PCB化学镀铜界面失效微观形态研究

化学镀铜和电镀铜是印制电路板(PCB)孔金属化的关键制程,盲孔底部和通孔的内层互连结构均存在电镀铜-化铜-基铜三者的结合界面,化铜镀层质量是界面结合强度的关键影响因素。结合化铜层微空洞、盲孔底部和内层互连界面失效的典型微观形貌,分析了孔金属化制程因素对化铜镀层质量和界面结合强度的影响,为PCB化学镀铜的生产质量管控、界面结合强度改善和产品可靠性提升提供参考。

双层氧化物生长下热障涂层的界面失效与应力演化

在长时高温服役环境下,热障涂层(TBCs)会在内部的陶瓷层(TC)和粘结层(BC)之间生成由Al_(2)O_(3)层和混合性氧化物层(MO)组成的双层热生长氧化物(TGO)。其中,后期生成的MO由于其疏松多孔、脆性大等特点,极易造成涂层内微裂纹的形成和扩展,导致涂层的过早剥落。因此,依据双层TGO生长的扩散—氧化模型,在考虑材料非线性变形行为的基础上,运用生死单元法模拟TBCs内双层TGO异向生长下涂层界面的失效与应力演化过程。结果表明:MO的生长会大幅提升涂层界面的拉伸应力水平,易导致MO/TC界面在高温阶段波峰区域和冷却阶段斜坡中心区域发生破坏及失效;MO/TC界面的失效会引起BC层波峰处更高的拉伸应力,促进冷却阶段Al_(2)O_(3)/BC界面从波峰向波谷的破坏;MO/TC界面失效后,h_(Al_(2)O_(3))/h_(MO)的增加会加速Al_(2)O_(3)/BC界面的破坏。

基于异质集成封装键合界面失效行为的研究

本文针对异质集成扇出封装低剖面结构引入的热界面材料与金属材料界面键合可靠性问题,研究了AuSn20合金和纳米烧结银作为异质扇出封装结构中的热界面材料在温度循环条件下的仿真与实测对比分析。仿真结果表明,相同条件下纳米烧结银的塑性应变能是AuSn20合金的近百倍,且其累积塑性应变达到AuSn20合金的一万倍以上。实测显示,在热循环实验后,AuSn20合金的键合层易出现剪切裂纹,纳米烧结银层更易出现分层裂纹的失效模式。相同条件下纳米烧结银的疲劳寿命高于金锡合金。研究发现,纳米烧结银具有改善封装结构可靠性的潜力。

HR3C/T91异种耐热钢焊接接头的力学性能及界面蠕变失效行为研究

针对新型奥氏体不锈钢HR3C与细晶粒强韧马氏体耐热钢T91异种钢焊接接头,采用手工氩弧焊接工艺、高温加速模拟、高温持久和常温力学性能试验研究HR3C与T91异种钢焊接接头的力学性能变化、高温强度、界面蠕变损伤及破坏特征。研究结果表明,焊前预热448 K,焊后不进行热处理条件下,接头的力学性能优异。加速模拟运行3 004 h后,接头的力学性能仍然良好。而加速模拟运行5 012 h后,HR3C/T91界面发生了蠕变失效,蠕变裂纹在管接头内表面焊缝/T91界面形核、扩展,然后在管接头外表面T91的临界热影响区内发展,最后导致接头蠕变失效。拉伸和弯曲试验过程中,接头的强度和塑性下降严重,断裂位置均在焊缝/T91界面区域。因此,焊缝/T91界面容易发生早期蠕变失效。

