KR20020086019A - Specimen and test method of interfacial adhensive strength - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 계면접합강도 평가시편 및 그 계면접합강도 평가방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 시편의 계면접합강도를 표준화된 해석방법으로 간편하게 평가할 수 있도록 한 계면접합강도 평가시편 및 그 계면접합강도 평가방법에 관한 것이다.The present invention relates to an interface bonding strength evaluation specimen and an interface bonding strength evaluation method, and more specifically, to an interface bonding strength evaluation specimen and its interface bonding strength evaluation, which makes it easy to evaluate the interface bonding strength of the specimen by a standardized analysis method. It is about a method.
일반적으로 박막 및 패키징 기술에서 코팅재, 브래이징재, 용접재, 솔더재 등에 의해 접합된 서로 다른 재료간의 계면접합강도를 정확히 평가하는 것은, 소재 개발이나 패키징 실장 기술 개발에 있어서 매우 중요하다.In general, in the thin film and packaging technology, it is very important to accurately evaluate the interfacial bonding strength between different materials joined by a coating material, a brazing material, a welding material, a solder material, and the like in the development of materials or packaging packaging technology.
이러한 계면접합강도는 서로 다른 재료를 접합하는 데서 오는 실험적, 이론적 어려움 때문에 계면접합강도의 정량화가 이루어지지 못하고 있다. 이에 따라, 산업현장에서는 수많은 연구와 실험을 통해 경험적으로 계면접합강도를 구하는 다수의 방법들이 개발되어 사용되고 있다. 특히, 파괴역학시험을 응용하여 계면에균열을 도입하고 균열이 전파할 때 계면이 얼마나 저항하는가를 평가하는 계면파괴역학 시험법의 개발연구가 활발하다.These interfacial bond strengths cannot be quantified because of the experimental and theoretical difficulties in joining different materials. Accordingly, a number of methods have been developed and used empirically to obtain the interface bonding strength through a number of studies and experiments. In particular, research on the development of interfacial fracture mechanics test, which applies the fracture mechanics test and evaluates how resistant the interface is when cracks propagate, is active.
이러한 계면파괴역학 시험법을 이용하여 균열의 성장에 대해 계면이 저항하는 정도인 계면접합강도를 계면 파괴에너지로 평가하는 방법을 도 6 내지 도 10을 참조하여 설명하면 다음과 같다.Referring to FIGS. 6 to 10, a method for evaluating the interface bonding strength, which is the degree to which the interface resists the growth of cracks, using the interface fracture energy test method will be described with reference to FIGS. 6 to 10.
계면접합강도를 구하기 위해 사용되는 시편(51)은, 도 6에 도시된 바와 같이, 접합강도를 평가하려는 막대 형상의 기판(53)과, 기판(53)의 길이방향을 따라 일영역에 접합가공된 박막(55)을 포함한다. 시편(51)은 기판(53)만으로 이루어진 제1영역(Ⅰ)과, 기판(53)에 박막(55)이 부착된 제2영역(Ⅱ)으로 구분된다. 이러한 시편(51)의 제2영역에는 계면접합강도를 구하기 위한 시험을 수행하기 위해 기판(53)과 박막(55) 사이에 균열을 형성하며, 이러한 균열을 예비균열이라 한다.As shown in FIG. 6, the specimen 51 used to obtain the interfacial bonding strength is a rod-shaped substrate 53 to evaluate the bonding strength, and is bonded in one region along the longitudinal direction of the substrate 53. Thin film 55. The specimen 51 is divided into a first region (I) consisting only of the substrate 53 and a second region (II) having the thin film 55 attached to the substrate 53. In the second region of the specimen 51, a crack is formed between the substrate 53 and the thin film 55 to perform a test for obtaining interfacial bonding strength, and this crack is called a precrack.
이러한 시편(51)의 접합강도를 측정하기 위해서는 시편(51)을 고정하여 하중을 가해주는 하중인가시스템(60)이 사용되며, 하중인가시스템(60)은, 도 7에 도시된 바와 같이, 시편(51)의 제2영역(Ⅱ)을 고정하기 위한 시편고정부(61)와, 시편(51)에 하중을 인가하기 위한 하중인가부(65)와, 시편(51)의 위치를 전후좌우로 미세하게 조정하기 위한 한 쌍의 조절레버(63)를 갖는다.In order to measure the bonding strength of the specimen 51, a load application system 60 is used to fix the specimen 51 and apply a load. The load application system 60 is a specimen as shown in FIG. The test piece fixing part 61 for fixing the second area II of the part 51, the load applying part 65 for applying a load to the test piece 51, and the positions of the test piece 51 are moved back and forth and right and left. It has a pair of adjustment levers 63 for fine adjustment.
