(57)【要約】  本明細書では、線に使用するための合金材料を形成する方法が開示される。この方法は、鉛及び銀を含む母合金を形成することと、母合金、追加の鉛及び第３の材料を容器内で合わせることによって、溶融線合金を生成することと、を含む。この方法はまた、アルゴンガスを溶融線合金を通して、かつその上に流すことも含む。この方法はまた、溶融合金を容器から能動的に冷却されたダイスを通して引き出すことと、溶融線合金を凝固させて線合金の棒を形成することと、も含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
線に使用するための合金材料を形成する方法であって、
鉛及び銀を含む母合金を形成することと、
前記母合金、追加の鉛、及び第３の材料を容器内で合わせることによって溶融線合金を生成することと、
アルゴンガスを、前記溶融線合金を通してかつその上に流すことと、
前記溶融線合金を前記容器から能動的に冷却されたダイスを通して引き出すことと、
前記溶融線合金を凝固させて、線合金の棒を形成することと、を含む、方法。
【請求項２】
前記第３の材料がスズである、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記溶融線合金を生成することが、前記母合金と、前記第３の材料と、ドーパントと、を合わせることを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記線合金が、約３１０℃の融点を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記母合金が、約７８．０重量％の鉛及び約２２．０重量％の銀を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記溶融線合金を引き出すことが、前記線合金棒の全体にわたって、鉛、銀及び前記第３の材料の均一な濃度を形成するように選択された速度で前記溶融線合金を冷却することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記線合金の棒が、前記線合金棒の長さに沿ってかつ直径に沿って、前記鉛、前記銀、及び前記第３の材料の均一な濃度を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記線合金の棒が、約９５．５重量％〜約９７．５重量％の鉛、約１．５重量％〜約２．５重量％の銀、及び約１．０重量％〜約２．０重量％のスズを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
線に使用するための合金を形成する方法であって、
第１の金属と第２の金属とを溶融して合わせて母合金を形成することであって、前記第１の金属が、第１の融点を有し、前記第２の金属が、第２の融点を有し、前記母合金が、約４６０℃〜約６５０℃の融点を有する、形成することと、
前記母合金を、第３の金属と、追加量の前記第１の金属及び第２の金属のうちの少なくとも１つとを合わせることによって、溶融線合金を形成することと、
前記溶融線合金を、アルゴンガスを含む容器中で混合することと、
前記溶融線合金を、ダイスを通して引き出しながら冷却して線合金棒を形成することと、を含む、方法。
【請求項１０】
前記線合金棒が、約９５．５重量％〜約９７．５重量％の鉛、約１．５重量％〜約２．５重量％の銀、及び約１．０重量％〜約２．０重量％のスズを含む、請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、線を製作する際に使用するための金属及び金属合金に関する。より具体的には、本開示は、金属及び金属合金を線に形成する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
接合線としても知られている細線は、半導体素子上の電極を外部端子に接続するための集積回路用途において一般的に使用されている。例えば、好適な細線は、約０．０２０インチ（０．５０８マイクロメートル）〜０．０８０インチ（２．０３２マイクロメートル）の線直径を有することができる。接合線は、熱圧縮接合技術を使用して接合することができる。例えば、表面張力によって接合線の前縁を加熱して球を形成することができる。次いで、球は、半導体素子の電極上に圧縮接合することができる。その後、接合線は、例えばウェッジボンドによって外部導線に直接接合される。
【０００３】
好適な接合線は、鉛（Ｐｂ）又は鉛合金で作ることができる。鉛接合線は、材料コストが低く、優れた導電性を有する。しかしながら、鉛接合線の酸化は、典型的には、接合強度を低下させる。
【０００４】
金属細線の組成及び材料特性の均一性を保証するために、金属又は金属合金で製作された細線が厳しい公差で製造される。金属又は金属合金線は、しばしば、不連続部、材料分離、又は材料勾配などの欠陥を生じやすい。線の製造中に起こり得る１つの問題は、線を形成する材料内に不連続部が形成されることである。不連続部の例には、空隙、膨れ、亀裂、及び材料全体にわたる多孔度の変化、ならびに固体介在物又は不純物が含まれる。線内の不連続部は、線の更なる加工、輸送又はハンドリング中に線が破損する可能性がある。線がはんだとして使用される場合、不純物のような固体介在物は、はんだ上に付着した不純物の粒子をもたらす可能性がある。
【０００５】