马氏体/贝氏体异种耐热钢焊接接头的力学性能及界面失效

采用脉冲氩弧焊接工艺、高温加速模拟工况、高温持久、常温力学性能试验研究了不同焊缝强度匹配条件下,马氏体耐热钢9Cr1MoVNbN与贝氏体耐热钢12Cr2MoWVTiB异种钢焊接接头的力学性能、高温强度、蠕变损伤及界面破坏特征。研究结果表明,焊前预热250℃,焊后回火750℃×1 h条件下,加速模拟运行500h、1 000 h、1 500 h后低匹配焊接接头的界面蠕变损伤较严重,力学性能下降明显,失效倾向较大;而中匹配接头的蠕变损伤及失效倾向较小,中匹配与低匹配接头的持久强度比较接近:而高匹配接头的持久强度最低。因此,对于9Cr1MoVNbN/12Cr2MoWVTiB异种钢焊接接头采用中匹配比较合适。

10Cr9Mo1VNbN/12Cr1MoV异种钢焊接接头的蠕变损伤及界面失效

针对马氏体耐热钢 10Cr9Mo1VNbN和珠光体耐热钢 12Cr1MoV ,采用TGS -9cb、H10Cr5Mo、TR31三种焊丝形成高、中、低匹配焊接接头 ,利用脉冲电流氩弧焊、高温加速模拟工况、力学性能试验及电子显微分析 ,研究了 10Cr9Mo1VNbN/ 12Cr1MoV异种钢焊接接头的力学性能、高温强度、界面蠕变损伤及失效特征。试验结果表明 ,焊前预热 2 5 0℃ ,焊后回火 75 0℃× 1h ,加速模拟运行 5 0 0h后 ,高匹配和中匹配接头的力学性能劣化明显 ,界面蠕变损伤及失效倾向较大 ;而低匹配接头的力学性能优于高匹配和中匹配接头 ,界面蠕变损伤较轻 ,失效倾向较小。因此 ,选用TR31焊丝作为10Cr9Mo1VNbN/ 12Cr1MoV异种钢焊接接头的填充材料较为合适。

考虑微观界面的2D编织SiC/SiC复合材料宏-细-微多尺度渐进损伤失效分析

该文将微观界面组分纳入宏-细-微三个尺度的多尺度渐进损伤失效分析中。对细、微观单胞模型施加周期性边界条件获取放大因子并采用k-means聚类方法进行缩聚;通过缩聚的放大因子求解宏观模型对应的细、微观组分应力并进行损伤失效判定;计算宏观模型退化后的弹性参数用于后续计算;针对2D编织SiC/SiC复合材料开展了渐近损伤失效分析,并通过不同聚类数目下的计算结果对比证明了所采用聚类数目的正确性。研究结果表明:仿真所得材料强度极限与试验结果一致性较好;微观界面在多尺度分析中不可忽略,不考虑微观界面会导致材料性能大幅强化;采用该文方法可以近似表征2D编织SiC/SiC复合材料界面脱粘和纤维成簇拔出的失效行为。

复合材料L型筋条-蒙皮胶接界面失效过程的数值模拟

用自定义的缝线模型和Cohesive单元方法,模拟了复合材料非缝合/缝合胶接L型筋条-蒙皮结构胶接界面在拉脱载荷作用下的失效过程;分析了第一排缝线位置和筋条突缘宽度对界面强度的影响。结果表明:对于非缝合结构,在载荷中心线附近区域,裂纹扩展受Ⅰ,Ⅱ型裂纹的共同作用;远离载荷中心线的区域,裂纹扩展时Ⅱ型裂纹起主导作用;对于缝合结构,裂纹扩展过程中载荷出现多次波动,载荷在第一排缝线断裂时达到峰值(拉脱强度);将第一排缝线缝合在筋条倒角与蒙皮接触的切点处,结构的强度较第一排缝线距离中心线8 mm时的提高了118.5%;筋条突缘宽度从25 mm降为20 mm后,强度下降了约18.2%,而从20 mm降至15 mm,强度几乎没有变化。

