processing or heat sink for semiconductors.
Item 4. An electrode material for electrical discharge machining made of a copper-tungsten alloy,
The copper-tungsten alloy contains 15 to 45 mass % copper, 54.7 to 82 mass % tungsten, and 0.3 to 3 mass % alkaline earth metal, with the total amount of the copper-tungsten alloy being 100 mass %. It is a copper-tungsten alloy containing oxides,
The copper-tungsten alloy has tungsten crystal grains having an average grain size of 2 to 16 μm,
The copper-tungsten alloy is an electrode material for electrical discharge machining, and has a linear expansion coefficient at 800°C that is smaller than that at 500°C.
Item 5. 5. The electrode material for electric discharge machining according to item 4, wherein the copper-tungsten alloy has strong adhesion of tungsten crystal grains to each other.
Item 6. The discharge according to item 4 or 5, in which the shrinkage rate after heat treatment is 0.05% or less when subjected to a heat treatment test in which the temperature is raised to 900°C at a rate of 10°C/min and then naturally cooled to room temperature. Electrode material for processing.
Section 7. A method for manufacturing an electrode material for electric discharge machining or a heat sink for a semiconductor according to any one of items 1 to 3, comprising:
A process of mixing raw material powder containing copper powder and tungsten powder and subjecting it to discharge plasma sintering under solid phase sintering conditions,
A manufacturing method, wherein the tungsten powder has an average particle size of 0.6 to 16 μm.
Section 8. Item 7, wherein in the raw material powder, the content of the copper powder is 15 to 45% by mass, and the content of the tungsten powder is 55 to 85% by mass, with the total amount of the raw material powder being 100% by mass. Production method.
Item 9. A method for producing an electrode material for electric discharge machining according to any one of items 4 to 6, comprising:
A step of mixing raw material powder containing copper powder, tungsten powder, and alkaline earth metal tungstate powder and subjecting it to discharge plasma sintering under solid phase sintering conditions,
A manufacturing method, wherein the tungsten powder has an average particle size of 2 to 16 μm.
Item 10. In the raw material powder, the content of the copper powder is 15 to 45% by mass, the content of the tungsten powder is 54.7 to 82% by mass, and the content of the alkaline tungstate is 15 to 45% by mass, with the total amount of the raw material powder being 100% by mass. Item 9. The manufacturing method according to Item 9, wherein the content of the similar metal powder is 0.3 to 3% by mass.
本発明によれば、材料の消耗を抑え、加工速度も改善した放電加工用電極材料又は従来よりも多くの銅を含有させることにより高い熱伝導率を有するにも拘わらず、線膨張係数を抑制させた半導体用ヒートシンクを提供することができる。 According to the present invention, an electrode material for electric discharge machining that suppresses material consumption and improves machining speed, or contains a larger amount of copper than before, suppresses the coefficient of linear expansion despite having high thermal conductivity. It is possible to provide a heat sink for a semiconductor with a high temperature.
本明細書において、「含有」は、「含む(comprise)」、「実質的にのみからなる(consist essentially of)」、及び「のみからなる(consist of)」のいずれも包含する概念である。また、本明細書において、数値範囲をA~Bで表記する場合、A以上B以下を示す。 In this specification, "contain" is a concept that includes all of "comprise," "consist essentially of," and "consist of." Furthermore, in this specification, when a numerical range is expressed as A to B, it indicates a range of A or more and B or less.
1.放電加工用電極材料又は半導体用ヒートシンク
本発明の第1の態様における放電加工用電極材料又は半導体用ヒートシンク(以下、単に「電極材料又はヒートシンク」と言うこともある)は、銅-タングステン系合金より成る放電加工用電極材料又は半導体用ヒートシンクであって、前記銅-タングステン系合金は前記銅-タングステン系合金の総量を100質量%として、15~45質量%の銅と、55~85質量%のタングステンを含有する銅-タングステン系合金であり、前記銅-タングステン系合金は、タングステン結晶粒の平均粒径が0.6~16μmであり、前記銅-タングステン系合金は、800℃における線膨張係数が、500℃における線膨張係数よりも小さい。
1. Electrode material for electric discharge machining or heat sink for semiconductors The electrode material for electric discharge machining or the heat sink for semiconductors in the first aspect of the present invention (hereinafter sometimes simply referred to as "electrode material or heat sink") is made of copper-tungsten alloy. An electrode material for electrical discharge machining or a heat sink for semiconductors, wherein the copper-tungsten alloy contains 15-45% by mass of copper and 55-85% by mass, with the total amount of the copper-tungsten-based alloy being 100% by mass. It is a copper-tungsten alloy containing tungsten, the copper-tungsten alloy has tungsten crystal grains having an average grain size of 0.6 to 16 μm, and the copper-tungsten alloy has a coefficient of linear expansion at 800°C. It is smaller than the linear expansion coefficient at 500℃.
また、本発明の第2の態様における放電加工用電極材料は、銅-タングステン系合金より成る放電加工用電極材料であって、前記銅-タングステン系合金は、前記銅-タングステン系合金の総量を100質量%として、15~45質量%の銅と、54.7~82質量%のタングステンと、0.3~3質量%のアルカリ土類金属酸化物を含有する銅-タングステン系合金であり、前記銅-タングステン系合金は、タングステン結晶粒の平均粒径が2~16μmであり、前記銅-タングステン系合金は、800℃における線膨張係数が、500℃における線膨張係数よりも小さい。 Further, the electrode material for electrical discharge machining in the second aspect of the present invention is an electrode material for electrical discharge machining made of a copper-tungsten alloy, wherein the copper-tungsten alloy has a total amount of the copper-tungsten alloy. It is a copper-tungsten alloy containing 15 to 45 mass % copper, 54.7 to 82 mass % tungsten, and 0.3 to 3 mass % alkaline earth metal oxide, and the copper-tungsten The average grain size of tungsten crystal grains in the copper-tungsten alloy is 2 to 16 μm, and the coefficient of linear expansion of the copper-tungsten alloy at 800°C is smaller than that at 500°C.
放電加工用電極材料においては一般には、銅の含有量は30~35質量%程度であることが多い。この銅の含有量は、被削材よりも高い電気伝導率及び熱伝導率並びに電極材料自体の被削性を確保するためであるが、耐アーク消耗性が低下する原因ともなっている。本発明によれば、例えば後述の製造方法によれば、焼結時にタングステン粒子同士のネッキング形成と同時にタングステン粒子の塑性変形が起こり、耐アーク消耗性の高いタングステン結晶粒同士による三次元ネットワーク構造が形成される。放電加工時、パルス状のアーク放電により電極材料の表面は、激しい熱サイクルによる膨張、収縮とアーク放電による衝撃波により、低融点、高線膨張係数で対アーク消耗性が大きい銅が優先的に消耗すると共に、タングステン結晶粒同士の固着が少ないことによりタングステン粒子の脱粒を招いて大きく消耗する。ところが、本発明の電極材料では、高融点、低線膨張係数で耐アーク消耗性も良好なタングステン結晶粒同士が強固に固着して三次元ネットワーク構造を形成していることから電極消耗を抑制すると共に加工速度を速めることが可能となった。このことは、このような銅-タングステン系合金を半導体用ヒートシンクとして使用した場合も同様である。半導体ヒートシンクの場合、耐アーク消耗性の代わりに線膨張係数を小さくしてセラミックパッケージの線膨張係数とマッチングさせることが重要である。線膨張係数の小さなタングステン結晶粒同士が強固に固着して三次元ネットワーク構造を形成していることから、大きな線膨張係数を有する銅結晶粒の拘束力が向上して半導体ヒートシンク用銅-タングステン系合金に、従来よりも多くの銅を含有させることが可能となる。その結果として、従来よりも高い熱伝導率の半導体ヒートシンクを作ることが可能となる。このため、本発明では従来よりも広い銅の含有量範囲でタングステン結晶粒同士の強固な固着を生じさせることが可能となり、銅-タングステン系合金の総量を100質量%として、銅の含有量は15~45質量%、好ましくは20~40質量%である。銅の含有量が15質量%未満ではタングステン粒子同士の強固な固着は優勢となるものの、強固なタングステン骨格構造の形成が塑性変形を阻害して緻密化が困難なことに加えて、熱伝導率、電気伝導率が被削材に劣ると共に、被削性が低下して電極材料自体の加工が困難となる。また、銅の含有量が45質量%を超えるとタングステン結晶粒同士の固着の減少により銅結晶粒の拘束力が低下し、電極材料の耐アーク消耗性が低下して電極消耗を抑制することができないことに加えて、線膨張係数が急激に大きくなる。 In electrode materials for electric discharge machining, the copper content is generally about 30 to 35% by mass. The purpose of this copper content is to ensure electrical conductivity and thermal conductivity higher than that of the workpiece material, as well as machinability of the electrode material itself, but it also causes a decrease in arc wear resistance. According to the present invention, for example, according to the manufacturing method described below, plastic deformation of tungsten particles occurs at the same time as necking between tungsten particles occurs during sintering, and a three-dimensional network structure of tungsten crystal grains with high arc wear resistance is created. It is formed. During electric discharge machining, the surface of the electrode material is expanded and contracted due to intense thermal cycles due to pulsed arc discharge, and shock waves due to arc discharge preferentially consume copper, which has a low melting point, high coefficient of linear expansion, and is highly resistant to arc consumption. At the same time, since the tungsten crystal grains are not tightly fixed to each other, the tungsten grains may be shed, resulting in large consumption. However, in the electrode material of the present invention, tungsten crystal grains, which have a high melting point, a low linear expansion coefficient, and good arc wear resistance, are firmly attached to each other to form a three-dimensional network structure, which suppresses electrode wear. At the same time, it became possible to increase the processing speed. The same holds true when such a copper-tungsten alloy is used as a semiconductor heat sink. In the case of semiconductor heat sinks, instead of arc wear resistance, it is important to reduce the coefficient of linear expansion so that it matches the coefficient of linear expansion of the ceramic package. Since tungsten crystal grains with a small coefficient of linear expansion are firmly attached to each other to form a three-dimensional network structure, the binding force of the copper crystal grains with a large coefficient of linear expansion is improved, making it possible to improve the copper-tungsten system for semiconductor heat sinks. It becomes possible to contain more copper in the alloy than before. As a result, it becomes possible to create a semiconductor heat sink with higher thermal conductivity than before. Therefore, in the present invention, it is possible to cause strong adhesion between tungsten crystal grains over a wider range of copper content than before, and assuming that the total amount of copper-tungsten alloy is 100% by mass, the copper content is The amount is 15 to 45% by weight, preferably 20 to 40% by weight. When the copper content is less than 15% by mass, strong adhesion between tungsten particles becomes dominant, but the formation of a strong tungsten skeleton structure inhibits plastic deformation, making densification difficult, and the thermal conductivity decreases. , the electrical conductivity is inferior to that of the workpiece material, and the machinability decreases, making it difficult to process the electrode material itself. In addition, if the copper content exceeds 45% by mass, the binding force of the copper crystal grains decreases due to a decrease in the adhesion of tungsten crystal grains to each other, and the arc wear resistance of the electrode material decreases, making it difficult to suppress electrode wear. In addition to this being impossible, the coefficient of linear expansion increases rapidly.
本発明の電極材料が含有する銅-タングステン系合金において、タングステンの含有量は、例えばアルカリ土類金属酸化物を含まない場合は、銅-タングステン系合金の総量を100質量%として、55~85質量%、好ましくは60~80質量%である。タングステンの含有量が55質量%未満では材料の消耗を抑制することができない。また、タングステンの含有量が85質量%を超えると熱伝導率、電気伝導率等に劣る。一方、アルカリ土類金属酸化物を含む場合は、銅-タングステン系合金の総量を100質量%として、54.7~82質量%、好ましくは59.5~77.5質量%である。タングステンの含有量が54.7質量%未満では材料の消耗を抑制することができない。また、タングステンの含有量が82質量%を超えると熱伝導率、電気伝導率等に劣る。 In the copper-tungsten alloy contained in the electrode material of the present invention, the tungsten content is, for example, 55 to 85% when the total amount of the copper-tungsten alloy is 100% by mass when no alkaline earth metal oxide is included. % by mass, preferably 60-80% by mass. If the tungsten content is less than 55% by mass, material consumption cannot be suppressed. Furthermore, if the tungsten content exceeds 85% by mass, the thermal conductivity, electrical conductivity, etc. will be poor. On the other hand, when an alkaline earth metal oxide is included, the content is 54.7 to 82% by mass, preferably 59.5 to 77.5% by mass, based on the total amount of copper-tungsten alloy as 100% by mass. If the tungsten content is less than 54.7% by mass, material consumption cannot be suppressed. Furthermore, if the tungsten content exceeds 82% by mass, the thermal conductivity, electrical conductivity, etc. will be poor.
本発明において、銅-タングステン系合金を電極材料として使用する場合、銅-タングステン系合金において、低仕事関数化合物のアルカリ土類金属酸化物を含有することもできる。アルカリ土類金属酸化物としては、特に制限はなく、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化ストロンチウム、酸化バリウム等が挙げられる。これらのアルカリ土類金属酸化物は、単独で用いることもでき、2種以上を組合せて用いることもできる。 In the present invention, when a copper-tungsten alloy is used as an electrode material, the copper-tungsten alloy may contain an alkaline earth metal oxide, which is a low work function compound. The alkaline earth metal oxide is not particularly limited and includes magnesium oxide, calcium oxide, strontium oxide, barium oxide, and the like. These alkaline earth metal oxides can be used alone or in combination of two or more.
