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非共面薄膜-基底结构多层封装及延展性分析

浙江大学学报（工学版） 2012年第6期46卷 1143-1147页

作者：李正伟陶伟明浙江大学工程力学系浙江杭州310027

为减小柔性电子中非共面薄膜-基底结构因封装而导致的延展性下降,提出一种多层封装结构形式,并对其延展性进行了研究.通过对薄膜上下表面附近采用不同力学特性的聚二甲基硅氧烷(PDMS),形成层状封装结构.在将薄膜及其上下封装层简化为复... 详细信息

为减小柔性电子中非共面薄膜-基底结构因封装而导致的延展性下降,提出一种多层封装结构形式,并对其延展性进行了研究.通过对薄膜上下表面附近采用不同力学特性的聚二甲基硅氧烷(PDMS),形成层状封装结构.在将薄膜及其上下封装层简化为复合梁的拉-弯组合变形问题的基础上,采用有限元法计算了上下封装层的厚度、弹性模量等相关参数对结构整体延展性的影响.计算结果表明:上封装层弹性模量减小、厚度增加有利于改善延展性;下封装层的弹性模量适度高于基本封装材料且厚度合适的情况下可较大幅度提高结构延展性,而若弹性模量过高或厚度过大则可导致延展性的大幅下降.该多层封装结构设计和分析结果对于优化柔性电子器件结构具有参考和指导意义.

关键词：薄膜-基底结构柔性电子多层封装延展性有限元法

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薄膜基底结构热应力分析与模拟

薄膜基底结构热应力分析与模拟

作者：郭学敏中北大学

学位级别：硕士

随着电子器件和光电器件不断地朝着小型化、多用途化等方向发展,其中由于热膨胀系数不匹配或温度梯度所导致的热负荷已经成为降低器件使用寿命和器件发生故障的主要因素。为满足这些器件设计中的理论验证要求,则必须需要更精确的设计数... 详细信息

随着电子器件和光电器件不断地朝着小型化、多用途化等方向发展,其中由于热膨胀系数不匹配或温度梯度所导致的热负荷已经成为降低器件使用寿命和器件发生故障的主要因素。为满足这些器件设计中的理论验证要求,则必须需要更精确的设计数据与仿真数据。然而长期以来,关于在这些器件中常见的薄膜基底结构,对于其在不同环境条件下的受力性态尚不明确,至今尚未形成统一的分析理论和仿真理论。论文主要应用理论分析、数值模拟、有限元分析等研究手段,分别对双层、多层、均匀热场、非均匀热场以及不同形状等条件下的薄膜基底结构进行了分析与模拟,揭示了不同条件下薄膜基底结构中包括正向应力、剪切应力、剥离应力等热致残余应力的分布的计算方法,为电子器件与光电器件的设计中的理论验证提供重要的方法以及建议。本论文取得的主要成果如下:1、介绍了对于不同条件下薄膜基底结构的残余应力分布模型,揭示了薄膜厚度、基底厚度、温度变化、材料属性等对于各向残余应力的影响,对电子器件及光电器件设计有一定的参考意义。2、设计优化了薄膜基底结构的热-结构仿真的过程,发现并解决了有限元分析中的应力奇异性问题,并利用优化过的仿真方法进行了实例的分析,与数值模拟的结果进行了比对,结果显示:数值模拟结果与有限元分析结果基本一致,并使用有限元分析方法有效的分析了外延薄膜对原基底薄膜残余应力影响的问题。3、介绍了一种概率统计方法,这种概率统计方法在器件理论验证阶段的使用能够根据已知的统计的断裂的器件上收集到的数据,计算得到相应的结果,为器件设计优化提供设计参考。

关键词：热致残余应力有限元分析分析建模薄膜-基底结构

具有挠曲电效应的薄膜-有限厚度基底结构的屈曲行为研究

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固体力学学报 2024年

作者：王辰宇王博张博涵黄永安欧阳华江西北工业大学工程力学系西北工业大学深圳研究院华中科技大学智能制造装备与技术全国重点实验室西南交通大学机械工程学院

本文建立了一个具有挠曲电效应薄膜-有限厚基底结构屈曲的理论模型，通过最小能量法对结构总能量进行分析，研究了挠曲电效应对薄膜-基底结构发生屈曲演化的影响，并对全局屈曲和局部起皱两种屈曲模式进行了区分。目前研究表明薄膜中挠... 详细信息