이러한 하중인가시스템(60)을 이용하여 시편(51)의 계면접합강도를 측정하는 과정은 다음과 같다.The process of measuring the interfacial bond strength of the specimen 51 using such a load application system 60 is as follows.
먼저, 도 6에 도시된 바와 같이, 시편(51)의 제1영역(I)에 하중을 가할 수 있도록 시편(51)의 제2영역(Ⅱ)을 시편고정부(61)에 외팔보 형상이 되도록 고정시킨다. 그런 다음, 시편고정부(61)로부터 일정 거리 이격된 하중점이 하중인가부(65)의 하부에 위치하도록 조절레버(63)로 시편(51)의 위치를 미세조정한 다음, 하중인가부(65)를 하강시켜 제1영역(Ⅰ)에 하중을 가하게 된다.First, as shown in FIG. 6, the second region II of the specimen 51 may be cantilevered to the specimen fixing portion 61 so as to apply a load to the first region I of the specimen 51. Fix it. Then, finely adjust the position of the specimen 51 with the control lever 63 so that the load point spaced a certain distance from the specimen fixing portion 61 is located below the load application portion 65, and then the load application portion 65 ) Is applied to the first region (I).
이렇게 하중을 가할 때, 도 8에 도시된 바와 같이, 하중의 증가에 따라 시편(51)의 변위가 증가하게 되며, 기판(53)과 박막(55)간의 균열길이가 급격히 커지게 된다. 이러한 균열길이의 변화를 시간에 따라 살펴보면, 도 9에 도시된 바와 같이, 예비균열이 종료하고 균열성장이 시작되는 점에서 균열길이가 순간적으로 급격히 증가하게 된다. 도 8에 도시된 바와 같이, 기판(53)과 박막(55)간의 균열길이가 급격히 커지게 되면, 하중은 급격히 감소하는 경향을 나타낸다. 균열이 하중점과 반대방향으로 성장하기 때문에 균열되는 점에 가해지는 모멘트(힘)는 균열의 성장에 따라 더 커지게 된다. 이는 균열성장에 더 큰 구동력을 제공할 수 있기 때문에, 가해주는 하중은 오히려 감소하는 경향을 나타내는 것이다.When the load is applied in this way, as shown in FIG. 8, the displacement of the specimen 51 increases as the load increases, and the crack length between the substrate 53 and the thin film 55 increases rapidly. Looking at the change in the crack length with time, as shown in Figure 9, the crack length is instantaneously increased at the point where the pre-crack ends and crack growth begins. As shown in FIG. 8, when the crack length between the substrate 53 and the thin film 55 increases rapidly, the load tends to decrease rapidly. Because the crack grows in the opposite direction to the load point, the moment (force) applied to the crack point becomes larger as the crack grows. Since this can provide greater driving force to crack growth, the load applied tends to decrease.
그런데, 이러한 종래의 방법으로 계면접합강도를 측정하게 되면, 균열전파가 급작스럽게 일어나기 때문에 하중과 균열길이간의 상관관계를 파악하기가 어렵고, 실험장비의 관성 및 측정민감도 때문에 평가된 게면 파괴에너지의 값이 과대평가되는 문제가 있다. 또한, 단지 광학현미경을 이용하여 균열을 관찰하기 때문에 실시간 측정이 불가능할 뿐만 아니라, 상당한 오차를 유발하여 정확한 균열길이를 측정할 수 없다는 문제점이 있다. 이에 따라, 갑작스러운 균열전파를 방지하고, 정확하게 균열길이를 측정할 수 있는 방법을 모색하여야 할 것이다.However, when the interfacial bond strength is measured by this conventional method, it is difficult to grasp the correlation between the load and the crack length because the crack propagation occurs abruptly, and the value of the surface fracture energy evaluated due to the inertia and measurement sensitivity of the experimental equipment. There is a problem that is overestimated. In addition, since only the optical microscope is used to observe the crack, not only real time measurement is possible, but also there is a problem that it is impossible to measure the exact crack length by causing a considerable error. Accordingly, it is necessary to find a method to prevent the sudden crack propagation and to accurately measure the crack length.