本発明の電極材料が含有する銅-タングステン系合金において、アルカリ土類金属酸化物の含有量は、加工速度及び材料の消耗の観点から、銅-タングステン系合金の総量を100質量%として、0.3~3質量%が好ましく、0.5~2.5質量%がより好ましい。アルカリ土類金属酸化物は、低仕事関数化合物であるため熱電子放出特性に優れる反面、絶縁体であることから電気を流さず、酸化物であることから金属よりも熱伝導率が低い。更に電極材料への過度のアルカリ土類金属酸化物の含有は、電気抵抗の上昇を招いてジュール熱により電極材料自体が発熱して電極消耗を促進する。 In the copper-tungsten alloy contained in the electrode material of the present invention, the content of alkaline earth metal oxide is 0.3% by mass when the total amount of copper-tungsten alloy is 100% by mass from the viewpoint of processing speed and material consumption. -3% by mass is preferred, and 0.5-2.5% by mass is more preferred. Since alkaline earth metal oxides are low work function compounds, they have excellent thermionic emission properties, but because they are insulators, they do not conduct electricity, and because they are oxides, they have lower thermal conductivity than metals. Furthermore, excessive inclusion of alkaline earth metal oxides in the electrode material causes an increase in electrical resistance, and the electrode material itself generates heat due to Joule heat, promoting electrode wear.
本発明において、銅-タングステン系合金をヒートシンクとして使用する場合、銅-タングステン系合金において、タングステン結晶粒表面の濡れ性及び焼結時の緻密化を改善するために、鉄族金属を含有することもできる。鉄族金属としては、特に制限はなく、鉄、コバルト、ニッケル等が挙げられる。これらの鉄族金属は、単独で用いることもでき、2種類以上を組合せて用いることもできる。 In the present invention, when a copper-tungsten alloy is used as a heat sink, the copper-tungsten alloy may contain an iron group metal in order to improve the wettability of the tungsten crystal grain surface and densification during sintering. You can also do it. The iron group metal is not particularly limited and includes iron, cobalt, nickel, and the like. These iron group metals can be used alone or in combination of two or more.
本発明のヒートシンクが含有する銅-タングステン系合金において、鉄族金属の含有量は、濡れ性及び焼結時の緻密化の観点から、銅-タングステン系合金の総量を100質量%として、0.05~0.5質量%が好ましく、0.1~0.3質量%がより好ましい。 In the copper-tungsten alloy contained in the heat sink of the present invention, from the viewpoint of wettability and densification during sintering, the content of iron group metal is 0.05 to 0.05% by mass, assuming the total amount of copper-tungsten alloy is 100% by mass. 0.5% by mass is preferred, and 0.1 to 0.3% by mass is more preferred.
鉄族金属の添加形態としては、金属粉としてタングステン粉や銅粉と一緒に混合しても良いし、タングステン粉にアルコール等で溶解した硝酸塩の形態で液状ドープし、水素雰囲気下等で加熱して硝酸基を分解、還元した溶浸用のタングステンスケルトン作製用のドープタングステン粉として含有してもよい。 Iron group metals can be added as metal powder by mixing them together with tungsten powder or copper powder, or by doping tungsten powder in the form of liquid nitrate dissolved in alcohol, etc., and heating it in a hydrogen atmosphere. It may also be contained as a doped tungsten powder for producing a tungsten skeleton for infiltration by decomposing and reducing nitric acid groups.
鉄族金属の内、ニッケルを添加するとタングステンの活性化焼結により緻密化が特に改善される。 Among iron group metals, when nickel is added, densification is particularly improved by activated sintering of tungsten.
一方、添加された鉄族金属は、タングステン結晶粒表面の銅の濡れ性改善や焼結時の緻密化を改善して内部欠陥低減効果が見込めるものの、熱伝導率と電気伝導率が低下する傾向がある。 On the other hand, added iron group metals are expected to have the effect of reducing internal defects by improving the wettability of copper on the surface of tungsten crystal grains and improving densification during sintering, but they tend to reduce thermal conductivity and electrical conductivity. There is.
本発明によれば、鉄族金属の添加なしに内部欠陥がなく緻密な銅-タングステン系合金を得ることも可能であり、鉄族金属を含有せずとも、より高い熱伝導率と電気伝導率を達成することが可能である。 According to the present invention, it is possible to obtain a dense copper-tungsten alloy with no internal defects without the addition of iron group metals, and even without the addition of iron group metals, it is possible to obtain higher thermal conductivity and electrical conductivity. It is possible to achieve this.
なお、本発明の電極材料又はヒートシンクが有する銅-タングステン系合金には、上記の銅、タングステン、アルカリ土類金属酸化物、及び鉄族金属の他、不可避金属元素を含むこともできる。このような不可避金属元素としては、クロム、モリブデン、アルミニウム等が挙げられる。これらの不可避金属元素は、単独で含まれていてもよく、2種以上を組合せて含まれていてもよい。これらの不可避金属元素は、少量含まれていても電極材料の消耗率や加工速度並びにヒートシンクの熱伝導率や線膨張係数に影響を与えるものではなく、本発明の効果を奏する範囲で含まれることができる。具体的には、銅-タングステン系合金の総量を100質量%として、銅の含有量を15~45質量%、アルカリ土類金属酸化物の含有量を0.3~3質量%及び鉄族金属の含有量を0.05~0.5質量%としてタングステンと不可避金属元素はこの残部であることが好ましい。 Note that the copper-tungsten alloy included in the electrode material or heat sink of the present invention may also contain inevitable metal elements in addition to the above-mentioned copper, tungsten, alkaline earth metal oxides, and iron group metals. Examples of such unavoidable metal elements include chromium, molybdenum, aluminum, and the like. These inevitable metal elements may be contained alone or in combination of two or more. Even if these unavoidable metal elements are contained in small amounts, they do not affect the wear rate and processing speed of the electrode material, as well as the thermal conductivity and linear expansion coefficient of the heat sink, and must be contained within the range that produces the effects of the present invention. I can do it. Specifically, the total amount of copper-tungsten alloy is 100% by mass, the content of copper is 15 to 45% by mass, the content of alkaline earth metal oxides is 0.3 to 3% by mass, and the content of iron group metals. It is preferable that the amount is 0.05 to 0.5% by mass, and the balance is tungsten and unavoidable metal elements.
本発明の電極材料又はヒートシンクが含有する銅-タングステン系合金は、緻密でタングステン結晶粒同士が強固に固着していることが好ましい。電極材料にポア等の内部欠陥が残留していると、放電加工で型彫りした際に、ポア等の内部欠陥が被削材に転写されてしまう。ポア等の内部欠陥が存在すると、熱伝導率や電気伝導率の低下を招くと共に、製品の表面に露出した場合、ヒートシンクの表面にめっき処理を施した際、ポアに染み込んだめっき液が乾燥時に染みとなって現れたり、腐食の起点となったりする。 The copper-tungsten alloy contained in the electrode material or heat sink of the present invention is preferably dense and has tungsten crystal grains firmly fixed to each other. If internal defects such as pores remain in the electrode material, the internal defects such as pores will be transferred to the workpiece material when die carving is performed by electrical discharge machining. The presence of internal defects such as pores will lead to a decrease in thermal conductivity and electrical conductivity, and if they are exposed on the surface of the product, when plating is applied to the surface of the heat sink, the plating solution that has soaked into the pores will be removed when drying. It may appear as a stain or become a starting point for corrosion.
各金属元素の結晶粒のなかでも、電極材料ではタングステン結晶粒は大きいことが好ましい。タングステン結晶粒が大きいことにより、タングステン結晶粒同士が強固に固着して放電加工時にタングステン結晶粒が脱粒することを抑制し電極材料の消耗又は線膨張係数を抑えることができる。これは、タングステン結晶粒の機械的強度が粒界強度よりも粒内強度の方が高いからであり、タングステン結晶粒が大きいということは、銅相の平均自由工程(ミーンフリーパス)が大きく取れるという観点から熱拡散率の向上による熱伝導率の向上が見込めるからである。因みに緻密化していないと、内部欠陥に基づく熱拡散率の低下と密度の低下により熱伝導率が大幅に低下する。一般に比熱容量、熱拡散率及び熱伝導率を熱三定数と呼び、熱伝導率は、比熱容量、熱拡散率及び密度を掛け合わせて算出される。比熱容量も線膨張係数と同じく材料組成に基づく複合則により決まるが、熱拡散率は内部欠陥や固溶体の形成などにより大きく影響を受ける。なお、タングステン結晶粒が小さい場合には、緻密化が促進される反面、タングステン結晶粒同士の接触面積の低下と共に固着力が低下しやすい。一般的な連続したアーク放電の場合、放電部分は溶融して溶融池を形成し、電極材料は電極材料自身の組成に基づく定常的な耐アーク消耗性に支配される。一方、放電加工の場合、パルス状のアーク放電により被削材を加工している関係から短時間の内に何度もアークスタートを繰り返している。こういった非定常的な放電形態の場合、溶融池の形成よりも放電開始部分に負荷が掛かり結晶粒の結合が弱いと結晶粒界に沿った結晶粒の脱粒による電極消耗が支配的となり電極材料の消耗率が大きくなる。このような観点から、放電加工用電極材料のタングステン結晶粒の平均粒径は2~16μmが好ましく、3~10μmがより好ましく、4~8μmがさらに好ましい。なお、電極寿命と被削性の関係をより最適化するために、タングステン結晶粒の大きさを適宜調整することも可能である。一方、半導体ヒートシンク用途の場合、タングステン結晶粒の脱粒防止を考慮しなくて良いことから緻密化が優先され、タングステン結晶粒の平均粒径は0.6~2μmを用いても良い。つまり、半導体用ヒートシンク用途には、タングステン結晶粒の平均粒径は0.6~16μmが好ましく、放電加工用電極材料用途には、タングステン結晶粒の平均粒径は2~16μmが好ましい。なお、タングステン結晶粒の平均粒径は、本発明の電極材料の電子顕微鏡(SEM)観察の反射電子像の組成像により測定する。 Among the crystal grains of each metal element, tungsten crystal grains are preferably large in the electrode material. Since the tungsten crystal grains are large, the tungsten crystal grains are firmly fixed to each other, and it is possible to suppress shedding of the tungsten crystal grains during electrical discharge machining, thereby suppressing consumption or linear expansion coefficient of the electrode material. This is because the mechanical strength of tungsten crystal grains is higher in the grain than in the grain boundaries, and the larger the tungsten crystal grains, the greater the mean free path of the copper phase. This is because from this viewpoint, an improvement in thermal conductivity can be expected due to an improvement in thermal diffusivity. Incidentally, if the material is not densified, the thermal conductivity will decrease significantly due to a decrease in thermal diffusivity due to internal defects and a decrease in density. Generally, specific heat capacity, thermal diffusivity, and thermal conductivity are called three thermal constants, and thermal conductivity is calculated by multiplying specific heat capacity, thermal diffusivity, and density. Like the linear expansion coefficient, the specific heat capacity is determined by a compound law based on the material composition, but the thermal diffusivity is greatly affected by internal defects and the formation of solid solutions. Note that when the tungsten crystal grains are small, densification is promoted, but the contact area between the tungsten crystal grains decreases, and the adhesion strength tends to decrease. In the case of general continuous arc discharge, the discharge portion melts to form a molten pool, and the electrode material is subject to constant arc wear resistance based on the composition of the electrode material itself. On the other hand, in the case of electric discharge machining, arc starts are repeated many times within a short period of time because the workpiece is machined by pulsed arc discharge. In the case of such an unsteady discharge form, the load is applied to the discharge starting point rather than the formation of a molten pool, and if the bond between crystal grains is weak, electrode wear due to shedding of crystal grains along grain boundaries becomes dominant, and the electrode Material consumption rate increases. From this point of view, the average grain size of tungsten crystal grains in the electrode material for electric discharge machining is preferably 2 to 16 μm, more preferably 3 to 10 μm, and even more preferably 4 to 8 μm. In addition, in order to further optimize the relationship between electrode life and machinability, it is also possible to adjust the size of the tungsten crystal grains as appropriate. On the other hand, in the case of semiconductor heat sink applications, densification is prioritized since there is no need to consider prevention of shedding of tungsten crystal grains, and the average grain size of tungsten crystal grains may be 0.6 to 2 μm. That is, for use as a heat sink for semiconductors, the average grain size of tungsten crystal grains is preferably 0.6 to 16 μm, and for use as an electrode material for electrical discharge machining, the average grain size of tungsten crystal grains is preferably 2 to 16 μm. Note that the average grain size of the tungsten crystal grains is measured based on a composition image of a backscattered electron image obtained by observing the electrode material of the present invention with an electron microscope (SEM).
