| 研究課題/領域番号 |
23K22639
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| 補助金の研究課題番号 |
22H01368 (2022-2023)
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| 研究種目 |
基盤研究(B)
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| 配分区分 | 基金 (2024)
補助金 (2022-2023) |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分18010:材料力学および機械材料関連
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| 研究機関 | 国立研究開発法人理化学研究所 |
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研究代表者 |
林 雄二郎 国立研究開発法人理化学研究所, 放射光科学研究センター, チームリーダー (30435953)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2024年度)
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| 配分額 *注記 |
18,330千円 (直接経費: 14,100千円、間接経費: 4,230千円)
2024年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円)
2023年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
2022年度: 16,770千円 (直接経費: 12,900千円、間接経費: 3,870千円)
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| キーワード | 放射光 / 方位 / 応力 / 接合 / 非破壊 / マイクロビーム / 3次元 / 顕微鏡 / 熱疲労 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
はんだ接合や異種金属接合も含め接合の疲労・劣化・損傷メカニズムの解明は一般に難しい。金属の疲労・損傷挙動の把握には電子線後方散乱を用いた結晶方位顕微鏡が有用であるが、接合部の力学状態を壊さずに接合部の結晶方位像を観察するのができないためである。そこで本研究では放射光X線回折を使って接合構造体試料内部における接合部の結晶方位像を非破壊で得ることを目的とする。この非破壊方位顕微鏡法をパワーモジュール構造体試料に実際に適用し内部に埋もれた接合部を非破壊で観察することで、接合の疲労・劣化・損傷メカニズムの解明に極めて有用であることを実証する。
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| 研究実績の概要 |
3次元X線回折（3DXRD）顕微鏡法は放射光X線を用いて多結晶金属試料内部の結晶方位マッピング像を3次元非破壊で得ることができる手法である。この方法では試料180°回転にわたって試料透過方向のX線回折画像を記録することで試料内部の3次元結晶方位像を再構成することができる。しかし、試料回転軸を直立させて回転するため試料の大きさと形状に制約が生じ板形状の接合構造体試料に適用することができない。本研究では、試料回転軸を45°傾斜させることにより試料360°回転にわたって試料透過方向の回折X線を検出できるようにすることで板形状の試料内部の3次元結晶方位マッピング像を再構成することのできる傾斜型3DXRD法を提案する。2年目は主に (a) マイクロビームを用いた実証実験と (b) ダイボンドはんだ接合試料を用いた実証実験を行った。(a)ではビームサイズ2μmの硬X線マイクロビーム及び直径300μmの共晶はんだボールを試料に用いて傾斜型3DXRD実験を行った結果、粒径10μm程度の微細組織を示す3次元方位像が得られた。(b) ではSiダミーチップをDBC基板に鉛フリーはんだでダイボンディングしたはんだ接合試料にビームサイズ数十μmの硬X線ビームを照射し、回折X線をSn用コニカルスリットを通して検出した。これにより埋もれたはんだ接合層からのみの回折斑点像を得ることに成功し、接合試料に対してSnの多結晶指数付けを容易に行うことが可能となった。また、大面積のダイボンドはんだ接合試料に対応するためのスキャンを行い、ダイボンドはんだ接合の大面積の結晶方位像を非破壊で得ることに成功した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
(1) 硬X線マイクロビームを用いた3次元結晶方位マッピングデータの取得： 高輝度放射光源アンジュレータを有するSPring-8ビームラインBL29XUにおいて初年度に製作した長作動距離仕様のX線集光ミラーを用いてビームサイズ2μmの硬X線マイクロビームを形成した。45°傾斜させた試料回転軸に直径300umのはんだボールをマウントしマイクロビームをはんだボールに照射した。このセットアップで回転軸を含めた3次元スキャンを行い3次元スキャンデータを得た。
(2) 多結晶指数付けクラスタ計算： 初年度において単ノード用に構築した多結晶指数付け計算を複数計算ノード用に拡張した。試験的に用意した管理ノードと複数計算ノードを用いて簡易的にクラスタ計算機構造を構築した。これに複数計算ノード用多結晶指数付けアルゴリズムを実装し、はんだボールの3次元スキャンデータに対して多結晶指数付け計算を行った。これによりはんだボールの3次元方位像の再構成を達成した。
(3) コニカルスリット： Sn用の精密コニカルスリットを製作した。また、6軸ヘキサポッドを実験セットアップに導入し、精密コニカルスリットのアライメントを達成した。
(4) ダイボンドはんだ接合層の非破壊方位マッピング： SiダミーチップをDBC基板に鉛フリーはんだでダイボンディングしたはんだ接合試料を用意し、この接合試料を45°傾斜試料回転軸にマウントしSn用コニカルスリットを通してはんだ接合層からのX線回折斑点像を得た。これによりダイボンドはんだ接合層の大面積方位像を非破壊で得ることに成功した。
(5) 接合部における応力の評価について： 鉛フリーはんだ/Cu接合における金属間化合物であるCu6Sn5用のコニカルスリットを製作した。これによりCu6Sn5からX線回折斑点が検出できることを確認した。
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| 今後の研究の推進方策 |
(1) 冷熱疲労によるダイボンドはんだ接合劣化の非破壊観察実験： SiダミーチップをDBC基板に鉛フリーはんだでダイボンディングしたはんだ接合試料（ダイボンドはんだ接合試料）の温度サイクル試験前後においてはんだ接合の大面積方位マッピングを行い冷熱疲労による大面積方位像の変化が捉えられることを実証する。
(2) ダイボンドはんだ接合の高空間分解能観察実験： ダイボンドはんだ接合試料の温度サイクル試験前後においてはんだ接合の高空間分解能3次元方位マッピングを行い冷熱疲労による接合界面近傍における微細粒化を捉える。
(3) 接合界面金属間化合物の方位マッピング実験： 鉛フリーはんだ/Cu接合における金属間化合物であるCu6Sn5用のコニカルスリットを用いてダイボンドはんだ接合試料のはんだ/Cu接合界面近傍におけるCu6Sn5多結晶の方位マッピング像を得る。
(4) コニカルスリットによるラインプロファイル測定： 6軸ヘキサポッドに搭載したコニカルスリットにより任意の回折斑点に対してX線ラインプロファイル測定ができるように計測システムを整備する。
(5) 金属間化合物のひずみ評価実験： ダイボンドはんだ接合試料のはんだ/Cu接合界面近傍におけるCu6Sn5粒子の回折斑点に対してコニカルスリットを用いてX線ラインプロファイルを計測し、これによりCu6Sn5粒子の弾性ひずみが実測できることを示す。(3)と(5)の組み合わせにより原理的には接合界面近傍の金属間化合物の応力が非破壊評価できることを示す。
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