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Numerical Simulation on Intergranular Microcracks in Interconnect Lines Due to Surface Diffusion Induced by Stress-,Electro-and Thermo-migration 被引量:3
1
作者 ZHOU Linyong HUANG Peizhen 《Transactions of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics》 EI CSCD 2019年第6期1004-1017,共14页
Based on the weak formulation for combined surface diffusion and evaporation-condensation,a governing equation of the finite element is derived for simulating the evolution of intergranular microcracks in copper inter... Based on the weak formulation for combined surface diffusion and evaporation-condensation,a governing equation of the finite element is derived for simulating the evolution of intergranular microcracks in copper interconnects induced simultaneously by stressmigration,electromigration and thermomigration.Unlike previously published works,the effect of thermomigration is considered.The results show that thermomigration can contribute to the microcrack splitting and accelerate the drifting process along the direction of the electric field.The evolution of the intergranular microcracks depends on the mechanical stress field,the temperature gradient field,the electric field,the initial aspect ratio and the linewidth.And there exists a critical electric fieldχ_c,a critical stress field■,a critical aspect ratioβ_c and a critical linewidth■.When■or■,the intergranular microcrack will split into two or three small intergranular microcracks.Otherwise,the microcrack will evolve into a stable shape as it migrates along the interconnect line.The critical stress field,the critical electric field and the critical aspect ratio decrease with a decrease in the linewidth,and the critical linewidth increases with an increase in the electric field and the aspect ratio.The increase of the stress field,the electric field or the aspect ratio and the decrease of the linewidth are not only beneficial for the intergranular microcrack to split but also accelerate the microcrack splitting process. 展开更多
关键词 stressmigration ELECTROMIGRATION thermomigration surface diffusion finite element method intergranular microcrack
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Phase Field Simulation of Intragranular Microvoids Evolution Due to Surface Diffusion in Stress Field 被引量:1
