第四章_云纹干涉法.

1、1第四章：云纹干涉法第四章：云纹干涉法一、云纹干涉法原理一、云纹干涉法原理1. 1. 相交平行光的干涉相交平行光的干涉满足干涉条件下，两相交平行光满足干涉条件下，两相交平行光干涉形成等间距干涉条纹干涉形成等间距干涉条纹sin2vf空间频率空间频率2位相型光栅的衍射位相型光栅的衍射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则有则有 = 49.4 .2. 2. 光栅衍射方程光栅衍射方程33.3.波前波前(wavefront(wavefront) )及波前干涉及波前干涉mqim,qSpecime

2、nSpecimenCameraCamera 平行光的波前为平面平行光的波前为平面 如果衍射光栅没有畸变如果衍射光栅没有畸变或均匀畸变，平行光的各或均匀畸变，平行光的各级衍射光的波前为平面级衍射光的波前为平面 如果衍射光栅有如果衍射光栅有非非均匀均匀畸变，平行光的各级衍射畸变，平行光的各级衍射光的波前为曲面，并且可光的波前为曲面，并且可以看成多个不同衍射方向以看成多个不同衍射方向的平面波前的组合的平面波前的组合Fourier 波前模型波前模型iimfmq sinsin,44 4、对称入射光的、对称入射光的 1 1级衍射光的干涉级衍射光的干涉 两束光以特定角对称入射在无畸变的光栅上，使其两束光以特

3、定角对称入射在无畸变的光栅上，使其 1 1级衍射光沿光栅法向方向。级衍射光沿光栅法向方向。两衍射光不产生干涉，记录不到条纹两衍射光不产生干涉，记录不到条纹 (Null 场）场）5两衍射光发生干涉，产生均匀的、等间距平行条纹两衍射光发生干涉，产生均匀的、等间距平行条纹 光栅发生均匀变形光栅发生均匀变形6 光栅发生非均匀变形光栅发生非均匀变形 N (x, y)=S (x, y)/ 两衍射光发生干涉，产生非均匀、非等间距的条纹，条两衍射光发生干涉，产生非均匀、非等间距的条纹，条纹级数与分布形式与两个翘曲的波前间距直接相关：纹级数与分布形式与两个翘曲的波前间距直接相关： 75 5、 1 1级衍射光干涉

4、条纹的力学意义级衍射光干涉条纹的力学意义云纹干涉法的测量原理云纹干涉法的测量原理8)(2cos1taA)/(2cos2ktaA变形前变形前P点处的两根出射衍点处的两根出射衍射光线射光线1、2可以表示为：可以表示为：k是两入射光线在是两入射光线在p点的光程差，点的光程差， 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，光线后，光线1 1的光程改变量的光程改变量P P移至移至PP后，光线后，光线2 2的光程改变量的光程改变量 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 变形后变形后P点处的两根出射衍点处的两根出射衍射光线射光线1、2可以表示为：可以表示为：两入射光线在两入射光线在P点的光程差点的光程差这里的这里的f 2sin / ,是两入射光干涉形成的干涉条纹的空间频率是两入射光干涉形成的干涉条纹的空间频率是物理光栅空间频率的是物理光栅空间频率的2倍！倍！10Nx = S (x, y) / =fU (x, y)-k / xz平面内双光束对称入射条件下，平面内双光束对称入射条件下，条纹图的含义：条纹图的含义： 与离面位移信息无关与离面位移信息

7、无关, 反映了试件在反映了试件在x方向的面内位移信息方向的面内位移信息; 每一条纹代表了每一条纹代表了x方向的等位移线方向的等位移线 习惯上，这样的干涉条纹图称为习惯上，这样的干涉条纹图称为U场条纹场条纹同样可以理解同样可以理解V V场条纹图的含义场条纹图的含义kNfyxUx1),(在干涉条纹图上，在干涉条纹图上，P点所对应点所对应的条纹级数的条纹级数Nx S (x, y) = f U (x, y) k 11测量面内变形的云纹干涉法光路测量面内变形的云纹干涉法光路云纹干涉法的技术特征：云纹干涉法的技术特征： 分辨率分辨率受制于以光栅的空间频受制于以光栅的空间频率，以率，以1200 l/mm为例

