激光超声在缺陷材料中散射波形的声谱分析

利用有限元法模拟了脉冲激光作用于单层铝板表面,由热弹机制产生超声波及其传播过程。针对相同厚度而含有不同深度的表面裂痕与给定埋藏深度的亚表面裂痕的单层铝板进行了对比计算,初步得到了声表面波经过表面裂痕及其亚表面裂痕时产生的反射及透射波形的特征;同时基于Wigner Ville分布的时间频率分析,得到了在裂痕前、后激光激发的瞬态表面波形的能量在时间频率平面内分布的情形,并就时频分析结果提出了不同深度的表面裂痕与亚表面裂痕对声表面波的声谱特征产生的显著影响,为激光超声的无损检测技术走向定量化提供了初步的理论依据。     

表面性质变化材料中激光声表面波的数值计算

;激光激发超声波为评价材料近表面弹性性质提供了有效的手段,考虑到由于冲击硬化、表面热处理、表面氧化等引起的金属材料近表面层弹性性质的变化,建立了一种激光在基底上的梯度材料中激发超声波的理论模型,用有限元方法(FEM)模拟了热弹条件下脉冲激光作用于材料上表面激发出的声表面波及其传播过程.当表面层"变硬"时,讨论了不同的硬化层厚度和不同的弹性性质的变化对激光声表面波的影响.为进一步研究近表面层的弹性性质及材料性质的反演提供了理论依据.     

激光激发板状材料中超声导波的有限元数值模拟

材料表面吸收激光辐照的能量后，产生瞬态温度场，引起表面层的局部热膨胀，产生超声波沿不同方向传播。激光超声具有非接触、宽频带、多模态的特点，提供了材料的弹性性质和材料无损检测的有效手段。考虑激光作用过程中材料热物理参数随温度变化的特性，用有限元方法数值模拟激光在板状材料中激发瞬态温度场，建立热弹机制下超声导波的产生和传播的有限元模型。数值模拟的结果表明：材料中瞬态温度场分布在材料的表面层的非常小的区域，温升区域是产生超声的体源。分析近场和远场接收的超声导波的表面波形的传播特征，讨论激光输入参数和激光产生超声波特征之间的关系，为热弹条件下材料性能的激光超声检测提供了定量的基础。     

声表面波方法表征低k纳米多孔黑钻石绝缘薄膜的杨氏模量

激光激发声表面波技术探测薄膜的杨氏模量是一种快速、准确、无损的方法。在薄膜表面,声表面波通过激光短脉冲与介质材料之间的热弹作用被激发。在分层结构的薄膜上传播时,表面波会发生色散现象,通过对实验测得的表面波色散曲线和理论计算的到的色散曲线进行匹配,可以获得薄膜的杨氏模量。在本实验中,采用紫外波段激光脉冲可以产生具有很宽频谱范围的表面波信号,色散曲线的范围可达180 MHz。应用声表面方法对生长于Si(100)衬底上,具有不同厚度的低k纳米多孔黑钻石绝缘薄膜的杨氏模量进行了成功探测。     

圆柱型涂层/基底系统中的激光超声表面波

为了分析圆柱型涂层/基底系统中声表面波的特点及其传播特性,以热弹激发机理为基础建立了脉冲激光在圆柱型涂层/基底系统中激发超声表面波的有限元程序。在此基础上,计算了激光在铝(涂层)/镍(基底)和镍(涂层)/铝(基底)系统中激发的超声表面波波形,它们分别对应了硬涂层系统和软涂层系统。结果表明,圆柱型涂层/基底系统中的超声表面波是色散的,并且其色散特性由弯曲柱面引起的几何色散和涂层/基底系统引起的色散共同决定,这使得圆柱型涂层系统中色散特性远比板状涂层系统杂,不存在简单的正常和反常色散规律。     

激光冲击硬化层中激光声表面波的实验研究

激光冲击硬化通过在材料的近表面产生残余压应力来提高材料的表面硬度和抗疲劳寿命。材料近表面性质的变化能够导致在其中传播的声表面波发生色散。为了研究激光冲击硬化后金属Al合金样品中的激光声表面波(SAW)的传播,提出一种合理的宽带激发和接收方法,搭建了由激光激发、聚偏二氟乙烯(PVDF)传感器接收超声信号的实验装置。分别对不同条件下激光冲击的Al合金样品中的激光声表面波进行了探测,通过对接收到的超声信号进行时频分析得到了信号的频谱以及声表面波的相速度色散曲线,速度色散主要是由于晶粒方向改变和错位密度的增加引起的。     

激光激发材料中近场声表面波的数值模拟

用有限元方法数值模拟了激光热弹机制下激发材料中的声表面波,分别建立了激光照射无表面缺陷的材料以及含有矩形凹槽缺陷情况下声表面波激发与传播的模型,通过数值计算分别得到了无表面缺陷和存在不同深度表面缺陷的情况下,位于激光光斑辐照半径内固定一点的垂直于材料表面方向的位移曲线.进而计算了固定缺陷尺寸情况下位于入射激光光斑半径之外几百微米范围内各点垂直于材料表面方向的位移.     

