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ベーシック・サイエンス・シリーズ第28回〔〕
金属材料の低サイクル疲労
LowCycleFatigueinMetallicMaterials
熊井真次*1加藤雅治*2
1.はじめに2.耐疲労設計に関するいくつかの考え方2)
今日のエレクトロニクス社会を支える多くの電子機器金属材料の疲労過程を細かく追えば,(1)繰り返し変形
には,高速化と高密度化(小型化)がたえず要求されてによるひずみの蓄積(転位下部組織やミクロ組織の変
いる。実装技術もベアチップ実装からそれらをフル搭載化),(2)微視き裂の発生,(3)微視き裂の成長あるいは合
したマルチチップモジュール実装へと展開されるなどま体による主き裂への発達,(4)主き裂の安定成長,(5)主き
すます高密度化し,これに伴いこのような高密度実装を裂の不安定成長と最終破壊ということになろう。
支えるキーテクノロジーの1つであるマイクロ接合技術疲労寿命は,き裂が発生するまでに要した繰り返し数
の重要性は一段と大きくなっている。たとえば,ある種とき裂が成長し,材料が破壊するか,あるいは任意のき
の汎用大型コンピュータでは,1枚の基板上に20個の高裂長さにまで成長するのに要した繰り返し数の和である
密度モジュールを搭載し,これに40個あまりのLSIをと定義できる。したがって,き裂の発生ならびに成長過
はんだボールを用いたフリップチップ接合を行って高密程をいかに定量的に取り扱うかが疲労を理解し,また耐
度実装を達成しているという。つまり,100～300μm径疲労設計を行うための重要な鍵となる。ただし,これは
のマイクロはんだ接合が,なんと数百万点に及ぶ箇所でき裂の発生をどう定義するかという問題を含んでいる。
行われているのである1)。さて,疲労を対象とした設計思想は,大きく2つに分
したがって,このLV大な量のマイクロ接合への信頼性類することができる。1つは,平滑試験片に応力あるい
を確保することは,エレクトロニクス社会の機能を維持はひずみ振幅を制御した条件で繰り返し変形を与え,試
する上で極めて重要である。験片が破断するのに要する繰り返し数を求める試験に基
さて,疲労は,材料や部品の信頼性を議論する上で欠づくもので,き裂を含まない材料が疲労き裂を生じ,最
かすことができない要素の1つである。特にマイクロ接終的に疲労破壊するまでの全寿命を問題とするものであ
合においては,現在はんだの低サイクル疲労による破壊る。一定応力振幅条件に関連するのがS-N曲線,一定
が重要な問題となっていると聞いている。そこで,ここひずみ振幅条件に関連するのが,Coffin-Manson則で
では,実装に携わる方々の一助になればと念じ,金属のある3)。この方法により得られる疲労寿命は疲労き裂の
低サイクル疲労を中心に疲労寿命評価について概説する発生とそれが成
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