垂直型のブックモールドを使用した開放大気鋳造は、金型内での凝固のために合金中に空隙が形成されることにつながる可能性がある。空隙や介在物を含む合金線は、後に線を使用する場合、例えば半導体素子の電極をはんだ付けするために使用される場合に、しばしばスパーク又はスピッティングの問題を引き起こす。空隙又は介在物を含む合金線は、空隙又は介在物の位置で破壊する傾向がある。断線が頻繁に起こると、生産歩留りが低下する。
【０００６】
付加的に、金属合金内の分離は、鋳造金属合金の個々の成分の濃度の局部的変化をもたらす可能があり、線の長さに沿って、半径方向又は両方向に生じ得る。局所的な濃度の差は、細線の弱化につながる可能性がある。鋳造金属合金の個々の成分の分離又は不均一な濃度もまた、材料特性勾配を生じさせる可能性がある。個々の成分は、溶融温度又は熱膨張係数などの異なる材料特性を有することがあるので、同一のプロセスパラメータは、細線の様々な部分に不一致の影響をもたらし、好適な加工パラメータを予測することが困難になる。
【０００７】
したがって、空隙、介在物及び分離を、実質的に含まない合金線を形成する方法が必要とされている。
【発明の概要】
【０００８】
本明細書では、線に使用するための合金材料を形成する方法が開示される。この方法は、鉛及び銀を含む母合金を形成することと、母合金、追加の鉛及び第３の材料を容器内で合わせることによって溶融線合金を生成することと、を含む。この方法はまた、アルゴンガスを溶融線合金を通してかつその上に流すことを含む。この方法はまた、溶融合金を容器から能動的に冷却されたダイスを通して引き出すことと、溶融線合金を凝固させて線合金の棒を形成することと、を含む。
【０００９】
本明細書で開示されるのは、線に使用するための合金を形成する方法である。この方法は、第１の融点を有する第１の金属及び第２の融点を有する第２の金属を選択することを含む。この方法はまた、第１及び第２の金属を溶融することと、約４６０℃〜約６５０℃の融点を有する母合金を形成するために第１の金属と第２の金属とを合わせることと、を含む。この方法は更に、母合金を、第３の金属と、第１の金属及び第２の金属のうちの少なくとも１つの追加量とを合わせることと、アルゴンガスを含む容器中で溶融線合金を混合することによって溶融線合金を形成することと、を含む。この方法は、溶融線合金をダイスを介して引き出しながら冷却して線合金棒を形成することを更に含む。
【００１０】
多数の実施形態が開示されるが、それでもなお当業者には、本発明の例示的実施形態を示し、説明する以下の詳細な説明から、本発明の他の実施形態が明らかになるであろう。したがって、図面及び詳細な説明は、制限的なものではなく、本質的に実例とみなされるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本開示の方法において使用され得る連続鋳造機械の概略図である。
【図２】いくつかの実施形態による、本開示の方法を示すフロー図である。
【図３】鉛及び銀系の相図ある。
【図４】本開示の方法を使用して形成された線合金棒の概略図である。
【図５】本開示の方法を使用して形成された線の走査型電子顕微鏡で撮影された高分解能二次電子画像である。
【図６】本開示の方法を使用して形成された線の走査型電子顕微鏡で撮影された高分解能二次電子画像である。
【図７】公知の方法を使用して形成された線合金棒の概略図である。
【図８】公知の方法を使用して形成された線合金棒の写真である。
【図９Ａ】既知の方法を使用して形成された線合金棒のデジタル顕微鏡画像である。
【図９Ｂ】既知の方法を使用して形成された線合金棒のデジタル顕微鏡画像である。
【図１０】既知の方法を使用して形成された線の走査型電子顕微鏡で撮影された高分解能二次電子画像である。
【図１１Ａ】既知の方法を使用して形成された線の走査型電子顕微鏡で撮影された高分解能二次電子画像である。
【図１１Ｂ】既知の方法を使用して形成された線の走査型電子顕微鏡で撮影された高分解能二次電子画像である。
【図１２】既知の方法を使用して形成された線の走査型電子顕微鏡で撮影された高分解能二次電子画像である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本明細書で開示されるのは、線材料全体にわたって均一な合金組成を有する金属合金線を形成する方法である。本明細書に開示された方法を使用して形成された金属線は、空隙、膨れ及び介在物を実質的に含まないようにすることができる。空隙は、凝固中に鋳造する際に生じる収縮キャビティである。膨れは、その上に鋳造物の表面に現れる金属の薄い膜を持つ浅い吹き付けである。介在物は、金属合金マトリックス中の非金属材料である。非金属材料の源には、再酸化物、耐火物、スラグ及び脱酸素生成物が含まれる。本明細書に開示された方法を使用して形成された金属線は、より均一性が高く、したがって、代替の鋳造方法を使用して形成された金属線と比較して、破壊しにくい。
【００１３】
開示された方法に従って形成された金属線はまた、分離が低減されるか又は全く無くすことができる。分離又は合金の分離は、金属合金の個々の成分が、通常は、残りの液体中の他の元素（複数可）と１つの元素の一次結晶化の結果として、合金内でタイプによって一緒にグループ化する現象を指す。分離は、個々の成分の合金内の局所的な濃度変化をもたらす。すなわち、合金の個々の成分、すなわち合金を形成する金属又はドーパントが集まって、局所的な濃度の増加したクラスターを形成する。分離が生じると、線合金成分の濃度は、線の長さに沿って、又は線の幾何学的中心から外側線表面まで変化し得る。線は、多角形（すなわち、三角形、正方形、長方形など）、楕円形、又は不規則なものなど、円形及び非円形を含む任意の断面形状を有することができる。円形断面の幾何学的中心は、放射状の中心になり、それ以外の正多角形、楕円形、又は不規則な断面の場合、幾何学的中心は、断面の重心になる。したがって、線合金成分の濃度は、線の長さ及び断面に沿って変化し得る。