따라서, 본 발명의 목적은, 계면접합강도의 측정을 간편하고 용이하게 할 수 있도록 하는 계면접합강도 평가시편 및 그 계면접합강도 평가방법을 제공하는 것이다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide an interfacial bond strength evaluation specimen and its interfacial bond strength evaluation method, which can facilitate and easily measure the interfacial bond strength.
또한 본 발명의 목적은, 갑작스러운 균열전파를 방지하고, 정확하게 균열길이를 측정할 수 있도록 함으로써, 계면접합강도의 측정을 간편하고 용이하게 할 수 있는 계면접합강도 평가시편 및 그 계면접합강도 평가방법을 제공하는 것이다.It is also an object of the present invention to prevent the sudden crack propagation and to accurately measure the crack length, so that the interface bonding strength evaluation specimen and the interface bonding strength evaluation method that can easily and easily measure the interface bonding strength To provide.
도 1은 본 발명에 따른 시편 형태와 하중인가시스템 고정상태의 측면도,1 is a side view of the specimen form and the load application system fixed state according to the invention,
도 2는 도 1의 시편에 하중을 가할 때 하중과 변위의 관계를 나타낸 그래프,Figure 2 is a graph showing the relationship between the load and displacement when applying a load on the specimen of Figure 1,
도 3은 도 1의 시편에 하중을 가할 때 시간에 따른 균열길이의 변화를 나타낸 그래프,3 is a graph showing a change in crack length with time when a load is applied to the specimen of FIG.
도 4는 도 1의 시편에 하중을 가할 때 균열부위에 작용하는 모멘트와 균열길이의 관계를 나타낸 그래프,Figure 4 is a graph showing the relationship between the moment and the crack length acting on the crack when applying the load to the specimen of Figure 1,
도 5는 본 발명에 따라 얻어진 계면접합에너지와 변위와의 관계를 나타낸 그래프,5 is a graph showing the relationship between the interfacial junction energy and displacement obtained in accordance with the present invention,
도 6은 종래의 시편의 하중인가시스템 고정상태의 측면도,6 is a side view of a conventional load application system fixed state of the specimen;
도 7은 하중인가시스템의 평면도,7 is a plan view of the load application system,
도 8은 도 6의 시편에 하중을 가할 때 하중과 변위와의 관계를 나타낸 그래프,8 is a graph showing a relationship between a load and a displacement when a load is applied to the specimen of FIG. 6,
도 9는 도 6의 시편에 하중을 가할 때 시간에 따른 균열길이의 변화를 나타낸 그래프,9 is a graph showing a change in crack length with time when a load is applied to the specimen of FIG.
도 10은 도 6의 시편에 하중을 가할 때 모멘트와 균열길이와의 관계를 나타낸 그래프이다.FIG. 10 is a graph showing a relationship between a moment and a crack length when a load is applied to the specimen of FIG. 6.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for the main parts of the drawings
1 : 시편 3 : 기판1 specimen 3: substrate
5 : 박막 7 : 접착제5: thin film 7: adhesive
9 : 보강재 60 : 하중인가시스템9: reinforcement 60: load application system
61 : 기판고정부61: substrate fixing
상기 목적은, 본 발명에 따라, 하중인가장치의 지그에 고정되는, 기판만으로 이루어진 제1영역과; 하중인가장치의 하중인가부에 의해 하중이 가해지는, 상기 기판의 일측에 상기 기판과 상이한 재질로 이루어진 제2재료 및 상기 기판과 동일한 재질로 이루어진 보강재를 적층시켜 형성된 제2영역을 갖는 것을 특징으로 하는 계면접합강도 평가시편에 의해 달성된다.The object is, according to the present invention, a first region consisting of only a substrate, which is fixed to a jig of a load application device; A second region formed by laminating a second material made of a different material from the substrate and a reinforcement made of the same material as the substrate, on one side of the substrate to which the load is applied by the load applying unit of the load applying apparatus. The interface bonding strength is achieved by the test specimen.
