KR20190039668A - 고품질의, 공극 및 내포물이 없는 합금 와이어 - Google Patents

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데이비드 이. 스틸
아이라 지. 노랜더
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Abstract

와이어에 사용하기 위한 합금 재료를 형성하는 방법이 본 명세서에 개시되어 있다. 본 방법은 납 및 은을 함유하는 모합금(master alloy)을 형성하는 단계; 및 용기(vessel) 내에서 모합금과 추가 납과 제3 재료를 배합함으로써 용융된 와이어 합금을 생성하는 단계를 포함한다. 본 방법은 또한 아르곤 기체를 용융된 와이어 합금을 통하여 그리고 그 위에서 유동시키는 단계를 포함한다. 본 방법은 또한 용융된 합금을 용기로부터 능동적으로 냉각된 다이를 통하여 인발하는 단계; 및 용융된 와이어 합금을 고형화하여 와이어 합금의 막대(bar)를 형성하는 단계를 포함한다.

Description

고품질의, 공극 및 내포물이 없는 합금 와이어
본 발명은 와이어 제조 시 사용하기 위한 금속 및 금속 합금에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 금속 및 금속 합금을 와이어로 형성하는 방법에 관한 것이다.
본딩 와이어로 또한 알려진 미세 와이어는 반도체 요소 상의 전극을 외부 단자에 연결하기 위한 집적 회로 응용예에 통상 사용된다. 예를 들어, 적합한 미세 와이어는 와이어 직경이 대략 0.020 인치(0.508 마이크로미터) 내지 0.080 인치(2.032 마이크로미터)일 수 있다. 본딩 와이어는 열 압축 본딩 기법을 사용하여 본딩될 수 있다. 예를 들어, 본딩 와이어의 리딩 에지는 표면 장력에 의해 볼(ball)을 형성하도록 가열될 수 있다. 이어서, 볼은 반도체 요소의 전극 상에서 압축 본딩될 수 있다. 그 후, 본딩 와이어는, 예를 들어, 웨지 본드(wedge bond)에 의해, 외부 리드에 직접 본딩될 수 있다.
적합한 본딩 와이어는 납(Pb) 또는 납 합금으로 제조될 수 있다. 납 본딩 와이어는 낮은 재료 비용 및 우수한 전기 전도성을 갖는다. 그러나, 납 본딩 와이어의 산화는 전형적으로 본딩 강도를 감소시킨다.
금속 또는 금속 합금으로 제조된 미세 와이어는 미세 와이어의 조성 및 재료 특성의 균일성을 보장하기 위하여 엄격한 허용 오차로 제조된다. 금속 또는 금속 합금 와이어는 종종 불연속부, 재료 편석(segregation), 또는 재료 변화(gradient)와 같은 결함이 발생하는 경향이 있다. 와이어의 제조 중에 일어날 수 있는 한 가지 문제는 와이어를 형성하는 재료 내의 불연속부의 형성이다. 불연속부의 예는 공극(void), 블리스터(blister), 크랙(crack), 및 재료 전체를 통한 다공성의 변화, 그리고 고체 내포물(inclusion) 또는 불순물을 포함한다. 와이어 내의 불연속부는 와이어의 추가 처리, 이송 또는 취급 중에 와이어 파손으로 이어질 수 있다. 와이어가 솔더(solder)로서 사용될 경우, 불순물과 같은 고체 내포물은 솔더 상에 침착되는 불순물의 입자를 야기할 수 있다.
수직 북 몰드(vertical book mold)를 이용한 개방식 주조(open air casting)는 몰드 내에서의 고형화로 인해 합금에 공극이 형성되는 것으로 이어질 수 있다. 공극 또는 내포물을 포함하는 합금 와이어는 종종 와이어가 나중에 사용될 때, 예를 들어 반도체 요소의 전극을 솔더링하는 데 사용될 때, 스파킹(sparking) 또는 스피팅(spitting) 문제를 야기한다. 공극 또는 내포물을 포함하는 합금 와이어는 공극 또는 내포물의 위치에서 파손되는 경향을 갖는다. 빈번한 와이어 파손은 더 낮은 생산 수율로 이어진다.
추가로, 금속 합금 내의 편석은 주조된 금속 합금의 개별 성분의 농도의 국소화된 변화로 이어질 수 있고, 와이어의 길이를 따라서, 반경방향으로 또는 양 방향으로 일어날 수 있다. 농도의 국소화된 차이는 미세 와이어의 취약화로 이어질 수 있다. 주조된 금속 합금의 개별 성분의 불균일 농도 또는 편석은 또한 재료 특성 변화를 야기할 수 있다. 개별 성분이 상이한 재료 특성, 예컨대, 용융 온도 또는 열 팽창 계수를 가질 수 있기 때문에, 동일한 공정 매개변수가 미세 와이어의 다양한 부분에 일관되지 않은 영향을 초래할 수 있어서, 적합한 처리 매개변수를 예측하기 어렵게 만든다.
따라서, 공극, 내포물, 및 편석이 실질적으로 없는 합금 와이어를 형성하는 방법이 필요하다.
와이어에 사용하기 위한 합금 재료를 형성하는 방법이 본 명세서에 개시되어 있다. 본 방법은 납 및 은을 함유하는 모합금(master alloy)을 형성하는 단계; 및 용기(vessel) 내에서 모합금과 추가 납과 제3 재료를 배합함으로써 용융된 와이어 합금을 생성하는 단계를 포함한다. 본 방법은 또한 아르곤 기체를 용융된 와이어 합금을 통하여 그리고 그 위에서 유동시키는 단계를 포함한다. 본 방법은 또한 용융된 합금을 용기로부터 능동적으로 냉각된 다이를 통하여 인발하는 단계; 및 용융된 와이어 합금을 고형화하여 와이어 합금의 막대(bar)를 형성하는 단계를 포함한다.
와이어에 사용하기 위한 합금을 형성하는 방법이 본 명세서에 또한 개시되어 있다. 본 방법은 제1 융점을 갖는 제1 금속 및 제2 융점을 갖는 제2 금속을 선택하는 단계를 포함한다. 본 방법은 또한 제1 금속 및 제2 금속을 용융시키는 단계; 및 제1 금속과 제2 금속을 배합하여 융점이 약 460℃ 내지 약 650℃인 모합금을 형성하는 단계를 포함한다. 본 방법은 제3 금속 및 추가 양의 제1 금속 및 제2 금속 중 적어도 하나와 모합금을 배합함으로써 용융된 와이어 합금을 형성하는 단계; 및 아르곤 기체를 포함하는 용기 내에서 용융된 와이어 합금을 혼합하는 단계를 추가로 포함한다. 본 방법은 용융된 와이어 합금을 다이를 통하여 인발하는 동안 용융된 와이어 합금을 냉각시켜 와이어 합금 막대를 형성하는 단계를 추가로 포함한다.