【００１４】
本明細書で説明するように、破壊が少なく、空隙、介在物及び／又は分離を実質的に含まない合金線は、最初に母合金を形成し、続いて不活性雰囲気中で水平連続鋳造することによって形成することができる。
【００１５】
いくつかの実施形態では、本明細書に開示される方法は、主成分として鉛（Ｐｂ）、銀（Ａｇ）及びスズ（Ｓｎ）を含み、Ｐｂ／Ａｇ／Ｓｎ合金又はＰＡＳ合金、もしくはＰＡＳ線合金と称され得る金属合金に関する。いくつかの実施形態では、ＰＡＳ線合金は、９４．０重量％〜９８．０重量％のＰｂ又は９５．０重量％〜９７．０重量％のＰｂ、１．０重量％〜３．５重量％のＳｎ又は１．５重量％〜３．０重量％のＡｇ、及び０．５重量％〜３．０重量％のＳｎ又は１．０重量％〜２．０重量％のＳｎを含むことができる。
【００１６】
本明細書ではＰＡＳ合金について説明するが、本明細書に記載の方法を使用して、任意のはんだ合金を製作することができる。より具体的には、本明細書で開示される方法は、空隙、介在物、分離、及び膨れに対する敏感なはんだ線に使用される任意の合金に使用され得る。例えば、本明細書で開示される方法は、鉛、スズ、銀、インジウム、アンチモン、銅、リン、アルミニウム、ビスマス、金、シリコン、テルル、ゲルマニウム及びそれらの組み合わせを含むはんだ合金を形成するために使用され得る。
【００１７】
いくつかの実施形態では、本明細書で開示される方法は、ドープされる金属合金に関する。いくつかの実施形態では、好適なドーパントをＰＡＳ合金に添加して、ＰＡＳ合金金属成分の酸素に対する親和性を低減し、それによって金属酸化物の生成を低減することができる。酸素親和性は、酸素に結合する元素又は化合物の選択の尺度である。元素の酸素親和性は、ＣＲＣ  Ｈａｎｄｂｏｏｋ  ｏｆ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  ａｎｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓのような参考文献に記載されている物理的性質である。好適なドーパントは、後述する目的のために、鉛、スズ又は銀のいずれよりも高い酸素親和性を有することができる。好適なドーパントの例としては、リン、カルシウム、及びアルミニウムが挙げられるが、これらに限定されない。ＰＡＳ線合金は、約２００ｐｐｍ以下のドーパントを含むことができ、又は他の実施形態では、約１００ｐｐｍ以下のドーパント、更に他の実施形態では、約５０ｐｐｍ以下のドーパントを含むことができる。前述のドーパントのうちの任意の２つ以上の組み合わせも可能であり、例えば、線は、リン及びカルシウムを含み、上述のような全ドーパントの量を含むことができる。いくつかの実施形態では、Ｐは、約５０．０パーツパーミリオン（ｐｐｍ）の量でＰＡＳ線合金に添加することができる。
【００１８】
図１は、線合金の水平鋳造のために本明細書に開示される方法の特定の実施形態と共に使用され得る鋳造システム８０の概略図である。図１に示すように、鋳造システム８０は、鋳造チャンバ８４内の圧力変化に耐えるように構成された鋳造チャンバ８４を含むことができる。鋳造チャンバ８４はまた、線合金を加工するために使用される鋳造チャンバ８４に接続されるか、又はその内部に追加の装置を含むことができる。例えば、鋳造チャンバ８４は、鋳造中に線合金９４を保持するために使用される坩堝８６を含むことができる。坩堝８６は、線合金成分を溶融するのに必要な高温に耐えるように構成することができる。坩堝８６はまた、線合金９４内の酸化物形成を抑制する材料から構成されてもよい。好適な坩堝材料のいくつかの例は、グラファイト、石英、及びセラミックを含む。坩堝８６はまた、坩堝８６及びその内容物に熱エネルギーを供給するための加熱要素８８を含むことができる。加熱要素８８は、坩堝８６の内容物を溶融するために使用されてもよい。例えば、母合金を含む線合金９４の成分、及び線合金９４に含まれる他の金属又はドーパントは、坩堝８６内に載置され、次いで溶融されてもよい。
【００１９】
図１に示すように、鋳造システム８０は、鋳造チャンバ８４に取り付けられた真空ポンプ９０も含むことができる。真空ポンプ９０を使用して、鋳造プロセスの前及び／又は鋳造プロセス中に鋳造チャンバ８４からガスを除去することができる。鋳造システム８０はまた、特定のガスを鋳造チャンバ８４の内部に供給するためのガス入力９２を有することができる。ガス入力９２は、坩堝８６の内部に接続されて、坩堝８６内に収容された材料内にガスを運ぶことができる。例えば、線合金を形成するための成分は、固体又は液体として坩堝８６内に載置されてもよく、鋳造チャンバ８４は、ドア９６を閉じることによって密閉されてもよい。鋳造チャンバドア９６が閉じられると、真空ポンプ９０は、鋳造チャンバ８４の内部にある任意のガスを除去して、チャンバ８４内に真空を生成することができる。坩堝８６内の線合金成分が固体である場合、加熱要素８８は、鋳造プロセス全体にわたって、成分を溶融し、線合金成分を溶融物９４として維持することができる。
