Electronics Process Technology
2021年1月第42卷第1期1
doi:10.14176/j.issn.l001-3474.2021.01.001 .综述.
可延展电子力学性能与界面可靠性分析
，潘开林
（桂林电子科技大学海洋工程学院，广西北海536000）
摘要：当前，可延展电子技术在智能穿戴电子、柔性显示和生物医疗领域具有广阔的应用前景，行业应用的无机电子产品一般通过弹性衬底来实现可延展技术，但无机电子材料和弹性衬底间的力学性能差异引发了电子延展过程中的诸多可靠性问题。概述了延展电子互连导体的延展性能、断裂机理和电学特性，以及金属-橡胶界面之间的问题，分析了整体结构的可靠性。 关键词：可延展电子；力学性能；界面可靠性
中图分类号：TN6文献标识码：A文章编号：1001-3474（2021）01-0001-05
Analysis of Malleable Electronic Mechanical Properties and Interface Reliability
LI Peng,PAN Kailin
(Ocean Engineering College,Guilin University of Electronic Technology,Beihai536000,China)
Abstract：Currently,malleable electronics has a broad application prospect in the fields of smart wearable electronics,flexible displays and biomedicine.For the current mainstream inorganic electrons to achieve extensibility through elastic substrates,the mechanical properties of inorganic materials and elastic substrates are different,which causes some problems in the elongation process.The ductility and fracture mechanism of ductile electronic interconnection conductors are summarized,and the problems between the metal-rubber interface are described.Finally,the reliability of the overall structure is analyzed.
Keywords：stretchable electronics;mechanical property;interface reliability
Document Code:A Article ID:1001-3474(2021)01-0001-05
伴随电子产业升级，电子产品应用领域不断拓展，可延展电子产品市场需求不断扩大，可延展电子技术受到了广泛关注并且不断地发展。传统电子产品大多依赖刚性PCB（印制电路板）技术，不论电子元器件或互连导体都制作在普通刚性电路板上，在一定程度上制约了电子产品使用时的延展性和柔韧性。智能药盒
可延展电子指的是在保证传统平面刚性电子元器件系统功能的同时，电子整机结构具备较高程度的抗拉伸及扭曲变形等能力，甚至能够直接应用于三维自由曲面工作环境叫例如：电子皮肤就是通过将各类电子元器件集成到柔性基底上而形成的皮肤状电路板；电子眼相机则是在传统硅基板顶部将单晶硅制备成感光的阵列器件，随后转移到半球形状柔性基体上，可在较大范围内适应图形畸变叫此类电子产品的应用给行业发展提出了新课题。
当前，可延展电子技术的具体实现方法有两类：第一类是将减薄的刚性半导体器件转印到承受预应力的弹性基底上，释放预应力后硅微器件黏附于基底表面构成波纹状互连结构叫第二类是将刚性有源器件制作成“岛屿”，以可延展的互连导线当作“桥”体来柔性连接各刚性器件，此类结构又称
基金项目：国家自然科学基金项目（61474032）o
作者简介：（1982-），男，硕士，高级实验师，研究方向：微电子封装与组装。
电子工艺技术