다수의 실시 형태가 개시되어 있지만, 본 발명의 또 다른 실시 형태가 본 발명의 예시적인 실시 형태를 도시하고 설명하는 하기의 상세한 설명으로부터 당업자에게 명백해질 것이다. 따라서, 도면 및 상세한 설명은 제한적이 아닌 사실상 예시적인 것으로 간주될 것이다.
도 1은 본 발명의 방법에서 사용될 수 있는 연속 주조 기계의 개략도이다.
도 2는 일부 실시 형태에 따른, 본 발명의 방법을 보여주는 흐름도이다.
도 3은 납 및 은 시스템에 대한 상태도(phase diagram)이다.
도 4는 본 발명의 방법을 사용하여 형성된 와이어 합금 막대의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 방법을 사용하여 형성된 와이어의 주사 전자 현미경으로 촬영된 고해상도 이차 전자 이미지이다.
도 6은 본 발명의 방법을 사용하여 형성된 와이어의 주사 전자 현미경으로 촬영된 고해상도 이차 전자 이미지이다.
도 7은 공지된 방법을 사용하여 형성된 와이어 합금 막대의 개략도이다.
도 8은 공지된 방법을 사용하여 형성된 와이어 합금 막대의 사진이다.
도 9a 및 도 9b는 공지된 방법을 사용하여 형성된 와이어 합금 막대의 디지털 현미경 이미지이다.
도 10은 공지된 방법을 사용하여 형성된 와이어의 주사 전자 현미경으로 촬영된 고해상도 이차 전자 이미지이다.
도 11a 및 도 11b는 공지된 방법을 사용하여 형성된 와이어의 주사 전자 현미경으로 촬영된 고해상도 이차 전자 이미지이다.
도 12는 공지된 방법을 사용하여 형성된 와이어의 주사 전자 현미경으로 촬영된 고해상도 이차 전자 이미지이다.
와이어 재료 전체를 통하여 균일한 합금 조성을 갖는 금속 합금 와이어를 형성하는 방법이 본 명세서에 개시되어 있다. 본 명세서에 개시된 방법을 사용하여 형성된 금속 와이어는 공극, 블리스터 및 내포물이 실질적으로 없을 수 있다. 공극은 고형화 중에 주조 시 생성되는 수축 캐비티(cavity)이다. 블리스터는 주조물의 표면 상에 나타나는, 금속의 박막이 위에 있게 되는 얕은 블로우(shallow blow)이다. 내포물은 금속 합금 매트릭스 내의 비금속 재료이다. 비금속 재료의 공급원은 재산화물, 내화물, 슬래그(slag) 및 환원 생성물을 포함한다. 본 명세서에 개시된 방법을 사용하여 형성된 금속 와이어는 더 큰 균일성을 갖고 따라서 다른 주조 방법을 사용하여 형성된 금속 와이어와 비교하여 파손이 발생하는 경향이 적다.
개시된 방법에 따라 형성된 금속 와이어는 또한 편석이 감소되거나 없을 수 있다. 편석 또는 합금 편석은, 통상 남아 있는 액체 내에서의 하나의 원소의 다른 원소(들)와의 주 결정화의 결과로서, 금속 합금의 개별 성분들이 합금 내에서 유형별로 함께 그룹을 이루는 현상을 지칭한다. 편석은 개별 성분의 합금 내의 국소화된 농도 변화로 이어진다. 즉, 합금의 개별 성분, 즉 합금을 형성하는 금속 또는 도펀트(dopant)는 함께 모여서 국소화된 증가된 농도를 갖는 클러스터(cluster)를 형성한다. 편석이 발생하는 경우, 와이어 합금 성분의 농도는 와이어의 길이를 따라서 또는 와이어의 기하학적 중심으로부터 외부 와이어 표면까지 가변될 수 있다. 와이어는 원형 및 비원형, 예컨대, 다각형(즉, 삼각형, 정사각형, 직사각형 등), 타원형, 또는 심지어 불규칙형을 포함하는 임의의 단면 형상을 가질 수 있다. 원형 단면에 대한 기하학적 중심은 반경방향 중심일 것이고, 이와 달리, 임의의 정다각형, 타원형, 또는 불규칙 단면의 경우, 기하학적 중심은 단면의 도심(centroid)일 것이다. 따라서, 와이어 합금 성분의 농도는 와이어의 길이 및 단면을 따라서 가변될 수 있다.
본 명세서에서 설명되는 바와 같이, 감소된 파손을 갖고 공극, 내포물 및/또는 편석이 실질적으로 없는 합금 와이어는 먼저 모합금을 형성하고 이어서 불활성 환경에서 수평 연속 주조를 행함으로써 형성될 수 있다.
일부 실시 형태에서, 본 명세서에 개시된 방법은 주성분으로서 납(Pb), 은(Ag), 및 주석(Sn)을 포함하고 Pb/Ag/Sn 합금 또는 PAS 합금, 또는 PAS 와이어 합금으로 지칭될 수 있는 금속 합금에 관한 것이다. 일부 실시 형태에서, PAS 와이어 합금은 94.0 중량% 내지 98.0% Pb 또는 95.0 중량% 내지 97.0 중량% Pb, 1.0 중량% 내지 3.5 중량% Sn 또는 1.5 중량% 내지 3.0 중량% Ag, 및 0.5 중량% 내지 3.0 중량% Sn 또는 1.0 중량% 내지 2.0 중량% Sn을 함유한다.
PAS 합금이 본 명세서에서 논의되고 있지만, 임의의 솔더 와이어 합금이 본 명세서에서 설명되는 방법을 사용하여 제조될 수 있다. 더 구체적으로, 본 명세서에 개시된 방법은 공극, 내포물, 편석, 및 블리스터에 대해 민감한 솔더 와이어를 위하여 사용되는 임의의 합금에 대해 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 명세서에 개시된 방법은 납, 주석, 은, 인듐, 안티몬, 구리, 인, 알루미늄, 비스무트, 금, 규소, 텔루르, 게르마늄 및 이들의 조합을 포함하는 솔더 합금을 형성하는 데 사용될 수 있다.
일부 실시 형태에서, 본 명세서에 개시된 방법은 도핑된 금속 합금에 관한 것이다. 일부 실시 형태에서, 산소에 대한 PAS 합금 금속 성분의 친화도를 감소시키고 따라서 금속 산화물의 생성을 감소시키도록 적합한 도펀트가 PAS 합금에 첨가될 수 있다. 산소 친화도는 산소에 결합하는 원소의 또는 화합물의 선호도의 측정치이다. 원소의 산소 친화도는 문헌[CRC Handbook of Chemistry and Physics]과 같은 참조 문헌에서 입수가능한 물리적 특성이다. 적합한 도펀트는 아래에서 논의되는 목적을 위하여 납, 주석, 또는 은 중 어느 하나의 산소 친화도보다 높은 산소 친화도를 가질 수 있다. 적합한 예시적인 도펀트는 인, 칼슘, 및 알루미늄을 포함하지만 이에 제한되지 않는다. PAS 와이어 합금은 약 200 ppm 이하의 도펀트를 함유할 수 있거나, 또는, 다른 실시 형태에서, 약 100 ppm 이하의 도펀트, 또는, 또 다른 실시 형태에서 약 50 ppm 이하의 도펀트를 함유할 수 있다. 전술된 도펀트의 임의의 둘 이상의 조합이 또한 가능한데, 예를 들어, 와이어는 인 및 칼슘을 포함할 수 있고, 이때 총 도펀트의 양은 앞서 제시된 바와 같다. 일부 실시 형태에서, P는 약 50.0 ppm(part per million)의 양으로 PAS 와이어 합금에 첨가될 수 있다.
