JP2009128245A - 内部応力測定装置および内部応力測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】樹脂材料の機械的特性の温度および時間変化を考慮した熱応力が測定可能な内部応力測定装置および内部応力測定方法を提供する。
【解決手段】樹脂試験片を保持および変位を拘束する既知の材料で構成されるクランプと、クランプに固定されて荷重を計測するロードセルが設けられている。ロードセルから得られた荷重値から、樹脂試験片とクランプなどの試験片拘束部の材質と構造を補正する式が設けられた計算部を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、材料の内部応力を測定する内部応力測定装置および内部応力測定方法に関し、特に温度および時間に対して機械的特性が大きく変化する材料の解析に有効な内部応力測定装置および内部応力測定方法に関する。

材料の内部に発生する熱応力は、弾性率や熱膨張係数などの機械的特性の異なる材料と接合等により拘束されている構造において、温度が変化すると発生する。その熱応力の大きさは、それぞれの材料の物性と温度差で決まる。

樹脂材料は、電子部品においてシリコンや金属とともに多く使用されており、年々使用量や用途が拡大している。

ところが、樹脂内部に発生している応力（または荷重とこれ以降記載）を直接測定することは難しいため、部品外形の変形量や、その変形量を元に線形解析（数値計算）などにより、応力が評価されていることが多い。

部品外形の変形を測定する方法以外に樹脂の内部応力を評価する一般的な方法は、樹脂と既知の金属との接合体に生じる変形を測定し、それぞれの材料物性値を用いて間接的に算出することである。

一例として、非特許文献１には、樹脂を既知の金属製リングと接合する方法が記載されている。ここで、ひずみを測定する二重リング法の概略図の一例を図６に示す。非特許文献１に記載のエポキシ樹脂硬化物の内部応力測定方法と低減方法は、二重のリングの内側に樹脂を充填し、内側リングに貼り付けたひずみゲージから金属製リングのひずみを計測し、樹脂と金属の機械的特性から樹脂の応力を算出することが開示されている。また、非特許文献１には、金属の板と接合された樹脂を片側から逐次削ってたわみを測定する方法が記載されている。

また、非特許文献２には、樹脂を既知の金属製の板と接合し、たわみを計測する方法が記載されている。ここで、このひずみを測定する貼り合わせ法の例を示す概略図の一例を図７に示す。

また、非特許文献３は、ひずみの測定にはひずみゲージの他に、ピエゾ圧電素子を用いる方法が記載されている。

その他、非特許文献４は、Ｘ線を用いる方法が記載されている。また、非特許文献４および非特許文献５は、カメラやＳＥＭ写真を用いる方法が記載されている。また、非特許文献６には、レーザー変位計法が記載されている。また、非特許文献７には、光弾性法が記載されている。また、非特許文献８および特許文献１は、モアレ法が記載されている。さらに、特許文献４には、樹脂に磁性粉末を混ぜて透磁率を測定する方法が記載されている。

その他、特許文献２に記載されている荷重測定装置は、高分子圧電材料からなり外部からの荷重を受ける圧電素子と、この圧電素子の電圧の周波数特性を急峻化させる急峻化手段としてのコイルと、圧電素子の共振周波数近傍の一定周波数で圧電素子を振動させる周波数発振器と、圧電素子に外部荷重が加わったときの電圧の周波数特性変化を電圧振幅変化として検出することによって外部荷重の大きさを検出する振幅変化検出回路とを有し、静的な荷重または力が計測できるようにされている。

その他、特許文献３に記載されている内部応力の測定方法は、結晶構造を有する無機充填材を含まないエポキシ樹脂組成物を用い、結晶体を封止してなる成形品の内部応力の測定方法であり、Ｘ線を封止前後の結晶体に照射して得られる回折角の差から成形品内の結晶体に作用する内部応力を算出することで、成形品内の結晶体に作用するエポキシ樹脂組成物に起因する内部応力を正確に測定できるようにされている。

