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基于Abaqus的PEO-LiX与铝阳极键合应力应变模拟研究

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基于Abaqus的PEO-LiX与铝阳极键合应力应变模拟研究

作者：赵为刚太原科技大学

学位级别：硕士

微机电系统(MEMS)的出现是源于微型制造技术的发展。它的出现也开辟了一个新型的产业和领域。MEMS封装技术是目前最重要的任务之一,也是MEMS能否走向国际化市场和在生产中广泛应用的影响因素之一。阳极键合技术作为MEMS器件加工的主要... 详细信息

微机电系统(MEMS)的出现是源于微型制造技术的发展。它的出现也开辟了一个新型的产业和领域。MEMS封装技术是目前最重要的任务之一,也是MEMS能否走向国际化市场和在生产中广泛应用的影响因素之一。阳极键合技术作为MEMS器件加工的主要键合技术之一,被广泛应用于各个领域。目前实现了多种功能材料之间的键合,如玻璃与硅、陶瓷与金属。而高分子固体电解质克服了玻璃和陶瓷抗冲击性差等缺点,其抗腐蚀、致密、质轻和塑性好等优点应用在阳极键合技术中有很大的前景。为了促进阳极键合技术在微机电系统封装环节的使用,开发一种高分子固体电解质代替原有的封装键合材料。设计利用聚氧化乙烯(PEO)作为基体,碱金属锂盐(LiClO4、LiPF6、LiBF4)作为电解质材料,利用高能球磨法对材料混粉进行研磨,使之充分络合,并分析其在不同制备参数下材料导电性的变化。最终利用PEO与LiClO4按质量比为10:1,在球磨转速为250 r/min、球磨时间为8小时、球料比为7:1时,所得材料导电性最佳。将铝箔与所制备的高分子固体电解质PEO-LiClO4进行阳极键合试验,分析健合界面,有过渡层产生,这也是阳极键合成功的关键。说明所制备离子导电聚合物PEO-LiClO4满足阳极键合要求。采用有限元分析软件Abaqus,以高分子固体电解质与铝单层键合为基础,分析研究阳极键合后的冷却过程中所产生的残余应力和变形,研究分析可知:键合试件的变形从上表面到下表面逐渐增大,越远离中心其变形量越大。键合试件的等效应力在过渡层上最大,且从中间过渡层向高分子固体电解质层和铝层急剧减小。对不同的过渡层厚度、键合结构、冷却时间、键合温度(冷却初始温度)情况下键合试件进行数值模拟,通过数据分析软件Origin对所得到的最大变形和最大应力值进行分组对比以及对所得的有限的数据进行数学建模和曲线拟合、函数推导。研究分析可知:试件的变形随着键合试件中间过度层、键合温度的增大而增大;试件键合界面应力随着键合试件中间过度层厚度的减小,键合温度的增大而增大。键合结构为圆形结构比方形结构可获得更小变形,方形结构比圆形结构可获得更小键合界面的应力;键合后PEO-LiClO4层发生塑性变形,在铝层和中间过渡层属在材料的弹性形变内,发生弹性形变。

关键词： MEMS 阳极键合高分子固体电解质 Abaqus Origin

玻璃与铝在不同层数结构下的阳极键合界面应力特征分析

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焊接技术 2014年第9期43卷 21-23页

作者：阴旭刘翠荣赵为刚太原科技大学材料科学与工程学院山西太原030024

采用共阳极接法对不同层数的玻璃与铝实现阳极键合,通过XRD分析结果显示,键合界面过渡层主要是3Al2O3·2SiO2,并运用MARC有限元软件对不同层数的键合结构进行模拟,通过对键合后产生的残余应力进行比较分析,结果表明:由于多层结构的对称... 详细信息

