Multilayer embedded passives (resistors, inductors, and capacitors) on a printed wiring board can help to meet high performance requirements at a low cost and at a smaller size. Such an integration of embedded passives has new challenges with respect to design, materials, manufacturing, thermal management and reliability. As the area of integral passives on printed circuit boards is relatively new, there is inadequate literature on the thermo-mechanical reliability of integral passives. Therefore, there is a compelling need to understand the thermo-mechanical reliability of integral passives through the development of physics-based models as well as through experiments, and this thesis aims to develop such an experimental and theoretical program to study the thermo-mechanical reliability of integral passives.. As integral passives are often composite layers with dissimilar material properties compared to the other layers in the integral substrate, it is essential to ensure that RLC characteristics of the embedded passives do not deteriorate with thermal cycling due to thermo-mechanical deformations. This thesis aims to study the changes in the passive characteristics due to the thermally-induced deformations. Embedded capacitors and inductors have been looked at specifically in this research. Multi-field physics-based models have been constructed to determine the change in electrical parameters after thermal cycling. The thermo-mechanical models assume direction-dependent material properties for the board substrate and interconnect copper layers and temperature-dependent properties for interlayer dielectric and passive layers. Using the deformed geometry, the electrical characteristics have been determined at low frequency. In parallel to the models, test vehicle substrates have been subjected to 1000 thermal cycles between -55??o 125??nd high humidity and temperature conditions at 85??5RH for 500 hours, and it has been observed that there are significant changes in the electrical parameters. The results obtained from the physics-based simulations have been validated against the measured electrical characteristics from the fabricated functional test boards that have been thermal cycled.

The United States Air Force is in the process of developing magnetic bearings as well as an aircraft Integrated Power Unit and an Internal Starter/Generator for main propulsion engines. These developments are the driving force behind a new emphasis on high temperature, high strength magnetic materials for power applications. Analytical work, utilizing elasticity theory, in conjunction with design requirements, indicates a need for magnetic materials to have strengths in excess of 80 ksi up to about 1000 degrees F. It is this combination of desired material characteristics that is the motivation for this effort to measure, model, and predict the creep behavior of such advanced magnetic materials. Hiperco® Alloy 50HS, manufactured by Carpenter Technology Corporation, is one of the leading candidates for application and is studied in this effort by subjecting mechanical test specimens to a battery of tensile and creep tests. The tensile tests provide stress versus strain behaviors that clearly indicate: a yield point, a heterogeneous deformation described as LuÌ ders elongation, the Portevin-LeChatelier effect at elevated temperatures, and, most often, a section of homogeneous deformation that concluded with necking and fracture. Creep testing indicated two distinct types of behavior. The first was a traditional response with primary, secondary and tertiary stages, while the second type could be characterized by an abrupt increase in strain rate that acted as a transition from one steady state behavior to another. This second linear region was then followed by the tertiary stage. The relationship between the tensile response and the creep responses is discussed. Analyses of the mechanical behavior includes double linear regression of empirically modeled data, scanning electron microscopy for microstructural investigations, isochronous stress-strain relations, and constant strain rate testing to relate the tensile and creep test parameters. Also, elastic and creep deformation analyses are done, which incorporate material property data and material constants determined along with stress and displacement profiles for a specific Air Force design configuration. / Ph. D.

Filmes amorfos que não apresentam piezoeletricidade intrínseca, podem ser induzidos a mostrar um efeito piezoelétrico linear quando um fluxo de íons é estabelecido através dele. O efeito está relacionado ao efeito piezoelétrico induzido pela corrente elétrica, exceto que ele está presente ainda que o fluxo de íons positivo a negativo sejam iguais (corrente zero). Um filme circular de celofane é colocada entre duas células de vidro, tal que ela separa água pura de uma solução de cloreto de sódio (NaCl). A diferença de nível dos líquidos fornece uma pressão estática que mantém uma curvatura na membrana, ou no sentido da água ou no sentido da solução. Um transdutor eletromagnético acoplado a água e dirigido senoidalmente por um oscilado, deforma o filme ciclicamente, e eletrodos de platinam um de cada lado do filme, levam os sinais elétricos a um detector síncromo com a deformação aplicada. Enquanto o sinal elétrico observado poderia ser devido a efeitos espúrios dos eletrodos, a inversão observada na fase deste sinal com a mudança da curvatura indica que ele é dependente da deformação de um filme separando dois eletrólitos é devido `a modulação da mobilidade iônica pela deformação aplicada / Amorphous films which can have intrinsic piezoelectricity, can be induced to show a linear piezoelectric effect when a flux of ions is established across them. The effect is related to the electric current induced piezoelectric effect, except that is present even though positive and negative ion fluxes are equal (zero-current). A circular cellophane film is put between two glass cell, so that it separates pure water from a NaCl solution. A level difference of liquids provides a static pressure supports a membrane curvature, either towards or away from the water. An electromagnetic transducer, coupled to the water and driven sinusoidally by a oscillator deforms the film cyclically and platinum electrodes on either side of the film lead the electric signals to a detector synchronized with the applied deformation. While the electric signal observed might be due spurious effects from the electrodes, the observed might be due to spurious effects from the electrodes, the observed reversal in phase of the signal with the change of curvature of the film signifies that it is deformation-dependent. The deformation-dependent electricity in a film separating two electrolytes is owing to the modulation of the mobility of the ions by the applied deformation

