CN101122561B - 膜基结合性能的背面穿透式的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是测量技术领域的膜基结合性能的背面穿透式的测量方法。本发明采用顶杆穿透待测部件基底体系，载荷加载于顶杆下端，推动顶杆使薄膜发生挠曲变形，以静载荷形式加载时，薄膜的挠度和载荷大小由相应传感器分别获得，通过板壳理论公式计算出静载时待测部件膜基结合力；或以动载荷形式加载时，通过测量膜凸起面积半径和记录循环次数，建立裂纹扩展长度与循环次数的关系，用来评估膜的疲劳性能。本发明解决了现有技术中待测部件预制复杂以及基底系统受硅材料局限的技术问题。本发明能定量测量膜基结合性能，精确地测定膜基结合力，获取膜的疲劳性能参数。

Description

膜基结合性能的背面穿透式的测量方法

技术领域

本发明涉及的是一种测量技术领域的方法，具体是一种膜基结合性能的背面穿透式的测量方法。

背景技术

薄膜在现代工业中得到了广泛应用，因而薄膜性能得以大量研究。膜基结合性能是评价膜基体系性能的重要指标。因此各种膜基结合力测试方法得以大量研究。传统的测试方法包括：剥离测试法，划痕测试法，拉伸测试法，剪切测试法，压入测试法，梁弯曲测试法，超声波反射法等。上述测量方法均具有如下缺点：结合性能很好的薄膜从基片上剥离时会引起与膜基结合性能无关的能量损耗，这导致了膜基结合力的测量结果不准确。鼓泡法则具有上述方法不具备的优势：使与膜基结合性能无关的能量损耗降至最低，得到膜基结合性能的精确值。鼓泡法的缺点是其存在试样制作上的困难，且适用范围局限为硅基底。

经对现有技术的文献检索发现，中国专利号200310108307.5，名称为“内涨鼓泡法检测金刚石涂层附着强度的测试方法”的专利提出使用油压加载，在自制的控制系统下进行鼓泡法检测膜基结合强度。但其存在的不足和缺陷是：由于预制待测部件过程复杂困难，且其基底系统局限于硅基底，应用范围大大受限。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种膜基结合性能的背面穿透式的测量方法。本发明解决了现有技术中待测部件预制复杂以及基底系统受硅材料局限的技术问题，能定量测量膜基结合性能，精确地测定膜基结合力，获取膜的疲劳性能参数。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明采用顶杆穿透待测部件基底体系，载荷加载于顶杆下端，推动顶杆使薄膜发生挠曲变形。以静载荷形式加载时，薄膜的挠度和载荷大小由相应传感器分别获得，通过板壳理论公式计算出静载时待测部件膜基结合力；或以动载荷形式加载时，通过测量膜凸起面积半径和记录循环次数，建立裂纹扩展长度与循环次数的关系，用来评估膜的疲劳性能。

本发明具体包括如下步骤：

[1]穿透待测部件基底，在待测部件的基底上打通孔，获得圆形通孔，通孔顶部设有倒角。

[2]制备与通孔相配合的顶杆，并将顶杆插入通孔中，使通孔与顶杆顶部之间紧密配合，顶杆顶部端面比基底镀膜面略高，以防止由于顶杆的顶部低于镀膜面造成后续打磨面积过大。

[3]在顶杆杆部打洞，将弹簧外套于顶杆杆部，在顶杆杆部洞内插入插销，使弹簧被压缩在插销和基底之间。此步骤保证顶杆顶部和通孔倒角始终处于紧密接触状态，防止后续打磨过程中出现顶杆晃动，导致镀膜面不平整，影响镀膜的完整、均一。

[4]与顶杆顶部端面同一侧的待测部件基底面，作为镀膜面进行打磨，平整光洁后，在镀膜面上进行镀膜。

[5]拔出插销，取出弹簧，在顶杆下端加载不同形式的载荷，获得膜不同的凸起面积半径。

步骤[1]中，所述的倒角，其角度范围为35°～85°之间。以保证了后续步骤中顶杆与通孔的能紧密配合，避免打磨、镀膜面过程中顶杆晃动，脱离通孔，保证了镀膜过程中膜的完整性。

步骤[2]中，所述顶杆，其顶部与通孔倒角紧密配合，其杆身半径小于通孔半径。

步骤[2]中，所述顶杆顶部端面比基底镀膜面略高，其范围是：0.5mm～1mm。

所述的步骤[5]，具体是：以在顶杆下端以静载形式加载，引起膜的挠曲变形，通过位移和力传感器测量膜的挠度和载荷大小，结合板壳理论公式可算出G值，即膜基脱离能量释放率，可用来表征膜基结合力。