Electronics Process Technology2021年1月2
“岛桥”结构巴结构如图1所示。“岛桥”结构的设计结合了现有高性能电子元器件柔性工艺，与传统制造工艺兼容性好，并可在具体应用上通过设计差异化互连线结构和形状来获得其不同延展适应性。
（a）波纹状互连结构（b）"岛桥"互连结构
图1常见可延展电子结构示意图
可延展柔性电子结构中，刚性部件与弹性基底间存在显著力学性质差异，拉伸过程中互连金属导体由于应变集中而导致断裂是可延展电子失效的主要形式。刚性部件与弹性基底之间力学性质差异会导致界面在外部载荷作用下引发分层缺陷，大大降低了可延展电路的延展率，同时，环境中腐蚀性物质可能会在分层区域扩展，最终导致器件失效。互连导线应变及其受力问题和异质界面问题是可延展柔性电子力学性能的关键。
1互连导线的力学特性分析
当前，电子产品结构多采用铜箔和铝箔制作金属导体，铜箔因其成本低、导电性和延展性能好得到广泛应用。通常将铜箔金属沉积在弹性基底上，然后在铜箔上覆盖一层柔性材料进行保护。互连导体与其附着的柔性基板一起形成统一的整体，目前互连导线的力学分析主要集中在以下几方面。
1.1延展性分析
柔性电子组件结构在使用过程中承受拉伸作用时，内部刚性小岛及脆性构件产生的变形很小，而弹性基底承受应变较大。柔性电子结构形变过程中，淀积在结构弹性衬底上的金属薄膜材料会跟随基底材料同时产生延伸。通过提升金属互连材料的延展性能可有效防止内部结构断裂和材料分层等力学失效情况的出现。 有研究表明『7]，微纳米级别厚度的金属薄膜材料在自由拉伸时的断裂伸长率为1%~2%，相较于其他金属薄膜材料，增加了基底约束后，金属薄膜的断裂伸长率会产生较大程度的提升。Li冈等人通过实验和计算方法研究了基底上平直金属薄膜的拉伸变形特性。通过仿真分析金属薄膜断裂过程表明：自由断裂通常只形成一个颈缩，而弹性基底上的金属薄膜在断裂前会出现一系列颈缩。预断裂前的颈缩现象不会显著改变金属导电性，但会使金属薄膜伸长。Lu等人冏研究发现弹性基底上的金属薄膜的拉伸率可达50%，且金属薄膜的拉伸率所受的限制来自于弹性基底的断裂。
基于弹簧的延伸原理，互连导线也可被制作成波浪状、锯齿形或马蹄形等弯曲形状，附着或嵌入在柔性基板上，如图2所示。Gray D S等何对封装在硅橡胶（PDMS）内的三种不同结构互连导线进行拉伸试验，曲线形互连导体的应变集中在曲线最高点和最低点，减小互连导线宽度可增加其延展性，减小波长、幅值并维持其恒定比会大幅增加其延展性，同时给出了最优的几何尺寸。Gonzalez M等冋进
一步分析了包封于PDMS和聚氨酯（TPU）两种不同衬底材料上模型的应变情况，并对不同延展条件下各区域应变进行了统计。表1和表2分别为使用两种材料时，在不同拉伸条件下各点的塑性应变值，表明材料在导线不发生永久损伤时有更大的延伸率。
直线形互连导体小振幅曲线形互连导体大振幅曲线互连导体图2导电金属薄膜在柔性基底上的附着结构示意图表[不同拉伸率条件下PDMS衬底在不同位置的应变值
应变区
拉乍m率
5%10%15%20%25%30%
10.465 2.12 3.84 5.42 6.958.60
20.821 2.14 2.99 3.52 4.06 4.57
30.309 1.58 2.93 3.99 4.53 4.94
400.080.64 1.54 2.42 3.14
50.402 2.01 3.57 4.57 5.07 5.52
平均值0.289 1.70 3.05 4.17 4.77 5.22表2不同拉伸率条件下TPU衬底在不同位置的应变值应变区
拉伸率
2%4%6%8%10%
10.22 2.25 5.247.8910.47
20.56 3.09 6.449.6713.16
30.45 1.72 5.048.0311.10
40.48 1.68 5.037.9110.84
50.42 1.42 4.607.4010.19
60.160.77 1.56 2.30 3.09
70.41 1.36 4.497.249.95
平均值0.38 1.25 4.20 6.889.53此外，HSUYY等人凹针对马蹄形互连结构在不同的线间距（两平行马蹄形机构的互连导线间距）时的拉伸性能进行了研究，比较了不同间距的最大等效塑性应变，如图3所示。研究发现在拉伸率为50%时，线间距为1.8~3.0mm时，最大等效塑性塑性应变急剧下降，如图4所示。得出最优线间距为3mm，此时最大等效塑性应变较小。对线间距介于1.8mm~3.0mm间的单个马蹄形上8个位置的最大等效塑性应变进行对比分析可知，马蹄形互连结构
