CN102156069B - 一种双相材料界面混合断裂测试用夹具 - Google Patents
一种双相材料界面混合断裂测试用夹具 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于材料检测技术领域,具体为一种双相材料界面混合断裂测试用夹具。该夹具分为上下对称的两部分,各部分分别由拉杆、半圆形板和样品台构成,样品台通过螺栓与半圆形板连接;半圆形板通过插销和与拉杆连接;半圆形板的边缘处对称地开有若干圆孔;上、下拉杆分别与拉力机的上、下施力系统连接固定。本发明的夹具与万能力学拉力试验机配套使用,将有预裂纹的样品固定到夹具上,转动夹具,对样品施加不同角度的拉力;通过力—位移曲线,计算界面裂纹的临界断裂强度。本发明可方便地测定不同拉伸加载角度下,I、II型混合断裂模式的情况,也适用于测定双相材料界面I型断裂的情况。
Description
技术领域
本发明属于材料检测技术领域,具体涉及一种夹具,用于电子封装中不同材料界面不同模式断裂强度的测试。
背景技术
在集成电路封装的生产、测试工艺的过程中,或封装器件在恶劣环境中工作时,不同材料界面的分层现象经常发生,对于热膨胀系数(CTE)相差较大的两种材料之间的界面,分层现象尤其严重。例如,在塑封器件中,PCB、Si、塑封料、树脂等材料之间热膨胀系数不匹配的情况非常显著,当封装体在湿、热等载荷作用下,在这些材料之间的界面上很容易发生分层断裂,并且分层断裂通常是I、II型混合断裂模式。材料界面间断裂参数可以通过实验进行测定。常用的实验方法有四点弯曲、三点弯曲、楔形插入法、悬臂梁弯曲或Brazil-nut压缩法。上述方法中,界面预裂纹位于样品中部或边缘,测试结果通过理论分析或有限元法计算,以获得断裂参数。然而,对于前述电子封装器件中的界面,材料厚度很薄,并涉及到Si等脆性材料,不适于进行弯曲方式的实验,也不易于制备Brazil-nut压缩法所需的半圆形样品;另一方面,弯曲法、楔形插入法断裂相位角变化范围很小,不能在较大范围内获得断裂能量随断裂相位角变化的规律。为了有效、快速地测量双相材料界面I型或I、II型混合模式断裂参数,需要样品易于制备,具备灵活、准确的加载方式,提高效率。
发明内容
本发明的目的在于针对电子封装器件中不同材料之间的界面,克服现有技术的不足,提供一种能用于定量测试双相材料界面断裂参数的夹具。
本发明提供的双相材料界面混合断裂测试用夹具,分为上下对称的两部分,各部分分别由拉杆、半圆形板和样品台构成,其结构如图1和图2所示。样品台通过螺栓、螺帽、垫圈与半圆形板连接,半圆形板通过插销和螺帽与拉杆连接。所述半圆形板上的边缘处对称地开有若干圆孔;上、下拉杆再分别与拉力机的上、下施力系统连接,并用上下并帽分别固定。
本发明中,为了使拉力方向通过夹具的重心,可在拉杆和样品台之间加入适当厚度的垫片。
本发明中,拉杆由上、下两个圆柱体构成,上部圆柱体中心穿孔,下部圆柱体下端开矩形槽并穿通,侧面穿孔。上下各有1个拉杆。见图3所示。
本发明中,半圆形板正面看来为圆弧状并有一定厚度,正面在边缘处可以对称地开有7个孔,其中,2个孔对应30°,2个孔对应45°,2个孔对应60°,1个孔对应90°,(这些角度均指对应圆孔中心和半圆形板圆心间的连线,与半圆形板的底边构成的圆心角)。半圆形板的底面处开有四个孔(即这些孔在底面均匀分布,且垂直于底面),用于固定样品台。见附图4所示。上下各有1个半圆形板。
本发明中,所述样品台可以由上、下两块长方形块叠合组成。见图5所示。
本发明的夹具与满足精度要求的万能力学拉力试验机配套使用。将含有预裂纹的样品粘接或用机械方法固定在夹具的样品台上,样品台通过螺栓与半圆形板连接并固定,拉力机通过半圆形板上的对称孔用销钉传递拉力,能够实现自对准。若采用不同位置的对称孔施力,样品将沿不同角度受到拉力。由此可对样品沿不同角度加载而无需改变样品安装角度。加载过程中,用电脑记录力—位移曲线,利用界面断裂发生时的临界值计算界面的断裂强度。
本发明具体实施步骤为:
(1)制备含有预裂纹的双相材料界面样品,两种材料均为薄片状;
(2)将样品的上、下表面分别与夹具的样品台粘接或用机械方法(适用于能进行机械加工的样品)固定到夹具的样品台上;
(3)将样品台用螺栓固定到夹具的半圆形板上,选取一个拉伸角度,用销钉穿过相应对称孔与拉力机连接;
(4)由万能力学拉力试验机提供外力,记录力—位移曲线,直至界面裂纹发生扩展导致界面完全断裂;
(5)实验结果分析。
利用断裂力学方法计算界面的断裂参数。由于不同材料间的界面断裂较为复杂,通常采用有限元法计算断裂参数。利用有限元法,按照样品尺寸建立模型,施加测到的临界载荷,计算裂尖能量释放率G,由裂尖区域应力场可计算断裂相位角以及断裂韧度K I、K II。
步骤(2) 中,所述的粘接,可以使用502快干胶或504胶;所述的机械方法,可以使用螺丝等方式固定。
步骤(3)中,所述的拉伸角度,可以是30°、45°、60°和90°等(也可在两块半圆形板的其他位置对称开孔,相应地变化拉伸角度)。