도 1은 와이어 합금의 수평 주조를 위해 본 명세서에 개시된 방법의 소정 실시 형태와 함께 사용될 수 있는 주조 시스템(80)의 개략도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 주조 시스템(80)은 주조 챔버(84)를 포함할 수 있고, 주조 챔버는 주조 챔버(84) 내의 압력 변화를 견디도록 구성된다. 주조 챔버(84)는 또한, 와이어 합금을 처리하는 데 사용되는, 주조 챔버(84)에 또는 그 내에 연결된 추가 장비를 포함할 수 있다. 예를 들어, 주조 챔버(84)는 주조 동안 와이어 합금(94)을 보유하는 데 사용되는 도가니(86)를 포함할 수 있다. 도가니(86)는 와이어 합금 성분을 용융시키는 데 필요한 고온을 견디도록 구성될 수 있다. 도가니(86)는 또한 와이어 합금(94) 내의 산화물 형성을 억제할 재료로 구성될 수 있다. 적합한 도가니 재료의 일부 예는 흑연, 석영, 및 세라믹을 포함한다. 도가니(86)는 또한, 도가니(86) 및 그의 내용물에 열 에너지를 제공하기 위한 가열 요소(88)를 포함할 수 있다. 가열 요소(88)는 도가니(86)의 내용물을 용융시키는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 모합금, 및 와이어 합금(94) 내에 포함될 임의의 다른 금속 또는 도펀트를 포함한, 와이어 합금(94)의 성분은 도가니(86) 내에 배치되고 이어서 용융될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 주조 시스템(80)은 또한 주조 챔버(84)에 부착된 진공 펌프(90)를 포함할 수 있다. 진공 펌프(90)는 주조 공정 전에 그리고/또는 주조 공정 중에 주조 챔버(84)로부터 기체를 제거하기 위하여 사용될 수 있다. 주조 시스템(80)은 또한 주조 챔버(84)의 내부에 특정 기체를 제공하기 위하여 기체 입력부(92)를 가질 수 있다. 기체 입력부(92)는 도가니(86) 내에 담긴 재료 내로 기체를 전달하기 위하여 도가니(86)의 내부에 연결될 수 있다. 예를 들어, 와이어 합금을 형성하기 위한 성분은 고체 또는 액체로서 도가니(86) 내에 배치될 수 있고, 주조 챔버(84)는 도어(96)를 폐쇄함으로써 밀봉될 수 있다. 일단 주조 챔버 도어(96)가 폐쇄되면, 진공 펌프(90)는 주조 챔버(84) 내부에 있는 어떠한 기체도 제거하여 챔버(84) 내에 진공을 생성할 수 있다. 도가니(86) 내의 와이어 합금 성분이 고체인 경우, 가열 요소(88)는 그 성분을 용융시킬 수 있고 주조 공정 전체를 통하여 와이어 합금 성분을 용융물(94)로서 유지시킬 수 있다.
기체 입력부(92)를 사용하여, 도가니(86) 내의 용융된 와이어 합금(94)을 통하여 불활성 기체를 발포시킴으로써 불활성 기체가 주조 공정 동안 용융된 와이어 합금(94) 내로 도입될 수 있다. 선택된 불활성 기체는, 용융된 와이어 합금(94)을 통한 발포 후에 불활성 기체의 층(98)을 용융된 와이어 합금(94) 위에 형성하기 위하여 공기보다 더 무거운 기체일 수 있다. 예를 들어, 일단 와이어 합금(94)이 용융되면, 불활성 기체는 용융된 와이어 합금(94)을 통하여 발포될 수 있고, 챔버(84) 내에 모여서 용융된 와이어 합금(94) 위에 층(98)을 형성하는 것이 가능할 수 있다. 용융된 와이어 합금(94)을 통한 불활성 기체의 발포는 또한 주조 공정 전체를 통하여 용융된 와이어 합금(94)을 교반하는 데 사용될 수 있다. 용융된 와이어 합금(94)의 교반은 용융된 와이어 합금(94)이 국소화된 농도 차이를 갖는 영역 내로 정착하는 것을 방지함으로써 주조 동안 편석을 방지하는 것을 도울 수 있다. 다른 이익은 용융된 와이어 합금(94)을 통하여 발포되는 불활성 기체가 주조 챔버(84)의 외부로 산소를 몰아내어 그 내부의 산소를 교체하는 것을 포함한다. 산소를 주조 챔버(84)로부터 제거함으로써 용융된 와이어 합금(94)이 주조 공정 동안 산화되는 것을 추가로 방지한다. 와이어 합금(94)이 주조되고 있는 동안 산화를 방지함으로써 산화물 불순물의 형성을 억제하고, 따라서 내포물이 고형화된 와이어 합금 내에서 형성되는 것을 방지한다. 일부 실시 형태에서, 불활성 기체를 주조 챔버(84) 내로 도입하기 위하여 하나 초과의 기체 입력부가 존재할 수 있다. 예를 들어, 기체 입력부(92)는 불활성 기체를 혼합을 위하여 사용되는 도가니(86)의 하부 내로 또는 다이(100)를 통하여 도입시킬 수 있고, 산소 반응을 감소시키기 위한 커버 기체로서 역할을 하도록 불활성 기체를 주조 챔버(84)의 상부 내로 도입시키기 위하여 제2 기체 입력부(114)가 사용될 수 있다. 사용될 수 있는 불활성 기체의 일부 예는 공기보다 무거운 임의의 영족 기체(noble gas)를 포함한다. 일부 실시 형태에서, 아르곤(Ar)이 상대적인 가격 때문에 그리고 그가 공기보다 무겁기 때문에 적합할 수 있다.
