专利名称：一种包衣薄膜与基层之间界面粘附强度的直接测量方法
技术领域：
本发明涉及包衣薄膜与基层之间界面粘附强度的测量技术。
背景技术：
由不同材料构成的薄层结构，即薄膜-基层结构，越来越多地在许多先进技术中得到了广泛应用。在印刷电路和封装领域中，存在着大量的超薄包衣薄膜-基层结构，薄膜与基层之间的界面粘附强度决定着膜-基结构的可靠性。通常采用一个称之为“能量释放率”的指标来评价薄膜与基层之间的界面粘附强度，即单位面积的薄膜脱离基层时所需要的能量(断裂能，对应于粘附能)。能量释放率的测量计算，通常采用流体静压鼓泡试验或者轴载鼓泡试验实现在膜-基结构的基层上开一个半径为d的小孔，通过小孔对薄层结构加载，从而使包衣薄膜与基层分离，并形成一个稳定的鼓泡，然后测得这个稳定鼓泡的高度(扰度)w及其对应的荷载F和鼓泡半径a，然后计算出外力所做的功Uf和储存在包衣薄膜中的弹性应变能Ue。那么，外力所做的功Uf减去薄膜的弹性应变能Ue则为包衣薄膜脱离基层时所需要的断裂能， 单位面积上的断裂能即为能量释放率G。由于流体静压鼓泡试验难以在试验中控制好压力、 鼓泡半径和鼓泡高度的同时测量工作，从而影响着外力所做的功叫的精确计算。相比而言， 轴载鼓泡试验更方便于测量工作，因而得以提倡。然而，无论是流体静压鼓泡试验，还是轴载鼓泡试验，现有测试技术都不可避免地涉及到外力所做的功Uf和薄膜的弹性应变能Ue这两项计算工作。外力所做的功Uf通常采用跟踪式同时测量所施加的外力Fi及其对应的鼓泡的高度(扰度)Wi，然后通过矩形法或
/ W
者梯形法近似计算积分仏=[F(w)dw，因而，跟踪式同时测量工作的准确性，影响着Uf的
计算精度，同时还必须加大测量密度，否则将带来近似积分的计算误差；而薄膜弹性应变能队的计算涉及到薄膜结构的力学求解工作，利用薄膜结构的荷载与扰度的解析解，计算出薄膜的弹性应变能Ue,因而，力学求解工作的准确性影响着Ue的计算精度，通常薄膜问题大多数为非线性问题，难以精确求解。这样，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，这些困难一直困扰着该领域世界范围内的学者们。总而言之，现有测试技术在精确计算外力所做的功Uf和薄膜的弹性应变能Ue时， 通常都会遇到一些技术上难以克服的困难，这也是现有测试技术的不足之处。
发明内容
为了克服现有测试技术的不足之处，本发明给出了一种包衣薄膜与基层之间界面粘附强度的直接测量方法。该方法不需要对外力所做的功Uf和薄膜的弹性应变能Ue进行单独计算(从而克服了现有测试技术的不足之处)，具有操作简便、测量参数少等优点。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是如图1所示，准备一块包衣薄膜-基层结构的试件(由图1中的“1”和“2”组成)，采用钻或者化学蚀刻的办法，在膜-基结构
3的基层上开一个半径为d的小孔，小孔贯穿基层直至包衣薄膜(图1中“1”)与基层(图1 中“2”)的接触界面，这样就制作成了一块试验所需要的待检测样品。采用一个圆柱型的轴杆作为加载轴(图1中“3”)，加载轴通过基层上的小孔可对粘附在基层上的包衣薄膜施加荷载。选择一支高质量的弹簧(图1中“4”，弹性系数为k)，采用“十字螺杆推进”(由图1 中的“5”、“6”和“7”组成)的方法，缓慢扭动螺栓的板手(图1中“6”)，使螺栓的螺杆(图 1中“5”)沿着十字方向推进弹簧的一端，让弹簧的另一端推进加载轴，加载轴的另一端则可以通过基层上的小孔对包衣薄膜施加荷载，从而使包衣薄膜缓慢脱离基层并形成一个鼓泡。随着螺栓板手的缓慢扭动，鼓泡将会由小变大。设螺栓的螺杆被推进了一段距离L后， 可以获得一个大小适当的鼓泡(即所形成的鼓泡的几何尺寸能够满足测量工作的精度要求)，然后停止扭动螺栓板手，那么包衣薄膜将会最终形成一个半径为a、高度为W0的稳定鼓泡。等鼓泡充分稳定后，准确测量出这个稳定鼓泡的半径a和高度^。由图1可以看出， 此时弹簧的实际伸长量为L-w。，设此时作用在包衣薄膜上的力为Fa，则静力Fa = k(L-W0)。 研究这个半径为a的周边夹紧的圆薄膜在静力Fa作用下的平衡问题可知，静力平衡时储存在包衣薄膜中的弹性应变能应该是Urf = Fa-W0 = k(L-W0) · 。，即静力Fa所做的功，被全部转化为了包衣薄膜中的弹性应变能Urf。而这一加载过程实际上等效于先将弹簧压缩L，然后再释放弹簧去对膜-基系统做功，使包衣薄膜形成一个半径为a、高度为W。的稳定鼓泡， 因此被压缩的弹簧所释放的能量(即弹簧作为外力对膜-基系统所做的功)应该是Uf = ^klJ -^k(L-Wo)2 = ULwo-^kw1o于是，包衣薄膜脱离基层时所需要的能量应该是UF_Urf，即外力所做的功Uf减去包衣薄膜中的弹性应变能urf，则为释放在断裂界面上的断裂能。断裂界面的面积应该是S = 沉(a-d)2，因此，能量释放率为G= (Up-Uef)/S, BP
