電鍍銅薄膜的疲勞斷裂研究要點

1、電鍍銅薄膜的疲勞斷裂研究1. 引言微電子機械系統(tǒng)，即MEMS(Micro-electro-mechanical Systems)，是指由關(guān)鍵尺寸在亞微米至亞毫米范圍內(nèi)的電子和機械元件組成的微器件或系統(tǒng)，它將傳感、處理與執(zhí)行融為一體，以提供一種或多種特定功能。隨著超大規(guī)模集成電路和MEMS技術(shù)的發(fā)展，MEMS器件的市場迅速增長。MEMS的結(jié)構(gòu)材料主要包括硅(單晶硅、多晶硅)、金屬(銅、鎳及其他合金)及高分子材料等等，其微小構(gòu)件的尺寸已明顯向微米、亞微米甚至納米尺度減小。國內(nèi)外試驗研究表明，許多材料在微納米狀態(tài)下的失效機理與宏觀狀態(tài)相比已發(fā)生了本質(zhì)上的改變，如原本屬于脆性材料的硅在微尺度下會產(chǎn)生疲

2、勞失效現(xiàn)象，金屬微薄膜的疲勞強度與宏觀狀態(tài)相比已發(fā)生了顯著改變。對于某些依靠固有頻率穩(wěn)定性來工作的MEMS產(chǎn)品(如加速度傳感器、微陀螺儀等)，即使不發(fā)生疲勞斷裂，其疲勞損傷的累積也會導致測量結(jié)果發(fā)生較大的偏差。MEMS不是傳統(tǒng)機械的簡單幾何縮小，當構(gòu)件細微到微納米尺寸后，這些材料本身的力學、物理性質(zhì)有顯著變化，會出現(xiàn)強烈的尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)等。這些研究表明，在宏觀塊體下所測得的機械彈性模量、拉伸強度、斷裂韌性及疲勞強度等并不一定適用于MEMS的設(shè)計。宏觀機械疲勞已有近百年的研究歷史，其現(xiàn)有的研究理論、方法是否適用于微機械還有待進一步研究。金屬銅在硅集成電路上被廣泛應(yīng)用于金屬布線，在MEMS傳感

3、器和執(zhí)行器中被廣泛應(yīng)用于制作銅微結(jié)構(gòu)。在這些應(yīng)用中，銅微構(gòu)件經(jīng)常承受熱循環(huán)應(yīng)力作用或機械循環(huán)應(yīng)力作用而發(fā)生疲勞破壞，其疲勞強度已成為制約MEMS器件長期服役可靠性的因素之一，因此近年來成為國內(nèi)外研究的熱點問題。研究表明，眾多材料在宏觀機械領(lǐng)域表現(xiàn)出的性能與在微觀領(lǐng)域有很大不同，宏觀機械疲勞特性的研究方法是否適用于微尺度機械疲勞還有待驗證。此前已有一些學者對不同方法制備的不同尺度的銅薄膜的疲勞特性進行了研究，如Zhang等研究了100nm厚有基體支持銅薄膜的疲勞斷裂行為；Maire等測定了用等通道轉(zhuǎn)角擠壓法制作的銅薄膜的循環(huán)應(yīng)力一應(yīng)變響應(yīng)；Read等開展了用電子束蒸發(fā)工藝制作的銅薄膜拉伸疲勞試驗

4、；Merchant等研究了電鍍和軋制銅薄膜的彎曲疲勞特性。但測試無基體支持的電鍍銅薄膜疲勞特性參數(shù)并進行壽命預(yù)測，還需進一步研究。2. 基本原理(銅材料微構(gòu)件的疲勞特性)2.1 循環(huán)形變行為及疲勞強度Judelewicz等研究了經(jīng)軋制的晶粒尺寸為100、厚度為20150的銅薄膜的疲勞行為。對于不同應(yīng)力水平來說，在低應(yīng)力與高應(yīng)力時都呈現(xiàn)硬化現(xiàn)象；用掃描電鏡和透射電鏡發(fā)現(xiàn)，在高周疲勞時，可以觀察到位錯、孿晶、駐留滑移帶等變形結(jié)構(gòu)，在低周疲勞時，可觀察到準梯形裂紋結(jié)構(gòu)。另外，其還發(fā)現(xiàn)晶粒的大小并不影響位錯的形態(tài)，薄膜的循環(huán)形變與單晶體相似。其又發(fā)現(xiàn)厚度為100的銅薄膜的疲勞壽命比20的疲勞壽命低10

