电镀铜薄膜疲劳性能与寿命预测.pdf

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第45卷第9期
机械工程学报
Vol 45 No9
2009年9月
JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING
2009
DOI:10.3901/JMIE.2009.09.261
电镀铜薄膜疲劳性能与寿命预测
刘豪尚德广马新平孙国芹李德胜
(北京工业大学机械工程与应用电子技术学院北京100124)
摘要:利用MMT-1IN徵机械疲劳试验系统对115um厚无基体支持的电镀铜薄膜试件的拉伸疲劳特性进行了试验研究。试
件采用准LIGA工艺制作。试验在室温条件下进行,采用载荷控制、脉动循环加载,載荷频率为20Hz,得到了铜薄膜光滑
试件和缺口试件的SN曲线,根据传统宏观疲劳理论确定了铜薄膜循环应力一应变曲线和应变一寿命曲线。利用修正局部应
力ー应变法对缺口试件的疲劳寿命进行了预测,预测寿命与试验寿命误差在3.2倍因子之内,预测结果较好地符合试验结果。
试验表明,取半寿命周期的迟滯回线作为稳定迟滞回线在微机械疲劳中仍是可信的,局部应力一应变法亦可应用于微机电系
统疲劳寿命预测,宏观疲劳理论在一定程度上也适合于描述微机械疲劳。
关键词:电镀铜薄膜疲劳寿命预测
中图分类号:TH114
Tension-tension Fatigue Properties and Life Prediction of
Electroplated Copper Films
LIU Hao SHANG Deguang MA Xinping SUN Guoqin L Desheng
(College of Mechanical Engineering and Applied Electronics Technology,
Beijing University of Technology, Beijing 100124
Abstract: Tensile fatigue properties of notched and smooth specimens for free-standing electroplated copper films with 11.5 um
thickness are studied. The tests are completed by using MMT-1IN micro mechanical fatigue testing system. The specimens are
fabricated with Ga-like technology. The tests are carried out at room temperature under tension-tension cyclic loading with 20 HZ
load frequency. S-N curve, cyclic -N curve and G-N curve are obtained. Based on the modified ocal stress-strain approach, fatigu
lives of notched specimens are predicted. The results agree well with the experimental fatigue lives. It proves that the hysteresis loop
on half of the life cycle can be still used as stable hysteresis loop in micro mechanical fatigue, and the local stress-strain approach can
be applied in life prein of MM fa h he ai iona fa u search methods are also i ale for iption of
MEMS fatigue in a certain extent.
Key words: Electroplated Copper film Fatigue Life prediction
作用而发生疲劳破坏,其疲劳强度已成为制约
0前言
MEMS器件长期服役可靠性的因素之一,因此近年
来成为国内外研究的热点问题。
近年来,随着超大规模集成电路和微机电系统
硏究表明,众多材料在宏观机械颌域表现出的
Micro electro- mechanical systems,MEMS)技术的发性能与在微观领域有很大不同2,宏观机械疲劳特
展,MEMS器件的市场迅速增长。铜在硅集成电路性的研究方法是否适用于微尺度机械疲劳还有待验
上被广泛应用于金属布线,在MEMS传感器和执行证。此前已有一些学者对不同方法制备的不同尺度
器中被广泛应用于制作铜微结构叫、在这些应用中,的铜薄膜的疲劳特性进行了研究,如 ZHANG等的
铜微构件经常承受热循环应力作用或机械循环应力研究了100nm厚有基体支持铜薄膜的疲劳断裂行
为; MAIRE等?测定了用等通道转角挤压法制作的
国家自然科学基金(50575004)、北京市自然科学基金(309200)和北京
铜薄膜的循环应力一应变响应:READ等开展了
市拔尖创新人才资助项目。20081120收到初稿,20090516收到修
改稿
用电子束蒸发工艺制作的铜薄膜拉伸疲劳试验;