减小微电铸层残余应力的机理与方法
发布时间：2021-05-12 09:47
随着MEMS技术的迅速发展,金属微器件获得了广泛的关注与应用。微电铸工艺是制作金属微器件的主要方法之一。在微电铸工艺过程中,不均匀的电结晶现象使铸层内不可避免地会产生残余应力。过大的残余应力会导致铸层出现翘曲、分层甚至脱落等不容忽视的宏观问题,严重影响金属微器件的尺寸精度、制作成品率、机械性能及使用寿命。本文基于微电铸层残余应力仿真和测量方法的研究,提出了三种减小微电铸层残余应力的方法。具体研究工作包括以下五个部分:研究了铸层残余应力的组成形式,建立了微电铸层残余应力的仿真模型。基于等效参考温度法利用虚拟温度载荷模拟铸层残余应力。采用实验测量与仿真计算相结合的方法,研究了铸层残余应力的实际测量值与虚拟温度载荷的数学关系,得到了铸层等效参考温度的取值范围。以常用电铸材料Ni为例,进行了五组不同等效参考温度值的铸层残余应力仿真研究,确定了满足仿真模型精度要求的Ni铸层等效参考温度为235.15 K。该模型适用于特征尺寸为微米量级的电铸金属微结构的残余应力分布仿真研究。为了探索电铸金属微结构的残余应力测量方法,基于Guglielmi复合沉积模型研究了复合沉积过程中铸层内残余应力与固体颗粒受力...
【文章来源】：大连理工大学辽宁省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：144 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
主要符号表
1 绪论
1.1 课题研究背景与意义
1.2 微电铸层残余应力的研究现状
1.2.1 残余应力的形成机理
1.2.2 残余应力的仿真研究
1.2.3 残余应力的测量方法
1.2.4 减小残余应力的方法
1.3 本文的研究思路与内容
2 微电铸层残余应力的仿真模型
2.1 引言
2.2 有限元模拟的相关理论及方法
2.2.1 ANSYS Workbench有限元模拟
2.2.2 有限元模拟的基本步骤
2.2.3 线性静态结构分析模块
2.3 微电铸层残余应力的仿真方法
2.3.1 残余应力的简化
2.3.2 等效参考温度法
2.4 微电铸层残余应力仿真模型的建立
2.4.1 微电铸层残余应力的性质
2.4.2 微电铸层残余应力的仿真
2.5 结果分析与讨论
2.5.1 铸层等效参考温度的确定
2.5.2 铸层热应力对残余应力的影响
2.6 本章小结
3 基于微拉曼光谱测量金属微结构残余应力的方法研究
3.1 引言
3.2 基于MRS测量金属微结构残余应力的原理
3.2.1 拉曼光谱的应力测量原理
3.2.2 铸层内残余应力与固体颗粒受力间的相互关系
3.2.3 β-SiC颗粒的应力计算方法
3.3 金属微结构残余应力测量实验
3.3.1 复合微电铸层的制作
3.3.2 复合铸层残余应力的测量
3.4 结果分析与讨论
3.4.1 XRD法与MRS法测量结果对比
3.4.2 基于MRS测量金属微结构残余应力方法的可靠性检验
3.5 本章小结
4 预置应力释放因素减小金属微结构残余应力的研究
4.1 引言
4.2 预置应力释放因素的金属微结构残余应力仿真研究
4.2.1 微结构的残余应力仿真
4.2.2 应力集中系数计算
4.2.3 应力不均匀系数计算
4.3 预置应力释放因素减小金属微结构残余应力方法的实验验证
4.3.1 金属微结构的制作
4.3.2 金属微结构残余应力的测量
4.4 结果分析与讨论
4.5 本章小结
5 掺杂β-SiC颗粒减小微电铸层残余应力的研究
5.1 引言
5.2 Ni-SiC复合电铸工艺参数优化
5.2.1 Ni-SiC复合铸层残余应力的正交试验
5.2.2 正交试验过程
5.2.3 Ni-SiC复合铸层性能测试
5.2.4 正交试验结果及极差分析
5.3 掺杂β-SiC颗粒减小铸层残余应力的机理分析
5.3.1 电流密度对铸层残余应力的影响
5.3.2 颗粒质量浓度对铸层残余应力的影响
5.3.3 磁力搅拌转速对铸层残余应力的影响
5.3.4 电铸温度对铸层残余应力的影响
5.4 本章小结
6 兆声辅助电铸减小微电铸层残余应力的研究
6.1 引言
6.2 兆声微电铸实验
6.3 微电铸层性能测试实验
6.3.1 残余应力测量
6.3.2 位错密度测量
6.3.3 表面形貌观测
6.3.4 结晶取向测量
6.4 兆声辅助电铸减小铸层残余应力的机理分析
6.4.1 位错对铸层残余应力的影响
6.4.2 兆声稳态空化对铸层残余应力的影响
6.4.3 晶格结构对铸层残余应力的影响
6.5 兆声辅助电铸法的应用
6.5.1 闭锁后座保险锁的制作
6.5.2 闭锁后座保险锁宏观变形量测试
6.5.3 闭锁后座保险锁残余应力测试
6.6 本章小结