Com o crescimento do ciclismo como opção para lazer, meio de transporte e, principalmente, esporte voltado à competição, estudos mais aprofundados fizeram-se necessários visando à maximização do desempenho de atletas de alto nível. De forma complementar, muitos são os desenvolvimentos na área de sistemas de instrumentação com o objetivo primordial de possibilitar a medição e a caracterização dos diversos parâmetros de interesse dos pesquisadores na área do ciclismo. Tendo em vista o surgimento de diversos sistemas comerciais que permitem realizar a medição de grandezas como força e potência mecânica gerada pelo ciclista, este trabalho propôs instrumentar e caracterizar as medições provenientes dos pedais e pedivelas de uma bicicleta de estrada com a finalidade de, posteriormente, compará-las com base em métodos estatísticos adequados. Em função das limitações mecânicas inerentes à bicicleta e presentes no movimento de rotação nos pedais e pedivelas, foram criados sistemas completamente independentes, com alimentações elétricas feitas por baterias, e a sincronização para o início das aquisições, através de módulos ZigBee. Os ensaios contaram com a participação de dez voluntários, os quais foram responsáveis por gerar vinte sprints de dados, cada, que serviram para avaliar estatisticamente e concluir, por meio de Análises de Variância, que as forças aplicadas pelos ciclistas se diferenciaram significativamente para pelo menos uma das células de carga. / Cycling has grown as a leisure activity, means of transport and mainly as a professional sport. Therefore, deeper studies and research aiming at maximizing the performance of high-level athletes have been made necessary. Additionally to such studies, the area of instrumentation schemes has developed seeking to make possible the measuring and characterization of several parameters for researchers interested in cycling. Regarding the vibrant surging of systems that allow the measuring of magnitudes such as the forces and mechanical power generated by the cyclist, the present research aims at implementing and characterizing the measuring deriving from pedals and crankset for a road bicycle so as to analyze the results with appropriate statistic methods. Considering the mechanical limitations inherent to the bicycle the movement of pedals and crankset independent electrical systems charged by batteries were created, as well as the synchronization for the beginning of data acquisitions through ZigBee modules. Ten volunteers participated on the practices. They generated twenty sprints of data each. Such data served to statistically evaluate and conclude, based on variance analysis, that the power applied by the cyclists are significantly different for one of the load cell.

Filmes amorfos que não apresentam piezoeletricidade intrínseca, podem ser induzidos a mostrar um efeito piezoelétrico linear quando um fluxo de íons é estabelecido através dele. O efeito está relacionado ao efeito piezoelétrico induzido pela corrente elétrica, exceto que ele está presente ainda que o fluxo de íons positivo a negativo sejam iguais (corrente zero). Um filme circular de celofane é colocada entre duas células de vidro, tal que ela separa água pura de uma solução de cloreto de sódio (NaCl). A diferença de nível dos líquidos fornece uma pressão estática que mantém uma curvatura na membrana, ou no sentido da água ou no sentido da solução. Um transdutor eletromagnético acoplado a água e dirigido senoidalmente por um oscilado, deforma o filme ciclicamente, e eletrodos de platinam um de cada lado do filme, levam os sinais elétricos a um detector síncromo com a deformação aplicada. Enquanto o sinal elétrico observado poderia ser devido a efeitos espúrios dos eletrodos, a inversão observada na fase deste sinal com a mudança da curvatura indica que ele é dependente da deformação de um filme separando dois eletrólitos é devido `a modulação da mobilidade iônica pela deformação aplicada / Amorphous films which can have intrinsic piezoelectricity, can be induced to show a linear piezoelectric effect when a flux of ions is established across them. The effect is related to the electric current induced piezoelectric effect, except that is present even though positive and negative ion fluxes are equal (zero-current). A circular cellophane film is put between two glass cell, so that it separates pure water from a NaCl solution. A level difference of liquids provides a static pressure supports a membrane curvature, either towards or away from the water. An electromagnetic transducer, coupled to the water and driven sinusoidally by a oscillator deforms the film cyclically and platinum electrodes on either side of the film lead the electric signals to a detector synchronized with the applied deformation. While the electric signal observed might be due spurious effects from the electrodes, the observed might be due to spurious effects from the electrodes, the observed reversal in phase of the signal with the change of curvature of the film signifies that it is deformation-dependent. The deformation-dependent electricity in a film separating two electrolytes is owing to the modulation of the mobility of the ions by the applied deformation

