電鍍銅薄膜的疲勞斷裂研究

1、電鍍銅薄膜的疲勞斷裂研究1. 引言微電子機(jī)械系統(tǒng)，即MEMS(Micro-electro-mechanical Systems)，是指由關(guān)鍵尺寸在亞微米至亞毫米范圍內(nèi)的電子和機(jī)械元件組成的微器件或系統(tǒng)，它將傳感、處理與執(zhí)行融為一體，以提供一種或多種特定功能。隨著超大規(guī)模集成電路和MEMS技術(shù)的發(fā)展，MEMS器件的市場迅速增長。MEMS的結(jié)構(gòu)材料主要包括硅(單晶硅、多晶硅)、金屬(銅、鎳及其他合金)及高分子材料等等，其微小構(gòu)件的尺寸已明顯向微米、亞微米甚至納米尺度減小。國內(nèi)外試驗(yàn)研究表明，許多材料在微納米狀態(tài)下的失效機(jī)理與宏觀狀態(tài)相比已發(fā)生了本質(zhì)上的改變，如原本屬于脆性材料的硅在微尺度下會(huì)產(chǎn)生疲

2、勞失效現(xiàn)象，金屬微薄膜的疲勞強(qiáng)度與宏觀狀態(tài)相比已發(fā)生了顯著改變。對(duì)于某些依靠固有頻率穩(wěn)定性來工作的MEMS產(chǎn)品(如加速度傳感器、微陀螺儀等)，即使不發(fā)生疲勞斷裂，其疲勞損傷的累積也會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果發(fā)生較大的偏差。MEMS不是傳統(tǒng)機(jī)械的簡單幾何縮小，當(dāng)構(gòu)件細(xì)微到微納米尺寸后，這些材料本身的力學(xué)、物理性質(zhì)有顯著變化，會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈的尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)等。這些研究表明，在宏觀塊體下所測(cè)得的機(jī)械彈性模量、拉伸強(qiáng)度、斷裂韌性及疲勞強(qiáng)度等并不一定適用于MEMS的設(shè)計(jì)。宏觀機(jī)械疲勞已有近百年的研究歷史，其現(xiàn)有的研究理論、方法是否適用于微機(jī)械還有待進(jìn)一步研究。金屬銅在硅集成電路上被廣泛應(yīng)用于金屬布線，在MEMS傳感

3、器和執(zhí)行器中被廣泛應(yīng)用于制作銅微結(jié)構(gòu)。在這些應(yīng)用中，銅微構(gòu)件經(jīng)常承受熱循環(huán)應(yīng)力作用或機(jī)械循環(huán)應(yīng)力作用而發(fā)生疲勞破壞，其疲勞強(qiáng)度已成為制約MEMS器件長期服役可靠性的因素之一，因此近年來成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)問題。研究表明，眾多材料在宏觀機(jī)械領(lǐng)域表現(xiàn)出的性能與在微觀領(lǐng)域有很大不同，宏觀機(jī)械疲勞特性的研究方法是否適用于微尺度機(jī)械疲勞還有待驗(yàn)證。此前已有一些學(xué)者對(duì)不同方法制備的不同尺度的銅薄膜的疲勞特性進(jìn)行了研究，如Zhang等研究了100nm厚有基體支持銅薄膜的疲勞斷裂行為；Maire等測(cè)定了用等通道轉(zhuǎn)角擠壓法制作的銅薄膜的循環(huán)應(yīng)力一應(yīng)變響應(yīng)；Read等開展了用電子束蒸發(fā)工藝制作的銅薄膜拉伸疲勞試驗(yàn)

4、；Merchant等研究了電鍍和軋制銅薄膜的彎曲疲勞特性。但測(cè)試無基體支持的電鍍銅薄膜疲勞特性參數(shù)并進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)，還需進(jìn)一步研究。2. 基本原理(銅材料微構(gòu)件的疲勞特性)2.1 循環(huán)形變行為及疲勞強(qiáng)度Judelewicz等研究了經(jīng)軋制的晶粒尺寸為100、厚度為20150的銅薄膜的疲勞行為。對(duì)于不同應(yīng)力水平來說，在低應(yīng)力與高應(yīng)力時(shí)都呈現(xiàn)硬化現(xiàn)象；用掃描電鏡和透射電鏡發(fā)現(xiàn)，在高周疲勞時(shí)，可以觀察到位錯(cuò)、孿晶、駐留滑移帶等變形結(jié)構(gòu)，在低周疲勞時(shí)，可觀察到準(zhǔn)梯形裂紋結(jié)構(gòu)。另外，其還發(fā)現(xiàn)晶粒的大小并不影響位錯(cuò)的形態(tài)，薄膜的循環(huán)形變與單晶體相似。其又發(fā)現(xiàn)厚度為100的銅薄膜的疲勞壽命比20的疲勞壽命低10

