薄膜基底结构热应力分析与模拟

发布时间：2020-05-01 00:28

【摘要】：随着电子器件和光电器件不断地朝着小型化、多用途化等方向发展,其中由于热膨胀系数不匹配或温度梯度所导致的热负荷已经成为降低器件使用寿命和器件发生故障的主要因素。为满足这些器件设计中的理论验证要求,则必须需要更精确的设计数据与仿真数据。然而长期以来,关于在这些器件中常见的薄膜基底结构,对于其在不同环境条件下的受力性态尚不明确,至今尚未形成统一的分析理论和仿真理论。论文主要应用理论分析、数值模拟、有限元分析等研究手段,分别对双层、多层、均匀热场、非均匀热场以及不同形状等条件下的薄膜基底结构进行了分析与模拟,揭示了不同条件下薄膜基底结构中包括正向应力、剪切应力、剥离应力等热致残余应力的分布的计算方法,为电子器件与光电器件的设计中的理论验证提供重要的方法以及建议。本论文取得的主要成果如下:1、介绍了对于不同条件下薄膜基底结构的残余应力分布模型,揭示了薄膜厚度、基底厚度、温度变化、材料属性等对于各向残余应力的影响,对电子器件及光电器件设计有一定的参考意义。2、设计优化了薄膜基底结构的热-结构仿真的过程,发现并解决了有限元分析中的应力奇异性问题,并利用优化过的仿真方法进行了实例的分析,与数值模拟的结果进行了比对,结果显示:数值模拟结果与有限元分析结果基本一致,并使用有限元分析方法有效的分析了外延薄膜对原基底薄膜残余应力影响的问题。3、介绍了一种概率统计方法,这种概率统计方法在器件理论验证阶段的使用能够根据已知的统计的断裂的器件上收集到的数据,计算得到相应的结果,为器件设计优化提供设计参考。
【图文】：

15（c）图 2.4 双金属条在均匀加热时 和 ρ 的另一个等式可以从对变形的分析纵向单位伸长率必须相等，因此可以得 1 1 1 0 2 1 1 2P a t t a t E h r 式 2.16 和公式 2.18，结合公式 2.20 中惯得到曲率的表达式如公式 2.21 所示。3 31 21 212 12h hI ，I

矩阵方程会越复杂，耗费的机时也会越多。在 ANSYS 中有两种基本方法进行间接耦合场分析。它们主要区别在于每个场的特性是如何展示的。与物理环境方法相比，手工方法在本论文中有着在建立热和结构模型时有较少的限制的优点，例如：属性号码和网格划分在热和结构中可以不同。而在很多时候，在结构仿真中，都需要对一部分位置的表格进行细分，，而热分析是不需要的。而物理环境方法中需要所有的模型都是一致的。手工方法是简单而且适应范围较广的。间接手动热.应力耦合分析流程如图4.2所示。4.3 有限元分析验证理论模型4.3.1 铁木辛柯梁模型验证适用于 Timoshenko 梁模型的结构特点为大变形、热膨胀系数差异比较大的相连梁结构，因此采用 Fe 和 Al 进行有限元仿真，它们之间的线热膨胀系数差距为 11.8ppm/℃。
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.2

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本文编号：2646352