行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
具自銳性之金屬基材結合鑽石工具研究
計畫類別： 個別型計畫
計畫編號： NSC93-2216-E-011-026-
執行期間： 93 年 08 月 01 日至 94 年 07 月 31 日 執行單位： 國立臺灣科技大學機械工程系
計畫主持人： 林舜天
計畫參與人員： 陳姵君, 彭世豐
報告類型： 精簡報告
報告附件： 出席國際會議研究心得報告及發表論文 處理方式： 本計畫可公開查詢
中 華 民 國 94 年 12 月 30 日
附件一
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 ▇ 成 果 報 告
□期中進度報告 具自銳性之金屬基材結合鑽石工具研究
計畫類別：▇ 個別型計畫 □ 整合型計畫 計畫編號：NSC 93－2216－E－011－026－
執行期間：93 年 08 月 01 日至 94 年 07 月 31 日
計畫主持人：林舜天 共同主持人：
計畫參與人員：陳姵君、彭世豐
成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：▇精簡報告 □完整報告
本成果報告包括以下應繳交之附件：
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□赴大陸地區出差或研習心得報告一份
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□涉及專利或其他智慧財產權，□一年□二年後可公開查詢
執行單位：國立台灣科技大學機械系 中 華 民 國 94 年 9 月 10 日
具自銳性之金屬基材結合鑽石工具研究
林舜天 陳姵君 彭世豐 國立台灣科技大學 機械工程系
(NSC-93-2216-E-011-026)
摘要
本研究將三種不同體積百分比的銅合金/鑽石、銅錫合金/鑽石、銅錫鈦合金/鑽石粉末 混合後進行熱壓製程，熱壓溫度600℃、持溫時間10分鐘，完成後經由XRD 和拉曼分析得 知Cu-20diamond 和Cu20Sn-20daimond試片的鑽石產生石墨化現象，Cu10Sn15Ti則未有石墨 化現象。從微結構觀察到Cu20Sn-20diamond的基地相與鑽石之間結合性較佳，鑽石在磨耗 後並沒有從基地相脫落，Cu10Sn15Ti-20diamond試片的基地相與鑽石之間潤濕性最佳，且 有較好的自銳性，但由於液相不足導致緻密性降低。研究結果得知Cu10Sn15Ti-20diamond 成分沒有石墨化的現象且潤濕性最佳，是三者中最具有潛力的金屬基鑽石複合材料。
關鍵詞: 金屬基鑽石複合材料、銅合金、熱壓成型
1.前言
鑽石具有極高的硬度，因此在機械加工中一直扮演著重要的角色，近年來因精密切削 與陶瓷加工的需要，使得鑽石工具受到廣泛運用，從傳統加工中的石材與超硬材料的切割、
研磨、精密光學玻璃元件研磨、碳化鎢刀具研磨，到高科技產業中電路板鑽孔，矽晶圓與 微型電子元件的切割（Dicing）、LCD 玻璃的切割，以及半導體製程中化學機械研磨
（Chemical Mechanical Polishing, CMP）的高分子研磨墊（Polishing Pads）修整等，相關之 鑽石工具均為最佳或唯一之選擇[1]。
製造鑽石工具的方法除了硬銲(Brazing)以外，還有電鍍（Electroplating）及熱壓法