5、30倍，顯示出明顯的疲勞尺寸效應(yīng)。Hong和Weil研究了25厚餓電鍍銅薄膜和33厚的軋制銅薄膜的拉-拉疲勞行為，他們發(fā)現(xiàn)銅薄膜的疲勞強(qiáng)度系數(shù)高于塊體材料的疲勞強(qiáng)度系數(shù)；此外，銅薄膜表現(xiàn)出循環(huán)應(yīng)變硬化行為，原因在于疲勞形變?cè)诓牧现幸肓烁叩奈诲e(cuò)密度和孿晶密度。最近，Schwaiger和Kraft等對(duì)厚度具有微米和亞微米的銀薄膜和銅薄膜的疲勞行為進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，其發(fā)現(xiàn)隨著薄膜厚度的減小，引起疲勞損傷的臨界應(yīng)力幅值將顯著升高，薄膜表現(xiàn)出明顯的疲勞尺寸效應(yīng)。2.2 疲勞裂紋的萌生與擴(kuò)展2.2.1 疲勞裂紋的萌生Judelewicz發(fā)現(xiàn)厚度為100的銅薄膜中仍然出現(xiàn)疲勞擠出，而厚度為20的薄膜中

6、的疲勞擠出只在疲勞壽命末期才出現(xiàn)，表明較薄薄膜中疲勞擠出損傷的出現(xiàn)有被推遲的趨勢(shì)。Hong和Weil發(fā)現(xiàn)厚度為25銅薄膜中疲勞開裂起源于位錯(cuò)的胞墻或?qū)\晶界處。Schwaiger等人通過對(duì)銀薄膜和銅薄膜疲勞損傷行為的研究表明，3.0厚的薄膜表面仍然出現(xiàn)類似于塊體材料的“擠出”損傷，疲勞裂紋萌生于擠出處，如圖2-1所示。圖2-1 不同厚度銅薄膜的微結(jié)構(gòu)損傷圖隨后，Zhang等利用聚焦離子束顯微鏡(FIB)對(duì)不同厚度銅薄膜表面的疲勞擠出進(jìn)行了觀察，并對(duì)疲勞擠出面積與晶體面積比進(jìn)行了定量的測(cè)量，他們發(fā)現(xiàn)銅薄膜疲勞擠出的尺寸(即擠出寬度與高度)隨薄膜厚度的減小而減小。分析認(rèn)為，疲勞擠出尺寸的減小是由于較

7、薄薄膜中的循環(huán)應(yīng)變局部化的傾向減小所致。因此需要更高的外加應(yīng)力引起疲勞破壞，從而解釋了疲勞強(qiáng)度隨薄膜厚度減小而升高的尺寸效應(yīng)。2.2.2 疲勞裂紋的擴(kuò)展Shimizu等用電子散射衍射電鏡觀察了厚度為100軋制回火后銅薄膜疲勞裂紋擴(kuò)展情況，其發(fā)現(xiàn)：如果預(yù)制裂紋與軋制方向相同，那么裂紋沿直線式擴(kuò)展；如果預(yù)制裂紋垂直于軋制方向，那么裂紋擴(kuò)展呈現(xiàn)鋸齒形狀。他們還發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋易在回火孿晶處產(chǎn)生，因?yàn)榛鼗饘\晶與立方體金屬滑移帶在同一平面內(nèi)；薄膜軋制后的各項(xiàng)異性在回火后仍然存在，且回火孿晶邊界大多數(shù)與軋制方向一致。Hadrboletz等在研究厚度為20200的銅薄膜的疲勞裂紋擴(kuò)展行為時(shí)發(fā)現(xiàn)，厚度小于100的

8、銅薄膜疲勞裂紋擴(kuò)展速率隨循環(huán)數(shù)的增加而減小，而厚度大于100的銅薄膜疲勞裂紋擴(kuò)展速率隨循環(huán)數(shù)的增加而增加，如圖2-2。通過建立不同厚度薄膜的裂紋張開柔度與裂紋長度的關(guān)系，可以看出，隨薄膜厚度減小，裂紋張開的柔度隨裂紋長度的增加而減小。經(jīng)分析認(rèn)為，兩者的差別是由于較薄薄膜和較厚薄膜分別收到了平面應(yīng)力和平面應(yīng)變的作用。圖2-2 銅薄膜疲勞裂紋擴(kuò)展行為2.2.3 疲勞損傷的微觀機(jī)制及尺寸效應(yīng) 在塊體金屬材料中，循環(huán)形變行為及疲勞損傷機(jī)制與材料中的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系，疲勞引起的擠出/侵入對(duì)應(yīng)著駐留滑移帶(PSB)的位錯(cuò)墻結(jié)構(gòu)，而疲勞裂紋往往萌生于PSB或者是PSB撞擊的晶界處。由于薄膜材料的厚度均