所述公式为 $G=\frac{E{h}^3{u}_0^2}{12{(a-b)}^2}{(1-\mathrm{\λ})}^4(2F\left(\mathrm{\λ}\right)+{\mathrm{\λF}}^{\′}\left(\mathrm{\λ}\right)).$ 其中，h为薄膜厚度，u₀是薄膜最大挠度，a和b是脱离基体区域面积和中心半金字塔形区域半径，

$F\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{2\ln \mathrm{\λ}+\frac{1+\mathrm{\λ}}{1-\mathrm{\λ}}{\ln }^2\mathrm{\λ}}{{[(1+\mathrm{\λ})\ln \mathrm{\λ}+2(1-\mathrm{\λ})]}^2},\mathrm{\λ}=a/b.$

所述的步骤[5]，或具体是：在顶杆下端以动载形式加载，在一定的动载加载次数下，膜相应会发生一定程度的挠曲，利用现有的油浸法或者声发射显微镜得不同循环加载次数中对应的每次测得的脱离基体区域面积半径，测得脱离基体区域面积半径可作为膜疲劳裂纹扩展长度，因此可获取不同循环加载次数下的膜疲劳裂纹扩散长度，获得膜疲劳性能。(由美国金属学会手册第十九卷的定义：疲劳是指部件在交变应力或者一个或某几个点载荷作用下的部件局域出现明显结构现象的变化，例如裂纹的产生和构件的完全断裂。因此对比不同循环加载次数下膜疲劳裂纹扩展长度可体现出不同循环载荷次数下对膜基结合的破坏程度，表征了膜的疲劳性能。)

与现有技术中鼓泡法检测膜基结合强度相比，本发明载荷加载于顶杆下端，推动顶杆使薄膜发生挠曲变形，尤其是通过加载动载，获取膜脱离基底区域面积半径和循环次数的关系，从而得到裂纹扩展长度与循环次数之间的关系。本发明还简化了背面穿透法制备零部件中所采用的刻蚀法等传统工艺，可以获取表征疲劳性能的相关参数，突破了基底系统硅材料的限制，可应用于多种膜基系统。

附图说明

图1为本发明未装配前各个构件结构示意图

图2为本发明镀膜面未经打磨的各个构件结构示意图

图3为本发明镀膜面打磨后的各个构件结构示意图

图中：1-通孔，2-倒角，3-顶杆，4-顶杆顶部端面，5-基底镀膜面，6-插销

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

第一步：在规格为40mm×20mm×5mm的基底上加工一个半径为1.5mm圆通孔1，在通孔上加工出图1所示的45°的倒角2。

第二步：加工一根与之相配合的顶杆3。如图2所示，装配之后的基底系统中顶杆顶部端面4比基底镀膜面5高0.75mm，如图3所示磨平该镀膜面。保证镀膜面平整光滑。

第三步：在顶杆下端套一个半径比基底孔洞半径大0.5～1mm且刚性较大的弹簧，如图2所示，在顶杆杆部打洞，插一根插销6，弹簧被压缩在插销和基底之间，因而使得顶杆和基底处于紧密接触状态。这是因为本发明所采取膜基体系在镀膜面打磨时，顶杆易产生晃动，影响镀膜面的平整度，从而影响镀膜的完整性和均一性。为避免此种情况发生，避免了打磨和镀膜过程中外力对两系统紧密接触的破坏，同时解决了镀膜后顶杆的晃动的问题，这种晃动会导致膜和基底的脱离，将直接影响进一步的测量。

第四步：在基底体系表面镀上Cu膜(E＝190GPa)后，膜厚约为h＝1.0μm其泊松比v＝0.291。

第五步：拔出插销

取出弹簧，通过加载装置对顶杆的下端进行加载，可以使薄膜向上发生挠曲变化。在顶杆下端加载静载1～5N，用传感器测量膜的挠曲u₀＝1.5μm、脱离基体区域半径a＝40.7μm和中心半金字塔形区域半径b＝3.5μm，将相关参数代入通过公式就可以计算出G值，即膜基脱离的能量释放率，可以表征膜基结合强度。

$G=\frac{{\mathrm{Eh}}^3{u}_0^2}{12{(a-b)}^2}{(1-\mathrm{\λ})}^4(2F\left(\mathrm{\λ}\right)+{\mathrm{\λF}}^{\′}\left(\mathrm{\λ}\right))=5.4064J/m^2.$

