2017 Fiscal Year Research-status Report
Life prediction of fatigue crack propagation of sintered Ag nanoparticles for power module die attach
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17K06843
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| Research Institution | Shibaura Institute of Technology |
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Principal Investigator |
苅谷 義治 芝浦工業大学, 工学部, 教授 (60354130)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 銀焼結材料 / 疲労き裂進展 / パワーデバイス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
Agナノ粒子焼結体の状態方程式の構築および変形機構解析のため，実用候補となりうる無加圧Agナノ粒子焼結材料を対象に請者の開発した微小荷重力学試験機を用いて，室温から140℃に至る温度域にて，弾塑性構成式およびクリープ構成式を構築する力学試験を行い，それぞれの有限要素法解析で用いる構成式を作成した．また，室温から140℃の温度域にて，申請者が開発してきたミニチュア疲労き裂進展試験により無加圧焼結したAgナノ粒子焼結体の疲労き裂進展速度を調査し，疲労き裂進展速度の温度依存性，疲労き裂進展経路と焼結温度の関係を検討した．
無加圧焼結したAgナノ粒子焼結体は，一般的なはんだ材料異なり，試験温度が上昇するに従い，疲労き裂進展速度が遅くなる興味深い結果が確認された．試験後の損傷域における電子顕微鏡観察の結果，焼結ネック部において，Agナノ粒子焼結体特有の粘性的なクリープ変形が確認され，また，焼結内部構造を再現したミクロスケール有限要素法解析により，高温の試験になると，このネック部における粘性的な変形がき裂先端のエネルギー吸収し，疲労き裂進展抵抗が増加することが導かれた．
また，無加圧焼結の場合，焼結温度が上昇すると，焼結体内部の空隙が減少し，より密な内部構造となることで疲労き裂進展速度は低下するが，前述のネック部における粘性的変形により，試験温度が高温では，疲労き裂進展速度におよぼす焼結温度の影響が少なくなることがわかった．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
計画段階では，パワーモジュールの動作域におけるダイアタッチ部の応力解析および疲労き裂進展解析のベースとなる力学構成方程式および疲労き裂進展計測を行うことにしている．今年度は室温から140℃に至る温度域にて，力学構成式を構築する実験および疲労き裂進展試験を行い，構成方程式と疲労き裂進展則を構築したため，概ね順調に進んでいると判断した．ただし，将来の高温動作を考慮すると，より高い温度域（例えば200℃）における力学構成式と疲労き裂進展則が必要であり，これらの実験の必要があるが，装置の耐熱性の限界から本年度は実施できず，次年度で装置改造を含め，対応することとした．
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| Strategy for Future Research Activity |
将来の高温動作を考慮したより高い温度域（例えば200℃）における力学構成式と疲労き裂進展則が必要であり，これらの実験を行いために，まず装置の耐熱性の限界を上げる装置改造を行う．その後，200℃以上の温度域にて力学構成式を構築する力学試験および疲労き裂進展試験を実施する．さらに，本研究で対象としているAgナノ粒子材料は一般的なクリープ発現温度より低い温度で粘性的なクリープ変形を開始する特異な現象が観察され，これが疲労き裂進展に影響をおよぼしていることがわかった．このため，クリープの変形機構に関して詳細な調査が必要となり，小型のクリープ試験機を制作し，200℃付近のクリープ特性解析を行うことを予定している．
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| Causes of Carryover |
200℃以上の力学試験を予定していたが，試験機の耐熱性の問題が生じ，計画していた一部の試験が実施できなかったため，物品費（力学試験に伴う消耗品類）に残額が生じた．次年度において装置の耐熱性の改善を行い，実施を見合わせた試験を実施予定であるので，次年度使用額はこの実験の消耗品費用として使用予定である．
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