9、在微米至亞微米范圍，材料中的位錯(cuò)行為將仍然對(duì)疲勞行為起重要作用。Hofbeck等認(rèn)為，所觀察到的細(xì)銅絲中缺少疲勞擠出特征是由于滑移的位錯(cuò)受到表面像力的作用和相互湮滅的影響。Judelewicz等發(fā)現(xiàn)，較薄薄膜不容易萌生裂紋是由于其幾乎沒有疲勞“擠出”損傷和因較短位錯(cuò)滑移距離及像力的作用導(dǎo)致位錯(cuò)數(shù)量的減少。在上述這些研究中，晶粒尺寸均在幾十個(gè)微米。Hong和Weil認(rèn)為，在晶粒尺寸大于2的銅薄膜中，循環(huán)應(yīng)變硬化來源于位錯(cuò)纏結(jié)和位錯(cuò)胞墻結(jié)構(gòu)的形成。Read研究了電子束蒸發(fā)的晶粒尺寸為0.98，厚度為 1.1銅薄膜的疲勞行為，發(fā)現(xiàn)薄膜表面沒有疲勞臺(tái)階和位錯(cuò)胞結(jié)構(gòu)。這些前期工作初步表明，材料疲勞行為的

10、尺寸效應(yīng)不僅與材料外部幾何尺寸有關(guān)，也與內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)尺寸，如晶粒大小有關(guān)，但沒有系統(tǒng)地針對(duì)不同厚度的薄膜及各種尺寸的晶粒進(jìn)行位錯(cuò)結(jié)構(gòu)研究。最近，Zhang等對(duì)經(jīng)疲勞變形的厚度為 3.00.4的銅薄膜進(jìn)行了較為系統(tǒng)的電鏡觀察。他們發(fā)現(xiàn)，只有薄膜厚度或晶粒尺寸都大于3.0時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)像塊體材料中的典型位錯(cuò)胞、墻。而隨著薄膜厚度或晶粒尺寸的減小，位錯(cuò)結(jié)構(gòu)變成松散的纏結(jié)組態(tài)；當(dāng)薄膜厚度或晶粒尺寸小于1.0時(shí)，只有單根位錯(cuò)存在。他們還觀察到，在厚度為3.0的薄膜中疲勞擠出處有位錯(cuò)墻結(jié)構(gòu)，而較薄薄膜中的疲勞擠出處只有單根位錯(cuò)存在，說明疲勞損傷和材料內(nèi)部的位錯(cuò)行為有關(guān)。這些位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的觀察結(jié)果清楚地表明了無論

11、是材料的幾何尺度或是微觀結(jié)構(gòu)尺度都控制了疲勞位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的形成。由于薄膜中的位錯(cuò)可動(dòng)性降低，同時(shí)較薄薄膜內(nèi)的位錯(cuò)源相對(duì)較少，從而導(dǎo)致了位錯(cuò)不能夠像塊體材料那樣進(jìn)行充分的交互作用，如位錯(cuò)偶極子的相互捕獲，湮滅等，故位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的形成受到了抑制?？梢?，“材料尺度越小，疲勞強(qiáng)度越高”的疲勞尺寸效應(yīng)，是由于材料尺度對(duì)位錯(cuò)結(jié)構(gòu)形成的強(qiáng)烈約束，導(dǎo)致材料只有靠少量單根位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)來累積循環(huán)塑性應(yīng)變，從而導(dǎo)致疲勞形變局部化的損傷行為受到抑制。3. 銅薄膜缺口件疲勞的研究現(xiàn)狀目前關(guān)于缺口件電鍍銅薄膜疲勞研究的文獻(xiàn)仍很少，此前學(xué)者主要對(duì)光滑件銅薄膜作出了一些研究，一部分為關(guān)于銅薄膜的常規(guī)機(jī)械性能，例如屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、塑

