可延展柔性無機電子互連導線結(jié)構(gòu)延展性能的研究.pdf

1、可延展柔性無機電子因其保有傳統(tǒng)硅基電子系統(tǒng)功能的同時，具有一定的柔性及可延展性，受到了學術(shù)界與業(yè)界的廣泛關(guān)注，在生物醫(yī)學、智能穿戴設(shè)備、柔性顯示、衛(wèi)生保健及軍事等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。對于目前主流的可延展柔性無機電子“島橋”結(jié)構(gòu)而言，其延展性能主要通過金屬互連導線的變形獲得。金屬導線作為可延展柔性無機互連結(jié)構(gòu)中最薄弱的環(huán)節(jié)，其在拉伸變形下的延展性能是提高結(jié)構(gòu)整體延展性能、可靠性的關(guān)鍵。因此，有必要對互連導線結(jié)構(gòu)進行延展性能分析，討論影

2、響其延展性能的因素。
　　本文分別分析了影響自由狀態(tài)下的導線及封裝后的導線延展性能的因素，其中自由導線分為梁結(jié)構(gòu)和非梁結(jié)構(gòu)，對于自由互連導線梁結(jié)構(gòu)，通過理論計算方法獲得互連導線結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)與其延展性能的關(guān)系式即拉伸剛度公式；對于自由互連導線非梁結(jié)構(gòu)，通過有限元仿真分析導線非平面幾何參數(shù)（導線厚度）對導線延展性能的影響；最后利用有限元仿真，分析了封裝對導線拉伸延展性能的影響，具體開展了如下的工作。
　　1.對于自由互連導線梁結(jié)

3、構(gòu)，根據(jù)材料力學理論，先對Z字形、外梯形及馬蹄形導線圖案進行結(jié)構(gòu)分析及拉伸位移推算；此外，通過總結(jié)常見結(jié)構(gòu)圖案的共同性及關(guān)聯(lián)性，設(shè)計了通用的導線結(jié)構(gòu)圖案，并推導了其拉伸位移及拉伸剛度的計算公式。通過對比分析及仿真驗證，表明通用拉伸位移及拉伸剛度公式能普遍應(yīng)用于常見互連導線梁結(jié)構(gòu)的計算。根據(jù)通用剛度公式可直接獲得所需互連導線結(jié)構(gòu)的延展性能即剛度，以及結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)與延展性能的關(guān)系。
　　2.對于自由互連導線非梁結(jié)構(gòu)，利用有限元仿真，分

4、析了非平面幾何參數(shù)——導線厚度對其延展性能的影響。首先對同一互連導線結(jié)構(gòu)在二維平面與三維立體情況下進行仿真，對比兩者的差異，從而分析該差異對導線應(yīng)力、延展性造成的影響。其次，在考慮實際三維自由拉伸狀態(tài)下，重點分析討論導線厚度對導線結(jié)構(gòu)應(yīng)力、延展性能的影響。結(jié)果表明，非梁結(jié)構(gòu)在自由狀態(tài)下，導線厚度越大，導線越不容易發(fā)生平面外變形，此時其應(yīng)力與完全限制Z向變形（二維分析）時的結(jié)果接近；導線厚度小的結(jié)構(gòu)更容易發(fā)生平面外變形，此時平面外變形的產(chǎn)

5、生會釋放導線上的應(yīng)力，使其處在彈性應(yīng)變范圍內(nèi)。故在設(shè)計自由非梁結(jié)構(gòu)導線時，薄的導線有利于結(jié)構(gòu)產(chǎn)生平面外變形進而減小導線上的應(yīng)力，最大程度地增加其延展性能。
　　3.對于含封裝的互連導線結(jié)構(gòu)，利用有限元仿真，首先分析了封裝的引入對互連導線結(jié)構(gòu)應(yīng)力、平面外變形造成的影響。其次，在此基礎(chǔ)上分析封裝材料的楊氏模量、封裝厚度對導線應(yīng)力的影響。結(jié)果表明：第一，封裝的引入會增大導線整體的應(yīng)力，此外封裝還會抑制導線的平面外變形，導致導線上的應(yīng)力進

6、一步增大；第二，隨著封裝材料楊氏模量的增加，導線整體的應(yīng)力也隨之增加，此外封裝對導線平面外變形的抑制也愈嚴重，進而增加導線上的應(yīng)力，從而降低互連導線的延展性；第三，隨著封裝厚度的增加，其對導線平面外變形的抑制作用越強，從而增加了導線上的應(yīng)力；當封裝厚度達到一定值時，導線上的應(yīng)力均趨向于某一極值，此后繼續(xù)增加封裝厚度對導線上的應(yīng)力影響很小。因此，在保證可靠性的前提下，應(yīng)采用低楊氏模量、薄厚度的封裝以增加互連導線的延展性。
　　本文理