本文建立了一个具有挠曲电效应薄膜-有限厚基底结构屈曲的理论模型，通过最小能量法对结构总能量进行分析，研究了挠曲电效应对薄膜-基底结构发生屈曲演化的影响，并对全局屈曲和局部起皱两种屈曲模式进行了区分。目前研究表明薄膜中挠曲电效应越强，结构越细长，越倾向于发生全局屈曲。同时，结构发生失稳所需的临界应变越大，且挠曲电效应对局部起皱失稳模式的影响更突出。挠曲电效应的存在会增大结构的刚度，改善结构的可拉伸性。褶皱薄膜中挠曲电效应的可控性对材料极性的产生与控制有着重要意义。这些发现将有助于微纳尺度上机电设备的设计与应用。

关键词：挠曲电效应有限厚度基底薄膜-基底结构屈曲模式

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双复合材料结构基底厚度对薄膜裂纹的影响

黑龙江科技学院学报 2007年第4期17卷 251-253页

作者：王建国刘宝良毕贤顺黑龙江科技学院数力系哈尔滨150027

针对薄膜-基体双复合材料结构的薄膜裂纹问题,研究了薄膜材料的力学行为,进行了裂纹垂直于薄膜与基底交界面,且尖端未达到交界面情形下问题的分析。基于Beuth理论,把模型简化为平面应变问题,并通过有限元分析程序评价了具有裂纹的薄膜-... 详细信息

针对薄膜-基体双复合材料结构的薄膜裂纹问题,研究了薄膜材料的力学行为,进行了裂纹垂直于薄膜与基底交界面,且尖端未达到交界面情形下问题的分析。基于Beuth理论,把模型简化为平面应变问题,并通过有限元分析程序评价了具有裂纹的薄膜-基底双复合材料结构的断裂机理,得到了薄膜与基底不同的弹性错配及薄膜与基底的不同的厚度比率,对薄膜裂纹应力强度因子的影响。结果表明:随着hs/hf的减小,应力强度有很大幅度的提高,当hs/hf≥10时,基底的厚度对薄膜裂纹的影响较小,可以忽略不计;当薄膜-基底结构退化为单一材料时,应力强度因数趋向于1。

关键词：裂纹薄膜-基底结构应力强度因子有限元方法

膜-基结构光热敏感凝胶膜起皱临界波长与临界应力分析

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高分子通报 2019年第5期 51-58页

作者：颜慧贤魏茂金姚豪杰三明学院机电工程学院三明365004 装备智能控制福建省高校重点实验室三明365004

粘附于弹性基底的光热敏感凝胶薄膜-基底结构广泛应用于微机械、生物传感器和促动器等领域。当光强或温度变化时,光热响应凝胶膜发生溶胀,由于基底的限制作用,凝胶膜中存在的压应力可能使凝胶膜发生起皱失稳。基于光热敏感凝胶溶胀大变... 详细信息

粘附于弹性基底的光热敏感凝胶薄膜-基底结构广泛应用于微机械、生物传感器和促动器等领域。当光强或温度变化时,光热响应凝胶膜发生溶胀,由于基底的限制作用,凝胶膜中存在的压应力可能使凝胶膜发生起皱失稳。基于光热敏感凝胶溶胀大变形理论与冯卡门几何非线性薄板理论,本文对膜-基结构光热敏感凝胶膜起皱失稳机理进行分析,计算了不同光强、温度、溶剂化学势及刚度系数条件下凝胶膜起皱的临界波长和临界应力。结果表明:当环境的光强和温度相同时,溶剂的化学势越大,光热敏感凝胶膜起皱的临界应力越大;当溶剂的化学势相同时,环境的光强越强,温度越高,临界应力越大;在环境温度和光强相同的情况下,光热敏感凝胶膜-基底结构的刚度系数越小,起皱时的临界波长越大;在刚度系数相同的情况下,环境温度越低,光强越弱,起皱临界波长越小。

关键词：光热敏感凝胶薄膜-基底结构起皱临界波长临界应力

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高温超导滤波器的设计与力学研究

高温超导滤波器的设计与力学研究

作者：张煜奇西安电子科技大学

学位级别：硕士

自出现临界温度高于77K的高温超导体以及高温超导薄膜成功制备后,以高温超导滤波器为主的高温超导微波电路的研究日益成熟。相比于常规金属微带滤波器,高温超导滤波器所带来的优势主要体现在以下几个方面:首先,高温超导薄膜的表面电阻约... 详细信息