応力は、このように測定された接合体のひずみ（変形）と、各材料の機械的特性（熱膨張係数と弾性率）を用いて算出される。
特開２００６−１０５２５１号公報 特開２０００−０２８４４５号公報 特開２００３−３１５１７７号公報 特開平０３−０３５１３６号公報 越智光一著「エポキシ樹脂硬化物の内部応力（Ｒｅｖｉｅｗ）―その測定方法と低減法―」日本接着協会誌、Ｖｏｌ．２５、Ｎｏ．９、ｐｐ．３７２、１９８９年 米谷茂「残留応力の発生と対策」養賢堂、ｐｐ．４９−６９、１９８７年 三浦英生、河合末男、「ＩＣプラスチックパッケージ内応力測定素子の開発とその応用」、日本機会学会論文集（Ａ編）、ｐｐ．１８２６、５３巻４９３号（昭６２−９） 中村省三、宮野靖、杉森勝、金田愛三「熱硬化性樹脂と金属から成る積層はりを冷却した場合に生じる残留応力の熱粘弾性解析」日本機械学会論文集（Ａ編）、５３巻、４９３号、ｐｐ．１８１３、１９８７年 Ｒ．Ｅ．ＴＨＯＭＡＳ「Ｓｔｒｅｓｓ−Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｍｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ ｉｎ Ｐｌａｓｔｉｃ Ｍｏｌｄｅｄ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｄｅｖｉｃｅｓ」ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ ｏｎ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ、Ｈｙｂｒｉｄ、ａｎｄ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、Ｖｏｌ．ＣＨＭＴ−８、Ｎｏ．４、１９８５年 越智光一、大西一彰、山下喜一、新保正樹「紫外線硬化エポキシ樹脂の内部応力」高分子論文集、Ｖｏｌ．４７、Ｎｏ．７、ｐｐ．５５９−５６７、１９９０年 渋谷義一、長谷川武敏、林修、中村倭勝「光弾性法がモールド内の応力測定の有力な手段に」日経マイクロデバイス、ｐｐ．８１、１９８６年４月号 Ｄ．ＰＯＳＴ、Ｂ．ＨＡＮ、ａｎｄ Ｐ．ＩＦＪＵ「Ｈｉｇｈ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ Ｍｏｉｒｅ」Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｅｒｉｅｓ、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ出版、１９９４年 新保正樹「エポキシ樹脂の物性と構造」高分子工学研究所、ｐｐ．１１７−１２２、１９８６年

しかしながら、特許文献１から特許文献４および非特許文献１から非特許文献９には、以下に記載する問題がある。

第１の問題点は、樹脂の応力が直接測定されず、ひずみと材料物性から間接的に算出されていることである。これを解決するためには、対象物である材料に発生する応力を直接測定するには、材料を固定した上でロードセル（荷重計）などによって測定すればよい。

ところが、材料をクランプ等で固定して変形させた時に生じる荷重を測定する装置はあるが、変形を拘束して荷重を測定する装置が存在し得なかった。

その理由は、材料を拘束する際には、クランプや接着剤など他の材料が必ず介在することになり、測定値はそれらの影響を受けるためである。

第２の問題点は、樹脂の応力（荷重）をひずみと材料物性から間接的に算出される場合には、特に応力を算出する温度において樹脂のガラス転移が生じる場合、算出した結果と実際の結果との誤差が大きくなることである。

この原因は、応力算出に用いる樹脂の弾性率および熱膨張係数の値が、実際の値と異なっていることに起因する。

その理由は、エポキシ樹脂硬化物のガラス転移を例に挙げると、ガラス転移より低温側（例えば８０℃以下）のガラス状領域からガラス転移より高温側（例えば１８０℃以上）のゴム状領域にかけて、機械的特性が急激に変化するためである。

このとき、応力算出に用いる物性値として、室温における値、評価する温度範囲における平均値、あるいは、ガラス状領域の値と、ゴム状領域の値との２つの値を用いるなど、多くの手法がある。

または、ゴム状領域における弾性率は、ガラス状領域における弾性率よりもかなり小さいため（例えば百分の一）、ガラス転移の中心温度であるガラス転移温度（Ｔｇ）以上の温度では、発生応力が微小である（これは、非特許文献９に記載）という理由から、Ｔｇ以上の応力発生については無視する、という手法もある。

しかし、どの手法を用いても樹脂のガラス転移を正確に表現することは難しい。

特に、電子デバイスに多く用いられる樹脂材料のガラス転移温度は、組立工程や信頼性試験の温度範囲と重なる場合が多いため、ガラス転移の影響を考慮する必要がある。

第３の問題点は、繰り返し加熱・冷却を行う温度サイクル時や、加熱速度が変化した場合に発生する応力の挙動の相違が明確にならないことである。

この原因は、ひずみから応力を算出するときに用いる樹脂の機械的特性の時間変化が考慮されていないことに起因する。

その理由は、応力算出式には樹脂の機械的特性の時間依存性の項が含まれていないためであり、また、時間依存データを得ることは煩雑で長時間を要するため、これまで一般的でなかったためである。

