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.

这项研究的目的是评估通过X射线衍射辅助拉伸测试方法用于微马机械安装的Au-Sn共晶焊膜材料的机械性能。在此应用的第一年中，进行了单轴拉伸测试设备的改进以及Sangen Magnetron溅射装置的设计和开发。在研究的最后一年中，并行进行了以下两项研究：（1）使用单轴拉伸测试（2）开发新的薄膜支撑测试技术的Au-Sn薄膜的拉伸性能，并评估Au-sn薄膜的剪切性能（1）单十一薄膜（1）单十一薄膜（1）薄膜的薄膜，并在薄膜上进行了薄膜，并在AU-20的范围内表现出Aue-20。对Young的模量，Boisson的比率，屈服应力等的定量评估。在室温下，Au-Sn薄膜的拉伸抗应力KERR菌株关系是脆弱的，并且显示出屈服现象，温度升高至373K。年轻的模量和屈服应力取决于温度和拉伸应变率，并且随温度升高和拉伸应变速率的降低而降低。室温下的杨氏模量为53GPA，比散装材料低约22％。此外，在室温下，平面外Boisson比率的平均值为0。 .28，比散装材料低30％。在这项研究中，我们进行了准静态拉伸测试，并进行了拉伸蠕变测试，以制定蠕变变形行为。 Au-Sn薄膜表现出典型的蠕变变形行为，该行为通过过渡到稳态以加速蠕变到骨折。与散装材料相比，薄膜的蠕变强度大大降低，这可以估计是由于晶粒形状的差异。该配方允许高精度表达向稳态蠕变变形行为的过渡，并且考虑到蠕变变形，获得的数据被认为对设备设计有效。在2）中，为微米厚的焊料薄膜材料开发了一种新的拉伸和剪切测试技术。该标本是一种结构，在该结构中，在自由末端形成的两个单晶Si悬臂叠成具有Au-Sn焊料薄膜的结构，当将拉伸负荷施加到Si Cantilever上时，可以将其变形为Au-Sn薄膜。该技术获得的AU-SN连接的剪切强度为12-17MPA，剪切常数为11.5-13.3GPA，比从各向异性弹性理论得出的理论剪切常数低38％，估计是由于样品的形状。

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