2
作者 ZHOU Linyong HUANG Peizhen ZHANG Jiaming 《Transactions of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics》 EI CSCD 2022年第3期280-290,共11页
Based on the bulk free energy density and the degenerate mobility constructed by the quartic double-well potential function,a phase field model is established to simulate the evolution of intragranular microvoids due ... Based on the bulk free energy density and the degenerate mobility constructed by the quartic double-well potential function,a phase field model is established to simulate the evolution of intragranular microvoids due to surface diffusion in a stress field.The corresponding phase field governing equations are derived.The evolution of elliptical microvoids with different stressesΛ,aspect ratiosβand linewidths hˉis calculated using the mesh adaptation finite element method and the reliability of the procedure is verified.The results show that there exist critical values of the stressΛc,the aspect ratioβc and the linewidth hˉc of intragranular microvoids under equivalent biaxial tensile stress.When Λ≥Λ_(c),β≥β_(c) or h≤h_(c),the elliptical microvoids are instable with an extending crack tip.WhenΛ<Λ_(c),β<β_(c) or hˉ>h_(c),the elliptical microvoids gradually cylindricalize and remain a stable shape.The instability time decreases with increasing the stress or the aspect ratio,while increases with increasing the linewidth.In addition,for the interconnects containing two elliptical voids not far apart,the stress will promote the merging of the voids. 展开更多
关键词 phase field method stress migration surface diffusion finite element method intragranular microvoid
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Effect of Interconnect Linewidth on Evolution of Intragranular Microcracks Due to Electromigration Analyzed by Finite Element Method 被引量:3
3
作者 HE Dingni HUANG Peizhen 《Transactions of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics》 EI CSCD 2019年第2期290-297,共8页
The effect of interconnect linewidth on the evolution of intragranular microcracks due to surface diffusion induced by electromigration is analyzed by finite element method.The numerical results indicate that there ex... The effect of interconnect linewidth on the evolution of intragranular microcracks due to surface diffusion induced by electromigration is analyzed