自出现临界温度高于77K的高温超导体以及高温超导薄膜成功制备后,以高温超导滤波器为主的高温超导微波电路的研究日益成熟。相比于常规金属微带滤波器,高温超导滤波器所带来的优势主要体现在以下几个方面:首先,高温超导薄膜的表面电阻约为200μΩ,低阻值带来低损耗,因此可以通过增加阶数来提高通带边沿的陡峭程度;其次,高温超导滤波器的基底材料有较高的介电常数,这就导致电路尺寸较小;最后,超导薄膜的制作和微带电路的加工水平成熟,人们可以接受高成本带来的高性能。关于高温超导滤波器的设计,目前在窄通带、多通带等方面已有很多研究,但是仍然存在寄生元件带来损耗、高频率处响应不佳等问题,制约着高温超导滤波器的发展,所以研究高温超导滤波器的新型结构,实现更优异的滤波性能,有利于其更广泛的应用。此外,高温超导滤波器在工作时,会经历降温、传输电流变化等情况,其内部将会有应力的产生,从而导致超导薄膜和基底之间的热、电、机械性能的改变,影响滤波器芯片工作的稳定性,而目前的研究中很少有关于高温超导滤波器的力学研究,所以研究薄膜-基底结构在降温和通电时的界面剪切应力、横向正应力等的时变分布,为高温超导滤波器在复杂电磁环境下的应用提供理论基础。本文依据高温超导薄膜的材料特性和高温超导滤波器的设计原理,提出了一种紧凑的旋入旋出式阶梯阻抗谐振器结构,通过这种结构制作出的高温超导滤波器达到了0.8%的相对带宽,并且在输入输出端口处插入了λ/4波长螺旋型微带线,得到的传输零点位于0.7489GHz、0.8679GHz、1.3592GHz、1.4937GHz和1.5465GHz五个频率点处。另外,本文还研究了由不同工作温度引起的非线性响应和与基底材料有关的敏感度分析,证实了结构参数选择的合理性,最终选取YBCO/LaAlO/YBCO双面超导薄膜。根据上述理论分析进行了双面超导薄膜的制作和滤波电路芯片的加工,并且将组装好的高温超导滤波器置于65K温度下进行滤波性能测试。测试结果表明插入损耗小于0.5dB,输入回波损耗小于-15dB,与仿真结果吻合。其次,本文将谐振器结构简化,结合零度馈电端口,设计了高温超导双通带滤波器,实现了在3.5GHz和5.54GHz的双频点,电路结构简单。同时,本文基于弹性力学平面问题的基本模型,建立了高温超导滤波器薄膜-基底结构的力学模型,研究了在降温和通电过程中的界面剪切应力、横向正应力等的时变分布,探索了高温超导滤波器薄膜-基底界面的剥离行为,得到了高温超导滤波器在复电磁环境下稳定工作的条件。结果表明,界面剪切应力集中分布在薄膜两侧,当剪切力大于粘合力时容易发生破坏;而薄膜横向正应力集中分布在薄膜中心,当应力状态为拉应力时,脆性的薄膜材料容易发生破坏。最后将模型推广至圆形超导薄膜-基底结构,在施加磁场的条件下计算了界面剪切应力,并和已有实验结果或理论计算结果对比验证了模型的合理性。

关键词：高温超导滤波器高温超导薄膜旋入旋出式阶梯阻抗谐振器窄带宽双通带薄膜-基底结构界面剪切应力薄膜横向正应力

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柔性电子多层封装及粘弹性效应分析

柔性电子多层封装及粘弹性效应分析

作者：李正伟浙江大学

学位级别：硕士

柔性电子技术将基于元晶片的传统半导体的电学性能和柔性基底的力学性能结合起来,实现了其独特的柔韧性和延展性,在很多方面有着广阔的应用前景。本文以非共面薄膜-基底结构（也称为岛-桥结构）为研究对象,结合理论分析和有限元计算,从... 详细信息