용융된 와이어 합금(94)은 다이(100)를 통하여 용융된 와이어 합금(94)의 일부를 인발함으로써 주조된다. 주조 챔버(84)는 도가니(86)를 다이(100)에 연결하는 슈트(chute)(102)를 포함할 수 있다. 다이(100)는 용융된 와이어 합금(94)이 다이(100)를 빠져나가기 전에 그를 냉각 및 고형화시키는 냉각 구역(104)을 포함할 수 있다. 냉각 구역(104)에서, 냉각 유체(106)가 용융된 와이어 합금(94)으로부터 열을 인출하도록 순환되어 용융된 와이어 합금을 고형화 온도 미만으로 냉각시킨다. 다이(100)를 통하여 순환된 냉각 유체(106)는 다이(100) 및 냉각 구역(104)에 능동적 냉각을 제공한다. 냉각 유체(106)는 다이(100) 및 다이(100) 내의 와이어 합금으로부터 열을 회수하고; 따라서, 다이(100)는 냉각 유체(106)에 의해 능동적으로 냉각된다. 인발을 시작하기 위하여, 인발 막대(112)가 다이(100)에 배치될 수 있고, 화살표(110)에 의해 도시된 방향으로 다이(100)를 통하여 고체 와이어 합금의 초기 부분을 당기는 데 사용될 수 있다. 일단 고체 와이어 합금의 초기 부분이 다이(100)를 통하여 인발되면, 다이(100)는 도가니(86)로부터 슈트(102)를 통하여 유동하는 용융된 와이어 합금으로 다시 충전되고, 이어서, 이는 냉각 구역(104)에서 또한 고형화되고, 이전에 형성된 고체 와이어 합금을 당김으로써 다이(100)를 통하여 외부로 인발된다. 고형화된 와이어 합금을 다이(100)의 외부로 연속적으로 당김으로써, 더 많은 용융된 와이어 합금이, 그가 또한 고형화되고 인발될 수 있는 다이(100)를 통하여 인발된다. 이러한 공정은 연속적으로 수행되어 고체 와이어 합금 막대를 형성한다. 예를 들어, 인발 공정은 충분한 길이의 고체 와이어 합금 막대가 형성될 때까지 균일한 속도로 계속된다. 일부 실시 형태에서, 인발 속도는 와이어 합금 전체를 통한 합금 성분의 균일한 농도를 생성할 속도로 와이어가 냉각되는 것을 가능하게 하기 위해 열이 와이어 합금으로부터 인출되는 속도와 매칭하도록 조절된다. 예를 들어, 인발 속도는 와이어 합금 막대의 길이를 따라서 그리고 그의 직경을 따라서 Pb, Ag, 및 Sn의 농도가 균일한 고체 와이어 합금 막대를 생성하도록 하는 냉각 속도와 매칭하도록 조절될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 인발 공정은 용융된 와이어 합금(94)이 소모될 때까지 수행될 수 있다. 다이(100)는 원형 단면 형상을 갖는 와이어 합금 막대를 생성하도록 형상화될 수 있지만, 정사각형 또는 직사각형과 같은 임의의 단면 형상이 또한 형성될 수 있다.
일부 실시 형태에서, 다이(100)는 냉각 유체(106)로서 물을 사용한다. 용융된 와이어 합금이 도가니(86)를 빠져나감에 따라, 이는 신속히 냉각되어 고체를 형성한다. 이어서, 이러한 고체 와이어 합금은 인발에 의해 다이(100)의 외부로 당겨진다. 인발 속도는 제어가능하고, 소정 합금에 대해 적합한 속도로 변경될 수 있다. 냉각 속도는 냉각 유체(106)의 유량에 의해 설정된다. 인발 속도 및 길이가 또한 제어가능하다. 예를 들어, 고체 와이어 합금은 다이(100)로부터 인발되어 막대를 형성할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 막대는 일정 거리만큼 외부로 인발될 수 있고, 그 후에 지연이 있고 이어서 막대가 다른 거리에 대해 인발되고, 이어서 지연이 있게 된다. 주조 챔버(84) 내의 모든 와이어 합금이 회수될 때까지 이러한 사이클은 그 자체가 반복될 수 있다. 각각의 인발 사이에 지연 시간을 허용함으로써, 고형화 속도는 다음 인발 전에 잠재적인 공극이 용융된 와이어 합금으로 충전되는 것이 가능하도록 제어될 수 있다. 잠재적인 공극 위치가 충전되는 것을 가능하게 하면서 연속적으로 주조 및 인발하는 이러한 방법은 편석 및 공극 형성을 억제하는 적합한 고형화 속도를 제공한다. 연속 주조는 와이어 합금을 고형화함으로써 편석을 억제하는 한편, 와이어 합금은 잘 혼합되지만 공극이 충전되는데 적합한 시간을 허용함으로써 공극 형성을 또한 방지한다. 예를 들어, 막대는 약 0.20 내지 0.30 인치의 거리만큼 외부로 인발될 수 있고, 그 후에 약 5 초의 지연이 있고 이어서 막대가 다른 0.20 내지 0.30 인치에 대해 인발되고, 이어서 다른 5 초의 지연이 있게 된다.
도 2는 PAS 합금 와이어를 형성하는 방법(200)의 일 실시 형태를 도시하는 흐름도이다. 제1 단계(208)는 모합금을 형성하는 것이다. 모합금은 와이어 합금의 2가지 성분의 적어도 일부를 배합함으로써 생성된다. 일부 예에서, 모합금의 2가지 성분은 와이어 합금 내에서 가장 높은 농도를 갖는 성분일 수 있다. 추가로 또는 대안으로, 모합금을 위하여 선택된 2가지 성분은 융점의 차이가 가장 큰, 와이어 합금의 성분들일 수 있다. 후술되는 실시 형태에서, 예시를 위하여 사용된 2가지 성분은 Ag 및 Pb이다.
일부 실시 형태에서, 모합금을 형성하는 2가지 성분의 비는 2가지 성분 혼합물의 상태도를 사용하여 선택될 수 있다. 도 3은 Ag/Pb 혼합물에 대한 상태도(72)를 도시한다. 선택된 비는, 예를 들어, 특정 융점에 기초하여 선택될 수 있다. 예를 들어, 상기 비는 더 높은 융점을 갖는 합금 성분에 대한 융점에 약 절반의 융점을 갖는 비를 선택함으로써 선택될 수 있다. 어떠한 비를 사용할 것인가의 선택은 또한 더 낮은 융점의 선택과 다른 인자 사이의 균형을 나타낸다. 예를 들어, Ag/Pb 상태도에는 도표의 Pb 측을 향하여 용융 온도가 강하하고 있다. 그러나, Pb의 농도가 높은 모합금을 사용하면 더 높은 납 산화물이 형성되는 것으로 이어질 수 있다. 본 예에서, Ag는 더 높은 융점, 약 961.8℃를 갖는다. 도 7을 참조하면, Ag/Pb 상태도는 예시를 목적으로 선택된 지점(64), 즉 961.8℃의 약 절반의 융점을 갖는 조성을 도시하는데, 이는 약 550℃의 융점을 갖는 비가 되도록 선택되었다. 이러한 지점(74)에서, Ag 대 Pb의 중량 백분율은 각각 대략 78 중량% 대 22 중량%이다. 예를 들어, 모합금은 Pb를 60.0 중량% 내지 90.0 중량%, 70.0 중량% 내지 80.0 중량%, 또는 72.0 중량% 내지 78.0 중량%, 그리고 이러한 범위 내의 임의의 값으로 함유할 수 있다. 모합금은 Ag를 40.0 중량% 내지 10.0 중량%, 30.0 중량% 내지 20.0 중량%, 또는 28.0 중량% 내지 22.0 중량%, 그리고 이러한 범위 내의 임의의 값으로 함유할 수 있다. 이러한 범위 내의 중량 백분율로 형성된 모합금은 융점이 약 460℃ 내지 약 650℃일 것이다.
