电镀铜薄膜缺口件疲劳断裂特性与寿命预测研究

摘要

本文根据准LIGA工艺的要点以及铜薄膜的制作工艺流程,设计并制作了厚11.5μm试验用无基体支持的电镀铜薄膜光滑试件与缺口试件,并对其进行单向拉伸疲劳试验；同时,建立相应缺口薄膜试样的有限元模型,分析了缺口根部应力应变状态,并利用Neuber方法进行了验证。基于断口分析及有限元分析结果,测定了缺口薄膜试样的断裂部位。最后,根据断裂部位局部应力应变,利用Dowling损伤理论预测了缺口件疲劳寿命,取得了较好的效果。 首先,采用准LIGA工艺制作电镀铜薄膜,并在岛津MMT-11N微机械疲劳试验机上进行拉拉疲劳试验,得到了光滑件与缺口件的S-N曲线、循环应力应变曲线等疲劳特性。采用三维视频显微镜发现多数缺口件断裂发生在缺口根部。此外,利用扫描电镜观察疲劳断口,试件断裂方式以沿晶断裂为主。 然后,建立缺口薄膜试样的有限元模型,对铜薄膜缺口根部进行了弹塑性有限元分析,并用Neuber方法间接验证有限元加载模型的选择、建立及分析是合理可行的。基于有限元分析发现,铜薄膜缺口件的危险区域在缺口根部,连接危险区域边界点与缺口曲率中心的边界线,与缺口Y向对称轴线的夹角约成±14.2°范围内,与试样疲劳试验的断裂情况基本相符。 最后,利用损伤理论对缺口件寿命进行预测,结果发现考虑弹性变形的损伤理论预测效果较好。另外发现应力大小对铜薄膜的疲劳性能影响较大,考虑平均应力的影响,将使预测寿命减小；基于缺口断裂部位的应力应变关系,利用Dowling损伤理论进行寿命预测,预测结果分布在2倍误差因子线两侧以内,预测效果较好。

目录

文摘

英文文摘

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2铜薄膜疲劳研究的概述

1.2.1疲劳试验方法

1.2.2循环形变行为及疲劳强度

1.2.3疲劳裂纹的萌生及扩展行为

1.2.4疲劳损伤的微观机制及尺寸效应

1.3铜薄膜缺口件疲劳的研究现状

1.4本论文所要研究的内容

第2章基于准LIGA技术的电镀铜薄膜试件制作

2.1 引言

2.2准LIGA工艺

2.2.1光刻

2.2.2 电铸

2.3铜薄膜掩模板制作

2.3.1版图设计

2.3.2版图制作

2.4电镀铜薄膜试样制作

2.4.1制作工艺流程

2.4.2制作试样实图

2.5本章小结

第3章 电镀铜薄膜疲劳试验

3.1 引言

3.2 式验设备

3.2.1疲劳试验机

3.2.2三维视频显微镜

3.2.3夹具改进设计

3.2.4试验机位移标定

3.3疲劳试验加载条件设置

3.3.1试样装夹

3.3.2加载频率的选择

3.3.3循环波形的选择

3.3.4应力量的选择

3.3.5试验过程中数据的采集

3.4静力拉伸试验

3.5拉拉疲劳试验

3.5.1 试验结果

3.5.2循环应力-应变行为

3.5.3循环应力-应变曲线测定

3.5.4试验观察及断口电镜扫描

3.6本章小结

第4章铜薄膜缺口件有限元分析

4.1 引言

4.2有限元理论介绍

4.3分析软件ANSYS介绍

4.4 电镀铜薄膜试样缺口根部有限元分析

4.4.1 有限元数值分析基本假设

4.4.2有限元网格划分

4.4.3加载方式及加载步骤的设置

4.5有限元计算验证及结果分析

4.5.1有限元计算验证

4.5.2有限元结果分析

4.6本章小结

第5章 电镀铜薄膜寿命预测

5.1 引言

5.2疲劳寿命预测方法

5.2.1 名义应力法

5.2.2局部应力应变法

5.3损伤累积和寿命预测

5.3.1 三种损伤估算及寿命预测对比

5.3.2应力大小的影响

5.3.3 平均应力的影响

5.4本章小结

结论

参考文献

攻读工学硕士学位期间发表的学术论文

致谢