5、30倍，顯示出明顯的疲勞尺寸效應(yīng)。Hong和Weil研究了25厚餓電鍍銅薄膜和33厚的軋制銅薄膜的拉-拉疲勞行為，他們發(fā)現(xiàn)銅薄膜的疲勞強度系數(shù)高于塊體材料的疲勞強度系數(shù)；此外，銅薄膜表現(xiàn)出循環(huán)應(yīng)變硬化行為，原因在于疲勞形變在材料中引入了高的位錯密度和孿晶密度。最近，Schwaiger和Kraft等對厚度具有微米和亞微米的銀薄膜和銅薄膜的疲勞行為進行了較為系統(tǒng)的研究，其發(fā)現(xiàn)隨著薄膜厚度的減小，引起疲勞損傷的臨界應(yīng)力幅值將顯著升高，薄膜表現(xiàn)出明顯的疲勞尺寸效應(yīng)。2.2 疲勞裂紋的萌生與擴展2.2.1 疲勞裂紋的萌生Judelewicz發(fā)現(xiàn)厚度為100的銅薄膜中仍然出現(xiàn)疲勞擠出，而厚度為20的薄膜中

6、的疲勞擠出只在疲勞壽命末期才出現(xiàn)，表明較薄薄膜中疲勞擠出損傷的出現(xiàn)有被推遲的趨勢。Hong和Weil發(fā)現(xiàn)厚度為25銅薄膜中疲勞開裂起源于位錯的胞墻或?qū)\晶界處。Schwaiger等人通過對銀薄膜和銅薄膜疲勞損傷行為的研究表明，3.0厚的薄膜表面仍然出現(xiàn)類似于塊體材料的“擠出”損傷，疲勞裂紋萌生于擠出處，如圖2-1所示。圖2-1 不同厚度銅薄膜的微結(jié)構(gòu)損傷圖隨后，Zhang等利用聚焦離子束顯微鏡(FIB)對不同厚度銅薄膜表面的疲勞擠出進行了觀察，并對疲勞擠出面積與晶體面積比進行了定量的測量，他們發(fā)現(xiàn)銅薄膜疲勞擠出的尺寸(即擠出寬度與高度)隨薄膜厚度的減小而減小。分析認為，疲勞擠出尺寸的減小是由于較

7、薄薄膜中的循環(huán)應(yīng)變局部化的傾向減小所致。因此需要更高的外加應(yīng)力引起疲勞破壞，從而解釋了疲勞強度隨薄膜厚度減小而升高的尺寸效應(yīng)。2.2.2 疲勞裂紋的擴展Shimizu等用電子散射衍射電鏡觀察了厚度為100軋制回火后銅薄膜疲勞裂紋擴展情況，其發(fā)現(xiàn)：如果預(yù)制裂紋與軋制方向相同，那么裂紋沿直線式擴展；如果預(yù)制裂紋垂直于軋制方向，那么裂紋擴展呈現(xiàn)鋸齒形狀。他們還發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋易在回火孿晶處產(chǎn)生，因為回火孿晶與立方體金屬滑移帶在同一平面內(nèi)；薄膜軋制后的各項異性在回火后仍然存在，且回火孿晶邊界大多數(shù)與軋制方向一致。Hadrboletz等在研究厚度為20200的銅薄膜的疲勞裂紋擴展行為時發(fā)現(xiàn)，厚度小于100的