【００２０】
ガス入力９２を使用して、不活性ガスは、坩堝８６内の溶融線合金９４を通してガスを発泡させることによって、鋳造プロセスの間に溶融線合金９４に導入することができる。選択された不活性ガスは、溶融線合金９４を通して発泡した後、溶融線合金９４の上に不活性ガスの層９８を形成するために、空気よりも重いものであってもよい。例えば、線合金９４が溶融すると、不活性ガスが溶融線合金９４を介し発泡し、チャンバ８４内に集まり、溶融線合金９４の上に層９８を形成することができる。不活性ガスを溶融線合金９４を通して発泡させることは、鋳造プロセス全体にわたって溶融線合金９４を攪拌に使用することもできる。溶融線合金９４を撹拌することは、溶融線合金９４が局部的な濃度差を有する領域に沈殿するのを防止することによって、鋳造中の分離を防止するのに役立ち得る。他の利点には、溶融線合金９４を通して発泡する不活性ガスが酸素を流出させ、鋳造チャンバ８４の内部の酸素を置換することが含まれる。鋳造チャンバ８４から酸素を除去することにより、溶融線合金９４が鋳造プロセス中に酸化することが更に防止される。線合金９４が鋳造されている間に酸化を防止することにより、酸化物不純物の形成を抑制し、凝固した線合金中に介在物が形成されるのを防止する。いくつかの実施形態では、鋳造チャンバ８４に不活性ガスを導入するための２つ以上のガス入力があってもよい。例えば、ガス入力９２は、混合のために使用される坩堝８６の底部に又はダイス１００を通して不活性ガスを導入することができ、第２のガス入力１１４を使用して不活性ガスを鋳造チャンバ８４の上部に導入して酸素反応を低減するためのカバーガスとして作用することができる。使用され得る不活性ガスのいくつかの例には、空気よりも重い任意の希ガスが含まれる。いくつかの実施形態では、相対コストのためアルゴン（Ａｒ）が好適であり、空気よりも重い。
【００２１】
溶融線合金９４は、溶融線合金９４の一部をダイス１００を通して引き出すことによって鋳造される。鋳造チャンバ８４は、坩堝８６をダイス１００に接続するシュート１０２を含むことができる。ダイス１００は、ダイス１００を出る前に溶融線合金９４を冷却して凝固させる冷却ゾーン１０４を含むことができる。冷却ゾーン１０４では、冷却流体１０６が循環されて溶融線合金９４から熱を引き出し、溶融線合金を凝固温度以下に冷却する。ダイス１００を通して循環される冷却流体１０６は、ダイス１００及び冷却ゾーン１０４に能動的に冷却する。冷却流体１０６は、ダイス１００及びダイス１００内の線合金の熱を回収し、したがって、ダイス１００は、冷却流体１０６によって能動的に冷却される。引き出しを開始するために、引き出し棒１１２が、ダイス１００に載置され、矢印１１０で示す方向にダイス１００を通して固体線合金の最初の部分を引っ張るために使用され得る。固体線合金の最初の部分がダイス１００を通して引き出されると、ダイス１００は、坩堝８６からシュート１０２を通して流れる溶融線合金で再び充填され、次に、また、冷却ゾーン１０４で凝固し、先に形成された固体線合金を引っ張ることによってダイス１００を通して引き出される。凝固した線合金をダイス１００から連続的に引っ張ることにより、より多くの溶融線合金がダイス１００を通して引き出され、そこで凝固して引き出すことができる。このプロセスは、連続的に実施され、固体線合金棒を形成する。例えば、引き出しプロセスは、十分な長さの固体線合金棒が形成されるまで、均一な速度で継続される。いくつかの実施形態では、引き出し速度は、熱を線合金から引き出して、線合金全体にわたって合金成分の均一な濃度を生成する速度で線を冷却させる速度に一致するように調整される。例えば、引き出し速度は、冷却速度と一致するように調整されて、線合金棒の長さ及び直径に沿ってＰｂ、Ａｇ及びＳｎの均一な濃度を有する固体線合金棒を生成することができる。いくつかの実施形態では、引き出しプロセスは、溶融線合金９４が消費されるまで行われてもよい。ダイス１００は、円形の断面形状を有する線合金棒を製造するように成形することができるが、正方形又は長方形のような任意の断面形状も形成することができる。
【００２２】
いくつかの実施形態では、ダイス１００は冷却流体１０６として水を使用する。溶融線合金が坩堝８６を出ると、急速に冷却されて固体が形成される。この固体線合金は、引き出しによってダイス１００から引っ張り出される。引き出し速度は制御可能であり、特定の合金については好適な速度に変更することができる。冷却速度は、冷却流体１０６の流量によって設定される。引き出し速度と長さも制御可能である。例えば、固体線合金をダイス１００から引き出して棒を形成することができる。いくつかの実施形態では、棒はある距離だけ引き出されてもよく、その後遅延が続き、棒が別の距離だけ引き出され、更に遅延が続いてもよい。このサイクルは、鋳造チャンバ８４内の全ての線合金が引き抜かれるまで繰り返されてもよい。各々の引き出しの間に遅延時間を設けることによって、凝固速度は、潜在的な空隙が次の引き出しの前に溶融線合金で充填されるように制御され得る。潜在的な空隙の場所を充填することを可能にしながら連続的に鋳造及び引き出しを行うこの方法は、分離及び空隙形成を抑制する好適な凝固速度を提供する。連続鋳造は、線合金が十分に混合されている間に線合金を凝固させることによって分離を抑制するが、空隙が充填されるのに好適な時間を与えることによって空隙形成も防止する。例えば、棒は、約０．２０〜０．３０インチの距離に引き出されてもよく、その後約５秒の遅延があり、続いて棒が更に約０．２０〜０．３０インチだけ引き出され、更に５秒の遅延が続く。
