微桥结构镍膜的弹性模量和残余应力研究

采用MEMS(MicroelectromechanicalSystems)技术研制了宽度在微米尺度的镍(Ni)膜微桥结构试样。采用纳米压痕仪(Nanoindenter)XP系统的楔形压头测量了微桥载荷与位移的关系,并结合微桥力学理论模型得到了Ni膜的弹性模量及残余应力,分别为190GPa和87MPa。与采用纳米压痕仪直接测得的带有硅(Si)基底的Ni膜弹性模量(186.8±7.5)GPa相符合。     

AZ91镁合金激光冲击强化力学性能研究

为了研究激光冲击强化对镁合金力学性能的影响以及不同激光冲击模式的效果,采用双束无叠加钕玻璃脉冲激光对AZ91镁合金进行冲击处理;冲击后在试样表面得到椭圆冲击斑,对光斑形貌和形状进行了观测分析,并与传统单点叠加冲击模式的结果对比。采用Triboindenter纳米压痕仪测试了冲击和未冲击区域的纳米硬度,得到测量值分别为1.59GPa和1.47GPa;采用X2350A型X射线应力衍射仪测试冲击区域残余应力分布情况,并用有限元软件ABAQUS对残余应力进行了数值模拟,得到实验测量和模拟结果在加载区域都有高达-120MPa左右的残余应力分布,且模拟结果与实验结果一致。结果表明,采用双束无叠加冲击模式可以提高冲击效率;激光冲击处理提高了镁合金的纳米硬度和力学性能,增强了其抗外物冲击损伤和抗疲劳性能。     

基于DOE策略的多层薄膜残余应力对太赫兹微桥形变的影响

桥面多层膜系残余应力匹配是消除太赫兹微测辐射热计微桥结构形变的重要手段.仿真建立了像元尺寸为35μm×35μm微桥单元有限元模型.基于实验设计(DOE)正交法,采用IntelliSuite软件进行应力仿真,获得支撑层、钝化层、电极层、热敏层、吸收层应力分别为+200 Mpa、+200 Mpa、+200 Mpa、0 Mpa、-400 Mpa的最佳应力组合,最小微桥单元形变(0.0385μm).通过各膜层残余应力控制,制备出基于该优化微桥单元结构的320×240太赫兹焦平面阵列,获得与仿真结果相符的极小形变微桥.     

W/Al双层膜系的纳米压痕实验及有限元仿真

采用磁控溅射法在CAT.No.7101玻璃基底上沉积了W/Al双层金属膜,并对其进行纳米压痕实验。利用非线性有限元法对压痕过程进行仿真,分析了膜基体系的应力分布。结果表明:磁控溅射法制备的薄膜组织均匀、力学性能好。W/Al双层金属膜系中的W薄膜的弹性模量与硬度平均值分别为75.4335GPa、6.206GPa,其值与块状W材料的相应参数差别较大。仿真曲线与实验结果基本相符,能够反映出膜基体系的力学状态以及应力分布规律。     

SnAgCu体钎料及BGA焊球焊点纳米级力学性能

为了研究低银Sn-0.3Ag-0.7Cu无铅体钎料、BGA焊料小球和BGA焊点的力学行为,基于物理反分析的方法采用纳米压痕仪对其进行实验。从压痕载荷–深度曲线提取出弹性模量、硬度和蠕变速率敏感指数。结果表明:体钎料的杨氏模量和蠕变速率敏感指数大约是BGA焊料小球和BGA焊点的2.5倍,验证了尺寸效应理论。采用纳米压痕仪测出的体钎料维氏硬度(15.101HV)小于显微硬度计的测量结果(20.660HV)。     

纳米压痕法分析无铅焊点内界面金属化合物的力学性能

根据实际工艺流程和服役工况制备了微电子封装中3种无铅焊点(Sn3.0Ag0.5Cu、Sn0.7Cu和Sn3.5Ag)内界面金属化合物(IMC)的试样;利用扫描电镜(SEM)和能量色散X射线荧光光谱仪(EDX)对所制IMC的形貌和化学成分进行了分析;另外,借助纳米压痕仪,采用连续刚度测量(CSM)技术在不同的加载速率下对所制IMC的弹性模量和硬度进行了测量。结果表明,3种无铅焊点内的IMC均为Cu6Sn5,其弹性模量分别为98.93±3.37,113.55±4.58和(102.16±3.11)GPa,硬度分别为5.18±0.14,5.78±0.11和(5.55±0.19)GPa。     