8、銅薄膜疲勞裂紋擴展速率隨循環(huán)數(shù)的增加而減小，而厚度大于100的銅薄膜疲勞裂紋擴展速率隨循環(huán)數(shù)的增加而增加，如圖2-2。通過建立不同厚度薄膜的裂紋張開柔度與裂紋長度的關(guān)系，可以看出，隨薄膜厚度減小，裂紋張開的柔度隨裂紋長度的增加而減小。經(jīng)分析認為，兩者的差別是由于較薄薄膜和較厚薄膜分別收到了平面應(yīng)力和平面應(yīng)變的作用。圖2-2 銅薄膜疲勞裂紋擴展行為2.2.3 疲勞損傷的微觀機制及尺寸效應(yīng) 在塊體金屬材料中，循環(huán)形變行為及疲勞損傷機制與材料中的位錯結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系，疲勞引起的擠出/侵入對應(yīng)著駐留滑移帶(PSB)的位錯墻結(jié)構(gòu)，而疲勞裂紋往往萌生于PSB或者是PSB撞擊的晶界處。由于薄膜材料的厚度均

9、在微米至亞微米范圍，材料中的位錯行為將仍然對疲勞行為起重要作用。Hofbeck等認為，所觀察到的細銅絲中缺少疲勞擠出特征是由于滑移的位錯受到表面像力的作用和相互湮滅的影響。Judelewicz等發(fā)現(xiàn)，較薄薄膜不容易萌生裂紋是由于其幾乎沒有疲勞“擠出”損傷和因較短位錯滑移距離及像力的作用導致位錯數(shù)量的減少。在上述這些研究中，晶粒尺寸均在幾十個微米。Hong和Weil認為，在晶粒尺寸大于2的銅薄膜中，循環(huán)應(yīng)變硬化來源于位錯纏結(jié)和位錯胞墻結(jié)構(gòu)的形成。Read研究了電子束蒸發(fā)的晶粒尺寸為0.98，厚度為 1.1銅薄膜的疲勞行為，發(fā)現(xiàn)薄膜表面沒有疲勞臺階和位錯胞結(jié)構(gòu)。這些前期工作初步表明，材料疲勞行為的

10、尺寸效應(yīng)不僅與材料外部幾何尺寸有關(guān)，也與內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)尺寸，如晶粒大小有關(guān)，但沒有系統(tǒng)地針對不同厚度的薄膜及各種尺寸的晶粒進行位錯結(jié)構(gòu)研究。最近，Zhang等對經(jīng)疲勞變形的厚度為 3.00.4的銅薄膜進行了較為系統(tǒng)的電鏡觀察。他們發(fā)現(xiàn)，只有薄膜厚度或晶粒尺寸都大于3.0時，才會出現(xiàn)像塊體材料中的典型位錯胞、墻。而隨著薄膜厚度或晶粒尺寸的減小，位錯結(jié)構(gòu)變成松散的纏結(jié)組態(tài)；當薄膜厚度或晶粒尺寸小于1.0時，只有單根位錯存在。他們還觀察到，在厚度為3.0的薄膜中疲勞擠出處有位錯墻結(jié)構(gòu)，而較薄薄膜中的疲勞擠出處只有單根位錯存在，說明疲勞損傷和材料內(nèi)部的位錯行為有關(guān)。這些位錯結(jié)構(gòu)的觀察結(jié)果清楚地表明了無論

11、是材料的幾何尺度或是微觀結(jié)構(gòu)尺度都控制了疲勞位錯結(jié)構(gòu)的形成。由于薄膜中的位錯可動性降低，同時較薄薄膜內(nèi)的位錯源相對較少，從而導致了位錯不能夠像塊體材料那樣進行充分的交互作用，如位錯偶極子的相互捕獲，湮滅等，故位錯結(jié)構(gòu)的形成受到了抑制?？梢姡安牧铣叨仍叫?，疲勞強度越高”的疲勞尺寸效應(yīng)，是由于材料尺度對位錯結(jié)構(gòu)形成的強烈約束，導致材料只有靠少量單根位錯的運動來累積循環(huán)塑性應(yīng)變，從而導致疲勞形變局部化的損傷行為受到抑制。3. 銅薄膜缺口件疲勞的研究現(xiàn)狀目前關(guān)于缺口件電鍍銅薄膜疲勞研究的文獻仍很少，此前學者主要對光滑件銅薄膜作出了一些研究，一部分為關(guān)于銅薄膜的常規(guī)機械性能，例如屈服強度、抗拉強度、塑

