專利名稱：一種包衣薄膜與基層之間界面粘附強度的直接測量方法
技術領域：
本發(fā)明涉及包衣薄膜與基層之間界面粘附強度的測量技術。
背景技術：
由不同材料構成的薄層結構，即薄膜-基層結構，越來越多地在許多先進技術中得到了廣泛應用。在印刷電路和封裝領域中，存在著大量的超薄包衣薄膜-基層結構，薄膜與基層之間的界面粘附強度決定著膜-基結構的可靠性。通常采用一個稱之為“能量釋放率”的指標來評價薄膜與基層之間的界面粘附強度，即單位面積的薄膜脫離基層時所需要的能量(斷裂能，對應于粘附能)。能量釋放率的測量計算，通常采用流體靜壓鼓泡試驗或者軸載鼓泡試驗實現(xiàn)在膜-基結構的基層上開一個半徑為d的小孔，通過小孔對薄層結構加載，從而使包衣薄膜與基層分離，并形成一個穩(wěn)定的鼓泡，然后測得這個穩(wěn)定鼓泡的高度(擾度)w及其對應的荷載F和鼓泡半徑a，然后計算出外力所做的功Uf和儲存在包衣薄膜中的彈性應變能Ue。那么，外力所做的功Uf減去薄膜的彈性應變能Ue則為包衣薄膜脫離基層時所需要的斷裂能， 單位面積上的斷裂能即為能量釋放率G。由于流體靜壓鼓泡試驗難以在試驗中控制好壓力、 鼓泡半徑和鼓泡高度的同時測量工作，從而影響著外力所做的功叫的精確計算。相比而言， 軸載鼓泡試驗更方便于測量工作，因而得以提倡。然而，無論是流體靜壓鼓泡試驗，還是軸載鼓泡試驗，現(xiàn)有測試技術都不可避免地涉及到外力所做的功Uf和薄膜的彈性應變能Ue這兩項計算工作。外力所做的功Uf通常采用跟蹤式同時測量所施加的外力Fi及其對應的鼓泡的高度(擾度)Wi，然后通過矩形法或
/ W
者梯形法近似計算積分仏=[F(w)dw，因而，跟蹤式同時測量工作的準確性，影響著Uf的
計算精度，同時還必須加大測量密度，否則將帶來近似積分的計算誤差；而薄膜彈性應變能隊的計算涉及到薄膜結構的力學求解工作，利用薄膜結構的荷載與擾度的解析解，計算出薄膜的彈性應變能Ue,因而，力學求解工作的準確性影響著Ue的計算精度，通常薄膜問題大多數(shù)為非線性問題，難以精確求解。這樣，用于能量釋放率測量計算的試驗方案確定，既要考慮到試驗中的可操作性，又要兼顧超薄層結構力學響應求解的精確度，這些困難一直困擾著該領域世界范圍內的學者們?？偠灾?，現(xiàn)有測試技術在精確計算外力所做的功Uf和薄膜的彈性應變能Ue時， 通常都會遇到一些技術上難以克服的困難，這也是現(xiàn)有測試技術的不足之處。

發(fā)明內容
為了克服現(xiàn)有測試技術的不足之處，本發(fā)明給出了一種包衣薄膜與基層之間界面粘附強度的直接測量方法。該方法不需要對外力所做的功Uf和薄膜的彈性應變能Ue進行單獨計算(從而克服了現(xiàn)有測試技術的不足之處)，具有操作簡便、測量參數(shù)少等優(yōu)點。本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是如圖1所示，準備一塊包衣薄膜-基層結構的試件(由圖1中的“1”和“2”組成)，采用鉆或者化學蝕刻的辦法，在膜-基結構