采用共阳极接法对不同层数的玻璃与铝实现阳极键合,通过XRD分析结果显示,键合界面过渡层主要是3Al2O3·2SiO2,并运用MARC有限元软件对不同层数的键合结构进行模拟,通过对键合后产生的残余应力进行比较分析,结果表明:由于多层结构的对称性,最大残余应力发生在中心处的过渡层,研究结果为MEMS器件在多层封装结构设计中提供理论依据。

关键词：阳极键合键合层数残余应力有限元分析

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PEO基聚合物固体电解质的键合性能

北京工业大学学报 2014年第11期40卷 1759-1762页

作者：阴旭刘翠荣赵为刚太原科技大学材料科学与工程学院太原030024

为了促进微机电系统封装技术的发展,设计了应用聚氧化乙烯(polyethylene oxide,PEO)作为主体材料,通过掺杂不同的锂盐获得聚合物固体电解质用于阳极键合进行封装.阳极键合对材料的要求主要是具有离子导电性,因此采用X射线小角衍射(small... 详细信息

为了促进微机电系统封装技术的发展,设计了应用聚氧化乙烯(polyethylene oxide,PEO)作为主体材料,通过掺杂不同的锂盐获得聚合物固体电解质用于阳极键合进行封装.阳极键合对材料的要求主要是具有离子导电性,因此采用X射线小角衍射(small-angle X-ray scattering,SAXS)和傅里叶红外光谱(Fouriex transform infrared radiation spectroscopy,FTIR)对设计的高分子固体电解质的导电机理进行分析.研究结果表明:LiClO4的离解能更小;锂离子的迁移数更多;随着其质量分数的增加,电导率更高;通过键合结果发现,PEO-LiClO4和金属铝键合界面过渡层的产生是两者得以焊合的关键.

关键词：微机电系统聚合物固体电解质阳极键合离子导电

毛细管X光透镜共聚焦微束X射线荧光技术在胶囊类药品分析中的应用

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光学学报 2014年第1期34卷 314-318页

作者：孙天希刘鹤贺刘志国彭松孙蔚渊赵为刚赵广翠何佳霖丁训良北京师范大学射线束技术与材料改性教育部重点实验室北京100875 北京师范大学核科学与技术学院北京100875 北京市辐射中心北京100875

为了对胶囊类药品进行无损分析鉴别,利用两个多毛细管X光透镜搭建了共聚焦微束X射线荧光谱仪,两个处在共聚焦状态的透镜形成共聚焦微元,探测器只能探测到来自该共聚焦微元中的X射线信号,这有利于分别对胶囊壳和其内部药物进行原位无损... 详细信息

为了对胶囊类药品进行无损分析鉴别,利用两个多毛细管X光透镜搭建了共聚焦微束X射线荧光谱仪,两个处在共聚焦状态的透镜形成共聚焦微元,探测器只能探测到来自该共聚焦微元中的X射线信号,这有利于分别对胶囊壳和其内部药物进行原位无损元素分析,从而辨别它们的种类。分析了4种胶囊类药品对应的X射线荧光谱特征,从荧光谱图上可以看出不同胶囊类药品有不同的X射线荧光谱,对应不同的元素组成,所以可以利用胶囊内部药物对应的X射线荧光谱鉴别胶囊类药品的种类。实验证明,利用共聚焦微束X射线荧光技术可以在不破坏胶囊壳的情况下对胶囊类样品进行无损原位分析,该技术在胶囊类药品种类和真伪鉴别中具有潜在应用价值。

关键词： X射线光学毛细管X光透镜共聚焦微束X射线荧光胶囊类药品无损原位分析

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毛细管X光透镜共聚焦技术在测厚中的应用

光谱学与光谱分析 2013年第8期33卷 2223-2226页

作者：彭松刘志国孙天希李玉德刘鹤贺赵为刚赵广翠林晓燕罗萍潘秋丽丁训良北京师范大学射线束技术与材料改性教育部重点实验室北京100875 北京师范大学核科学与技术学院北京100875 北京市辐射中心北京100875