横观各向同性复合材料激光超声检测的数值模拟

为了分析横观各向同性复合材料的内部材料属性 ,结合激光超声理论,使用仿真软 件Comsol Multiphysics 建立了复合材料在激光热弹下激发出超声波的等效模型,通过设置 完美匹配层、低反射边界等方法消除了边界回波。采用有限元法模拟了横观各向同性材料中 激发超声波的物理过程,对缺陷回波信号进行了时域分析。结果表明:平板厚度的增加会使 超声波逐渐转变为高阶模态,且随着平板厚度的增加,模态的截止频率会逐渐降低,同时在横观 各向同性复合材料中传播的超声波将逐渐失去Lamb波的特征,转而表现出表面波特征,将 Lamb波向表面波转化激发出Rayleigh波。本次模拟为进一步研究复杂介质中超声波的产生 和缺陷定位奠定了基础。     

基于应力-位移混合有限元法的激光超声数值模拟

为了研究激光辐照各向同性半无限大铝材料内超声波的激发和传播特征,采用理想匹配层和应力-位移混合有限元方法建立了半无限大介质中激光激发超声波的有限元数值模型。模拟研究了各向同性半无限大铝材料内激发产生的瞬态波场图和垂直表面位移,并与相同几何模型下采用有限元方法得到的结果进行了对比分析。结果表明,应力-位移混合有限元方法能够有效地消除模型截断边界处的反射波,精确地模拟出无限大固体材料内激光激发超声波的产生和传播特性。数值模拟结果为进一步研究微纳米薄膜材料中皮秒或飞秒激光激发超声波提供了有效的方法。     

熔覆层厚度对相控阵表面波聚焦特性的影响

超声表面波是检测激光熔覆层质量的重要手段,为提高检测分辨率,采用可达到声束聚焦效果的相控阵表面波对激光熔覆层进行检测。建立了单探头与相控阵表面波传播的有限元模型,基于Fermat原理研究超声波传播路径并分析了阵元延时特性,实现了相控阵表面波的聚焦和偏转,研究了熔覆层厚度对相控阵表面波聚焦特性的影响。结果表明,对于基体材料为铝,熔覆层材料为45#钢时,熔覆层厚度在2.5 mm内,聚焦点的能量随厚度增加而减小,如1 mm厚相对于0.2 mm厚的聚焦点能量减小了58.8%;当厚度大于2 mm时,聚焦点处能量变化不明显,表明超声相控阵表面波对薄的熔覆层具有较好的检测效果。     

铝/镍/铜UBM厚度对SnAgCu焊点的力学性能及形貌影响

研究了倒装芯片中UBM制备和焊球回流工艺流程。通过改变阻挡层Ni和浸润层Cu的厚度,结合推拉力测试实验,探究了SnAgCu焊点剪切强度的变化规律。研究结果表明,UBM中阻挡层Ni对SnAgCu焊点的力学性能影响最大,而浸润层Cu厚度的增加也能提高SnAgCu焊点的力学性能。进一步对推拉力实验后的焊点形貌进行了SEM观察和EDS分析,得到了焊盘剥离、脆性断裂、焊球剥离、韧性断裂四种不同的焊点失效形式,代表着不同的回流质量,而回流质量主要由UBM的成分和厚度决定。研究结果为倒装焊工艺的优化提供了理论指导。     

应用弹性振子模型模拟声表面波在金属材料中的传播过程

基于激光超声的融蚀模型,将脉冲激光源等效为垂直力源,进而作为超声脉冲的激发源,建立弹性振子模型,采用弹性点阵的模拟方法对激光超声在金属材料中的产生和传播机理进行了研究.着重研究了不同的金属材料受到理想点源激发时,所产生的超声表面波的传播过程.针对同一激发源在铝和铜介质中的不同激发效率进行对比和分析,结果发现金属铝中传播的声脉冲相比于铜介质具有更大的振幅与较快的速度.     