纳米硬度计在MEMS力学检测中的应用

纳米硬度计是一种能提供10^3～10^-2μm尺度材料或结构微力学性能检测的先进仪器。采用纳米压痕技术，研究薄膜材料的弹性模量和硬度随压痕深度的变化规律以及薄膜厚度测量、微桥弯曲变形测量的方法。采用纳米划痕技术，研究薄膜的表面粗糙度、临界附着力和摩擦系数测量的方法。该仪器能广泛应用于MEMS的力学检测，并有望成为这一领域内的标准力学检测设备。     

纳米硬度计在MEMS力学检测中的应用

纳米硬度计是一种能提供 10 3～ 10 2 μm尺度材料或结构微力学性能检测的先进仪器。采用纳米压痕技术 ,研究薄膜材料的弹性模量和硬度随压痕深度的变化规律以及薄膜厚度测量、微桥弯曲变形测量的方法。采用纳米划痕技术 ,研究薄膜的表面粗糙度、临界附着力和摩擦系数测量的方法。该仪器能广泛应用于MEMS的力学检测 ,并有望成为这一领域内的标准力学检测设备     

纳米硬度计在MEMS力学检测中的应用

纳米硬度计是一种能提供103～10-2μm尺度材料或结构微力学性能检测的先进仪器.采用纳米压痕技术,研究薄膜材料的弹性模量和硬度随压痕深度的变化规律以及薄膜厚度测量、微桥弯曲变形测量的方法.采用纳米划痕技术,研究薄膜的表面粗糙度、临界附着力和摩擦系数测量的方法.该仪器能广泛应用于MEMS的力学检测,并有望成为这一领域内的标准力学检测设备.     

基于SEM-SPM原位纳米压痕超薄铜薄膜弹性模量研究

本文利用自主研发的扫描电子显微镜-扫描探针显微镜联合测试系统(SEM-SPM),研究了直流磁控溅射(DCMS)和原子层沉积(ALD)两种成膜方式对40、60和80 nm超薄铜薄膜弹性模量的影响.基于赫兹理论和King模型的计算结果表明,利用DCMS得到不同厚度铜薄膜的弹性模量值在(95±2)Gpa~(125±4)GPa之间,而通过ALD得到的铜薄膜弹性模量值在(99±2)Gpa~(154±6)GPa之间.对比分析可知,不同厚度的铜薄膜弹性模量比块体铜材料的弹性模量(90 GPa)大6%~71%,且通过两种不同方式沉积得到的铜薄膜弹性模量值都随着薄膜厚度的增加而减小,表现出明显的尺寸效应.而且对于同一厚度的铜薄膜,利用ALD沉积的弹性模量比DCMS的大4.2%~23.2%,由透射电子显微图像对比分析可知,前者的平均晶粒尺寸是后者的60%,纳米晶粒小尺寸效应可能是薄膜弹性模量增大的原因.     

Internal stress and elastic modulus measurements on micromachined3C-SiC thin films

Fabrication of epitaxial 3C-SiC microstructures by bulk micromachining of the underlying silicon substrate was investigated. Initial studies of the mechanical properties of epitaxial 3C-SiC films deposited on silicon were carried out on microstructures fabricated by bulk micromachining of the silicon substrate to evaluate the potential of these films for micromechanics. Residual stress and biaxial modulus of 3C-SiC films were measured by load-deflection measurements of suspended diaphragms. The film's residual stress was tensile with an average of 212 MPa, while the in-plane biaxial modulus averaged 441 GPa     

磁控溅射制备Zr膜的应力研究

为了研究磁控溅射方法制备的Zr膜的应力分布情况,采用探针轮廓仪测量镀膜前后基片在1维方向上的形变,根据镀膜前后基片曲率半径的变化和Stoney公式,用自编应力计算软件计算出薄膜的内应力。结果表明,Zr膜中主要存在的是压应力,且分布不均匀;工作气压对Zr膜内应力影响不大,但膜厚对Zr膜内应力影响较大,且随膜厚的增加,Zr膜中压应力减小。     

MEMS多层膜残余应力全场光学在线测试

提出了一种基于背面腐蚀的多层膜残余应力测试方法．此法可以简化测量过程,仅需要依次腐蚀基片背面的各层薄膜,用激光全场测量法测出相应的曲率半径,而无须腐蚀基片正面有用层,就可以提取各层薄膜的残余应力．模拟及实验证明,这是一种精度较高而且简单易行的薄膜残余应力在线提取方法．     

