Bakır Kaplanmış Volfram Tozlarının Karşılaştırmalı Sinterleme İncelemeleri

Abstract

Yüksek ısıl iletkenlik ve düşük ısıl genleşme katsayısına sahip özgün malzeme grupları mikroelektronik devre paketleri ve ısı emiciler gibi ısıl idare uygulamalarının temel ihtiyacını oluşturmaktadır. Bu özelliklerin aynı anda bir bünye içerisinde toplanabilmesi ancak yüksek iletkenliğe sahip bir matris ve bunun içerisine katılan refrakter karakterli ikincil bir fazdan oluşan kompozit bir bünye içerisinde mümkün olmaktadır. Volfram-bakır sistemi bu tarz uygulamalara aday bir sistem olmasına rağmen, sistemin hiç bir durumda çözünürlük göstermemesi sadece katı hal kontrollü ve yeniden düzenlenme süreçleriyle sinterlemeyi kısıtlamakta ve bu durum da alaşım gruplarının sıvı faz sinterlemesiyle yoğunlaşmasını frenlemektedir. Bu nedenle bu çalışmada, öncelikli olarak volfram tozlarının bakır ile kaplanması gerçekleştirilmiş olup üretilen bu kompozit tozların aynı bileşimlerde değişik yöntemlerle hazırlanan tozlarla karşılaştırmalı sinterleme davranışları incelenmiştir. Volfram tozlarının bakır ile kaplanma işlemi akımsız kaplama yöntemiyle gerçekleştirilmiştir. Üretilen bu kompozit tozlar, elementel olarak volfram ve bakır tozlarının karıştırılması ve bu karışımın atritör ve düzlemsel bilyalı değirmende öğütülmesi yoluyla hazırlanan aynı bileşimdeki setler ile karşılaştırılmalı olarak incelenmişlerdir. Kaplanmış tozların dökme ve çökme yoğunlık değerleri artarken paketlenebilirlik özelliklerinde gelişme kaydedilmiştir. Yine SEM-EDS destekli analizleri kaplanmış tozların bileşim homojenliğinin en üst düzeyde olduğunu ortaya koymuştur. Tozların karşılaştırmalı yüksek sıcaklık incelemelerinde kaplanmış tozların ısıl iletiminin diğerlerine göre daha seviyede olduğu ortaya konmuştur. Mikroyapısal gözlemlerle desteklenen dilatometrik etütler kaplanmış tozların, mikroyapıdaki W-W temaslarını azaltarak sıvı oluşumuyla birlikte daha etkin bir yeniden düzenlenme sürecine neden olduğunu ortaya koymuştur. Bu durum gerçek zamanlı sinterleme deneyi ile anlık olarak gözlenmiştir.Kaplanmış tozlardan hazırlanan sistemlerde artan bakır miktarı sinterleme sırasında oluşan sıvı miktarını artırarak yoğunlaşmaya olumlu katkı sağlarken, artan presleme basıncı numunelerde sinterleme sonrası şekilsel bozukluğu artırmıştır bu durum mikroyapıda W-W temaslarının daha fazla olduğu elementel karışım yoluyla hazırlanan numunelerde gözlenmemiştir. %10 Cu bileşimi üzerindeki çalışmalarda kaplanmış tozlar, elementel tozlardan daha çok çekme davranışı göstermiştir. Bu durum sıkıştırılmış bünye içerisinde sıvı faz oluşumu öncesinde W-W temaslarının önlenmesi ya da azalması durumunda, volframın katı hal sinterlemesinin frenlenebileceği ve sistemde ilk sıvı oluşumuyla birlikte yeniden düzenlenme süreçlerinin daha etkin olmasıyla alakalıdır.Ama kaplanmış toz örneğinde W-W temaslarını azaltırken mikroyapıda teşvik edilen Cu-Cu temaslarının özellikle yüksek Cu içeriklerinde sinterleme için itici güç oluşturabileceği ortaya konmuştur. Nitekim katı hal sinterleme çalışmalarında elde edilen sonuçlar bu bulguları doğrulamaktadır.

Unique materials with a combination of high thermal conductivity and low thermal expansion coefficient are needed for thermal applications such as microelectronic packaging and heat sinks. These combination of properties can be provided by composite materials consisting of a refractory reinforcement and high thermal conductivity matrix. Although liquid phase sintering is an atractive processing approach for sintering heavy alloy systems, lack of solubility of between tungsten and copper inhibits densification especially compositions with high volume fraction of tungsten. It is most probable that a homogenous distribution of copper phase will lead higher degree of rearrengement during sintering of this system. In this study tungsten powders were coated with copper via electroless coating technic. Properties and high temperature behaviors of these composite powders were examined against experimental elemental mixtures and co-milled mixtures of same compositions. In powder state, higher apparent and tap density values obtained from coated powders with respect to virgin tungsten and copper mixtures and co-milled sets. Also microstructural investigations supported by scanning electron microscope which is supported by EDS analyses attachment indicated higher compositional homogenity in coated state which eliminates segregation problem of heavy alloy powders. Comparative high temperature DTA investigations indicates that powders have higher thermal conductivity values in coated state.Dilatometric investigations supported by microstructural characterization showed that better densification values in samples prepared from coated powders and increasing copper content promote densification.. This behavior also observed in real-time sintering experiment. Coating layer of copper inhibits potential tungsten-tungsten particle contacs in microstructure and promotes higher rearrengement densification. Although sintered samples prepared from coated powders and elemental mixtures showed harmanious hardness and electrical conductivity values with respect to literature, co-milled samples lead lesser electrical conductivity values which is a result of contaminations during milling