为了实现对薄膜和镀层材料厚度的微区无损分析,利用多毛细管X光会聚透镜和多毛细管X光平行束透镜设计并搭建了普通实验室X射线光源的共聚焦微束X射线荧光测厚仪,对该共聚焦测厚仪的性能进行了系统表征。利用该测厚仪测定了厚度约为25μm... 详细信息

为了实现对薄膜和镀层材料厚度的微区无损分析,利用多毛细管X光会聚透镜和多毛细管X光平行束透镜设计并搭建了普通实验室X射线光源的共聚焦微束X射线荧光测厚仪,对该共聚焦测厚仪的性能进行了系统表征。利用该测厚仪测定了厚度约为25μm的Ni独立薄膜样品和压于硅基表面厚度约为15μm的Ni薄膜样品厚度,对应它们的相对测量误差分别为3.7%和6.7%。另外,还对厚度约为10μm Ni薄膜样品的厚度均匀性进行了测量。该共聚焦测厚仪可以对样品进行微区深度分析,并且具有元素分辨能力,从而使得该谱仪可以测量多层膜样品不同层的膜厚,在薄膜和镀层厚度表征领域具有潜在的应用。

关键词： X射线光学共聚焦测厚毛细管X光透镜 X射线荧光

超声辅助对PEO-LiClO_(4)与Al阳极键合质量的影响

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微纳电子技术 2021年第6期58卷 539-544页

作者：张丽佛刘翠荣阴旭赵为刚徐大伟太原科技大学材料科学与工程学院太原030024

聚氧化乙烯-高氯酸锂(PEO-LiClO_(4))与Al的阳极键合工艺中,因键合温度较高,容易引起两者热膨胀系数不匹配、产生残余应力问题。针对这些问题,利用自主搭建的超声辅助阳极键合系统进行工艺实验,通过设计阳极键合与超声辅助键合的对比实... 详细信息

聚氧化乙烯-高氯酸锂(PEO-LiClO_(4))与Al的阳极键合工艺中,因键合温度较高,容易引起两者热膨胀系数不匹配、产生残余应力问题。针对这些问题,利用自主搭建的超声辅助阳极键合系统进行工艺实验,通过设计阳极键合与超声辅助键合的对比实验,进而分析键合电流和键合强度的变化趋势,从而验证超声辅助阳极键合工艺的可行性。研究结果表明:在键合电压700 V时,增加60μm超声振幅的键合峰值电流可达8.2 mA,相较于未加超声辅助时的峰值电流4.8 mA有明显提升。加超声辅助的过渡层较未加超声辅助的过渡层更厚,界面处发生电化学反应,过渡层出现新的官能团。增加超声辅助后的键合强度由4.0 MPa增强至5.9 MPa,键合强度明显提高。

关键词：封装阳极键合超声辅助键合强度聚氧化乙烯-高氯酸锂(PEO-LiClO_(4))

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一种X射线荧光光谱数据批处理新方法的研究

激光与光电子学进展 2014年第7期51卷 169-174页

作者：易龙涛刘志国陈曼王锴彭诗琪赵为刚何佳霖赵广翠北京师范大学核科学与技术学院射线束技术与材料改性教育部重点实验室北京100875

论述了一种高精度、快速的能量色散X射线荧光(EDXRF)光谱自动分析方法,包括平滑、背底扣除和寻峰等计算过程。该方法不仅可用于单幅谱图的分析,也可用于大批量数据的批处理分析。对实验室测得的微区X射线荧光光谱数据的测试结果表明,该... 详细信息

论述了一种高精度、快速的能量色散X射线荧光(EDXRF)光谱自动分析方法,包括平滑、背底扣除和寻峰等计算过程。该方法不仅可用于单幅谱图的分析,也可用于大批量数据的批处理分析。对实验室测得的微区X射线荧光光谱数据的测试结果表明,该方法同常用的高斯拟合方法相比,结果基本一致,但算法更加简单,能够有效地识别出弱峰。在当前主流配置计算机上利用该方法进行多文件连续分析时,单个文件的平均用时小于1 s,能够有效缩短数据分析时间、提高工作效率。