（Hot-Pressing）[2]。但是電鍍需要用到具污染性的電鍍液，對於環保問題有相大程度的傷 害，而熱壓法若是溫度過高則會導致鑽石表面石墨化造成鑽石劣化。電鍍法所製得的鑽石 工具，基材與鑽石之間係利用電鍍金屬與鑽石之間的物理性結合，因此結合強度低，容易 在加工時整片剝落而破壞[3]。相較之下硬銲法所製作的鑽石工具以化學鍵結方式接合，在 鑽石顆粒與銲料接合處呈現潤濕圓弧，可避免應力集中，因此銲料固持鑽石顆粒的強度較 佳[1,3]。硬銲方式製作的鑽石工具之銲料，包括銅基、銀基與鎳基三種銲料[4]，其中鎳基 銲料雖然有較高的強度與硬度，但因需要較高的硬銲溫度，容易使得鑽石因高溫而劣化，
也因鎳和鐵會催化鑽石產生石墨化現象，而降低鑽石工具的性能[5,6]。銀基銲料由於含有 銀成本較高，且性能與銅基銲料相近，因此已逐漸為銅基銲料所取代。銅基銲料由於可以 在較低的溫度進行硬銲，避免上述鎳基銲料的缺失，因此受到較多的採用。近年來被發展 出來的銅基硬銲合金之中，Cu-Sn-Ti 三元合金系統受到廣泛的注意[7]，原因在於Cu為硬銲 的基底金屬，可提供銲料所需的強度；活性金屬Ti 鈦能夠有效的增進銲料對鑽石的潤溼 性，並且能和鑽石表面的碳產生化學性反應，形成一TiC 層，作為鑽石與銲料的中介層，
有效減低鑽石與銲料間因為鍵結不同、晶格差異以及兩者的熱膨脹係數不同所引起的介面
應力，大幅提升銲料抓持鑽石的效果[3,5]；至於Sn 除了可以降低銲料的處理溫度，避免在 高溫的硬銲過程中，使鑽石產生劣化(degradation)而降低原有的強硬度，並能夠輔助Ti 共 同增進銲料對鑽石的潤溼效果，更可以和Ti、Cu 形成二元或三元介金屬強化相，提升銲料 的強度[8]。
Cu-Sn-Ti 銲料是由Cu、Ti 和Sn三種合金元素所組成，當經過硬銲處理後，會形成複 雜的二元相及三元相，以往的研究著重於銲料對於鑽石的潤溼性、銲料中的鈦在鑽石表面 形成的TiC層，以及銲料與鑽石間的結合能力[9]，或透過添加某些強化相來強化銲料的強 度[8,10]。本研究則將嘗試藉由熱壓方式製造出具備耐磨耗性與自銳性的鑽石工具，以降低 成本及縮短製程時間，並希望能大量生產應用於電子產業。
2.實驗方法
本實驗將三種不同比例的銅合金/鑽石、銅錫合金/鑽石、銅錫鈦合金/鑽石粉末(vol.%) 混合進行熱壓製程，表1所示為三種金屬基鑽石工具的成分比例表。實驗所使用的鑽石粉 (HHM-C,大陸河南黃河旋風公司)，平均粒徑22µm，如圖1(a)所示。銅粉為電解銅粉、平均 粒徑31 µm，如圖1(b)所示。Cu20Sn粉末的平均粒徑為27µm、Cu10Sn- 15Ti平均粒徑為 24µm，兩者皆為氣噴之預合金粉末，如圖1(c)、1(d)所示。鑽石粉末與銅粉先置於廣口瓶內 以行星式球磨機將粉體混煉均勻，再將混煉的粉體填入石墨模具內，熱壓操作條件為壓力 30MPa、溫度600℃，並在氮氣的氣氛下持溫10 分鐘，再以爐冷方式冷卻至常溫。進行的 性質測試與分析項目包括電子顯微鏡觀察、硬度量測、熱分析、拉曼分析、X 光繞射分析、
電解拋光、G-ratio 量測、摩擦係數量測等。
表1. 本實驗使用的三種金屬基鑽石工具成分比例
(a) (b)
(c) (d)
圖1. (a)鑽石粉，(b)電解銅粉，(c) Cu20Sn 預合金粉末，(d) Cu10Sn15Ti 預合金粉末。
3.結果與討論
3.1 金屬基材硬度試驗
Cu、Cu20Sn、Cu10Sn15Ti 三種不同金屬基材於真空爐燒結至950℃持溫30 分鐘，以 維克氏硬度計施加負荷於100kgf 下量測，結果Cu 的硬度平均值為118 kgf/mm2，Cu20Sn 硬 度值為232 kgf/mm2，Cu10Sn15Ti硬度值為325 kgf/mm2，由於Cu10Sn15Ti含有Ti可以和Sn 形成介金屬化合物，這些介金屬化合物導致合金有較高的硬度。
3.2 熱分析量測
Cu20Sn合金粉末在503℃有一吸熱峰值，由Cu-Sn 相圖得知此吸熱峰為δ-Cu41Sn11 相，在779℃的吸熱峰為此合金從固相轉變為液相之溫度。