[pt] Neste trabalho foi estudado o mecanismo de deformação de faces polares e não polares do óxido de zinco (ZnO), através da introdução de defeitos mecânicos por nanoindentação. A estrutura cristalina estável do ZnO é do tipo wurtzita, de forte caráter anisotrópico já observado em relação a propriedades como piezoeletricidade e polarização espontânea. O mecanismo de deformação mecânica desses sistemas ainda não está bem esclarecido e são de vital importância na otimização de dispositivos optoeletrônicos. A extensão dos defeitos para cada orientação do cristal foi analisada via microscopia eletrônica de transmissão e correlacionada com o movimento de planos basais {0001} de forma divergente, em faces não polares (1100) e (1120), e ao movimento de planos piramidais {1011} de forma convergente para faces polares (0001) e (0001). A extensão da deformação induzida abaixo da superfície foi avaliada, onde foi possível identificar a formação de discordâncias do tipo parafuso que se propagam através do sistema de escorregamento (1120)(0001), se propagando de forma altamente localizada abaixo da superfície. O início da deformação plástica em monocristais é marcado por eventos plásticos súbitos (pop-ins). Estes eventos foram identificados e analisados em função da força e da extensão da deformação gerada. A topografia e forma das impressões residuais foi analisada usando microscopia de força atômica. Os defeitos observados no plano superficial tenderam a se propagar em direções preferenciais num processo induzido pela formação de zonas de tensão em torno da indentação. A formação de zonas de tensão trativa em uma dada direção aumenta a mobilidade das discordâncias, enquanto zonas de tensão compressiva agem contribuindo para o travamento. Estas zonas foram identificadas e a magnitude desta tensão foi estimada via catodoluminescência. Observamos também que a face polar (0001) apresentou um comportamento reativo, onde defeitos localizados abaixo da superfície foram revelados através do processo de limpeza. / [en] In this work, deformation mechanisms of polar and non-polar zinc oxide (ZnO) were studied by nanoindentation tests. The stable crystal structure of ZnO is the wurtzite with a strong anisotropic character observed in relation to the piezoelectricity and spontaneous polarization properties, for example. The mechanical deformation mechanisms of these sorts of materials are not yet fully understood, being of vital importance for optoelectronic devices optimization.For each ZnO crystallographic orientation, the induced defects damages were analyzed by transmission electron microscopy (TEM) and correlated with the slip of basal planes {0001} in the divergent directions for the both non-polar faces (1100) and (1120), as well as for the both polar faces (0001) and (0001). Screw perfect dislocations were identified by propagating through the slip system (1120)(0001). The beginning of plastic deformation in single crystals is marked by pop-ins events. Such events were identified and analyzed in function of the applied force and size. The residual impressions topography and shape were analyzed by atomic force microscopy (AFM). The observed defects on the surface were propagated in a preferred direction induced by stress components around the indentation. Tensile stress generation in a certain direction increases the dislocations mobility, while compressive stress contributes to pinning regions. Stress components were identified and their magnitudes were estimated by cathode luminescence method. The polar face (0001) showed a reactive behavior; some defects produced underneath the surface were revealed by samples cleaning process.

