X線回折援用引張試験法によるAu/Sn系薄膜材料の引張・せん断強度評価技術の開発

利用X射线衍射辅助拉伸测试方法开发Au/Sn基薄膜材料的拉伸和剪切强度评价技术

• 批准号: 17760091
• 负责人: 生津 資大
• 金额: $ 2.37万
• 依托单位: University of Hyogo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• 财政年份: 2005
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2005 至 2006
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-17760091/
• 关键词: 薄膜引張試験; 薄膜剪断試験; Au-Sn共晶はんだ薄膜; スパッタリング; ヤング率; ポアソン比; 降伏応力; 剪断定数; 引張試験; X線回折; クリープ

本研究の目的は,X線回折援用引張試験法によりマイクロマシン実装に用いられるAu-Sn共晶はんだ薄膜材料の力学特性評価を行うことである.当申請研究の初年度である平成17年度には,単軸引張試験装置の改良と三源マグネトロンスパッタリング装置の設計・開発を実施した.最終年度となる平成18年度には,主に下記に示す2つの研究を並行して1実施した.(1)単軸引張試験によるAu-Sn薄膜の引張特性評価(2)新規薄膜勇断試験技術の開発とAu-Sn薄膜の剪断特性評価(1)の研究では,スパッタリングにより成膜したAu-20wt%Sn薄膜の単軸引張試験を行い,ヤング率,ボアソン比,降伏応力等の定量評価を行った.Au-Sn薄膜の引張応カー歪み関係は室温で脆性的であり,373Kまでの温度上昇に伴って降伏現象を示した.ヤング率および降伏応力は温度・引張歪み速度依存性を示し,温度の上昇および引張歪み速度の低下に伴って減少した.室温におけるヤング率は平均で53GPaであり,バルク材よりも22%程度低い値であった.また,Au-Sn薄膜の面外ボアソン比の平均値は室温で0.28であり,バルク材よりも30%低かった.本研究では,準静的引張試験に加えて引張クリープ試験を行い,クリープ変形挙動の定式化を試みた.Au-Sn薄膜は,遷移〜定常〜加速クリープを経て破断に至る典型的なクリープ変形挙動を示した.バルク材と比較して薄膜のクリープ強度は大きく低下しており,これは結晶粒形状の違いに起因するものと推察できる.定式化により遷移〜定常クリープ変形挙動を高精度に表現でき,得られたデータはクリープ変形を考慮したデバイス設計に有効であると考えられる.(2)の研究では,ミクロン厚はんだ薄膜材料のための新規引張・せん断試験技術を新開発した.この試験片は,自由端にAu-Snはんだ薄膜を成膜した2つの単結晶Siカンチレバーを重ね合わせた構造であり,Siカンチレバーに引張負荷を加えるとAu-Sn薄膜に勇断変形させることができる.本技術により得られたAu-Sn接合のせん断強度は12〜17MPa,せん断定数は11.5〜13.3GPaであり,等方弾性理論より導出した理論せん断定数よりも38%低く,試験片形状に起因するものと推察した.

本研究的目的是利用X射线衍射辅助拉伸试验方法、改进的单轴拉伸试验设备和三源磁控溅射设备来评估用于微机械封装的Au-Sn共晶焊料薄膜材料的机械性能。 2006财年，即最后一年，我们并行开展了以下两项研究：（1）利用单轴拉伸试验评价Au-Sn薄膜的拉伸性能（2）新型薄膜剪切的开发研究Au-Sn薄膜的测试技术和剪切性能评价（1），对吹镀形成的Au-20wt%Sn薄膜进行单轴拉伸试验，定量评价其杨氏模量、布瓦松比、屈服应力等。Au-Sn薄膜的拉伸应力-应变关系为室温下呈脆性，当温度升高至373K时表现出屈服现象。杨氏模量和屈服应力和屈服应力表现出温度和拉伸应变率依赖性，并随着温度的升高和拉伸应变率的降低而降低。室温下的平均杨氏模量为53 GPa，比块体材料低约22%另外，Au-Sn薄膜的面外Boasson比的平均值在室温下为0。 .28，比块体材料低 30%。在本研究中，除了准静态拉伸试验之外，我们还进行了拉伸蠕变试验，并尝试制定范围为 的典型蠕变变形行为。表现出稳定到加速的蠕变到断裂。散装材料与上述相比，薄膜的蠕变强度大大降低，这可以推断是由于晶粒形状的差异所致。该公式可以高精度地表达向稳定蠕变变形行为的转变，获得的数据为被认为对于考虑蠕变变形的装置设计是有效的。在2）的研究中，我们开发了一种新的微米厚焊料薄膜材料拉伸和剪切测试技术，它具有组合结构，当拉伸载荷施加到Si悬臂梁上时，Au-S。利用该技术获得的Au-Sn键的剪切强度为12至17 MPa，剪切常数为11.5至13.3 GPa，比各向同性弹性理论推导出的理论剪切常数低38%。被认为是由于样本的形状。

项目成果

Mechanical Property Measurements of Au-Sn Eutectic Solder Film by Tensile/Shear Deformation Tests

通过拉伸/剪切变形测试测量金锡共晶焊料膜的机械性能

• 发表时间: 2006
• 期刊: Proceedings of The 3rd Asia-Pacific Conference of Transducers and Micro-Nano Technology, APCOT 2006
• 作者: T.Namazu;H.Takemoto;H.Fujita;S.Inoue
• 通讯作者: S.Inoue

MEMSデバイスにおける加工・実装・評価技術全集,"MEMS材料の引張特性評価技術"(共同執筆)

MEMS器件加工、安装、评价技术全集《MEMS材料的拉伸特性评价技术》（合着）

• 发表时间: 2007
• 作者: Takahiro Namazu;Shozo Inoue;Akinobu Hashizume;Keiji Koterazawa;生津資大
• 通讯作者: 生津資大

Determination of Elastic-Inelastic Constitutive Relationships for Sputtered Gold-Tin Film by Uniaxial Tensile Testing

单轴拉伸试验测定溅射金锡薄膜弹-非弹性本构关系

• 发表时间: 2006
• 期刊: Extended Abstracts of International 21st Century COE Symposium on Atomistic Fabrication Technology
• 作者: H.Fujita;H.Takemoto;T.Namazu;S.Inoue
• 通讯作者: S.Inoue

XRD Tensile Test Technique to Measure Mechanical Properties of Micron-Thick Si and TiN Films

测量微米厚硅和氮化钛薄膜机械性能的 XRD 拉伸测试技术

• 发表时间: 2005
• 期刊: Journal of Key Engineering Materials (Accepted)
• 作者: Takahiro Namazu;Shozo Inoue;Daisuke Ano;Keiji Koterazawa
• 通讯作者: Keiji Koterazawa

Mechanical Properties of Polycrystalline Titanium Nitride Films Measured by XRD Tensile Testing

通过 XRD 拉伸测试测量多晶氮化钛薄膜的机械性能

• 发表时间: 2005
• 期刊: IEEJ Transactions on Sensors and Micromachines 125・9
• 作者: Takahiro Namazu;Shozo Inoue;Hideki Takemoto;Keiji Koterazawa
• 通讯作者: Keiji Koterazawa