【００２３】
図２は、ＰＡＳ合金線を形成する方法２００の実施形態を示すフロー図である。第１のステップ２０８は、母合金を形成することである。母合金は、線合金の２つの成分の少なくとも一部を合わせることによって生成される。いくつかの例では、母合金の２つの成分は、線合金中で最高の濃度を有する成分であり得る。付加的に又は代替的に、母合金のために選択される２つの成分は、融点の差が最も大きい線合金の成分であり得る。以下に説明する実施形態では、説明のために使用される２つの成分は、Ａｇ及びＰｂである。
【００２４】
いくつかの実施形態では、母合金を形成する２つの成分の比率は、２つの成分混合物の相図を使用して選択することができる。図３は、Ａｇ／Ｐｂ混合物の相図７２を示す。選ばれた比率は、例えば、特定の融点に基づいて選択することができる。例えば、比率は、より高い融点を有する合金成分の融点の約半分の融点を有する比率を選ぶことによって選択することができる。どの比率を使用するかの選択もまた、より低い融点の選択と他の要因との間のバランスを表す。例えば、Ａｇ／Ｐｂ相図では、図のＰｂ側に向かって溶融温度が低下する。しかしながら、高濃度のＰｂを有する母合金を使用すると、より高い鉛酸化物が形成される可能性がある。この例では、Ａｇは、約９６１．８℃でより高い融点を有する。図７を参照すると、Ａｇ／Ｐｂ相図は、例の目的のために選択された点６４、すなわち約５５０℃の融点を有する比率として選択された９６１．８℃の約半分の融点を有する組成を示す。この点７４において、Ｐｂに対するＡｇの重量パーセントは、それぞれ約７８重量％〜２２重量％である。例えば、母合金は、６０．０重量％〜９０．０重量％、７０．０重量％〜８０．０重量％、又は７２．０重量％〜７８．０重量％のＰｂ及びこの範囲内の任意の値を含むことができる。母合金は、４０．０重量％〜１０．０重量％、３０．０重量％〜２０．０重量％、又は２８．０重量％〜２２．０重量％及びこの範囲内の任意の値のＡｇを含むことができる。これらの範囲内の重量パーセントで形成された母合金は、約４６０℃〜約６５０℃の融点を有する。
【００２５】
いくつかの実施形態では、線合金内、この場合はＡｇ、の最高融点成分の全てを母合金に添加することができる。最高融点成分は、線合金に使用されるバルク金属、すなわち線合金中で最も高い重量パーセントを形成する成分と混合することができる。例えば、ＰＡＳ合金では、Ａｇは最も高い融点を有するため、線合金に添加されるＡｇの全てが最初に母合金に添加される。そして、Ｐｂは、最終合金のバルク成分であるため、この例ではＰｂを使用して母合金を形成する。
【００２６】
最初に母合金を形成することは、融点の差が大きい成分からなる線合金の形成を助ける。母合金の組成は、母合金の融点を最高融点成分の融点の約半分に低下させるように設計されている。いくつかの実施形態では、母合金を形成するための候補を選ぶ１つの基準は、２５％を超える融点差を有する２つの要素を選択することである。例えば、ＰＡＳ合金の母合金では、Ａｇは、融点が９６１℃であり、Ｐｂは、融点が３２７℃である。いくつかの実施形態では、Ｓｎ及びＡｇを用いて母合金を形成することができる。また、Ａｇの融点は９６１℃、Ｓｎの融点は２３１℃であるため、ＡｇとＳｎの融点差も２５％を超える。したがって、ＳｎとＡｇとからなる母合金は、母合金中のＳｎとＡｇとの重量比率に依存して、２３１℃〜９６１℃の融点を有する。しかしながら、Ｐｂは、ＰＡＳ線合金においてより高い重量パーセントで存在するので、ＰＡＳ線合金を形成するための母合金を生成するためにより適していてよい。
【００２７】
母合金の成分は、真空誘導溶融（ＶＩＭ）を使用して真空下で共溶融される。母合金成分は融点が異なるため、２つの成分を混合すると、融点の高い母合金成分がより低い融点の溶融成分と混合すると凝固することがある。例えば、Ｐｂ／Ａｇ混合物では、Ｐｂは、約３２７℃で溶融し、Ａｇは、約９６１℃で溶融する。Ｐｂは、Ａｇよりも低い温度で溶融するので、２つが混合されると、Ａｇは、冷却されて凝固する。しかしながら、適切に混合すると、完全に凝固する前に、Ａｇは、溶融Ｐｂ全体にわたって出て行く。得られたＡｇ及びＰｂを有する母合金は、純Ａｇよりも低い融点を有する。一旦溶融されると、溶融物は、アルゴン（Ａｒ）などの不活性ガスで任意に脱ガスされ得る。脱ガス後、溶融物を、坩堝内で凝固させることができる。例えば、母合金を凝固させて、取扱いを容易にするために特定のサイズ又は形状を有する母合金鋳造物を形成させることができる。坩堝内の母合金の凝固は、「ノンポア（ｎｏｎ−ｐｏｕｒ）」鋳造プロセスと呼ばれる。合金を金型に注ぐことは、「ポア（ｐｏｕｒ）」鋳造プロセスと呼ばれる。いくつかの注入鋳造法では、好適な数の金型が、坩堝と同じ真空チャンバ内に位置するテーブル上に載置される。溶融母合金を金型に移送するために、坩堝を傾けて、合金が真空下で金型に流入するようにする。凝固した合金は坩堝又は金型から抽出される。代替的には、母合金を凝固させることなく次のステップに移してもよい。
【００２８】
母合金７６を冷却し、凝固させることは、特定の利点を有し得る。例えば、固体母合金７６は、溶融母合金よりも搬送及び取り扱いが容易であり得る。付加的に、母合金が溶融すると、それは酸化物形成の影響をより受けやすくなる。したがって、母合金を凝固させることにより、固体母合金を一つの鋳造チャンバから次の鋳造チャンバに移動させるなど、更なる加工の間に酸化物を形成し難くなる。