なお、他の金属の結晶粒、つまり、銅結晶粒及びアルカリ土類金属酸化物結晶粒及び鉄族金属の大きさについては特に制限されない。ただし、偏析のない均質な分散性を得る観点からは、銅結晶粒の平均粒径は25~50μmが好ましく、アルカリ土類金属酸化物結晶粒の平均粒径は0.1~200μmが好ましく、50~150μmとすることもできる。なお、銅結晶粒及びアルカリ土類金属酸化物結晶粒の平均粒径は、本発明の電極材料の電子顕微鏡(SEM)観察の反射電子像の組成像により測定する。一方、鉄族金属に関しては、硝酸塩による液状ドープで含有されることが多く、タングステン粉末の表面に均質分散又は固溶している。 Note that the sizes of other metal crystal grains, that is, copper crystal grains, alkaline earth metal oxide crystal grains, and iron group metals are not particularly limited. However, from the viewpoint of obtaining homogeneous dispersibility without segregation, the average grain size of copper crystal grains is preferably 25 to 50 μm, and the average grain size of alkaline earth metal oxide crystal grains is preferably 0.1 to 200 μm, and 50 to 50 μm. It can also be 150 μm. Note that the average particle diameters of the copper crystal grains and the alkaline earth metal oxide crystal grains are measured based on a composition image of a backscattered electron image obtained by observing the electrode material of the present invention with an electron microscope (SEM). On the other hand, iron group metals are often contained in the form of liquid dope with nitrates, and are homogeneously dispersed or solidly dissolved on the surface of tungsten powder.
本発明の電極材料又はヒートシンクにおいては、金属結晶粒、特にタングステン結晶粒同士がネッキングを形成し強固に固着していることが好ましい。このように、タングステン結晶粒同士が強固に固着していることにより、アークスタート時に発生する熱電子放出と衝撃波並びに熱膨張によりタングステン結晶粒及び/又は銅結晶粒が脱粒することを抑制し、電極材料の消耗を抑制することができる。通常、放電加工用電極材料に用いられる銅-タングステン系合金は、タングステンに 30~35質量%の銅を含有しているが、従来の部分溶浸法や混合法で作った場合、含有する銅粉末粒子が周囲に多いのでタングステン粉末粒子同士の接着は稀となり、焼結による加熱で銅粉末粒子が溶融するとタングステン粒子の表面を覆い、タングステン粒子間のネッキング形成を阻害する。一方、本発明の銅-タングステン系合金ではタングステン結晶粒同士が強固に固着している。 In the electrode material or heat sink of the present invention, it is preferable that metal crystal grains, especially tungsten crystal grains, form necking and firmly adhere to each other. In this way, since the tungsten crystal grains are firmly fixed to each other, the tungsten crystal grains and/or copper crystal grains are prevented from falling out due to thermionic emission, shock waves, and thermal expansion that occur at the time of arc start, and the electrode Material consumption can be suppressed. Normally, copper-tungsten alloys used as electrode materials for electrical discharge machining contain 30 to 35% by mass of copper in tungsten. Since there are many powder particles around, adhesion between tungsten powder particles is rare, and when the copper powder particles are melted by heating during sintering, they cover the surfaces of the tungsten particles and inhibit the formation of necking between the tungsten particles. On the other hand, in the copper-tungsten alloy of the present invention, tungsten crystal grains are firmly fixed to each other.
両者を線膨張係数と温度で比較すると、従来の銅-タングステン系合金の場合、低線膨張係数物質のタングステン粒子によるネットワークの形成阻害により線膨張係数の大きな銅粒子に対する拘束が弱く、加熱温度が高くなっていくに従い、高線膨張係数物質の銅により銅-タングステン系合金の線膨張係数は500℃以上において右肩上がりに大きくなる。一方、本発明の電極材料又はヒートシンクが有する銅-タングステン系合金の場合、低線膨張係数のタングステン結晶粒同士による強固な三次元ネットワーク構造によって線膨張係数の大きな銅粒子に対しての拘束が強く、銅-タングステン系合金の線膨張係数の増加を抑制する。この結果、本発明の電極材料又はヒートシンクが含有する銅-タングステン系合金は、800℃における線膨張係数が、500℃における線膨張係数よりも小さい材料である。具体的には、800℃における線膨張係数が、500℃における線膨張係数の80~99%(特に85~98%)であることが好ましい。なお、500℃以下の領域では、概してタングステン粒子と銅粒子の含有割合に基づく線膨張係数の複合則が成り立っている。 Comparing the two in terms of coefficient of linear expansion and temperature, in the case of conventional copper-tungsten alloys, the restraint on copper particles with a large coefficient of linear expansion is weak due to inhibition of network formation by tungsten particles, which are substances with a low coefficient of linear expansion, and the heating temperature is low. As the temperature increases, the coefficient of linear expansion of the copper-tungsten alloy increases upwardly at 500°C or higher due to copper, which is a material with a high coefficient of linear expansion. On the other hand, in the case of the copper-tungsten alloy included in the electrode material or heat sink of the present invention, the strong three-dimensional network structure of tungsten crystal grains with a low coefficient of linear expansion strongly restrains copper particles with a large coefficient of linear expansion. , suppressing the increase in the coefficient of linear expansion of copper-tungsten alloy. As a result, the copper-tungsten alloy contained in the electrode material or heat sink of the present invention is a material whose linear expansion coefficient at 800°C is smaller than that at 500°C. Specifically, the linear expansion coefficient at 800°C is preferably 80 to 99% (particularly 85 to 98%) of the linear expansion coefficient at 500°C. In addition, in the region below 500° C., a composite law of linear expansion coefficient based on the content ratio of tungsten particles and copper particles generally holds.
放電加工用電極では、電極表面にパルス状のアーク放電を起こして加工していることから、アークスタート時の急激な加熱により金属結晶粒の結合力が弱いと脱粒する。この場合、電極表面の銅結晶粒は、急激に熱膨張すると共に溶融することと、対アーク消耗性が低いことから優先的に消耗してしまう。そして、電極消耗を抑えるのは高融点、低線膨張係数及び対アーク消耗性に優れたタングステン結晶粒となるが、タングステン結晶粒同士が強固に固着していないと容易に脱粒してしまう。また、タングステン結晶粒のネッキング部分、すなわちタングステン結晶粒界はタングステン粒内よりも結合力が弱いので、粗粒のタングステン粒子を使用する方が有利となる。 In electrical discharge machining electrodes, machining is performed by generating a pulsed arc discharge on the electrode surface, so if the bonding strength of metal crystal grains is weak due to rapid heating at the start of the arc, grains will fall off. In this case, the copper crystal grains on the electrode surface undergo rapid thermal expansion and melting, and because they have low resistance to arc consumption, they are preferentially consumed. Tungsten crystal grains, which have a high melting point, low coefficient of linear expansion, and excellent arc wear resistance, suppress electrode wear, but if the tungsten crystal grains are not firmly fixed to each other, they easily fall off. Further, since the necking portion of the tungsten crystal grain, that is, the tungsten crystal grain boundary, has a weaker bonding force than the inside of the tungsten grain, it is advantageous to use coarse-grained tungsten particles.
更にアーク放電が生じている表面層の内部でもジュール熱により加熱される。この場合、タングステン結晶粒が強固に固着していないと、線膨張係数の大きい銅結晶粒によりタングステン結晶粒界が破壊して電極消耗を助長させる。 Furthermore, the inside of the surface layer where arc discharge occurs is also heated by Joule heat . In this case, if the tungsten crystal grains are not firmly fixed, the tungsten crystal grain boundaries will be destroyed by the copper crystal grains having a large coefficient of linear expansion, promoting electrode wear.
一方、ヒートシンクでは、半導体と共にセラミックパッケージに組み込み、銀ろう等を用いてろう付けされる。この際にヒートシンクとセラミックパッケージの線膨張係数のマッチングが出来ていないとろう付けすることが出来ない。銀の融点は961.8℃であり、銀ろうの融点はそれより低い700~800℃前後である。ヒートシンクとセラミックパッケージの線膨張係数のマッチングは、銀ろう付けするろう付け温度までが要求される。 On the other hand, a heat sink is assembled together with a semiconductor into a ceramic package and soldered using silver solder or the like. At this time, if the linear expansion coefficients of the heat sink and the ceramic package are not matched, brazing cannot be performed. The melting point of silver is 961.8°C, and the melting point of silver solder is lower, around 700-800°C. Matching of the linear expansion coefficients of the heat sink and the ceramic package is required up to the brazing temperature at which silver is soldered.
熱膨張を表す用語には、線膨張係数(熱膨張率、熱膨張係数ともいう)と体積膨張係数と呼ばれるものがあり、試料の長さ方向の熱膨張を測定する場合と体積膨張で測定する場合があるということを示している。普通、熱膨張というと、測定が容易な線膨張係数を指す。また、線膨張係数には、平均線膨張係数と瞬時線膨張係数というものもある。平均線膨張係数とは、あらかじめ定めた基準温度と測定温度区間での線膨張係数の平均値を指し、瞬時線膨張係数とは、ある測定温度における瞬間的な線膨張係数を示している。単に線膨張係数と呼ぶ場合は、平均線膨張係数のことを指している。 There are two terms for thermal expansion: linear expansion coefficient (also called thermal expansion coefficient, thermal expansion coefficient) and volumetric expansion coefficient.Thermal expansion in the longitudinal direction of the sample is measured and the volumetric expansion is measured. It shows that there are cases. Normally, thermal expansion refers to the coefficient of linear expansion, which is easy to measure. Further, the linear expansion coefficient includes an average linear expansion coefficient and an instantaneous linear expansion coefficient. The average coefficient of linear expansion refers to the average value of the coefficient of linear expansion between a predetermined reference temperature and the measured temperature, and the instantaneous coefficient of linear expansion refers to the instantaneous coefficient of linear expansion at a certain measurement temperature. When simply referred to as linear expansion coefficient, it refers to the average linear expansion coefficient.
ヒートシンクとセラミックパッケージの線膨張係数のマッチングとは、厳密にいうと銀ろう付けするろう付け温度までの昇温過程から室温までの降温過程の全過程において線膨張係数がマッチングしているということを示しているが、特にろう材がヒートシンクとセラミックパッケージを固着させた後の降温過程が重要である。ヒートシンクの線膨張係数がセラミックパッケージの許容する線膨張係数の範囲を逸脱すると、反ったり剥離したりする等というろう付け不良が発生する。 Strictly speaking, the matching of the linear expansion coefficients of the heat sink and the ceramic package means that the linear expansion coefficients are matched throughout the entire process, from the heating up to the silver brazing temperature to the cooling down to room temperature. However, the temperature cooling process after the brazing filler metal has bonded the heat sink and ceramic package is particularly important. If the linear expansion coefficient of the heat sink deviates from the range of linear expansion coefficients allowed by the ceramic package, brazing defects such as warping or peeling will occur.
一般的に溶浸法で作られた銅-タングステン系合金の場合、タングステン結晶粒が強固な三次元ネットワークを形成していることから加熱するに従って線膨張係数の増加率は僅かに右肩上がりに変化してゆく傾向にある。一方、部分溶浸法や混合法で作られた銅-タングステン系合金の線膨張係数は、タングステン結晶粒の固着が弱く、又は溶融した銅相で覆われていることから、昇温とともに銅の線膨張係数の寄与が大きくなり、徐々に右肩上がりに増加していく傾向にある。 Generally, in the case of copper-tungsten alloys made by the infiltration method, the tungsten crystal grains form a strong three-dimensional network, so the linear expansion coefficient increases slightly as it is heated. It tends to change. On the other hand, the coefficient of linear expansion of copper-tungsten alloys made by the partial infiltration method or the mixing method decreases with increasing temperature because the tungsten crystal grains are weakly fixed or are covered with molten copper phase. The contribution of the linear expansion coefficient becomes larger and tends to gradually increase.
一般に言われる複合材料の線膨張係数に於ける複合則は、銅-タングステン系合金では室温から500℃の範囲で維持されていた。 The generally accepted composite law for the coefficient of linear expansion of composite materials was maintained in the range from room temperature to 500°C for copper-tungsten alloys.
一方、本発明の銅-タングステン系合金の場合、含有する銅量が多いにも拘わらず、タングステン結晶粒同士の固着が強固であるため、溶浸法、部分溶浸法及び混合法で作られた銅-タングステン系合金と異なり、500℃以上で増加率が低下するという特異な挙動を示すことで、ヒートシンク用として好適に使用することができる。 On the other hand, in the case of the copper-tungsten alloy of the present invention, even though it contains a large amount of copper, the adhesion of tungsten crystal grains to each other is strong, so it cannot be made by the infiltration method, partial infiltration method, or mixing method. Unlike copper-tungsten alloys, it exhibits a unique behavior in which the rate of increase decreases at temperatures above 500°C, making it suitable for use in heat sinks.
線膨張係数を溶浸法と同程度に抑えつつ銅量を増やすアイデアとしては、ハニカム構造や細かな穴を開けたタングステン素材に銅を溶浸という試みが行われた。結果として線膨張係数の抑制効果は認められたものの、熱サイクル負荷をかけると銅相部分が徐々に盛り上がり、半導体を破損する事態となり適用することは叶わなかった。 As an idea to increase the amount of copper while keeping the linear expansion coefficient to the same level as the infiltration method, attempts were made to infiltrate copper into a tungsten material with a honeycomb structure or small holes. As a result, although the effect of suppressing the coefficient of linear expansion was recognized, when a thermal cycle load was applied, the copper phase part gradually swelled up, causing damage to the semiconductor, making it impossible to apply it.
一方、本発明の銅-タングステン系合金の場合、微視的に見てもタングステン結晶粒同士の固着が三次元ネットワーク構造を形成していることから、銅相の部分的な盛り上がりを抑制することが可能である。 On the other hand, in the case of the copper-tungsten alloy of the present invention, the adhesion of tungsten crystal grains to each other forms a three-dimensional network structure even when viewed microscopically, so that partial swelling of the copper phase can be suppressed. is possible.