by finite element method.The numerical results indicate that there exists critical values of the linewidth hc,the electric fieldχc and the aspect ratioβc.When h>hc,χ<χc orβ<βc,the microcrack will evolve into a stable shape as it migrates along the interconnect line.When h≤hc,χ≥χc orβ≥βc,the microcrack will split into two smaller microcracks.The critical electric field,the critical aspect ratio and the splitting time have a stronger dependence on the linewidth when h≤6.In addition,the decrease of the linewidth,the increase of the electric field or the aspect ratio is beneficial to accelerate microcrack splitting,which may delay the open failure of the interconnect line. 展开更多
关键词 finite element method surface diffusion ELECTROMIGRATION LINEWIDTH MICROCRACK EVOLUTION
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表面扩散控制下币型微裂纹的演化 被引量:1
4
作者 黄佩珍 李中华 孙 军 《力学学报》 EI CSCD 北大核心 2002年第3期344-350,共7页
根据表面扩散控制下物质迁移规律,建立轴对称有限单元法,分析了币型微裂纹的外形演化过程.在表面扩散控制下,形态比为β的币型裂纹演化的物理图像是:当β<βⅠ=18.0,币型裂纹直接球化; 当β≤β<βⅡ=34.6,演化为一环状裂腔;当β... 根据表面扩散控制下物质迁移规律,建立轴对称有限单元法,分析了币型微裂纹的外形演化过程.在表面扩散控制下,形态比为β的币型裂纹演化的物理图像是:当β<βⅠ=18.0,币型裂纹直接球化; 当β≤β<βⅡ=34.6,演化为一环状裂腔;当βⅡ≤β<βⅢ=148.9时,演化为一环状裂腔和球形空洞;当βⅢ≤β<βⅣ=240.0,演化为两环状裂腔.和分离出环状裂腔过程相比,球化过程是快过程;在逐层分离出环状裂腔过程中,后一级的分离相应前一级的分离是快过程. 展开更多
关键词 有限单元法 币型微裂纹 形状演化 物质迁移规律 物理图像 形状裂腔 材料裂纹愈合 表面扩散控制
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裂面形貌扰动对晶内微裂纹演变影响的有限元分析 被引量:2
5
作者 王远鹏 黄佩珍 《中南大学学报(自然科学版)》 EI CAS CSCD 北大核心 2008年第4期760-764,共5页
根据表面扩散控制下物质迁移规律,建立有限单元法,对裂面形貌扰动下二维微裂纹演变过程进行数值模拟。结果表明:裂尖的几何形状对微裂纹圆柱化时间起决定性作用;在裂面形貌扰动振幅不变的情况下,扰动频率越高,其对裂腔分节临界形态比的... 根据表面扩散控制下物质迁移规律,建立有限单元法,对裂面形貌扰动下二维微裂纹演变过程进行数值模拟。结果表明:裂尖的几何形状对微裂纹圆柱化时间起决定性作用;在裂面形貌扰动振幅不变的情况下,扰动频率越高,其对裂腔分节临界形态比的影响越小,且波数为奇数的微裂纹更容易分节;振幅对裂腔分节起阻碍作用;裂面形貌扰动频率越小,振幅对裂腔分节临界形态比的影响越显著。 展开更多
关键词 晶内微裂纹 表面扩散 有限单元法 裂面形貌扰动 形貌演变
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内压、外载下晶内微裂纹演化的有限元分析 被引量:1
6
作者 李晓伟 黄佩珍 《应用力学学报》 CAS CSCD 北大核心 2014年第4期530-534,4,共7页
为了研究和确定金属材料内部微裂纹的演化规律,本文基于物质表面扩散和蒸发-凝结机制的经典理论,建立了拉压外载和内压共同作用下的有限单元法,对金属材料内部晶内微裂纹在应力诱发表面扩散下的不稳定外形演化情况进行了有限元模拟,并... 为了研究和确定金属材料内部微裂纹的演化规律,本文基于物质表面扩散和蒸发-凝结机制的经典理论,建立了拉压外载和内压共同作用下的有限单元法,对金属材料内部晶内微裂纹在应力诱发表面扩散下的不稳定外形演化情况进行了有限元模拟,并系统地分析了外载、内压、形态比对微裂纹形态演化的影响。结果表明:内压q、外载0σ、形态比β是微裂纹演化的主要影响因素;当β和q固定时,存在临界外载荷cσ,若0 cσ<σ,裂纹不会发生分节,而0 cσ≥σ时微裂纹将分节成三个小裂腔,且分节时间随着0σ和β的增大而减小;当β和0σ为定值时,存在临界内压cq,若cq≤q时,裂纹将会发生分节,且内压阻碍裂腔分节;当0σ和q为定值时,存在临界形态比cβ,cβ≥β的裂纹将会发生分节。 展开更多
