Upload
alaina-jourdain
View
129
Download
2
Embed Size (px)
Citation preview
Adhérence aux interfaces
Muriel BRACCINI, laboratoire SIMaP
G. Parry, R. Estevez
collaborations : O. Dezellus (LMI, Lyon), T. Pardoen (IMAP, Louvain)
Introduction
2
1 cm
PLAN
• Définition de l’adhérence
• Influence de certains paramètres
– chimie et microstructure : aluminiage de base fer
– géométrie : bonding Si/BCB/Si
– mécaniquecouche de cuivre sur acier
3
A
B
A
B
Définition de l’adhérence
ABBAadhésionW
4
• création de liaisons o interatomiqueso à longues distances (Van der Waals,…)
• réversibilité
• ordre de grandeur = 1 J.m-2
Adhésion Wadhésion
Définition de l’adhérence
5plasticité
micro-contact
micro-fissures secondaires
Définition de l’adhérence
6
Gc = Wadhesion + Wdissipatif
Définition de l’adhérence
• Comment mesurer l’adhérence d’une interface ?
– propagation d’une fissure• à l’interface concernée• de façon stable
7
flexion 4-points
clivage au coin
essai de gonflement-décollement
Définition de l’adhérence
– taux de restitution d’énergie• propagation de la fissure : G =Gc
• problème de la dissipation plastique
– modélisation numérique (MEF)• calcul de la mixité modale • modèle de zone cohésive
8
Gc
max
Définition de l’adhérence
– fractographie• faciès de rupture : chemin de la fissure adhésif, cohésif ou
mixte ?
• corrélation avec chimie et microstructure de la zone interfaciale
scénario de la fissure : amorçage/propagation/déviation
mécanismes de l’adhérence
9
Définition de l’adhérence
• Quels paramètres influencent l’adhérence ?
– chimie : • nature des liaisons, • chimie de la zone interfaciale
– physique : • singularités,• rugosité, structuration
– mécanique : • sollicitations externes, • contraintes résiduelles, • propriétés mécaniques des matériaux
10
• Chimie et microstructure interfaciale
11
couche de réaction
zone de diffusion
microstructure
Influence de la chimie
12
[M. Zhe, O. Dezellus, G. Parry, M. Braccini, J. C. Viala, Journal of Adhesion Science and Technology (2011)]
Interface aluminium/fer(thèse Miao ZHE, 2011)
Spires d’induction
Thermocouple
Lame Fe 60x10mm
AS7G03
Influence de la chimie
13
fil de fer lame Fe
Suspension Y2O3 (zone sans réaction)
zone réactionnelleAS7
Fefissure
entaille
zone pré-fissure
zoom
Influence de la chimie
14
G = 23±3 J/m2
47N ≤ F ≤ 53N
Déplacement (mm)
Forc
e (
N)
Plateau de force
[P.G.Charalambides et al., Journal of Applied Mechanics 56, 77-82]
Influence de la chimie
15
Côté Fe
Côté Al
Al Fe
10µm
Fe
1-9
5
fissure
Influence de la chimie
16
Cristaux Couche fine
Aluminiage à 680°C
Déplacement (mm)
Force moyenne
linéaire
Surmoulage XES(1mm)/AS7G03(2mm)
Propagation dans
40N ≤ F ≤ 51N
14J/m2≤ G ≤ 23J/m2
Influence de la chimie
17
20µm
40µm
+
Traitement thermique 15h@535°C Traitement thermique 50h@535°C
80 µm
+
porosité Kirkendall
Influence de la chimie
• Conclusion sur la chimie et la microstructure d’interface
– chimie et microstructure de la zone interfaciale
adhésion ;
propriétés mécaniques locales :– chemin de fissuration ;– mécanismes dissipatifs : plasticité, fissuration
secondaire…
18
• Géométrie de l’interface
19
Singularité matérielle
Singularité géométrique
rugositédiscontinuité
Influence de la géométrie
20
Si-substrate
