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局部热载荷诱导热障涂层界面分层断裂问题

中国科学：技术科学 2011年第1期41卷 49-54页

作者：吴臣武黄晨光陈光南中国科学院力学研究所北京100190

以激光辐照对热障涂层面层进行局部加热,模拟超燃冲压发动机燃烧室热障涂层服役的高热流、高温度梯度载荷环境,研究热障涂层的可能破坏模式.首先给出了YAG激光局部加热试验方法、过程和界面破坏的典型形貌;然后,基于理论分析与有限元模... 详细信息

以激光辐照对热障涂层面层进行局部加热,模拟超燃冲压发动机燃烧室热障涂层服役的高热流、高温度梯度载荷环境,研究热障涂层的可能破坏模式.首先给出了YAG激光局部加热试验方法、过程和界面破坏的典型形貌;然后,基于理论分析与有限元模型化研究,计算了表面局部受热时热障涂层体系的温度场、变形场和应力场,分析了热障涂层破坏的力学机制.研究结果表明,在这种局部迅速加热的载荷条件下,热障涂层将由于陶瓷层-粘接层的界面分层断裂而失效.参数化模型研究发现热障涂层体系的关键结构参量、性能匹配对界面分层断裂驱动力具有显著影响且存在优化区间.

关键词：热障涂层局部加热界面分层有限元模型

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倒装芯片封装中多层铜互连结构的界面分层

半导体技术 2023年第3期48卷 255-261,267页

作者：黄慧霞张立文杨贺杨陈曹磊李团飞河南科技大学信息工程学院河南洛阳471023 洛阳市科技创新促进和情报研究中心河南洛阳471000

芯片封装过程中,较高的机械热应力易导致多层铜互连结构发生分层甚至断裂失效。运用三级子模型技术建立了倒装芯片10层铜互连结构的有限元分析模型,通过计算不同界面裂纹尖端能量释放率对多层铜互连结构的界面分层展开研究。结果表明:... 详细信息

芯片封装过程中,较高的机械热应力易导致多层铜互连结构发生分层甚至断裂失效。运用三级子模型技术建立了倒装芯片10层铜互连结构的有限元分析模型,通过计算不同界面裂纹尖端能量释放率对多层铜互连结构的界面分层展开研究。结果表明:第10层Cu/SiN和金属间电介质(IMD)/SiN界面,以及第9层Cu/SiN界面的裂纹尖端能量释放率远大于其他界面,是易发生分层失效的关键界面;总体互连线介电材料的弹性模量和热膨胀系数对关键界面能量释放率都有影响。基于此分析,对总体互连线介电材料的选取进行优化,发现第10层选择弹性模量与热膨胀系数乘积最大的非掺杂硅玻璃(USG),第9层选择弹性模量与热膨胀系数乘积最小的有机硅酸盐玻璃(OSG)时更有利于提高多层铜互连结构界面可靠性。

关键词：铜互连结构子模型技术界面分层能量释放率介电材料

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同轴硅通孔热应力诱导界面分层失效研究

半导体技术 2023年第1期48卷 73-79页

作者：杨陈张立文杨贺黄慧霞曹磊河南科技大学信息工程学院河南洛阳471023

界面分层失效已成为同轴硅通孔(TSV)应用中重要的热可靠性问题之一。构建有限元分析模型对其热可靠性进行仿真,发现在TSV结构中铜屏蔽环/SiO_(2)界面顶端附近出现明显的热应力集中,可能更易在该界面发生分层失效。为研究结构参数对铜/Si... 详细信息

界面分层失效已成为同轴硅通孔(TSV)应用中重要的热可靠性问题之一。构建有限元分析模型对其热可靠性进行仿真,发现在TSV结构中铜屏蔽环/SiO_(2)界面顶端附近出现明显的热应力集中,可能更易在该界面发生分层失效。为研究结构参数对铜/SiO_(2)界面分层失效的影响,通过对中心铜导体半径、苯并环丁烯(BCB)厚度、铜屏蔽环厚度、SiO_(2)厚度、硅衬底厚度、TSV高度进行变参分析,计算了该界面分层裂纹尖端能量释放率。结果表明:铜屏蔽环厚度对界面能量释放率影响最大,中心铜导体半径次之,SiO_(2)厚度、硅衬底厚度和TSV高度的影响较小,因此减小铜屏蔽环厚度能够有效提高铜屏蔽环/SiO_(2)界面可靠性。

关键词：界面分层同轴硅通孔(TSV) 有限元分析热应力能量释放率

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界面粗糙度对硅通孔结构界面分层的影响

半导体技术 2019年第8期44卷 641-646页

作者：李阳张立文李智河南科技大学电气工程学院

硅通孔(TSV)结构是三维互连封装的核心,针对其热可靠性问题,基于ANSYS有限元分析软件分别构建光滑和粗糙两种界面形貌的TSV结构分析模型,模拟计算了两种界面下TSV结构的热应力和界面分层裂纹尖端能量释放率,通过对比分析研究了界面粗糙... 详细信息