12、性指數(shù)的研究；一部分為光滑件電鍍銅薄膜的疲勞性能及影響因素，例如軋制銅薄膜與電鍍銅薄膜的疲勞性能，不同晶粒尺寸銅薄膜疲勞性能，銅薄膜低周疲勞性能與高周疲勞性能等。但對(duì)于缺口件電鍍銅薄膜的疲勞性能及其影響因素方面鮮有研究。因此，研究銅薄膜缺口件的疲勞斷裂特性及其影響因素對(duì)提高M(jìn)EMS器件的可靠性具有重要的理論和實(shí)際意義。4. 電鍍銅薄膜疲勞的研究內(nèi)容及科學(xué)問題(1) 查閱文獻(xiàn)，結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)研究成果和經(jīng)驗(yàn)，在現(xiàn)有的條件下設(shè)計(jì)出合理的電鍍銅薄膜疲勞試樣。(2) 設(shè)計(jì)、繪制以及加工制造出電鍍銅薄膜光刻掩膜板，并利用準(zhǔn)LIGA技術(shù)制作電鍍銅薄膜。(3) 利用微機(jī)械疲勞試驗(yàn)機(jī)對(duì)電鍍銅薄膜進(jìn)行疲勞加載試驗(yàn)

13、，并在試驗(yàn)過程中進(jìn)行疲勞試驗(yàn)現(xiàn)象觀察，且用掃描電鏡對(duì)斷裂面進(jìn)行觀察和分析。(4) 建立有限元模型，對(duì)缺口件電鍍銅薄膜進(jìn)行塑性有限元分析。(5) 利用試驗(yàn)結(jié)果以及有限元計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)電鍍銅薄膜的壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。5. 電鍍銅薄膜疲勞研究的試驗(yàn)方法5.1 基于準(zhǔn)LIGA技術(shù)的電鍍銅薄膜試件制作LIGA工藝（光刻、電鑄、注塑）是微機(jī)械加工中最重要的工藝之一，在微機(jī)械特別是高深寬比微構(gòu)造的制作上占有很重要的地位。LIGA技術(shù)具有許多優(yōu)點(diǎn),如加工精細(xì)(最小橫向尺寸可達(dá)1),精密度高(誤差小于0.2),可獲得很大的深度比(深度/寬度>50),結(jié)構(gòu)高度最大可達(dá)500,可制作任意形狀的二維平面結(jié)構(gòu)等等。但其掩模

14、版制作困難，需要用高能量X射線源同步回旋加速器，這一昂貴的設(shè)施和復(fù)雜的掩膜制造工藝限制了它的廣泛應(yīng)用。準(zhǔn)LIGA工藝過程除了所用光刻光源和掩膜外，與LIGA工藝基本相同。準(zhǔn)LIGA技術(shù)可滿足微系統(tǒng)對(duì)加工精度、集成度以及成本的要求，豐富并充實(shí)了MEMS技術(shù)，當(dāng)對(duì)微結(jié)構(gòu)側(cè)壁的垂直度要求不是很高時(shí),它可取代LIGA技術(shù)。以前采用表面微機(jī)械加工技術(shù)制作的微結(jié)構(gòu)，也大多可用準(zhǔn)L IGA技術(shù)制作而成。5.1.1 準(zhǔn)LIGA技術(shù)介紹準(zhǔn)LIGA技術(shù)是利用常規(guī)光刻機(jī)上的深紫外光對(duì)厚膠或光敏聚酰亞胺光刻，形成電鑄模，結(jié)合電鍍、化學(xué)鍍或犧牲層技術(shù)，由此獲得固定的或可轉(zhuǎn)動(dòng)的金屬微結(jié)構(gòu)。準(zhǔn)LIGA技術(shù)典型的光刻工藝流程

15、為：涂膠和前烘曝光顯影和堅(jiān)膜服飾去膠。涂膠是在光刻硅片表面敷上一層光刻膠膜，其要求是粘附良好、均勻、厚薄適當(dāng)。前烘的目的是使膠膜體內(nèi)溶劑充分地?fù)]發(fā)，使膠膜干燥，以增加膠膜與結(jié)構(gòu)層的粘附性和膠膜的耐磨性；同時(shí)，只有光刻膠干燥，曝光時(shí)才能充分進(jìn)行光化學(xué)反應(yīng)。曝光是指采用盡量平行的光束垂直照射到硅片上，使膠膜沒被掩膜版擋住的部分在光線的照射下發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)。顯影是把曝光后的基片放在顯影液里，將應(yīng)除去的光刻膠膜溶劑干凈，以獲得所需要的抗蝕劑的圖形。堅(jiān)膜就是在一定的溫度下，將顯影后的片子進(jìn)行烘烤，除去顯影時(shí)膠膜所吸收的顯影液和殘留水分，改善膠膜與基片間的粘附性，增加膠膜的抗蝕能力，以及消除顯影時(shí)所引起的

