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专利名称：一种包衣薄膜－基层结构界面能量释放率的精确测量方法
技术领域：
本发明涉及包衣薄膜一基层结构的界面能量释放率精确测量技术。
背景技术：
由不同材料构成的薄层结构，即薄膜一基层结构，越来越多地在许多先进技术中 得到了应用。在印刷电路和封装领域中，存在着大量的超薄包衣薄膜一基层结构，薄膜与 基层之间的粘附强度可以用单位面积上的粘附能评价，而粘附能不方便于测量，因此，通常 膜一基结构的可靠性采用一个称之为“能量释放率”的指标评价，即让单位面积上的薄膜， 脱离基层所需要的能量(即断裂能)。能量释放率的测量计算，通常采用静载鼓泡试验(或者膨胀试验)和轴载鼓泡试验实现 在膜一基结构的基层上开一个半径为J的 小孔通过小孔对薄层结构加载，从而使薄膜与基层分层，并形成一个鼓泡，测得薄膜的位移(扰 度)κ及其对应的荷载和鼓泡半径β。计算出外力所做的功UF ,然后通过薄层结构的弹性力
学响应，计算出薄膜的弹性应变能仏。外力所做的功Uf减去薄膜的弹性应变能Ue则为薄膜脱
离基层的断裂能，单位面积上的断裂能即为能量释放率。由于静载鼓泡试验难以在试验中控制好 压力、鼓泡半径和鼓泡高度，因此轴载鼓泡试验得以提倡。由于包衣薄膜一基层结构，属于超薄层结构，其力学响应的求解，通常属于非线性 力学问题解答，大多数情况下只能给出近似解，难以求得精确的解析解。因此，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。这一困难一直困扰着该领域世界范围内的学者们，迄今为止，尚未见到 一个较为精确的测量计算方案。

发明内容
为了克服现有测量和计算中的不足之处，本发明给出了一套能够精确测量和计算 包衣薄膜一基层结构界面能量释放率的技术方案。该技术方案，操作简便可行、测量参数 少、精度高。本发明的目的是这样实现的一种包衣薄膜一基层结构的界面能量释放率精确测 量方法，包括如下步骤在包衣薄膜一基层结构的基层上开一个半径为d的小孔，在开孔区 域中心部分，利用一个半径为<d、)的“圆形夹紧板”将薄膜夹紧，使被夹紧区域的薄膜不 能产生变形，通过“圆形夹紧板”对薄膜缓慢施加外力^ ,使包衣薄膜脱离基层，并形成一 个半径为fl、高度为&的鼓泡，加大测量密度，尽量多地测得鼓泡高度WpW2^Hvi,Wsi及
其对应的外力值巧，巧，…，足将测量数据代入以下公式，计算包衣薄膜在所脱离基层 区域内(即半径为的圆环内)的界面能量释放率
其中，G为能量释放率，d为鼓泡半径，d为在基层上所开小孔的半径，h为包衣薄 膜厚度E为弹性模量，ν为泊松比，a^bia 力圆形夹紧板的半径( <d )， 为计算参数(可以通过解析法精确计算，也可以通过本发明所提供的附图粗略地查得), WllW2,..., W^liWs5为对应于外力HiH的鼓泡高度值，a、b、d、h、w的单位是
毫米(mm), ￡的单位是兆帕(MPa), P的单位是牛顿(N)，G的单位是10_3焦耳/平方毫米 (10_3J/mm2)或者牛顿 / 毫米(N/mm)。以上所述中的“圆形夹紧板”由夹紧圆盘帽子(图1中的“1”)和加载圆柱冲子(图 1中的“2”)构成，也称“夹紧冲子”。通过“夹紧冲子”对薄膜施加夕I力▽时尽量放慢外力 F的施加速度(每分钟小于1毫米)，以避免薄膜产生断裂。这样使得有关参数(外力i 、鼓 泡半径《、鼓泡高度W)的测量得以方便实现。为了提高计算精度，尽量采用较高精度的测量仪器，准确测量对应于外力巧的鼓 泡高度巧，其中，i = U,...,. -1 ，并尽量加大测量密度(即《足够大)，以保证采用梯形法 计算定积分的精度。因此外力F所做的功,可以通过下式计算