また銅-モリブデン系合金又は銅-タングステン系合金では、溶浸体又は焼結体を圧延加工することにより、モリブデン粒子又はタングステン粒子同士が塑性変形して扁平形状になり銅粒子とモリブデン粒子又はタングステン粒子との接触面積が増大することにより高温領域での線膨張係数を抑制することが可能である。しかしながらモリブデン粒子又はタングステン粒子の塑性変形が必要となることから相応する加工度が必要となり、圧延材は薄板に限定されると共に線膨張係数の異方性も生ずる。 In addition, in copper-molybdenum alloys or copper-tungsten alloys, when the infiltrated body or sintered body is rolled, the molybdenum particles or tungsten particles plastically deform each other to form a flat shape. By increasing the contact area with particles, it is possible to suppress the coefficient of linear expansion in a high temperature region. However, since plastic deformation of molybdenum particles or tungsten particles is required, a corresponding degree of processing is required, and the rolled material is limited to a thin plate, and anisotropy in the coefficient of linear expansion occurs.
溶浸法、部分溶浸法及び混合法といった従来法で作製した銅-タングステン系合金は、900℃まで加熱する熱処理試験により0.11%の寸法収縮を起こすが、本発明の銅-タングステン系合金の場合、ほとんど寸法収縮することはない。具体的には、還元雰囲気下において10℃/分の昇温速度で900℃まで加熱し、自然冷却する条件で熱処理試験を行った場合、熱処理を加えた後の収縮率が0.05%以下(特に0.001~0.03%)とすることができる。 Copper-tungsten alloys produced by conventional methods such as infiltration, partial infiltration, and mixing methods experience dimensional shrinkage of 0.11% in heat treatment tests heated to 900°C, but the copper-tungsten alloy of the present invention In this case, there is almost no dimensional shrinkage. Specifically, when a heat treatment test was conducted under conditions of heating to 900℃ at a temperature increase rate of 10℃/min in a reducing atmosphere and cooling naturally, the shrinkage rate after heat treatment was 0.05% or less (especially 0.001-0.03%).
同様の効果は、銀-タングステン系材料、銅-モリブデン系材料、銀-モリブデン系材料及び銀-炭化タングステン-コバルト系材料等に関しても適用することが可能である。 Similar effects can be applied to silver-tungsten materials, copper-molybdenum materials, silver-molybdenum materials, silver-tungsten carbide-cobalt materials, and the like.
本発明の電極材料又はヒートシンクは、上記した銅-タングステン系合金のみからなる構成であってもよいし、銅-タングステン系合金の他に多少不純物が含まれていてもよい。このような不純物としては、例えば、クロム、モリブデン、アルミニウム等が挙げられる。このような不純物の含有量は、本発明の効果を奏する限り特に制限はなく、本発明の電極材料を100質量%として、上記した銅-タングステン系合金を99.5~100質量%(特に99.7~99.9質量%)、不純物を0~0.5質量%(特に0.1~0.3質量%)含有することが好ましい。 The electrode material or heat sink of the present invention may be composed only of the above-mentioned copper-tungsten alloy, or may contain some impurities in addition to the copper-tungsten alloy. Examples of such impurities include chromium, molybdenum, aluminum, and the like. The content of such impurities is not particularly limited as long as the effects of the present invention are achieved, and the content of the above-mentioned copper-tungsten alloy is 99.5 to 100 mass % (particularly 99.7 to 99.9 mass %), with the electrode material of the present invention being 100 mass %. % by mass) and preferably contains 0 to 0.5 mass % (particularly 0.1 to 0.3 mass %) of impurities.
本発明の電極材料又はヒートシンクの密度は、特に制限されないが、電極材料の消耗を特に抑えることができ、加工速度や被削性もさらに向上させられる又はヒートシンクのめっき不良を抑える観点から、13.5~14.5g/cm3が好ましく、13.9~14.0g/cm3がより好ましい。本発明の電極材料の密度は、寸法と質量測定に基づく計算法又は、水中法(アルキメデス法)により測定する。 The density of the electrode material or heat sink of the present invention is not particularly limited, but from the viewpoint of particularly suppressing consumption of the electrode material, further improving machining speed and machinability, or suppressing plating defects of the heat sink, from 13.5 to 14.5 g/cm 3 is preferable, and 13.9 to 14.0 g/cm 3 is more preferable. The density of the electrode material of the present invention is measured by a calculation method based on size and mass measurement or by an underwater method (Archimedes method).
本発明の電極材料又はヒートシンクの相対密度は、特に制限されないが、相対密度が低いとタングステン結晶粒同士の固着力が低下しやすいし、相対密度が低いとポア等の内部欠陥が生じやすい。電極材料又はヒートシンクの表面にポアが残っていると型彫り加工した際に、欠陥が被削材に転写しやすいし、めっき処理した場合には染みや腐食の起点となりやすい。このような観点から相対密度は95%以上が好ましく、97%以上がより好ましい。本発明の電極材料又はヒートシンクの相対密度は、寸法と質量測定に基づく計算法又は、水中法(アルキメデス法)で求めた密度を、電極材料を構成する化合物の密度と含有比から求めた理論密度で割って100を乗じることにより算出される。 The relative density of the electrode material or heat sink of the present invention is not particularly limited, but if the relative density is low, the adhesion strength between tungsten crystal grains tends to decrease, and if the relative density is low, internal defects such as pores are likely to occur. If pores remain on the surface of the electrode material or heat sink, defects are likely to be transferred to the workpiece material during die engraving, and they may become a starting point for stains and corrosion when plated. From this point of view, the relative density is preferably 95% or more, more preferably 97% or more. The relative density of the electrode material or heat sink of the present invention is the theoretical density determined from the density and content ratio of the compound constituting the electrode material, or the density determined by a calculation method based on dimension and mass measurement, or the underwater method (Archimedes method). Calculated by dividing by and multiplying by 100.
本発明の電極材料又はヒートシンクの硬度(ビッカース硬度;Hv10)は、特に制限されないが、電極材料の消耗を特に抑えることができ、加工速度や被削性もさらに向上させられる観点から、170~200が好ましく、180~195がより好ましい。本発明の電極材料の硬度は、JIS Z 2244に準拠したビッカース硬さ試験により測定する。 The hardness (Vickers hardness; Hv10) of the electrode material or heat sink of the present invention is not particularly limited, but from the viewpoint of particularly suppressing consumption of the electrode material and further improving machining speed and machinability, it is 170 to 200. is preferable, and 180 to 195 is more preferable. The hardness of the electrode material of the present invention is measured by a Vickers hardness test based on JIS Z 2244.
本発明の電極材料又はヒートシンクの導電率は、特に制限されないが、焼鈍標準軟銅(体積抵抗率ρ0= 1.7241×10-2μΩm)の導電率を100%IACSとして規定した場合に、本発明の電極材料の体積抵抗率をρとして、導電率Ec= ρ0/ρ×100で計算した場合に40~55%が好ましく、42~50%がより好ましく、44~48%がさらに好ましい。本発明の電極材料の導電率は、導電率測定装置により測定する。 The conductivity of the electrode material or heat sink of the present invention is not particularly limited, but when the conductivity of annealed standard annealed copper (volume resistivity ρ 0 = 1.7241×10 -2 μΩm) is defined as 100% IACS, the conductivity of the electrode material or heat sink of the present invention is The conductivity is preferably 40 to 55%, more preferably 42 to 50%, and even more preferably 44 to 48%, when calculated as E c = ρ 0 /ρ×100, where ρ is the volume resistivity of the electrode material. The conductivity of the electrode material of the present invention is measured using a conductivity measuring device.
このような条件を満たす本発明の放電加工用電極材料又は半導体用ヒートシンクは、加工速度を飛躍的に向上させ材料を特に消耗させにくくすると共に線膨張係数を抑制するものである。 The electrode material for electric discharge machining or the heat sink for semiconductors of the present invention that satisfies these conditions dramatically improves the machining speed, makes the material particularly difficult to wear out, and suppresses the coefficient of linear expansion.
2.放電加工用電極材料又は半導体用ヒートシンクの製造方法
本発明の放電加工用電極材料又は半導体用ヒートシンクの製造方法は、特に制限はなく、例えば、銅粉末と、タングステン粉末とを含有する原料粉末を混合し、固相焼結条件で放電プラズマ焼結処理する工程を備える。
2. Method for manufacturing an electrode material for electric discharge machining or a heat sink for semiconductors The method for manufacturing an electrode material for electric discharge machining or a heat sink for semiconductors of the present invention is not particularly limited, and for example, raw material powders containing copper powder and tungsten powder are mixed. and includes a step of performing discharge plasma sintering treatment under solid phase sintering conditions.
原料粉末として使用する銅粉末としては特に制限されないが、原料粉末を放電プラズマ焼結することにより上記した平均粒径を有する銅結晶粒を形成するようなサイズの銅粉末を使用することが好ましい。具体的には、銅粉末の平均粒子径は、放電プラズマ焼結による固相焼結によりタングステン結晶粒同士が強固に固着し電極材料の消耗をより抑え加工速度もより改善した放電加工用電極材料を得やすい観点から、平均粒子径は13~100μmが好ましく、25~50μmがより好ましい。銅粉末の平均粒子径は、粒度分布測定装置により測定する。 The copper powder used as the raw material powder is not particularly limited, but it is preferable to use a copper powder of a size that forms copper crystal grains having the above average grain size by subjecting the raw material powder to discharge plasma sintering. Specifically, the average particle diameter of the copper powder is an electrode material for electrical discharge machining that is made possible by solid-phase sintering using electrical discharge plasma sintering, which causes tungsten crystal grains to firmly adhere to each other, thereby further suppressing consumption of the electrode material and improving machining speed. From the viewpoint of easy obtaining, the average particle diameter is preferably 13 to 100 μm, more preferably 25 to 50 μm. The average particle diameter of the copper powder is measured using a particle size distribution measuring device.
原料粉末として使用するタングステン粉末としては特に制限されないが、原料粉末を放電プラズマ焼結することにより上記した平均粒径を有するタングステン結晶粒を形成するようなサイズのタングステン粉末を使用することが好ましい。具体的には、粗粒なタングステン結晶粒同士を強固に固着させることにより、放電加工における電極材料の消耗を抑えることができる放電加工用電極材料が得られる観点から、タングステン粉末の平均粒子径は2~16μmが好ましく、3~10μmがより好ましく、4~8μmがさらに好ましい。なお、電極寿命と被削性の関係をより最適化するために、タングステン結晶粒の大きさを適宜調整することも可能である。更にヒートシンク用に緻密化を優先させる場合、タングステン結晶粒の平均粒径は0.6~2μmを用いても良い。つまり、半導体用ヒートシンク用途には、タングステン結晶粒の平均粒径は0.6~16μmが好ましく、放電加工用電極材料用途には、タングステン結晶粒の平均粒径は2~16μmが好ましい。また、放電加工条件や使用される放電加工機により電極材料の消耗性か被削性のどちらを優先するかが異なる場合、タングステン粉末の平均粒子径を適宜調整することにより最適化を図ることができる。タングステン粉末の平均粒子径が大きいと、電極材料の消耗は抑えられるが被削性が低下する。一方、タングステン粒子の平均粒子径が小さいと、電極材料の耐消耗性は低下するが被削性は向上する。タングステン粉末の平均粒子径は、粒度分布測定装置により測定する。 The tungsten powder used as the raw material powder is not particularly limited, but it is preferable to use tungsten powder of a size that forms tungsten crystal grains having the above-mentioned average particle size by subjecting the raw material powder to discharge plasma sintering. Specifically, the average particle diameter of tungsten powder is It is preferably 2 to 16 μm, more preferably 3 to 10 μm, and even more preferably 4 to 8 μm. In addition, in order to further optimize the relationship between electrode life and machinability, it is also possible to adjust the size of the tungsten crystal grains as appropriate. Furthermore, when giving priority to densification for heat sinks, the average grain size of tungsten crystal grains may be 0.6 to 2 μm. That is, for use as a heat sink for semiconductors, the average grain size of tungsten crystal grains is preferably 0.6 to 16 μm, and for use as an electrode material for electrical discharge machining, the average grain size of tungsten crystal grains is preferably 2 to 16 μm. In addition, if priority is given to the consumability or machinability of the electrode material depending on the electrical discharge machining conditions or the electrical discharge machine used, optimization can be achieved by appropriately adjusting the average particle diameter of the tungsten powder. can. When the average particle size of the tungsten powder is large, consumption of the electrode material can be suppressed, but machinability is reduced. On the other hand, when the average particle diameter of the tungsten particles is small, the wear resistance of the electrode material decreases, but the machinability improves. The average particle diameter of the tungsten powder is measured using a particle size distribution measuring device.