상기 제2영역의 제2재료는 박막이며, 상기 박막의 제조전에 상기 기판에 대해 접착력이 낮은 구리를 상기 기판에 부분적으로 코팅하여 상기 기판과 상기 박막의 접착력을 저하시킨 예비균열이 형성되어 있는 것이 바람직하다.The second material of the second region is a thin film, and before the thin film is manufactured, a precrack formed by partially coating copper having low adhesion to the substrate to the substrate to reduce the adhesion between the substrate and the thin film. desirable.
한편, 상기 목적은, 본 발명의 다른 분야에 따르면, 기판만으로 이루어진 제1영역과, 상기 기판의 일측에 상기 기판과 상이한 재질로 이루어진 제2재료를 부착하여 형성된 제2영역을 갖는 시편의 계면접합강도 평가방법에 있어서, 상기 제2영역에 상기 기판과 동일한 재질로 이루어진 보강재를 결합시키는 단계와; 상기 시편의 제1영역을 임의의 지그에 고정하는 단계와; 상기 시편의 제2영역에 하중을 가하는 단계와; 상기 하중이 가해짐에 따라 발생하는 상기 기판과 상기 제2재료간의 균열길이를 측정하는 단계와; 상기 하중과 균열길이와의 관계를 이용하여 상기 기판과 상기 제2재료간의 균열이 발생하는 임계에너지인 임계 파괴에너지를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 시편의 계면접합강도 평가방법에 의해서도 달성될 수 있다.On the other hand, the object is, according to another field of the present invention, the interface bonding of the specimen having a first region consisting of only the substrate and a second region formed by attaching a second material made of a different material to the substrate on one side of the substrate A strength evaluation method comprising: coupling a reinforcement made of the same material as the substrate to the second region; Fixing the first region of the specimen to an arbitrary jig; Applying a load to the second region of the specimen; Measuring a crack length between the substrate and the second material that occurs as the load is applied; A critical fracture energy, which is a critical energy at which a crack occurs between the substrate and the second material, is calculated by using the relationship between the load and the crack length. Can be.
여기서, 상기 하중이 증가할 때 상기 기판과 상기 제2재료간의 균열 발생 지점에 가해지는 힘, 즉, 구동력이 작아지도록 시편을 설계하는 것이 바람직하다.Here, it is preferable to design the specimen so that the force applied at the point of occurrence of cracking between the substrate and the second material, that is, the driving force, becomes smaller when the load increases.
상기 제2영역의 제2재료는 박막이며, 상기 박막의 제조전에 상기 기판에 대해 접착력이 낮은 구리를 상기 기판에 부분적으로 코팅하여 상기 기판과 상기 박막의 접착력을 저하시킨 예비균열이 형성되어 있는 것이 바람직하다.The second material of the second region is a thin film, and before the thin film is manufactured, a precrack formed by partially coating copper having low adhesion to the substrate to the substrate to reduce the adhesion between the substrate and the thin film. desirable.
상기 임계하중에서의 상기 균열길이는 컴플라이언스 방법을 적용하여 도출된 다음의 수학식에 의해 산출되는 것이 바람직하다.The crack length at the critical load is preferably calculated by the following equation derived by applying the compliance method.
여기서, Ｅ1,Ｅ2,Ｅ3,Ｅ4는 각 재료의 탄성계수, Ｌ은 시편고정부에 고정된 영역을 제외한 시편의 길이, ｃ는 균열길이, ｌ은 제1영역에서 ｃ만큼을 뺀 길이이다.Where E 1 , E 2 , E 3 , and E 4 are the modulus of elasticity of each material, L is the length of the specimen excluding the area fixed to the specimen fixing part, c is the crack length, and c is the first area minus c. Length.
상기 임계 파괴에너지는 다음의 수학식에 의해 산출되는 것이 바람직하다.The critical breakdown energy is preferably calculated by the following equation.
여기서,이고,이다.here, ego, to be.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail with respect to the present invention.