12、性指數(shù)的研究；一部分為光滑件電鍍銅薄膜的疲勞性能及影響因素，例如軋制銅薄膜與電鍍銅薄膜的疲勞性能，不同晶粒尺寸銅薄膜疲勞性能，銅薄膜低周疲勞性能與高周疲勞性能等。但對于缺口件電鍍銅薄膜的疲勞性能及其影響因素方面鮮有研究。因此，研究銅薄膜缺口件的疲勞斷裂特性及其影響因素對提高MEMS器件的可靠性具有重要的理論和實際意義。4. 電鍍銅薄膜疲勞的研究內(nèi)容及科學問題(1) 查閱文獻，結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)研究成果和經(jīng)驗，在現(xiàn)有的條件下設(shè)計出合理的電鍍銅薄膜疲勞試樣。(2) 設(shè)計、繪制以及加工制造出電鍍銅薄膜光刻掩膜板，并利用準LIGA技術(shù)制作電鍍銅薄膜。(3) 利用微機械疲勞試驗機對電鍍銅薄膜進行疲勞加載試驗

13、，并在試驗過程中進行疲勞試驗現(xiàn)象觀察，且用掃描電鏡對斷裂面進行觀察和分析。(4) 建立有限元模型，對缺口件電鍍銅薄膜進行塑性有限元分析。(5) 利用試驗結(jié)果以及有限元計算數(shù)據(jù)對電鍍銅薄膜的壽命進行預(yù)測。5. 電鍍銅薄膜疲勞研究的試驗方法5.1 基于準LIGA技術(shù)的電鍍銅薄膜試件制作LIGA工藝（光刻、電鑄、注塑）是微機械加工中最重要的工藝之一，在微機械特別是高深寬比微構(gòu)造的制作上占有很重要的地位。LIGA技術(shù)具有許多優(yōu)點,如加工精細(最小橫向尺寸可達1),精密度高(誤差小于0.2),可獲得很大的深度比(深度/寬度>50),結(jié)構(gòu)高度最大可達500,可制作任意形狀的二維平面結(jié)構(gòu)等等。但其掩模

14、版制作困難，需要用高能量X射線源同步回旋加速器，這一昂貴的設(shè)施和復(fù)雜的掩膜制造工藝限制了它的廣泛應(yīng)用。準LIGA工藝過程除了所用光刻光源和掩膜外，與LIGA工藝基本相同。準LIGA技術(shù)可滿足微系統(tǒng)對加工精度、集成度以及成本的要求，豐富并充實了MEMS技術(shù)，當對微結(jié)構(gòu)側(cè)壁的垂直度要求不是很高時,它可取代LIGA技術(shù)。以前采用表面微機械加工技術(shù)制作的微結(jié)構(gòu)，也大多可用準L IGA技術(shù)制作而成。5.1.1 準LIGA技術(shù)介紹準LIGA技術(shù)是利用常規(guī)光刻機上的深紫外光對厚膠或光敏聚酰亞胺光刻，形成電鑄模，結(jié)合電鍍、化學鍍或犧牲層技術(shù)，由此獲得固定的或可轉(zhuǎn)動的金屬微結(jié)構(gòu)。準LIGA技術(shù)典型的光刻工藝流程

15、為：涂膠和前烘曝光顯影和堅膜服飾去膠。涂膠是在光刻硅片表面敷上一層光刻膠膜，其要求是粘附良好、均勻、厚薄適當。前烘的目的是使膠膜體內(nèi)溶劑充分地揮發(fā)，使膠膜干燥，以增加膠膜與結(jié)構(gòu)層的粘附性和膠膜的耐磨性；同時，只有光刻膠干燥，曝光時才能充分進行光化學反應(yīng)。曝光是指采用盡量平行的光束垂直照射到硅片上，使膠膜沒被掩膜版擋住的部分在光線的照射下發(fā)生光化學反應(yīng)。顯影是把曝光后的基片放在顯影液里，將應(yīng)除去的光刻膠膜溶劑干凈，以獲得所需要的抗蝕劑的圖形。堅膜就是在一定的溫度下，將顯影后的片子進行烘烤，除去顯影時膠膜所吸收的顯影液和殘留水分，改善膠膜與基片間的粘附性，增加膠膜的抗蝕能力，以及消除顯影時所引起的