本発明の放電プラズマ焼結による固相焼結では、タングステン粒子の周囲に銅粒子が存在しているが、タングステンと銅は固溶体を形成しないことからタングステン結晶粒と銅結晶粒の成長はほとんど起こらない。しかしながら緻密化を促進するためにニッケルを含有させると活性化焼結が起こり、緻密化を促進させるものの、タングステン結晶粒の粗粒化と、電極材料の電気伝導率や熱伝導率の低下を招きやすいことからニッケルの含有量は0.5質量%以下にとどめることが好ましい。 In solid-phase sintering by spark plasma sintering of the present invention, copper particles exist around tungsten particles, but since tungsten and copper do not form a solid solution, growth of tungsten crystal grains and copper crystal grains hardly occurs. do not have. However, when nickel is added to promote densification, activated sintering occurs, which promotes densification, but leads to coarsening of tungsten crystal grains and a decrease in the electrical conductivity and thermal conductivity of the electrode material. It is preferable to limit the nickel content to 0.5% by mass or less for ease of use.
本発明の電極材料が有する銅-タングステン系合金がアルカリ土類金属酸化物を含有している場合は、原料粉末中にタングステン酸アルカリ土類金属粉末を含ませることが好ましい。原料粉末として使用するタングステン酸アルカリ土類金属粉末における「タングステン酸」には、オルトタングステン酸のみならずピロタングステン酸も含まれる。原料粉末として使用するタングステン酸アルカリ土類金属粉末としては、特に制限はなく、タングステン酸マグネシウム(MgWO4、MgW2O7等)、タングステン酸カルシウム(CaWO4、CaW2O7等)、タングステン酸ストロンチウム(SrWO4、SrW2O7等)、タングステン酸バリウム(BaWO4、BaW2O7等)等が挙げられる。これらのタングステン酸アルカリ土類金属粉末は単独で用いることもでき、2種以上を組合せて用いることもできる。 When the copper-tungsten alloy of the electrode material of the present invention contains an alkaline earth metal oxide, it is preferable that the raw material powder contains an alkaline earth metal tungstate powder. The "tungstic acid" in the alkaline earth metal tungstate powder used as the raw material powder includes not only orthotungstic acid but also pyrotungstic acid. There are no particular restrictions on the alkaline earth metal tungstate powder used as the raw material powder, and magnesium tungstate (MgWO 4 , MgW 2 O 7 , etc.), calcium tungstate (CaWO 4 , CaW 2 O 7 , etc.), tungstate, etc. Examples include strontium (SrWO 4 , SrW 2 O 7, etc.), barium tungstate (BaWO 4 , BaW 2 O 7, etc.). These alkaline earth metal tungstate powders can be used alone or in combination of two or more.
原料粉末として使用するタングステン酸アルカリ土類金属粉末の大きさは特に制限されないが、原料粉末を放電プラズマ焼結することにより上記した平均粒径を有するアルカリ土類金属酸化物結晶粒を形成するようなサイズのタングステン酸アルカリ土類金属粉末を使用することが好ましい。具体的には、タングステン酸アルカリ土類金属粉末の平均粒子径は、放電プラズマ焼結による固相焼結によりタングステン結晶粒同士が強固に固着し電極材料の消耗をより抑え加工速度もより改善した放電加工用電極材料を得やすい観点から、平均粒子径は0.1~200μmが好ましく、1~10μmがより好ましい。なお、50~200μm、特に50~100μmとすることもできる。タングステン酸アルカリ土類金属粉末の平均粒子径は、粒度分布測定装置により測定する。 The size of the alkaline earth metal tungstate powder used as the raw material powder is not particularly limited, but it is possible to form alkaline earth metal oxide crystal grains having the above average particle size by subjecting the raw material powder to discharge plasma sintering. It is preferred to use alkaline earth metal tungstate powder of a suitable size. Specifically, the average particle diameter of the alkaline earth metal tungstate powder was determined by solid-phase sintering using spark plasma sintering, which caused the tungsten crystal grains to firmly adhere to each other, further suppressing the wear of the electrode material and further improving the processing speed. From the viewpoint of easy obtaining of electrode material for electric discharge machining, the average particle diameter is preferably 0.1 to 200 μm, more preferably 1 to 10 μm. Note that it can also be set to 50 to 200 μm, particularly 50 to 100 μm. The average particle diameter of the alkaline earth metal tungstate powder is measured using a particle size distribution measuring device.
各原料粉末の使用量は特に制限されない。本発明の電極材料又はヒートシンクを得た場合に上記した含有量となるように使用することが好ましい。具体的には、原料粉末の総量を100質量%として、タングステン酸アルカリ土類金属粉末を含まない場合は、銅粉末の含有量を15~45質量%(特に20~40質量%)、残部をタングステンとすることが好ましく、タングステン酸アルカリ土類金属粉末を含む場合は、銅粉末の含有量を15~45質量%(特に20~40質量%)、タングステン酸アルカリ土類金属粉末の含有量を0.3~3質量%(特に0.5~2.5質量%)、残部をタングステンとすることが好ましい。 The amount of each raw material powder used is not particularly limited. When the electrode material or heat sink of the present invention is obtained, it is preferable to use the above-mentioned content. Specifically, if the total amount of raw material powder is 100% by mass, and if it does not contain alkaline earth metal tungstate powder, the content of copper powder is 15 to 45% by mass (particularly 20 to 40% by mass), and the remainder is It is preferable to use tungsten, and when it contains alkaline earth metal tungstate powder, the content of copper powder is 15 to 45% by mass (especially 20 to 40% by mass), and the content of alkaline earth metal tungstate powder is It is preferable that 0.3 to 3% by mass (particularly 0.5 to 2.5% by mass) and the remainder be tungsten.
上記した原料粉末を用いて混合し、固相焼結による放電プラズマ焼結処理(以下、「SPS処理」と言うこともある)を施すことにより、本発明の放電加工用電極材料又は半導体用ヒートシンクを得ることができる。 The electrode material for electric discharge machining or the heat sink for semiconductors of the present invention can be produced by mixing the raw material powders described above and subjecting them to a discharge plasma sintering process (hereinafter also referred to as "SPS treatment") by solid-phase sintering. can be obtained.
SPS処理を施すにあたり、原料粉末を加熱させることが好ましい。この場合の加熱温度は、タングステン結晶粒同士が強固に固着した放電加工用電極材料又は半導体用ヒートシンクを得やすく材料の消耗や線膨張係数をより抑え加工速度もより改善できる観点から、950~1050℃が好ましく、1000~1030℃がより好ましい。また、昇温速度については同様の理由から30~100℃/分が好ましく、45~55℃/分がより好ましい。なお、溶融した銅がタングステン粉末粒子の表面を覆い、タングステン結晶粒同士の固着をより阻害しにくくするために、放電プラズマ焼結時の焼結温度は銅の融点(1083℃)以下が好ましい。 When performing SPS treatment, it is preferable to heat the raw material powder. The heating temperature in this case is 950 to 1050, from the viewpoint that it is easy to obtain an electrode material for electrical discharge machining or a heat sink for semiconductors in which tungsten crystal grains are firmly fixed to each other, and it is possible to further suppress material consumption and coefficient of linear expansion and further improve machining speed. ℃ is preferable, and 1000 to 1030 ℃ is more preferable. Furthermore, for the same reason, the heating rate is preferably 30 to 100°C/min, more preferably 45 to 55°C/min. Note that the sintering temperature during discharge plasma sintering is preferably equal to or lower than the melting point of copper (1083° C.) in order to cover the surface of the tungsten powder particles with molten copper and to make it more difficult to inhibit the adhesion of tungsten crystal grains to each other.
SPS処理を施すにあたり、加圧下にて行うことが好ましい。この場合の圧力は、特に制限はなく、タングステン結晶粒同士が強固に固着した放電加工用電極材料又は半導体用ヒートシンクを得やすく材料の消耗や線膨張係数をより抑え加工速度もより改善できる観点から、30~100MPaが好ましく、45~55MPaがより好ましい。 When performing the SPS treatment, it is preferable to perform it under pressure. The pressure in this case is not particularly limited, and from the viewpoint that it is easier to obtain an electrode material for electric discharge machining or a heat sink for semiconductors in which tungsten crystal grains are firmly fixed to each other, material consumption and coefficient of linear expansion can be suppressed, and machining speed can be further improved. , 30 to 100 MPa is preferable, and 45 to 55 MPa is more preferable.
SPS処理の雰囲気は特に制限されないが、タングステン結晶粒同士が強固に固着した放電加工用電極材料又は半導体用ヒートシンクを得やすく材料の消耗や線膨張係数をより抑え加工速度もより改善できる観点から、水素雰囲気や一酸化炭素等の還元雰囲気、真空雰囲気および窒素ガス雰囲気、アルゴンガス雰囲気等の不活性雰囲気が好ましい。 The atmosphere for SPS treatment is not particularly limited, but from the viewpoint that it is easier to obtain an electrode material for electric discharge machining or a heat sink for semiconductors in which tungsten crystal grains are firmly fixed to each other, material consumption and coefficient of linear expansion can be suppressed and processing speed can be further improved. A reducing atmosphere such as a hydrogen atmosphere or carbon monoxide, a vacuum atmosphere, an inert atmosphere such as a nitrogen gas atmosphere, or an argon gas atmosphere is preferable.
SPS処理の時間は特に制限されないが、タングステン結晶粒同士が強固に固着した放電加工用電極材料又は半導体用ヒートシンクを得やすく材料の消耗や線膨張係数をより抑え加工速度もより改善できる観点から、30~60分が好ましく、35~45分がより好ましい。 The time of SPS treatment is not particularly limited, but from the viewpoint that it is easier to obtain an electrode material for electric discharge machining or a heat sink for semiconductors in which tungsten crystal grains are firmly fixed to each other, material consumption and coefficient of linear expansion can be suppressed, and processing speed can be further improved. 30 to 60 minutes is preferred, and 35 to 45 minutes is more preferred.
放電プラズマ焼結法による固相焼結と類似した効果は、ホットプレス法や密閉容器に混合粉末を充填して真空引きしながら成形する熱間等方圧加圧法(キャニングHIP法)でも達成可能であるが、ネッキングの形成は放電プラズマ焼結法の方が顕著であることから、タングステン結晶粒の固着力は放電プラズマ焼結法には及ばない。その理由としては、ホットプレス法や熱間等方圧加圧法の場合、結晶粒全体に均質な熱と圧力が掛かるだけであるのに対して、放電プラズマ焼結法の場合には、前者の効果に加えて発生したプラズマが結晶粒の接触部を優先的に溶解させて強固なネッキングを形成するからである。 Effects similar to solid phase sintering using the spark plasma sintering method can also be achieved using the hot press method or the hot isostatic pressing method (Canning HIP method), which involves filling a sealed container with a mixed powder and forming it while vacuuming. However, since the formation of necking is more pronounced in the discharge plasma sintering method, the fixing force of tungsten crystal grains is not as good as that in the discharge plasma sintering method. The reason for this is that in the case of the hot press method and hot isostatic pressing method, homogeneous heat and pressure are applied to the entire grain, whereas in the case of the discharge plasma sintering method, the former This is because, in addition to this effect, the generated plasma preferentially melts the contact areas of crystal grains, forming strong necking.
次に得られた溶浸体又は焼結体について見ると、従来法である溶浸法や部分溶浸法では溶浸に必要な銅量に加えて銅切れ防止のために余剰な銅を投入することが多い。これら余剰の銅は溶浸体の表面を覆うことになるが、溶浸炉の炉内温度分布や銅の表面張力の関係で一部に偏析する傾向がある。この余剰な銅相は、銅-タングステン系材料と比較して大きな線膨張係数を有することから、冷却時に溶浸体が反る原因となる。また従来の混合法による焼結法でも、溶融した銅の一部が表面に染み出して余剰な銅相を形成して焼結体が変形することとなる。 Next, looking at the obtained infiltrated body or sintered body, in the conventional infiltration method or partial infiltration method, in addition to the amount of copper required for infiltration, excess copper is added to prevent copper from breaking. There are many things to do. These excess copper covers the surface of the infiltrated body, but tends to segregate in some areas due to the temperature distribution in the infiltration furnace and the surface tension of copper. This excess copper phase has a larger coefficient of linear expansion than the copper-tungsten material, which causes the infiltrated body to warp during cooling. In addition, even in the conventional sintering method using the mixing method, a portion of the molten copper seeps out to the surface, forming an excess copper phase and deforming the sintered body.
これらの溶浸体又は焼結体から銅-タングステン系材料を研削加工やホーニング加工で取り出す際には、変形量を考慮する必要があり、材料歩留まりの低下を招く。 When extracting copper-tungsten material from these infiltrated bodies or sintered bodies by grinding or honing, it is necessary to take into consideration the amount of deformation, which leads to a reduction in material yield.
一方、固相焼結であるホットプレス法やSPS法で得られる焼結体には余剰な銅相等はないため、材料歩留まりが良い。一方、同じ固相焼結でも熱間等方圧加圧法(キャニングHIP法)を使用した場合には、銅-タングステン系材料の周囲に加圧により変形した充填容器があるため、材料歩留まりの低下を防ぐことは難しい。 On the other hand, sintered bodies obtained by solid-phase sintering such as the hot press method or the SPS method have no excess copper phase, and therefore have a good material yield. On the other hand, when hot isostatic pressing (Canning HIP) is used for solid phase sintering, there is a filling container around the copper-tungsten material that is deformed due to pressure, resulting in a decrease in material yield. It is difficult to prevent.
