Совместно с мировым лидером в тестировании соединений, компанией XYZTEC (Голландия) мы продолжаем серию публикаций о видах и методах тестирования, которые можно выполнить на установках линейки Condor Sigma. В данной статье, как следует из названия, речь пойдет о тестировании на излом. Данный вид тестирования применяется, чтобы гарантировать, что подложка (например, керамическая или кремниевая пластина или плата FR4) обладает достаточной отказоустойчивостью, чтобы выдерживать заданную силу изгиба.
Рис. 1 Тестирование на излом
При производстве изделий микроэлектроники используются различные пластины и кристаллы, качество и прочность этих пластин и кристаллов следует проверять по многим причинам. Распространение трещин, образующихся при растяжении, расслаивание или кристаллическая структура – это далеко не полный список проблем, которые связаны с качеством используемых пластин. В этой статье описываются незначительные различия между несколькими типами тестирования на изгиб. При написании данной статьи мы руководствовались следующими методами тестирования:
- Three point bend test Испытание при трёхточечном изгибе.
- Four point bend test Испытание при четырёхточечном изгибе.
- Ball and ring bend test Испытание на изгиб методом кольца и шара.
- Ring and ring bend test Испытание на изгиб методом кольца и кольца.
Рис. 2 Испытание при четырёхточечном изгибе
Как правило, испытание материалов на прочность применяется для выяснения причин и прогнозирования отказов. Для прогнозирования режима отказа важно понимать истинные условия нагрузки и реальные режимы отказа (то, что, в конечном счете, оказывает влияние на продукт при использовании). Как мы уже говорили в пособии «Наука тестирования соединений» (ориг. Science of Bond Testing), зачастую сделать это не так уж просто. В то время как режим отказа обычно известен или, по крайней мере, предсказуем, истинное условие нагрузки может быть непонято.
В случае, если условия истинной нагрузки неизвестны или под вопросом, главной целью тестирования является воспроизведение «Исследуемого режима отказа» (Failure Mode of Interest). Независимо от того, насколько правильно, как мы полагаем, нам удалось добиться условий истинной нагрузки, если при тестировании не создается реальный режим отказа, который нас интересует, какую ценность имеет данное тестирование? Любое тестирование, которое действительно вызывает интересуемый режим отказа, напротив, вероятно, будет полезно.
Когда истинная нагрузка известна, ее следует попробовать применить и создать истинный режим отказа. Если полученный результат не будет соответствовать интересуемому режиму отказа, определенная истинная нагрузка, режим отказа или оба параметра неверны.
Испытание при трёхточечном изгибе
Рис.3 Схематичное изображение испытания при трёхточечном изгибе
При данном виде тестирования образец подвергается изгибающему моменту, показанному на графике. Изгибающий момент увеличивается с постоянной скоростью в двух опорных точках от нуля до максимума, где применяется нагрузка F. Следует отметить, что на приведенном рисунке показан стандартный луч, однако те же принципы применяются, когда величина b намного больше, чем величина h, как в случае с кристаллом или пластиной.
Как видно из рисунков, изгибающий момент создает растягивающую нагрузку на нижнюю часть и сжимающую нагрузку на верхнюю часть испытываемого образца. При тестировании хрупких материалов и если возникает проблема распространения трещин, наиболее вероятным может быть отказ вследствие применения растягивающей нагрузки. Если одна сторона ваших образцов более подвержена воздействию растягивающей нагрузки, при тестировании изделие следует размещать таким образом, чтобы нагрузка F прилагалась к обратной стороне.
Рис.3 Схематичное изображение испытания при трёхточечном изгибе
При данном виде тестирования образец подвергается изгибающему моменту, показанному на графике. Изгибающий момент увеличивается с постоянной скоростью в двух опорных точках от нуля до максимума, где применяется нагрузка F. Следует отметить, что на приведенном рисунке показан стандартный луч, однако те же принципы применяются, когда величина b намного больше, чем величина h, как в случае с кристаллом или пластиной.
Как видно из рисунков, изгибающий момент создает растягивающую нагрузку на нижнюю часть и сжимающую нагрузку на верхнюю часть испытываемого образца. При тестировании хрупких материалов и если возникает проблема распространения трещин, наиболее вероятным может быть отказ вследствие применения растягивающей нагрузки. Если одна сторона ваших образцов более подвержена воздействию растягивающей нагрузки, при тестировании изделие следует размещать таким образом, чтобы нагрузка F прилагалась к обратной стороне.
Изгибающий момент и напряжение при изгибе
Переход от сжатия к растяжению, проходящий через толщину h, приводит к напряжению сдвига также по всей толщине образца. Напряжение сдвига применяется в тех случаях, когда пользователь опасается отслоения в конечном изделии, это напряжение воздействует на ламинарные слои и соединения и тем самым проверяет их прочность. В тех случаях, когда проверяемые слои находятся близко к поверхности изделия, относительное расширение и сжатие между слоями можно не применять, протестировав образец лицевой стороной вниз или вверх. Напряжение сдвига будет одинаковым, однако относительное расширение в сравнении с усадкой, наблюдаемой между слоями изменится на противоположное. Если слой находится в середине толщины при h/2 и нейтральной оси, все напряжения будут равны нулю. Это делает отказ менее вероятным, но из-за различий между теоретической моделью и реальным миром, например из-за несимметрии испытание на изгиб может быть полезно.
Рис.5 При тестировании на изгиб может возникать расслоение.
Трехточечный изгиб чаще всего применяется при однократной нагрузке, но чтобы проверить усталость и распространение трещин нагрузку также можно применять много раз.
