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asmec アルテック株式会社
測定原理
1.ナノインデンテーション(垂直荷重) 2.LFU(ラテラルフォースユニット、水平荷重)
ビッカース硬度計などによる薄膜の硬さ測定は、塑性変形によって生じた圧痕のサイズを光学顕微鏡で測定する方法の為、顕微鏡精度や深さの制限などの問題をかかえていました。一方で近年のエレクトロニクス部品の厚さはnmオーダーとなり、このような従来法では対応できなくなりました。
これに対しナノインデンテーションは押し込み荷重をuNオーダーで制御し、圧子の押し込み深さをnmの精度で測定する方法です。押し込み荷重F(Force)に対する押し込み深さhの関数をXYプロットし、荷重の印加から除加までの全過程を連続的に測定する事により、硬度、ヤング率を算出します。この為圧痕サイズの誤認のような個人誤差の問題が発生しないメリットがあります。
1.ナノインデンテーション(垂直荷重)
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上図に示すように、荷重(Force)を加えていくにしたがって(Y軸)、試料表面にくぼみができ、X軸で表されるように押し込み深さ(Depth)が変わります(曲線A)。一定荷重に達した後、除荷していくと弾性変形量の寄与により曲線Bのようになります。試料が完全弾性体の場合、AとBは一致し、完全塑性変形の場合BはX軸に垂直になります。hmax−hoが弾性変形に相当します。
硬度
硬度:荷重をくぼみ面積で割った値


押し込み深さ(hc)と面積(Ac)の関係



ヤング率
ヤング率:弾性領域における曲線の勾配

Er:試料(Es)と圧子材質(Ei、ダイヤモンド)の複合ヤング率
S:荷重と変位は比例関係にあり、Sは比例係数S=dF/dh


Er、Es、Eiには次の関係があります。


νs、νi:Poisson比
ダイヤモンド圧子の場合Eiは1000GPa前後、νiは0.1以下と報告されています。
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2.LFU(ラテラルフォースユニット、水平荷重)
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やわらかい膜の連続したスクラッチ
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シリコンのスクラッチ 左:高荷重  右:低荷重
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ガラスのマイクロスクラッチ
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窒化チタン膜のマイクロスクラッチ
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コーティングしたガラスのマイクロスクラッチテスト。0mN (左) から35mN (右)に荷重を増加させています。
垂直 / 水平両方向における高分解能により、破断点を検出する事ができます。又、表面の不均一性による影響はスクラッチ距離を短くする事で低減する事ができます。

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