可延展柔性無機電子互連結構界面可靠性研究.pdf

1、可延展電子在智能穿戴電子、柔性顯示、醫(yī)療等領域具有廣闊的應用前景。目前主流的無機電子主要通過由彈性基底及可延展導線組成互連結構來實現(xiàn)其延展性。這其一方面需要通過互連結構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構的機械完整性與可靠性。因此，其可延展互連結構的可靠性成為目前關注的焦點之一。本文針對其中的界面可靠性問題，對因不同互連導線設計導致的界面可靠性問題進行了分析。首先利用以基底應力集中區(qū)域判定界面剝離區(qū)域的方法，定性地

2、討論了互連結構設計對界面剝離的影響；其次，利用雙線性內聚力模型表征可延展互連結構界面力學特性；最后，依據雙線性內聚力模型對于界面力學特性的表征，對可延展互連結構界面剝離進行定量預測與分析。具體開展的工作如下。
　　1.基于互連結構基底應力集中的界面可靠性解析。首先，討論了現(xiàn)有的以基底應力集中區(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構的變形行為，此時基底應力、應變較為準確。其次，在較低拉伸

3、率下，利用該方法分析了導線形狀、導線尺寸及導線排布方向等因素對基底應力分布與應力大小的影響，首先，對于導線兩臂在拉伸方向變形率不均勻的圖案，其應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，則應力集中在該區(qū)域靠近導線邊緣部位；對于導線兩臂在拉伸方向變形均勻的圖案，其基底應力分布較為均勻，但是應力容易在導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力隨著其展開角的變大而增加，而不同的比例因子對于

4、基底表面最大等效應力的影響則不明顯。最后，互連結構在延展性能較低的方向排布時，其基底最大應力大于在延展性能較高時的基底應力，且應力集中的區(qū)域也較大。
　　2.可延展互連結構界面力學特性的表征。利用雙線性內聚力模型，通過可延展互連界面結構的90°剝離實驗的仿真，對該結構界面力學特性進行表征。發(fā)現(xiàn)利用雙線性模型能較好地模擬界面剝離產生的纖維狀組織，并能有效地還原界面的剝離過程與剝離的力-位移曲線。通過改變內聚力模型參數，發(fā)現(xiàn)斷裂能決定

5、了力-位移曲線的穩(wěn)定值，即剝離強度；而最大張力、初始剛度則共同影響局部剝離形貌。通過對比目前文獻90°剝離實驗結果，當斷裂能為1.33 mJ/mm2、初始剛度為10N/mm、最大張力為1.5MPa時，仿真結果與實際最為接近。
　　3.可延展互連結構界面剝離預測。首先，利用已確立的雙線性內聚力模型建立互連結構界面剝離預測模型，通過馬蹄形互連結構界面損傷、導線變形與實際情況的對比，表明在大拉伸率下能夠較好地模擬馬蹄形互連結構界面損傷、

6、導線變形情況。其次，預測了拉伸過程中的各結構的界面剝離，結果表明在結構拉伸率較低的階段，馬蹄形、矩形及U形界面可靠性優(yōu)于Z字形。隨著結構拉伸率的增加至60％時，矩形結構剝離情況最嚴重。最后，對比了各互連結構界面損傷及基底應力集中情況，發(fā)現(xiàn)界面損傷較大區(qū)域與基底應力集中區(qū)域相同，且基底最大應力值大的結構其界面損傷值也大，同時證明了文中所采用的兩種方法根據需要的不同，均可以用于判斷互連結構界面剝離。
　　本文的研究成果可為不同互連導線