【００２９】
ステップ２１０において、溶融線合金が生成される。線合金を生成するために、母合金を鋳造チャンバ８４のような鋳造チャンバ内に載置することができる。母合金に加えて、線合金を形成する金属を含む線合金を形成する他の成分、及びドーパントのような任意の追加成分が、鋳造チャンバ内の坩堝内に載置される。例えば、ＰＡＳ線合金を形成するために、Ａｇ及びＰｂを含む母合金を鋳造チャンバ内に載置され、Ｓｎを添加してもよい。追加のＰｂを坩堝に添加して、Ｐｂ重量％を線合金の好適なパーセンテージに増加させることもできる。例えば、７２．０重量％〜７８．０重量％のＰｂ及び２８．０重量％〜２２．０重量％のＡｇを含む母合金を鋳造チャンバ内に載置することができる。次いで、Ｓｎ及び追加のＰｂを、約９４．０重量％〜９８．０重量％のＰｂ又は約９５．０重量％〜９７．０重量％のＰｂ、約１．０重量％〜３．５重量％Ａｇ又は約１．５重量％〜約３．０重量％のＡｇ、及び約０．５重量％〜約３．０重量％のＳｎ又は約１．０重量％〜約２．０重量％のＳｎを有するＰＡＳ合金を製造するために計算された量で母合金に添加することができる。いくつかの実施形態では、線合金は、約９５．５重量％〜約９７．５重量％のＰｂ、約１．５重量％〜約２．５重量％のＡｇ、及び約１．０重量％〜約２．０重量％のＳｎを含むことができる。ＰＡＳ線合金に添加することができる好適なドーパントには、リン（Ｐ）が含まれる。いくつかの実施形態では、Ｐは、約５０．０〜約２００．０パーツパーミリオン（ｐｐｍ）の量で添加されてもよい。
【００３０】
線合金の溶融温度は、各々の成分の融点と、線合金中の各々の成分の重量パーセントとの関数である。例えば、７８．０重量％のＰｂ及び２２．０重量％のＡｇを含む母合金の融点は、約５５０℃であり、Ｓｎの融点は、約２３１．９℃である。したがって、得られた線合金は、５５０℃で完全に溶融する。いくつかの実施形態では、線合金は、約５５０℃〜約６００℃に加熱される。
【００３１】
一旦、線合金が溶融されると、不活性ガスが溶融線合金を通して発泡し、酸素が追い出され、溶融線合金を攪拌して分離を防止することができる。不活性ガスは、溶融線合金を通して発泡した後、溶融線合金の上に層を形成することができる。例えば、空気より重い不活性ガスは、溶融線合金９４を通して発泡し、チャンバ８４内に集まり、溶融線合金９４の上に層９８を形成することができる。本明細書に記載の技術は、酸化物を形成し得る線合金を生成するのに特に適している。特に、不活性ガスを供給することは、鋳造環境から酸素を除去することによって酸化物形成を減少させ、鋳造プロセス全体にわたって低減された酸素又は酸素を含まない環境を維持する。この技術は、線合金成分が酸化物形成をより受けやすい高温で鋳造プロセスを実施することができるので有利である。鋳造環境において不活性ガスを使用することにより、好適に溶融した線合金を供給する温度で鋳造プロセスを実施することができるが、線合金中の溶融線合金が酸素と接触するのを防止する。
【００３２】
完全に混合された溶融線合金を形成した後、ステップ２１２において、線合金が、凝固して線合金棒を形成するダイスを通して連続的に引き出すことによって、鋳造される。引き出し棒を使用して、固体線合金の最初の部分をダイスを通して凝固する際に引っ張ることができる。固体線合金の最初の部分がダイスを通して引き出されると、追加の溶融線合金が坩堝からシュートを通して流れる。この追加の溶融合金もまた、冷却ゾーンで凝固し、前に形成された固体線合金を引っ張ることによってダイスを通して引き出される。凝固した線合金をダイスから連続的に引っ張ることにより、より溶融線合金がダイス内に流入することが可能になり、そこで凝固して引き出すことができる。このプロセスは、連続的に実施され、固体線合金棒を形成する。
【００３３】
形成される線合金棒は、更なる機械加工及び加工のために送られてもよい。例えば、固体線合金棒が形成されると、棒を特定の長さの部分に切断することができる。固体線合金棒は、棒の直径を減少させるために円周に沿って機械加工又は研磨することもできる。いくつかの実施形態では、ステップ２１４において、固体線合金棒を押出機に送り、細線を生成する。押出機は、特定のオリフィス直径を有するダイスを通して固体線合金棒を高圧でプレスする。線合金棒は、高圧下で変形し、ダイスオリフィスを通過する。押出機は、最終製品であり得る細線を形成するために線合金棒の直径を縮小する。細線の好適な最終直径は、約０．０５０インチ（１．２７０マイクロメートル）、約０．０３０インチ（０．７６２マイクロメートル）、約０．０２０インチ（０．５０８マイクロメートル）、約０．０１０インチ（０．２５４マイクロメートル）、約０．００３インチ（約０．０８０マイクロメートル）、約０．００１インチ（０．０２５マイクロメートル）以下であってよい。
【００３４】
本明細書で開示される方法を使用して、改良された合金線が生成される。本明細書に記載されている鋳造プロセスは、空隙、膨れ、介在物又は分離が少ないか又は全くない細線をもたらす。
【００３５】
