Identification of mechanical properties of interface between polymer coating and silicon substrate

The interface between the polymer coating, which has micron-level thickness, and the silicon substrate is the target we are going to study. Nanoindentation tests have been done at different penetration depth for the polymer coating/silicon substrate system. The displacements and its corresponding loads, P-h curves, were collected from the experiment. The maximum penetration depth is around a half of the coating thickness, which is intentionally to delaminate the coating from the substrate. The peel test was performed to obtain the values of the interface properties, which are the interface fracture toughness, the maximum interface strength and the interfacial stiffness. From both optical microscope and the confocal laser scanning microscopy, the typical interference fringes, which indicate the delamination phenomena happened during the nanoindentation test, can be clearly seen from the images taken from the maximum penetration depth sample. The aim of this thesis is to develop a computational model to simulate the nanoindentation test process using the finite element modeling. We created the numerical model with the simplification, assumption and reduction to different parts of the polymer coating/silicon substrate system, such as the reduction of the large thickness of the substrate. The mechanical behavior of the interface between the polymer coating and the silicon substrate is the important property we studied. By changing different parameters, such as the yield stress of the polymer, a series of sensitivity study were carried out to know their effects. The analytical results from the simulation were compared to the experimental results.

L'oggetto del presente studio è la meccanica dell'interfaccia tra un coating polimerico ed un substrato di silicio. Da un punto di vista sperimentale l'interfaccia è stata studiata mediante prove di nanoindentazione in cui la forza viene applicata lungo una direzione perpendicolare alla superficie del polimero e all'interfaccia di interesse. Per ogni prova sperimentale condotta è disponibile il dato di forza e spostamento registrato in continua. La penetrazione massima applicata nella nanoindentazione è pari a circa il 50% dello spessore del coating polimerico; tale profondità è stata scelta con l'intento di generare una delaminazione all'interfaccia tra silicio e polimero. L'osservazione al microscopio laser confocale dei campioni dopo la prova sperimentale hanno mostrato frange di interferenza che indicano il verificarsi di una delaminazione del polimero. In questo lavoro si sono sviluppati alcuni modelli ad elementi finiti allo scopo di simulare la prova sperimentale di nanoindentazione e del processo di delaminazione corrispondente. Alcune semplificazioni sul comportamento dei materiali e sulla reale geometria del sistema di studio sono state necessaria anche per osservare alcuni vincoli di riservatezza in vigore su questo lavoro. Uno degli aspetti maggiormente esaminati nelle analisi numeriche è la modellazione dell'interazione meccanica all'interfaccia tra polimero e silicio. A questo scopo si è utilizzata una delle più semplici leggi di trazione-separazione. Il modello numerico è servito per realizzare un'analis di sensitività per identificare quali sono i parametri geometrici che maggiormente influenzano il fenomeno di delaminazione. Da un confronto tra il risultato sperimentale ed il risultato della simulazione nuemerica è emerso come lo sforzo di snervamento del polimero sia determinante per simulare correttamente il fenomeno.