芯片制造电子电镀表界面科学基础——第341期“双清论坛”综述

电子电镀作为芯片制造中唯一能够实现纳米级电子逻辑互连的技术方法,是国家高端制造战略安全的重要支撑。本文基于国家自然科学基金委员会第341期“双清论坛”,针对我国在芯片制造电子电镀领域的重大需求,梳理了芯片制造电子电镀表界面科学基础的研究现状、发展趋势及面临的挑战,凝炼了该研究领域急需关注和函待解决的重要基础科学问题,探讨了今后5~10年的科学基金重点资助方向,为国家相关政策的总体布局提供有效的参考建议。     

侧向悬臂切顶煤柱上方顶板应力及位移研究

以某矿113105工作面侧向切顶为研究背景，通过理论分析、数值模拟和现场监测的方法，研究切顶后煤柱顶板应力分布及位移演化规律。基于弹性力学建立切顶后煤柱顶板力学模型，运用差分法推导出切顶后煤柱顶板的应力与位移表达式。运用FLAC3D和3DEC软件模拟切顶前后煤柱顶板应力分布及位移演化特征，模拟结果显示，切顶后煤柱顶板应力减小了18.2 MPa,顶板下沉位移为9 cm,卸压率达26%～40%。现场监测表明，煤柱上方顶板应力分布呈现出先增大后减小的趋势，在距离工作面20～30 m处应力达到最大且保持一段应力集中，随后应力降低，在距离工作面65～70 m后应力保持不变。     

采空区侧向悬臂切顶破断长度研究及应用

巷道煤柱侧采空区(侧向顶板)经常会遇到厚硬顶板，短期内不会自然垮落，容易诱发矿震及垮顶等事故。以泊江海子矿113105工作面为研究背景，针对侧向长悬臂造成的强矿压现象，基于顶板断裂力学，建立采空区侧向长悬臂力学模型，对切顶前后顶板间岩体断裂长度进行分析。结果表明：岩体的抗拉强度、厚度和摩擦系数较大时，断裂后的前梁长度较长；当岩体的密度及切顶角度增大时，断裂后的后梁长度较长；通过物理试验，切顶后长悬臂断裂成2块5～8 m长的块体，顶板呈周期垮落特性，实现了对巷道侧向悬臂岩层的主动卸压目的。现场试验表明：爆破切顶后围岩应力得到转移，矿压显现减少，巷道变形能满足工作面正常回采需求，保障了矿井的高产高效。     

沿空巷道侧向结构切顶卸压角度研究

切顶卸压是控制巷道变形的常用手段。针对含水层限制切顶高度的问题，以泊江海子矿113105工作面回风顺槽侧向悬臂、厚硬含水层顶板条件为背景，采用理论分析、数值模拟和现场工业试验的方法，研究了含水层顶板侧向悬臂切顶卸压的合理切顶角度。建立了切顶后巷道煤柱力学模型，推导出不同角度切顶后煤柱应力分布方程。运用ANSYS/LS-DYNA对不同角度切顶进行模拟，结果表明：不同切顶角度下岩石损伤及裂隙发育程度不同，切顶后煤柱应力均有所减小，切顶角度在85°～60°时，煤柱垂直应力呈现“驼峰”趋势，3 m处的垂直应力峰值较大，双峰值随着切顶角度的增大呈减小趋势，55°和50°角度切顶后，煤柱应力峰值点3 m处的垂直应力小于峰值点7 m处的垂直应力，双峰值随着切顶角度的减小呈增大趋势。现场试验表明：按照所设计角度切顶后，围岩应力明显降低，巷道结构变形程度能够满足工作面正常回采的需求，卸压效果显著。