本发明设计了适当的测试夹具,所需样品形式统一,可以对样品实现不同角度的轴向拉力,并具有以下优点:样品固定平台便于更换,可同时制备多个样品,提高效率;拉力角度准确,无需转动样品。最后结合计算和测试结果,获得界面混合断裂参数。
附图说明
图1是本发明所用夹具的整体组装示意图(按照90°拉伸角度组装的左视图)。
图2是本发明所用夹具的整体组装示意图(按照90°拉伸角度组装的正视图)。
图3是本发明所用夹具的拉杆部分的三视图。其中,(a)为拉杆的正视图,(b)为拉杆的左视图,(c)为拉杆的俯视图。
图4是本发明所用夹具的半圆形板部分的三视图。其中,(a)为半圆形板的正视图,(b)为半圆形板的左视图,(c)为半圆形板的俯视图。
图5是本发明所用夹具的样品台部分的三视图。其中,(a)为样品台的正视图,(b)为样品台的左视图,(c)为样品台的俯视图。
图6是本发明所用样品的受力示意图(拉伸角度为90°)。
图中标号:1为拉杆,2 为插销,3为螺帽,4为半圆形板,5为样品台,6为螺栓,7为螺帽,8为垫圈,9为垫片,10为并帽。
注:夹具为上下对称的一套,图中只是标注了其中的一半。
具体实施方式
以下结合附图和实施例,对本发明作详细说明。但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
拉杆由上、下两个圆柱体构成,上部圆柱体中心穿孔,下部圆柱体下端开矩形槽并穿通,侧面穿孔,上下各有1个拉杆;插销是直径为8毫米的螺栓,上下各有1根插销;螺帽3为插销专配,每根插销配2个螺帽;半圆形板正面看来为圆弧状并有一定厚度,例如厚度为2—4厘米,半圆形板正面边缘处共开有7个孔,2个孔对应30°,2个孔对应45°,2个孔对应60°,1个孔对应90°。半圆形板底面开四个孔,用于固定样品台,上下各有1个半圆形板;样品台由一大一小两块平台构成,垂直方向共开4个孔,上下各1个样品台;螺栓6是直径为4毫米螺钉,与螺帽7、垫圈8配套使用,用于将样品台固定在半圆形板上,每个样品台需用4个螺栓、4个螺帽和4个垫圈;垫片是为了保证拉力的方向通过夹具的重心;并帽与普通螺帽形状类似,用于将拉杆与拉力机的施力系统连接, 起固定作用,上下各1个。
由于夹具的上下部分是对称的,各个组成部件之间的位置关系由上至下依次为(以夹具的上半部分为例):拉杆,半圆形板,样品台。
各个组成部件之间的连接关系为:将固定有样品上下样品台用螺栓6、螺帽7、垫圈8分别与上下半圆形板连接,然后用插销和螺帽3分别与上下拉杆连接(为了使拉力方向通过夹具的重心,需在拉杆和样品台之间加入适当厚度的垫片),再分别与拉力机的上下施力系统连接,用上下并帽分别固定。装配各个部件时,必须注意上下部分选取的拉伸角度必须是一一对应的。
如图1-图5所示,本实施例可按照以下步骤进行:
第一步:准备尺寸为60mm×15mm×1.5mm的铜片,在80℃碱液(1L水中加80g磷酸三钠)中搅拌40min,除去铜片表面油污和氧化物。将铜片洗净并烘干,用聚酰亚胺胶带覆盖铜片表面的部分面积以形成预裂纹。铜片放入样品槽,将环氧树脂/固化剂(按环氧树脂:固化剂=1:0.15配制)混合液搅拌均匀直至无气泡出现,然后将液体缓慢倒入样品槽中至一定厚度。将样品在70℃和120℃下分别固化30min。样品冷却后修除环氧毛边,最后用机械方法使覆盖有聚酰亚胺胶带的界面部分形成预裂纹。
第二步:将样品用504胶粘接到样品台上,80℃下固化36h~48h。
第三步:按照图1所示,将上下拉杆1分别与拉力机连接,用并帽10固定;选取对称孔,将半圆形板4通过插销2连接到上下拉杆;再将样品台通过螺栓6、螺帽7、垫圈8与半圆形板4连接。
第四步:由万能力学试验机提供拉力,记录力—位移曲线,直至界面裂纹扩展断裂。
第五步:根据实验结果计算界面断裂参数。按照发明内容步骤(5)中所述的方法计算能量释放率以及其他断裂参数。
Claims (3)
1.一种双相材料界面混合断裂测试用夹具,其特征在于:该夹具分为上下对称的两部分,各部分分别由拉杆、半圆形板和样品台构成,所述样品台通过螺栓、螺帽、垫圈与所述半圆形板连接;所述半圆形板通过插销和螺帽与所述拉杆连接;上、下拉杆分别与拉力机的上、下施力系统连接,并用并帽分别固定;其中,所述半圆形板正面看来为圆弧状并有一定厚度,正面在边缘处对称地开有7个孔,其中,2个孔对应30°,2个孔对应45°,2个孔对应60°,1个孔对应90°,这些角度均指对应圆孔中心和半圆形板圆心间的连线、与半圆形板的底边构成的圆心角;使得相对于上下两部分半圆形板的对称中心、对称地采用上下两部分半圆形板不同位置的圆孔施力时,样品将沿不同角度受到拉力;半圆形板的底面处开有用于固定所述样品台的四个孔。
2.根据权利要求1所述的夹具,其特征在于:在所述拉杆和所述样品台之间加入有垫片。
3.根据权利要求1所述的夹具,其特征在于:所述拉杆为圆柱形体,上部圆柱体中心穿孔,下部圆柱体下端开矩形槽并穿通,侧面穿孔。
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