16、圖形變形。腐蝕就是用適當?shù)母g劑，對未被膠膜覆蓋的結(jié)構(gòu)層進行腐蝕，按照光刻膠上已顯出來的圖形，完整、清晰、準確地腐蝕，供選擇性擴散或達到金屬布線的目的。去膠就是在結(jié)構(gòu)層的圖形做出來后，把起保護作用的膠除凈。在硅片上刻出所需試件圖形后，將硅片置入電鍍液中，并與純銅板連接成電流回路，此時通入適當?shù)碾娏?，并攪拌電鍍液，硅片上刻蝕出的圖形部分將逐漸淀積純銅。5.1.2 銅薄膜試件制作工藝流程試驗用銅薄膜試件制作的工藝流程為：1. 采用標準RCA工藝清洗硅片，去除硅片表面雜質(zhì)及損傷；2. 在單管氧化爐中將硅片表面進行氧化，生成約0.5nm厚的氧化層，生成SiO2絕緣層；3. 在氧化層上旋涂聚酰亞胺，在1

17、50下烘烤五分鐘，形成犧牲層；4. 在聚酰亞胺層上分別濺射Cu種子層，為電鍍做準備，使Cu生長在種子層；然后繼續(xù)在Cu種子層上濺射Cr層，是為了防止顯影液溶解Cu種子層；5. 進行甩光刻膠，110烘烤1分鐘，為光刻做準備；隨后曝光、顯影、110固膠5分鐘，將掩膜板上的圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠上，形成一個凹槽；6. 用刻鉻鹽酸甘油去掉鉻層，露出種子層；然后進行電鍍，設(shè)置電流大小，控制電鍍試件，并不停攪拌，使Cu在種子層上按照圖形均勻生長；最后溶解犧牲層聚酰亞胺釋放出銅薄膜試件，得到無基本支持的銅薄膜試件。需要注意的是，制作出試件后，應(yīng)盡快開展疲勞試驗，否則銅薄膜表面將會很容易被空氣氧化，影響實驗結(jié)果。5

18、.2 MEMS疲勞試驗方法微機械疲勞試驗由于其試件尺度很小，因此在試件制作、試驗夾持及測量精度等方面增加了試驗難度。綜合國內(nèi)外的研究成果，可以將MEMS疲勞試驗方法總結(jié)如表5-1：表5-1 MEMS疲勞試驗方法分 類片上測試片外測試原 理靜電諧振電磁驅(qū)動壓電激勵超聲激勵適用材料硅硅、金屬、高分子特 點利用MEMS工藝制造集驅(qū)動、檢測為一體的性能測試系統(tǒng)，直接在芯片上進行測試，能實現(xiàn)對MEMS器件機械性能的在線檢測，無需裝卡、對中，加載頻率高，但試件制作工藝復(fù)雜、成本高利用MEMS工藝制造試件，制造工藝相對簡單，加載方式穩(wěn)定可靠，試驗中的各種參量易于記錄，但需要復(fù)雜的驅(qū)動、檢測試驗系統(tǒng)，且試件裝

19、卡、對中難度較大。5.2.1 靜電諧振法 諧振疲勞試驗裝置是利用對試樣施加與其固有頻率相當?shù)闹芷谛则?qū)動力，使結(jié)構(gòu)發(fā)生共振而產(chǎn)生周期性的應(yīng)力與應(yīng)變，以達到疲勞試驗的效果。試驗加載方式與MEMS構(gòu)件的實際受力環(huán)境較為接近，因此試驗結(jié)果更接近真實情況?；谑釥铗?qū)動器的諧振疲勞試驗裝置采用靜電驅(qū)動原理，其中最主要的部件就是如梳齒一樣相互交錯的靜電力驅(qū)動器，在梳齒的兩邊施加一固定頻率的交流電壓，從而產(chǎn)生交變靜電力，驅(qū)動結(jié)構(gòu)發(fā)生振動，造成對試樣的循環(huán)加載。圖5-1基于梳狀驅(qū)動器的諧振疲勞試驗裝置 基于梳狀驅(qū)動器靜電力驅(qū)動的硅微薄膜諧振疲勞試驗裝置如5-1左圖所示，其中A、C為兩組相互交錯的梳齒，A為驅(qū)動器