氧化铝涂层垂直裂纹对热载荷下界面失效的影响

目的探索氧化铝/铝在热载荷作用下的界面失效机理。方法基于内聚力有限元模型,预测热载荷下铝基氧化铝涂层材料界面处的残余热应力,并系统研究其失效过程。重点考虑涂层厚度、热载荷大小、预制涂层垂直裂纹密度对界面处应力场和界面损伤失效的影响,并同实验进行对比。结果试验和模拟结果都发现,加热到300℃冷却后,界面未产生平行裂纹,而加热到400℃冷却后,界面出现平行裂纹。涂层无裂纹缺陷时,界面处剪应力呈单曲线余弦分布,而有预制裂纹时,界面处的剪应力呈双曲线余弦分布。随着热载荷的增大,界面最大剪应力值由两端向界面中心处迁移。相比涂层有裂纹的情况,界面在涂层无裂纹时平均正应力最小。实际制备的氧化铝涂层不可能完美无裂纹缺陷,在考虑涂层有裂纹缺陷时,涂层裂纹密度为4 mm^(-1)时平均所受正应力较小,且界面只有拉应力作用,不容易产生脱层缺陷。结论存在特定的最佳临界预制垂直裂纹密度值,使得热载荷下界面损伤最小。有限元模拟结果也显示,相同热载荷和相同裂纹密度下,涂层越厚,对界面的防护力也越强。

基于内聚力模型的微电子封装材料界面失效分析

界面层裂是微电子封装器件的主要失效模式之一。针对微电子封装器件的界面层裂失效问题，采用内聚力模型的方法，模拟了模塑封装材料和铜引脚层界面在模式Ⅰ、模式Ⅱ以及复合模式（模式Ⅰ和模式Ⅱ）下的裂纹扩展情况，并得到加载力与裂纹开口位移的关系。模拟结果显示，将内聚力模型的方法应用于微电子封装材料的界面层裂失效分析，有助于探索造成可靠性问题的根源，为进一步研究整个器件在生产、制造、测试及使用过程中界面层裂的产生与扩展奠定了基础。

TA2/不锈钢/Q235复合板的界面结构和失效行为

采用热轧复合法制备了TA2/不锈钢/Q235复合板,并对其开展了不同温度的轧后退火处理。利用扫描电镜、能谱以及X射线衍射等分析了退火温度对复合板界面附近微观组织、金属间化合物等特征的影响。通过显微硬度计和平面内压缩试验研究了退火温度对复合板变形以及力学性能的影响。结果表明:从不锈钢侧到钛侧,界面依次由σ相(富Cr的Fe基固溶体)、χ相(富Cr的TiFe^(2)相)、TiCr_(2)+TiFe_(2)、TiFe等化合物组成。随着退火温度的升高,σ相和TiFe的层厚相较于χ相和TiCr_(2)+TiFe_(2)增加更明显。显微硬度测试表明,随着退火温度的升高,Q235层硬度逐渐降低,而Ti层硬度则是先降低后升高,硬度升高主要与元素扩散有关。平面内压缩过程中,会发生TA2与不锈钢之间的层间开裂,且随着退火温度的升高,层间开裂越早,这主要与越厚的金属间化合物易萌生裂纹有关。

9Cr1MoVNbN/12Cr2MoWVTiB异种钢焊接接头的力学性能及界面失效行为研究

采用脉冲氩弧焊接工艺、高温加速模拟工况、高温持久、常温力学性能试验研究了不同焊缝强度匹配条件下,马氏体耐热钢9Cr1MoVNbN与贝氏体耐热钢12Cr2MoWVTiB焊接接头的力学性能、高温强度、蠕变损伤及界面破坏特征。研究结果表明;焊前预热250℃,焊后回火750℃×1h条件下,加速模拟运行500h,1000h,1500h后低匹配焊接接头的界面蠕变损伤较严重,力学性能下降明显,失效倾向较大;而中匹配接头的蠕变损伤及失效倾向较小。中匹配与低匹配接头的持久强度比较接近;高匹配接头的持久强度最低。因此,对于9Cr1MoVNbN/12Cr2MoWVTiB异种钢焊接接头采用中匹配比较合适。