3的基層上開一個半徑為d的小孔，小孔貫穿基層直至包衣薄膜(圖1中“1”)與基層(圖1 中“2”)的接觸界面，這樣就制作成了一塊試驗所需要的待檢測樣品。采用一個圓柱型的軸桿作為加載軸(圖1中“3”)，加載軸通過基層上的小孔可對粘附在基層上的包衣薄膜施加荷載。選擇一支高質量的彈簧(圖1中“4”，彈性系數(shù)為k)，采用“十字螺桿推進”(由圖1 中的“5”、“6”和“7”組成)的方法，緩慢扭動螺栓的板手(圖1中“6”)，使螺栓的螺桿(圖 1中“5”)沿著十字方向推進彈簧的一端，讓彈簧的另一端推進加載軸，加載軸的另一端則可以通過基層上的小孔對包衣薄膜施加荷載，從而使包衣薄膜緩慢脫離基層并形成一個鼓泡。隨著螺栓板手的緩慢扭動，鼓泡將會由小變大。設螺栓的螺桿被推進了一段距離L后， 可以獲得一個大小適當?shù)墓呐?即所形成的鼓泡的幾何尺寸能夠滿足測量工作的精度要求)，然后停止扭動螺栓板手，那么包衣薄膜將會最終形成一個半徑為a、高度為W0的穩(wěn)定鼓泡。等鼓泡充分穩(wěn)定后，準確測量出這個穩(wěn)定鼓泡的半徑a和高度^。由圖1可以看出， 此時彈簧的實際伸長量為L-w。，設此時作用在包衣薄膜上的力為Fa，則靜力Fa = k(L-W0)。 研究這個半徑為a的周邊夾緊的圓薄膜在靜力Fa作用下的平衡問題可知，靜力平衡時儲存在包衣薄膜中的彈性應變能應該是Urf = Fa-W0 = k(L-W0) · 。，即靜力Fa所做的功，被全部轉化為了包衣薄膜中的彈性應變能Urf。而這一加載過程實際上等效于先將彈簧壓縮L，然后再釋放彈簧去對膜-基系統(tǒng)做功，使包衣薄膜形成一個半徑為a、高度為W。的穩(wěn)定鼓泡， 因此被壓縮的彈簧所釋放的能量(即彈簧作為外力對膜-基系統(tǒng)所做的功)應該是Uf = ^klJ -^k(L-Wo)2 = ULwo-^kw1o于是，包衣薄膜脫離基層時所需要的能量應該是UF_Urf，即外力所做的功Uf減去包衣薄膜中的彈性應變能urf，則為釋放在斷裂界面上的斷裂能。斷裂界面的面積應該是S = 沉(a-d)2，因此，能量釋放率為G= (Up-Uef)/S, BP
^ kw2G= ° 。
2π(α- )2這樣，將鼓泡半徑a和高度Wtl的測量值代入以上公式中，則可以計算出包衣薄膜與基層之間的界面粘附強度(即包衣薄膜脫離基層時的能量釋放率G)，其中彈簧的彈性系數(shù)k和基層上的小孔半徑d作為已知參量，π是圓周率，所有參量皆采用國際單位制。由以上可以看到，與現(xiàn)有測試技術相比，本發(fā)明的有益技術效果是由于巧妙利用了一個具有積分特性的元件(彈簧)，實現(xiàn)了對能量的精確“收集”，因而不必對外力所做的功Uf進行單獨計算，從而避免了這項測量及計算工作；也不需要對薄膜的彈性應變能Ue進行單獨計算，避免了對薄層結構非線性問題的求解工作；測試工作僅與穩(wěn)定鼓泡的幾何尺寸測量有關，最大限度地減少了測試誤差的產(chǎn)生因素。