20、，C為電容式位移傳感器，B為共振塊，D為試樣，右圖為試樣的放大圖。試樣中的缺口是為了引入應(yīng)力集中系數(shù)，增大試驗的應(yīng)力水平。 驅(qū)動器A靠近外沿的梳齒接正弦電壓，與振動塊B相連的梳齒接地，這樣便會使兩者之間產(chǎn)生周期性的靜電力，從而導致懸置的振動塊B發(fā)生共振而帶動試樣D作往復(fù)運動，試樣除了受循環(huán)變化的彎曲力和剪切力外還受到循環(huán)變化的離心力，該離心力是由于振動塊在振動過程中角速度的變化而導致的。位移傳感器C靠近外沿的梳齒接恒定電壓，共振塊的振動將會造成梳齒間電容的變化，根據(jù)電容的變化便能夠測得共振塊的振動幅度。試樣所受的應(yīng)力可以根據(jù)振動塊的振動幅度由有限元分析算出。5.2.2 電磁驅(qū)動法圖5-2 電磁

21、驅(qū)動原理電磁驅(qū)動是一種較為理想的驅(qū)動方式，它具有很好的線性、低滯后性、無摩擦，能直接進行精確控制等特點;運動的磁鐵或線圈相對于結(jié)構(gòu)具有很小的慣性，在磁力作用下能實現(xiàn)沿軸向自動對中，從而消除橫向力，同時也能降低振動。在得到電磁力與電流的線性關(guān)系后，可通過施加交變電流以控制載荷的大小，從而克服微拉伸裝置中微小力的測量困難，其原理圖如圖5-2。 Ando等人采用的裝置如圖5-3(a)所示，主要由載荷傳感器、真空臺、試樣芯片、頂針及位移傳感器組成。試樣芯片如圖5-3(b)所示，包含外框架、加載梁、扭轉(zhuǎn)塊和試樣四個部分，其中試樣的放大圖如圖5-3(c)所示。(a)(b)(c)圖5-3 Ando采用的疲勞

22、拉伸裝置試驗過程中對頂針加載點進行位移和力的跟蹤測量，再利用平衡原理可求得試樣所受的應(yīng)力和應(yīng)變。采用控制應(yīng)變方式，加載頻率為10Hz，載荷比為0.1，在不同的應(yīng)變水平下對不同晶向的單晶硅進行了疲勞試驗。5.2.3 壓電激勵法目前，適用壓電式激勵器作為驅(qū)動方式的較多，主要用計算機編程控制壓電單元釋放位移，從而帶動夾頭提供驅(qū)動力，但壓電單元中存在蠕變、滯后和非線性等問題，至今未能很好解決。Allameh采用的拉伸疲勞試驗裝置見圖5-4，主要由壓電驅(qū)動器、載荷傳感器、試樣、旋轉(zhuǎn)/平移臺和攝像機組成。試驗中通過對壓電驅(qū)動器施加固定頻率的交流電壓，由于壓電效應(yīng)，便可對試樣產(chǎn)生循環(huán)變化的拉伸力以達到疲勞試

23、驗的效果。試驗所采用的載荷比為R=0.1，加載頻率為10Hz。圖5-4 Allamaeh采用的拉伸疲勞試驗裝置圖5.2.4 超聲激勵法 超聲激勵是利用超聲波振動，使滑塊產(chǎn)生往復(fù)位移，從而對試件產(chǎn)生循環(huán)拉壓作用。Cho采用的拉伸疲勞試驗裝置由超聲波驅(qū)動，主要由揚聲器、直線滑塊、試樣、夾具和力傳感器組成。試驗通過揚聲器發(fā)出一定頻率的聲波，導致滑動塊的振動從而形成對試樣的循環(huán)加載，加載頻率為200Hz，載荷比為0.1。與壓電驅(qū)動器相比，這種方法能夠獲得更高的振動頻率。圖5-5 Cho采用的拉伸疲勞試驗裝置5.2.5 納米壓痕法 目前對材料在納米尺度下疲勞特性的研究相對較少，采用的方法主要是納米壓痕法

