第四章_云紋干涉法

1、1第四章：云紋干涉法第四章：云紋干涉法一、云紋干涉法原理一、云紋干涉法原理1. 1. 相交平行光的干涉相交平行光的干涉滿足干涉條件下，兩相交平行光滿足干涉條件下，兩相交平行光干涉形成等間距干涉條紋干涉形成等間距干涉條紋sin2vf空間頻率空間頻率2位相型光柵的衍射位相型光柵的衍射fmmsinsin如果：如果： 令令 1 = 0. fsin如果如果 =632.8 nm (He-Ne laser) 且且 f =1200 l/mm則有則有 = 49.4 .2. 2. 光柵衍射方程光柵衍射方程33.3.波前波前(wavefront(wavefront) )及波前干涉及波前干涉mqim,qSpecime

2、nSpecimenCameraCamera 平行光的波前為平面平行光的波前為平面 如果衍射光柵沒有畸變?nèi)绻苌涔鈻艣]有畸變或均勻畸變，平行光的各或均勻畸變，平行光的各級衍射光的波前為平面級衍射光的波前為平面 如果衍射光柵有如果衍射光柵有非非均勻均勻畸變，平行光的各級衍射畸變，平行光的各級衍射光的波前為曲面，并且可光的波前為曲面，并且可以看成多個不同衍射方向以看成多個不同衍射方向的平面波前的組合的平面波前的組合Fourier 波前模型波前模型iimfmq sinsin,44 4、對稱入射光的、對稱入射光的 1 1級衍射光的干涉級衍射光的干涉 兩束光以特定角對稱入射在無畸變的光柵上，使其兩束光以特

3、定角對稱入射在無畸變的光柵上，使其 1 1級衍射光沿光柵法向方向。級衍射光沿光柵法向方向。兩衍射光不產(chǎn)生干涉，記錄不到條紋兩衍射光不產(chǎn)生干涉，記錄不到條紋 (Null 場）場）5兩衍射光發(fā)生干涉，產(chǎn)生均勻的、等間距平行條紋兩衍射光發(fā)生干涉，產(chǎn)生均勻的、等間距平行條紋 光柵發(fā)生均勻變形光柵發(fā)生均勻變形6 光柵發(fā)生非均勻變形光柵發(fā)生非均勻變形 N (x, y)=S (x, y)/ 兩衍射光發(fā)生干涉，產(chǎn)生非均勻、非等間距的條紋，條兩衍射光發(fā)生干涉，產(chǎn)生非均勻、非等間距的條紋，條紋級數(shù)與分布形式與兩個翹曲的波前間距直接相關(guān)：紋級數(shù)與分布形式與兩個翹曲的波前間距直接相關(guān)： 75 5、 1 1級衍射光干涉

4、條紋的力學(xué)意義級衍射光干涉條紋的力學(xué)意義云紋干涉法的測量原理云紋干涉法的測量原理8)(2cos1taA)/(2cos2ktaA變形前變形前P點處的兩根出射衍點處的兩根出射衍射光線射光線1、2可以表示為：可以表示為：k是兩入射光線在是兩入射光線在p點的光程差，點的光程差， OPL1 =A1PB A1* P = CP + PB = (FB + BE) + PB= (U sin + W cos )+W = W (1+cos )+U sin P P移至移至PP后，光線后，光線1 1的光程改變量的光程改變量P P移至移至PP后，光線后，光線2 2的光程改變量的光程改變量 OPL2 = A2PB A2*P

5、 = A2P A2*P + PB = (CP)+PB = (EP BF) + PB = (U sin W cos ) +W = W (1 + cos ) U sin 9 OPL1 =A1PB A1* P = CP + PB = (FB + BE) + PB= (U sin + W cos )+W = W (1+cos )+U sin OPL2 = A2PB A2*P = A2P A2*P + PB = (CP)+PB = (EP BF) + PB = (U sin W cos ) +W = W (1 + cos ) U sin ),(2cos ),(2cos 2211yxOPLktaAyxOP

