一种双相材料界面混合断裂测试用夹具

摘要

本发明属于材料检测技术领域，具体为一种双相材料界面混合断裂测试用夹具。该夹具分为上下对称的两部分，各部分分别由拉杆、半圆形板和样品台构成，样品台通过螺栓与半圆形板连接；半圆形板通过插销和与拉杆连接；半圆形板的边缘处对称地开有若干圆孔；上、下拉杆分别与拉力机的上、下施力系统连接固定。本发明的夹具与万能力学拉力试验机配套使用，将有预裂纹的样品固定到夹具上，转动夹具，对样品施加不同角度的拉力；通过力—位移曲线，计算界面裂纹的临界断裂强度。本发明可方便地测定不同拉伸加载角度下，I、II型混合断裂模式的情况，也适用于测定双相材料界面I型断裂的情况。

说明书

技术领域

本发明属于材料检测技术领域，具体涉及一种夹具，用于电子封装中不同材料界面不同模式断裂强度的测试。

背景技术

在集成电路封装的生产、测试工艺的过程中，或封装器件在恶劣环境中工作时，不同材料界面的分层现象经常发生，对于热膨胀系数（CTE）相差较大的两种材料之间的界面，分层现象尤其严重。例如，在塑封器件中，PCB、Si、塑封料、树脂等材料之间热膨胀系数不匹配的情况非常显著，当封装体在湿、热等载荷作用下，在这些材料之间的界面上很容易发生分层断裂，并且分层断裂通常是I、II型混合断裂模式。材料界面间断裂参数可以通过实验进行测定。常用的实验方法有四点弯曲、三点弯曲、楔形插入法、悬臂梁弯曲或Brazil-nut压缩法。上述方法中，界面预裂纹位于样品中部或边缘，测试结果通过理论分析或有限元法计算，以获得断裂参数。然而，对于前述电子封装器件中的界面，材料厚度很薄，并涉及到Si等脆性材料，不适于进行弯曲方式的实验，也不易于制备Brazil-nut压缩法所需的半圆形样品；另一方面，弯曲法、楔形插入法断裂相位角变化范围很小，不能在较大范围内获得断裂能量随断裂相位角变化的规律。为了有效、快速地测量双相材料界面I型或I、II型混合模式断裂参数，需要样品易于制备，具备灵活、准确的加载方式，提高效率。

发明内容

本发明的目的在于针对电子封装器件中不同材料之间的界面，克服现有技术的不足，提供一种能用于定量测试双相材料界面断裂参数的夹具。

本发明提供的双相材料界面混合断裂测试用夹具，分为上下对称的两部分，各部分分别由拉杆、半圆形板和样品台构成，其结构如图1和图2所示。样品台通过螺栓、螺帽、垫圈与半圆形板连接，半圆形板通过插销和螺帽与拉杆连接。所述半圆形板上的边缘处对称地开有若干圆孔；上、下拉杆再分别与拉力机的上、下施力系统连接，并用上下并帽分别固定。

本发明中，为了使拉力方向通过夹具的重心，可在拉杆和样品台之间加入适当厚度的垫片。

本发明中，拉杆由上、下两个圆柱体构成，上部圆柱体中心穿孔，下部圆柱体下端开矩形槽并穿通，侧面穿孔。上下各有1个拉杆。见图3所示。

本发明中，半圆形板正面看来为圆弧状并有一定厚度，正面在边缘处可以对称地开有7个孔，其中，2个孔对应30°，2个孔对应45°，2个孔对应60°，1个孔对应90°，（这些角度均指对应圆孔中心和半圆形板圆心间的连线，与半圆形板的底边构成的圆心角）。半圆形板的底面处开有四个孔（即这些孔在底面均匀分布，且垂直于底面），用于固定样品台。见附图4所示。上下各有1个半圆形板。

本发明中，所述样品台可以由上、下两块长方形块叠合组成。见图5所示。

本发明的夹具与满足精度要求的万能力学拉力试验机配套使用。将含有预裂纹的样品粘接或用机械方法固定在夹具的样品台上，样品台通过螺栓与半圆形板连接并固定，拉力机通过半圆形板上的对称孔用销钉传递拉力，能够实现自对准。若采用不同位置的对称孔施力，样品将沿不同角度受到拉力。由此可对样品沿不同角度加载而无需改变样品安装角度。加载过程中，用电脑记录力—位移曲线，利用界面断裂发生时的临界值计算界面的断裂强度。

本发明具体实施步骤为：

（1）制备含有预裂纹的双相材料界面样品，两种材料均为薄片状；

（2）将样品的上、下表面分别与夹具的样品台粘接或用机械方法（适用于能进行机械加工的样品）固定到夹具的样品台上；

（3）将样品台用螺栓固定到夹具的半圆形板上，选取一个拉伸角度，用销钉穿过相应对称孔与拉力机连接；

（4）由万能力学拉力试验机提供外力，记录力—位移曲线，直至界面裂纹发生扩展导致界面完全断裂；

（5）实验结果分析。

利用断裂力学方法计算界面的断裂参数。由于不同材料间的界面断裂较为复杂，通常采用有限元法计算断裂参数。利用有限元法，按照样品尺寸建立模型，施加测到的临界载荷，计算裂尖能量释放率G，由裂尖区域应力场可计算断裂相位角以及断裂韧度K_I、K_II。

