可延展柔性电子器件结构失效研究

As a newly arisen product, the stretchable and flexible electronics have drawn the scientists’ attention on the research of new functions, structures and materials, while systematic and in-depth study on the reliability of these devices remain to be done. With the deepening of research and the maturity of technology, requirements on the reliability of the devices will be increasing. This project studies the failure mechanism of the devices, including the overloading and fatigue mechanism, as well as the influence of surface morphology of its working environment (such as human skin, etc.) on the interface adhesion properties, to study the influences of the structural reliability, for the purpose of optimizing the structure design and offering references for the reliability evaluation of the device from the perspective of mechanics. Firstly, the behavior of the device will be studied by establishing a precise beam model; then the shear stress distribution near the edge will be studied by researching the decay rate of the edge effect of the multilayered structure; the fatigue failure mechanism of the device will be studied by the bending and thermal fatigue test; finally, the effect of surface roughness and humidity on the interface adhesion properties will be studied.

可延展柔性电子器件作为新兴产物，目前其相关领域的研究主要集中在器件的新功能、新结构、新材料的开发方面，对器件的可靠性方面还未有系统、深入的研究。但随着研究的深入，及其制备技术的成熟，对器件可靠性的要求必将日益提高。本项从器件的失效机理入手，包括：器件的过载、过损失效机制及其工作环境（如人体皮肤等）的表面形貌对二者黏附性能的影响，研究器件结构可靠性的影响因素及影响规律，进而为器件的结构设计和可靠性评价提供力学参考。拟通过建立多层结构的精确梁模型，对器件进行结构变形分析；通过研究多层结构边界效应的衰减规律，揭示端部剪应力的产生机理、分布，以及结构端部脱层机理；通过器件的弯曲、热疲劳试验，研究器件的疲劳失效机理；最后，研究表面粗糙度、湿度等对界面黏附性能的影响。

可延展柔性电子器件的诞生为疾病诊疗、健康管理等领域带来了新的变革，如实现了人体健康指数更便捷、舒适的实时在线、无创监测等。目前，大部分可延展柔性电子器件设计是通过传统电学性能良好的无机半导体器件和具有延展性的互连导线与柔性基底集成来实现器件的柔性及延展性。而器件的商业化生产则对生产工艺的成熟程度、产品的可靠性及量产规模有较高要求，因此通过改进传统的半导体生产工艺，将传统元器件与柔性电路板集成来实现器件的柔性，成为了目前商业柔性器件的主要生产工艺。.表面贴装柔性电子器件通过表面贴装技术将表面组装元器件安装在以聚酰亚胺（Polyimide, PI）为基材制成的柔性印刷电路板（Flexible Printed Circuit board, FPCB）表面。本项目针对柔性表面贴装电子器件的失效问题，研究了器件的失效模式、失效机理。基于其典型失效模式，建立力学分析模型，以应力奇异性指数作为其底充胶/FPCB界面端应力状态的评价指标；基于上述理论模型，研究底充胶/FPCB结合界面弹性参数，底充胶端部几何形状对其界面端部区域应力集中程度的影响规律。.蛇形互连导线由于其优异的拉伸性能，广泛应用于可延展柔性电子器件的互连设计中。本项目基于蛇形互连导线的破坏机理，研究了其延展性及可靠性的制约因素，提出了蛇形互连导线—齿形柔性基底设计。首先研究了自由拉伸蛇形导线、蛇形导线—平面柔性基底结构和蛇形导线—齿形柔性基底结构拉伸性能。根据齿形柔性基底与蛇形互连导线的相对位置关系，进行结构几何参数设计；从结构拉伸性能的角度考虑，建立结构最大拉伸率计算模型，并据此给出相应参数的优化设计原则；在结构可靠性方面，研究了悬空段导线的塌陷问题，根据结构的塌陷模型给出蛇形导线不塌陷的临界几何参数关系。最后，借助光刻工艺及转移印刷技术，完成了器件的制备并通过静态拉伸、疲劳试验验证了结构的拉伸性能及可靠性。