技術紹介

微小サイズ、微少荷重試験における引張試験
高久泰弘 *Ta k a k u Ya s u h i r o
当社は客先の要望に応じて、JIS 規格のみならず JIS 以外の引張試験片や実機製品を用い様々な機械的特性試験を実施している。
近年、様々な産業の製品でマイクロ化が進み、それに伴い微小サイズの引張試験に対する要望が増している。本稿では、当社で実施している微小サイズ、微少荷重の引張試験について紹介する。
キーワード：微小サイズ、微少荷重、引張試験、はんだ、生体モデル

当社では、JIS 規格外の試験片や実機製品を用1．はじめにいて様々な機械試験を実施しており、本稿では試近年、様々な産業で製品の小型化、高性能化の験片サイズが極微小で荷重が数 N 程度の引張試進展に従ってマイクロ加工技術が進みつつある験 に つ い て 紹 介 す る。 使 用 し た 材 料 は 直 径 0.2が、それに伴い多くの技術課題が浮かび上がってmm の鉛フリーはんだおよび生体の中でも優れたいる。製品を構成する部材の物性評価もその一つ飛行特性を有するハチの羽根である。

であり、各種材料の機械的特性を評価するに当2．試験方法

たっては、従来の JIS 規格試験では十分とは言え2.1なくなりつつある。つまり微小サイズの部材に対引張試験機する試験が求められており、例えば電子デバイス

図 1 に試験機の外観を示す。本試験で使用しに用いられるはんだ材などでは、直径 0.1 ～ 0.5た引張試験機は、INSTRON 社製万能材料試験機mm での強度評価が必要とされている（JIS 規格5582 である。本装置は速度精度（設定速度の± 0.1において、引張試験の試験片形状はダンベル型、%）、荷重精度（ロードセル容量の 1/250 読み値

平行部直径は 6 mm 以上と規定されている）。まの± 0.5%）が高く、位置制御性（0.06 μm) も良く、た、生体を工学的に解明し、それを医療や工業技微小サイズの試験片にも対応可能である。

術に応用することを目指したマイクロマシンの開試験片を固定するチャック治具のグリップ部は発では、生体モデルを構成する様々な材料の局所ゴム製で、試料毎にグリップ力の調整が可能であ的な機械特性を把握することが不可欠となる。しる。

かし、現在の JIS 規格などに基づく評価技術では、これらのニーズに対して十分な対応ができない。
＊計測事業部

材料試験部

—27—

IIC REVIEW/2009/10. No.42

図2

試験片作成手順

チャック部

図1

試験装置外観試験片
試験前切断箇所

2.2

試験片の固定および試験要領

JIS 規格では微小サイズの試験片形状および寸法は規定されていない。そのため、弊社で実施した試験片作成手順を図 2 に示す。微小試験片の

図3

引張試験では、試験片を引張試験機に取り付ける

試験片取り付け時写真際に、試験片が切断されるリスクを低減させる必

わって使用が増えている、鉛フリーはんだ（Sn-

要があり、図 2 に示すように一旦厚紙に固定す0.3Ag-0.5Cu、直径 0.2 mm）を使用した。

ることによりこのリスクを低減させた。まず 2 つ2）ハチの羽根折りした台紙に試験片サイズに応じた径の穴を空生体材料の代表として、マルハナバチの羽根をけ、この穴の径を標点間距離とした。さらに穴の選定した。図 4 にハチの羽根の外観を示す。ハ

上に試料を置き、試料端部に瞬間接着剤を塗布しチの羽根は翅脈（しみゃく）と膜から構成されてた後、台紙を 2 つ折りにして試料を固定した。

おり、それぞれの部位における局所的な強度を調図 3 に試験片の試験機への取り付け状況を示べた。試験には全長約 10 mm、直径約 0.2 mm のす。前述の試験片を台紙ごと試験機に取り付けた

最も太い前縁翅脈と、全長が約 2 mm、厚さが約後、台紙の横を切断して上下を分離し引張試験を2 μm の羽根端部の膜を使用した。

行った。

3．試験結果および考察

鉛フリーはんだは、試験機速度を変えて試験を3.1実施した。試験は各材料につき 5 回ずつ実施した。

はんだ

試験結果の一例として、各試験速度における鉛2.3

試験材料

フリーはんだの伸びと応力の関係を図 5、図 6、図 7 に示す。また表 1 には各試験速度における下記の 2 種類の材料について引張試験を行った。

伸び、引張応力、弾性係数をまとめて示す。図 5、1）鉛フリーはんだ

図 6、図 7 に示すように、応力と伸びの関係は試

環境保護の観点から従来の鉛入りはんだに替—

験開始時に線形を描き、最大応力を示した後、曲

28—

60

前縁翅脈

折線データ
S-Sカーブ線形（折線データ）

46MPa40(MPa)膜20

図4

試験片作成箇所

400

折線データ

0

S-Sカーブ24線形（折線データ）

(MPa)

8

図 6 はんだ材における伸びと応力の関係（試験速度：1mm/min）27MPa306(%)

8020

折線データ

69MPa

S-Sカーブ線形（折線データ）

60(MPa)1000.020.040.04060.0(%)

図 5 はんだ材における伸びと応力の関係（試験速度 : 0.1mm/min）

20線を描き、破断に至る。本試験では、荷重が小さ0く装置およびチャック治具の変形が無視できるた

0246(%)

