可延展柔性無(wú)機(jī)電子互連結(jié)構(gòu)界面可靠性研究.pdf

1、可延展電子在智能穿戴電子、柔性顯示、醫(yī)療等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。目前主流的無(wú)機(jī)電子主要通過(guò)由彈性基底及可延展導(dǎo)線組成互連結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)其延展性。這其一方面需要通過(guò)互連結(jié)構(gòu)的大變形獲得高延展性，另一方面要確保在大變形條件下互連結(jié)構(gòu)的機(jī)械完整性與可靠性。因此，其可延展互連結(jié)構(gòu)的可靠性成為目前關(guān)注的焦點(diǎn)之一。本文針對(duì)其中的界面可靠性問(wèn)題，對(duì)因不同互連導(dǎo)線設(shè)計(jì)導(dǎo)致的界面可靠性問(wèn)題進(jìn)行了分析。首先利用以基底應(yīng)力集中區(qū)域判定界面剝離區(qū)域的方法，定性地

2、討論了互連結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)界面剝離的影響；其次，利用雙線性?xún)?nèi)聚力模型表征可延展互連結(jié)構(gòu)界面力學(xué)特性；最后，依據(jù)雙線性?xún)?nèi)聚力模型對(duì)于界面力學(xué)特性的表征，對(duì)可延展互連結(jié)構(gòu)界面剝離進(jìn)行定量預(yù)測(cè)與分析。具體開(kāi)展的工作如下。
　　1.基于互連結(jié)構(gòu)基底應(yīng)力集中的界面可靠性解析。首先，討論了現(xiàn)有的以基底應(yīng)力集中區(qū)域判定界面剝離區(qū)域方法的使用范圍，發(fā)現(xiàn)該仿真方式在較低拉伸率下能夠較好地模擬互連結(jié)構(gòu)的變形行為，此時(shí)基底應(yīng)力、應(yīng)變較為準(zhǔn)確。其次，在較低拉伸

3、率下，利用該方法分析了導(dǎo)線形狀、導(dǎo)線尺寸及導(dǎo)線排布方向等因素對(duì)基底應(yīng)力分布與應(yīng)力大小的影響，首先，對(duì)于導(dǎo)線兩臂在拉伸方向變形率不均勻的圖案，其應(yīng)力分布趨于集中在沿拉伸方向變形率較大的區(qū)域。若該區(qū)域變形率存在極值，則應(yīng)力集中在該區(qū)域靠近導(dǎo)線邊緣部位；對(duì)于導(dǎo)線兩臂在拉伸方向變形均勻的圖案，其基底應(yīng)力分布較為均勻，但是應(yīng)力容易在導(dǎo)線平面外變形較大的區(qū)域集中。其次，以馬蹄形為例，基底表面最大等效應(yīng)力隨著其展開(kāi)角的變大而增加，而不同的比例因子對(duì)于

4、基底表面最大等效應(yīng)力的影響則不明顯。最后，互連結(jié)構(gòu)在延展性能較低的方向排布時(shí)，其基底最大應(yīng)力大于在延展性能較高時(shí)的基底應(yīng)力，且應(yīng)力集中的區(qū)域也較大。
　　2.可延展互連結(jié)構(gòu)界面力學(xué)特性的表征。利用雙線性?xún)?nèi)聚力模型，通過(guò)可延展互連界面結(jié)構(gòu)的90°剝離實(shí)驗(yàn)的仿真，對(duì)該結(jié)構(gòu)界面力學(xué)特性進(jìn)行表征。發(fā)現(xiàn)利用雙線性模型能較好地模擬界面剝離產(chǎn)生的纖維狀組織，并能有效地還原界面的剝離過(guò)程與剝離的力-位移曲線。通過(guò)改變內(nèi)聚力模型參數(shù)，發(fā)現(xiàn)斷裂能決定

5、了力-位移曲線的穩(wěn)定值，即剝離強(qiáng)度；而最大張力、初始剛度則共同影響局部剝離形貌。通過(guò)對(duì)比目前文獻(xiàn)90°剝離實(shí)驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)斷裂能為1.33 mJ/mm2、初始剛度為10N/mm、最大張力為1.5MPa時(shí)，仿真結(jié)果與實(shí)際最為接近。
　　3.可延展互連結(jié)構(gòu)界面剝離預(yù)測(cè)。首先，利用已確立的雙線性?xún)?nèi)聚力模型建立互連結(jié)構(gòu)界面剝離預(yù)測(cè)模型，通過(guò)馬蹄形互連結(jié)構(gòu)界面損傷、導(dǎo)線變形與實(shí)際情況的對(duì)比，表明在大拉伸率下能夠較好地模擬馬蹄形互連結(jié)構(gòu)界面損傷、

6、導(dǎo)線變形情況。其次，預(yù)測(cè)了拉伸過(guò)程中的各結(jié)構(gòu)的界面剝離，結(jié)果表明在結(jié)構(gòu)拉伸率較低的階段，馬蹄形、矩形及U形界面可靠性?xún)?yōu)于Z字形。隨著結(jié)構(gòu)拉伸率的增加至60％時(shí)，矩形結(jié)構(gòu)剝離情況最嚴(yán)重。最后，對(duì)比了各互連結(jié)構(gòu)界面損傷及基底應(yīng)力集中情況，發(fā)現(xiàn)界面損傷較大區(qū)域與基底應(yīng)力集中區(qū)域相同，且基底最大應(yīng)力值大的結(jié)構(gòu)其界面損傷值也大，同時(shí)證明了文中所采用的兩種方法根據(jù)需要的不同，均可以用于判斷互連結(jié)構(gòu)界面剝離。
　　本文的研究成果可為不同互連導(dǎo)線