Cu10Sn15Ti在526℃有一放熱峰，此可能是Cu41Sn11的相變態溫度，因為在相圖中δ -Cu41Sn11的熔點約為586℃，與該放熱峰溫度極為接近。至於841℃、871℃、902℃出現的 吸熱峰，根據研究CuSnTi的變態溫度是827℃，CuSn3Ti5的變態溫度在880℃-890℃之間 [10]，因此推估871℃應該是Cu10Sn15Ti 的熔點。
3.3 密度量測
Cu-20diamond經熱壓燒結後密度為理論密度之92.3% 、Cu20Sn-20diamond為理論密度 之98.7%、Cu10Sn15Ti-20diamond為理論密度之86.4%。
3.4 X光繞射分析
圖2(a)為熱壓600℃持溫10 分鐘後鑽石工具XRD繞射分析圖形，顯示其中以Cu為主、
(Cu41Sn11)其次，在Cu20Sn-diamond的XRD繞射分析圖形中發現Carbon相。圖2(b)是熱壓600
℃、持溫10分鐘後利用電解腐蝕將基地富銅相(Cu-Sn固溶相)腐蝕後的鑽石顆粒之XRD繞射 分析圖形，發現鑽石的鋒值強度變高，但電解腐蝕後Cu20Sn-20diamond並沒有出現Carbon 相。
(a) (b)
圖2. (a)熱壓600℃持溫10 分鐘後鑽石工具的XRD繞射圖形，(b)基地富銅相(Cu-Sn 固溶相) 蝕去後留下的鑽石顆粒之XRD繞射圖形。
3.5 拉曼光譜分析
鑽石粉的拉曼光譜分析結果顯示1335 cm-1的峰值為D-band。Cu-20diamond拉曼光譜圖 形位於1332 cm-1的振動頻率相當明顯，且於1580 cm-1位置出現寬大的震動模式，此為 G-band，此現象是因為在熱壓製程中，過高的溫度將使得鑽石劣化，逐漸轉換成石墨相。
Cu20Sn-20diamond的拉曼光譜顯示，鑽石的sp3位於1332 cm-1，在1580 cm-1 附近也產生 G-band 。綜合上述得知熱壓製程600℃、持溫10分鐘後，Cu20Sn-diamond 石墨化的現象多 於Cu-20diamond，Cu10Sn15Ti-20diamond拉曼光譜中在1332 cm-1有D-band，但是沒有石墨 化現象。這是因為Cu10Sn15Ti會和鑽石產生TiC 層，TiC 層的可以抵擋碳的侵入，因此減 低熱壓後的石墨化現象。
(a) (b) 圖3. (a) 鑽石粉的拉曼分析結果，(b) Cu20Sn-20diamond的拉曼分析結果。
3.6 鑽石工具G-ratio量測
試驗結果顯示Cu10Sn15Ti-20diamond鑽石工具有最高的磨耗比，其次為Cu20Sn-20 diamond鑽石工具，磨耗比最低的則是Cu-20Diamond鑽石工具。
3.7 摩擦係數之量測
摩擦係數量測實驗結果Cu-20diamond、Cu20Sn-20diamond、Cu10Sn15Ti-20diamond的 摩擦係數分別為0.1、0.2、0.1。其中Cu-20diamond試片的摩擦係數在2250秒後發生很大的 改變，推估應該是鑽石脫落導致此情形。Cu10Sn15Ti-20diamond鑽石工具之摩擦係數則呈 現波浪起伏狀，顯示鑽石工具有較高的自銳性，鑽石在磨耗後可自行脫落，導致摩擦係數
改變。
圖 4. Cu10Sn15Ti-20diamond 鑽石工具之摩擦係數量測結果。
3.7 金屬基材-鑽石工具微結構分析
Cu-20diamond試片微結構顯示鑽石工具遭受到劇烈外力衝擊而造成鑽石工具產生劈裂 (cleavage)型態的破壞時，鑽石並未從金屬基地相中剝落，表示金屬基地相與鑽石之間具有 相當不錯的結合效果。此外鑽石的表面並未有鈍化的現象，因此在此系統中鑽石高溫劣化 情況可能較緩和。在SEM影像中雖然觀察到基地相的銅形成液相包覆鑽石顆粒，但由於溫 度不足，因此銅的潤溼行為較差，造成熱壓後試片緻密性較差。Cu20Sn-20diamond的微結 構中有孔洞存在，但基地相對於鑽石顆粒的潤溼情形較理想，顯示加入錫元素除了可在基 地相形成共晶的結構外，也能改善鑽石劣化的情形。Cu10Sn15Ti-20diamond的顯微組織則 顯示金屬基材與鑽石介面的孔洞區域增加，結構極為鬆散。