关键词 晶内微裂纹 有限单元法 表面扩散 内压 应力场
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应力梯度下晶内微裂纹演化的有限元模拟 被引量:1
7
作者 程强 黄佩珍 《系统仿真技术》 2016年第4期286-290,共5页
基于表面扩散和蒸发—凝结机制的经典理论,对应力梯度下金属材料内部晶内微裂纹演化进行了有限元模拟。数值分析结果表明:在应力梯度下,椭圆形晶内微裂纹演化存在临界应力梯度、临界形态比以及临界线宽。当应力梯度和形态比均小于临界... 基于表面扩散和蒸发—凝结机制的经典理论,对应力梯度下金属材料内部晶内微裂纹演化进行了有限元模拟。数值分析结果表明:在应力梯度下,椭圆形晶内微裂纹演化存在临界应力梯度、临界形态比以及临界线宽。当应力梯度和形态比均小于临界值或线宽大于临界值时,微裂纹以稳定的形态向高应变能密度区移动,不发生分节现象;反之,微裂纹在移动的同时分节成左右两个裂腔,且应力梯度和形态比的增大和线宽的减小能加速微裂纹分节。 展开更多
关键词 表面扩散 应力梯度 晶内微裂纹 有限元模拟 微裂纹分节
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力、电作用下沿晶微裂纹系统演化的仿真分析 被引量:1
8
作者 徐春风 黄佩珍 《系统仿真技术》 2012年第2期99-104,共6页
基于表面扩散的经典理论及其弱解描述,对应力迁移、电迁移诱发表面扩散下金属材料内部沿晶微裂纹的演化进行了有限元分析。详细讨论了沿晶微裂纹初始形态、电场和应力大小对沿晶微裂纹演化的影响。仿真结果表明:对于形态比为β的沿晶微... 基于表面扩散的经典理论及其弱解描述,对应力迁移、电迁移诱发表面扩散下金属材料内部沿晶微裂纹的演化进行了有限元分析。详细讨论了沿晶微裂纹初始形态、电场和应力大小对沿晶微裂纹演化的影响。仿真结果表明:对于形态比为β的沿晶微裂纹,存在一临界电场值χc。当χ<χc时,微裂纹逐渐圆柱化;当χ>χc时,微裂纹分节为左右两个小裂纹。随β的增大,χc值逐渐减小。应力场的存在将导致微裂纹整体漂移速度减慢,减缓微裂纹的圆柱化;并加快裂腔分节,且使右端分节出的较小裂纹更加狭长。导体宽度越窄,γb/γs(晶界能/表面能)的值越大,微裂纹的分节时间越短。 展开更多
关键词 沿晶微裂纹 有限元法 表面扩散 电场 应力场
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梯度应力场与电场下晶内微裂纹的演化
9
作者 程强 黄佩珍 《应用力学学报》 CAS CSCD 北大核心 2018年第4期681-687,共7页
基于微结构演化的经典理论,建立力电作用下的有限单元法,数值再现梯度应力场与电场诱发表面扩散下内连导线中晶内微裂纹的演化过程。结果表明:在梯度应力场与电场共同作用下,晶内微裂纹形态演化存在临界应力梯度P_c、临界电场值X_c、临... 基于微结构演化的经典理论,建立力电作用下的有限单元法,数值再现梯度应力场与电场诱发表面扩散下内连导线中晶内微裂纹的演化过程。结果表明:在梯度应力场与电场共同作用下,晶内微裂纹形态演化存在临界应力梯度P_c、临界电场值X_c、临界形态比β_c,当P<P_c、X<X_c或β<β_c时,微裂纹在演化的过程中最终以稳定的形态沿着电场方向运动,不发生分节现象;当P≥P_c、X≥X_c或β≥β_c时,微裂纹在发生运动的同时分节成左、右两个裂腔,且应力梯度、电场值、形态比的增大能够加速微裂纹分节。 展开更多
关键词 梯度应力场 电场 表面扩散 晶内微裂纹 有限单元法
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应力诱发表面扩散下晶内微裂纹演化的有限元分析
10
作者 张周周 黄佩珍 《计算力学学报》 CAS CSCD 北大核心 2013年第4期565-569,共5页
基于物质表面扩散和蒸发-凝结的经典理论,对金属材料内部晶内微裂纹在应力诱发下不稳定外形演化进行了有限元模拟。结果表明,在拉压载荷下,椭圆形晶内微裂纹演化分叉存在临界形态比βc,当β<βc时,微裂纹逐渐圆柱化;当β≥βc时,微... 基于物质表面扩散和蒸发-凝结的经典理论,对金属材料内部晶内微裂纹在应力诱发下不稳定外形演化进行了有限元模拟。结果表明,在拉压载荷下,椭圆形晶内微裂纹演化分叉存在临界形态比βc,当β<βc时,微裂纹逐渐圆柱化;当β≥βc时,微裂纹分节为三个裂腔。微裂纹分节时间随形态比增大成近似线性减小,随着拉压应力的增大,微裂纹发生分节的临界形态比和分节时间都将减小。 展开更多
关键词 微裂纹演化 表面扩散 应力迁移 有限单元法
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应力诱发多种机制下沿晶微裂纹的演化
11
作者 余文韬 黄佩珍 《系统仿真技术》 2017年第2期132-135,150,共5页
基于表面扩散和蒸发-凝结两种机制的经典理论,建立有限元法,对由应力诱发的两种机制共同作用下金属内连导线中沿晶微裂纹的演化进行数值模拟。采用机制比K衡量两种机制竞争的强弱,当K1时,可将模型视作仅受表面扩散机制的影响。结果表... 基于表面扩散和蒸发-凝结两种机制的经典理论,建立有限元法,对由应力诱发的两种机制共同作用下金属内连导线中沿晶微裂纹的演化进行数值模拟。采用机制比K衡量两种机制竞争的强弱,当K1时,可将模型视作仅受表面扩散机制的影响。结果表明:随着K的增大,微裂纹的演化呈现三个阶段,即表面扩散占据优势、两种机制竞争激烈和蒸发-凝结机制占据优势;微裂纹分节时面积整体呈增大趋势,增幅在两种机制竞争激烈时有所放缓;分节时间整体呈减小趋势,随着机制比增大,降幅有所减小;临界形态比则先增大后减小。 展开更多