激光超声表面缺陷检测的实验方法

提出了一种非接触式、全光学激光超声检测的实验方法。利用Nd：YAG脉冲激光器、He-Ne激光器和平衡接收器构建一套基于光束偏转法的光差分检测系统，测量了表面带缺陷Al样品的声表面波（SAWs）。通过实验获得了SAWs经过表面缺陷时产生的反射回波及透射波形的特征，说明了线光源产生的超声波非常适合材料表面缺陷的检测。     

Effects of the gold thickness of the surface finish on the interfacial reactions in flip-chip solder joints

The effects of Au thickness on the flip-chip solder joints with Cu/Ni/Al underbump metallurgy (UBM) on one end and the Au/Ni surface finish on another was studied. Two different thicknesses, 0.1 μm and 0.65 μm, were used for the surface finish. After assembly, the joints were subjected to thermal aging at 150°C. The difference in Au thickness had a strong effect on the consumption rate of the Ni layer in the UBM as well as on the failure mode of the solder joints. When the Au layer was thin (0.1 μm), the dissolved Cu from the Cu/Ni UBM was able to inhibit the formation of AuSn₄. When the Au layer was thick (0.65 μm), the dissolved Cu was not able to inhibit the formation of AuSn₄. These AuSn₄ enhanced the Ni consumption rate of the UBM. The presence of a large amount of AuSn₄ inside the solder also weakened the solder because of the Au embrittlement effect. In view of these observations, the gold thickness on the Au/Ni surface finish must be kept to the minimum controlled in order to prolong the service life of flip-chip packages.     

声表面波在空心圆柱体中的传播特性分析

空心圆柱体管道类的声表面波检测是目前工程检测领域常见的问题。通过势函数和位移假设,建立了声表面波在空心圆柱体内传播的频散方程。数值计算结果表明在空心圆柱体内传播的声表面波与平板中传播的兰姆波存在类似,位移表现为对称和反对称模态。随着频率的增加,低阶模态的相速度逐渐趋于声表面波波速,同时空心圆柱体的壁厚对声表面波相速度的影响较为明显。建立的模型和计算结果为实际的声表面波圆柱体检测奠定了基础。     

Morphological and electrical characterization of AI/Ni/n-lnP contacts with tapered insertion Ni-Layer

The addition of a thin Ni layer has improved the surface morphology of Al/n-InP contacts which show an enhanced Schottky barrier height (SBH) after rapid thermal annealing. In order to determine the optimum thickness of the insertion Ni layer, we have fabricated a unique sample in which the thickness of the insertion Ni layer tapered off in space. The improvement of the surface morphol-ogy as well as the SBH enhancement were realized by inserting 35 nm Ni layer annealed at rather low temperatures (around 450°C). The solid-phase reaction between Ni and InP might play an important role in the low-temperature formation of A1P which was responsible for the SBH enhancement.     

MEMS压力传感器上柔性化凸点制备方法

介绍了一种适用于MEMS压力传感器的低成本、柔性化凸点下金属层(Under Bump Metal,UBM)和凸点(Bump)的制备工艺。其中凸点下金属层分为Ni-P/Cu两层,使用化学镀的方法沉积在Al焊盘表面;凸点通过焊膏印刷回流预制于陶瓷基片上,再通过转移工艺移植到焊盘上。为了检验此套工艺制出的凸点结构是否具有足够的强度,对凸点进行了剪切破坏试验。结果表明,凸点与凸点下金属层、凸点下金属层与Al焊盘均结合牢固,破坏主要发生在焊料凸点内最薄弱的金属间化合物层(Intermetallic Compound,IMC)。     

约束条件对薄板激光冲击表面完整性的影响

为了研究约束条件对薄板激光冲击表面完整性的影响,对厚度为1 mm的304不锈钢薄板进行了激光冲击强化处理,分析了两端夹持和底部全约束条件下,板材表面形貌、显微硬度和微观组织的差异,并通过数值模拟和实验研究了不同厚度板材的表面残余应力分布和约束条件的影响机理.结果表明,底部全约束试样表面凹坑深度约14μm,远小于两端夹持...     

Effect of Ni layer thickness and soldering time on intermetallic compound formation at the interface between molten Sn-3.5Ag and Ni/Cu substrate

The binary eutectic Sn-3.5wt.%Ag alloy was soldered on the Ni/Cu plate at 250°C, the thickness of the Ni layer changing from 0 through 2 and 4 μm to infinity, and soldering time changing from 30 to 120 s at intervals of 30 s. The infinite thickness was equivalent to the bare Ni plate. The morphology, composition and phase identification of the intermetallic compound (IMC, hereafter) formed at the interface were examined. Depending on the initial Ni thickness, different IMC phases were observed at 30 s: Cu₆Sn₅ on bare Cu, metastable NiSn₃ + Ni₃Sn₄ on Ni(2 μm)/Cu, Ni₃Sn₄ on Ni(4 μm)/Cu, and Ni₃Sn + Ni₃Sn₄ on bare Ni. With increased soldering time, a Cu-Sn-based η-(Cu₆Sn₅)_1−xNi_x phase formed under the pre-formed Ni-Sn IMC layer both at 60 s in the Ni(2 μm)/Cu plate and at 90 s in the Ni(4 μm)/Cu plate. The two-layer IMC pattern remained thereafter. The wetting behavior of each joint was different and it may have resulted from the type of IMC formed on each plate. The thickness of the protective Ni layer over the Cu plate was found to be an important factor in determining the interfacial reaction and the wetting behavior.