This study presents the results of tensile and high-cycle fatigue tests for electrodeposited copper thin film of 12 μm thickness. Generally, thin films do not sustain a compressive load. Therefore tension-tension fatigue tests are required. Consequently, the effect of mean stress and monotonic plastic strain should be investigated.
In this study, to obtain the tensile and fatigue characteristics of the thin film, the specimen was fabricated by an etching process to make a smooth specimen. The tensile and high-cycle fatigue tests were performed with the specimen using the test machine developed by the author. The fabricated specimens had measured values of Young’s modulus and a 0.2 % offset yield and the tensile strength of 232 MPa and 317 MPa and elongation of 13.2 %, strain hardening exponent of 0.098, respectively.
Load-controlled fatigue tests with 13 Hz frequency were performed in ambient environment and at four levels of mean stresses to analyze the effect of mean stress. It was found that the maximum stress is the most important parameter for the estimation of the fatigue life of thin films. Furthermore, it was shown that the monotonic plastic strain has directly relations with fatigue damage and dynamic creep is a dominant mechanism of fatigue damage.
The monotonic plastic strain is analyzed using the Weibull distribution function to predict fatigue life. That gives good results under constant amplitude loading condition. However, for the case of variable amplitude loading fatigue tests, we need a new model of estimation in the monotonic plastic strain considering the effect of load history and transient behavior.
본 연구는 두께 12μm의 전해도금(electrodeposited) 구리박막에 대해 인장실험과 피로실험을 수행한 것이다. 일반적으로 박막 재료는 압축하중을 받을 수 없기 때문에 인장-인장(tension-tension) 피로시험이 필요하다. 따라서 인장 평균응력의 영향을 반드시 고려해야 하며, 또한 인장 평균응력이 일방향(一方向, monotonic) 소성변형(plastic deformation)을 일으킬 가능성이 매우 높으므로 이에 대한 검토도 반드시 해야 한다. 이에 본 연구에서는 박막 재료의 인장과 피로특성을 검토하기 위해, 전해도금 구리박막을 에칭(etching) 공정을 통해 시험편으로 제작하였으며, 연구자 그룹에서 개발된 시험기를 통해 인장실험 및 피로실험을 수행하였다.
인장실험을 통해 탄성계수(E), 항복강도(SY)=231MPa, 인장강도(SB)=317MPa, 파단 연신율(δF)=13.2\%, 가공경화지수(n)=0.098 값을 얻었다. 하중 제어 방식의 주파수 13Hz의 피로시험을, 인장강도(SB)의 60\%~69\%, 항복강도(SY)의 82\%~95\% 범위의 다양한 평균응력에서 수행하여 응력-수명 곡선(S-N곡선)을 얻었다. 이를 통해 박막 재료의 피로 수명에 응력이 미치는 영향은 최대응력(Smax)으로 잘 나타낼 수 있음을 확인하였다. 또한 일방향 소성변형률(εpmean)자체가 피로손상에 해당하며, 동적 크리이프(dynamic creep)가 피로손상의 지배적인 기구(mechanism)임을 알 수 있었다.
이에 Weibull 분포 함수를 이용하여, 피로손상에 직접적으로 연관된 일방향 소성변형률 곡선을 예측할 수 있는 방법을 제안하였다. 일정진폭 하중의 경우에는 일방향 소성변형률 추정식이 피로수명 예측에 좋은 결과를 주었으나, 변동하중 실험의 경우에는 응력 간섭 작용과 천이구간을 고려하는 새로운 모델이 필요함을 알 수 있었다.