16、圖形變形。腐蝕就是用適當(dāng)?shù)母g劑，對(duì)未被膠膜覆蓋的結(jié)構(gòu)層進(jìn)行腐蝕，按照光刻膠上已顯出來的圖形，完整、清晰、準(zhǔn)確地腐蝕，供選擇性擴(kuò)散或達(dá)到金屬布線的目的。去膠就是在結(jié)構(gòu)層的圖形做出來后，把起保護(hù)作用的膠除凈。在硅片上刻出所需試件圖形后，將硅片置入電鍍液中，并與純銅板連接成電流回路，此時(shí)通入適當(dāng)?shù)碾娏?，并攪拌電鍍液，硅片上刻蝕出的圖形部分將逐漸淀積純銅。5.1.2 銅薄膜試件制作工藝流程試驗(yàn)用銅薄膜試件制作的工藝流程為：1. 采用標(biāo)準(zhǔn)RCA工藝清洗硅片，去除硅片表面雜質(zhì)及損傷；2. 在單管氧化爐中將硅片表面進(jìn)行氧化，生成約0.5nm厚的氧化層，生成SiO2絕緣層；3. 在氧化層上旋涂聚酰亞胺，在1

17、50下烘烤五分鐘，形成犧牲層；4. 在聚酰亞胺層上分別濺射Cu種子層，為電鍍做準(zhǔn)備，使Cu生長在種子層；然后繼續(xù)在Cu種子層上濺射Cr層，是為了防止顯影液溶解Cu種子層；5. 進(jìn)行甩光刻膠，110烘烤1分鐘，為光刻做準(zhǔn)備；隨后曝光、顯影、110固膠5分鐘，將掩膜板上的圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠上，形成一個(gè)凹槽；6. 用刻鉻鹽酸甘油去掉鉻層，露出種子層；然后進(jìn)行電鍍，設(shè)置電流大小，控制電鍍?cè)嚰?，并不停攪拌，使Cu在種子層上按照?qǐng)D形均勻生長；最后溶解犧牲層聚酰亞胺釋放出銅薄膜試件，得到無基本支持的銅薄膜試件。需要注意的是，制作出試件后，應(yīng)盡快開展疲勞試驗(yàn)，否則銅薄膜表面將會(huì)很容易被空氣氧化，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。5

18、.2 MEMS疲勞試驗(yàn)方法微機(jī)械疲勞試驗(yàn)由于其試件尺度很小，因此在試件制作、試驗(yàn)夾持及測(cè)量精度等方面增加了試驗(yàn)難度。綜合國內(nèi)外的研究成果，可以將MEMS疲勞試驗(yàn)方法總結(jié)如表5-1：表5-1 MEMS疲勞試驗(yàn)方法分 類片上測(cè)試片外測(cè)試原 理靜電諧振電磁驅(qū)動(dòng)壓電激勵(lì)超聲激勵(lì)適用材料硅硅、金屬、高分子特 點(diǎn)利用MEMS工藝制造集驅(qū)動(dòng)、檢測(cè)為一體的性能測(cè)試系統(tǒng)，直接在芯片上進(jìn)行測(cè)試，能實(shí)現(xiàn)對(duì)MEMS器件機(jī)械性能的在線檢測(cè)，無需裝卡、對(duì)中，加載頻率高，但試件制作工藝復(fù)雜、成本高利用MEMS工藝制造試件，制造工藝相對(duì)簡單，加載方式穩(wěn)定可靠，試驗(yàn)中的各種參量易于記錄，但需要復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)、檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)，且試件裝

19、卡、對(duì)中難度較大。5.2.1 靜電諧振法 諧振疲勞試驗(yàn)裝置是利用對(duì)試樣施加與其固有頻率相當(dāng)?shù)闹芷谛则?qū)動(dòng)力，使結(jié)構(gòu)發(fā)生共振而產(chǎn)生周期性的應(yīng)力與應(yīng)變，以達(dá)到疲勞試驗(yàn)的效果。試驗(yàn)加載方式與MEMS構(gòu)件的實(shí)際受力環(huán)境較為接近，因此試驗(yàn)結(jié)果更接近真實(shí)情況?；谑釥铗?qū)動(dòng)器的諧振疲勞試驗(yàn)裝置采用靜電驅(qū)動(dòng)原理，其中最主要的部件就是如梳齒一樣相互交錯(cuò)的靜電力驅(qū)動(dòng)器，在梳齒的兩邊施加一固定頻率的交流電壓，從而產(chǎn)生交變靜電力，驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)發(fā)生振動(dòng)，造成對(duì)試樣的循環(huán)加載。圖5-1基于梳狀驅(qū)動(dòng)器的諧振疲勞試驗(yàn)裝置 基于梳狀驅(qū)動(dòng)器靜電力驅(qū)動(dòng)的硅微薄膜諧振疲勞試驗(yàn)裝置如5-1左圖所示，其中A、C為兩組相互交錯(cuò)的梳齒，A為驅(qū)動(dòng)器

