芯片粘接層金屬單晶微柱壓縮試驗彈性常數反演方法

本發明屬于電子封裝力學測試，具體是一種芯片粘接層金屬單晶微柱壓縮試驗彈性常數反演方法。

背景技術：

1、在現代電子封裝技術中，芯片粘接層的力學性能對整個封裝結構的可靠性和穩定性起著至關重要的作用。隨著微電子器件的發展，芯片粘接層的微觀結構和力學性能顯得尤為重要。傳統的宏觀力學性能測試方法在微納尺度的材料測試中存在一定的局限性，難以準確反映材料的真實力學特性。尤其是在粘接層，例如燒結銀、燒結銅等金屬材料得單晶力學性能測試中，如何準確地獲取材料單晶的彈性常數成為一個重要的研究課題。

2、銀、銅等金屬材料因其優良的導電、導熱性能和較好的力學性能，被廣泛應用于芯片粘接層材料中。然而，銀材料單晶微柱壓縮試驗在力學性能測試和參數反演過程中，存在數據獲取難度大、測試精度不高、實驗重復性差等問題。傳統的試驗方法及數據分析手段，難以準確利用金屬單晶微柱在壓縮數據獲得材料本構參數，尤其是其彈性常數的準確反演面臨巨大挑戰。

3、有限元分析作為一種強有力的數值計算工具，能夠有效模擬各向異性材料的力學行為，并結合實驗數據進行參數反演。然而，在微柱壓縮試驗中，如何結合有限元模型和實驗數據，通過優化算法準確反演材料的彈性常數，仍是一個待解決的問題。

4、綜上，現有技術中，對于芯片粘接層金屬單晶微柱壓縮試驗彈性常數的反演方法仍然是待解決的技術問題。

技術實現思路

1、本發明的目的在于避免現有技術的不足提供一種芯片粘接層金屬單晶微柱壓縮試驗彈性常數反演方法，其通過特定晶向的粘接層金屬材料單晶微柱壓縮試驗，獲取力-位移曲線數據，并建立相應的有限元模型。結合多目標優化算法，準確反演出金屬單晶材料的彈性常數，為電子封裝領域的力學性能測試提供了新的解決方案，有效提高了測試的精度和效率。

2、為實現上述目的，本發明采取的技術方案為：所述的芯片粘接層金屬單晶微柱壓縮試驗彈性常數反演方法，包括以下步驟：

3、步驟一：開展芯片粘接層中不同晶向的金屬單晶微柱壓縮試驗，獲取對應金屬單晶微柱壓縮試驗力-位移曲線數據；

4、步驟二：建立金屬單晶微柱壓縮有限元模型，包括幾何模型建立、晶體取向、邊界設定、網格劃分，并通過設定不同的彈性常數，得到微柱壓縮力-位移曲線有限元仿真結果；

5、步驟三：設定金屬單晶彈性常數多目標優化問題，包括目標函數、彈性常數參數范圍的確定；

6、步驟四：利用多目標優化算法，求解最優金屬單晶彈性常數，以此，得到微柱壓縮試驗數據反演的金屬單晶材料彈性常數。

7、進一步，所述的步驟一中獲取對應金屬單晶微柱壓縮試驗力-位移曲線數據的方法，包括：

8、（1）基于芯片粘接層金屬剖面電子背散射衍射（electron?backscatterdiffraction，ebsd）結果，選擇n個具有不同晶向的截面粒徑大于20μm的金屬晶粒區域，利用聚焦離子束（focused?ion?beam，fib）制備金屬單晶微柱，金屬單晶微柱的直徑為5至10μm，高度為10至20μm，n為正整數；

