可延展柔性無機(jī)電子自相似互連結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析.pdf

1、近年來，可延展電子因其能夠滿足現(xiàn)代電子產(chǎn)品對便攜性、靈活性以及輕量性的需求而受到了學(xué)術(shù)界與業(yè)界的廣泛關(guān)注，并得到了一定的發(fā)展。設(shè)計實現(xiàn)高延展性能的互連結(jié)構(gòu)一直以來都是可延展柔性電子中的一個重要課題之一。本文針對可延展柔性無機(jī)電子延展性不高、延展自由度有限及結(jié)構(gòu)在承受拉伸條件下力學(xué)性能不清晰等問題，擬通過引入分形幾何概念，結(jié)合分形幾何知識，設(shè)計一款基于分形幾何的自相似互連結(jié)構(gòu)幾何圖形，在此基礎(chǔ)上設(shè)計實現(xiàn)高延展性的乃至超延展性的自相似互連結(jié)

2、構(gòu)。
　　首先，探究可延展互連基本結(jié)構(gòu)薄膜-基底結(jié)構(gòu)的延展性能，分析影響薄膜延性的主要幾何材料參數(shù)。利用有限元分析軟件ABAQUS建立薄膜-基底結(jié)構(gòu)模型，觀察結(jié)構(gòu)在承受拉伸載荷條件下表現(xiàn)出來的彈塑性行為及其等效塑性應(yīng)變分布，進(jìn)而確定影響薄膜-基底結(jié)構(gòu)延展性能的主要幾何材料參數(shù)。分析結(jié)果表明：薄膜的幾何尺寸以及基底的彈性模量是影響薄膜-基底結(jié)構(gòu)中薄膜延性最為關(guān)鍵的因素。
　　其次，設(shè)計“U”形自相似互連結(jié)構(gòu)幾何圖形，推導(dǎo)自相似

3、互連結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型的遞推公式。為設(shè)計高延展性能的互連結(jié)構(gòu)，引入分形幾何學(xué)概念，結(jié)合分形幾何知識，設(shè)計一款基于分形幾何的“U”形自相似互連結(jié)構(gòu)幾何圖形，建立相應(yīng)的自相似互連結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)其數(shù)學(xué)模型進(jìn)一步推導(dǎo)出多階自相似互連結(jié)構(gòu)模型設(shè)計的遞推公式。為設(shè)計多階“U”形自相似互連結(jié)構(gòu)提供了數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)。
　　再次，分析“U”形自相似互連結(jié)構(gòu)的延展性能，研究幾何參數(shù)對自相似互連結(jié)構(gòu)延展性能的影響。分別建立了一階“U”形自相似互連結(jié)構(gòu)和

4、二階“U”形自相似互連結(jié)構(gòu)仿真模型，觀察其在承受單軸拉伸載荷條件下表現(xiàn)出來的彈塑性行為。仿真結(jié)果表明：自相似互連結(jié)構(gòu)在延展性能方面表現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢，二階“U”形自相似互連結(jié)構(gòu)的延展性能更突出，甚至可以實現(xiàn)超延展性。而后，重點研究了分形基本單元一階“U”形的單元個數(shù)a、半圓弧直徑d1、高度與直徑的比值η以及互連線寬度W這四個幾何參數(shù)對互連結(jié)構(gòu)延展性能的影響。為進(jìn)一步優(yōu)化自相似互連結(jié)構(gòu)提供實際參考。
　　最后，優(yōu)化“U”形自相似互連

5、結(jié)構(gòu)，提高“U”形自相似互連結(jié)構(gòu)的延展性能。主要進(jìn)行了兩個方面的優(yōu)化：第一，對一階“U”自相似互連結(jié)構(gòu)中半圓弧直徑d1、高度與直徑的比值η以及互連線寬度W進(jìn)行正交分析，確定這三個幾何參數(shù)對自相似互連結(jié)構(gòu)延性影響的主次關(guān)系及顯著性。在此基礎(chǔ)上結(jié)合實際情況，最終確定“U”形自相似互連結(jié)構(gòu)的幾何尺寸如下： a=8， d1=300μm，η=2.5， W=20μm。第二，結(jié)合基底彈性模量對薄膜延性影響的分析，在所設(shè)計的自相似互連結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上引入應(yīng)

6、變緩沖層結(jié)構(gòu)來進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)的延展性能。利用有限元仿真分析應(yīng)變緩沖層厚度及位置對薄膜互連結(jié)構(gòu)最大等效塑性應(yīng)變值的影響，最終確定采用應(yīng)變緩沖層厚度t為1.5μm的雙應(yīng)變緩沖層結(jié)構(gòu)。
　　至此，本課題完成了基于分形幾何的“U”自相似互連結(jié)構(gòu)的設(shè)計，該結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出優(yōu)異的延展性能，完成了分形幾何學(xué)在可延展柔性互連結(jié)構(gòu)設(shè)計上的應(yīng)用。不僅為設(shè)計實現(xiàn)高延展性能乃至超延展性的可延展互連結(jié)構(gòu)提供了一定的參考價值，也為可延展柔性互連結(jié)構(gòu)設(shè)計學(xué)理論基礎(chǔ)的