以上のように、材料に発生する応力は、材料単体で直接測定することが難しい。

また、ひずみは比較的正確に測定できるが、ひずみから応力を算出する方法では、樹脂の機械的特性の温度変化を無視して計算されることが多いため、特にガラス転移近傍の応力算出結果は信頼性が低い。

そこで本発明は、直接、荷重測定を行う構成を有する内部応力測定装置および内部応力測定方法を提供することを目的とする。

本発明にかかる第１の内部応力測定装置材料は、保持および変位の拘束を行うクランプと、前記クランプに固定され荷重を計測するロードセルと、前記ロードセルから得られた荷重値から構造補正を行う計算部とを有することを特徴とする。

本発明にかかる第１の内部応力測定方法は、クランプにより材料の保持および変位の拘束を行う工程と、ロードセルにより前記クランプに固定され荷重を計測する工程と、計算部により前記ロードセルから得られた荷重値から構造補正を行う工程とを有することを特徴とする。

本発明によれば、直接、荷重測定を行うことが可能な構成を有することで、樹脂材料の内部に発生する応力を精度良く得ることが可能な内部応力測定装置および内部応力測定方法を提供できる。

本発明にかかる内部応力測定装置は、以下を実現する。

直接荷重を測定し、樹脂材料の内部に発生する応力を精度良く得ることができる。また、樹脂材料以外にも、温度および時間に対して機械的特性が大きく変化する材料、例えばはんだなどについて適用が可能である。

上記を実現する内部応力測定装置は、好適な態様として、試験片の変位を拘束する既知の材料で構成されるクランプと、クランプと結合している荷重を計測するロードセルと、得られた荷重から測定系の構造補正を行う計算部を有する。

また、別の好適な態様として、クランプとロードセルの間には、既知の材料で構成されるロッドなど複数の部品があっても良い。クランプやロッドなど試験片拘束部として用いる材料は、使用温度範囲において機械的特性の温度変化が既知であれば何でもよく、任意のサイズでよい。

さらに、別の好適な態様として、計算部では、試験片拘束部の構造を補正する式を用いて、荷重、試験片および試験片拘束部に発生する応力の算出、および試験片や試験片拘束部の各界面の変位等が算出される。

以下に、上述した内部応力測定装置の作用、構造、実施例等を用いて詳細に説明し、本発明を説明する。
以下に記載する作用、構造、実施例等は、好適もしくは、最良と思われる態様を説明するものであり、これに限定されるものではなく、当業者が容易に想到できる範囲内において、修正、変形を可能とする。

［作用］
図１を主に用いて本発明にかかる内部応力測定装置の作用について説明する。
図１は、本発明にかかる内部応力測定装置の作用を説明する図であり、かつ、図２に示す内部応力測定装置の一部の温度変化を、モデル化した図（１／２を表示）である。

本発明にかかる内部応力測定装置は、一例として、樹脂試験片１と、樹脂試験片１を相対する二方向から拘束する真ちゅう製クランプ２と、真ちゅう製クランプ２の外側にはセラミックス製のロッド３が連結し、一方のロッドにはロードセル４（図２には示される）が連結し、もう一方のロッドは変位が拘束されている。

ここで、図１に示すように、温度ＴがＴ０からＴ０＋ΔＴまで増加したとき、このモデルには荷重Ｐが発生して釣り合っているとする。

この荷重Ｐは、本発明にかかる測定では、ロードセルによって検出される荷重値に相当する。

このとき、ロッドとクランプとの界面はδ１、クランプと樹脂試験片との界面はδ２だけ変位したとすると、以下に示す数式（１）、（２）、（３）に示す連立方程式が成り立つ。

変位は右方向を正とする。図１に示すα、Ｅ、Ｌ、Ａは、それぞれの材料の熱膨張係数、弾性率、長さおよび断面積であり、添え字Ｃ、ＭおよびＲはそれぞれセラミックス、真ちゅう、および樹脂を示す。また、α×ΔＴ＝ε、Ｅ×Ａ＝Ｇと置換する。
上記の数式（１）、（２）、（３）の結果から、δ１、δ２を求めると、以下の（４）、数式（５）が得られる。