[pt] Neste trabalho foi estudada a deformação mecânica em filmes de GaN por nanoindentação. Um nanoindentador foi usado para induzir a nucleação de defeitos mecânicos na superfície das amostras de forma controlada. A morfologia das indentações e a microestrutura dos defeitos foram estudados com o uso da microscopia de força atômica e microscopia eletrônica de transmissão . Os resultados mostraram que nos estágios iniciais de deformação, o processo de nanoindentação promove o escorregamento em escala atômica de planos cristalinos que pode ser revertido se a carga é removida. Se a carga for aumentada ainda mais, a partir de uma tensão crítica, ocorre um grande evento pop-in com o escorregamento dos planos 1101, 1122 e 0001 produzindo então deformação plástica irreversível. A influência dos dopantes na deformação mecânica foi estudada e os resultados mostraram que é mais difícil produzir deformação mecânica em filmes de GaN dopado com Si e dopado com Mg do que no filme não dopado. A autorrecuperação que ocorre após a retirada da ponta foi estudada utilizando cristais de ZnO com diferentes orientações. O mecanismo de ativação térmica dos loops de discordância foi estudado através da observação da influência da temperatura no processo de autorrecuperação parcial dos cristais. Medidas de catodoluminescência foram usadas para identificar as distribuições de tensão associadas à deformação plástica permanente mostrando que esta induz regiões de tensão trativa ao longo das direções a 1120 nos filmes de GaN dopado e não dopado. / [en] In this work, the mechanical deformation of GaN films was studied by nanoindentation. A nanoindenter was used to induce the nucleation of mechanical defects on the samples surfaces in a controlled manner. The morphology of the indentations and the microstructure of the defects were studied using atomic force microscopy and transmission electron microscopy. The results showed that in the early stages of deformation, the nanoindentation process promotes slip at the atomic scale of the pyramidal planes of the crystal that can be reversed if the load is removed. If load is further increased, locking of these atomic plains occur leading to a hardened crystal region. It acts as an extension of the tip of the indenter redistributing the applied stress. At a critical stress, a major pop-in event occurs with the slip of the 1101, 1122 and 0001 plains leading then to irreversible plastic deformation. The influence of doping on the mechanical deformation has been studied and the results showed that it is more difficult to produce mechanical deformation in GaN films doped with Si and Mg doped than in undoped films. The self-recovery that occurs after removal of the tip was investigated using ZnO crystals with different orientations. The mechanism of thermal activation of dislocation loops was studied by observing the influence of temperature on the self-recovery process of the crystals. Cathodoluminescence measures were used to identify the resulting stress distributions associated with permanent plastic deformation showing that this induces tensile regions along the a 1120 directions in doped and undoped GaN films.

Chip-package interaction (CPI) has become a critical reliability issue for flip-chip packaging of Cu/low-k chip with organic substrate. The thermo-mechanical deformation and stress develop inside the package during assembly and subsequent reliability tests due to the mismatch of the coefficients of thermal expansion (CTEs) between the chip and the substrate. The thermal residual stress causes many mechanical reliability issues in the solder joints and the underfill layer between die and substrate, such as solder fatigue failure and underfill delamination. Moreover, the thermo-mechanical deformation of the package can be directly coupled into the Cu/low-k interconnect, inducing large local stresses to drive interfacial crack formation and propagation. The thermo-mechanical reliability risk is further aggravated with the implementation of ultra low-k dielectric for better electrical performance and the mandatory change from Pb-containing solders to Pb-free solders for environmental safety. These CPI-induced reliability issues in flip-chip packaging of Cu/low-k chips are investigated in this dissertation at both chip level and package level using high-resolution Moiré interferometry and Finite Element Analysis (FEA). Firstly, the thermo-mechanical deformation in flip-chip packages is analyzed using high-resolution Moiré interferometry. The effect of underfill properties on package warpage is studied and followed by a strategy study of proper underfill selection to improve solder fatigue life time and reduce the risk of interfacial delamination in underfill and low-k interconnects under CPI. The chip-package interaction is found to maximize at the die attach step during assembly and becomes most detrimental to low-k chip reliability because of the high thermal load generated by the solder reflow process before underfilling. A three-dimensional (3D) multilevel sub-modeling method combined with modified virtual crack closure (MVCC) technique is employed to investigate the CPI-induced interfacial delamination in Cu/low-k interconnects. It is first focused on the effects of dielectrics and solder materials on low-k interconnect reliability and then extended to the scaling effect where the reduction of the interconnect dimension is accompanied with an increased number of metal levels and the implementation of ultralow-k porous dielectrics. Recent studies on CPI-induced crack propagation in the low-k interconnect and the use of crack-stop structures to improve the chip reliability are also discussed. Finally, 3D integration (3DI) with through silicon vias (TSV) has been proposed as the latest solution to increase the device density without down-scaling. The thermo-mechanical reliability issues facing 3DI are analyzed. Three failure modes are proposed and studied. Design optimization of 3D interconnects to reduce the thermal residual stress and the risks of fracture and delamination are discussed. / text

