簡潔な回答
習慣ではなく、封止対象に合わせて合金を選定してください。 Kovar はガラス用、特にホウケイ酸硬質ガラス用であり、気密封止電子パッケージやガラス-金属封止フィードスルーの標準として使用されます。 Alloy 42 はセラミックスおよび半導体リードフレーム用です。そのわずかに低い熱膨張率がアルミナやシリコンに適合し、コバルトフリーの化学組成により、安価にプレス加工やエッチングが可能です。 Invar 36 は封止合金ではありません。その熱膨張率は、いかなるガラスやセラミックスよりもはるかに低く、温度変化に対する寸法安定性が求められる場合に指定されます。
この3つを互換性のある「低熱膨張合金」として扱うことは、高価な間違いにつながります。それらは互換性がありません。ガラスフィードスルーにInvarを、またはホウケイ酸封止にAlloy 42を指定する図面は、加工やメッキは問題なく行われますが、封止炉内または最初の熱サイクルで破損します。Kovarが適切な選択肢であることをすでにご存知でしたら、弊社の Kovar CNC加工 ページでは、水素焼鈍材、切削条件、および気密封止パッケージ用の金/ニッケルメッキについて解説しています。
3つの合金の概要
| 特性 | Kovar | Alloy 42 | Invar 36 |
|---|---|---|---|
| ニッケル | ~29% | ~42% | ~36% |
| コバルト | ~17% | — | — |
| 鉄 | 残部 | 残部 | 残部 |
| 一般的な規格 | ASTM F15 | ASTM F30 | ASTM F1684 |
| UNS番号 | K94610 | K94100 | K93600 |
これら3つの合金は同じニッケル-鉄系に属し、直感に反する特性を共有しています。鉄にニッケルを添加しても、通常合金化で起こるような膨張率の上昇は見られません。ニッケル含有量が約30%から50%の間では、合金の磁歪が通常の熱膨張を部分的に打ち消します。正確なニッケル含有量（およびKovarの場合はコバルトの添加）によって、その曲線上のどの位置に合金が位置するかが調整されます。これが設計の全体像です。
CTE — すべてを決定する数値
| 材料 | CTE (ppm/°C) | シール / マッチング |
|---|---|---|
| Kovar | ~5.3 | ホウケイ酸硬質ガラス (Corning 7052/7056, Schott 8245) |
| Alloy 42 | ~4.5 | アルミナセラミックス、シリコン、ICリードフレーム |
| Invar 36 | ~1.2 | シールなし — 寸法安定性用途 |
| ホウケイ酸ガラス | ~4.6–5.3 | コバールによるマッチング |
| アルミナ (96～99%) | ~6–7 | アロイ42によるアプローチ |
| 304ステンレス (参考) | ~17 | 制御膨張合金ではない |
ガラスと金属の封止は、アセンブリが封止温度から冷却される際に、金属とガラスが一緒に収縮することによって機能します。金属がガラスよりも速く収縮すると、ガラスは引張状態になり、ガラスは引張に弱いため、しばしばアセンブリ後数日または数週間でひび割れが発生します。金属が遅く収縮すると、ガラスは圧縮状態に押し込まれ、これははるかに許容されます。この非対称性により、圧縮方向へのわずかなCTEミスマッチは許容されますが、引張方向へのわずかなミスマッチは許容されません。また、このため、合金は汎用的な「低膨張」の棚から選ぶのではなく、特定のガラスに合わせてマッチングさせる必要があります。
コバール — ホウケイ酸ガラスの標準
コバールは1930年代にウェスチングハウス社によって、真空管のエンベロープ用にホウケイ酸硬質ガラスに特化してマッチングさせるために開発されました。約1世紀経った今でも、ハーメチック電子パッケージ、マイクロ波およびRFフィードスルー、高信頼性宇宙・防衛機器のデフォルトとして使用されています。その約5.3 ppm/°Cの膨張は、約1000 °Cの封止範囲からの冷却時にCorning 7052/7056およびSchott 8245クラスのガラスと追従します。