硅通孔(TSV)结构是三维互连封装的核心,针对其热可靠性问题,基于ANSYS有限元分析软件分别构建光滑和粗糙两种界面形貌的TSV结构分析模型,模拟计算了两种界面下TSV结构的热应力和界面分层裂纹尖端能量释放率,通过对比分析研究了界面粗糙度对TSV结构界面分层的影响。结果表明,温度载荷下粗糙界面上热应力呈现出明显的周期性非连续应力极值分布,且极值点位于粗糙界面尖端点。界面分层裂纹尖端能量释放率也呈周期性振荡变化。降温下,粗糙界面尖端点附近能量释放率明显大于光滑界面稳态能量释放率;升温下,粗糙界面能量释放率总体上呈现出先增大后减小的变化趋势。

关键词：界面粗糙度硅通孔(TSV) 界面分层能量释放率热应力

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热应力影响下SCSP器件的界面分层

电子元件与材料 2008年第10期27卷 48-50页

作者：李功科秦连城易福熙桂林电子科技大学机电工程学院广西桂林541004

通过有限元方法研究了堆叠芯片尺寸封装(SCSP)器件在回流焊工艺过程中的热应力分布,采用修正J积分方法计算其热应力集中处应变能释放率。结果表明:堆叠封装器件中最大热应力出现在Die3芯片悬置端。J积分最大值出现在位于Die3芯片的上沿... 详细信息

通过有限元方法研究了堆叠芯片尺寸封装(SCSP)器件在回流焊工艺过程中的热应力分布,采用修正J积分方法计算其热应力集中处应变能释放率。结果表明:堆叠封装器件中最大热应力出现在Die3芯片悬置端。J积分最大值出现在位于Die3芯片的上沿与芯片粘结剂结合部,达到1.35×10–2J/mm2,表明该位置的裂纹处于不稳定状态;在Die3芯片下缘的节点18,19和顶层节点27三个连接处的J积分值为负值,说明该三处裂纹相对稳定,而不会开裂处于挤压状态。

关键词：电子技术 SCSP器件修正J积分界面分层热应力

粘着接触下硬质涂层/韧性基底系统界面分层的有限元分析

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制造技术与机床 2017年第2期 64-67页

作者：刘近波王晓力北京理工大学机械与车辆学院北京100081

建立了球形压头与弹性涂层/弹塑性基底系统间粘着接触的有限元模型,采用满足Lennard-Jones力定律的非线性轴向连接器来模拟压头与涂层间的表面粘附作用,并由内聚力模型来模拟涂层/基底的界面分层。研究了不同粘着功下,表面间的粘附作用... 详细信息

建立了球形压头与弹性涂层/弹塑性基底系统间粘着接触的有限元模型,采用满足Lennard-Jones力定律的非线性轴向连接器来模拟压头与涂层间的表面粘附作用,并由内聚力模型来模拟涂层/基底的界面分层。研究了不同粘着功下,表面间的粘附作用对界面分层的影响。结果表明,增大粘着功会促使界面分层的产生。对于产生分层的曲线,卸载响应由五个连续阶段组成:弹性恢复、界面损伤起始(开裂)、界面损伤扩展(分层)、涂层弹性弯曲以及表面突然分离(jump-out)。

关键词：涂层粘着接触内聚力模型界面分层有限元分析

基于Lamb波的CFRP-钢胶接界面分层损伤检测研究

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基于Lamb波的CFRP-钢胶接界面分层损伤检测研究

作者：何超超武汉理工大学

学位级别：硕士

碳纤维增强复合材料(CFRP)以其质轻高强的力学性能已在工业领域被广泛应用。当CFRP与金属胶接时,胶接界面在各种因素作用下易发生脱粘而演变成分层损伤,是胶接结构的薄弱环节,特别是在CFRP加固的钢结构中,界面的分层将极大地降低整体结... 详细信息

碳纤维增强复合材料(CFRP)以其质轻高强的力学性能已在工业领域被广泛应用。当CFRP与金属胶接时,胶接界面在各种因素作用下易发生脱粘而演变成分层损伤,是胶接结构的薄弱环节,特别是在CFRP加固的钢结构中,界面的分层将极大地降低整体结构的承载能力,因此对该类型损伤进行检测非常有必要性。针对Lamb检测技术,目前Lamb波在界面分层处传播的线性特征规律尚不清晰,分层所引起的波非线性特征及其影响因素分析还不详细,利用lamb波对分层损伤进行精确定位还有待进一步研究。基于此,本文以CFRP-钢胶接板中的分层损伤为检测对象,以lamb波为检测手段,主要完成了以下工作:(1)根据三维弹性理论建立了正交各向异性和各向同性板的Lamb波相速度求解模型,结合传递矩阵建立了CFRP-钢胶接板的频散方程,为频散曲线的绘制提供理论依据;借助模态有限元分析法绘制了Lamb波在CFRP-钢胶接板中的频散曲线,为后续的信号分析提供参考。(2)仿真研究了分层缺陷的存在对lamb波传播的影响,通过位移云图对比发现了lamb波在分层处的分离过程,分层区域上部分能量聚集明显形成驻波;以仿真和试验相结合的方式研究了损伤回波的形成及其与分层长度的关系,结果显示A0波对分层损伤更加敏感,损伤回波主要在分层退出端发生反射且反射系数随着分层长度的增加而先增大后下降并呈振动的趋势。(3)仿真分析了损伤信号中高次谐波和次谐波的产生原因,通过数字滤波和HHT时频变换发现了透射二次谐波(2f)与直达波到达时间的差异性并分析了原因;提取了分层上下面节点的位移曲线从结构刚度和节点运动相位这两方面对碰撞过程进行详细分析;针对信号激励幅值、分层长度和所处深度这三个关键因素研究了它们对lamb波非线性特征的影响并作出相应解释。(4)介绍了小波包变换相关理论,引入基于小波包能量谱的损伤判定指标;结合基于损伤存在概率的成像算法(RAPID)提出了一种对CFRP-钢胶接板的分层损伤进行检测定位的方法;对比了仿真和试验结果并对试验精度较低的原因进行了分析,给出了优化试验效果的相关建议。