BCB polymer
- Largeur des cordons : 100 ou 200 µm-Largeur motif = 400 µm- Epaisseur constant de l’ordre de 4 µm
Bonding Si/BCB/Si(thèse Coraly Cuminatto, en cours*)
* en collaboration avec l’IEF, dans le cadre de l’ANR TransFilm
Influence de la géométrie
21
Nettoyage
Dépôt BCB
Collage
Gravure face arrière
Alignement
Découpe
compression 3,5 kN
150°C
250°C
15 min
1 h
sous videou N2 à Patmo
T
tps
Influence de la géométrie
22[Penado F.E., Journal of Composites Materials 27(4) 383-407 (1993)]
Influence de la géométrie
23
y
x
y(x) flexion de plaque L
Influence de la géométrie
24[R. Tadepalli, K. T. Turner, C. V. Thompson, Acta Materialia, Vol. 56 (2008) 438-447]
orthogonal
parallèle
Influence de la géométrie
25
Adhesion of polymer thin-films and patterned lines, C. S. LITTEKEN and R. H. DAUSKARDT, International Journal of Fracture 119/120: 475–485 (2003)
SEM image of a FIB sectioned polymer /SiO2
patterned structure
Tapping mode AFM cross-section
Polymer/SiO2 adhesion measured by 4-points bending test as a function of feature aspect ratio
Lignes parallèles à la direction de propagation
Influence de la géométrie
26
Lignes orthogonales à la direction de propagation
0
m
separation
traction
f
m
CG
Tmax
BCB
Silicium
symétrie
Influence de la géométrie
27
Abaqus modelingExprimental (vacuum)Experimental (N2)
Influence de la géométrie
28
effet des comportements non linéaires (plasticité)
29
• Mécanique
contraintes résiduelles
mixité modaleplasticité
Aspects mécaniques
30
Films de cuivre sur acier(thèse F. Strepenne, 2010, U.C.Louvain, dir. T. Pardoen)
acier inox (400 µm)
dégraissagedécapage plasma
dépôt PVD de Cuivre(0,5 à 2,5 µm) colle
cyanoacrylate
Aspects mécaniques
31
Taux de restitution mesuré en fonction des épaisseurs de film
Aspects mécaniques
32
iraidP
adhP
fP
SPO GGGGGGG
énergie de rupture de l’interface
énergie dissipée plastiquement
j=S dans le substrat f dans le film adh dans l’adhésif raid dans le raidisseur en acier
contribution des contraintes internes partiellement relaxées pendant la propagation de la fissure
iG
jPG
0G
Gc
Aspects mécaniques
33
Contraintes résiduelles dans les films de cuivre
mesures sur substrat de silicium avec sous couche d’acier (300 nm)
Aspects mécaniques
34
Limite élastique du cuivre
[Y.Xiang, J.J. Vlassak, Acta mater 54, 5449-5460, 2006]
Aspects mécaniques
35
interface : éléments cohésifs avec loi de traction-séparation (max, G0)
matériaux bulk : lois élasto-plastiques isotropes (E, , Y, n)
calcul des différents termes énergétiques
ouvertureimposée
longueur de fissure aciercuivreadhésif
Aspects mécaniques
36
t (µm) 0,5 1 1,5 2
G0
G(ζσi)Gf
Gs
Gadh
0,800,0022,120,076,30
0,800,0871,650,130,93
0,800,1531,470,140,27
0,800,2201,450,170,15
Gc 3,00 2,58 2,41 2,43
Gtot 9,31 3,52 2,69 2,58
Gexp 11,68 3,75 2,68 2,56
contraintes résiduelles
effet positif
favorisent la dissipation plastique pendant la
propagation de la fissure
effet négatif
augmentent la limite élastique du film
Conclusions
• Effets d’échelle sur différents aspects
– chimie : liaisons atomiques à l’interface mais également chimie de la zone interfaciale
– géométrie : dimensions caractéristiques de la géométrie de l’interface (structuration) et de son environnement
37