微电子塑封器件界面层裂失效及其数值预测方法研究

界面层裂失效已成为微电子封装和微系统的一个最主要的失效形式之一。本文分析了产生界面层裂失效的原因：一方面，塑封器件在制造和使用过程中受热应力的影响；另一方面，吸湿后产生湿应力与应变，在高温下承受蒸汽压力，若超过极限，就会发生爆米花现象，导致开裂失效。然后介绍了几种界面层裂失效的数值预测方法：J积分法修正的J积分法、虚拟裂纹闭合法及面积能量释放率法等。

身管镀层界面失效分析及寿命预测研究

目的研究热压耦合作用下身管镀层的界面失效机理,预测身管寿命。方法建立镀层界面剪切失效、界面弯曲失效和界面裂纹扩展失效3种失效模型,并给出失效准则。以某小口径步枪身管为研究对象,基于完整冷却周期的身管温度场数值模拟结果,计算这3种失效在相同射击条件下的临界失效长厚比,并对结果进行对比分析,确定身管镀层的主要界面失效方式。结合镀层的界面失效机理和低周疲劳损伤累计理论,建立基于镀层界面疲劳损伤累积的身管寿命预测模型,对该小口径步枪身管的寿命进行预测。结果临界失效长厚比计算结果表明,界面剪切失效是身管镀层的主要失效方式。身管寿命预测结果与寿命试验结果相比,误差小于2%。结论界面剪切失效是身管镀层的主要失效方式,基于镀层界面疲劳损伤累积的身管寿命预测方法是可行的。

界面失效对单搭接粘接接头失效的影响及其预测方法

长期温度、湿度和载荷作用会改变单搭接接头的失效模式,引起界面失效。为了研究界面失效位置和面积对单搭接接头失效的影响,基于内聚力模型建立了单搭接接头的仿真分析模型,分析了单边、双边、三边和四边界面失效共八种情况下,粘接接头的失效载荷和应力分布变化规律。研究结果表明:所有接头的失效载荷下降幅度,均随着界面失效面积比例增加呈线性增长趋势;当界面失效改变了单搭接接头的对称性,会导致胶层应力分布对称性和应力均匀性降低,造成接头失效载荷的下降幅度增加。采用回归分析方法获得了近似函数关系,能够对任意界面失效位置和面积下的单搭接接头失效载荷进行预测,并验证了预测精度。

基于纤维拔出研究木材胶合界面的断裂行为

【目的】借鉴复合材料中纤维拔出方法探究木材/酚醛树脂(PF)胶合试件真实的界面剪切强度,分析拔出木条的断裂形貌和细胞壁层的破坏模式,为揭示木材胶合界面的断裂机理提供理论支撑。【方法】根据前期试验条件探索,分别制备得到两种类型木材胶合试件:早材木条/PF树脂和早–晚材木条/PF树脂。利用万能力学试验机和超景深三维显微镜测得的数据计算出平均界面剪切强度,采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)表征手段分析界面相内聚合物分子间作用形式、拔出木条的宏观断裂形貌、微观尺度细胞壁层破坏模式以及裂纹的萌生与扩散。【结果】载荷–位移曲线表明:拔出过程中木条/PF树脂界面相均发生脆性断裂,早材木条/PF树脂的界面剪切强度为(1.23±0.12)MPa,而早–晚材/木条/PF树脂的界面剪切强度为(3.66±0.11)MPa,约为早材木条的3倍。FTIR分析得出:木材与PF树脂聚合物分子间被证实发生化学交联反应,增强界面相黏结性能。SEM结果显示:拔出后埋入顶端早材木条试样的断裂类型为剪切破坏,而埋入底端早材木条的断裂类型为拉伸–剪切破坏共存;拔出后早–晚材木条试样的断裂类型以碎片化拉伸破坏为主。AFM图像表明:拔出后早材木条试样以跨壁层破坏为主,起始裂纹发生在厚度变化较大的相邻管胞壁的S_(2)层,随后沿着S_(1)/S_(2)界面扩展;拔出后早–晚材木条试样晚材细胞S_(2)层起始裂纹同时沿着CML/S_(1)和S_(1)/S_(2)界面扩展;此外,交叉场区域容易发生应力集中,外部拉力载荷使得射线细胞发生剥离或整体脱落。【结论】PF树脂在早材和晚材中渗透差异导致两种类型胶合界面的剪切强度差异,早材木条和早–晚材木条自身结构和性能的差异性是造成拔出后界面断裂形貌差异的主要原因。