关键词：光谱学能量色散X射线荧光批处理双向平滑三次样条函数对称零面积变换

基于静电键合的聚醚型聚氨酯基固体电解质柔性封装材料

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功能材料 2019年第7期50卷 7040-7045页

作者：赵浩成张伟玄武钰铃阴旭杜超赵为刚赵丽刘翠荣太原科技大学材料科学与工程学院太原030024 山西能源学院机电工程系太原030600 太原理工大学新材料界面科学与工程教育部重点实验室太原030024 太原理工大学材料科学与工程学院太原030024

随着小型功能化移动电子装置的高速发展,制备一种柔性、长寿命的高稳定器件替代传统的刚性电子器件的重要性愈加凸显。静电键合是一种先进的材料连接技术,其连接强度高、密封性好、键合温度低、可以实现异种材料连接等特点在柔性器件的... 详细信息

随着小型功能化移动电子装置的高速发展,制备一种柔性、长寿命的高稳定器件替代传统的刚性电子器件的重要性愈加凸显。静电键合是一种先进的材料连接技术,其连接强度高、密封性好、键合温度低、可以实现异种材料连接等特点在柔性器件的封装中展现出巨大的潜能。传统的聚合物固体电解质室温离子电导率低、机械性能差,无法很好的用于静电键合工艺,同时也制约了静电键合在柔性器件制备与封装中的应用。聚氨酯独特的微相分离结构赋予了其良好的物理化学性能,多样化的载流子通道、可调节的柔性链段以及拥有大量可解离锂盐的极性基团等特点使其成为理想固体电解质基体材料成为可能。从4个方面综述了聚氨酯基体材料进行分子结构设计和制备工艺优化的方法,旨在提高其室温离子电导率和机械性能,适合于静电技术的柔性器件封装。

关键词：静电键合聚氨酯封装固体电解质柔性器件

PEO-LiClO_4与铝阳极键合界面结构及力学性能

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微纳电子技术 2014年第12期51卷 798-802页

作者：南粤刘翠荣阴旭孟庆森杜超赵为刚太原科技大学研究生学院太原030124 太原理工大学材料科学与工程学院太原030024

利用自制的阳极键合炉实现了PEO-LiClO4与铝的阳极键合,并且采用扫描电子显微镜(SEM)对键合界面进行了观察。结果表明,键合后铝/高分子固体电解质界面处生成了一层厚度约5μm的过渡层,分析认为该过渡层是两者得以焊合的关键。由实验得... 详细信息

利用自制的阳极键合炉实现了PEO-LiClO4与铝的阳极键合,并且采用扫描电子显微镜(SEM)对键合界面进行了观察。结果表明,键合后铝/高分子固体电解质界面处生成了一层厚度约5μm的过渡层,分析认为该过渡层是两者得以焊合的关键。由实验得到的电流-时间的变化过程可以看出,键合区域中的导电离子是由瞬时高密度迁移转向低密度稳态迁移的。利用非线性有限元分析软件***研究了阳极键合件从90℃冷却到室温的残余应力和变形,并且建立了接头应力分析模型,探讨了界面应力场的分布规律,为提高键合质量提供了理论依据。对比翘曲变形前后的形状可知,试件从高温冷却后,上表面中心会向下收缩,边缘的翘曲下降,最大的翘曲发生在试件对角棱线处。模拟分析显示过渡层上等效应力是最大的,因此该层成为阳极键合接头中的薄弱部位。因此,对残余应力和变形进行分析并在此基础上提出缓解的措施是提高阳极键合性能的一个有效途径。

关键词：阳极键合扫描电子显微镜(SEM) 高分子固体电解质(SPE) 残余应力过渡层 MSC.Marc