Orientador: Inácio Maria Dal Fabbro / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Agrícola / Made available in DSpace on 2018-08-22T14:06:58Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Cardoso_KelenCristiane_M.pdf: 10447047 bytes, checksum: bd1de8c6f17c3f3f8e755c78ecee3801 (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: A determinação de tensões e deformações é amplamente empregada na engenharia. Métodos clássicos de extensometria elétrica, extensometria mecânica e simulações por elementos finitos são úteis e permitem qualificar e quantificar a distribuição de carga em elementos de extrutura. Estudos fotoelásticos vêm ganhando cada vez mais espaço, pois facilitam a determinação e permitem a visualização da distribuição de tensões no espécimen em estudo de maneira rápida e confiável. As técnicas de moiré de sombra e projeção são os métodos mais comumente utilizados devido principalmente à simplicidade e rapidez de medição, tornando-os objeto de frequentes estudos em vários tipos de aplicações. A vantagem de se utilizar as técnicas de moiré está associada à simplicidade dos equipamentos necessários, simplicidade de aquisição e processamento de imagens, além de ser adequadas ao estudo de corpos de geometria simples ou complexa. A proposta deste trabalho se identifica em qualificar e quantificar as distribuições de deformação e tensão em uma mola membrana, como elemento de máquina de geometria complexa pela aplicação de técnica de moiré. Para este trabalho foi escolhido à mola membrana como elemento de máquina de geometria complexa, sendo um elemento de papel muito importante na montagem do conjunto de embreagem, pois o desalinhamento das linguetas pode resultar em trepidação ou vibração no pedal, gerando dificuldade de acionamento do mecanismo, podendo gerar também deformações dos componentes, e com isso desgaste prematuro do sistema em pauta. O deslocamento da mola membrana no acionamento da embreagem promove uma alteração na distribuição de tensão e deformação em seu perfil assim como nos componentes associados à mola, e o desalinhamento das linguetas faz com que essa distribuição não seja uniforme. A técnica de moiré de sombra pode auxiliar a simulação para determinar a deformação, a tensão bem como a distribuição de pressão sobre a superfície da mola membrana. A simulação computacional por elementos finitos e a técnica de extensometria com strain gauges, será utilizado como base de comparação entre os resultados obtidos por moiré de forma a proporcionar uma validação da técnica em estudo em elementos mecânicos de geometria não simples / Abstract: A diaphragm spring was chosen as a machine element of complex geometry, which integrates the clutch assembly. The tabs misalignment may result in vibrations transmitted to the clutch system, as well as difficulties in driving the pedal and can also generate components deformation and thus premature wearing of the whole clutch system. The displacement of the diaphragm spring during clutch driving promotes alterations on the stress and strain distribution on its profile as well as on the components associated to the spring, and tabs misalignment turns this distribution not uniform. The determination of stress and strain is widely used in engineering. Classical methods as electrical strain gage, mechanical gage and finite element simulations are useful to the qualification and quantification of load distribution in the specimens. Photoelastic techniques are gaining space, because it facilitates the stress and strain distribution determination, allowing clear visualization of the undergoing phenomena based on a quick and reliable experimentation. The shadow moiré and projection moiré techniques are the most commonly used methods primarily due to its measurement simplicity and quickness which supports frequent studies and proposed applications. The advantage of using moiré techniques is associated to the requirement of simple experimental setup for image acquisition and processing as well as its application to bodies of simple or complex geometry. The purpose of this study was to apply a moiré technique to obtain the stress and strain qualification and quantification on a spring membrane taken as a machine component of complex geometry. The shadow moiré technique can assist the simulation to determine the strain and stress distribution on diaphragm spring surface. The computer simulation by finite element technique and strain gauges, were used as the basis of comparison between the results obtained by the moiré method to validate the application of the proposed optical method to study of mechanical elements of complex geometry / Mestrado / Maquinas Agricolas / Mestra em Engenharia Agrícola

No description available.