盐浸和冻融循环作用下沥青-集料界面黏结性能研究

为研究在盐浸和冻融循环影响下的沥青-集料界面性质,根据路面所处环境,考虑盐的质量分数、浸泡时间、冻融循环循环3个因素对集料-沥青界面拉拔强度和拉拔强度损失率的影响。在室内制备含沥青-集料界面的花岗岩黏合试件,采用万能试验机进行拉拔试验。利用数字图像处理技术对沥青-集料界面的失效模式进行分析。结果表明,盐的质量分数、浸泡时间、冻融循环3个因素对吸湿率和拉拔强度有显著影响。在低、中、高温处理后试件的吸湿率和拉拔强度均有所下降。在经过盐溶液浸泡和冻融循环后,试件的拉拔强度损失率均高于纯水浸泡后试件的结果。通过图像识别分析得到盐溶液浸泡和冻融循环耦合作用会引起界面失效模式的变化。在低盐的质量分数(5%~10%)和冻融循环条件下,低温下试件的沥青-集料界面容易发生黏附失效。高盐的质量分数(15%~20%)溶液下的腐蚀效应使得中、高温下试件的沥青-集料界面易发生黏性失效。

细集料沥青混合料的界面失效机制评价

借助扫描电子显微镜、能谱仪及分子模拟相结合分析了集料类型、紫外老化和水损害对细集料沥青混合料界面失效机制的影响,同时通过细集料沥青砂浆的失效模式推断细集料沥青混合料界面的失效机制。结果表明:玄武岩和安山岩细集料沥青混合料界面失效由黏附失效主导,钢渣沥青混合料界面失效由黏聚失效占主导。共价能是细集料沥青混合料界面失效的主要驱动力。角能和范德华力是黏附驱动力的主要控制指标。分子模拟结果和试验结果具有很好的吻合性,模拟结果可以定性分析细集料沥青混合料的界面失效机制。

锚杆受拉拔荷载渐进失效全过程与影响因素

为研究锚杆受拉拔荷载作用下渐进失效机理与锚固界面应力分布规律,基于四线性黏结滑移模型,考虑残余强度对剪胀和软化应力区域长度的影响,通过锚固单元受力平衡条件修正了前人提出的剪胀-软化-脱黏阶段、软化-脱黏阶段和完全脱黏阶段的荷载-位移解析方程.根据2项拉拔试验研究,对分析模型进行了标定和验证.讨论弹性模量、锚杆半径和锚固长度参数对荷载-位移、应力分布曲线敏感性.结果表明,锚杆半径和弹性模量的增大提高了极限荷载且较大地限制了锚杆延性;加载端进入脱黏应力状态之前的荷载-位移曲线与锚固长度无关;弹性模量对轴应力峰值呈正相关,但锚杆半径对轴应力峰值呈负相关.

各向异性编织CMC弯曲断裂失效模型

通过对缺口弯曲断裂试验的研究发现 ,编织CMC存在两种断裂失效模式 :界面主导的和纤维束主导的失效模式 .针对这两种模式建立了界面失效模型和纤维束断裂失效模型 .界面失效模型用半经验方法处理弱界面和大编织角度的断裂强度问题 ;纤维束断裂失效模型采用解析方法处理较强界面和小角度的断裂强度问题 ,为含有缺口试件的弯曲强度预报打下了初步的理论基础 .