纳米压痕方法是通过计算机控制载荷连续变化, 在线监测压深量, 由于施加的是 超低载荷, 加上监测传感器具有优于1 nm 的位移分辨率, 所以, 可以获得小到纳米级 的压深, 它特别适用于测量薄膜、镀层、微机电系统中的材料等微小体积材料力学 性能可以在纳米尺度上测量材料的各种力学性质，如载荷-位移曲线、弹性模量、 硬度、断裂韧性、应变硬化效应、粘弹性或蠕变行为等。
3 纳米压痕在BGA
焊点中的应用
BGA焊点
BGA (Ball Grid Array)－球状引脚栅格阵列封装技术，高 密度表面装配封装技术。在封装底部，引脚都成球状并排 列成一个类似于格子的图案，由此命名为BGA。
纳米压痕在BGA焊点中的应用
焊点尺寸的不断减小使得传统的力学试验很难真实反映微小焊点的 真实力学行为。目前常用来研究BGA焊点力学行为及可靠性的方法有很 多，例如热循环试验、疲劳试验、跌落试验、冲击试验、硬度试验、单 轴拉伸、压缩试验等。这些方法都是对板级焊点的力学行为及性能进行 了评估，并取得了很大的进展。但是这些方法都不能对焊点的力学行为 进行研究。
布氏硬度试验
布氏硬度计的工作原理 是将一个钢球，在试验规 定的作用力下，以一定的 速度对试样表面进行压入， 在经过规定的实验力保持 时间后解除试验力，然后 根据试样压痕球形表面积 的平均压力来对金属的布 氏硬度值进行表示。
洛氏硬度试验
洛氏硬度是以一定的压力 将压头压入试样表面，以残 留于表面的压痕来表示材料 的硬度，过程如图所示。
参考文献
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维氏硬度试验
以49.03~980.7N的负荷，将相对 面夹角为136°的方锥形金刚石压入 器压材料表面，保持规定时间后， 用测量压痕对角线长度，再按公式 来计算硬度的大小。它适用于较大 工件和较深表面层的硬度测定。
常规硬度试验的缺点
：压痕面积较大，测出的材料的平均性能，不同材料需要更换不 同直径的压头球和改变试验力，压痕直径的测量比较麻烦，自动检测受限。
纳米压痕技术
汇报人：刘娟
汇报时间：2017年12月21号
目录
1 常规硬度测试方法
2 纳米压痕技术简介
3
纳米压痕在BGA焊点 中的应用
1
常规硬度 测试方法
材料的硬度
常规硬度试验 常规硬度试验
缺点
材料的硬度
金属的硬度
金属的硬度实质上是材料抵抗另一种较硬材料压入的能力。或者 说是材料抵抗局部变形，特别是塑性变形，压痕或划痕的能力。通 过硬度试验可以反映出金属材料在不同的化学成分、组织结构和热 处理工艺条件下的差别，因此硬度试验已经广泛应用在金属材料性 能检测中。
1.经典力学方法(Oliver-Pharr方法) 该方法由Oliver和Pharr发表于1992年,是目前使用最广的方法,
也是当前市场上主要的商业化纳米硬度计中所设置的计算方法。他 们在经典弹性接触力学的基础上，根据试验所测得的载荷-位移曲 线，可以从卸载曲线的斜率求出弹性模量。而硬度值则可由最大加 载载荷和压痕的残余变形面积求得。该方法的不足之处是采用传统 的硬度定义来进行材料的硬度和弹性模量计算，没有考虑纳米尺度 上的尺寸效应。
纳米压痕的优势
传统的压痕测量是将一特定形状和尺寸的压头在一垂直压力下 将其压入试样，当压力撤除后，通过测量压痕的断截面面积，人们 可以得到被测材料的硬度，这种测量方法主要有两个缺点， 1.仅仅能够得到材料的塑性性质。 2.这种测量方法只能适用于较大尺寸的试样.