余剰に投入した銅による銅-タングステン系材料の反りであるが、余剰な銅相の厚さが増大すると銅-タングステン系材料と余剰な銅相との界面近くの銅相の中に銅の引け巣に基づくポアが形成されることになる。このようなポアが形成される場合、水素雰囲気下での溶浸工程に続く冷却工程では、雰囲気を水素から窒素に切り替えることにより回避することができる。 This is the warping of the copper-tungsten material due to excess copper input, but as the thickness of the excess copper phase increases, shrinkage of copper occurs in the copper phase near the interface between the copper-tungsten material and the excess copper phase. A nest-based pore will be formed. If such pores are formed, the cooling step following the infiltration step under a hydrogen atmosphere can be avoided by switching the atmosphere from hydrogen to nitrogen.
次に従来の溶浸体又は焼結体から得られた銅-タングステン系材料は、未だ緻密化する余地を残している。これは銅-タングステン系材料中に取り込んだ水素や線膨張係数がタングステンよりも大きな銅相が冷却過程で、引っ張り残留応力や微細な引け巣を生じさせるためであると思われる。 Next, copper-tungsten materials obtained from conventional infiltrated bodies or sintered bodies still have room for densification. This is thought to be because hydrogen incorporated into the copper-tungsten material and the copper phase, which has a coefficient of linear expansion larger than that of tungsten, generate tensile residual stress and fine shrinkage cavities during the cooling process.
このような銅-タングステン系材料は、固相焼結温度での熱処理を施すことにより内部エネルギーが解放されると共に密度の向上と寸法収縮が生じる。 When such a copper-tungsten material is subjected to heat treatment at a solid-state sintering temperature, internal energy is released and density is increased and dimensional shrinkage occurs.
一方、冷却工程まで加圧され、更に吸蔵されやすい水素を使用しないホットプレス法、SPS法及び熱間等方圧加圧法(キャニングHIP法)によって得られた銅-タングステン系材料は、熱処理を施す必要がない。 On the other hand, copper-tungsten materials obtained by the hot press method, SPS method, and hot isostatic pressing method (Canning HIP method), which do not use hydrogen that is pressurized until the cooling process and is likely to be occluded, are heat treated. There's no need.
実施例に基づいて、本発明を具体的に説明するが、本発明は、これらのみに限定されるものではない。 The present invention will be specifically explained based on examples, but the present invention is not limited to these examples.
[密度]
計算法又は水中法(アルキメデス法)により、各試料の密度を測定した。なお、溶浸法等で作製された試料の密度は、余剰な銅相を除去した後に測定している。
[density]
The density of each sample was measured by a calculation method or an underwater method (Archimedes method). Note that the density of the sample prepared by the infiltration method or the like is measured after removing the excess copper phase.
[相対密度]
上記のように測定した密度を焼結密度(実密度)とし、気孔や欠陥を含まないとして理論的に複合則により算出される密度を理論密度とし、両密度を[焼結密度/理論密度×100(%)]に代入することによって相対密度を算出した。
[Relative density]
The density measured as above is defined as the sintered density (actual density), and the density theoretically calculated by the compound law assuming that no pores or defects are included is defined as the theoretical density, and both densities are calculated as [sintered density / theoretical density × 100(%)] to calculate the relative density.
[ビッカース硬度(Hv10)]
JIS Z 2244に準拠して、各試料のビッカース硬度(Hv10)を測定した。
[Vickers hardness (Hv10)]
The Vickers hardness (Hv10) of each sample was measured in accordance with JIS Z 2244.
[導電率]
導電率測定装置(シグマテスト2067)により各試料の体積抵抗率を測定した。そのうえで、焼鈍標準軟銅(体積抵抗率ρ0= 1.7241×10-2μΩm)の導電率を100%IACSとして規定した場合に、本発明の試料の体積抵抗率をρとして、導電率Ec= ρ0/ρ×100で計算した。
[conductivity]
The volume resistivity of each sample was measured using a conductivity measuring device (Sigma Test 2067). Then, when the conductivity of annealed standard annealed copper (volume resistivity ρ 0 = 1.7241×10 -2 μΩm) is defined as 100% IACS, the volume resistivity of the sample of the present invention is ρ, and the conductivity E c = ρ Calculated as 0 /ρ×100.
[電極消耗]
ある厚さを持つ同一被加工物に対して、貫通加工が完了した際の電極消耗長さ(面積)を比較した。電極消耗長さが短いほど優れていると判断し、以下:
○:実施例1より電極消耗量が少ない(優れる)
△:実施例1と電極消耗量が同程度
×:実施例1より電極消耗量が多い(劣る)
のとおり評価した。
[Electrode consumption]
For the same workpiece having a certain thickness, the electrode wear length (area) was compared when the penetrating process was completed. We determined that the shorter the electrode wear length, the better, and the following:
○: Less electrode consumption than Example 1 (excellent)
△: The amount of electrode consumption is the same as in Example 1. ×: The amount of electrode consumption is greater (inferior) than in Example 1.
It was evaluated as follows.
[加工時間]
ある厚さを持つ同一被加工物に対して、貫通加工が完了するまでの加工時間を比較した。加工時間が短いほど優れていると判断し、以下:
○:実施例1より加工時間が少ない(優れる)
△:実施例1と加工時間が同程度
×:実施例1より加工時間が多い(劣る)
のとおり評価した。
[Machining time]
We compared the machining time required to complete penetrating machining for the same workpiece with a certain thickness. We determined that the shorter the processing time, the better, and the following:
○: Less processing time than Example 1 (excellent)
△: Processing time is the same as Example 1 ×: Processing time is longer than Example 1 (inferior)
It was evaluated as follows.
[線膨張係数、伸び率及び全伸び]
横型示差膨張測定(株式会社マック・サイエンス社製TD5200S使用、100%水素雰囲気中、昇温速度:5℃/min、荷重負荷:10gf)により、線膨張係数、伸び率及び全伸びを測定した。
[Linear expansion coefficient, elongation rate and total elongation]
The linear expansion coefficient, elongation rate, and total elongation were measured by horizontal differential expansion measurement (using TD5200S manufactured by Mac Science Co., Ltd., in a 100% hydrogen atmosphere, heating rate: 5° C./min, load: 10 gf).
[熱伝導率]
レーザフラッシュ法熱定数測定装置(真空理工株式会社製TC-7000型)により、大気中室温下(25℃)での比熱容量及び熱拡散率を測定した。比熱容量と熱拡散率を乗じ、更に別途測定した密度を乗じると熱伝導率が[熱伝導率=比熱容量×熱拡散率×密度]にしたがって算出される。
[Thermal conductivity]
The specific heat capacity and thermal diffusivity were measured in the atmosphere at room temperature (25°C) using a laser flash method thermal constant measuring device (Model TC-7000, manufactured by Shinku Riko Co., Ltd.). By multiplying the specific heat capacity by the thermal diffusivity and further by the separately measured density, the thermal conductivity is calculated according to [thermal conductivity=specific heat capacity×thermal diffusivity×density].
[実施例1:29.15Cu-69.15W-1.7BaWO4]
Cu粉末、W粉末(平均粒子径4.00~7.99μm)、BaWO4粉末を所定比率となるよう秤量し、シェイカーミキサーを用いた乾式混合を行い、これを混合粉末とした。この混合粉末を黒鉛ダイス型に充填し、上下パンチ型で挟み込んだ状態で装置チャンバーへ設置した。ロータリーポンプを用いてチャンバー内部を10-1Pa程度の真空雰囲気とし、その後、混合粉末に50MPaの圧力を掛けながら、室温~1030℃まで昇温時間50℃/分にて通電加熱し、最高温度1030℃にて30分間保持後炉冷を行い、300℃以下に達した時点で負荷圧力の開放及びチャンバー内部を大気圧へ開放し焼結体の取出しを行った。なお、加熱温度は黒鉛ダイス型に設置した熱電対を用いて測温した。
[Example 1: 29.15Cu-69.15W- 1.7BaWO4 ]
Cu powder, W powder (average particle size 4.00 to 7.99 μm), and BaWO 4 powder were weighed to a predetermined ratio and dry mixed using a shaker mixer to obtain a mixed powder. This mixed powder was filled into a graphite die mold, and the die was sandwiched between upper and lower punch molds and placed in the apparatus chamber. A vacuum atmosphere of approximately 10 -1 Pa is created inside the chamber using a rotary pump, and then, while applying a pressure of 50 MPa to the mixed powder, the mixed powder is heated with electricity at a heating time of 50°C/min from room temperature to 1030°C, and the temperature reaches the maximum temperature. After holding at 1030°C for 30 minutes, the furnace was cooled, and when the temperature reached 300°C or lower, the load pressure was released, the inside of the chamber was opened to atmospheric pressure, and the sintered body was taken out. The heating temperature was measured using a thermocouple installed in a graphite die.
[比較例1:Ba系化合物添加 30Cu-70W]
株式会社アライドマテリアル製の銅-タングステン系合金NEL150(ニッケル含有Cu-W系合金;SPS処理せず)を比較例1の放電加工用電極材料として使用した。なお、この比較例1の放電加工用電極材料は、製造過程でSPS処理されていない材料である。
[Comparative example 1: Ba-based compound addition 30Cu-70W]
Copper-tungsten alloy NEL150 (nickel-containing Cu-W alloy; not subjected to SPS treatment) manufactured by Allied Materials Co., Ltd. was used as the electrode material for electrical discharge machining in Comparative Example 1. Note that the electrode material for electric discharge machining of Comparative Example 1 is a material that has not been subjected to SPS treatment during the manufacturing process.
[比較例2:Ba系化合物添加 30Cu-70W]
冨士ダイス株式会社製の銅-タングステン系合金CE-08を比較例2の放電加工用電極材料として使用した。なお、この比較例2の放電加工用電極材料は、製造過程でSPS処理されていない材料である。
[Comparative example 2: Ba-based compound addition 30Cu-70W]
Copper-tungsten alloy CE-08 manufactured by Fuji Dice Co., Ltd. was used as the electrode material for electrical discharge machining in Comparative Example 2. Note that the electrode material for electrical discharge machining of Comparative Example 2 is a material that has not been subjected to SPS treatment during the manufacturing process.
[比較例3:Cr系化合物添加 30Cu-70W]
株式会社シルバーロイ製の銅-タングステン系合金を比較例3の放電加工用電極材料として使用した。なお、この比較例3の放電加工用電極材料は、製造過程でSPS処理されていない材料である。
[Comparative example 3: Cr-based compound addition 30Cu-70W]
A copper-tungsten alloy manufactured by Silverloy Co., Ltd. was used as the electrode material for electrical discharge machining in Comparative Example 3. Note that the electrode material for electrical discharge machining of Comparative Example 3 is a material that was not subjected to SPS treatment during the manufacturing process.
[実施例2:30Cu-70W、50MPa]
Cu粉末、W粉末(平均粒子径2.00~3.99μm)を所定比率(CuとWの質量比が30: 70)となるように秤量し、シェイカーミキサーを用いた乾式混合を2時間行い、これを混合粉末とした。この混合粉末を黒鉛ダイス型に充填し、上下パンチ型で挟み込んだ状態で装置チャンバーへ設置した。ロータリーポンプを用いてチャンバー内部を10-1Pa程度の真空雰囲気とし、その後、混合粉末に50MPaの圧力を掛けながら、室温から、12分かけて800℃まで昇温し、その後、5分かけて900℃まで昇温し、その後、13分かけて1030℃まで昇温するように通電加熱し、最高温度1030℃にて30分間保持後炉冷を行い、300℃以下に達した時点で負荷圧力の開放及びチャンバー内部を大気圧へ開放し焼結体の取出しを行った。なお、加熱温度は黒鉛ダイス型に設置した熱電対を用いて測温した。
[Example 2: 30Cu-70W, 50MPa]
Cu powder and W powder (average particle size 2.00 to 3.99 μm) were weighed out at a predetermined ratio (mass ratio of Cu and W: 30:70), dry mixed using a shaker mixer for 2 hours, and then mixed. It was made into a mixed powder. This mixed powder was filled into a graphite die mold, and the die was sandwiched between upper and lower punch molds and placed in the apparatus chamber. Using a rotary pump, create a vacuum atmosphere inside the chamber of about 10 -1 Pa. Then, while applying a pressure of 50 MPa to the mixed powder, the temperature was raised from room temperature to 800°C over 12 minutes, and then over 5 minutes. The temperature was raised to 900℃, then electrical heating was carried out to raise the temperature to 1030℃ over 13 minutes, the maximum temperature was maintained at 1030℃ for 30 minutes, the furnace was cooled, and when the temperature reached 300℃ or less, the load pressure was reduced. The chamber was opened and the inside of the chamber was opened to atmospheric pressure, and the sintered body was taken out. The heating temperature was measured using a thermocouple installed in a graphite die.
[実施例3:30Cu-70W、80MPa]
通電加熱する際の荷重を50MPaではなく80MPaとしたこと以外は実施例2と同様に、焼結体を作製した。
[Example 3: 30Cu-70W, 80MPa]
A sintered body was produced in the same manner as in Example 2 except that the load during electrical heating was 80 MPa instead of 50 MPa.
[実施例4:25Cu-75W、50MPa]
Cu粉末、W粉末(平均粒子径2.00~3.99μm)を所定比率(CuとWの質量比が25: 75)となるよう秤量したこと以外は実施例2と同様に、焼結体を作製した。
[Example 4: 25Cu-75W, 50MPa]
A sintered body was produced in the same manner as in Example 2, except that Cu powder and W powder (average particle size 2.00 to 3.99 μm) were weighed at a predetermined ratio (mass ratio of Cu and W 25:75). .