7 结论与展望
7.1 结论
7.2 创新点摘要
7.3 展望
参考文献
攻读博士学位期间科研项目及科研成果
致谢
作者简介
【参考文献】：
期刊论文
[1]在金属基底上制作高深宽比金属微光栅的方法[J]. 杜立群,鲍其雷,赵明,王翱岸. 光学精密工程. 2015(03)
[2]UV-LIGA技术在制作细胞培养器微注塑模具型腔中的应用[J]. 马雅丽,刘文开,刘冲,杜立群. 光学精密工程. 2013(05)
[3]Stress concentration in a finite functionally graded material plate[J]. YANG QuanQuan, GAO CunFa* & CHEN WenTao State Key Laboratory of Mechanics and Control of Mechanical Structures, Nanjing University of Aeronautics & Astronautics, Nanjing 210016, China. Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2012(07)
[4]Fabrication of Fuze Micro-electro-mechanical System Safety Device[J]. DU Liqun1,*,JIA Shengfang1,NIE Weirong2,and WANG Qijia1 1 Key Laboratory for Precision & Non-traditional Machining Technology of Ministry of Education,Dalian University of Technology,Dalian 116024,China 2 School of Mechanical Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China. Chinese Journal of Mechanical Engineering. 2011(05)
[5]SURFACE STRESS EFFECT IN MECHANICS OF NANOSTRUCTURED MATERIALS[J]. Jianxiang Wang 1 Zhuping Huang 1 Huiling Duan 1 Shouwen Yu 2 Xiqiao Feng 2 Gangfeng Wang 3 Weixu Zhang 3 Tiejun Wang 3 (1 LTCS and Department of Mechanics and Aerospace Engineering,College of Engineering,Peking University,Beijing 100871,China) (2 AML,Department of Engineering Mechanics,Tsinghua University,Beijing 100084,China) (3 SV Lab,Deparment of Engineering Mechanics,School of Aerospace Engineering,Xi’an Jiaotong University,Xi’an 710049,China). Acta Mechanica Solida Sinica. 2011(01)
[6]超声波在电沉积过程中的应用[J]. 牛晓敏,夏亚涛. 热加工工艺. 2010(24)
[7]UV-LIGA技术制作微型螺旋形加速度开关[J]. 黄新龙,熊瑛,陈光焱,田扬超,刘刚. 光学精密工程. 2010(05)
[8]3333l/mmX射线全镂空自支撑透射光栅的制备与测试[J]. 李海亮,马杰,朱效立,吴坚,谢常青,陈宝钦,刘明. 微纳电子技术. 2010(03)
[9]硫酸盐电铸镍内应力的影响因素[J]. 姚金环,李延伟,林红,杨庆霞,黎永康. 电镀与涂饰. 2010(03)
[10]2000l/mm X射线镂空透射光栅的制备研究[J]. 李海亮,吴坚,朱效立,谢常青,刘明,曹磊峰. 光学学报. 2009(10)
博士论文
[1]纳米复合电铸制造技术研究[D]. 曲宁松.南京航空航天大学 2010
[2]若干微电子机械系统研制及相关LIGA工艺研究[D]. 黄新龙.中国科学技术大学 2009
[3]超声波电镀镍基金刚石钻头工艺与机理研究[D]. 方小红.中国地质大学 2008
[4]MEMS传感器及在引信中的应用研究[D]. 席占稳.南京理工大学 2003
硕士论文
[1]微电铸铸层内应力的研究[D]. 谭志成.大连理工大学 2014