上記の数式（４）、数式（５）によって、試験片やクランプの変位（膨張、収縮）や内部応力が算出できる。

本発明にかかる測定結果が妥当かつ高精度であることを検証し、図３に示す。
ある樹脂材料を試験片として、室温から２５０℃付近まで加熱した際の、本測定方法により測定した荷重値を実線で示す。
本測定方法にかかる補正式と、材料特性値とを用いて算出した荷重値を△で示す。
また、従来から用いられている荷重を求める簡易式によって算出した荷重値を□で示す。

試験片に用いた樹脂材料の熱膨張係数αは図４のように、また弾性率Ｅは図５のように、温度によって変化しており、２３０℃付近で特性値が大きく変化するガラス転移を示している。

本発明にかかる方法で測定した荷重値は、加熱とともに圧縮荷重が増加するが、２２０〜２３０℃付近では継続して加熱されているにも関わらず、圧縮荷重が減少している。

本発明にかかる補正式により算出した荷重値は、樹脂の特性値を考慮しているため、実測値のような荷重が減少する挙動が表現可能であり、また値も全体的に測定値と一致している。

一方、従来簡易式によって算出した荷重は、熱応力σ（ｔｈ）算出する式σ（ｔｈ）＝α×Ｅ×ΔＴに、αとＥのガラス状領域における最大値および温度幅ΔＴを用い、さらに断面積Ａとの積から求めた値である。
この値は、温度に対して線形に変化して、実測値の３倍以上大きな値を示した。

したがって、本発明にかかる測定した荷重値は、試験片と、試験片拘束部とに発生する熱応力を測定することが可能であり、本発明にかかる測定方法の補正式を用いると、樹脂のガラス転移の挙動を含めて各構成部材の内部応力や変位を算出することが可能となる。

本発明にかかる内部応力測定装置は、以下に記載する効果を有する。

第１の効果は、樹脂材料の内部に発生する熱応力を、ひずみからの換算によらず直接かつ精度良く測定することができることにある。

第２の効果は、樹脂材料の機械的特性の温度および時間に対する変化が考慮できることにある。

第３の効果は、測定系を補正する式によって、樹脂試験片の寸法や、測定系の寸法および材質が変わっても、同様に内部応力や各接合界面の変位が算出できることにある。

［構造］
次に、本発明にかかる内部応力測定装置の構造の一例について図２を用いて詳細に説明する。

図２は、本発明にかかる内部応力装置の構造の一例を示す概略図である。

荷重測定用の試験片１は、クランプ２で固定され、クランプ２には荷重を伝達するロッド３が固定されている。ロッド３の一方はロードセル４に固定され、ロードセル４ともう一方のロッドの間で変位が拘束されている。

試験片１およびクランプ２とロッド３からなる試験片拘束部１１の熱応力と温度との関係を正確に測定するために、試験片１および試験片拘束部１１は断熱測定室８内に設けられている。また、試験片１の温度を測定するために、温度測定用試験片７が別途設けられており、その中心部には熱電対１０が設置されている。

ロードセルで検知された荷重値は、アンプ（図は省略）などを通して、パソコン等データ記録部６に保存される。パソコンには計算部５が格納されており、取得したデータを補正する。

クランプ２とロッド３は、既知の材料で構成されている。計算部５では、上記した数式（１）から（５）の式を用いて試験片１および試験片拘束部１１に発生している荷重、または試験片拘束部１１の各パーツに発生しているそれぞれの応力値、または各パーツ間の界面の変位などが算出可能で、材料特性、構造または寸法が変更されたときは、式に導入する数値を変更するだけで対応が可能である。

また、上記の構造において、クランプ２とロッド３は一体としても本発明を実現することが可能である。これによれば、簡易な構成で、コスト削減が可能である。

また、クランプ２とロードセル４の間に複数のパーツが存在してもよい。
ただし、そのパーツの材料の熱膨張係数と弾性率は既知であり、通常測定する温度範囲における熱膨張係数と弾性率の変化は一定で、ガラス転移などの温度変化を示さない材料とする。

さらに、クランプと、ロッドが一体化され、試験片拘束部として用いる材料を、使用温度範囲における機械的特性の温度変化が既知であるクランプおよびロッド以外で用いることも可能である。

次に、具体的な実施例を用いて本発明にかかる内部応力測定装置を説明する。

本実施例において、荷重測定用の試験片１は、エポキシ樹脂組成物で、４官能性エポキシ樹脂（エピコート１０３１Ｓ、ジャパンエポキシレジン）と硬化剤のフェノールノボラック樹脂（ＨＦ４５，明和化成），硬化促進触媒のトリフェニルホスフィン（関東化学）、および球状シリカフィラー（ＦＢ−６０，８４重量％配合，電気化学工業）からなる半導体用の封止樹脂を模擬した組成物である。