일반적으로 힘을 받는 재료가 파괴를 일으키는 현상을 설명할 때는 파괴가 일어나는 순간에 가해진 힘의 임계값을 정의하여 사용한다. 이는 가해진 힘이 그 임계값을 초과해야만 파괴가 일어나기 때문이다. 파괴현상을 설명하는 가장 간단한 임계값으로는 파괴시 가해진 힘을 파괴 단면적으로 나눈 값인 파괴강도가 사용된다. 한편, 임계값을 에너지 형태로 정의하기도 하는데, 힘이 가해지면 재료에 변형에너지가 축적되고 이 에너지가 너무 커져 재료가 견딜 수 없게 되면 파괴가 일어나기 때문이다. 이와 같이, 파괴가 일어나는 임계에너지에 해당하는 것이 임계 파괴에너지이다. 실험오차를 줄이고 정량적으로 임계값을 적용하기 위해서는 파괴강도보다는 파괴에너지 개념을 이용하는 것이 바람직하다.In general, when describing a phenomenon in which a force-induced material causes fracture, define and use the threshold of force applied at the moment of failure. This is because failure occurs only if the applied force exceeds its threshold. The simplest threshold to explain the failure phenomenon is the failure strength, which is the value of the force exerted by the failure divided by the cross-sectional area. On the other hand, the threshold is sometimes defined as an energy form, because when the force is applied, strain energy accumulates in the material, and when this energy becomes too large to cause the material to withstand breakdown. In this way, it is the critical fracture energy that corresponds to the critical energy at which destruction occurs. In order to reduce the experimental error and apply the threshold quantitatively, it is desirable to use the concept of fracture energy rather than fracture strength.
이러한 파괴에너지 개념은 서로 다른 두 재료가 붙어 있는 계면의 파괴에도 적용할 수 있으며, 임계 파괴에너지는 계면의 파괴시의 임계값으로 사용될 수 있다. 이 임계 파괴에너지를 계면접합강도라고 한다. 이에 따라, 본 계면접합강도 평가방법은 시편 균열시의 파괴에너지를 정량화하는 방식으로 계면접합강도를 평가하게 된다.This concept of failure energy can be applied to the breakdown of the interface between two different materials, and the critical breakdown energy can be used as the threshold value at the breakdown of the interface. This critical breakdown energy is called interfacial bonding strength. Accordingly, the present interface bonding strength evaluation method evaluates the interface bonding strength by quantifying fracture energy at the time of specimen cracking.
본 평가방법에 사용되는 계면접합강도 평가시편(1, 이하, '시편'이라 함)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 접합강도를 평가하려는 기판(3)과, 박막(5)과, 기판(3)과 동일한 소재로 형성된 보강재(9)가 순차적으로 적층결합되어 마련된다. 이 때, 보강재(9)는 소재에 따라 접착제(7)나 접합소재를 사용하여 박막(5)에 부착하거나, 고온 열확산이나 용접 등의 방법으로 박막(5)에 부착할 수도 있다.The interfacial bond strength evaluation specimen (1, hereinafter referred to as 'test specimen') used in the evaluation method includes a substrate 3, a thin film 5, and a substrate to be evaluated for bonding strength, as shown in FIG. The reinforcing material 9 formed of the same material as (3) is provided by being laminated in sequence. At this time, the reinforcing material 9 may be attached to the thin film 5 using the adhesive 7 or the bonding material depending on the material, or may be attached to the thin film 5 by a method such as high temperature thermal diffusion or welding.
시편(1)은 일측으로 긴 막대형상으로 형성되며, 박막(5)과 보강재(9)는 시편(1)의 길이방향을 따라 기판(3)의 일측 영역에만 부착되어 있다. 여기서, 기판(3)만으로 이루어진 영역을 제1영역(Ⅰ)이라 하고, 기판(3)에 박막(5)과 보강재(9)가 부착된 영역을 제2영역(Ⅱ)이라 한다.The specimen 1 is formed in a long bar shape to one side, the thin film 5 and the reinforcing material 9 is attached only to one region of the substrate 3 along the longitudinal direction of the specimen (1). Here, the region which consists only of the board | substrate 3 is called 1st area | region I, and the area | region where the thin film 5 and the reinforcing material 9 were attached to the board | substrate 3 is called 2nd area | region II.