6、LtaA S (x, y) = OPL1 OPL2 k = 2U(x, y) sin k = f U (x, y) k 變形后變形后P點處的兩根出射衍點處的兩根出射衍射光線射光線1、2可以表示為：可以表示為：兩入射光線在兩入射光線在P點的光程差點的光程差這里的這里的f 2sin / ,是兩入射光干涉形成的干涉條紋的空間頻率是兩入射光干涉形成的干涉條紋的空間頻率是物理光柵空間頻率的是物理光柵空間頻率的2倍！倍！10Nx = S (x, y) / =fU (x, y)-k / xz平面內(nèi)雙光束對稱入射條件下，平面內(nèi)雙光束對稱入射條件下，條紋圖的含義：條紋圖的含義： 與離面位移信息無關(guān)與離面位移信息

7、無關(guān), 反映了試件在反映了試件在x方向的面內(nèi)位移信息方向的面內(nèi)位移信息; 每一條紋代表了每一條紋代表了x方向的等位移線方向的等位移線 習(xí)慣上，這樣的干涉條紋圖稱為習(xí)慣上，這樣的干涉條紋圖稱為U場條紋場條紋同樣可以理解同樣可以理解V V場條紋圖的含義場條紋圖的含義kNfyxUx1),(在干涉條紋圖上，在干涉條紋圖上，P點所對應(yīng)點所對應(yīng)的條紋級數(shù)的條紋級數(shù)Nx S (x, y) = f U (x, y) k 11測量面內(nèi)變形的云紋干涉法光路測量面內(nèi)變形的云紋干涉法光路云紋干涉法的技術(shù)特征：云紋干涉法的技術(shù)特征： 分辨率分辨率受制于以光柵的空間頻受制于以光柵的空間頻率，以率，以1200 l/mm為例

8、，為例，測試分辨率為測試分辨率為417nm 分辨率與相干光的波分辨率與相干光的波長無關(guān)長無關(guān) 圖像的信噪比較高圖像的信噪比較高 適于測量面積較小、適于測量面積較小、變形微小的試件變形微小的試件126 6、試件柵的轉(zhuǎn)移技術(shù)、試件柵的轉(zhuǎn)移技術(shù) 光柵轉(zhuǎn)移注意事項：光柵轉(zhuǎn)移注意事項： 光柵基底材料的選擇光柵基底材料的選擇 試件表面的處理試件表面的處理 環(huán)氧膠的選擇（固化條件，環(huán)氧膠的選擇（固化條件，高溫性能等）高溫性能等） 膠厚度的控制（微米級）、膠厚度的控制（微米級）、余膠去除等余膠去除等 試件的固定、壓制與剝離試件的固定、壓制與剝離13147. 云紋干涉法中的相移技術(shù)云紋干涉法中的相移技術(shù)根本方法

9、在于改變兩路光的光程差，相移根本方法在于改變兩路光的光程差，相移 /2, /2, 光程差光程差需改變需改變 /4, /4, 一般采用壓電陶瓷控制，但方式有多種一般采用壓電陶瓷控制，但方式有多種158 8、云紋干涉法的測試一般步驟和技術(shù)要點、云紋干涉法的測試一般步驟和技術(shù)要點 試件固定在加載架上試件固定在加載架上 （方位最好六維可調(diào)）（方位最好六維可調(diào)） 試件加載前進行光路調(diào)節(jié)（標定），得到試件加載前進行光路調(diào)節(jié)（標定），得到NULLNULL場。真正的場。真正的NULLNULL場是優(yōu)質(zhì)光學(xué)系統(tǒng)的體現(xiàn)和消除系統(tǒng)誤差的保障。場是優(yōu)質(zhì)光學(xué)系統(tǒng)的體現(xiàn)和消除系統(tǒng)誤差的保障。 機械或熱加載，記錄條紋，切換機

10、械或熱加載，記錄條紋，切換U U、V V場場6 6維可調(diào)架維可調(diào)架非理想非理想NullNull場及其帶來的測試誤差場及其帶來的測試誤差 精確對試件表面成像，盡量使用大光圈精確對試件表面成像，盡量使用大光圈 （思考思考：為什么？）：為什么？）169 9、幾何云紋法與云紋干涉法的異同、幾何云紋法與云紋干涉法的異同 測試分辨率都決定于光柵的空間頻率測試分辨率都決定于光柵的空間頻率 云紋干涉法的條紋成因可借助云紋法的條紋成因理解云紋干涉法的條紋成因可借助云紋法的條紋成因理解 （交叉入（交叉入射光的干涉條紋可視為參考柵，但注意其頻率問題）射光的干涉條紋可視為參考柵，但注意其頻率問題） 變形的正負都可用相