关键词 沿晶微裂纹演化 表面扩散 蒸发-凝结 有限元法 应力迁移
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表面扩散下铜内沿晶微裂纹演化的数值模拟
12
作者 杜杰锋 黄佩珍 《系统仿真技术》 2015年第4期288-292,共5页
基于表面扩散和蒸发-凝结的经典理论及其弱解描述,对应力诱发表面扩散下铜内沿晶微裂纹演化进行了有限元分析。结果表明:沿晶微裂纹演化分节存在临界外载和临界形态比,当外载或形态比小于临界值时,微裂纹逐渐圆柱化;当外载或形态比大于... 基于表面扩散和蒸发-凝结的经典理论及其弱解描述,对应力诱发表面扩散下铜内沿晶微裂纹演化进行了有限元分析。结果表明:沿晶微裂纹演化分节存在临界外载和临界形态比,当外载或形态比小于临界值时,微裂纹逐渐圆柱化;当外载或形态比大于等于临界值时,微裂纹沿晶界方向扩展并分节为三个裂腔。微裂纹分节时间随外载的增大和形态比的增大都减小,即外载和形态比的增大加速微裂纹分节。而临界外载和临界形态比随着形态比或外载的增大而减小,表明形态比和外载的增大都将有助于微裂纹分节。此外,沿晶微裂纹中晶界能与表面能比值的增大会加快微裂纹的分节。 展开更多
关键词 沿晶微裂纹 表面扩散 应力迁移 有限单元法 裂腔分节
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FINITE ELEMENT ANALYSIS ON EVOLUTION PROCESS FOR DAMAGE MICROCRACK HEALING
13
作者 黄佩珍 李中华 孙军 《Acta Mechanica Sinica》 SCIE EI CAS CSCD 2000年第3期254-263,共10页
Based on the thermal kinetic and mass conservation, a series of controlling equations for the finite element are derived and related programs are developed to simulate the damage microcrack healing process controlled ... Based on the thermal kinetic and mass conservation, a series of controlling equations for the finite element are derived and related programs are developed to simulate the damage microcrack healing process controlled by surface diffusion. Two kinds of typical models for microcrack splitting are proposed, i.e., the grain boundary energy existing on the crack surface and residual stresses applying on the crack surface. And the conditions of microcrack splitting in the two models are given as a function of the microcrack aspect ratio. The microcrack with traction-free surfaces will directly evolve into a spheroid. 展开更多
关键词 MICROCRACK damage healing microcrack splitting and spheroidization surface diffusion finite element method
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应力诱发压电薄膜晶内微裂纹演化的数值模拟
14
作者 王永璞 黄佩珍 《系统仿真技术》 2022年第2期81-84,108,共5页
压电薄膜的制备和使用过程中不可避免地引入微裂纹等微观缺陷。在不同的内在物理机制和外界驱动力作用下,微裂纹会出现多种多样的形貌演化行为,甚至失稳并发生分裂,影响相关微元器件的各种性能。本文基于表面扩散和蒸发-凝结的经典理论... 压电薄膜的制备和使用过程中不可避免地引入微裂纹等微观缺陷。在不同的内在物理机制和外界驱动力作用下,微裂纹会出现多种多样的形貌演化行为,甚至失稳并发生分裂,影响相关微元器件的各种性能。本文基于表面扩散和蒸发-凝结的经典理论,对应力诱发表面扩散下PZT薄膜晶内微裂纹的演化进行数值模拟。结果表明,在应力作用下,存在临界应力载荷,当应力载荷小于或等于该临界值时,微裂纹演化为稳定的形态;当应力载荷大于该临界值时,微裂纹发生失稳并分裂为多个裂腔,且应力载荷或微裂纹初始形态比的增大均会促进微裂纹的失稳分裂。 展开更多