[実施例5:25Cu-75W、80MPa]
通電加熱する際の荷重を50MPaではなく80MPaとしたこと以外は実施例2と同様に、焼結体を作製した。
[Example 5: 25Cu-75W, 80MPa]
A sintered body was produced in the same manner as in Example 2 except that the load during electrical heating was 80 MPa instead of 50 MPa.
[実施例6:20Cu-80W、80MPa]
Cu粉末、W粉末(平均粒子径2.00~3.99μm)を所定比率(CuとWの質量比が20: 80)となるよう秤量し、通電加熱する際の荷重を50MPaではなく80MPaとし、900℃から1030℃まで26分かけて昇温したこと以外は実施例2と同様に、焼結体を作製した。
[Example 6: 20Cu-80W, 80MPa]
Cu powder and W powder (average particle size 2.00 to 3.99 μm) were weighed to a predetermined ratio (mass ratio of Cu and W 20: 80), and the load during electrical heating was 80 MPa instead of 50 MPa, and the temperature was 900°C. A sintered body was produced in the same manner as in Example 2 except that the temperature was raised from 1030° C. to 1030° C. over 26 minutes.
[実施例7:20Cu-80W、80MPa]
Cu粉末、W粉末(平均粒子径1.50~1.99μm)を所定比率(CuとWの質量比が20: 80)となるよう秤量し、通電加熱する際の荷重を50MPaではなく80MPaとし、900℃から1030℃まで26分かけて昇温したこと以外は実施例2と同様に、焼結体を作製した。
[Example 7: 20Cu-80W, 80MPa]
Cu powder and W powder (average particle size 1.50 to 1.99 μm) were weighed to have a predetermined ratio (mass ratio of Cu and W 20:80), and the load during electrical heating was 80 MPa instead of 50 MPa, and the temperature was 900°C. A sintered body was produced in the same manner as in Example 2 except that the temperature was raised from 1030° C. to 1030° C. over 26 minutes.
[比較例4:30Cu-70W、部分溶浸法]
W粉(平均粒径4.00~7.99μm)に10質量%の銅粉を混合、造粒した混合粉をプレス、脱脂、固相焼結して所定の気孔率を有した銅-タングステンスケルトンを作製し、切断した銅条を加えて溶浸した。放電加工用又は接点用の通常品として採用した。
[Comparative example 4: 30Cu-70W, partial infiltration method]
A copper-tungsten skeleton with a predetermined porosity is produced by mixing W powder (average particle size 4.00 to 7.99 μm) with 10% by mass of copper powder and granulating the mixed powder, pressing, degreasing, and solid phase sintering. Then, cut copper strips were added and infiltrated. It was adopted as a regular product for electrical discharge machining or contact points.
[比較例5:20Cu-80W、粗粒タイプ、溶浸法]
0.3質量%相当の硝酸ニッケルを液状ドープし硝酸基を熱分解したW粉末(平均粒径4.00~7.99μm)をプレス、脱脂、固相焼結して所定の気孔率のタングステンスケルトンを作製し、切断した銅条を加えて溶浸した。半導体ヒートシンク用の通常品として採用した。
[Comparative example 5: 20Cu-80W, coarse grain type, infiltration method]
A tungsten skeleton with a predetermined porosity is produced by pressing, degreasing, and solid-phase sintering W powder (average particle size 4.00 to 7.99 μm), which is doped with 0.3% by mass of nickel nitrate and thermally decomposed nitric acid groups. Cut copper strips were added and infiltrated. It was adopted as a regular product for semiconductor heat sinks.
[比較例6:20Cu-80W、キャニングHIP法]
Cu粉、W粉(平均粒径1.50~1.99μm)を乾式混合し、鉄容器に入れ、真空脱気しながらキャニングHIP処理を実施した。
[Comparative Example 6: 20Cu-80W, Canning HIP method]
Cu powder and W powder (average particle size 1.50 to 1.99 μm) were dry mixed, placed in an iron container, and subjected to canning HIP treatment while vacuum degassing.
[比較例7:サファイア標準]
横型示差膨張測定の標準附属品を使用した。
[Comparative Example 7: Sapphire standard]
Standard accessories for horizontal differential dilatation measurements were used.
[評価結果]
放電加工用電極材料用途に関する実施例1及び比較例1~3の試料の結晶組織の電子顕微鏡写真(500倍及び2000倍)による反射電子像の組成像、エネルギー分散型X線分析による元素分析の結果及び破断面の電子顕微鏡写真(2000倍及び5000倍)を図1に示す。結晶組織写真用の試料は樹脂に埋め込んだ後に鏡面研磨し、更に村上試薬で腐食して結晶粒界を明瞭にしている。なお、図1において、比較例1~2では白い粒子がタングステン、黒い粒子が銅、灰色の粒子がバリウム化合物であり、比較例3では白い粒子がタングステン、黒い粒子が銅、より黒色の強い粒子がクロム酸化物であり、粒子の色は原子番号が大きいほど白くなる。この結果、比較例2と比較して実施例1はタングステン結晶粒の大きさが大きく(平均粒径4.00~7.99μm)、且つ、角張っており、タングステン結晶粒同士のネッキングがしっかり形成されており、タングステン結晶粒同士の固着強度が高いことが理解できる。対して実施例1と比較例1のタングステン結晶粒の大きさを比較すると、実施例1の方が僅かに大きく、且つ、角張っているように観察されるが、僅かな違いであった。ところが破断面の観察から、比較例1及び比較例3ではタングステン粒子が丸みを帯びているのに対して、実施例1でそれは見受けられず、タングステン結晶粒が角張っており、タングステン結晶粒同士のネッキング形成がしっかり形成されていることが理解できる。また破断部位を比較すると、実施例1ではタングステン-タングステン結晶粒界からの破断が確認されるのに対して、比較例1及び比較例3では銅-銅結晶粒界や銅相からタングステン結晶粒が脱粒して破断した様子が観察される。このことから、比較例1は、混合法で作製された可能性が示唆されると共にタングステン結晶粒のネッキング形成がほとんどないことが窺われた。
[Evaluation results]
Composition images of backscattered electron images using electron micrographs (500x and 2000x magnification) of crystal structures of samples of Example 1 and Comparative Examples 1 to 3 regarding electrode material applications for electrical discharge machining, and elemental analysis using energy dispersive X-ray analysis. The results and electron micrographs (2000x and 5000x) of the fractured surface are shown in Figure 1. Samples for crystal structure photography are mirror-polished after being embedded in resin, and then etched with Murakami's reagent to clarify grain boundaries. In addition, in Figure 1, in Comparative Examples 1 and 2, the white particles are tungsten, the black particles are copper, and the gray particles are barium compounds, and in Comparative Example 3, the white particles are tungsten, the black particles are copper, and particles with a stronger black color. is a chromium oxide, and the color of the particles becomes whiter as the atomic number increases. As a result, compared to Comparative Example 2, the tungsten crystal grains in Example 1 were larger in size (average grain size 4.00 to 7.99 μm) and more angular, and necking between the tungsten crystal grains was firmly formed. , it can be seen that the adhesion strength between tungsten crystal grains is high. On the other hand, when comparing the sizes of tungsten crystal grains in Example 1 and Comparative Example 1, it is observed that Example 1 is slightly larger and more angular, but the difference is slight. However, from observation of the fracture surface, the tungsten particles in Comparative Examples 1 and 3 were rounded, whereas this was not observed in Example 1, and the tungsten crystal grains were angular, and the tungsten crystal grains were not close to each other. It can be seen that the necking formation is well formed. Furthermore, when comparing the fracture locations, in Example 1 it was confirmed that the fracture occurred from the tungsten-tungsten crystal grain boundary, whereas in Comparative Examples 1 and 3, the tungsten crystal grain It is observed that the particles are shed and broken. This suggests that Comparative Example 1 may have been produced by a mixing method, and it was also found that there was almost no necking formation of tungsten crystal grains.
次に、半導体用ヒートシンク用途に関する実施例2、4及び6の試料の結晶組織の電子顕微鏡写真(500倍及び2000倍)を図2に示す。試料は樹脂に埋め込んだ後に鏡面研磨し、更に村上試薬で腐食して結晶粒界を明瞭にしている。なお、図2において、白い粒子がタングステン、黒い粒子が銅であり、粒子の色は原子番号が大きいほど白くなる。この結果、いずれの試料においても、タングステン結晶粒の大きさは実施例1と比較して小さいものの(平均粒径2.00~3.99μm)、且つ、角張っており、タングステン結晶粒同士のネッキングがしっかり形成されており、タングステン結晶粒同士の固着強度が高いことが理解できる。 Next, FIG. 2 shows electron micrographs (500x and 2000x) of the crystal structures of the samples of Examples 2, 4, and 6 for semiconductor heat sink applications. The sample was embedded in resin, polished to a mirror surface, and then etched with Murakami's reagent to clarify the grain boundaries. In FIG. 2, white particles are tungsten, black particles are copper, and the color of the particles becomes whiter as the atomic number increases. As a result, in all samples, although the size of the tungsten crystal grains was smaller than that in Example 1 (average grain size 2.00 to 3.99 μm), they were also angular, and necking between the tungsten crystal grains was firmly formed. It can be seen that the adhesion strength between tungsten crystal grains is high.
実施例1の場合、電極消耗の観点から粗粒タングステン粉を使用したが、実施例2、4及び6では焼結密度の緻密化を重視して微粒タングステン粉を使用したため、全体として結晶組織が細かくなっていた。 In the case of Example 1, coarse-grained tungsten powder was used from the viewpoint of electrode wear, but in Examples 2, 4, and 6, fine-grained tungsten powder was used with emphasis on increasing the sintered density, so the overall crystal structure was It was getting finer.
次に、実施例1及び比較例1~3の試料の密度、相対密度、硬度、導電率、電極消耗及び加工時間の結果を表1に示す。この結果、密度、相対密度、硬度及び導電率は同程度であっても、粗粒タングステン粉末を用いて、SPS処理をすることで他の比較例と比較してタングステン結晶粒同士が塑性変形するとともに強固に固着しており電極消耗が抑制され、電極の消耗が比較例1~3と比較すると半分程度であった。また、加工時間については比較例1~3と比較すると1割程度減少させることができた。 Next, Table 1 shows the results of the density, relative density, hardness, electrical conductivity, electrode wear and processing time of the samples of Example 1 and Comparative Examples 1 to 3. As a result, even though the density, relative density, hardness, and electrical conductivity are the same, when coarse-grained tungsten powder is used and subjected to SPS treatment, the tungsten crystal grains deform plastically compared to other comparative examples. Moreover, the electrodes were firmly fixed and the wear of the electrodes was suppressed, and the wear of the electrodes was about half that of Comparative Examples 1 to 3. Furthermore, the processing time could be reduced by about 10% compared to Comparative Examples 1 to 3.
次に、実施例2~7の試料の密度、相対密度の結果を表2に示す。この結果、いずれの試料においても、SPS処理により相当程度の密度を確保することができた。Cuの軟化は500℃付近で起こるため、高温ではタングステン粒同士の焼結(ネック形成)によって相対密度が向上しているものと推察される。またSPS処理中の荷重を50MPaから80MPaに上げたり、タングステン粉末の平均粒径を2.00~3.99μmから1.50~1.99μmへと微粉化したりすることにより、緻密化が進んでいることがわかる。 Next, Table 2 shows the results of the densities and relative densities of the samples of Examples 2 to 7. As a result, in all samples, a considerable degree of density could be secured by SPS treatment. Since Cu softens at around 500°C, it is assumed that the relative density increases due to sintering (neck formation) between tungsten grains at high temperatures. It can also be seen that densification progresses by increasing the load during SPS treatment from 50 MPa to 80 MPa and by reducing the average particle size of the tungsten powder from 2.00 to 3.99 μm to 1.50 to 1.99 μm.
次に、実施例1及び比較例1の試料の線膨張係数を図3に示す。この結果、比較例1では800℃における線膨張係数が、500℃における線膨張係数よりも大きいのに対し、実施例1では800℃における線膨張係数が、500℃における線膨張係数よりも小さかった(約95%であった)。図1によると、実施例1と比較例1の組織写真の差は僅かであることから、線膨張係数挙動の違いは、SPS処理と従来法(破断面の観察から混合法と思われる)の違いにより生じたと考えられる。 Next, the linear expansion coefficients of the samples of Example 1 and Comparative Example 1 are shown in FIG. As a result, in Comparative Example 1, the linear expansion coefficient at 800°C was larger than that at 500°C, whereas in Example 1, the linear expansion coefficient at 800°C was smaller than the linear expansion coefficient at 500°C. (approximately 95%). According to Figure 1, there is a slight difference between the microstructure photographs of Example 1 and Comparative Example 1, so the difference in linear expansion coefficient behavior is between the SPS treatment and the conventional method (which appears to be a mixed method based on the observation of the fracture surface). It is thought that this was caused by the difference.