例えば、本明細書で開示される方法は、ＰＡＳ合金とも呼ばれる主成分として鉛（Ｐｂ）、銀（Ａｇ）及びスズ（Ｓｎ）を含む金属合金から細線を形成するために使用され得る。これらの元素の各々は、元素が溶融している間に酸素に曝露されると酸化物を形成することがある。母合金を使用することにより、最高融点成分の溶融温度よりも低い温度で鋳造プロセスを操作することができる。制御された温度で鋳造プロセスを操作することは、鋳造チャンバ内での溶融中の酸化物形成のリスクを低減する。酸化物形成のリスクを低減することにより、より低いレベルの不純物を有する線合金を製造することが可能になる。付加的に、不活性雰囲気中で鋳造ステップを実施することにより、酸化物形成のリスクが更に低減される。
【００３６】
連続鋳造法と組み合わせて母合金を使用することにより、溶融線合金をより速い速度で固相に冷却することができるため、空隙、膨れ、又は介在物がほとんど又は全くなくなる。最初に母合金を生成することにより、線合金は最高融点成分の溶融温度よりも低い温度で溶融するので、この方法は、凝固する前に線合金から引き出される熱を少なくすることができる。これにより、凝固温度に達するのに必要な冷却時間がより短くなる。したがって、合金はより速くより滑らかに凝固し、空隙又は膨れを形成するリスクを低減する。
【００３７】
連続鋳造プロセスを使用することはまた、固体線合金における空隙形成の防止を助ける。連続鋳造プロセスは、線合金が制御された速度で凝固することを可能にし、線合金が凝固している間に潜在的な空隙の場所が溶融線合金で充填されることを可能にする。使用される連続鋳造方法は、水平鋳造に限定されず、垂直鋳造を使用することもできる。
【００３８】
付加的に、より低い溶融温度と、線合金を液相から固相へより速く冷却する鋳造法の使用を組み合わせることにより、十分に混合された液体を凝固させて分離する機会が生じる前に、凝固させることが可能になる。不活性ガスを溶融線合金を通して発泡させると、鋳造中に線合金が好適に混合された状態に維持されるように攪拌が行われ、合金化成分の濃度が均一又は実質的に均一になる。溶融合金をより速く凝固させる方法を使用することにより、合金が凝固している間に合金が潜在的に分離しなければならない時間が短縮される。
【実施例】
【００３９】
以下の非限定的な実施例は、本発明の様々な特徴及び特性を説明するものであり、これらに限定されるものではない。
【００４０】
実施例１−ＰＡＳ合金の連続水平鋳造
真空炉内で銀と鉛を混合して母合金を製造した。母合金は、重量で７８％の鉛（Ｐｂ）と２２％の銀（Ａｇ）とを含み、約５５０℃の融点を有していた。坩堝内で銀と鉛を共に共溶融させた。
【００４１】
母合金を追加の鉛及びスズと合わせて、９５．５重量％の鉛、２．５重量％の銀及び２．０重量％の錫を含む線合金をＲａｕｔｏｍｅａｄ、Ｌｔｄ（スコットランド、英国）製の水平連続鋳造炉のグラファイト坩堝に入れた。Ｒａｕｔｏｍｅａｄ機械装置は、鋳造プロセスをアルゴンで充填された密閉システムで実施することを可能にした。炉内の線合金溶融物を通してアルゴンで発泡させた。発泡を使用して溶融線合金を混合した。付加的に、アルゴンを溶融物の上部に流して保護雰囲気を形成した。
【００４２】
線合金は、坩堝から坩堝に接続されたグラファイトダイスを通して固体線合金を連続的に引き出すことによって鋳造された。ＰＡＳ線合金の融点は、３１０℃であった。５００℃〜７２０℃の鋳造温度で線合金を溶融させた。線合金は、ダイスを通して引き出される前に５００℃〜７２０℃に維持された。固体線合金を引き出して棒を形成した。棒は、約０．２０インチの距離で引き出され、その後５秒の遅延が続き、棒は、別の０．２０インチが引き出され、遅延が続いた。このプロセスを繰り返して、直径１．２インチ、長さ４０インチを超える線合金棒を形成した。次いで、線合金棒を機械加工して、直径１．０インチの線合金棒を生成した。
【００４３】
線合金棒は、棒の長さに沿って別個の部分に分割された。Ａｇ及びＳｎの濃度は、線合金棒の長さに沿った３つの位置で測定した。３つの濃度試験の結果を図４に示す。図４に示すように、Ａｇ及びＳｎの濃度はＰＡＳ棒の長さに沿って変化しなかった。これらのデータは、ＡｇとＳｎの濃度が、棒の長さに沿って一貫しており、分離がないことを示している。すなわち、Ａｇの濃度は、棒の長さに沿った全ての点で同じであり、Ｓｎの濃度は、棒の長さに沿った全ての点で同じであり、残りの元素の濃度Ｐｂは、棒の長さに沿った全ての点で同じであった。
【００４４】
機械加工された線合金棒を、６０トンの水平押出機を使用して押出した。押出プロセスは、ダイスを介させることによって棒の横断面を縮小した。押出しステップは、直径１．０インチの棒から細線の形状に線合金の直径を減少させた。２０及び３０ミルの外径を有する細線を押し出し、スプールに巻き取った。
【００４５】
図５及び図６は、走査型電子顕微鏡を使用して撮影されたＰＡＳ合金線の高分解能二次選別画像である。図５に示すように、形成されたＰＡＳ合金線は、空隙及び介在物を実質的に含まない。表面は滑らかで均一であり、表面に空隙を有しておらず、表面から突出している膨れもない。図６に示すように、ＰＡＳ合金線の表面は、実質的に滑らかで連続的である。この例は、ＰＡＳ合金線に空隙、膨れ、又は介在物がないことを示している。上記の方法を使用して形成された線には、現在のところ破壊が観察されていない。
【００４６】
比較例−−−ＰＡＳ合金の開放大気鋳造
以前に使用されていた線合金を鋳造する別の方法は、開放大気鋳造を含む。しかしながら、開放大気鋳造法で形成されたＰＡＳ合金線は、空隙、介在物、分離などの欠陥を有することがある。例えば、ＰＡＳ合金線を製造するための開放大気鋳造法は、機械的混合を伴う合金の開放大気鋳造と、それに続く垂直型ブックモールド内での鋳造を含むことができる。
【００４７】