め、チャック間距離の変位から試験片の伸びを求

図 7 はんだ材における伸びと応力の関係（試験速度：10mm/min）

めている。弾性係数は図 5、図 6、図 7 の線形部分に対して、最小二乗法によって傾きを求めることで算出した。

誤差範囲内での変化にとどまった。

さらに、表 1 からひずみ速度と引張強さ、伸図 8 において、各プロットがほぼ直線に乗るびおよび弾性率の関係を求め、図 8、図 9、図 10ことから引張強さはひずみ速度に依存しているとに示した。平均引張強さは、ひずみ速度の増加に言える。はんだ材は金属とは異なり、室温におい伴い増加した。平均伸びは、ひずみ速度の増加にても、クリープ変形を示すため、ひずみ速度を変伴い減少していることが分かった。平均弾性係数化させれば、応力はそれに応じて変化する。一般は、ひずみ速度が増加しても値は大きく変わらず、的にひずみ速度（クリープ速度）と応力の関係を—

29—

IIC REVIEW/2009/10. No.42

表 1 引張試験結果 はんだ材

1.00E-01

伸び引張強さ

弾性係数%

MPa

GPa

0.1

56.2 ± 19.7

27.6 ± 0.1

3.2 ± 0.7

1

10.7 ± 3.0

46.1 ± 2.2

2.7 ± 0.4

107.6 ± 1.4

54.9 ± 0.8

3.1 ± 0.2

1.00E-02(s-1)

試験速度（mm/min）

1.00E-01

1.00E-03

y = 3E-13x6.1516
1.00E-02(s-1)

1.00E-04
110(GPa)

図 10 はんだ材における弾性率とひずみ速度の関係
1.00E-03における直線の勾配は式（1）における応力指数n にあたり、材料により異なる値を示す。図 8 の試験条件における応力指数は約 6 であった。

1.00E-0410(MPa)100

図 8 はんだ材におけるひずみ速度と応力の関係

3.2

ハチの翅代表例として、翅脈と膜における伸びと応力の0.1関係を図 11、図 12 に示す。翅脈と膜における全試料の結果を図 13、図 14、図 15 に示す。また
翅脈と膜の破断面の画像を図 16、図 17 にそれぞ0.01(s-1)

れ示す。破断した試験片の断面積計測は、走査型電子顕微鏡（SEM）を用いて得られた破断面の画0.001像から算出した。一方、膜の破断面積については、図 17 から計測した膜厚の値と膜長さの積により0.000110算出した。

100

翅脈における応力と伸びの関係は図 11 に示す(%)

ように、試験開始時に線形を描き、最大応力を示

図 9 はんだ材における伸びとひずみ速度の関係した後、破断した。一方、膜の応力と伸びの関係
は図 12 に示すように、始め線形を描くが、応力表すのに Norton 則が良く用いられる。

が 46MPa 近傍で一旦荷重低下し、その後また直（1）
ここで線を描いた後、破断する。一旦荷重低下するのは、はひずみ速度（クリープ速度）、A は膜の一部が破断したためである。これは試料形状材料定数、σ は応力、n は応力指数である。図 8が不均一であるために、力が均等に付加されない—30—

200200
折線データ

162MPaS-Sカーブ160

線形近似（折線データ）

(MPa)

(MPa)

1601201208080

4040000.0

1.0

2.0(%)

3.04.0

図 13

図 11 翅脈の伸びと応力の関係（試験速度：1mm/min）

前縁翅脈と膜における引張強さの比較
6120
折線データ
S-Sカーブ線形（折線データ）

10085MPa4(MPa)(%)

806024020000.01.02.03.0(%)

4.05.0図 14前縁翅脈と膜における伸びの比較

図 12 膜の伸びと応力の関係（試験速度：1mm/min）4.

ことが一因と考える。

まとめ

図 13、図 14、図 15 より、引張強さ、伸びお以上、紹介した手法により、微小サイズ（マイよび弾性率の値は試料によって 2 倍、3 倍と大きクロサイズ）、微少荷重の引張試験が可能である。

くばらつくが、平均値では翅脈と膜の引張強さ、本試験では、試験片を厚紙製の保持材に固定する

伸びおよび弾性係数は近い値を示した。本試験でことで試験片の脱落を防止したが、試験片の種類は前縁翅脈と羽根端部の膜を代表試料として試験や大きさに合わせた保持材の形状を設計していくしたが、今回の結果から翅全体に渡って生体的にことも、データの再現性や信頼性を高めるためには同じ材質であると考えられる。

は必要である。また試験片サイズ、微少荷重に起—31—

IIC REVIEW/2009/10. No.428(GPa)

642

図 17

試験後の膜断面写真

0

図 15

前縁翅脈と膜における弾性率の比較

参考文献（1）日本規格協会：JIS Z 3198 鉛フリーはんだ試験方法、2008（2）日本材料学会：鉛系および非鉛系はんだのクリ ー プ お よ び ク リ ー プ 疲 労 試 験 法 標 準、
2004、pp.4~5（3）増沢隆久：マイクロ化の流れ、生産研究 58

巻 2 号、2006、pp. 81~82（4）苅谷

義治：はんだ材料の非線形特性、エスペック技術情報 No.50、2007、pp.15~27

図 16

試験後の前縁翅脈断面写真

因するデータのばらつきの大きさ、JIS 規格の試
験との整合性など様々な課題が残されており、今後も試験方法の改善に取り組みながら、試験の技術と精度を高める必要がある。
5.

謝辞

本報告の中で、ハチの羽根に関する試験は日本計測事業部

文理大学、永井助教との共同研究によるものであ

高久 泰弘

り、試験実施にあたり、試料提供や試験方法など

TEL. 045-791-3519

多大なるご指導を頂きました。ここに心より感謝

FAX. 045-791-3542

します。

—

材料試験部

32—