20、，C為電容式位移傳感器，B為共振塊，D為試樣，右圖為試樣的放大圖。試樣中的缺口是為了引入應(yīng)力集中系數(shù)，增大試驗(yàn)的應(yīng)力水平。 驅(qū)動(dòng)器A靠近外沿的梳齒接正弦電壓，與振動(dòng)塊B相連的梳齒接地，這樣便會(huì)使兩者之間產(chǎn)生周期性的靜電力，從而導(dǎo)致懸置的振動(dòng)塊B發(fā)生共振而帶動(dòng)試樣D作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，試樣除了受循環(huán)變化的彎曲力和剪切力外還受到循環(huán)變化的離心力，該離心力是由于振動(dòng)塊在振動(dòng)過程中角速度的變化而導(dǎo)致的。位移傳感器C靠近外沿的梳齒接恒定電壓，共振塊的振動(dòng)將會(huì)造成梳齒間電容的變化，根據(jù)電容的變化便能夠測(cè)得共振塊的振動(dòng)幅度。試樣所受的應(yīng)力可以根據(jù)振動(dòng)塊的振動(dòng)幅度由有限元分析算出。5.2.2 電磁驅(qū)動(dòng)法圖5-2 電磁

21、驅(qū)動(dòng)原理電磁驅(qū)動(dòng)是一種較為理想的驅(qū)動(dòng)方式，它具有很好的線性、低滯后性、無摩擦，能直接進(jìn)行精確控制等特點(diǎn);運(yùn)動(dòng)的磁鐵或線圈相對(duì)于結(jié)構(gòu)具有很小的慣性，在磁力作用下能實(shí)現(xiàn)沿軸向自動(dòng)對(duì)中，從而消除橫向力，同時(shí)也能降低振動(dòng)。在得到電磁力與電流的線性關(guān)系后，可通過施加交變電流以控制載荷的大小，從而克服微拉伸裝置中微小力的測(cè)量困難，其原理圖如圖5-2。 Ando等人采用的裝置如圖5-3(a)所示，主要由載荷傳感器、真空臺(tái)、試樣芯片、頂針及位移傳感器組成。試樣芯片如圖5-3(b)所示，包含外框架、加載梁、扭轉(zhuǎn)塊和試樣四個(gè)部分，其中試樣的放大圖如圖5-3(c)所示。(a)(b)(c)圖5-3 Ando采用的疲勞

22、拉伸裝置試驗(yàn)過程中對(duì)頂針加載點(diǎn)進(jìn)行位移和力的跟蹤測(cè)量，再利用平衡原理可求得試樣所受的應(yīng)力和應(yīng)變。采用控制應(yīng)變方式，加載頻率為10Hz，載荷比為0.1，在不同的應(yīng)變水平下對(duì)不同晶向的單晶硅進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)。5.2.3 壓電激勵(lì)法目前，適用壓電式激勵(lì)器作為驅(qū)動(dòng)方式的較多，主要用計(jì)算機(jī)編程控制壓電單元釋放位移，從而帶動(dòng)夾頭提供驅(qū)動(dòng)力，但壓電單元中存在蠕變、滯后和非線性等問題，至今未能很好解決。Allameh采用的拉伸疲勞試驗(yàn)裝置見圖5-4，主要由壓電驅(qū)動(dòng)器、載荷傳感器、試樣、旋轉(zhuǎn)/平移臺(tái)和攝像機(jī)組成。試驗(yàn)中通過對(duì)壓電驅(qū)動(dòng)器施加固定頻率的交流電壓，由于壓電效應(yīng)，便可對(duì)試樣產(chǎn)生循環(huán)變化的拉伸力以達(dá)到疲勞試

23、驗(yàn)的效果。試驗(yàn)所采用的載荷比為R=0.1，加載頻率為10Hz。圖5-4 Allamaeh采用的拉伸疲勞試驗(yàn)裝置圖5.2.4 超聲激勵(lì)法 超聲激勵(lì)是利用超聲波振動(dòng)，使滑塊產(chǎn)生往復(fù)位移，從而對(duì)試件產(chǎn)生循環(huán)拉壓作用。Cho采用的拉伸疲勞試驗(yàn)裝置由超聲波驅(qū)動(dòng)，主要由揚(yáng)聲器、直線滑塊、試樣、夾具和力傳感器組成。試驗(yàn)通過揚(yáng)聲器發(fā)出一定頻率的聲波，導(dǎo)致滑動(dòng)塊的振動(dòng)從而形成對(duì)試樣的循環(huán)加載，加載頻率為200Hz，載荷比為0.1。與壓電驅(qū)動(dòng)器相比，這種方法能夠獲得更高的振動(dòng)頻率。圖5-5 Cho采用的拉伸疲勞試驗(yàn)裝置5.2.5 納米壓痕法 目前對(duì)材料在納米尺度下疲勞特性的研究相對(duì)較少，采用的方法主要是納米壓痕法