この試験片１は、１７５℃でトランスファー成形した後、さらに１７５℃で６時間加熱して完全に硬化させたものである。

寸法は、厚さ３ｍｍ、幅５ｍｍ、長さ２５ｍｍである。この試験片材料の熱膨張係数の温度変化は図４に、弾性率の温度変化は図５に示す。

クランプ２は、真ちゅう製で、ボルトにより試験片１を締め付けて固定している。

ロッド３は、セラミックス製の丸棒で、クランプ２と、またロードセル４とボルトで固定している。

試験片１とクランプ２とロッド３からなる試験片拘束部１１は、長手方向に変形が拘束されている。断熱測定室８の中には、ヒーターと冷却装置が設置されている。

本発明にかかる内部応力測定装置、および、これと同様の技術思想を有する内部応力測定方法は、樹脂材料の温度変化による熱応力の測定に適用できる。また、熱応力以外には、樹脂の硬化反応などによる収縮時に発生する応力の測定に適用可能である。また、樹脂の材料特性の時間変化が直接測定できるので、応力緩和の測定に適用可能である。さらに、樹脂材料以外にも、温度および時間に対して機械的特性が大きく変化する材料、例えば、はんだにも適用可能である。

本発明にかかる内部応力装置の原理（作用）を示す図である。 本発明にかかる内部応力装置の構成の一例を示す図である。 本発明にかかる内部応力装置で用いた試験片材料の熱膨張係数の温度変化を示すグラフ。 本発明にかかる内部応力装置による結果を検証したグラフである。 本発明にかかる内部応力装置で用いた試験片材料の弾性率の温度変化を示すグラフである。 ひずみを測定する二重リング法の一例を示す概略図である。 ひずみを測定する貼り合わせ法の一例を示す概略図である。

符号の説明

１ 荷重測定用試験片
２ 試験片クランプ
３ 荷重伝達ロッド
４ ロードセル
５ 計算部
６ データ記録
７ 温度測定用試験片
８ 断熱測定室
９ ヒーター
１０ 熱電対
１１ 試験片拘束部

Claims (11)

1. 材料の保持および変位の拘束を行うクランプと、
   前記クランプに固定され荷重を計測するロードセルと、
   前記ロードセルから得られた荷重値から構造補正を行う計算部とを有することを特徴とする内部応力測定装置。
2. 前記計算部は、試験片拘束部の構造を補正する式を用いて荷重、試験片および試験片拘束部に発生する応力の算出を行うことを特徴とする請求項１に記載の内部応力測定装置。
3. 前記計算部は、前記試験片、前記試験片拘束部の各界面の変位を算出することを特徴とする請求項１に記載の内部応力測定装置。
4. 前記クランプと、前記ロードセルとの間に、ロッドを含むことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の内部応力測定装置。
5. 前記クランプと、前記ロッドとが一体化されていることを特徴とする請求項４に記載の内部応力測定装置。
6. 前記クランプと、前記ロッドとが一体化され、試験片拘束部として用いる材料を、使用温度範囲における機械的特性の温度変化が既知である前記クランプおよび前記ロッド以外で用いることを特徴とする請求項５に記載の内部応力測定装置。
7. 前記クランプと、前記ロードセルとの間に、複数の部品を含むことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の内部応力測定装置。
8. 前記複数の部品は、測定を行う温度範囲において、熱膨張係数と、弾性率との変化が一定で、温度変化を示さない材料で構成されていることを特徴とする請求項７に記載の内部応力測定装置。
9. クランプにより材料の保持および変位の拘束を行う工程と、
   ロードセルにより前記クランプに固定され荷重を計測する工程と、
   計算部により前記ロードセルから得られた荷重値から構造補正を行う工程とを有することを特徴とする内部応力測定方法。
10. 前記構造補正を行う工程では、試験片拘束部の構造を補正する式を用いて荷重、試験片および試験片拘束部に発生する応力を算出して行うことを特徴とする請求項９に記載の内部応力測定方法。
11. 前記構造補正を行う工程では、前記試験片、前記試験片拘束部の各界面の変位を算出して行うことを特徴とする請求項９に記載の内部応力測定方法。

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