8、，为例，测试分辨率为测试分辨率为417nm 分辨率与相干光的波分辨率与相干光的波长无关长无关 图像的信噪比较高图像的信噪比较高 适于测量面积较小、适于测量面积较小、变形微小的试件变形微小的试件126 6、试件栅的转移技术、试件栅的转移技术 光栅转移注意事项：光栅转移注意事项： 光栅基底材料的选择光栅基底材料的选择 试件表面的处理试件表面的处理 环氧胶的选择（固化条件，环氧胶的选择（固化条件，高温性能等）高温性能等） 胶厚度的控制（微米级）、胶厚度的控制（微米级）、余胶去除等余胶去除等 试件的固定、压制与剥离试件的固定、压制与剥离13147. 云纹干涉法中的相移技术云纹干涉法中的相移技术根本方法

9、在于改变两路光的光程差，相移根本方法在于改变两路光的光程差，相移 /2, /2, 光程差光程差需改变需改变 /4, /4, 一般采用压电陶瓷控制，但方式有多种一般采用压电陶瓷控制，但方式有多种158 8、云纹干涉法的测试一般步骤和技术要点、云纹干涉法的测试一般步骤和技术要点 试件固定在加载架上试件固定在加载架上 （方位最好六维可调）（方位最好六维可调） 试件加载前进行光路调节（标定），得到试件加载前进行光路调节（标定），得到NULLNULL场。真正的场。真正的NULLNULL场是优质光学系统的体现和消除系统误差的保障。场是优质光学系统的体现和消除系统误差的保障。 机械或热加载，记录条纹，切换机

10、械或热加载，记录条纹，切换U U、V V场场6 6维可调架维可调架非理想非理想NullNull场及其带来的测试误差场及其带来的测试误差 精确对试件表面成像，尽量使用大光圈精确对试件表面成像，尽量使用大光圈 （思考思考：为什么？）：为什么？）169 9、几何云纹法与云纹干涉法的异同、几何云纹法与云纹干涉法的异同 测试分辨率都决定于光栅的空间频率测试分辨率都决定于光栅的空间频率 云纹干涉法的条纹成因可借助云纹法的条纹成因理解云纹干涉法的条纹成因可借助云纹法的条纹成因理解 （交叉入（交叉入射光的干涉条纹可视为参考栅，但注意其频率问题）射光的干涉条纹可视为参考栅，但注意其频率问题） 变形的正负都可用相

11、同方法判断（转动参考栅）变形的正负都可用相同方法判断（转动参考栅） 条纹处理方法相同条纹处理方法相同 实现相移方法相同（试件栅与参考栅之间的相对移动）实现相移方法相同（试件栅与参考栅之间的相对移动） 条纹形成机制不同：几何光学干涉与物理光学干涉条纹形成机制不同：几何光学干涉与物理光学干涉 测试分辨率相差很大测试分辨率相差很大171010、云纹干涉法的应用、云纹干涉法的应用 在断裂力学中的应用在断裂力学中的应用裂尖位移场裂尖位移场/ /应变场的测量，塑性区应变场的测量，塑性区的确定，的确定， 断裂力学理论的验证断裂力学理论的验证18 在电子器件热机械可靠性评价方面的应用在电子器件热机械可靠性评价

12、方面的应用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焊球热变形及疲劳寿命的确定焊球热变形及疲劳寿命的确定19试件准备试件准备在在125 C环境下环境下 12小时小时 除湿除

13、湿 光栅光栅25 C转移转移部分试件置于干燥部分试件置于干燥箱三个月做对比箱三个月做对比部分试件置于室温环境部分试件置于室温环境下三个月下三个月试件重量和变形测试、对比试件重量和变形测试、对比 塑料封装材料吸湿膨胀系数的测量塑料封装材料吸湿膨胀系数的测量 20室温环境置放的试件变形室温环境置放的试件变形 实验开始实验开始 一个月后一个月后两个月后两个月后三个月后三个月后湿应变湿应变: 282.6 湿应变湿应变: 347.5 湿应变湿应变: 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 的结构在在125 C环境下环境下 12小小时时 除湿除湿光栅光栅 在在150 C时转移时转移 、冷却冷却试件三个

15、月室内环境试件三个月室内环境置放置放3维吸湿变形的维吸湿变形的测试测试Step1Step2Step3Step4实验设计实验设计22ABt =2 month; W=1.96275 g t =3 month; W=1.96287 g 2324 Flip Chip由于由于Underfill的使用造成的残余应力分析的使用造成的残余应力分析分析方法：测试芯片的三维变形分析方法：测试芯片的三维变形有限元分析，杂交法有限元分析，杂交法25t = 0 mint = 10 mint = 20 minUVW100 C 25 C 130 C Chemical shrinkage induced deformationThermal deformation三维变形的实验测试结果三维变