次に、実施例2、5及び7並びに比較例4~7の試料の線膨張係数の結果を表3及び図4~5に示す。溶浸法又は部分溶浸法で作製した試料は温度の上昇とともに線膨張係数の直線的な増加が見られたが、500℃以上の温度領域では右肩上がりに増加している。一方、SPS焼結体は600℃付近から傾きが緩やかになり、高温域での線膨張係数が低くなった。これは従来の混合法、溶浸法及び部分溶浸法で作製したものでは見られない特徴である。なお、比較例7のサファイア標準試料の場合は直線的に上昇していることから、SPS焼結体では高温域で線膨張係数が減少していることは測定装置による測定エラーではないことが理解できる。また、図5からは、SPS焼結体については銅含有量の変化によってほぼ直線的に線膨張係数の挙動が変わっている。また溶浸法又は部分溶浸法で作製した試料の500℃と800℃の線膨張係数を比較すると、800℃の線膨張係数の方が高い。一方、SPS焼結体では逆に500℃の線膨張係数の方が高い。このため、高温域で線膨張係数が減少していることはSPS焼結特有の挙動と推察される。このような挙動が見られる理由としては、固相焼結のSPS処理により、タングステン結晶粒同士の強固な三次元ネットワークが形成されていたことの証左である。つまりSPS処理では、従来のタングステンスケルトンによるタングステン結晶粒同士の固着よりも強固に固着しているため、高い線膨張係数を有する銅に対する拘束力が高いことが分かった。また、線膨張係数の拘束力は含有する銅量に依存する。 Next, the results of the linear expansion coefficients of the samples of Examples 2, 5, and 7 and Comparative Examples 4 to 7 are shown in Table 3 and FIGS. 4 to 5. For samples prepared by the infiltration method or the partial infiltration method, linear expansion coefficients were observed to increase linearly with increasing temperature, but in the temperature range of 500°C or higher, the linear expansion coefficients increased steadily. On the other hand, the slope of the SPS sintered body became gentle from around 600℃, and the coefficient of linear expansion in the high temperature range became low. This is a feature that cannot be seen in products produced by conventional mixing methods, infiltration methods, and partial infiltration methods. In addition, in the case of the sapphire standard sample of Comparative Example 7, it increases linearly, so it is understood that the decrease in linear expansion coefficient in the high temperature range of the SPS sintered body is not a measurement error caused by the measuring device. can. Moreover, from FIG. 5, the behavior of the coefficient of linear expansion of the SPS sintered body changes almost linearly depending on the change in copper content. Furthermore, when comparing the linear expansion coefficients at 500°C and 800°C of samples prepared by the infiltration method or the partial infiltration method, the linear expansion coefficient at 800°C is higher. On the other hand, the SPS sintered body has a higher coefficient of linear expansion at 500°C. Therefore, it is assumed that the decrease in the linear expansion coefficient in the high temperature range is a behavior unique to SPS sintering. The reason for this behavior is that a strong three-dimensional network of tungsten crystal grains was formed by the solid-phase sintering SPS process. In other words, in SPS treatment, tungsten crystal grains are more firmly fixed to each other than in the conventional tungsten skeleton, so it has been found that the binding force against copper, which has a high coefficient of linear expansion, is high. Furthermore, the constraint on the coefficient of linear expansion depends on the amount of copper contained.
次に、実施例2、5及び7並びに比較例4~7の試料の伸び率の結果を図6~8に示す。この結果、溶浸法又は部分溶浸法で作製した比較例4及び5では温度の上昇とともに伸び率がほぼ直線形的に上昇し、500℃以上の温度領域では右肩上がりに増加している。対して、実施例2、5及び7では高温域(700~900℃)では伸び率の上昇が抑制されていた。このことは、実施例2、5及び7ではSPS処理によりタングステン粒子同士がより強固に固着している(ネッキングしている)ことが示唆される。なお、キャニングHIP法を採用した比較例6の場合も、高温域(700~900℃)での伸び率の上昇が抑制されているものの、SPS処理を採用した実施例7の場合は高温域(700~900℃)での伸び率の上昇がさらに抑制されていた。このため、SPS処理を採用することで、キャニングHIP法を採用した場合と比較しても、タングステン粒同士がより強固に固着している(ネッキングしている)ことが示唆される。これはキャニングHIP法の場合、加熱と静水圧による固相焼結であるのに対して、SPS処理法ではプラズマによるネッキング形成が更に加味されるからであると考えられる。 Next, the elongation percentage results of the samples of Examples 2, 5, and 7 and Comparative Examples 4 to 7 are shown in FIGS. 6 to 8. As a result, in Comparative Examples 4 and 5, which were manufactured using the infiltration method or the partial infiltration method, the elongation rate increased almost linearly as the temperature increased, and increased upward in the temperature range of 500°C or higher. . On the other hand, in Examples 2, 5, and 7, the increase in elongation rate was suppressed in the high temperature range (700 to 900°C). This suggests that in Examples 2, 5, and 7, the tungsten particles were more firmly stuck to each other (necking) due to the SPS treatment. In addition, in the case of Comparative Example 6 that adopted the Canning HIP method, the increase in elongation rate in the high temperature range (700 to 900°C) was also suppressed, but in the case of Example 7 that adopted the SPS treatment, the increase in the elongation rate in the high temperature range ( The increase in elongation rate at temperatures (700 to 900℃) was further suppressed. For this reason, it is suggested that by employing SPS treatment, the tungsten grains are more firmly stuck to each other (necking) than when the Canning HIP method is employed. This is thought to be because in the case of the Canning HIP method, solid-phase sintering is performed by heating and hydrostatic pressure, whereas in the SPS processing method, necking formation by plasma is further taken into consideration.
半導体ヒートシンクでは表面にニッケルめっき等を施して耐食性の向上を図っているが、従来の溶浸法で作製した銅-タングステン系合金はニッケルめっきの焼き締め工程で収縮することが知られており、収縮率を見込んで大きめに製品を作製する等の対策が取られている。この収縮挙動は、非常に大きな製品を作製する必要がある場合は、前述のような対策を取らないと製品の寸法不良が発生する原因となる。表3では、銅-タングステン系合金を10℃/分で昇温して900℃に到達すれば自然冷却するという加熱条件によって生じる収縮率を示している。従来の溶浸法で作製した比較例5では0.11%収縮したのに対して、SPS焼結により作製した実施例では収縮率は0.01%に過ぎなかった。 Semiconductor heat sinks are coated with nickel plating on the surface to improve their corrosion resistance, but copper-tungsten alloys made by conventional infiltration methods are known to shrink during the nickel plating baking process. Countermeasures are being taken, such as making products larger in anticipation of the shrinkage rate. This shrinkage behavior will cause dimensional defects in the product if the above-mentioned measures are not taken when it is necessary to manufacture a very large product. Table 3 shows the shrinkage rate caused by heating conditions in which the copper-tungsten alloy is heated at a rate of 10°C/min and cooled naturally when it reaches 900°C. Comparative Example 5 produced by the conventional infiltration method had a shrinkage of 0.11%, whereas Example produced by SPS sintering had a shrinkage rate of only 0.01%.
SPS処理によって作製された銅-タングステン系合金では、このような収縮挙動はほとんどみられず、前述のような対策なしに精密加工が可能であることを示している。 Copper-tungsten alloys fabricated by SPS treatment rarely exhibit such shrinkage behavior, indicating that precision machining is possible without the above-mentioned measures.
熱処理試験による試料収縮の有無は、銅-タングステン系合金の熱膨張及び収縮において、大きな寄与がある銅相の挙動により生じた可能性が高い。降温過程において試料は全体として収縮するが、線膨張係数が小さなタングステン相と比較して、線膨張係数の大きな銅相は銅-タングステン系合金の中で引っ張り残留応力が生じることが考えられる。この引っ張り残留応力により、銅-タングステン系合金の中に微細な欠陥が生じると共に熱処理試験によって収縮する余地が生じたのではないかと考えられる。この現象は大気圧下で処理される溶浸法、部分溶浸法及び混合法で発生する。対して、加圧下で処理されるSPS法及びキャニングHIP法では、降温時に生じる引っ張り残留応力が周囲からの加圧によってキャンセルされることにより、試料の収縮が生じなかったのではないかと考えられた。 The presence or absence of sample shrinkage during the heat treatment test is likely caused by the behavior of the copper phase, which makes a large contribution to the thermal expansion and contraction of copper-tungsten alloys. Although the sample as a whole contracts during the cooling process, it is thought that the copper phase, which has a large coefficient of linear expansion, causes tensile residual stress in the copper-tungsten alloy compared to the tungsten phase, which has a small coefficient of linear expansion. It is thought that this tensile residual stress caused microscopic defects in the copper-tungsten alloy and created room for shrinkage during the heat treatment test. This phenomenon occurs in infiltration methods, partial infiltration methods and mixing methods which are processed under atmospheric pressure. On the other hand, in the SPS method and Canning HIP method, which are processed under pressure, it is thought that the tensile residual stress that occurs during cooling is canceled by the pressure from the surroundings, so that the sample does not shrink. .
次に、実施例2、4、5及び7の試料の熱伝導率及び導電率の測定結果を表4に示す。また参考のために、タングステン及び銅の熱伝導率及び導電率を金属データブックより引用して記載した。 Next, Table 4 shows the measurement results of the thermal conductivity and electrical conductivity of the samples of Examples 2, 4, 5, and 7. For reference, the thermal conductivity and electrical conductivity of tungsten and copper are quoted from the Metal Data Book.
熱伝導率は銅含有率が25質量%までの実施例2、4及び5では、体積比による理論値との差は大きくないが、銅含有率が20質量%の実施例7では大きく低下して、体積比による理論値との差が大きく乖離している。この傾向は、導電率についても同様である。その原因としては試料の緻密化不足が考えられる。表2を参照すると、実施例2、4、5及び7の相対密度は各々98.5%、97.7%、98.0%及び97.4%であり、試料の緻密化不足によることが確認された。 In Examples 2, 4, and 5 where the copper content is up to 25% by mass, the thermal conductivity differs from the theoretical value depending on the volume ratio, but it decreases significantly in Example 7 where the copper content is 20% by mass. Therefore, the difference from the theoretical value due to the volume ratio is large. This tendency is the same for electrical conductivity. The reason for this is thought to be insufficient densification of the sample. Referring to Table 2, the relative densities of Examples 2, 4, 5, and 7 were 98.5%, 97.7%, 98.0%, and 97.4%, respectively, and it was confirmed that this was due to insufficient densification of the samples.
Claims (10)
前記銅-タングステン系合金は、前記銅-タングステン系合金の総量を100質量%として、15~45質量%の銅と、残部のタングステン及び不可避金属元素からなり、且つ、タングステンの含有量が55~85質量%である銅-タングステン系合金であり、
前記銅-タングステン系合金は、タングステン結晶粒の平均粒径が0.6~16μmであり、前記銅-タングステン系合金は、800℃における線膨張係数が、500℃における線膨張係数よりも小さい、放電加工用電極材料又は半導体用ヒートシンク。 An electrode material for electric discharge machining or a heat sink for semiconductors made of a copper-tungsten alloy,
The copper-tungsten alloy consists of 15 to 45% by mass of copper, with the remainder being tungsten and unavoidable metal elements, and the content of tungsten is 100% by mass. is a copper-tungsten alloy with a content of 55 to 85% by mass,
The copper-tungsten alloy has tungsten crystal grains having an average grain size of 0.6 to 16 μm, and the copper-tungsten alloy has a coefficient of linear expansion at 800°C smaller than a coefficient of linear expansion at 500°C. electrode material or heat sink for semiconductors.
前記銅-タングステン系合金は、前記銅-タングステン系合金の総量を100質量%として、15~45質量%の銅と、0.3~3質量%のアルカリ土類金属酸化物と、残部のタングステン及び不可避金属元素からなり、且つ、タングステンの含有量が54.7~82質量%である銅-タングステン系合金であり、
前記銅-タングステン系合金は、タングステン結晶粒の平均粒径が2~16μmであり、前記銅-タングステン系合金は、800℃における線膨張係数が、500℃における線膨張係数よりも小さい、放電加工用電極材料。 An electrode material for electrical discharge machining made of a copper-tungsten alloy,
The copper-tungsten alloy contains 15 to 45 mass % copper, 0.3 to 3 mass % alkaline earth metal oxide, and the remainder tungsten and A copper-tungsten alloy consisting of inevitable metal elements and having a tungsten content of 54.7 to 82% by mass,
The copper-tungsten alloy has tungsten crystal grains having an average grain size of 2 to 16 μm, and the copper-tungsten alloy has a coefficient of linear expansion at 800°C smaller than that at 500°C. electrode material.
銅粉末と、タングステン粉末とを含有する原料粉末を混合し、固相焼結条件で放電プラズマ焼結処理する工程
を備え、
前記タングステン粉末の平均粒子径が0.6~16μmである、製造方法。 A method for manufacturing an electrode material for electric discharge machining or a heat sink for semiconductor according to any one of claims 1 to 3, comprising:
A process of mixing raw material powder containing copper powder and tungsten powder and subjecting it to discharge plasma sintering under solid phase sintering conditions,
A manufacturing method, wherein the tungsten powder has an average particle size of 0.6 to 16 μm.
銅粉末と、タングステン粉末と、タングステン酸アルカリ土類金属粉末とを含有する原料粉末を混合し、固相焼結条件で放電プラズマ焼結処理する工程
を備え、
前記タングステン粉末の平均粒子径が2~16μmである、製造方法。 A method for producing an electrode material for electrical discharge machining according to any one of claims 4 to 6,
A step of mixing raw material powder containing copper powder, tungsten powder, and alkaline earth metal tungstate powder and subjecting it to discharge plasma sintering under solid phase sintering conditions,
A manufacturing method, wherein the tungsten powder has an average particle size of 2 to 16 μm.
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