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可延展电子在智能穿戴电子、柔性显示、医疗等领域具有广阔的应用前景。目前主流的无机电子主要通过由弹性基底及可延展导线组成互连结构来实现其延展性。这其一方面需要通过互连结构的大变形获得高延展性,另一方面要确保在大变形条件下互连结构的机械完整性与可靠性。因此,其可延展互连结构的可靠性成为目前关注的焦点之一。本文针对其中的界面可靠性问题,对因不同互连导线设计导致的界面可靠性问题进行了分析。首先利用以基底应力集中区域判定界面剥离区域的方法,定性地讨论了互连结构设计对界面剥离的影响;其次,利用双线性内聚力模型表征可延展互连结构界面力学特性;最后,依据双线性内聚力模型对于界面力学特性的表征,对可延展互连结构界面剥离进行定量预测与分析。具体开展的工作如下。 1.基于互连结构基底应力集中的界面可靠性解析。首先,讨论了现有的以基底应力集中区域判定界面剥离区域方法的使用范围,发现该仿真方式在较低拉伸率下能够较好地模拟互连结构的变形行为,此时基底应力、应变较为准确。其次,在较低拉伸率下,利用该方法分析了导线形状、导线尺寸及导线排布方向等因素对基底应力分布与应力大小的影响,首先,对于导线两臂在拉伸方向变形率不均匀的图案,其应力分布趋于集中在沿拉伸方向变形率较大的区域。若该区域变形率存在极值,则应力集中在该区域靠近导线边缘部位;对于导线两臂在拉伸方向变形均匀的图案,其基底应力分布较为均匀,但是应力容易在导线平面外变形较大的区域集中。其次,以马蹄形为例,基底表面最大等效应力随着其展开角的变大而增加,而不同的比例因子对于基底表面最大等效应力的影响则不明显。最后,互连结构在延展性能较低的方向排布时,其基底最大应力大于在延展性能较高时的基底应力,且应力集中的区域也较大。 2.可延展互连结构界面力学特性的表征。利用双线性内聚力模型,通过可延展互连界面结构的90°剥离实验的仿真,对该结构界面力学特性进行表征。发现利用双线性模型能较好地模拟界面剥离产生的纤维状组织,并能有效地还原界面的剥离过程与剥离的力-位移曲线。通过改变内聚力模型参数,发现断裂能决定了力-位移曲线的稳定值,即剥离强度;而最大张力、初始刚度则共同影响局部剥离形貌。通过对比目前文献90°剥离实验结果,当断裂能为1.33 mJ/mm2、初始刚度为10N/mm、最大张力为1.5MPa时,仿真结果与实际最为接近。 3.可延展互连结构界面剥离预测。首先,利用已确立的双线性内聚力模型建立互连结构界面剥离预测模型,通过马蹄形互连结构界面损伤、导线变形与实际情况的对比,表明在大拉伸率下能够较好地模拟马蹄形互连结构界面损伤、导线变形情况。其次,预测了拉伸过程中的各结构的界面剥离,结果表明在结构拉伸率较低的阶段,马蹄形、矩形及U形界面可靠性优于Z字形。随着结构拉伸率的增加至60%时,矩形结构剥离情况最严重。最后,对比了各互连结构界面损伤及基底应力集中情况,发现界面损伤较大区域与基底应力集中区域相同,且基底最大应力值大的结构其界面损伤值也大,同时证明了文中所采用的两种方法根据需要的不同,均可以用于判断互连结构界面剥离。 本文的研究成果可为不同互连导线设计的可延展柔性无机互连结构界面可靠性进行快速定性、准确定量的预测分析,对改进可延展互连结构设计、提高可延展柔性无机电子互连结构界面可靠性具有一定的参考价值。