開放大気鋳造プロセスでは、鉛とスズを開放雰囲気中においてグラファイト坩堝内で溶融させた。鉛とスズの混合物は、９７．９％  Ｐｂ及び２．１％  Ｓｎであった。別個の坩堝内で、銀を溶融し、次いで予備溶融Ｐｂ／Ｓｎ混合物とブレンドした。混合物を銀の融点（９６１．８℃）まで加熱し、機械的に混合し、脱ドロースした。次いで、最終混合物をブックモールド内に鋳造し、棒６４を形成した。
【００４８】
棒６４のＡｇ及びＳｎの濃度は、棒６４の長さに沿った３つの位置で得られた。図７に示すように、第１の場所６６において、Ａｇの濃度は、１．６４重量％であり、Ｓｎは、１．５５重量％であった。残余９６．８１重量％は、Ｐｂであった。第２の場所６８では、Ａｇの濃度は、１．６５重量％であり、Ｓｎは、１．５２重量％であり、残余は、Ｐｂであった。第３の場所７０では、Ａｇの濃度は１．３６重量％であり、Ｓｎは、１．４９重量％であり、残余は、Ｐｂであった。図７に示すように、合金の成分は、比較棒６４の長さに沿って分離して、長さに沿った他の場所における濃度とは異なる濃度を有する局部領域を形成した。
【００４９】
図８は、開放大気鋳造を使用して製作された線合金棒１０、１２、１４の写真である。図９Ａ及び図９Ｂは、開放大気鋳造を使用して製作された線合金棒３０のデジタル顕微鏡画像である。合金棒１０、１２、１４、３０は、９５．５重量％のＰｂ、２．５重量％のＡｇ、及び２．０重量％のＳｎを含む合金溶融物から鋳造された。図８に示されているように、開放大気鋳造法を使用して製作された棒１０、１２、１４は、空隙１６、２０及び膨れ１８を含む。空隙及び膨れは、後に合金棒１０、１２、１４から形成される線の強度を低下させる可能性がある。図９Ａに示されているように、開放大気鋳造法を使用して製作された棒３０は、空隙を含む。図９Ｂに示されているように、開放大気鋳造法を使用して製作された棒３０は、表面欠陥を含む。
【００５０】
次いで、鋳造混合物を押し出して、実施例１について上述したものと同様のプロセスで０．０２０インチの直径を有する細線を形成した。
【００５１】
図１０、１１Ａ、１１Ｂ及び１２は、図８、図９Ａ及び図９Ｂに示した線合金を用いて製作した細線４０、４６、５４の走査型電子顕微鏡写真である。
【００５２】
図１０に示すように、開放鋳造プロセスを使用して鋳造された線合金を使用して製作された細線４０とブックモールドは、線合金材料中に空隙４２を含む。空隙４２は、細線４０の表面にあるので、この写真では見える。しかしながら、追加の空隙が線４０内に、すなわち表面の下に存在する可能性がある。これらの空隙４２は、断線などの問題を引き起こす。
【００５３】
図１１Ａ及び図１１Ｂは、空隙４２の表面テキスチャの拡大図を示す図１０の空隙４２の走査型電子顕微鏡写真である。図１１Ａは、図１０に示された空隙４２の全体を示す。図１１Ｂは、図１１Ａに示される空隙４２の部分４８の拡大図である。図１１Ｂに示すように、空隙の部分４８の表面は不均一であり、合金の分離を示す粒状の表面テキスチャを有する。
【００５４】
図１２は、開放鋳造プロセスを使用して鋳造され、ブックモールド内で凝固された線合金で製作された細線５４の断面の走査型電子顕微鏡写真である。個々の成分が様々なグレーの色合いの同心リング５６、５８、６０に分離するにつれて、分離が目に見える。
【００５５】
比較すると、本明細書に開示された方法を使用して、改善された結合強度を有し、これらの空隙又は介在物を実質的に含まない合金線を形成することができる。本明細書に開示された方法を使用して形成された金属線は、上記の比較された方法よりもより大きな均一性を有し、したがって開放大気鋳造法を使用して形成された金属線と比較した場合、破壊の蛍光が少ない。
【００５６】
本発明の範囲から逸脱することなく、記載した例示的実施形態に対して様々な修正及び付加を行うことができる。例えば、上述の実施形態は、特定の特徴に言及するものであるが、本発明の範囲はまた、異なる特徴の組み合わせを有する実施形態及び上述の特徴の全てを含むわけではない実施形態を含む。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
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【手続補正書】
【提出日】平成30年11月16日(2018.11.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
線に使用するための合金材料を形成する方法であって、
鉛及び銀を含む母合金を形成することと、
前記母合金、追加の鉛、及び第３の材料を容器内で合わせることによって溶融線合金を生成することと、
アルゴンガスを、前記溶融線合金を通してかつその上に流すことと、
前記溶融線合金を前記容器から能動的に冷却されたダイスを通して引き出すことと、
前記溶融線合金を凝固させて、線合金の棒を形成することと、を含む、方法。
【請求項２】
前記第３の材料がスズである、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記線合金の棒が、約９５．５重量％〜約９７．５重量％の鉛、約１．５重量％〜約２．５重量％の銀、及び約１．０重量％〜約２．０重量％のスズを含む、請求項１に記載の方法。
【国際調査報告】
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2019520984.tif 000018