일부 실시 형태에서, 와이어 합금 내의 모든 가장 높은 융점 성분이, 이 경우에 Ag가, 모합금에 첨가될 수 있다. 가장 높은 융점 성분은 와이어 합금에 대해 사용된 벌크(bulk) 금속, 즉 와이어 합금 내에서 가장 높은 중량 백분율을 형성하는 성분과 혼합될 수 있다. 예를 들어, PAS 합금에서, Ag가 가장 높은 융점을 갖고, 따라서 와이어 합금에 첨가될 모든 Ag가 모합금에 먼저 첨가된다. 그리고, 본 예에서는 Pb가 모합금을 형성하기 위하여 사용되는데, 이는 Pb가 최종 합금의 벌크 성분이기 때문이다.
모합금을 먼저 형성함으로써, 나중에 융점의 차이가 큰 성분으로 이루어진 와이어 합금을 형성하는 것을 돕는다. 모합금의 조성은 모합금의 융점을 가장 높은 융점 성분의 융점의 약 절반이 되게 낮추도록 설계된다. 일부 실시 형태에서, 모합금을 형성하기 위한 후보를 선택하는 한 가지 기준은 융점 차이가 25% 초과인 2가지 원소를 선택하는 것이다. 예를 들어, PAS 합금을 위한 모합금에서, Ag는 융점이 961℃이고 Pb는 융점이 327℃이다. 일부 실시 형태에서, Sn 및 Ag가 모합금을 형성하는 데 사용될 수 있다. Ag와 Sn 사이의 융점 차이는 또한, Ag의 융점이 961℃이고 Sn의 융점이 231℃이기 때문에 25% 초과일 것이다. 따라서, Sn 및 Ag로 제조된 모합금은 모합금 내의 Sn 대 Ag의 중량비에 따라서 융점이 231℃ 내지 961℃일 것이다. 그러나, Pb가 PAS 와이어 합금에서 더 높은 중량 백분율로 존재하기 때문에, Pb가 PAS 와이어 합금을 형성하기 위한 모합금을 생성하기에 더 적합할 수 있다.
모합금의 성분은 진공 유도 용해(vacuum induction melting, VIM)를 사용하여 진공 하에서 공-용융된다(co-melted). 모합금 성분이 상이한 융점을 갖기 때문에, 2가지 성분이 혼합되는 경우, 더 높은 융점을 갖는 모합금 성분은 더 낮은 융점을 갖는 용융된 성분과 혼합될 때 고형화될 수 있다. 예를 들어, Pb/Ag 혼합물에서, Pb는 약 327℃에서 용융되고 Ag은 약 961℃에서 용융된다. Pb가 Ag보다 낮은 온도에서 용융되기 때문에, 두 가지가 혼합될 때, Ag는 냉각 및 고형화될 것이다. 그러나, 적절히 혼합된 경우, Ag는 완전히 고형화되기 전에 용융된 Pb 전체를 통하여 분배될 것이다. Ag 및 Pb를 갖는 생성된 모합금은 순수 Ag보다 낮은 융점을 가질 것이다. 일단 용융되면, 용융물은 선택적으로, 아르곤(Ar)과 같은 불활성 기체로 탈기될 수 있다. 탈기 후에, 용융물은 도가니 내에서 고형화되는 것이 가능할 수 있다. 예를 들어, 모합금은 더 용이한 취급을 위하여 특정 크기 또는 형상을 갖는 모합금 주조물을 형성하도록 고형화되는 것이 가능할 수 있다. 도가니 내의 모합금의 고형화는 "비주입(non-pour)" 주조 공정으로 지칭된다. 합금을 몰드 내로 주입하는 것은 "주입" 주조 공정으로 지칭된다. 일부 주입 주조 방법에서, 적합한 개수의 몰드가 테이블 상에 배치되는데, 이는 도가니와 동일한 진공 챔버 내에 위치된다. 용융된 모합금을 몰드로 전달하기 위하여, 도가니는 그 합금이 진공 하에서 몰드 내로 유동하도록 기울어지게 된다. 고형화된 합금은 도가니 또는 몰드로부터 추출된다. 대안으로, 모합금은 고형화되지 않고서 다음 단계로 전달될 수 있다.
모합금(76)을 냉각 및 고형화시킴으로써 소정 이점을 가질 수 있다. 예를 들어, 고체 모합금(76)은 용융된 모합금보다 이송 및 취급이 더 용이할 수 있다. 추가로, 모합금이 용융된 경우, 이는 산화물 형성에 더 민감하다. 따라서, 모합금을 고형화함으로써 고체 모합금을 하나의 주조 챔버로부터 다음 주조 챔버로 이동시키는 것과 같은 추가 처리 동안 산화물이 형성될 가능성을 더 적어지게 한다.
단계(210)에서, 용융된 와이어 합금이 생성된다. 와이어 합금을 생성하기 위하여, 모합금은 주조 챔버, 예컨대 주조 챔버(84) 내에 배치될 수 있다. 모합금에 더하여, 와이어 합금을 형성하는 금속들을 포함한, 와이어 합금을 형성할 다른 성분, 및 도펀트와 같은 임의의 추가 성분이 주조 챔버 내의 도가니 내에 배치된다. 예를 들어, PAS 와이어 합금을 형성하기 위하여, Ag 및 Pb를 함유하는 모합금이 주조 챔버 내에 배치될 수 있고 Sn이 첨가될 수 있다. 추가 Pb가 또한 도가니에 첨가되어, 와이어 합금을 위하여 Pb 중량%를 적합한 백분율로 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 72.0 중량% 내지 78.0 중량%의 Pb 및 28.0 중량% 내지 22.0 중량%의 Ag를 함유하는 모합금이 주조 챔버 내에 배치될 수 있다. 이어서, Sn 및 추가 Pb가 약 94.0 중량% 내지 98.0% Pb 또는 약 95.0 중량% 내지 97.0 중량% Pb, 약 1.0 중량% 내지 3.5 중량% Ag 또는 약 1.5 중량% 내지 3.0 중량% Ag, 및 약 0.5 중량% 내지 3.0 중량% Sn 또는 약 1.0 중량% 내지 2.0 중량% Sn을 갖는 PAS 합금을 생성하도록 계산된 양으로 모합금에 첨가될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 와이어 합금은 약 95.5 중량% 내지 약 97.5 중량% Pb, 약 1.5 중량% 내지 약 2.5 중량% Ag, 및 약 1.0 중량% 내지 약 2.0 중량% Sn을 함유한다. PAS 와이어 합금에 첨가될 수 있는 적합한 도펀트는 인(P)을 포함한다. 일부 실시 형태에서, P는 약 50.0 내지 약 200.0 ppm의 양으로 첨가될 수 있다.