Cu-20diamond試片利用電解腐蝕將基地的富銅相(Cu-Sn 固溶相)蝕去後留下的鑽石顆 粒的SEI照片顯示基地相的Cu幾乎被完全腐蝕，因此鑽石顆粒表面呈現粗糙光亮的型態。
Cu20Sn-20diamond的SEI 照片顯示在鑽石顆粒外面仍然包覆著許多Cu-Sn相，因此露出的鑽 石顆粒呈現較粗糙且較暗的型態。Cu10Sn15Ti-20diamond的SEI 照片顯示在鑽石顆粒外面 包覆的Cu-Sn相少於Cu20Sn-diamond，因此露出的鑽石顆粒呈現平滑且明亮的型態。由上述 現象可知Cu-20diamond中的Cu和C不會反應生成化合物，所以鑽石顆粒表面呈現稍微粗糙 且較亮的型態，Cu20Sn-20diamond的Sn有可能和C反應生成化合物，導致鑽石顆粒表面較 為粗糙，Cu10Sn15Ti中的Ti 是活性金屬，容易在熱壓製程中和氣氛起反應，而保有鑽石顆 粒的完整性。
圖5. SEM觀察結果，(a) Cu-20diamond，(b) Cu20Sn-20diamond，(c) Cu10Sn15Ti-20diamond。
4. 結論
XRD繞射分析和拉曼光譜分析顯示Cu-diamond和Cu20Sn-diamond有過多的碳溶入基底 金屬與活性金屬中，導致鑽石容易石墨化，Cu10Sn15Ti則未觀察到石墨化現象。所以添加 活性金屬Ti對碳有較低的溶解度，且能形成金屬碳化合物，可避免碳過度溶入活性金屬中。
摩擦係數分析則顯示Cu10Sn15Ti試片有較好自銳性，此外在相同的熱壓條件下，三種不同 金屬基材-鑽石的密度與熱壓溫度、熱壓時間有關，不同的組成比例，將影響熱壓過程的緻 密化程度。Cu10Sn15Ti-20diamond試片因熱壓溫度未達到841℃相轉變溫度，液相不足因而 造成燒結體的密度降低。
5. 計畫成果自評
本篇研究報告與原計畫內容相符並已達成預期目標，研究成果除可申請國內外 專利以外，也可在國內外學術期刊中發表。
參考文獻
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9. J. J.Pak, M. L. Santella, and R. J. Fruehan, “Thermodynamics of Ti inAg-Cu Alloys”, Metallurgical Transactions B, Vol. 21(B), pp.349-355 (1990).
10.Hamar-Thibault, and C. H. Allibert, “New Phase in the Ternary Cu-Ti-Sn system”, Journal of Alloys and Compounds, Vol. 317-318, pp.363-366 (2001).
可供推廣之研發成果資料表
附件二
□ 可申請專利 □ 可技術移轉 日期： 年 月 日
國科會補助計畫
計畫名稱：
計畫主持人：
計畫編號： 學門領域：
技術/創作名稱
發明人/創作人
中文：
（100~500 字）
技術說明
英文：
可利用之產業 及 可開發之產品
技術特點
推廣及運用的價值
※ 1.每項研發成果請填寫一式二份，一份隨成果報告送繳本會，一份送 貴單位研 發成果推廣單位（如技術移轉中心）。
※ 2.本項研發成果若尚未申請專利，請勿揭露可申請專利之主要內容。
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