关键词： CFRP-钢结构界面分层 Lamb波传播特性 RAPID

湿热载荷对含底充胶的FCOB器件界面分层影响

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电子元件与材料 2008年第4期27卷 65-68页

作者：郭丹杨道国桂林电子科技大学广西桂林541004

分析了湿气在FCOB器件中的扩散行为,然后分别对湿热集成载荷和热载荷作用下的FCOB器件进行了有限元仿真研究。结果表明,硅芯片与底充胶界面拐角处吸湿最多,应力集中最为严重;吸潮后,低温保温结束时刻,该处同时湿热载荷影响,比单纯热载... 详细信息

分析了湿气在FCOB器件中的扩散行为,然后分别对湿热集成载荷和热载荷作用下的FCOB器件进行了有限元仿真研究。结果表明,硅芯片与底充胶界面拐角处吸湿最多,应力集中最为严重;吸潮后,低温保温结束时刻,该处同时湿热载荷影响,比单纯热载荷影响下,等效Von Mises应力和等效总应变分别增大了58%和60%,说明该处是底充胶分层萌生的潜在位置。

关键词：电子技术倒装芯片湿热应力界面分层底充胶

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黏附接触下涂层/基底界面分层机制研究

黏附接触下涂层/基底界面分层机制研究

作者：刘近波北京理工大学

学位级别：硕士

微/纳机电系统表面间的黏附作用是造成器件损伤失效的主要原因之一,具有抗黏减摩性能的涂层常被用于微/纳机电系统接触表面,以提高表面抗黏附性能。然而涂层和基底材料特性的不匹配以及制备工艺影响而产生的较大涂层残余应力都会导致涂... 详细信息

微/纳机电系统表面间的黏附作用是造成器件损伤失效的主要原因之一,具有抗黏减摩性能的涂层常被用于微/纳机电系统接触表面,以提高表面抗黏附性能。然而涂层和基底材料特性的不匹配以及制备工艺影响而产生的较大涂层残余应力都会导致涂层/基底系统界面产生分层损伤,因此迫切需要开展涂层/基底系统界面分层失效的基础理论研究。本文针对微/纳尺度下的涂层/基底系统界面分层破坏问题,通过对纳米压痕法的有限元模拟,以定量表征涂层/基底系统界面结合性能为目标开展研究,主要研究内容包括:(1)建立了无黏附作用下刚性球与弹性涂层/弹塑性基底系统接触的有限元模型,通过参数化研究,构造了无黏附作用下的界面分层失效机制图,得到了产生界面分层的临界压入深度和临界压入载荷。研究结果表明:较大的界面内聚强度和内聚能均可以阻碍界面分层的发生;涂层弹性模量较小的系统不易发生界面分层;在压入深度较小的情况下,较厚的涂层系统可阻碍界面分层的发生,而压入深度较大时则呈现出相反的规律;具有残余拉应力的涂层系统更易产生界面分层,而具有残余压应力的涂层系统会降低界面分层产生的风险。(2)将基于Lennard-Jones势函数表征的力位移关系的非线性轴向连接器引入到有限元模型,综合研究了黏附-分层问题。研究结果表明:对于产生分层的压痕过程,其卸载响应包含弹性恢复、界面损伤起始、界面损伤扩展、涂层向上弹性弯曲以及表面突然分离这五个阶段;并且在整个压痕过程能观察到突然接触、界面损伤起始以及突然分离这三次接触不稳定现象;此外在最大压入深度时刻,在接触区域边缘涂层表面法向应力表现为拉应力。(3)构造了考虑黏附作用的界面分层机制图。研究结果表明:增加黏附功会增大界面分层失效的可能性;在黏附功较大时,涂层弹性模量较大的系统不易发生界面分层,较厚的涂层系统会降低界面分层产生的风险;而黏附功相当低的情况下,涂层弹性模量和厚度对界面分层起始的影响与无黏附作用时的变化规律一致;黏附接触下,在压入深度较小的情况下,当涂层残余应力由压应力向拉应力转变时,会降低产生界面分层的风险,而在较大的最大压入深度下,则表现出相反的变化规律。

关键词：涂层黏附接触有限元内聚力模型界面分层