步骤(2) 中，所述的粘接，可以使用502快干胶或504胶；所述的机械方法，可以使用螺丝等方式固定。

步骤(3)中，所述的拉伸角度，可以是30°、45°、60°和90°等（也可在两块半圆形板的其他位置对称开孔，相应地变化拉伸角度）。

本发明设计了适当的测试夹具，所需样品形式统一，可以对样品实现不同角度的轴向拉力，并具有以下优点：样品固定平台便于更换，可同时制备多个样品，提高效率；拉力角度准确，无需转动样品。最后结合计算和测试结果，获得界面混合断裂参数。

附图说明

图1是本发明所用夹具的整体组装示意图（按照90°拉伸角度组装的左视图）。

图2是本发明所用夹具的整体组装示意图（按照90°拉伸角度组装的正视图）。

图3是本发明所用夹具的拉杆部分的三视图。其中，（a）为拉杆的正视图，（b）为拉杆的左视图，（c）为拉杆的俯视图。

图4是本发明所用夹具的半圆形板部分的三视图。其中，（a）为半圆形板的正视图，（b）为半圆形板的左视图，（c）为半圆形板的俯视图。

图5是本发明所用夹具的样品台部分的三视图。其中，（a）为样品台的正视图，（b）为样品台的左视图，（c）为样品台的俯视图。

图6是本发明所用样品的受力示意图（拉伸角度为90°）。

图中标号：1为拉杆，2 为插销，3为螺帽，4为半圆形板，5为样品台，6为螺栓，7为螺帽，8为垫圈，9为垫片，10为并帽。

注：夹具为上下对称的一套，图中只是标注了其中的一半。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明作详细说明。但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

拉杆由上、下两个圆柱体构成，上部圆柱体中心穿孔，下部圆柱体下端开矩形槽并穿通，侧面穿孔，上下各有1个拉杆；插销是直径为8毫米的螺栓，上下各有1根插销；螺帽3为插销专配，每根插销配2个螺帽；半圆形板正面看来为圆弧状并有一定厚度，例如厚度为2—4厘米，半圆形板正面边缘处共开有7个孔，2个孔对应30°，2个孔对应45°，2个孔对应60°，1个孔对应90°。半圆形板底面开四个孔，用于固定样品台，上下各有1个半圆形板；样品台由一大一小两块平台构成，垂直方向共开4个孔，上下各1个样品台；螺栓6是直径为4毫米螺钉，与螺帽7、垫圈8配套使用，用于将样品台固定在半圆形板上，每个样品台需用4个螺栓、4个螺帽和4个垫圈；垫片是为了保证拉力的方向通过夹具的重心；并帽与普通螺帽形状类似，用于将拉杆与拉力机的施力系统连接， 起固定作用，上下各1个。

由于夹具的上下部分是对称的，各个组成部件之间的位置关系由上至下依次为（以夹具的上半部分为例）：拉杆，半圆形板，样品台。

各个组成部件之间的连接关系为：将固定有样品上下样品台用螺栓6、螺帽7、垫圈8分别与上下半圆形板连接，然后用插销和螺帽3分别与上下拉杆连接（为了使拉力方向通过夹具的重心，需在拉杆和样品台之间加入适当厚度的垫片），再分别与拉力机的上下施力系统连接，用上下并帽分别固定。装配各个部件时，必须注意上下部分选取的拉伸角度必须是一一对应的。

如图1-图5所示，本实施例可按照以下步骤进行：

第一步：准备尺寸为60mm×15mm×1.5mm的铜片，在80℃碱液（1L水中加80g磷酸三钠）中搅拌40min，除去铜片表面油污和氧化物。将铜片洗净并烘干，用聚酰亚胺胶带覆盖铜片表面的部分面积以形成预裂纹。铜片放入样品槽，将环氧树脂/固化剂（按环氧树脂:固化剂=1:0.15配制）混合液搅拌均匀直至无气泡出现，然后将液体缓慢倒入样品槽中至一定厚度。将样品在70℃和120℃下分别固化30min。样品冷却后修除环氧毛边，最后用机械方法使覆盖有聚酰亚胺胶带的界面部分形成预裂纹。

第二步：将样品用504胶粘接到样品台上，80℃下固化36h~48h。

第三步：按照图1所示，将上下拉杆1分别与拉力机连接，用并帽10固定；选取对称孔，将半圆形板4通过插销2连接到上下拉杆；再将样品台通过螺栓6、螺帽7、垫圈8与半圆形板4连接。

第四步：由万能力学试验机提供拉力，记录力—位移曲线，直至界面裂纹扩展断裂。

第五步：根据实验结果计算界面断裂参数。按照发明内容步骤（5）中所述的方法计算能量释放率以及其他断裂参数。