薄膜后屈曲力學(xué)行為的有限元分析.pdf

1、薄膜/基底二元結(jié)構(gòu)和多層膜/基底結(jié)構(gòu)在信息科學(xué)與工程中占有十分重要的地位.薄膜/基底結(jié)構(gòu)通常是工作在殘余應(yīng)力場(chǎng)、外加應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)和電磁場(chǎng)的聯(lián)合作用中。這類薄膜的第一類破壞形式是斷裂；第二類則是屈曲、散裂；薄膜在納米尺度上的變形和損傷直接影響到器件的性能和壽命，因此，將薄膜/基底作為一個(gè)基本結(jié)構(gòu)，對(duì)其中薄膜的屈曲，屈曲擴(kuò)展以及后屈曲的力學(xué)行為進(jìn)行研究和模擬，具有其必要性和緊迫性，對(duì)預(yù)測(cè)微電子器件的壽命具有參考意義. 本文首先在查

2、閱了相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，總結(jié)了比較有代表性的實(shí)驗(yàn)和模擬研究成果，并引用了前人學(xué)者對(duì)兩種該領(lǐng)域中常見(jiàn)的屈曲模型，即直線型屈曲和圓泡狀屈曲，所進(jìn)行的理論分析推導(dǎo)，通過(guò)相應(yīng)的對(duì)比分析，得出一些有益的結(jié)論，為后續(xù)的模擬計(jì)算工作奠定基礎(chǔ). 本文利用有限元方法，首次采用創(chuàng)建面面接觸對(duì)的方式來(lái)耦合模擬薄膜所采用的殼單元與模擬基底所采用的實(shí)體單元在分界面處的結(jié)點(diǎn)，建立了合理的圓泡狀屈曲的三維有限元模型，用它來(lái)研究了在不同的加載方式，不同的薄膜厚度

3、以及不同的基底彈性模量情況下，薄膜后屈曲的力學(xué)響應(yīng).研究發(fā)現(xiàn)加載方式對(duì)屈曲部分薄膜的應(yīng)力分布影響較大，極大地影響著屈曲部分薄膜的擴(kuò)展.隨著薄膜厚度和基底彈性模量的增加，屈曲部分薄膜的Von Mises應(yīng)力，法向應(yīng)力，以及沿著界面的切應(yīng)力都相應(yīng)地減小了，這使得屈曲后薄膜的擴(kuò)展有減弱的趨勢(shì)，因而屈曲后的薄膜就不容易從基底上進(jìn)一步擴(kuò)展和剝離. 此外，本文還建立了在屈曲形成的初期一種比較典型的屈曲模式－直線型屈曲的三維模型，討論了該屈曲

4、模式在外加軸向壓縮荷載作用下，屈曲部分薄膜的應(yīng)力場(chǎng)分布，并從能量釋放率的角度說(shuō)明了屈曲進(jìn)一步擴(kuò)展的行為.分析和計(jì)算表明：隨著外加荷載的增加，直線型屈曲裂紋前緣的能量釋放率會(huì)逐漸增大，由于彎曲前端的能量釋放率比直邊的大，因而屈曲會(huì)沿著彎曲的前端向前擴(kuò)展；而伴隨擴(kuò)展的進(jìn)行，彎曲前端曲率的會(huì)慢慢增加，曲率的增加又導(dǎo)致能量釋放率慢慢減小，擴(kuò)展趨勢(shì)會(huì)慢慢減弱，直到重新施加外加荷載，擴(kuò)展才會(huì)進(jìn)一步向前進(jìn)行，這一過(guò)程較好地解釋了直線型屈曲擴(kuò)展的機(jī)理.