本实施例预制待测部件简单以及基底系统不受硅材料局限。本实施例能定量测量膜基结合性能，精确地测定膜基结合力。

实施例2

第一步：在待测部件基底上加工一个半径为1.5mm圆通孔1，在通孔上加工出图1所示的35°的倒角2。

第二步：加工一根与之相配合的顶杆3。如图2所示，装配之后的基底系统中顶杆顶部端面4比基底镀膜面5高0.5mm。

其他步骤同实施例1。

第五步：在顶杆下端以动载形式加载，在一定的动载加载次数下，膜相应会发生一定程度的挠曲，利用油浸法可测得不同循环加载次数中对应的每次测得的脱离基底区域面积半径，所测得的脱离基底区域面积半径可作为膜疲劳裂纹扩展长度，由此可获取不同循环加载次数下的膜疲劳裂纹扩展长度，表征了膜的疲劳性能。

本实施例预制待测部件简单以及基底系统不受硅材料局限。本实施例能简易、精确地获取膜的疲劳性能参数。

实施例3

第一步：在待测部件基底上加工一个半径为1.5mm圆通孔1，在通孔上加工出图1所示的85°的倒角2。

第二步：加工一根与之相配合的顶杆3。如图2所示，装配之后的基底系统中顶杆顶部端面4比基底镀膜面5高1mm。

其他步骤同实施例1。

第五步：在顶杆下端以动载形式加载，在一定的动载加载次数下，膜相应会发生一定程度的挠曲，在声发射显微镜下可得不同循环加载次数中对应的每次测得的脱离基底区域面积半径，所测得的脱离基底区域面积半径可作为膜疲劳裂纹扩展长度，由此可获取不同循环加载次数下的膜疲劳裂纹扩展长度，表征了膜的疲劳性能。

本实施例预制待测部件简单以及基底系统不受硅材料局限。本实施例能简易、精确地获取膜的疲劳性能参数。

Claims (5)

1.一种膜基结合性能的背面穿透式的测量方法，其特征在于，采用顶杆穿透待测部件基底体系，载荷加载于顶杆下端，推动顶杆使薄膜发生挠曲变形，以静载荷形式加载时，薄膜的挠度和载荷大小由相应传感器分别获得，通过计算获得静载时待测部件膜基结合力；或以动载荷形式加载时，通过测量膜凸起面积半径和记录循环次数，建立裂纹扩展长度与循环次数的关系，用来评估膜的疲劳性能，具体包括如下步骤：

[1]穿透待测部件基底，在待测部件的基底上打通孔，获得圆形通孔，通孔顶部设有倒角；

[2]制备与通孔相配合的顶杆，并将顶杆插入通孔中，使通孔与顶杆顶部之间紧密配合，顶杆顶部端面比基底镀膜面高0.5mm～1mm；

[3]在顶杆杆部打洞，将弹簧外套于顶杆杆部，在顶杆杆部洞内插入插销，使弹簧被压缩在插销和基底之间；

[4]与顶杆顶部端面同一侧的待测部件基底面，作为镀膜面进行打磨，平整光洁后，在镀膜面上进行镀膜；

[5]拔出插销，取出弹簧，在顶杆下端加载静载荷形式或动载荷形式的加载，分别获得膜不同的凸起面积半径。

2.如权利要求1所述的膜基结合性能的背面穿透式的测量方法，其特征是，步骤[1]中，所述的倒角，其角度范围为35°～85°之间。

3.如权利要求1所述的膜基结合性能的背面穿透式的测量方法，其特征是，所述的顶杆，其顶部与通孔倒角紧密配合，其杆身半径小于通孔半径。

4.如权利要求1所述的膜基结合性能的背面穿透式的测量方法，其特征是，所述步骤[5]，具体是：以在顶杆下端以静载形式加载，引起膜的挠曲变形，通过位移和力传感器测量膜的挠度和载荷大小，结合板壳理论公式算出膜基脱离能量释放率G，用来表征膜基结合力，具体如下：

$G=\frac{E{h}^3{u}_0^2}{12{(a-b)}^2}{(1-\mathrm{\λ})}^4(2F\left(\mathrm{\λ}\right)+\mathrm{\λ}{F}^{\′}\left(\mathrm{\λ}\right)),$

其中：h为薄膜厚度，u₀是薄膜最大挠度，a和b是脱离基体区域面积半径和中心半金字塔形区域半径， $F\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{2\ln \mathrm{\λ}+\frac{1+\mathrm{\λ}}{1-\mathrm{\λ}}{\ln }^2\mathrm{\λ}}{{[(1+\mathrm{\λ})\ln \mathrm{\λ}+2(1-\mathrm{\λ})]}^2},$ λ＝a/b。

5.如权利要求1所述的膜基结合性能的背面穿透式的测量方法，其特征是，所述步骤[5]，具体是：在顶杆下端以动载形式加载，在动载加载若干次数下，膜相应会发生挠曲，利用油浸法或者声发射显微镜得不同循环加载次数中对应的每次测得的脱离基体区域面积半径，获取不同循环加载次数下的膜疲劳裂纹扩散长度，表征膜疲劳性能。