24、，該方法的基本原理如圖5-6所示。納米壓頭對(duì)固定梁的中點(diǎn)施加循環(huán)載荷(其中為平均壓力，為壓力幅)，因?yàn)槠趽p傷的累積會(huì)導(dǎo)致試樣剛度的下降，因此在試驗(yàn)過程中通過對(duì)接觸剛度的連續(xù)觀測(cè)可以得知試件的疲勞損傷情況，從而能夠間接對(duì)納米梁的疲勞特性進(jìn)行研究。圖5-6 納米壓痕法原理圖5.3 疲勞壽命預(yù)測(cè)方法目前對(duì)于宏觀疲勞壽命研究已經(jīng)有較為成熟的研究方法，如名義應(yīng)力法，局部應(yīng)力應(yīng)變法等，但對(duì)于微機(jī)械疲勞壽命研究，其研究并不多見。5.3.1 名義應(yīng)力法前人已對(duì)名義應(yīng)立法進(jìn)行了大量的研究，積累了許多寶貴的資料和經(jīng)驗(yàn)。在應(yīng)力水平較低，載荷比較穩(wěn)定的情況下，名義應(yīng)力法仍是目前工程中廣為應(yīng)用的一種壽命估算方法。其根

25、據(jù)S-N曲線，應(yīng)用線性疲勞累積損傷理論(Miner定律)進(jìn)行壽命估算。此方法以外部名義應(yīng)力作為損傷控制參量。其壽命預(yù)測(cè)步驟為：(1) 求名義應(yīng)力譜；(2) 計(jì)算結(jié)構(gòu)缺口的應(yīng)力集中系數(shù)和其他影響因素的系數(shù)；(3) 利用S-N曲線應(yīng)用插值方法確定所求的應(yīng)力集中系數(shù)和應(yīng)力水平下破壞壽命值。該方法優(yōu)點(diǎn)是：構(gòu)件的名義應(yīng)力很容易根據(jù)外載計(jì)算或者實(shí)際測(cè)量得到。但這種方法也有很大的不足之處：疲勞破壞總是從結(jié)構(gòu)上具有應(yīng)力集中的部位開始，但是名義應(yīng)力不能夠代表應(yīng)力集中部位的真實(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變狀況，也不能正確的考慮應(yīng)力次序和各級(jí)載荷之間的相互作用，因此它不能反映出疲勞破壞的本質(zhì)。5.3.2 局部應(yīng)力應(yīng)變法局部應(yīng)力應(yīng)變

26、法是目前預(yù)測(cè)疲勞壽命的一種主要方法，這種方法綜合了五十年代以來疲勞強(qiáng)度研究中各方面成果，特別是材料循環(huán)特性的研究，采用了現(xiàn)代的試驗(yàn)方法和分析技術(shù)，建立了一套估算裂紋形成壽命的方法，得到了廣泛的應(yīng)用。其基本思想是，認(rèn)為零件和構(gòu)件的整體疲勞性能取決于最危險(xiǎn)區(qū)域的局部應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)。局部應(yīng)力-應(yīng)變法認(rèn)為循環(huán)塑性變形是造成疲勞損傷的根本原因。其與名義應(yīng)力法相比，在描述材料的疲勞性能時(shí)，用關(guān)系代替了曲線，用循環(huán)的代替了單調(diào)的曲線；采用彈塑性有限元分析或試驗(yàn)力學(xué)分析方法求解局部屈服狀態(tài)下的應(yīng)力-應(yīng)變。其估算疲勞形成裂紋形成壽命的具體步驟如下：(1) 首先確定材料的疲勞性能參數(shù)()和缺口幾何參數(shù)(或)；(2

27、) 根據(jù)名義應(yīng)力、應(yīng)變和局部應(yīng)力、應(yīng)變轉(zhuǎn)換關(guān)系求解缺口根部的局部應(yīng)力、應(yīng)變；(3) 根據(jù)選定的損傷壽命公式進(jìn)行損傷計(jì)算及壽命預(yù)測(cè)。上述局部應(yīng)力應(yīng)變法中的每一個(gè)主要步驟，在具體應(yīng)用時(shí)都有多種處理方法，由于采用的方法不同，壽命計(jì)算結(jié)果可能也會(huì)不一樣。5.3.2.1 缺口處局部應(yīng)力和應(yīng)變的確定 目前，在局部應(yīng)力應(yīng)變法中，一般采用以下幾種方法來確定局部應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系：(1) 采用試驗(yàn)方法確定缺口根部的局部應(yīng)力-應(yīng)變值。確定缺口局部應(yīng)力-應(yīng)變的試驗(yàn)分析方法有很多，如電測(cè)法、云紋法、光彈法、散斑法等。工程上使用較多的是電測(cè)法和云紋法。試驗(yàn)方法直觀準(zhǔn)確，但試驗(yàn)繁瑣，往往由于實(shí)際條件的限制，不便于采用此種方法