コバールの実用的な注意点は、在庫状態です。ガラスシールまたはメッキ部品の場合、加工前に水素焼鈍して表面を脱炭する必要があります。そうしないと、遊離炭素がガラスシールにガスを放出し、メッキを妨害します。弊社の コバール加工ページ では、水素焼鈍材とミル仕上げ材、切削パラメータ、およびハーメチックパッケージに典型的な金メッキについて説明しています。
アロイ42 — セラミックパッケージとリードフレーム
アロイ42（ニッケル42%、残りは鉄、コバルトなし）は、コバールよりわずかに低い約4.5 ppm/°Cです。この目標はガラスではなくアルミナセラミックスとシリコンを対象としているため、アロイ42は半導体リードフレームやセラミックボディパッケージ（DIPフレーム、TO缶ベース、セラミックデュアルインラインパッケージ）の主力となりました。コバルトを含まないため、コバールよりも安価で、微細なリードフレーム形状にプレス加工や化学エッチングが容易です。
トレードオフとして、アロイ42はコバールよりもホウケイ酸ガラスとのマッチングがわずかに劣ります。ボディがセラミックのパッケージにはアロイ42が適切であり、ボディが硬質ガラスのパッケージにはコバールが適切です。この2つは代替品ではなく、異なる封止パートナーに合わせてマッチングされています。
インバー36 — ガラスに全く封止しない場合
インバー36は異質な存在です。約1.2 ppm/°Cという膨張率は、いかなる封止ガラスやセラミックスよりもはるかに低いため、ガラスと金属の封止には決して使用されません。代わりに、単に動かないことが要件とされる場合に指定されます。例えば、光学ベンチや干渉計構造、半導体リソグラフィステージ、極低温容器、CTEが炭素繊維積層材と一致する必要がある複合材積層治具などです。部品がガラスビーズに封止するのではなく、工場内の温度変動に対して寸法を保持する必要がある場合、コバールではなくインバー36が適切な合金です。弊社の インバー36加工ページ では、これらの用途で必要とされる応力除去プロトコルについて説明しています。
3つの合金の加工
これら3つの合金は、同じ一般的なファミリーに属し、ニッケル-鉄系の共通の課題を抱えています。中程度の加工硬化、構成刃先の形成傾向、そして工具先端に熱が集中する低い熱伝導率です。コバールは最も加工しやすく、約28 HRCの410ステンレス鋼と非常によく似た挙動を示します。インバー36は加工硬化が激しいため、最も要求が厳しく、送り速度を誤ると表面が光沢化し、次のパスを台無しにします。アロイ42はその中間に位置します。
これら3つの合金すべてにおいて、TiAlNコーティングされた超硬工具を使用し、専らアップカットで加工し、切削中に工具を停止させないように動かし続け、熱を除去するために大量のクーラントを使用します。これらはいずれも加工が特殊な材料ではありません。重要なのは、一貫した送り速度と、表面を加工硬化させないことです。より困難な問題は、上流（適切な在庫状態の指定）と下流（メッキと認証）にあり、スピンドルではありません。
意思決定フレームワーク
合金ではなく、封止パートナーから始める：
- ホウケイ酸硬質ガラスへの封止 — コバール（ASTM F15）、水素焼鈍。ハーメチックパッケージ、ガラス-金属フィードスルー、真空管。
- アルミナセラミックスへの封止、またはリードフレームの製造 — アロイ42（ASTM F30）。セラミックパッケージ、DIPフレーム、TOベース。
- 封止しない — 温度変化に対する寸法保持 — インバー36（ASTM F1684）。光学、極低温、複合材治具。
- 約450 °C以上で連続運転する場合 — 3つのいずれも不可。キュリー点を超えると、制御された膨張挙動は失われます。設計には異なるアプローチが必要です。
- 非磁性部品が必要な場合 — 3つのいずれも不可。このファミリー全体は強磁性体です。
「コバールまたは同等品」という一般的な指定が記載された図面が届いた場合、弊社は「何を封止するのか？」という一つの質問をします。なぜなら、部品を決定するのは合金名ではなく、その答えだからです。指定と封止パートナーが一致しない場合、金属を切削する前、つまりシールが失敗する前に修正が行われるように、見積もりでその旨を指摘します。