와이어 합금의 용융 온도는 각각의 성분의 융점, 및 와이어 합금 내의 각각의 성분의 중량%의 함수이다. 예를 들어, 78.0 중량% Pb 및 22.0 중량% Ag를 함유하는 모합금의 융점은 약 550℃이고 Sn의 융점은 약 231.9℃이다. 그러므로, 생성된 와이어 합금은 550℃에서 완전히 용융된다. 일부 실시 형태에서, 와이어 합금은 약 550℃ 내지 약 600℃로 가열된다.
일단 와이어 합금이 용융되면, 어떠한 산소도 몰아내고 용융된 와이어 합금을 교반하여 편석을 방지하기 위하여 불활성 기체가 용융된 와이어 합금을 통하여 발포될 수 있다. 불활성 기체는 용융된 와이어 합금을 통한 발포 후에 용융된 와이어 합금 위에 층을 형성하는 것을 가능하게 할 수 있다. 예를 들어, 공기보다 무거운 불활성 기체는 용융된 와이어 합금(94)을 통하여 발포될 수 있고, 챔버(84) 내에 모여서 용융된 와이어 합금(94) 위에 층(98)을 형성하는 것이 가능할 수 있다. 본 명세서에서 설명된 기법은 산화물을 형성할 수 있는 와이어 합금을 생성하는 데 특히 적합할 수 있다. 특히, 불활성 기체의 제공은 산소를 주조 환경으로부터 제거함으로써 산화물 형성을 감소시키고, 주조 공정 전체를 통하여 산소가 감소된 또는 산소가 없는 환경을 유지시킨다. 이러한 기법은 와이어 합금 성분이 산화물 형성에 더 민감할 수 있는 상승된 온도에서 주조 공정이 수행되는 것을 허용하기 때문에 유리하다. 주조 환경에서의 불활성 기체의 사용은 적절히 용융된 와이어 합금을 제공하는 온도에서 주조 공정이 수행되는 것을 허용하지만, 용융된 와이어 합금이 와이어 합금 동안 산소와 접촉하는 것을 방지한다.
완전히 혼합된 용융된 와이어 합금을 형성한 후에, 와이어 합금은 와이어 합금 막대를 형성하는 다이를 통하여 이를 고형화 및 연속 인발함으로써 단계(212)에서 주조된다. 인발 막대는 고체 와이어 합금의 초기 부분을, 그가 다이를 통하여 고형화됨에 따라, 당기는 데 사용될 수 있다. 일단 고체 와이어 합금의 초기 부분이 다이를 통하여 인발되면, 추가의 용융된 와이어 합금이 도가니로부터 슈트를 통하여 유동한다. 이러한 추가의 용융된 합금은 또한 냉각 구역에서 고형화되고, 이어서, 이전에 형성된 고체 와이어 합금을 당김으로써 다이를 통하여 외부로 인발된다. 고형화된 와이어 합금을 다이의 외부로 연속적으로 당기면, 더 많은 용융된 와이어 합금이, 그가 또한 고형화되고 인발될 수 있는 다이 내로 유동하는 것이 가능하게 된다. 이러한 공정은 연속적으로 수행되어 고체 와이어 합금 막대를 형성한다.
형성된 와이어 합금 막대는 추가 기계가공 및 처리를 위하여 이송될 수 있다. 예를 들어, 일단 고체 와이어 합금 막대가 형성되면, 막대는 특정 길이의 부분들로 절단될 수 있다. 고체 와이어 합금 막대는 또한 막대의 직경을 감소시키기 위하여 원주를 따라서 기계가공 또는 연마될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 단계(214)에서, 고체 와이어 합금 막대는 미세 와이어를 생성하기 위하여 압출기를 통하여 이송된다. 압출기는 특정 오리피스 직경을 갖는 다이를 통하여 고압으로 고체 와이어 합금 막대를 가압한다. 와이어 합금 막대는 고압 하에서 변형되고 다이 오리피스를 통과한다. 압출기는 와이어 합금 막대의 직경을 감소시켜서 최종 제품일 수 있는 미세 와이어를 형성한다. 미세 와이어를 위한 적합한 최종 직경은 약 0.050 인치(1.270 마이크로미터), 약 0.030 인치(0.762 마이크로미터), 약 0.020 인치(0.508 마이크로미터), 약 0.010 인치(0.254 마이크로미터), 0.003 인치 약(0.080 마이크로미터), 약 0.001 인치(0.025 마이크로미터), 또는 그 미만일 수 있다.
본 명세서에 개시된 방법을 사용하여, 개선된 합금 와이어가 생성된다. 본 명세서에서 설명된 주조 공정은 공극, 블리스터, 내포물, 또는 편석이 적거나 없는 미세 와이어를 가져온다.
예를 들어, 본 명세서에 개시된 방법은 주성분으로서 납(Pb), 은(Ag), 및 주석(Sn)을 포함하는, PAS 합금으로 또한 지칭되는, 금속 합금으로부터 미세 와이어를 형성하는 데 사용될 수 있다. 이들 원소의 각각은 원소들이 용융되는 동안 산소에 노출되는 경우에 산화물을 형성할 수 있다. 모합금의 사용은 가장 높은 융점 성분의 용융 온도보다 낮은 온도에서 주조 공정이 수행되는 것을 가능하게 한다. 제어된 온도에서 주조 공정을 수행함으로써 주조 챔버 내에서의 용융 중에 산화물 형성의 위험을 감소시킨다. 산화물 형성의 위험을 감소시킴으로써 사용자가 불순물의 레벨이 더 낮은 와이어 합금을 생성하게 한다. 더욱이, 불활성 환경에서 주조 단계를 수행함으로써, 산화물 형성의 위험은 추가로 감소된다.
연속 주조 방법과 조합하여 모합금을 사용하는 것은 또한 용융된 와이어 합금이 고상(solid phase)으로 더 빠른 속도로 냉각되는 것을 가능하게 함으로써 공극, 블리스터, 또는 내포물이 적거나 없는 것으로 이어진다. 먼저 모합금을 생성함으로써, 와이어 합금은 가장 높은 융점 성분의 용융 온도보다 낮은 온도에서 용융되고, 따라서 본 방법은 와이어 합금으로부터, 그가 고형화되기 전에, 인발되는 데 더 적은 열을 필요로 한다. 이는 고형화 온도에 도달하는 데 필요한 냉각 시간을 더 짧게 한다. 그러므로, 합금은 더 빠르고 더 순조롭게 고형화되고, 이는 공극 또는 블리스터의 형성 위험을 감소시킨다.
연속 주조 공정의 사용은 또한 고체 와이어 합금 내의 공극 형성을 방지하는 것을 돕는다. 연속 주조 공정은 와이어 합금이 제어된 속도로 고형화되게 하고, 이는 와이어 합금이 고형화되고 있는 동안 잠재적인 공극 위치가 용융된 와이어 합금으로 충전되는 것을 가능하게 한다. 사용된 연속 주조 방법은 수평 주조에 제한되지 않고, 수직 주조를 또한 사용할 수 있다.