现有方法中薄膜弹性应变能巧的计算不准确。本发明在前期研究工作的基础上 (Jun-yi Sun，Jian-Ii Huj Xiao-ting He，Zhou-Iianj Zheng, 2010. A theoretical study of a clamped punch-loaded blister configuration: the quantitative relation of load and deflection. International Journal of Mechanical Sciences. 52(7)，928-936.)，利用一个中心带有硬心的周边夹紧的圆薄膜的精确解析解，求得了图1 所示加载构造的薄膜弹性应变能「Λ的精确计算公式。具体如下使薄膜产生变形的外力—
与薄膜产生的最大扰度Ww之间，应满足下式
(详 见 Jun-yi Sun, Jian-Ii Hu, Xiao-ting He, Zhou-lian, Zheng, 2010. A theoretical study of a clamped punch-loaded blister configuration: the quantitative relation of load and deflection. International Journal of
Mechanical Sciences. 52(7)，928-936.)因此，薄膜弹性应变能R可以通过下式获得
(4)
这样，我们可以最终获得包衣薄膜一基层结构的界面能量释放率计算公式为
由以上可以看出，本发明能量释放车的计算精度，主要取决于测量仪器的精度。只要 测量仪器有足够的测量精度，加大测量密度，就能够确保公式(2)计算出的外力i 所做的 功Uf有足够的计算精度，而薄膜弹性应变能「Λ的计算公式(4)是一个精确的解析解，不带 有计算误差，因此，这就保证了能量释放率的计算精度。


图1为鼓泡试验加载构造示意图，图中，1 一夹紧圆盘帽子、2 —加载圆柱冲子、3 -膜基结构中的基层、4 一包衣薄膜。1和2构成“夹紧冲子”。a为鼓泡半径， 为夹紧圆盘
和圆柱冲子的半径，d为在基层上所开小孔的半径，为包衣薄膜的厚度，为薄膜变形
的最大扰度。其中。图2为计算参数 与泊松比y和a = bh的关系图，即参数图。图中， a = b/a 分别为 0. 0001，0. 001，0. 01，0. 1，0. 2，0. 3，0. 4，0. 5，0. 6，0. 7，0. 8，0. 9，按顺时针
方向排列。
具体实施例方式⑴测量样品制作
在待测试件(即包衣薄膜一基层结构)的基层上开一个半径为rf的小孔。I I安装“夹紧冲子”
将夹紧圆盘帽子与圆柱冲子牢固夹紧，使得被夹紧区域的薄膜不能够产生变形。丨31对薄膜加载
对薄膜尽量缓慢加载，以避免薄膜发生断裂，加载速度控制在每分钟小于1毫米以内， 使薄膜最终形成一个半径力,高度为&的鼓泡，并且圆环区域应有一定大的半径《—rf, 以保证测量工作的有效性。丨4)测量
本发明不对测量仪器做具体要求，主要侧重提供一个方法，根据试验条件，该领域 内的相关测量仪器尽可以选用。尽量采用具有较高精度的测量仪器，准确测得包衣薄 膜的厚度A、基层开孔半径《i、薄膜最终形成的鼓泡半径U,以及加载过程中对应于外力 的鼓泡高度W1M2,..., Wss^Wm。尽量加大测量密度，以保证采用梯形法计算
定积分的精度。(5)能量释放率σ的计算
根据鼓泡半径O计算α = ，由泊松比y和β值，根据我们的前期研究工作(Jun-yi Sun，Jian-Ii Huj Xiao-ting He，Zhou-Iianj Zheng, 2010. A theoretical study of a clamped punch-loaded blister configuration: the quantitative relation ofload and deflection. International Journal of Mechanical Sciences. 52(7)， 928-936.)，采用解析法准确确定计算参数，也可以通过本发明提供的附图2粗略查 得计算参数5(ν，α)。禾Ij用弹性模量j·和测量数据凡&…,及、和鼓 泡半径β、基层开孔半径^、包衣薄膜的厚度A，通过下式计算出能量释放率
