| 研究課題/領域番号 |
18K03831
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| 研究機関 | 秋田大学 |
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研究代表者 |
大口 健一 秋田大学, 理工学研究科, 教授 (30292361)
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| 研究分担者 |
福地 孝平 秋田大学, 理工学研究科, 特任助教 (40707121)
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| 研究期間 (年度) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| キーワード | 微小はんだ試験片 / 初晶Sn / Cu/Sn系金属間化合物 / 銅－はんだ接合体 / せん断試験 / 有限要素解析 |
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| 研究実績の概要 |
報告者が，標点長さ2mm，標点部外径0.5mmの微小Sn-3.0Ag-0.5Cu (SAC)はんだ試験片を用いて得た引張応力－ひずみ曲線は，同負荷条件であっても通常サイズの試験片ではみられない大きなばらつきを示す．この原因を探るために，試験後に高強度と低強度の破断試験片の縦断面を比較した結果，初晶Snの分布形態に違いがみられた．しかし，その分布形態は試験片に生じたくびれなどの影響を受けた可能性があった．そこで本年度は，引張ひずみ10%を与えた微小SACはんだ試験片の縦断面を観察し，強度と初晶Snのサイズおよび分布形態の関連について調査した．その結果，初晶Snのサイズについては，強度の高低に関わらず，長さが5～10μmの初晶Snが最も多く存在することが判明した．また，初晶Snの形状を楕円近似し，その長軸が引張方向と成す角を初晶Snの方位と定義して試験片毎に作成した方位の度数分布図を強度の高低で比較した結果，高強度の試験片では0°方向と90°方向に近い方位の初晶Snが多く，低強度の試験片では45°方向に近い方位の初晶Snが多いことが判明した．
一方，報告者はCu/Sn系金属間化合物(IMC)の応力-ひずみ曲線が材料非線形性を有する可能性のあることもこれまでに示している．本年度は，その妥当性についても検討するために，Cu/Sn系IMC層を有する銅‐はんだ接合体のせん断試験とそのFEAを実施した．すなわち，Cu/Sn系IMC層の材料非線形性の有無が異なる2種類の銅‐はんだ接合体のFEモデルを用いてFEAを実施し，それらの解析結果と実際のせん断試験におけるIMC層での破壊形態を照らし合わせることで，Cu/Sn系IMCにおける材料非線形性の有無について検討した．その結果，Cu/Sn系IMCが材料非線形性を有すると考えることは，合理的であることが判明した．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
楕円近似した初晶Snの長軸方向と強度の関連については，一定程度の傾向をつかむことができた．すなわち，近似楕円の長軸が引張方向と成す角を初晶Snの方位と定義し，その度数分布図を試験片毎に作成して強度の高低で比較した結果，0°方向と90°方向に近い方位の初晶Snが多い試験片は高強度となり，45°方向に近い方位の初晶Snが多い試験片は低強度となる傾向があることを明らかにした．また，Cu/Sn系IMCであるCu3SnとCu6Sn5は，いずれも塑性変形能を有している可能性が高いことも明らかにした．
一方，初晶Snの長軸方向と結晶方位の関係をEBSD法で調査することを今後予定しているが，現段階ではEBSD法により明確な微小SACはんだの結晶方位図を得るための測定・観察条件の決定に至っていない．また，初晶Snの成長方向を揃えたSACはんだの薄板を作製し，その引張試験を実施することも予定しているが，初晶Snの成長方向を揃える鋳造方法の確立には未だ至っていない．これらのことから，「やや遅れている」と評価した．
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| 今後の研究の推進方策 |
任意の方向に初晶Snの成長方向を揃えた微小はんだ試験片を作製するのが困難となった場合に備え，X線CTで微小はんだ試験片中の初晶Snの分布形態を調査し，試験片を分布形態の類似性で分類することを試みる．このように初晶Snの分布形態を予め把握した微小はんだ試験片を用いて引張試験を実施することで，初晶Snの分布形態と強度の関連をより明らかにする．これに加えて，初晶Snの成長方向と結晶方位の関係も明らかにすることで，微小はんだ試験片に高強度を付与することができる，初晶Snの配置方法について考察する．また，Cuめっきした微小はんだ試験片を熱処理して作製する，微小複合材料型はんだ試験片(MCS試験片)の引張試験を複数の温度で実施し，Cu3Sn とCu6Sn5の変形特性の温度依存性も調査する．そして，この調査結果を整理し，初晶SnとCu/Sn系IMCを強度構成部材とする，微細はんだ接合体の数値実験の実施に備える．
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| 次年度使用額が生じた理由 |
微小はんだ試験片を確実にチャッキングし，試験温度を変えたときにも変位・荷重の測定に影響を及ぼすことのない試験片つかみ具について慎重に検討する必要があった．本年度内には，その製作に至ることができなかったため，その製作費を次年度に使用することにした．
次年度は，試験片用つかみ具の設計を完了し，必要な材料の購入費および加工費として本年度に生じた残額を使用する予定である．また，翌年度の助成金は，数値実験を実行するためのワークステーションの購入，FEAソフトのライセンス更新料，装置使用料などに使用する予定である．
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