더욱이, 더 낮은 용융 온도와, 와이어 합금을 액상(liquid phase)으로부터 고상으로 더 빠르게 냉각시키는 주조 방법의 사용의 조합은, 완전히 혼합된 액체가, 그가 분리될 기회를 갖기 전에, 고형화되는 것을 가능하게 하도록 협력한다. 용융된 와이어 합금을 통하여 불활성 기체를 발포함으로써 와이어 합금을 주조 동안 적절히 혼합된 상태로 유지하기 위한 교반을 제공하고, 이는 균일한 또는 실질적으로 균일한 농도의 합금 성분을 가져온다. 용융된 합금을 더 빠르게 고형화하는 방법을 사용함으로써 합금이 고형화되는 동안 잠재적으로 분리되어야 할 시간을 감소시킨다.
실시예
하기 비제한적인 실시예는 본 발명의 다양한 특징부 및 특성을 예시하는 것으로, 이는 그에 제한되는 것으로 해석되어서는 안 된다.
실시예 1 - PAS 합금의 연속 수평 주조
진공 노(furnace) 내에서 은과 납을 혼합함으로써 모합금을 생성하였다. 모합금은 78 중량% 납(Pb) 및 22 중량% 은(Ag)을 함유하였고 융점이 약 550℃였다. 은과 납을 도가니 내에서 함께 공-용융시켰다.
영국 스코틀랜드 소재의 Rautomead, Ltd에 의해 제조된 수평 연속 주조 노의 흑연 도가니 내에서, 모합금을 추가 납 및 주석과 배합하여 95.5 중량% 납, 2.5 중량% 은 및 2.0 중량% 주석을 함유하는 와이어 합금을 형성하였다. Rautomead 기계는 주조 공정이 아르곤으로 충전된 폐쇄된 시스템 내에서 수행되게 하였다. 노 내에서 와이어 합금 용융물을 통하여 아르곤을 발포시켰다. 발포를 사용하여 용융된 와이어 합금을 혼합하였다. 더욱이, 아르곤을 용융물의 상부 위로 유동시켜 보호 분위기를 형성하였다.
도가니로부터 도가니에 연결된 흑연 다이를 통하여 고체 와이어 합금을 연속적으로 인발함으로써 와이어 합금을 주조하였다. PAS 와이어 합금의 융점은 310℃였다. 500℃ 내지 720℃의 주조 온도에서 와이어 합금을 용융시켰다. 와이어 합금을 다이를 통하여 인발되기 전에 500℃ 내지 720℃로 유지하였다. 고체 와이어 합금을 인발하여 막대를 형성하였다. 막대를 약 0.20 인치의 거리만큼 외부로 인발하였고, 그 후에, 5 초 지연시키고 이어서 막대를 다른 0.20 인치만큼 인발하고, 이어서 일정 시간 지연시켰다. 이러한 공정을 반복하여 40 인치 길이에 걸쳐 직경이 1.2 인치인 와이어 합금 막대를 형성하였다. 이어서, 와이어 합금 막대를 기계가공하여 직경이 1.0 인치인 와이어 합금 막대를 생성하였다.
와이어 합금 막대를 막대의 길이를 따라서 별개의 부분들로 분할하였다. 와이어 합금 막대의 길이를 따라서 3개의 위치에서 Ag 및 Sn의 농도를 측정하였다. 3개의 농도 테스트의 결과가 도 4에 도시되어 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, Ag 및 Sn의 농도는 PAS 막대의 길이를 따라서 변하지 않았다. 이들 데이터는 Ag 및 Sn의 농도가 막대의 길이를 따라서 일관되었고 편석이 없었음을 보여준다. 즉, Ag의 농도가 막대의 길이를 따라서 모든 지점에서 동일하였고, Sn의 농도가 막대의 길이를 따라서 모든 지점에서 동일하였고, 나머지 원소인, Pb의 농도가 막대의 길이를 따라서 모든 지점에서 동일하였다.
기계가공된 와이어 합금 막대를 60 톤 수평 압출기를 사용하여 압출하였다. 압출 공정은 막대를 다이에 강제로 통과시킴으로써 막대의 단면을 감소시켰다. 압출 단계는 와이어 합금의 직경을 1.0 인치 직경의 막대로부터 미세 와이어의 형태로 감소시켰다. 외경이 20 및 30 밀(mil)인 미세 와이어를 압출하여 스풀(spool) 상에 권취하였다.
도 5 및 도 6은 주사 전자 현미경을 사용하여 촬영된 PAS 합금 와이어의 고해상도 이차 전자 이미지이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 형성된 PAS 합금 와이어는 공극 및 내포물이 실질적으로 없다. 표면은 매끈하고 균일하며, 표면 내에 공극을 또는 표면으로부터 돌출된 블리스터를 갖지 않는다. 도 6에 도시된 바와 같이, PAS 합금 와이어의 표면은 실질적으로 매끈하며 연속적이다. 본 실시예는 PAS 합금 와이어 내에 공극, 블리스터, 또는 내포물이 없는 것을 나타낸다. 현재, 전술된 방법을 사용하여 형성된 와이어 내에는 파손이 관찰되지 않았다.
비교예 - PAS 합금의 개방식 주조
이전에 사용된 와이어 합금를 주조하기 위한 다른 방법은 개방식 주조를 포함한다. 그러나, 개방식 주조 방법에 의해 형성된 PAS 합금 와이어는 공극, 내포물, 및 편석과 같은 결함을 가질 수 있다. 예를 들어, PAS 합금 와이어를 제조하기 위한 개방식 주조 방법은 기계적 혼합에 이어서 수직 북 몰드 내에서 주조하는 합금의 개방식 주조를 포함할 수 있다.
개방식 주조 공정에서, 납 및 주석을 흑연 도가니 내에서 개방 분위기에서 용융시켰다. 납 및 주석 혼합물은 97.9% Pb 및 2.1% Sn이었다. 별도의 도가니에서, 은을 용융시켰고 이어서 미리 용융된 Pb/Sn 혼합물과 블렌딩하였다. 혼합물을 은의 융점(961.8℃)으로 가열하고, 기계적으로 혼합하고, 찌꺼기(dross)를 제거하였다. 이어서, 최종 혼합물을 북 몰드 내에서 주조하여 막대(64)를 형성하였다.
막대(64)의 Ag 및 Sn의 농도를, 막대(64)의 길이를 따라서 3개의 위치에서 취하였다. 도 7에 도시된 바와 같이, 제1 위치(66)에서, Ag의 농도는 1.64 중량%였고 Sn의 농도는 1.55 중량%였다. 나머지 96.81 중량%는 Pb였다. 제2 위치(68)에서, Ag의 농도는 1.65 중량%였고, Sn의 농도는 1.52 중량%였고, 나머지는 Pb였다. 제3 위치(70)에서, Ag의 농도는 1.36 중량%였고, Sn의 농도는 1.49 중량%였고, 나머지는 Pb였다. 도 7에 도시된 바와 같이, 합금의 성분은 비교 막대(64)의 길이를 따라서 분리되어, 그 길이를 따르는 다른 위치에서와 상이한 농도를 갖는 국소화된 영역을 형성하였다.