이러한 시편(1)은 실험전에 기판(3)과 박막(5) 사이에 예비균열을 형성하게 되며, 박막의 종류에 따라 예비균열을 형성하는 방법이 다양하다. 예를 들어, 고속도강 기판에 TiN 박막을 접착하여 시편(1)을 제조하는 경우, 박막의 제조전에 고속도강에 대해 접착력이 낮은 구리를 기판(3)에 부분적으로 코팅함으로써, 기판(3)과 박막(5)의 접착력을 저하시켜 예비균열을 형성한다. 이러한 예비균열영역은 제1영역(Ⅰ)에 포함된다.The test piece 1 forms a precrack between the substrate 3 and the thin film 5 before the experiment, and there are various methods of forming the precrack according to the type of the thin film. For example, when the TiN thin film is bonded to a high speed steel substrate to prepare the specimen 1, the substrate 3 and the thin film (part 3) may be partially coated with copper having low adhesion to high speed steel before the thin film is manufactured. The precrack is formed by lowering the adhesion of 5). This precracking region is included in the first region (I).
이러한 시편(1)의 계면접합강도를 평가하기 위한 실험은 변위제어방식을 사용하게 되는데, 변위제어방식이란 시편(1)의 변위가 일정하게 증가하도록 하중의 인가를 제어하고, 이 때의 하중을 측정하는 방식이다.The experiment for evaluating the interface bonding strength of the specimen (1) is to use a displacement control method, the displacement control method is to control the application of the load so that the displacement of the specimen (1) is constantly increased, the load at this time How to measure.
변위제어방식을 이용하여 계면접합강도를 평가하는 과정은 다음과 같다.The process of evaluating interfacial bond strength using the displacement control method is as follows.
먼저, 도 7에 도시된 바와 같은 하중에 따른 시편의 변형을 측정할 수 있는 하중인가시스템(60)에 시편(1)을 고정하며, 이 때, 시편(1)의 제1영역(Ⅰ)을 검사장비(60)의 시편고정부(61)에 고정한다. 그런 다음, 제2영역(Ⅱ)의 소정 위치의 하중점에 하중인가부(65)를 하강시켜 하중을 가하게 된다. 이렇게 하중을 인가하는 도중, 하중인가시스템(60)에서는 하중의 시간경과에 따른 시편(1)의 변위와, 기판(3)과 박막(5)간의 균열길이를 측정하게 된다.First, the specimen 1 is fixed to a load application system 60 capable of measuring the deformation of the specimen according to the load as shown in FIG. 7, and at this time, the first region I of the specimen 1 is It is fixed to the specimen fixing portion 61 of the inspection equipment (60). Then, the load application part 65 is lowered to the load point at the predetermined position of the second region II to apply the load. During the load application, the load application system 60 measures the displacement of the specimen 1 with the passage of time of the load and the crack length between the substrate 3 and the thin film 5.
하중인가시스템(60)에 의해 측정된 하중에 따른 시편(1)의 변위는, 도 2에 도시된 바와 같다. 시편(1)에 가해지는 하중이 일정 이하인 구간에서는 시편(1)의 변위가 하중에 비례하여 증가하며, 이 때 시편(1)의 변위는 기판(3)의 탄성력에 의해 일정한 비율로 증가한다. 이 구간을 탄성변형영역이라 한다. 이 탄성변형영역을 지나면 하중의 증가에 따라 변위가 탄성변형영역에 비해 급한 기울기를 가지고 증가하며, 이 때, 기판(3)과 박막(5)간의 균열전파가 시작된다. 이렇게 균열전파가 시작되는 임계점을 임계하중점이라 하고, 이 때의 하중을 임계하중Ｐc라 한다.The displacement of the specimen 1 according to the load measured by the load application system 60 is as shown in FIG. In a section where the load applied to the specimen 1 is less than or equal to a certain amount, the displacement of the specimen 1 increases in proportion to the load, and the displacement of the specimen 1 increases at a constant rate by the elastic force of the substrate 3. This section is called an elastic deformation region. After this elastic deformation region, the displacement increases with a steeper slope than the elastic deformation region as the load increases, and at this time, crack propagation between the substrate 3 and the thin film 5 starts. The critical point at which the crack propagation starts is called the critical load point, and the load at this time is called the critical load Pc.
