一种包衣薄膜与基层之间界面粘附强度的直接测量方法

摘要

本发明公开了一种包衣薄膜与基层之间界面粘附强度的直接测量方法：在膜-基结构的基层上开一个半径为d的小孔，利用十字螺杆推进一个弹性系数为k的弹簧的一端，让弹簧的另一端推进一个加载轴，让加载轴的另一端通过基层上的小孔对包衣薄膜施加荷载，使包衣薄膜脱离基层，并形成一个半径为a、高度为w

说明书

技术领域

本发明涉及包衣薄膜与基层之间界面粘附强度的测量技术。

背景技术

由不同材料构成的薄层结构，即薄膜-基层结构，越来越多地在许多先进技术中得到了 广泛应用。在印刷电路和封装领域中，存在着大量的超薄包衣薄膜-基层结构，薄膜与基层 之间的界面粘附强度决定着膜-基结构的可靠性。通常采用一个称之为“能量释放率”的指 标来评价薄膜与基层之间的界面粘附强度，即单位面积的薄膜脱离基层时所需要的能量(断 裂能，对应于粘附能)。

能量释放率的测量计算，通常采用流体静压鼓泡试验或者轴载鼓泡试验实现：在膜-基 结构的基层上开一个半径为d的小孔，通过小孔对薄层结构加载，从而使包衣薄膜与基层分 离，并形成一个稳定的鼓泡，然后测得这个稳定鼓泡的高度(扰度)w及其对应的荷载F和 鼓泡半径a，然后计算出外力所做的功U_F和储存在包衣薄膜中的弹性应变能U_e。那么，外 力所做的功U_F减去薄膜的弹性应变能U_e则为包衣薄膜脱离基层时所需要的断裂能，单位面 积上的断裂能即为能量释放率G。由于流体静压鼓泡试验难以在试验中控制好压力、鼓泡半 径和鼓泡高度的同时测量工作，从而影响着外力所做的功U_F的精确计算。相比而言，轴载 鼓泡试验更方便于测量工作，因而得以提倡。

然而，无论是流体静压鼓泡试验，还是轴载鼓泡试验，现有测试技术都不可避免地涉及 到外力所做的功U_F和薄膜的弹性应变能U_e这两项计算工作。外力所做的功U_F通常采用跟踪 式同时测量所施加的外力F_i及其对应的鼓泡的高度(扰度)w_i，然后通过矩形法或者梯形法 近似计算积分因而，跟踪式同时测量工作的准确性，影响着U_F的计算精 度，同时还必须加大测量密度，否则将带来近似积分的计算误差；而薄膜弹性应变能U_e的计 算涉及到薄膜结构的力学求解工作，利用薄膜结构的荷载与扰度的解析解，计算出薄膜的弹 性应变能U_e，因而，力学求解工作的准确性影响着U_e的计算精度，通常薄膜问题大多数为 非线性问题，难以精确求解。这样，用于能量释放率测量计算的试验方案确定，既要考虑到 试验中的可操作性，又要兼顾超薄层结构力学响应求解的精确度，这些困难一直困扰着该领 域世界范围内的学者们。

总而言之，现有测试技术在精确计算外力所做的功U_F和薄膜的弹性应变能U_e时，通常 都会遇到一些技术上难以克服的困难，这也是现有测试技术的不足之处。

发明内容

为了克服现有测试技术的不足之处，本发明给出了一种包衣薄膜与基层之间界面粘附强 度的直接测量方法。该方法不需要对外力所做的功U_F和薄膜的弹性应变能U_e进行单独计算 (从而克服了现有测试技术的不足之处)，具有操作简便、测量参数少等优点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：如图1所示，准备一块包衣薄膜-基层结 构的试件(由图1中的“1”和“2”组成)，采用钻或者化学蚀刻的办法，在膜-基结构的基 层上开一个半径为d的小孔，小孔贯穿基层直至包衣薄膜(图1中“1”)与基层(图1中“2”) 的接触界面，这样就制作成了一块试验所需要的待检测样品。采用一个圆柱型的轴杆作为加 载轴(图1中“3”)，加载轴通过基层上的小孔可对粘附在基层上的包衣薄膜施加荷载。选 择一支高质量的弹簧(图1中“4”，弹性系数为k)，采用“十字螺杆推进”(由图1中的“5”、 “6”和“7”组成)的方法，缓慢扭动螺栓的板手(图1中“6”)，使螺栓的螺杆(图1中 “5”)沿着十字方向推进弹簧的一端，让弹簧的另一端推进加载轴，加载轴的另一端则可 以通过基层上的小孔对包衣薄膜施加荷载，从而使包衣薄膜缓慢脱离基层并形成一个鼓泡。 随着螺栓板手的缓慢扭动，鼓泡将会由小变大。设螺栓的螺杆被推进了一段距离L后，可以 获得一个大小适当的鼓泡(即所形成的鼓泡的几何尺寸能够满足测量工作的精度要求)，然 后停止扭动螺栓板手，那么包衣薄膜将会最终形成一个半径为a、高度为w₀的稳定鼓泡。等 鼓泡充分稳定后，准确测量出这个稳定鼓泡的半径a和高度w₀。由图1可以看出，此时弹簧 的实际伸长量为L-w_o，设此时作用在包衣薄膜上的力为F_a，则静力F_a＝k(L-w_o)。研究这 个半径为a的周边夹紧的圆薄膜在静力F_a作用下的平衡问题可知，静力平衡时储存在包衣薄 膜中的弹性应变能应该是U_ef＝F_a·w_o＝k(L-w_o)·w_o，即静力F_a所做的功，被全部转化为了 包衣薄膜中的弹性应变能U_ef。而这一加载过程实际上等效于先将弹簧压缩L，然后再释放 弹簧去对膜-基系统做功，使包衣薄膜形成一个半径为a、高度为w_o的稳定鼓泡，因此被压 缩的弹簧所释放的能量(即弹簧作为外力对膜-基系统所做的功)应该是