[2]器件结构应力模拟方法及微带隔离器力学可靠性研究[D]. 于庆伟.电子科技大学 2014
[3]单级衍射光栅的设计与制作[D]. 王子强.长春理工大学 2013
[4]微纳光栅的制备及特性研究[D]. 罗晨晨.上海交通大学 2013
[5]微电铸层内应力与微模具型芯制作的研究[D]. 宋磊.大连理工大学 2009
[6]高频振动时效装置的研究[D]. 任耀新.浙江大学 2006
[7]铝合金基电沉积Ni-SiC复合镀技术的研究[D]. 吴向清.西北工业大学 2002
本文编号：3183197
【文章来源】：大连理工大学辽宁省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：144 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
主要符号表
1 绪论
1.1 课题研究背景与意义
1.2 微电铸层残余应力的研究现状
1.2.1 残余应力的形成机理
1.2.2 残余应力的仿真研究
1.2.3 残余应力的测量方法
1.2.4 减小残余应力的方法
1.3 本文的研究思路与内容
2 微电铸层残余应力的仿真模型
2.1 引言
2.2 有限元模拟的相关理论及方法
2.2.1 ANSYS Workbench有限元模拟
2.2.2 有限元模拟的基本步骤
2.2.3 线性静态结构分析模块
2.3 微电铸层残余应力的仿真方法
2.3.1 残余应力的简化
2.3.2 等效参考温度法
2.4 微电铸层残余应力仿真模型的建立
2.4.1 微电铸层残余应力的性质
2.4.2 微电铸层残余应力的仿真
2.5 结果分析与讨论
2.5.1 铸层等效参考温度的确定
2.5.2 铸层热应力对残余应力的影响
2.6 本章小结
3 基于微拉曼光谱测量金属微结构残余应力的方法研究
3.1 引言
3.2 基于MRS测量金属微结构残余应力的原理
3.2.1 拉曼光谱的应力测量原理
3.2.2 铸层内残余应力与固体颗粒受力间的相互关系
3.2.3 β-SiC颗粒的应力计算方法
3.3 金属微结构残余应力测量实验
3.3.1 复合微电铸层的制作
3.3.2 复合铸层残余应力的测量
3.4 结果分析与讨论
3.4.1 XRD法与MRS法测量结果对比
3.4.2 基于MRS测量金属微结构残余应力方法的可靠性检验
3.5 本章小结
4 预置应力释放因素减小金属微结构残余应力的研究
4.1 引言
4.2 预置应力释放因素的金属微结构残余应力仿真研究
4.2.1 微结构的残余应力仿真
4.2.2 应力集中系数计算
4.2.3 应力不均匀系数计算
4.3 预置应力释放因素减小金属微结构残余应力方法的实验验证
4.3.1 金属微结构的制作
4.3.2 金属微结构残余应力的测量
4.4 结果分析与讨论
4.5 本章小结
5 掺杂β-SiC颗粒减小微电铸层残余应力的研究
5.1 引言
5.2 Ni-SiC复合电铸工艺参数优化
5.2.1 Ni-SiC复合铸层残余应力的正交试验
5.2.2 正交试验过程
5.2.3 Ni-SiC复合铸层性能测试
5.2.4 正交试验结果及极差分析
5.3 掺杂β-SiC颗粒减小铸层残余应力的机理分析
5.3.1 电流密度对铸层残余应力的影响
5.3.2 颗粒质量浓度对铸层残余应力的影响
5.3.3 磁力搅拌转速对铸层残余应力的影响
5.3.4 电铸温度对铸层残余应力的影响
5.4 本章小结
6 兆声辅助电铸减小微电铸层残余应力的研究
6.1 引言
6.2 兆声微电铸实验
6.3 微电铸层性能测试实验
6.3.1 残余应力测量
6.3.2 位错密度测量
6.3.3 表面形貌观测
6.3.4 结晶取向测量
6.4 兆声辅助电铸减小铸层残余应力的机理分析
6.4.1 位错对铸层残余应力的影响
6.4.2 兆声稳态空化对铸层残余应力的影响
6.4.3 晶格结构对铸层残余应力的影响
6.5 兆声辅助电铸法的应用
6.5.1 闭锁后座保险锁的制作
6.5.2 闭锁后座保险锁宏观变形量测试
6.5.3 闭锁后座保险锁残余应力测试
6.6 本章小结
7 结论与展望
7.1 结论
7.2 创新点摘要
7.3 展望
参考文献
攻读博士学位期间科研项目及科研成果
致谢
作者简介
【参考文献】：
期刊论文
[1]在金属基底上制作高深宽比金属微光栅的方法[J]. 杜立群,鲍其雷,赵明,王翱岸. 光学精密工程. 2015(03)
[2]UV-LIGA技术在制作细胞培养器微注塑模具型腔中的应用[J]. 马雅丽,刘文开,刘冲,杜立群. 光学精密工程. 2013(05)