24、，該方法的基本原理如圖5-6所示。納米壓頭對固定梁的中點施加循環(huán)載荷(其中為平均壓力，為壓力幅)，因為疲勞損傷的累積會導致試樣剛度的下降，因此在試驗過程中通過對接觸剛度的連續(xù)觀測可以得知試件的疲勞損傷情況，從而能夠間接對納米梁的疲勞特性進行研究。圖5-6 納米壓痕法原理圖5.3 疲勞壽命預(yù)測方法目前對于宏觀疲勞壽命研究已經(jīng)有較為成熟的研究方法，如名義應(yīng)力法，局部應(yīng)力應(yīng)變法等，但對于微機械疲勞壽命研究，其研究并不多見。 名義應(yīng)力法前人已對名義應(yīng)立法進行了大量的研究，積累了許多寶貴的資料和經(jīng)驗。在應(yīng)力水平較低，載荷比較穩(wěn)定的情況下，名義應(yīng)力法仍是目前工程中廣為應(yīng)用的一種壽命估算方法。其根據(jù)S-N曲

25、線，應(yīng)用線性疲勞累積損傷理論(Miner定律)進行壽命估算。此方法以外部名義應(yīng)力作為損傷控制參量。其壽命預(yù)測步驟為：(1) 求名義應(yīng)力譜；(2) 計算結(jié)構(gòu)缺口的應(yīng)力集中系數(shù)和其他影響因素的系數(shù)；(3) 利用S-N曲線應(yīng)用插值方法確定所求的應(yīng)力集中系數(shù)和應(yīng)力水平下破壞壽命值。該方法優(yōu)點是：構(gòu)件的名義應(yīng)力很容易根據(jù)外載計算或者實際測量得到。但這種方法也有很大的不足之處：疲勞破壞總是從結(jié)構(gòu)上具有應(yīng)力集中的部位開始，但是名義應(yīng)力不能夠代表應(yīng)力集中部位的真實的應(yīng)力-應(yīng)變狀況，也不能正確的考慮應(yīng)力次序和各級載荷之間的相互作用，因此它不能反映出疲勞破壞的本質(zhì)。 局部應(yīng)力應(yīng)變法局部應(yīng)力應(yīng)變法是目前預(yù)測疲勞壽命

26、的一種主要方法，這種方法綜合了五十年代以來疲勞強度研究中各方面成果，特別是材料循環(huán)特性的研究，采用了現(xiàn)代的試驗方法和分析技術(shù)，建立了一套估算裂紋形成壽命的方法，得到了廣泛的應(yīng)用。其基本思想是，認為零件和構(gòu)件的整體疲勞性能取決于最危險區(qū)域的局部應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)。局部應(yīng)力-應(yīng)變法認為循環(huán)塑性變形是造成疲勞損傷的根本原因。其與名義應(yīng)力法相比，在描述材料的疲勞性能時，用關(guān)系代替了曲線，用循環(huán)的代替了單調(diào)的曲線；采用彈塑性有限元分析或試驗力學分析方法求解局部屈服狀態(tài)下的應(yīng)力-應(yīng)變。其估算疲勞形成裂紋形成壽命的具體步驟如下：(1) 首先確定材料的疲勞性能參數(shù)()和缺口幾何參數(shù)(或)；(2) 根據(jù)名義應(yīng)力、應(yīng)

27、變和局部應(yīng)力、應(yīng)變轉(zhuǎn)換關(guān)系求解缺口根部的局部應(yīng)力、應(yīng)變；(3) 根據(jù)選定的損傷壽命公式進行損傷計算及壽命預(yù)測。上述局部應(yīng)力應(yīng)變法中的每一個主要步驟，在具體應(yīng)用時都有多種處理方法，由于采用的方法不同，壽命計算結(jié)果可能也會不一樣。.1 缺口處局部應(yīng)力和應(yīng)變的確定 目前，在局部應(yīng)力應(yīng)變法中，一般采用以下幾種方法來確定局部應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系：(1) 采用試驗方法確定缺口根部的局部應(yīng)力-應(yīng)變值。確定缺口局部應(yīng)力-應(yīng)變的試驗分析方法有很多，如電測法、云紋法、光彈法、散斑法等。工程上使用較多的是電測法和云紋法。試驗方法直觀準確，但試驗繁瑣，往往由于實際條件的限制，不便于采用此種方法。(2) 用近似計算法確定局部