$U_F=\frac{1}{2}{\mathrm{kL}}^2-\frac{1}{2}k{(L-w_o)}^2=\mathrm{kL}{w}_o-\frac{1}{2}{\mathrm{kw}}_o^2$

于是，包衣薄膜脱离基层时所需要的能量应该是U_F-U_ef，即外力所做的功U_F减去包衣薄膜 中的弹性应变能U_ef，则为释放在断裂界面上的断裂能。断裂界面的面积应该是S＝π(a-d)²， 因此，能量释放率为G＝(U_F-U_ef)/S，即

$G=\frac{{\mathrm{kw}}_o^2}{2\pi {(a-d)}^2}.$

这样，将鼓泡半径a和高度w₀的测量值代入以上公式中，则可以计算出包衣薄膜与基层之间 的界面粘附强度(即包衣薄膜脱离基层时的能量释放率G)，其中弹簧的弹性系数k和基层 上的小孔半径d作为已知参量，π是圆周率，所有参量皆采用国际单位制。

由以上可以看到，与现有测试技术相比，本发明的有益技术效果是：由于巧妙利用了一 个具有积分特性的元件(弹簧)，实现了对能量的精确“收集”，因而不必对外力所做的功U_F进行单独计算，从而避免了这项测量及计算工作；也不需要对薄膜的弹性应变能U_e进行单独 计算，避免了对薄层结构非线性问题的求解工作；测试工作仅与稳定鼓泡的几何尺寸测量有 关，最大限度地减少了测试误差的产生因素。

附图说明

图1为直接测量包衣薄膜与基层之间界面粘附强度的结构示意图。在图1中，1-膜-基 结构中的包衣薄膜，2-膜-基结构中的基层，3-加载轴，4-弹簧，5-螺栓的螺杆，6-螺 栓的板手，7-螺母，8-钢轨道管，9-支架，10-操作承台。其中，本发明中所谓的“十 字螺杆推进”加载装置由螺栓(5、6)和螺母(7)组成。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的详细说明：

如图1所示，准备一块包衣薄膜-基层结构的试件(由图1中的“1”和“2”组成)，采 用钻或者化学蚀刻的办法，在膜-基结构的基层上开一个半径为d的小孔，小孔贯穿基层直 至包衣薄膜(图1中“1”)与基层(图1中“2”)的接触界面，这样就制作成了一块试验所需 要的“待检测样品”。采用一个圆柱型的轴杆作为加载轴(图1中“3”)，加载轴通过基层上 的小孔可对粘附在基层上的包衣薄膜施加荷载。选择一支高质量的弹簧(图1中“4”，弹性 系数为k)，采用“十字螺杆推进”(由图1中的“5”、“6”和“7”组成)的方法，缓慢扭 动螺栓的板手(图1中“6”)，使螺栓的螺杆(图1中“5”)沿着十字方向推进弹簧的一端， 让弹簧的另一端推进加载轴，加载轴的另一端则可以通过基层上的小孔对包衣薄膜施加荷 载，从而使包衣薄膜缓慢脱离基层形成一个鼓泡。随着螺栓板手的缓慢扭动，鼓泡将会由小 变大。当螺杆被推进了一段距离后，所获得的鼓泡的几何尺寸能够满足测量工作的精度要求 时(即获得一个大小适当的鼓泡时)，则可以停止扭动螺栓的板手。之后，包衣薄膜将会最 终形成一个半径为a、高度为w₀的稳定鼓泡。等鼓泡充分稳定后，准确测量出这个稳定鼓泡 的半径a和高度w₀，并代入公式中，则可以计算出包衣薄膜与基层之间 的界面粘附强度(即包衣薄膜脱离基层时的能量释放率G)。其中，弹簧的弹性系数k和基 层上的小孔半径d作为已知参量，π是圆周率，所有参量皆采用国际单位制。