圖1為直接測量包衣薄膜與基層之間界面粘附強度的結構示意圖。在圖1中， 1-膜-基結構中的包衣薄膜，2-膜-基結構中的基層，3-加載軸，4-彈簧，5-螺栓的螺桿， 6-螺栓的板手，7-螺母，8-鋼軌道管，9-支架，10-操作承臺。其中，本發(fā)明中所謂的“十字螺桿推進”加載裝置由螺栓(5、6)和螺母(7)組成。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明的技術方案作進一步的詳細說明如圖1所示，準備一塊包衣薄膜-基層結構的試件(由圖1中的“1”和“2”組成)， 采用鉆或者化學蝕刻的辦法，在膜-基結構的基層上開一個半徑為d的小孔，小孔貫穿基層直至包衣薄膜(圖1中“1”)與基層(圖1中“2”)的接觸界面，這樣就制作成了一塊試驗所需要的“待檢測樣品”。采用一個圓柱型的軸桿作為加載軸(圖1中“3”)，加載軸通過基層上的小孔可對粘附在基層上的包衣薄膜施加荷載。選擇一支高質量的彈簧(圖1中“4”， 彈性系數(shù)為k)，采用“十字螺桿推進”(由圖1中的“5”、“6”和“7”組成)的方法，緩慢扭動螺栓的板手(圖1中“6”)，使螺栓的螺桿(圖1中“5”)沿著十字方向推進彈簧的一端， 讓彈簧的另一端推進加載軸，加載軸的另一端則可以通過基層上的小孔對包衣薄膜施加荷載，從而使包衣薄膜緩慢脫離基層形成一個鼓泡。隨著螺栓板手的緩慢扭動，鼓泡將會由小變大。當螺桿被推進了一段距離后，所獲得的鼓泡的幾何尺寸能夠滿足測量工作的精度要求時(即獲得一個大小適當?shù)墓呐輹r)，則可以停止扭動螺栓的板手。之后，包衣薄膜將會最終形成一個半徑為a、高度為Wtl的穩(wěn)定鼓泡。等鼓泡充分穩(wěn)定后，準確測量出這個穩(wěn)定鼓泡的半徑a和高度％，并代入公式G =—〗/2域《-句2中，則可以計算出包衣薄膜與基層之間的界面粘附強度(即包衣薄膜脫離基層時的能量釋放率G)。其中，彈簧的彈性系數(shù)k和基層上的小孔半徑d作為已知參量，π是圓周率，所有參量皆采用國際單位制。
權利要求
1. 一種包衣薄膜與基層之間界面粘附強度的直接測量方法，其特征是在膜-基結構的基層上開一個半徑為d的小孔，利用十字螺桿推進一個彈性系數(shù)為k的彈簧的一端，讓彈簧的另一端推進一個加載軸，讓加載軸的另一端通過基層上的小孔對包衣薄膜施加荷載， 使包衣薄膜脫離基層，并形成一個半徑為a、高度為Wtl的穩(wěn)定鼓泡，準確測量出這個穩(wěn)定鼓泡的半徑a和高度Wtl，并代入公式G = ^^/2;^^-^2中，計算出用于評價包衣薄膜與基層之間界面粘附強度的能量釋放率指標G，其中π是圓周率，所有參量皆采用國際單位制。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種包衣薄膜與基層之間界面粘附強度的直接測量方法在膜-基結構的基層上開一個半徑為d的小孔，利用十字螺桿推進一個彈性系數(shù)為k的彈簧的一端，讓彈簧的另一端推進一個加載軸，讓加載軸的另一端通過基層上的小孔對包衣薄膜施加荷載，使包衣薄膜脫離基層，并形成一個半徑為a、高度為w0的穩(wěn)定鼓泡，準確測量出鼓泡的半徑a和高度w0，并代入公式中，計算出用于評價包衣薄膜與基層之間界面粘附強度的能量釋放率指標G，其中π是圓周率。測試工作僅與穩(wěn)定鼓泡的幾何尺寸測量有關，最大限度地減少了測試誤差的產(chǎn)生因素。
文檔編號G01N19/02GK102297836SQ201110129398
公開日2011年12月28日 申請日期2011年5月18日 優(yōu)先權日2011年5月18日
發(fā)明者何曉婷, 司景龍, 孫俊貽, 胡建力, 許勁, 鄭周練, 高曉威 申請人:重慶大學