28、。(2) 用近似計(jì)算法確定局部應(yīng)力-應(yīng)變值。工程上可采用簡單實(shí)用的近似計(jì)算方法，如Molski等效能量法、諾伯法和修正諾伯法等。該方法的缺點(diǎn)是計(jì)算出的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)不夠精確。(3) 采用彈塑性有限元法計(jì)算局部應(yīng)力-應(yīng)變值。目前計(jì)算機(jī)運(yùn)算功能十分強(qiáng)大，在處理實(shí)際問題時(shí)極大地方便了研究工作者開展研究。目前較為通用的有限元軟件有ANSYS等，有限元法模擬的精度很高。5.3.2.2 損傷計(jì)算及壽命預(yù)測(cè)目前，在局部應(yīng)力應(yīng)變法壽命估算中許多損傷公式都是以Manson-Coffin公式為理論演化的，其中應(yīng)用較廣的損傷公式有：(1) Dowling損傷公式Dowling等人認(rèn)為以轉(zhuǎn)換壽命(曲線中彈性線與塑性線的

29、交點(diǎn))為界。當(dāng)時(shí)塑性應(yīng)變分量占優(yōu)勢(shì)，平均應(yīng)力影響可以忽略不計(jì)。塑性應(yīng)變幅值循環(huán)一周造成的損傷為： (5-1) 當(dāng)時(shí)彈性應(yīng)變量占優(yōu)勢(shì)，彈性應(yīng)變幅值循環(huán)一周造成的損傷為：(5-2)考慮平均應(yīng)力影響時(shí)，(5-3)(2) Landgraf損傷公式Landgraf選擇塑性應(yīng)變幅值與彈性應(yīng)變幅值之比作為計(jì)算損傷的參數(shù)：(5-4) (3) Smith-Watson (SWT) 損傷公式 Smith等人選擇作為損傷計(jì)算的參數(shù)，由于最大應(yīng)力在對(duì)稱循環(huán)中等于應(yīng)力幅，所以，。結(jié)合Manson-Coffin公式，得到：(5-5)5.4 銅薄膜缺口件有限元分析傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析方法已經(jīng)不能滿足設(shè)計(jì)的需求，因而工程設(shè)計(jì)中出現(xiàn)

30、了有限單元分析法。有限元的核心思想是結(jié)構(gòu)的離散化，就是將實(shí)際結(jié)構(gòu)離散為有限個(gè)單元通過有限個(gè)節(jié)點(diǎn)按一定次序連接在一起并在一定邊界條件下求解的集合體。有限元不僅計(jì)算精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀。通過有限元分析，可發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)階段潛在的問題，增加可靠性;可模擬試驗(yàn)方案，減少試驗(yàn)次數(shù)，從而減少試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)；降低原材料成本;縮短產(chǎn)品投向市場的時(shí)間。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及和計(jì)算速度的不斷提高，有限元分析在工程設(shè)計(jì)和分析中得到了越來越廣泛的重視，已經(jīng)成為解決復(fù)雜工程分析問題的有效途徑。5.4.1 有限元數(shù)值分析基本假設(shè) 材料非線性分析與線形分析相比，最明顯的不同體現(xiàn)在材料屬性的定義上。在材料非線性問題的建模過程中，定義材料屬性時(shí)必須將非線性這一特性恰當(dāng)?shù)乇硎境鰜?。在ANSYS程序里面，提供了多種塑性材料選項(xiàng)，在此主要介紹四種最常用的材料選項(xiàng)，可以通過激活一個(gè)數(shù)據(jù)表來選擇這些選項(xiàng)。經(jīng)典雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化 (BKIN)：使用一個(gè)雙線性來表示應(yīng)力應(yīng)變曲線，有兩個(gè)斜率，分別是彈性斜率和塑性斜率，由于隨動(dòng)強(qiáng)化的Von Mises屈服準(zhǔn)則被使用，所以包含有包辛格效應(yīng)，此選項(xiàng)適用于初始為各向同性材料的小應(yīng)變問題(如大多數(shù)金屬)。雙線性等向強(qiáng)化(BISO)：使用雙線性來表示應(yīng)力-應(yīng)變曲線，適用于初始各向同性材料的大變形問題。多線性隨動(dòng)強(qiáng)化(M