도 8은 개방식 주조를 사용하여 제조된 와이어 합금 막대(10, 12, 14)의 사진이다. 도 9a 및 도 9b는 개방식 주조를 사용하여 제조된 와이어 합금 막대(30)의 디지털 현미경 이미지이다. 합금 막대(10, 12, 14, 30)를, 95.5 중량% Pb, 2.5 중량% Ag, 및 2.0 중량% Sn을 함유하는 합금 용융물로부터 주조하였다. 도 8에 도시된 바와 같이, 개방식 주조 방법을 사용하여 제조된 막대(10, 12, 14)는 공극(16, 20) 및 블리스터(18)를 포함한다. 공극 및 블리스터는 합금 막대(10, 12, 14)로부터 나중에 형성되는 와이어의 강도를 감소시킬 수 있다. 도 9a에 도시된 바와 같이, 개방식 주조 방법을 사용하여 제조된 막대(30)는 공극을 포함한다. 도 9b에 도시된 바와 같이, 개방식 주조 방법을 사용하여 제조된 막대(30)는 표면 결함을 포함한다.
이어서, 실시예 1에 대해 전술된 것과 유사한 공정으로, 주조 혼합물을 압출하여 직경이 0.020 인치인 미세 와이어를 형성하였다.
도 10, 도 11a, 도 11b, 및 도 12는 도 8, 도 9a 및 도 9b에 도시된 와이어 합금으로 제조된 미세 와이어(40, 46, 54)의, 주사 전자 현미경으로 촬영된 사진이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 개방식 주조 공정 및 북 몰드를 사용하여 주조한 와이어 합금을 사용하여 제조된 미세 와이어(40)는 와이어 합금 재료 내에 공극(42)을 포함한다. 공극(42)은 그가 미세 와이어(40)의 표면에 있기 때문에 이러한 사진에서 가시적이다. 그러나, 추가의 공극이 또한 와이어(40) 내에, 즉 표면 아래에 존재할 수 있다. 이러한 공극(42)은 와이어 파손과 같은 문제를 생성한다.
도 11a 및 도 11b는 도 10의 공극(42)의 주사 전자 현미경으로 촬영된 사진인데, 공극(42)의 표면 텍스처(texture)의 확대도를 도시한다. 도 11a는 도 10에 도시된 전체 공극(42)의 확대도이다. 도 11b는 도 11a에 도시된 공극(42)의 일부(48)의 고해상도 도면이다. 도 11b에 도시된 바와 같이, 공극의 일부(48)의 표면은 불균일하고, 합금 편석을 보여주는 과립형인 표면 텍스처를 갖는다.
도 12는 개방 주조 공정을 사용하여 주조되고 북 몰드 내에서 고형화된 와이어 합금으로 제조된 미세 와이어(54)의 단면 영역의 주사 전자 현미경으로 촬영된 사진이다. 개별 성분들이 다양한 회색 음영의 동심 링들(56, 58, 60)로 분리됨에 따라 편석이 가시적이다.
비교해 보면, 본 명세서에 개시된 방법을 사용하여, 개선된 본딩 강도를 갖고 공극 또는 내포물이 실질적으로 없는 합금 와이어가 형성될 수 있다. 본 명세서에 개시된 방법을 사용하여 형성된 금속 와이어는 전술된 비교 방법보다 더 큰 균일성을 갖고 따라서 개방 주조 방법을 사용하여 형성된 금속 와이어와 비교하여 파손이 발생하는 경향이 적다.
본 발명의 범주로부터 벗어나지 않고서 논의된 예시적인 실시 형태에 대해 다양한 변경 및 추가가 이루어질 수 있다. 예를 들어, 전술된 실시 형태가 특정 특징부를 언급하지만, 본 발명의 범주는 또한 특징부들의 상이한 조합을 갖는 실시 형태 및 전술된 특징부들 모두를 포함하지 않는 실시 형태를 포함한다.

Claims (10)

  1. 와이어에 사용하기 위한 합금 재료를 형성하는 방법으로서,
    납 및 은을 함유하는 모합금(master alloy)을 형성하는 단계;
    용기(vessel) 내에서 상기 모합금과 추가 납과 제3 재료를 배합함으로써 용융된 와이어 합금을 생성하는 단계;
    아르곤 기체를 상기 용융된 와이어 합금을 통하여 그리고 그 위에서 유동시키는 단계;
    상기 용기로부터 능동적으로 냉각된 다이를 통하여 상기 용융된 와이어 합금을 인발하는 단계; 및
    상기 용융된 와이어 합금을 고형화하여 와이어 합금의 막대(bar)를 형성하는 단계를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제3 재료는 주석인, 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 용융된 와이어 합금을 생성하는 단계는 상기 모합금과 상기 제3 재료와 도펀트(dopant)를 배합하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 와이어 합금은 융점이 약 310℃인, 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 모합금은 약 78.0 중량% 납 및 약 22.0 중량% 은을 포함하는, 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 용융된 와이어 합금을 인발하는 단계는 상기 와이어 합금 막대 전체를 통하여 균일한 농도의 납, 은, 및 상기 제3 재료를 형성하기 위하여 선택된 속도로 상기 용융된 와이어 합금을 냉각시키는 단계를 포함하는, 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 와이어 합금의 막대는 상기 와이어 합금 막대의 길이를 따라서 그리고 직경을 따라서 균일한 농도의 상기 납, 상기 은, 및 상기 제3 재료를 갖는, 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 와이어 합금의 막대는 약 95.5 중량% 내지 약 97.5 중량% 납, 약 1.5 중량% 내지 약 2.5 중량% 은, 및 약 1.0 중량% 내지 약 2.0 중량% 주석을 함유하는, 방법.
  9. 와이어에 사용하기 위한 합금을 형성하는 방법으로서,
    제1 금속과 제2 금속을 용융 및 배합하여 모합금을 형성하는 단계 - 상기 제1 금속은 제1 융점을 갖고, 상기 제2 금속은 제2 융점을 갖고, 상기 모합금은 융점이 약 460℃ 내지 약 650℃임 -;
    제3 금속 및 추가 양의 상기 제1 금속 및 제2 금속 중 적어도 하나와 상기 모합금을 배합함으로써 용융된 와이어 합금을 형성하는 단계;
    아르곤 기체를 포함하는 용기 내에서 상기 용융된 와이어 합금을 혼합하는 단계;
    상기 용융된 와이어 합금을 다이를 통하여 인발하는 동안 상기 용융된 와이어 합금을 냉각시켜 와이어 합금 막대를 형성하는 단계를 포함하는, 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 와이어 합금 막대는 약 95.5 중량% 내지 약 97.5 중량% 납, 약 1.5 중량% 내지 약 2.5 중량% 은, 및 약 1.0 중량% 내지 약 2.0 중량% 주석을 함유하는, 방법.
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