한편, 균열전파가 시작된 후의 시간의 경과에 따른 균열길이를 측정해 보면, 도 3에 도시된 바와 같이, 시간의 경과에 따라 균열길이가 급격히 증가하지 아니하고, 일정 비율로 증가하고 있다. 이는 균열이 하중점 방향으로 성장함에 따라 균열이 발생하는 점에 가해지는 모멘트(힘)가, 도 4에 도시된 바와 같이, 균열길이가 커질수록 작아지기 때문이다. 따라서, 하중이 증가하더라도 균열이 급격히 성장하지 않고 안정적으로 이루어지게 된다.On the other hand, when the crack length is measured over time after the crack propagation starts, as shown in FIG. 3, the crack length does not increase rapidly but increases at a constant rate as time passes. This is because the moment (force) applied to the point where the crack occurs as the crack grows in the load point direction becomes smaller as the crack length increases, as shown in FIG. 4. Therefore, even if the load increases, the crack does not grow rapidly and is made stable.
이러한 실험을 통해 얻어진 도 2 및 도 3의 그래프를 이용하여 시편(1)의 파괴에너지를 산출하는 과정은 다음과 같다.The process of calculating the fracture energy of the specimen 1 using the graphs of FIGS. 2 and 3 obtained through the experiment is as follows.
먼저, 하중Ｐ가 시편(1)에 가해질 때 시편(1)에 축적되는 전체 에너지를 구하기 위해, 고전 빔굽힘 이론을 이용하여 시편(1)의 제1영역(Ⅰ)과 제2영역(Ⅱ)에서의 에너지를 구하면 다음과 같다.First, in order to obtain the total energy accumulated in the specimen 1 when the load P is applied to the specimen 1, the first region I and the second region II of the specimen 1 using classical beam bending theory. The energy in is given by
[수학식1][Equation 1]
여기서, ｈ1,ｈ2,ｈ3,ｈ4는 각각 시편(1)을 이루는 보강재(9), 접합제, 박막(5), 기판 각각의 두께이며, ｂ는 각 재료의 가로방향 폭, Ｅ1,Ｅ2,Ｅ3,Ｅ4는 각 재료의 탄성계수이다. 그리고, Ｌ은 시편고정부(61)에 고정된 영역을 제외한 시편(1)의 길이, ｃ는 균열길이, ｌ은 제1영역(Ⅰ)에서 ｃ만큼을 뺀 길이이다.Here, ｈ 1 , ｈ 2 , ｈ 3 , ｈ 4 are the thickness of each of the reinforcement 9, the binder, the thin film 5, and the substrate constituting the test piece 1, respectively, where ｂ is the width of each material in the horizontal direction, E 1 , E 2 , E 3 , and E 4 are elastic moduli of each material. L is the length of the specimen 1 except for the region fixed to the specimen fixing portion 61, c is the crack length, and ｌ is the length obtained by subtracting c from the first region (I).
한편, [수학식1]에서 Ｉ4와 Ｉc는 다음과 같이 표현된다.On the other hand, I4 and Ic in Equation 1 are expressed as follows.
임계 파괴에너지는 균열의 단위면적당 전파에 따른 전체에너지 변화이므로, [수학식1]을 이용하면 임계 파괴에너지Ｇc를 다음과 같이 계산할 수 있다.The critical breakdown energy is the total energy change according to the propagation per unit area of the crack, so using [Equation 1], the critical breakdown energy Ｇc can be calculated as follows.
[수학식2][Equation 2]
이에 따라, 상기의 실험을 통해 임계하중Ｐc와 균열길이를 측정하면, [수학식1]을 통해 임계 파괴에너지를 구할 수 있으며, 구해진 임계 파괴에너지를 계면접합강도의 기준으로 활용할 수 있다. 즉, 상술한 바와 같이, 하중이 가해지면 시편(1)에 변형에너지가 축적되고 이 에너지가 너무 커져서 견딜 수 없게 되면 파괴가 일어나며, 이와 같이 파괴가 일어나도록 하는 임계 파괴에너지는 기판(3)과 박막(5)이 접착된 계면의 계면접합강도에 대응되는 값이 된다.Accordingly, when the critical load Pc and the crack length are measured through the above experiment, the critical fracture energy can be obtained through Equation 1, and the obtained critical fracture energy can be used as a criterion of interfacial bonding strength. That is, as described above, when a load is applied, strain energy accumulates in the specimen 1, and when this energy becomes too large to be tolerated, fracture occurs. The value corresponds to the interface bonding strength of the interface to which the thin film 5 is bonded.