9、（2）使用微壓頭對n個金屬單晶微柱進行壓縮試驗，試驗過程為準靜態壓縮試驗，下壓方向為金屬單晶微柱軸向，獲取n組力-位移數據；

10、（3）對獲取的n組力-位移數據進行初步處理，獲取力-位移曲線數據，處理過程為：取位移為0到200?nm區間數據，利用線性擬合，獲取力-位移曲線試驗斜率。

11、進一步，所述的步驟二中建立金屬單晶微柱壓縮有限元模型，得到微柱壓縮力-位移曲線有限元仿真結果，具體包括：

12、（1）使用三維建模軟件建立金屬單晶微柱的幾何模型，即圓柱體金屬單晶微柱，確保模型的尺寸和形狀與實際試樣一致；

13、（2）設定n個金屬單晶微柱的晶體取向，確保模型中的晶體取向與實際金屬單晶微柱一致；

14、（3）設置邊界條件：圓柱體金屬單晶微柱底面固定、頂面沿軸向壓縮方向移動，移動位移不小于50?nm；

15、（4）設定合適的網格密度進行網格劃分，網格尺寸不大于微柱直徑的百分之十；

16、（5）基于上述有限元模型，設定不同的彈性常數，計算n個金屬單晶微柱壓縮力-位移曲線結果，利用線性擬合，得到力-位移曲線仿真斜率。

17、進一步，所述的步驟三中設定金屬單晶彈性常數多目標優化問題，具體包括：

18、（1）設定金屬單晶彈性常數的多目標優化問題的目標函數，如下所示：

19、，

20、其中，是金屬單晶彈性常數變量，即為待優化變量向量，為第個試驗斜率，為第個仿真斜率；

21、（2）設定彈性常數參數范圍，包括根據金屬材料的物理性質，設定合理的彈性常數初始范圍，以此，作為多目標優化的約束條件，如下：

22、，

23、其中，為第個彈性常數的下邊界，為第個彈性常數的上邊界。

24、進一步，所述的步驟四中利用多目標優化算法，求解最優金屬單晶彈性常數，具體包括：

25、（1）基于多目標優化問題，參考步驟三中的多目標優化的約束條件，隨機生成a組彈性常數解向量，以此作為初始種群；

26、（2）利用有限元模型，對種群中的每個彈性常數解進行力-位移曲線仿真，并計算仿真斜率，計算每個解的目標函數值；

27、（3）根據目標函數值，利用多目標最優化算法，進行選擇、交叉和變異操作，生成新的種群；

28、（4）重復上述（2）和（3），直到達到預設的迭代次數或收斂條件，最終得到最優解，以此作為微柱壓縮試驗數據反演的金屬單晶材料彈性常數。

29、本發明的有益效果是：本發明提供了一種芯片粘接層金屬單晶微柱壓縮試驗彈性常數反演方法，其利用微柱壓縮試驗，可精確獲取高分辨率和高精度微柱的力-位移曲線數據，結合n組不同晶向微柱壓縮數據，可確保金屬單晶彈性常數預測的準確性；通過建立精確的有限元模型和設定合理的邊界條件，為彈性常數反演計算提供模型依據與仿真支撐；通過使用多目標優化算法，可同時優化多目標函數，提高了反演結果的全面性和準確性；結合有限元模型的力-位移曲線仿真結果，反演獲取與實際微柱壓縮試驗結果一致的金屬單晶材料彈性常數，為芯片粘接材料金屬單晶的彈性常數確定提供最優方法。本方法能夠有效獲取金屬單晶微柱在壓縮過程中的力-位移曲線，并結合有限元模型和多目標優化算法，準確反演出材料的彈性常數，為電子封裝領域的材料力學性能測試提供了新的技術手段。

技術特征：

1.一種芯片粘接層金屬單晶微柱壓縮試驗彈性常數反演方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.如權利要求1所述的芯片粘接層金屬單晶微柱壓縮試驗彈性常數反演方法，其特征在于，所述的步驟一中獲取對應金屬單晶微柱壓縮試驗力-位移曲線數據的方法，包括：

3.如權利要求1所述的芯片粘接層金屬單晶微柱壓縮試驗彈性常數反演方法，其特征在于，所述步驟二中建立金屬單晶微柱壓縮有限元模型，得到微柱壓縮力-位移曲線有限元仿真結果，具體包括：

4.如權利要求1所述的芯片粘接層金屬單晶微柱壓縮試驗彈性常數反演方法，其特征在于，所述的步驟三中設定金屬單晶彈性常數多目標優化問題，具體包括：

5.如權利要求1或4所述的芯片粘接層金屬單晶微柱壓縮試驗彈性常數反演方法，其特征在于，所述的步驟四中利用多目標優化算法，求解最優金屬單晶彈性常數，具體包括：

技術總結
本發明提供一種芯片粘接層金屬單晶微柱壓縮試驗彈性常數反演方法，其利用微柱壓縮試驗，結合n組不同晶向微柱壓縮數據，通過建立精確的有限元模型和設定合理的邊界條件，為彈性常數反演計算提供模型依據與仿真支撐；通過使用多目標優化算法，提高了反演結果的全面性和準確性；結合有限元模型的力?位移曲線仿真結果，反演獲取與實際微柱壓縮試驗結果一致的金屬單晶材料彈性常數，為芯片粘接材料金屬單晶的彈性常數確定提供最優方法。本方法能夠有效獲取金屬單晶微柱在壓縮過程中的力?位移曲線，并結合有限元模型和多目標優化算法，準確反演出材料的彈性常數，為電子封裝領域的材料力學性能測試提供了新的技術手段。

技術研發人員：蘇昱太,龍旭,王川云
受保護的技術使用者：西北工業大學
技術研發日：
技術公布日：2024/10/14