2019 Fiscal Year Research-status Report
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18K04769
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| Research Institution | Ibaraki University |
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Principal Investigator |
岩本 知広 茨城大学, 理工学研究科(工学野), 教授 (60311635)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
永野 隆敏 茨城大学, 理工学研究科(工学野), 講師 (70343621)
篠嶋 妥 茨城大学, 理工学研究科(工学野), 教授 (80187137)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 透過型電子顕微鏡 / その場観察 / 超音波接合 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
超音波接合は、室温、大気中において短時間で行われるため量産性に優れ、半導体実装技術などに広く用いられている。しかしながらその接合機構は十分に明らかではないため、健全な接合体を得るためには多くの試行錯誤による実験が必要となっている。本研究は実際に透過型電子顕微鏡内で微細組織を観察しながら超音波接合を行い、その接合機構の詳細を直接観察により明らかにしようとする研究である。特に本課題は新規の実験手法のため、継続的な装置の開発、改良が不可欠である。今年度は新たに開発したホルダーを用いてその動作検証のための実験を行うとともに、実際に透過型電子顕微鏡観察に使用し、超音波接合過程の組織変化を明らかにした。
開発されたホルダーに超音波を印加し可動軸先端の振動を解析したところ、軸は余分な振動ピークもほとんどなく、おおよそ設計通りの周波数で発振していることが確認された。このホルダーにAlの薄片試料を取り付け超音波接合実験を行ったところ、試料を実際に超音波振動させ、特定の条件下では接合させることが可能であった。この組織観察から、接合中に多数のナノ結晶が接合界面近傍に生成し、それらが集まり組織を形成するのが観察された。本研究から超音波接合過程にナノ結晶が関与していることが示唆され、従来の接合過程に新たな知見を加える大きな実験的成果を上げたと考えられる。またこれらの結果について学会で発表を行った。
他方、今回開発したホルダーでは、試料を大きく移動させたときの余分なヒステリシスにより、試料が損傷してしまう問題が多発した。これを改善するために年度の後半では移動機構を設計し直し、装置の改良を行った。これらのホルダーの機構上の問題点が解決されれば微細組織観察、解析に注力することが出来、さらに詳細な接合過程を明らかにできると考えられる。
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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
本年度は昨年度開発したホルダーを用いた実験を進めた。透過型電子顕微鏡にホルダーを取り付け、観察倍率で開発ホルダー単体の動作確認をしたところ、ステージ位置の移動精度、振動子による超音波印加時のステージの振幅、周波数についてはほぼ設計、想定通りであった。また、実験を行うにあたって必要なビデオ記録も、市販の装置を工夫して透過型電子顕微鏡に取り付けることにより可能になった。観察対象となる試料の形状は、接合部への超音波の伝達や透過観察の可否など実験の成否を左右する。これは試料作成方法も含め試行錯誤により最適化した。これらの実験手法全体の開発の結果として、実際に2枚のアルミニウム箔をホルダーに取り付け、透過型電子顕微鏡で観察しながら超音波を印加、接触させ、組織変化を観察する実験が可能になった。特定の条件下では2枚の箔を接合することできた。本実験により、超音波接合中における箔の形態変化、組織変化に対する初期的な観察結果が得られ、今後の詳細な解析により接合過程がさらに明らかになっていくことが期待された。また、この結果について溶接学会で発表することが出来た。
超音波接合過程を粒子法により明らかにする研究では、接合対象となるアルミニウムの表面粗さを変化させて接合した時の熱発生の状態の変化のシミュレーションを引き続き進めている。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度は、まず昨年度後半に新たに改良したホルダーの動作確認を行う。また、現時点で既に開発ホルダーのステージに原因不明の不安定性があり、観察に大きな影響が出ているのでその究明を行う。また詳細な実験を行うために、周辺装置、環境の改善も進めていく。具体的にはさらなる試料作成方法、試料形状の最適化、ビデオ撮影装置の改善などである。このために、比較的実験手法が固まってきているアルミニウム箔に対する超音波印加実験を重ね、研究データ取得の効率化、詳細化を可能にする実験手法を確立する。また同時に取得された微細組織観察に関するデータの解析を通じ、接合界面で起こる様々な現象を明らかにする。さらに、材料の違いによる現象の変化、超音波異材接合への本手法の応用なども進めていく予定である。
粒子法によるシミュレーションでは、引き続きアルミニウムに対し超音波接合条件を変化させ、その時の熱や組織変化について計算を行う。最終的にはその場観察実験と比較、検討を行い、実際の超音波接合過程に対して統合的な知見を得ることを目指す。
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| Causes of Carryover |
次年度使用額が生じた理由は実験の困難さとそれを改善するためのホルダーの設計変更、作成に時間を要したためである。本年度は新規開発ホルダーにより実験が可能になったものの、ステージの安定駆動が今一つ十分ではなく、詳細な実験を十分に行うことが出来なかった。また、このホルダーの改良のために設計変更、装置の改造などに時間を要したため、次年度使用が生じた。これらは次年度、現時点で判明しているホルダーの不十分な動作の改良と、さらに多くの実験において使用する計画である。
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