11、同方法判斷（轉(zhuǎn)動參考柵）變形的正負都可用相同方法判斷（轉(zhuǎn)動參考柵） 條紋處理方法相同條紋處理方法相同 實現(xiàn)相移方法相同（試件柵與參考柵之間的相對移動）實現(xiàn)相移方法相同（試件柵與參考柵之間的相對移動） 條紋形成機制不同：幾何光學(xué)干涉與物理光學(xué)干涉條紋形成機制不同：幾何光學(xué)干涉與物理光學(xué)干涉 測試分辨率相差很大測試分辨率相差很大171010、云紋干涉法的應(yīng)用、云紋干涉法的應(yīng)用 在斷裂力學(xué)中的應(yīng)用在斷裂力學(xué)中的應(yīng)用裂尖位移場裂尖位移場/ /應(yīng)變場的測量，塑性區(qū)應(yīng)變場的測量，塑性區(qū)的確定，的確定， 斷裂力學(xué)理論的驗證斷裂力學(xué)理論的驗證18 在電子器件熱機械可靠性評價方面的應(yīng)用在電子器件熱機械可靠性評價

12、方面的應(yīng)用Silicon Die Overmold BT Copper Pad Solder Ball PCB AABB87 65 432112345678CNpmfCoffin-Mansion Model for fatigue life prediction010203040506070Time (min.)-50-30-101030507090110130Temperature ( C)oRoom temperature (25 C) oABCDEFGHIJKLMNOP焊球熱變形及疲勞壽命的確定焊球熱變形及疲勞壽命的確定19試件準備試件準備在在125 C環(huán)境下環(huán)境下 12小時小時 除濕除

13、濕 光柵光柵25 C轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移部分試件置于干燥部分試件置于干燥箱三個月做對比箱三個月做對比部分試件置于室溫環(huán)境部分試件置于室溫環(huán)境下三個月下三個月試件重量和變形測試、對比試件重量和變形測試、對比 塑料封裝材料吸濕膨脹系數(shù)的測量塑料封裝材料吸濕膨脹系數(shù)的測量 20室溫環(huán)境置放的試件變形室溫環(huán)境置放的試件變形 實驗開始實驗開始 一個月后一個月后兩個月后兩個月后三個月后三個月后濕應(yīng)變濕應(yīng)變: 282.6 濕應(yīng)變濕應(yīng)變: 347.5 濕應(yīng)變濕應(yīng)變: 382.3 Weight gain Vs storage time for samples in group A and B If define CHE a

14、s the hygro-strain upon 1% weight gain under sutured & uniform moisture content:CHE=1902.8 (ppm/1% weight gain). 2124 mm15.2 mm10.1 mm30 mmMoulding compound UnderfillSolder bump BT SubstrateChip0.7 mm0.095 mm1.3 mm0.3 mmXYZBAflip chip PBGA 的結(jié)構(gòu)在在125 C環(huán)境下環(huán)境下 12小小時時 除濕除濕光柵光柵 在在150 C時轉(zhuǎn)移時轉(zhuǎn)移 、冷卻冷卻試件三個

15、月室內(nèi)環(huán)境試件三個月室內(nèi)環(huán)境置放置放3維吸濕變形的維吸濕變形的測試測試Step1Step2Step3Step4實驗設(shè)計實驗設(shè)計22ABt =2 month; W=1.96275 g t =3 month; W=1.96287 g 2324 Flip Chip由于由于Underfill的使用造成的殘余應(yīng)力分析的使用造成的殘余應(yīng)力分析分析方法：測試芯片的三維變形分析方法：測試芯片的三維變形有限元分析，雜交法有限元分析，雜交法25t = 0 mint = 10 mint = 20 minUVW100 C 25 C 130 C Chemical shrinkage induced deformationThermal deformation三維變形的實驗測試結(jié)果三維變