柔性电子技术将基于元晶片的传统半导体的电学性能和柔性基底的力学性能结合起来,实现了其独特的柔韧性和延展性,在很多方面有着广阔的应用前景。本文以非共面薄膜-基底结构（也称为岛-桥结构）为研究对象,结合理论分析和有限元计算,从以下三个方面进行了研究分析：首先,为减小非共面柔性电子结构因封装而导致的延展性下降,提出一种多层封装结构形式,并对其延展性进行了研究。通过对薄膜上下表面附近采用不同力学特性的聚二甲基硅氧烷（PDMS）,形成层状封装结构。在将薄膜及其上下封装层简化为复合梁的拉-弯组合变形问题的基础上,采用有限元法计算了上下封装层的厚度、弹性模量等相关参数对结构整体的延展性的影响。计算结果表明：上封装层弹性模量减小、厚度增加有利于改善延展性;下封装层的弹性模量适度高于基本封装材料且厚度合适的情况下可较大幅度提高结构延展性,而若弹性模量过高或厚度过大则可导致延展性的大幅下降。其次,考虑了柔性电子封装系统中可能存在的“夹杂”问题,通过建立合理有效的有限元模型,从夹杂刚度、夹杂位置以及封装方式等三个方面探讨夹杂对岛-桥结构延展性影响。有限元分析结果表明：随着夹杂刚度的增大,桥的最大应变增大,整体结构最大延伸量可减小30%;夹杂埋藏位置越深,桥顶局部的整体应变水平越大,最大延伸量可减小20%;相对“硬”封装情形,相同的夹杂对“软”封装中桥的最大延伸量的影响更严重。最后,通过计入柔性电子中基底与封装材料的粘弹性性质,考察动态拉伸过程中柔性基底及封装材料（PDMS）的粘弹性性质对薄膜应力和变形的影响。采用有限元法分析了多种粘弹性参数情况、在不同拉伸速率下结构的延展性,结果表明：一定的总拉伸量下加载速率越大、一定应变速率下基底与封装材料的瞬时模量（instantaneous modulus）越高,薄膜的应力水平越高,结构的极限延展量越小。同时引入了一个表征延展性劣化的无量纲参数,给出了它随拉伸应变率变化的关系曲线;封装材料与基底材料在一定应变速率范围内的瞬时模量峰值之比越大,薄膜的最大主应变增强得越多而薄膜面下降的位移越小;松弛阶段薄膜最大主应变、薄膜高度均随松弛时间而“衰减”至与静态拉伸时状态。本文结果对于非共面薄膜-柔性基底封装结构的设计和安全使用具有较重要的理论和实际意义。

关键词：柔性电子薄膜-基底结构多层封装夹杂粘弹性延展性

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双材料结构无弹性错配时SIF分析

黑龙江科技学院学报 2006年第3期16卷 152-155页

作者：刘宝良毕贤顺孙立红黑龙江科技学院数力系哈尔滨150027

针对双材料(薄膜—基底)结构应力强度因子分析过渡到单一材料时,产生较大误差,对原有计算公式进行了修正。结果表明,对深裂纹问题,修正后的计算公式与原有的单一材料结论吻合较好。这为实验研究及理论分析提供了一定的参考。

关键词：薄膜-基底结构裂纹应力强度因子

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弹性薄膜裂纹的应力强度因子分析

黑龙江科技学院学报 2005年第6期15卷 355-357页

作者：刘宝良阎龙海刘彦彬黑龙江科技学院数力系哈尔滨150027

对裂纹垂直于薄膜与基底交界面,且尖端达到了交界面的情形进行分析。基于Beuth理论,把模型简化为平面应变问题,并通过有限元分析程序评价了具有裂纹的薄膜—基底结构的断裂机理,得到了薄膜与基底的不同弹性错配及不同厚度比率对薄膜裂... 详细信息

对裂纹垂直于薄膜与基底交界面,且尖端达到了交界面的情形进行分析。基于Beuth理论,把模型简化为平面应变问题,并通过有限元分析程序评价了具有裂纹的薄膜—基底结构的断裂机理,得到了薄膜与基底的不同弹性错配及不同厚度比率对薄膜裂纹的应力强度因子的影响。结果表明:对于β=0和β=α/4的条件下,应力强度因子的幅值随着α值(-1<α<+1)的增大而减小,其误差小于5%。

关键词：薄膜-基底结构裂纹应力强度因子有限元方法