한편, 이와 같은 계면접합강도 평가실험에서 균열길이의 측정은 필수적이나, 실험중 균열길이를 측정하는 것은 그 정확도가 떨어진다. 이에 따라, 균열길이를 직접 측정하지 않고도 파괴에너지를 구할 수 있도록 컴플라이언스 방법을 적용하면, 컴플라이언스S는 변위δ 및 하중P와 다음과 같은 관계를 갖는다.On the other hand, it is essential to measure the crack length in the interface bonding strength evaluation experiment, but measuring the crack length during the experiment is less accurate. Accordingly, if the compliance method is applied so that fracture energy can be obtained without directly measuring the crack length, the compliance S has the following relationship with the displacement δ and the load P.
이고, ego,
이므로, Because of,
따라서, 균열길이ｃ는 다음의 [수학식3]과 같이 구해진다.Therefore, crack length c is calculated | required as following [Equation 3].
[수학식3][Equation 3]
이러한 균열길이를 구하는 [수학식3]을 [수학식2]에 대입하면, 임계 파괴에너지는 다음과 같이 정리할 수 있다.Substituting [Equation 3] into [Equation 2] for obtaining such a crack length, the critical fracture energy can be summarized as follows.
[수학식4][Equation 4]
여기서,이고,이다.here, ego, to be.
따라서, 임계하중에서의 균열길이를 측정함으로써, 하중과 변위에 관한 정보만으로 임계 파괴에너지를 구할 수 있다. 이러한 [수학식4]를 이용하여 파괴에너지를 산출하여 균열길이와 비교해 보면, 도 5에 도시된 바와 같이, 균열이 되는 동안 파괴에너지는 일정함을 알 수 있다.Therefore, by measuring the crack length at the critical load, the critical fracture energy can be obtained only by the information on the load and the displacement. When the fracture energy is calculated using the Equation 4 and compared with the crack length, as shown in FIG. 5, the fracture energy is constant during the crack.
이와 같이, 본 평가방법에서는, 균열길이에 따른 파괴에너지중 최대값을 임계 파괴에너지로 취하여 계면접합강도의 정량적 지수로 활용함으로써, 균열길이와 임계하중만을 알면 계면의 임계 파괴에너지를 간편하게 구할 수 있다. 뿐만 아니라, 균열길이와 임계하중만으로 임계 파괴에너지의 측정이 가능하므로, 측정하려는박막 또는 솔더의 기계적 물성에 대한 정보가 필요하지 않게 된다. 또한, 실험에 의해 얻어지는 하중과 변위의 관계를 이용하여 기판과 박막 간 계면의 균열길이를 계산하는 식을 도출해 냄으로써, 균열이 전파되는 동안 균열길이를 실시간으로 알 수 있다. 따라서, 임계하중만을 구하면 임계 파괴에너지를 구할 수 있다. 한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 균열이 안정적으로 이루어지기 때문에 파괴에너지의 과대평가를 해소할 수 있으므로, 보다 정확한 계면접합강도의 평가가 가능하게 된다.Thus, in this evaluation method, the critical fracture energy of the interface can be obtained simply by knowing only the crack length and the critical load by taking the maximum value of the fracture energy according to the crack length as the critical fracture energy and using it as a quantitative index of the interface bonding strength. . In addition, since the critical fracture energy can be measured only by the crack length and the critical load, information on the mechanical properties of the thin film or the solder to be measured is not necessary. In addition, by deriving an equation for calculating the crack length at the interface between the substrate and the thin film using the relationship between the load and the displacement obtained by the experiment, the crack length can be known in real time during the propagation of the crack. Therefore, if only the critical load is obtained, the critical breakdown energy can be obtained. On the other hand, as shown in Figure 3, because the crack is made stable, the overestimation of the breakdown energy can be eliminated, it is possible to more accurately evaluate the interface bonding strength.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 간편하고 정확하게 계면접합강도의 평가가 가능하게 된다.As described above, according to the present invention, it is possible to easily and accurately evaluate the interface bonding strength.
또한 본 발명에 따르면, 갑작스러운 균열전파를 방지하고, 정확하게 균열길이를 측정할 수 있도록 함으로써, 계면접합강도의 측정을 간편하고 용이하게 할 수 있다.In addition, according to the present invention, it is possible to prevent the sudden crack propagation and to accurately measure the crack length, thereby making it easy and easy to measure the interfacial bonding strength.
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