^ kw2G= ° 。
2π(α- )2这样，将鼓泡半径a和高度Wtl的测量值代入以上公式中，则可以计算出包衣薄膜与基层之间的界面粘附强度(即包衣薄膜脱离基层时的能量释放率G)，其中弹簧的弹性系数k和基层上的小孔半径d作为已知参量，π是圆周率，所有参量皆采用国际单位制。由以上可以看到，与现有测试技术相比，本发明的有益技术效果是由于巧妙利用了一个具有积分特性的元件(弹簧)，实现了对能量的精确“收集”，因而不必对外力所做的功Uf进行单独计算，从而避免了这项测量及计算工作；也不需要对薄膜的弹性应变能Ue进行单独计算，避免了对薄层结构非线性问题的求解工作；测试工作仅与稳定鼓泡的几何尺寸测量有关，最大限度地减少了测试误差的产生因素。
图1为直接测量包衣薄膜与基层之间界面粘附强度的结构示意图。在图1中， 1-膜-基结构中的包衣薄膜，2-膜-基结构中的基层，3-加载轴，4-弹簧，5-螺栓的螺杆， 6-螺栓的板手，7-螺母，8-钢轨道管，9-支架，10-操作承台。其中，本发明中所谓的“十字螺杆推进”加载装置由螺栓(5、6)和螺母(7)组成。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的详细说明如图1所示，准备一块包衣薄膜-基层结构的试件(由图1中的“1”和“2”组成)， 采用钻或者化学蚀刻的办法，在膜-基结构的基层上开一个半径为d的小孔，小孔贯穿基层直至包衣薄膜(图1中“1”)与基层(图1中“2”)的接触界面，这样就制作成了一块试验所需要的“待检测样品”。采用一个圆柱型的轴杆作为加载轴(图1中“3”)，加载轴通过基层上的小孔可对粘附在基层上的包衣薄膜施加荷载。选择一支高质量的弹簧(图1中“4”， 弹性系数为k)，采用“十字螺杆推进”(由图1中的“5”、“6”和“7”组成)的方法，缓慢扭动螺栓的板手(图1中“6”)，使螺栓的螺杆(图1中“5”)沿着十字方向推进弹簧的一端， 让弹簧的另一端推进加载轴，加载轴的另一端则可以通过基层上的小孔对包衣薄膜施加荷载，从而使包衣薄膜缓慢脱离基层形成一个鼓泡。随着螺栓板手的缓慢扭动，鼓泡将会由小变大。当螺杆被推进了一段距离后，所获得的鼓泡的几何尺寸能够满足测量工作的精度要求时(即获得一个大小适当的鼓泡时)，则可以停止扭动螺栓的板手。之后，包衣薄膜将会最终形成一个半径为a、高度为Wtl的稳定鼓泡。等鼓泡充分稳定后，准确测量出这个稳定鼓泡的半径a和高度％，并代入公式G =—〗/2域《-句2中，则可以计算出包衣薄膜与基层之间的界面粘附强度(即包衣薄膜脱离基层时的能量释放率G)。其中，弹簧的弹性系数k和基层上的小孔半径d作为已知参量，π是圆周率，所有参量皆采用国际单位制。
权利要求
1. 一种包衣薄膜与基层之间界面粘附强度的直接测量方法，其特征是在膜-基结构的基层上开一个半径为d的小孔，利用十字螺杆推进一个弹性系数为k的弹簧的一端，让弹簧的另一端推进一个加载轴，让加载轴的另一端通过基层上的小孔对包衣薄膜施加荷载， 使包衣薄膜脱离基层，并形成一个半径为a、高度为Wtl的稳定鼓泡，准确测量出这个稳定鼓泡的半径a和高度Wtl，并代入公式G = ^^/2;^^-^2中，计算出用于评价包衣薄膜与基层之间界面粘附强度的能量释放率指标G，其中π是圆周率，所有参量皆采用国际单位制。
全文摘要
本发明公开了一种包衣薄膜与基层之间界面粘附强度的直接测量方法在膜-基结构的基层上开一个半径为d的小孔，利用十字螺杆推进一个弹性系数为k的弹簧的一端，让弹簧的另一端推进一个加载轴，让加载轴的另一端通过基层上的小孔对包衣薄膜施加荷载，使包衣薄膜脱离基层，并形成一个半径为a、高度为w0的稳定鼓泡，准确测量出鼓泡的半径a和高度w0，并代入公式中，计算出用于评价包衣薄膜与基层之间界面粘附强度的能量释放率指标G，其中π是圆周率。测试工作仅与稳定鼓泡的几何尺寸测量有关，最大限度地减少了测试误差的产生因素。
文档编号G01N19/02GK102297836SQ201110129398
公开日2011年12月28日 申请日期2011年5月18日 优先权日2011年5月18日
发明者何晓婷, 司景龙, 孙俊贻, 胡建力, 许劲, 郑周练, 高晓威 申请人:重庆大学