28、應(yīng)力-應(yīng)變值。工程上可采用簡單實用的近似計算方法，如Molski等效能量法、諾伯法和修正諾伯法等。該方法的缺點是計算出的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)不夠精確。(3) 采用彈塑性有限元法計算局部應(yīng)力-應(yīng)變值。目前計算機運算功能十分強大，在處理實際問題時極大地方便了研究工作者開展研究。目前較為通用的有限元軟件有ANSYS等，有限元法模擬的精度很高。.2 損傷計算及壽命預(yù)測目前，在局部應(yīng)力應(yīng)變法壽命估算中許多損傷公式都是以Manson-Coffin公式為理論演化的，其中應(yīng)用較廣的損傷公式有：(1) Dowling損傷公式Dowling等人認為以轉(zhuǎn)換壽命(曲線中彈性線與塑性線的交點)為界。當時塑性應(yīng)變分量占優(yōu)勢，平均

29、應(yīng)力影響可以忽略不計。塑性應(yīng)變幅值循環(huán)一周造成的損傷為： (5-1) 當時彈性應(yīng)變量占優(yōu)勢，彈性應(yīng)變幅值循環(huán)一周造成的損傷為：(5-2)考慮平均應(yīng)力影響時，(5-3)(2) Landgraf損傷公式Landgraf選擇塑性應(yīng)變幅值與彈性應(yīng)變幅值之比作為計算損傷的參數(shù)：(5-4) (3) Smith-Watson (SWT) 損傷公式 Smith等人選擇作為損傷計算的參數(shù)，由于最大應(yīng)力在對稱循環(huán)中等于應(yīng)力幅，所以，。結(jié)合Manson-Coffin公式，得到：(5-5)5.4 銅薄膜缺口件有限元分析傳統(tǒng)的設(shè)計分析方法已經(jīng)不能滿足設(shè)計的需求，因而工程設(shè)計中出現(xiàn)了有限單元分析法。有限元的核心思想是結(jié)構(gòu)

30、的離散化，就是將實際結(jié)構(gòu)離散為有限個單元通過有限個節(jié)點按一定次序連接在一起并在一定邊界條件下求解的集合體。有限元不僅計算精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀。通過有限元分析，可發(fā)現(xiàn)設(shè)計階段潛在的問題，增加可靠性;可模擬試驗方案，減少試驗次數(shù)，從而減少試驗經(jīng)費；降低原材料成本;縮短產(chǎn)品投向市場的時間。隨著計算機技術(shù)的普及和計算速度的不斷提高，有限元分析在工程設(shè)計和分析中得到了越來越廣泛的重視，已經(jīng)成為解決復(fù)雜工程分析問題的有效途徑。 有限元數(shù)值分析基本假設(shè) 材料非線性分析與線形分析相比，最明顯的不同體現(xiàn)在材料屬性的定義上。在材料非線性問題的建模過程中，定義材料屬性時必須將非線性這一特性恰當?shù)乇硎境鰜?。在ANSYS程序里面，提供了多種塑性材料選項，在此主要介紹四種最常用的材料選項，可以通過激活一個數(shù)據(jù)表來選擇這些選項。經(jīng)典雙線性隨動強化 (BKIN)：使用一個雙線性來表示應(yīng)力應(yīng)變曲線，有兩個斜率，分別是彈性斜率和塑性斜率，由于隨動強化的Von Mises屈服準則被使用，所以包含有包辛格效應(yīng)，此選項適用于初始為各向同性材料的小應(yīng)變問題(如大多數(shù)金屬)。雙線性等向強化(BISO)：使用雙線性來表示應(yīng)力-應(yīng)變曲線，適用于初始各向同性材料的大變形問題。多線性隨動