其中，5和y为已知参量，a、HA、w的单位是毫米(mm)，弹性模量 的单位是兆 帕(MPa)，外力i 的单位是牛顿(N)，能量释放本的单位是10_3焦耳/平方毫米(10_3J/ mm2)或者牛顿/毫米(N/mm)。
权利要求
一种包衣薄膜－基层结构界面能量释放率的精确测量方法，其特征在于在膜－基结构的基层上开一个半径为的小孔，在开孔区域中心部分，利用一个半径为的“圆形夹紧板”将薄膜夹紧，使被夹紧区域的薄膜不能产生变形，通过“圆形夹紧板”对薄膜缓慢施加外力，使包衣薄膜脱离基层，并形成一个半径为、高度为的鼓泡，加大测量密度，尽量多地测得鼓泡高度及其对应的外力值，将测量数据代入以下公式，计算包衣薄膜在所脱离基层区域内，即半径为的圆环内的界面能量释放率其中，为能量释放率，为鼓泡半径，为在基层上所开小孔的半径，为包衣薄膜厚度，为弹性模量，为泊松比，，为圆形夹紧板的半径()，为计算参数，为对应于外力的鼓泡高度值，、、、、的单位是毫米，的单位是兆帕，的单位是牛顿，的单位是10 3焦耳/平方毫米或者牛顿/毫米。2010102450090100001dest_path_image001.jpg,745788dest_path_image002.jpg,dest_path_image003.jpg,407713dest_path_image004.jpg,dest_path_image005.jpg,77729dest_path_image006.jpg,dest_path_image007.jpg,457895dest_path_image008.jpg,dest_path_image009.jpg,504348dest_path_image010.jpg,20780dest_path_image004.jpg,861697dest_path_image001.jpg,dest_path_image011.jpg,729159dest_path_image012.jpg,dest_path_image013.jpg,313724dest_path_image014.jpg,dest_path_image015.jpg,215821dest_path_image016.jpg,dest_path_image017.jpg,227640dest_path_image006.jpg,316818dest_path_image007.jpg,439495dest_path_image004.jpg,930519dest_path_image015.jpg,113239dest_path_image001.jpg,892976dest_path_image011.jpg,819344dest_path_image018.jpg,164874dest_path_image012.jpg,518495dest_path_image003.jpg,785529dest_path_image010.jpg
全文摘要
本发明公开了一种包衣薄膜－基层结构界面能量释放率的精确测量方法，在膜－基结构的基层上开一个半径为的小孔，在开孔区域中心部分，利用一个半径为的“圆形夹紧板”将薄膜夹紧，使被夹紧区域的薄膜不能产生变形，通过“圆形夹紧板”对薄膜缓慢施加外力，使包衣薄膜脱离基层，并形成一个半径为、高度为的鼓泡，加大测量密度，尽量多地测得鼓泡高度及其对应的外力值，利用这些测量数据，则可计算出包衣薄膜在所脱离基层区域内(即半径为的圆环内)的界面能量释放率。本发明包衣薄膜－基层结构界面能量释放率的测量方法，操作简便可行，测量参数少，所得能量释放率精度高。
文档编号G01N19/04GK101923043SQ201010245009
公开日2010年12月22日 申请日期2010年8月4日 优先权日2010年8月4日
发明者何晓婷, 孙俊贻, 朱海桥, 耿欢欢, 胡建力, 许劲, 郑周练 申请人:重庆大学