Испытание при четырёхточечном изгибе
Рис.6 На графике показан разрез чистого изгиба при локальном напряжении при нагрузке по опорным точкам
Испытание при четырёхточечном изгибе имеет много общего с испытанием при трёхточечном изгибе, однако как Вы можете видеть из рисунка изгибающий момент на графике совершенно другой. Изгибающий момент снова увеличивается с постоянной скоростью до точки приложения нагрузки, в данном случае двух точек, но с постоянным изгибающим моментом между ними. Это очень важное и полезное отличие, а во многих случаях более близкое к истинному состоянию нагрузки. Например, если согнуть собранную солнечную панель, на отдельные пластины может воздействовать только постоянный изгиб. Испытание при четырёхточечном изгибе дает Вам возможность тестировать участок образца на постоянный и максимальный изгиб. В случае испытания при трёхточечном изгибе, максимальный изгиб применяется только в одной точке и, как мы увидим, имеет другие осложнения.
Растягивающая нагрузка также находится на нижней стороне, в пределах толщины есть сдвиг, на края нет нагрузки, и испытание может быть выполнено с применением как однократной, так и многократной нагрузок.
Применение точки нагрузки
Рис. 7 Точечная нагрузка при испытании на изгиб
На поверхностях, в которых, тестируемый образец поддерживается и куда прикладывается нагрузка, возникает местное напряжение. В то время как анализ ранее упомянутых изгибающих моментов выполнить относительно просто, эти нагрузки вычислить бывает сложно. Хотя они могут быть незначительными, если тестирование обеспечивает условие нагрузки на изгиб и/или режимы отказа, которые вас интересуют. Это ясно показывает преимущества испытания при четырёхточечном изгибе, когда часть испытываемого образца подвергается максимальной изгибающей силе независимо от местных напряжений, в отличие от испытания при трёхточечном изгибе, когда местная нагрузка применяется только в одной точке максимального изгибающего момента.
И наоборот, такие точки местного напряжения могут быть близки к истинной нагрузке или обеспечивать представляющий интерес режим отказа. В этом случае, мы получаем точечную нагрузку, которая может быть достигнута в результате тестирования на изгиб, которое Вас интересует, и тогда испытание при трёхточечном изгибе может быть идеальным. Тем не менее, оно показывает сочетание местного напряжения и изгибающей силы. Если Вас интересуют только местные «разламывающие» напряжения при приложении нагрузки в точке или области, лучшим решением может быть обеспечить полную поддержку образца на жесткой и плоской поверхности; в данном случае это будет уже не испытание на изгиб.
Напряжения при местной нагрузке могут быть смоделированы с использованием метода исследования конечных элементов (Finite Element Analysis).
Рис. 8 Тестирование на разрушение
Испытание на изгиб методом кольца и шара
Рис.9 Испытание на изгиб методом кольца и шара
В сечении по диаметру (или радиусу) испытание шаром и кольцом может считаться аналогичным испытанию при трёхточечном изгибе, здесь так же применяются две опорные точки и одна точку приложения нагрузки. Однако, испытание испытанию при трёхточечном изгибе является двумерным так, как напряжение на изгиб можно рассматривать в одной плоскости, такой как показанная на графиках изгибающего момента при трехточечном и четырехточечном изгибе. При испытании методом кольца нагрузка прилагается как в радиальной, так и в нормальной плоскости. Возможно, вы сможете отчетливо представить себе это, поскольку тестируемый образец сгибается вдоль линий радиуса/диаметра и растягивается вдоль круговых линий, центрированных вокруг точки нагрузки. Они называются радиальными и окружными напряжениями. Радиальные напряжения аналогичны напряжениям изгиба при трехточечном и четырехточечном изгибе. Окружные напряжения аналогичны крутящим моментам, вызванным коэффициентом Пуассона, отличие составляет то, что они не равны нулю на углах/краях образца.
Подобно испытанию при трёхточечном изгибе, максимальное напряжение в испытании методом кольца и шара происходит там, где применяется нагрузка. Так же, как в испытании при трёхточечном изгибе радиальные напряжения равны нулю на краях испытываемого образца, отличие составляет то, что на края воздействуют значительные круговые напряжения. Эта особенность делает данный метод испытания пригодным для проверки таких явлений, как трещины, причины неровностей/напряжения и остаточные производственные напряжения, возникающие на краях образца. Типичным примером таких неровностей являются трещины/разломы, возникающие во время резки.
Рис. 10 Трещины при напряжении у кромок подложки.
Испытание на изгиб методом кольца и кольца
Рис.11 Испытание на изгиб методом кольца и кольца
Сходство и различия которые наблюдаются между испытанием на изгиб методом кольца и шара и испытанием при испытанию при трёхточечном изгибе также имеют место между испытанием на изгиб методом кольца и кольца и испытанием при четырёхточечном изгибе. При испытании на изгиб методом кольца и кольца круговое растягивающее напряжение воздействует на края испытуемого образца и, таким образом становится возможным испытание краевых эффектов. Как и в случае испытания при четырёхточечном изгибе, в пределах меньшего кольца наблюдаются постоянне напряжения изгибающего момента, которые включают в себя постоянное окружное напряжение. Поскольку испытание на изгиб методом кольца и кольца распределяет приложенную нагрузку, местные напряжения уменьшаются, что снижает вероятность сбоя при приложении нагрузки.
Все, описанные в данной статье методы тестирования могут быть выполнены на установках тестирования соединений Condor Sigma, компании XYZTEC (Голландия). Более подробную информацию о данных установках Вы можете получить нашем сайте по следующей ссылке.
Также Вы можете просмотреть видеоматериалы об испытании при трёхточечном изгибе:
И испытании при четырёхточечном изгибе
Узнать о других видах тестирования и наиболее выгодных условиях приобретения установок линейки Condor Sigma можно у наших менеджеров, направив официальный запрос.