沉积温度对电子束蒸发HfO2薄膜残余应力的影响

采用电子束蒸发沉积方法在BK7玻璃基底和熔融石英基底上沉积了HfO2薄膜,研究了不同沉积温度下的应力变化规律。利用ZYGO干涉仪测量了基片镀膜前后曲率半径的变化,计算了薄膜应力。结果发现在所考察的实验条件下HfO2薄膜的残余应力均为张应力,应力值随沉积温度的升高先增大后减小。两种基底上薄膜的残余应力的主要产生机制不同。对于BK7玻璃基底HfO2薄膜的残余应力起决定作用的是内应力,熔融石英基底上HfO2薄膜的残余应力在较低沉积温度下制备的薄膜起决定作用的是热应力,在沉积温度进一步升高后内应力开始起决定作用。通过对样品的X射线衍射(XRD)测试,发现在所考察的温度范围内,HfO2薄膜的结构发生了晶态转换,这一结构转变与薄膜残余应力的变化相对应。两种基底上薄膜微结构的演变及基底性能差异是两种基底上薄膜应力不同的主要原因。     

Prestressed Ceramic Coatings for Enhanced Reliability of Silicon Wafer Fracture Strength

The objective of this paper is to investigate thin, solid, prestressed ceramic films as a means of enhancing the reliability of silicon semiconductor wafers stressed in bending. To characterize the effect of thin films on strength, one-micrometer ceramic films were deposited on wafers using plasma-enhanced chemical-vapor deposition. The modulus of rupture (MOR) of the coated wafers was determined from four-point bend testing of coated samples. Adhesion testing of the coated wafers primarily showed cohesive rather than adhesive failure. A series of residual stresses was introduced into the coating-silicon interface and the MOR was determined. The results showed that for a thin brittle coating (1 mum) on a silicon wafer (635 mum), the minimal shear stress at the surface led to dominance of the residual stress over intrinsic coating strength as the critical parameter affecting failure. A correlation between MOR and residual stress was established.     

MIM结构力敏薄膜应变栅的高温稳定性

运用薄膜技术在镍基弹性体上制备金属 -绝缘层 -金属 (MIM)结构的薄膜应变栅 ,测试了应变栅在 2 0 0～ 30 0℃的高温区内的稳定性 ,并分析了应变栅薄膜的结构、薄膜的应力以及热处理工艺等因素对力敏薄膜在高温下的稳定性的影响。     

Design of Strain‐Limiting Substrate Materials for Stretchable and Flexible Electronics

Recently developed classes of electronics for biomedical applications exploit substrates that offer low elastic modulus and high stretchability, to allow intimate, mechanically biocompatible integration with soft biological tissues. A challenge is that such substrates do not generally offer protection of the electronics from high peak strains that can occur upon large‐scale deformation, thereby creating a potential for device failure. The results presented here establish a simple route to compliant substrates with strain‐limiting mechanics based on approaches that complement those of recently described alternatives. Here, a thin film or mesh of a high modulus material transferred onto a prestrained compliant substrate transforms into wrinkled geometry upon release of the prestrain. The structure formed by this process offers a low elastic modulus at small strain due to the small effective stiffness of the wrinkled film or mesh; it has a high tangent modulus (e.g., >1000 times the elastic modulus) at large strain, as the wrinkles disappear and the film/mesh returns to a flat geometry. This bilinear stress–strain behavior has an extremely sharp transition point, defined by the magnitude of the prestrain. A theoretical model yields analytical expressions for the elastic and tangent moduli and the transition strain of the bilinear stress–strain relation, with quantitative correspondence to finite element analysis and experiments.     

激光冲击铜薄膜的应力波传播特性模拟分析

为了研究冲击波的传播特性,采用有限元分析方法模拟不同参量激光冲击铜薄膜的过程,结合应力波理论分析了膜-基系统的动态应力波传播特性。结果表明,激光能量为30mJ时,冲击波为弹性波,薄膜在单次冲击作用下,其内质点速率最大为-0.018mm/s,3次冲击作用下,薄膜内部质点速度与残余应变变化较小;激光能量为120mJ时,冲击波为弹塑性波,3次冲击比单次冲击质点最大速率减小了26.44%,残余应变深度增加了35.48%。这对研究冲击波传播具有指导意义。