基于弹塑性有限元分析的电镀铜薄膜缺口疲劳断裂特性研究

　　1　引言

　　铜薄膜在硅集成电路与MEMS(micro-electro-me-chanical systems,微电子机械系统)器件中得到广泛应用,此前有学者对光滑件铜薄膜进行一些研究,一部分主要研究铜薄膜的常规力学性能,例如屈服强度、抗拉强度、塑性指数的研究[1-4];一部分主要研究光滑件电镀铜薄膜的疲劳性能及影响因素[5-8][9]998-1001,例如轧制铜薄膜与电镀铜薄膜的疲劳性能、不同晶粒尺寸铜薄膜疲劳性能、铜薄膜低周疲劳性能与高周疲劳性能等。但对于电镀铜薄膜缺口件的疲劳性能及影响因素鲜有研究,因此,研究铜薄膜缺口件的疲劳断裂特性及影响因素对提高MEMS器件的可靠性具有重要的理论和实际意义。

　　本文对带中间缺口的电镀铜薄膜进行单向疲劳拉伸试验,研究电镀铜薄膜缺口疲劳断裂特性。利用弹塑性有限元分析计算缺口根部的局部应力应变特性,并用Neuber方法间接验证有限元分析(finite elementmethod, FEM)结果。

　　2　疲劳试验

　　2.1　试件制备

　　本文研究的电镀铜薄膜试件采用准LIGA(lithogra-phie, galvanformung, abformung,光刻、电铸、塑铸的完美结合)工艺电镀方法制备,厚度为11.5μm,光滑件和缺口件形状及尺寸如图1。

　　准LIGA工艺是目前制作金属薄膜的一种主要方法,可以制作微构件,例如金属薄膜等。工艺流程如下,第一步,采用标准RCA(radio corporation of Ameri-can)工艺清洗硅片;第二步,在氧化炉中将硅片表面进行氧化,生成约0.1μm的氧化层;第三步,在氧化硅片上旋涂聚酰亚胺,在150℃下烘烤5 min分钟;第四步,在聚酰亚胺层上分别溅射Cu种子层和Cr层;第五步,进行甩光刻胶、110℃烘烤1 min,曝光、显影、110℃坚膜5分钟等工艺;第六步,形成电镀模型后,用刻铬盐酸甘油去掉Cr层,然后在电镀液中进行电镀,温度为常温,同时进行磁力搅拌;第七步去除光刻胶,去除种子层;第八步,溶解聚酰亚胺牺牲层释放出铜薄膜试件。

　　2.2　试验过程

　　试验采用日本岛津公司的MMT-11N微机械疲劳试验机,系统采用自反馈控制方式,最大载荷为10 N,载荷分辨率为0.1 N。脉动循环加载,最小应力为0,加载波形为正弦波,频率为20 Hz。加载名义应力幅度为96 MPa、80 MPa、64 MPa、33 MPa、28 MPa。

　　试验的应变数据由试验机自动采集。利用显微镜HiroxKH-3000进行试验机应变误差测定可知,试验机采集的应变与试样真实应变的平均误差为5.3%,误差在可接受范围内。

　　通过粘结工艺把电镀铜薄膜试件粘在铝制框架上,利用框架保护试样在装夹过程中不受到破坏,同时可以保证装卡后试样与试验机的主轴平行。图2为试件与框架粘结的示意图,试样悬空部分的尺寸长为10mm。将框架一端与固定下夹具相连,另一端与上夹具相连,试验前剪断两侧细梁,即可开展试验。整个试验过程通过Hirox KH-3000对缺口根部进行实时观察。