关键词 应力迁移 表面扩散 PZT薄膜 有限单元法 微裂纹
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多场诱发表面和晶界扩散下沿晶微裂纹的演化 被引量:4
15
作者 李晓伟 黄佩珍 《工程力学》 EI CSCD 北大核心 2015年第11期27-32,39,共7页
基于表面扩散和晶界扩散的经典理论及其弱解描述,对应力迁移、电迁移诱发表面扩散和晶界扩散下金属材料内部沿晶微裂纹的演化进行了有限元分析。详细讨论了扩散系数之比f、应力场Λ、电场χ和形态比β对沿晶微裂纹演化的影响。结果表明... 基于表面扩散和晶界扩散的经典理论及其弱解描述,对应力迁移、电迁移诱发表面扩散和晶界扩散下金属材料内部沿晶微裂纹的演化进行了有限元分析。详细讨论了扩散系数之比f、应力场Λ、电场χ和形态比β对沿晶微裂纹演化的影响。结果表明:多场下的沿晶微裂纹存在分节与不分节两种演化分叉趋势。f和χ有助于沿晶微裂纹扩展,而Λ阻碍沿晶微裂纹扩展。裂腔分节时间随着Λ的增大而逐渐减小,而随着β的增大而增大。当χ≤50时,随着χ的增大,裂纹分节的时间显著减小,即χ加速裂纹分节;当χ>50时,χ对裂纹分节时间的影响不明显。 展开更多
关键词 沿晶微裂纹 表面扩散 晶界扩散 有限元法 应力迁移 电迁移
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力、电、热作用下晶内微裂纹的演化 被引量:3
16
作者 徐春风 黄佩珍 《工程力学》 EI CSCD 北大核心 2013年第6期6-10,15,共6页
基于表面扩散的经典理论及其弱解描述,对曲率、力、电和热共同作用下金属材料内部晶内微裂纹的演化进行了有限元分析。详细讨论了微裂纹初始形态、电场大小、应力大小和电致生热对微裂纹演化的影响。结果表明:对于形态比为的微裂纹,存... 基于表面扩散的经典理论及其弱解描述,对曲率、力、电和热共同作用下金属材料内部晶内微裂纹的演化进行了有限元分析。详细讨论了微裂纹初始形态、电场大小、应力大小和电致生热对微裂纹演化的影响。结果表明:对于形态比为的微裂纹,存在一临界电场值c和临界应力值c。当c且c时,微裂纹逐渐圆柱化;当c或c时,微裂纹分节为上、下或左、右两个小裂纹。热应力可减小c的值,即有利于微裂纹分节。同时热应力可加快微裂纹的漂移速度,缩短分节时间。 展开更多
关键词 微裂纹演化 有限元 表面扩散 电场 应力场 热应力
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电迁移诱发表面扩散下沿晶微裂纹的演化 被引量:4
17
作者 杜杰锋 黄佩珍 《固体力学学报》 CAS CSCD 北大核心 2017年第1期39-46,共8页
随着微电子技术的快速发展,铜内连导线的失效问题日益受到关注.基于表面扩散和蒸发—凝结的经典理论及其弱解描述,建立描述电迁移下微结构演化的有限单元法,对铜材料内沿晶微裂纹在电迁移诱发表面扩散下的不稳定外形演化进行了有限元模... 随着微电子技术的快速发展,铜内连导线的失效问题日益受到关注.基于表面扩散和蒸发—凝结的经典理论及其弱解描述,建立描述电迁移下微结构演化的有限单元法,对铜材料内沿晶微裂纹在电迁移诱发表面扩散下的不稳定外形演化进行了有限元模拟.详细讨论了电场、形态比和晶界能与表面能比值对沿晶微裂纹演化的影响.结果表明:沿晶微裂纹在沿着晶界和电场方向发生漂移的过程中存在分节与不分节两种形貌演化分叉趋势,且裂腔分节存在临界形态比βc和临界电场值χc.当β≥βc或χ≥χc时,沿晶微裂纹会沿着晶界分节成一大一小两个小沿晶微裂纹.沿晶微裂纹分节时间随形态比和电场的增大而减小,即形态比和电场的增大都使沿晶微裂纹加速分节.而临界电场值χc随着形态比的增大而减小;临界形态比βc随电场的增大而减小.也就是说形态比和电场的增大还将有助于沿晶微裂纹分节.此外,沿晶微裂纹分节时间要比晶内微裂纹的小,即晶界的存在有助于加速裂腔分节. 展开更多
关键词 电迁移 表面扩散 有限元法 沿晶微裂纹 分节
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内压对多场诱发表面扩散下微裂纹演化的影响 被引量:1
18
作者 郭建伟 黄佩珍 《固体力学学报》 CAS CSCD 北大核心 2013年第6期602-606,共5页
根据表面扩散控制下物质迁移机制,建立力、电、热和内压共同作用下的有限单元法,详细讨论了多场诱发表面扩散下金属材料内部微裂纹的演化过程.结果表明:对于形态比为β的微裂纹,存在一临界电场值χc.当χ<χc时,微裂纹逐渐圆柱化;当... 根据表面扩散控制下物质迁移机制,建立力、电、热和内压共同作用下的有限单元法,详细讨论了多场诱发表面扩散下金属材料内部微裂纹的演化过程.结果表明:对于形态比为β的微裂纹,存在一临界电场值χc.当χ<χc时,微裂纹逐渐圆柱化;当χ>χc时,微裂纹分节为上下或左右两个较小微裂纹.随着内压的增大,微裂纹圆柱化时间增长,而分节时间显著减小,且内压有助于微裂纹分节.对于β≥1的微裂纹,当q≤100MPa时,内压对临界值χc的影响较小. 展开更多
关键词 微裂纹演化 内压 有限单元法 表面扩散 多场
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