随着现代微电子材料科学的发展，试样尺寸越来越小型化。传 统的硬度测量技术无法满足新材料研究的需要。此外，材料科学家 们不仅要了解材料的塑性性质，而且需要掌握材料的弹性性质。近 几年发展起来的纳米压痕技术有效地满足了科学家们的这一需要。 纳米压痕技术不同于传统的硬度测量技术，在微纳米尺度下，纳米 硬度比传统硬度更能够准确反映材料的硬度特性，纳米硬度的定义 充分体现了硬度概念的本质。
纳米压痕法的出现为研究无铅钎料微小焊点的力学行为提供了方便 和实用。优点在于： 1.可以表征在材料表面上从几纳米到几百微米深度的力学性能，这就为 研究界面金属间化合物的力学行为研究提供了很好的试验方法。 2.纳米压痕实验可以表征焊点从几纳米到几百微米深度随加载力的动态 变化过程，以前任何从单轴拉伸、压缩试样测得的力学性能参数都可以 通过纳米压痕法获得。 3.纳米压痕法具有方便、快捷、直观、精确、无损等优点。
研究人员一直都在试图将材料的宏观力学性能与材料的内在微观特征参数结合 起来，架起宏观与微观之间的桥梁，纳米压痕也可以很好的解决这一问题。这也 是当前材料科学研究的前沿和研究热点之一。
纳米压痕仪
DUH-211S超显微动态硬度计
115°顶锥角的三棱锥压头形状
纳米压痕技术理论基础
纳米压痕技术的应用目前多集中在应用原子力显微镜和纳米硬度 计来研究各种材料或涂层的力学性能，在理论研究方面主要是探索 纳米压痕的机理，主要有以下五种方法。
纳米压痕技术理论基础
图1和图2所示，按照经典弹塑性理论关于硬度和弹性模量的定义。 被测试材料的硬度H和弹性模量E可分别由下式求出。
图1 载荷与深度的关系
图2 材料表面受压前后压痕示意图
纳米压痕技术理论基础
2.应变梯度理论：材料硬度H依赖于压头压人被测材料的深度h，并且随着 压人深度的减小而增大，因此具有尺度效应。该方法适用于具有塑性的晶 体材料。但该方法无法计算材料的弹性模量。 3.Hainsworth方法：由于卸载过程通常被认为是一个纯弹性过程，可以从 卸载曲线求出材料弹性模量，并且可以根据卸载后的压痕残余变形求出材 料的硬度。该方法适用于超硬薄膜或各向异性材料，因为它们的卸载曲线 无法与现有的模型相吻合。 4.体积比重法：主要用来计算薄膜／基体组合体系的硬度，但多局限于试 验研究方法，试验的结果也难以完全排除基体对薄膜力学性能的影响。 5.分子动力学模拟：该方法在原子尺度上考虑每个原子上所受到作用力、 键合能以及晶体晶格常量，并运用牛顿运动方程来模拟原子间的相互作用 结果，从而对纳米尺度上的压痕机理进行解释。
Thank You
硬度本身是一个不确定的物理量，同种金属材料使用不同的试验 方法得到的硬度值不同，各种硬度表现的是在各自规定的实验条件 下所反映的多种材料物理量的综合性能。
目前常见的压入式硬度试验有布氏硬度试验、洛氏硬度试验和维 氏硬度试验。
常规硬度实验
洛氏 硬度
硬度 实验
布氏 硬度
维氏 硬度
目前常用的压痕硬度试验为洛 氏硬度试验，布氏硬度试验， 维氏硬度试验。都是通过一定 形状的压头将载荷施加在被测 材料表面，使材料产生压痕， 再根据压痕与压痕面积或压痕 深度之间的关系，给出硬度值。
：所用的试验力较大，不能测量极薄试样，渗氮层及金属镀层的 深度，压痕较小代表性较差，粗大组成相测得的硬度值重复性差，分散度大， 不同标尺测得硬度值没有联系不能互相比较。
：硬度值需要通过测量压痕对角线长度后才能进行计算或者查表， 工作效率低。
2 纳米压痕技
术简介
纳米压痕技术
：也称深度敏感压痕技术，是测试材料力学性能方法之一。它可以 在不用分离薄膜与基底材料的情况下直接得到薄膜材料的许多力学性质。例如弹 性模量、硬度、屈服强度、加工硬化指数等等。在微电子