[3]Stress concentration in a finite functionally graded material plate[J]. YANG QuanQuan, GAO CunFa* & CHEN WenTao State Key Laboratory of Mechanics and Control of Mechanical Structures, Nanjing University of Aeronautics & Astronautics, Nanjing 210016, China. Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2012(07)
[4]Fabrication of Fuze Micro-electro-mechanical System Safety Device[J]. DU Liqun1,*,JIA Shengfang1,NIE Weirong2,and WANG Qijia1 1 Key Laboratory for Precision & Non-traditional Machining Technology of Ministry of Education,Dalian University of Technology,Dalian 116024,China 2 School of Mechanical Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China. Chinese Journal of Mechanical Engineering. 2011(05)
[5]SURFACE STRESS EFFECT IN MECHANICS OF NANOSTRUCTURED MATERIALS[J]. Jianxiang Wang 1 Zhuping Huang 1 Huiling Duan 1 Shouwen Yu 2 Xiqiao Feng 2 Gangfeng Wang 3 Weixu Zhang 3 Tiejun Wang 3 (1 LTCS and Department of Mechanics and Aerospace Engineering,College of Engineering,Peking University,Beijing 100871,China) (2 AML,Department of Engineering Mechanics,Tsinghua University,Beijing 100084,China) (3 SV Lab,Deparment of Engineering Mechanics,School of Aerospace Engineering,Xi’an Jiaotong University,Xi’an 710049,China). Acta Mechanica Solida Sinica. 2011(01)
[6]超声波在电沉积过程中的应用[J]. 牛晓敏,夏亚涛. 热加工工艺. 2010(24)
[7]UV-LIGA技术制作微型螺旋形加速度开关[J]. 黄新龙,熊瑛,陈光焱,田扬超,刘刚. 光学精密工程. 2010(05)
[8]3333l/mmX射线全镂空自支撑透射光栅的制备与测试[J]. 李海亮,马杰,朱效立,吴坚,谢常青,陈宝钦,刘明. 微纳电子技术. 2010(03)
[9]硫酸盐电铸镍内应力的影响因素[J]. 姚金环,李延伟,林红,杨庆霞,黎永康. 电镀与涂饰. 2010(03)
[10]2000l/mm X射线镂空透射光栅的制备研究[J]. 李海亮,吴坚,朱效立,谢常青,刘明,曹磊峰. 光学学报. 2009(10)
博士论文
[1]纳米复合电铸制造技术研究[D]. 曲宁松.南京航空航天大学 2010
[2]若干微电子机械系统研制及相关LIGA工艺研究[D]. 黄新龙.中国科学技术大学 2009
[3]超声波电镀镍基金刚石钻头工艺与机理研究[D]. 方小红.中国地质大学 2008
[4]MEMS传感器及在引信中的应用研究[D]. 席占稳.南京理工大学 2003
硕士论文
[1]微电铸铸层内应力的研究[D]. 谭志成.大连理工大学 2014
[2]器件结构应力模拟方法及微带隔离器力学可靠性研究[D]. 于庆伟.电子科技大学 2014
[3]单级衍射光栅的设计与制作[D]. 王子强.长春理工大学 2013
[4]微纳光栅的制备及特性研究[D]. 罗晨晨.上海交通大学 2013
[5]微电铸层内应力与微模具型芯制作的研究[D]. 宋磊.大连理工大学 2009
[6]高频振动时效装置的研究[D]. 任耀新.浙江大学 2006
[7]铝合金基电沉积Ni-SiC复合镀技术的研究[D]. 吴向清.西北工业大学 2002
本文编号：3183197
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