2019 Fiscal Year Research-status Report

柔らかい電子回路に使う金属ナノ粒子配線の電流・応力下での損傷機構解明と強度評価

Research Project

Project/Area Number	19K04084
Research Institution	Hirosaki University
Principal Investigator	笹川和彦弘前大学, 理工学研究科, 教授 (50250676)
Project Period (FY)	2019-04-01 – 2023-03-31
Keywords	金属ナノ粒子 / フレキシブル回路 / エレクトロマイグレーション / 信頼性 / 損傷機構
Outline of Annual Research Achievements	（Ⅰ）金属ナノ粒子配線の損傷機構解明 (Ⅰ）－１　高密度電流負荷による損傷（ＥＭ）加速試験による検討（R１）　エレクトロマイグレーション（EM）による配線微視構造の変化を捉え、原子拡散径路の推定を行うとともに金属原子の局所損失の発生箇所とその成長機構を特定してEM損傷機構を解明することを目的に以下の研究を実施した。フィルム樹脂基材上にインクジェット法により銀ナノ粒子インクを印刷して配線試験片を作製した。試験部幅が50、長さが100マイクロmの直線形状試験片に対し、高密度定電流を高温下で長時間印加し、損傷の蓄積を反映する配線両端の電位差を４端子法でモニターした。また、断線までの微視構造観察を電子顕微鏡やレーザ顕微鏡により経時的に行った。その結果、通電による局所的な配線厚さの減少箇所と金属凝集塊の形成の分布が電流密度の大きさによって異なっており、通電がもたらすジュール発熱による金属凝集塊の形成とEMによる局所的な配線厚さの減少が金属ナノ粒子インク配線の損傷要因であり、これらが複合して作用する損傷機構を有していることがわかった。また、電流密度や温度などの使用環境によって２つの損傷要因の優劣が変化することがわかった。なお、凝集塊形成後のEMによる凝集塊移動と分布の形成過程を初めて明らかにした。 (Ⅰ)－２　ＥＭに加え応力負荷を重畳した加速試験による検討（R２予定）　項目(Ⅰ)－１の試験片を、加熱できる半円柱形真鍮ブロックに接着し静的な曲げ応力を負荷した状態で、高密度電流を長時間印加して断線までの損傷蓄積プロファイルを獲得するとともに損傷箇所の微視的構造変化の観察を行った。得られた結果を電流負荷のみの(Ⅰ)－１の結果と比較したところ、電流の負荷とともに静的な曲げ引張応力を負荷した方が、早く断線する傾向がみられた。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 1: Research has progressed more than it was originally planned. Reason 本研究課題では、（Ⅰ）金属ナノ粒子配線の損傷機構解明と(Ⅱ)強度評価法の構築の２つの大きな課題を遂行予定である。令和元年度はそのうち、項目（I）の具体的実施項目である（Ⅰ）－１　高密度電流負荷による損傷（ＥＭ）加速試験による検討（R１）を実施予定であった。実験により、エレクトロマイグレーション損傷の存在を実証することができ、目的としていた損傷機構の解明に大きく歩を進め、当初の目的をほぼ達成できた。さらに次年度（令和２年度）に実施予定の(Ⅰ)－２　ＥＭに加え応力負荷を重畳した加速試験による検討（R２予定）について、実験を開始して、応力負荷の有無による損傷の違いを捉えることに成功しており、次年度の研究課題である検討事項に前倒しして着手しているため。
Strategy for Future Research Activity	研究計画通りに順調に進捗している。令和元年度に既に前倒しで着手している「(Ⅰ)－２　ＥＭに加え応力負荷を重畳した加速試験による検討」を引き続き実施するとともに、令和３年度に着手予定である(Ⅱ)強度評価法の構築の中の具体的実施項目「(Ⅱ)－１　損傷数理モデルの定式化（R３）」についても、これから明らかになってくる損傷機構の新たな知見を踏まえてモデルに組み込んでいくことにより、前倒しして進めていきたい。
Causes of Carryover	試験片作製に用いる使用期限付きの薬品を年度末に購入予定であったが、保有分で年度内に足りたので購入を見送ったため、次年度使用額が生じた。次年度早々に当該薬品の購入が必要となる見込みで、これに充てる予定である。