顶
第42卷第1期
，等：可延展电子力学性能与界面可靠性分析
3
1.8 mm
2.0 mm 2.2 mm 2.4 mm
3.0 mm 6.0 mm
端最大等效塑性应变值最大，互连结构不同位置与 金属最大等效塑性应变的关系如图5所示。HSU Y Y 等人㈣针对小线间距设计出了Z 字形互连结构，结构 的延展性可高达60%。增大金属薄膜的晶格尺寸能显
著提升变形能力，增强延伸性。随着晶格尺寸减小， 薄膜晶界所占体积比逐渐增大，晶格位错运动受到晶 界的约束也会逐步增大，进而减弱了延展能力。
0.090.08
0.070.060.050.04
0.03
0.020.01
0.00
—线间距• 线间距 —▼—线间距
线间距—••线间距 •- 单线
協忸犁魁搂#x *
咚嫡
应变起始点~3%
0.066-10.064-
0.062
0.0600.058
0.056 -0.054-
0.052
0.050 -0.048 -0
10 20 30 40 50
延伸率/%车载硬盘
图3延伸率一金属最大等效塑性应变曲线
2区：稳态区
1区：咼风险区
i
2区
5.0
7.5
10.0 12.5 15.0 17.5 20.0
協嵋犁魁嵌帥K
*
瞠娼
0.046- 1 区 I
0.044 丄「一广
0.0 2.5线间距/mm
图4拉伸率50%对应最大等效塑性变形关系曲线
09
8
76
5
4
3
2
1
「.o e e
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交换机面板
曲线位置/mm
图5互连结构不同位置的最大等效塑性应变曲线
駅協程劉談帥x *
嘎婀
1.2断裂机理分析
在不同作用力下，金属断裂模式不同：由正应 力造成的断裂为模式I ；由剪切应力造成的断裂现 象为模式U 。模式I ：在金属薄膜互连导体拉升过
程中，拉伸正应力导致金属拉长，局部横截面积减 小，进而引发应力应变集中，横截面位置易发生结
构断裂。模式U ：产品服役期间金属-橡胶界面受到
外力作用时，界面上材料间的剪切应力导致局部应 力应变集中，接触面位置会因界面剪切作用引发应 力疲劳，进而产生界面分层现象的产生。当保持金
属薄膜材料与柔性基板良好黏附条件时，柔性基板
则能顺利抑制因应变集中而产生的均匀形变。
提高延展性与抑制互连线断裂相辅相成，抑制
作用的前提是避免结构微裂纹出现与扩展，柔性基
板的柔韧度对抑制互连线结构断裂有较大影响。有 研究表明"-呵，柔性基板互连线结构的断裂模式通常
有三类：1）柔性适应性较大的基板材料，互连线结 构常形成单一裂纹，柔性基板未能有效阻碍结构裂
纹的发生；2）采用柔性适应性较小的基板材料时，
互连线结构会随基底结构共同发生变形，且会产生
较大应变，可保证较大应变情形下不出现结构裂 纹，充分体现了柔性基底的约束作用；3）柔性介于
二者的中等柔性适应性基底材料，互连线结构则会
产生多重微裂纹。
由上述模式U 引发的断裂行为在材料界面处更 易出现，HSU Y Y 等对Z 字形互连结构进行了相关研 究，发现在整体结构拉伸过程中，其延伸率是由Z 结 构两臂的张开造成的，而互连线结构顶点也出现了 平面外变形和塑性变形，两臂张开会造成在靠近顶
点位置处产生剪切应力，此剪切应力使得互连金属
材料在靠近顶点的位置发生剪切断裂，如图6所示。
图6 Z 字形互连导体断裂的微观示意图
影响互连导体断裂情况的另一重要因素是互连
线材料的尺寸和性能。宏观上，互连线结构中金属
薄膜的厚度是影响断裂产生的关键要素。Lu 等人何 通过实验研究了金属薄膜厚度对结构断裂的影响, 结果表明：Cu 薄膜厚度小于500 nm 时，互连线结构
延伸性能会随材料厚度增大而增强；当Cu 薄膜厚度
高于500 nm 时，断裂应变则开始减小，且不同厚度 Cu 薄膜呈现出不同断裂模式，表明金属薄膜材料延
伸性有显著的尺度效应。微观上，互连线金属的晶 格尺寸大小也是影响断裂模式的重要要素。当金属 晶格尺寸较小时，互连线金属薄膜尺寸效应较为显
著，即金属晶格尺寸愈小，薄膜屈服强度愈高。张
滨等人呵针对聚酰亚胺材料基底上100 nm 厚Cu 薄膜 断裂行为进行了深入探究，研究表明此时的断裂为 垂直于加载轴的I 形断裂。当Cu 薄膜材料的塑性变
形无法由晶格的塑性变形缓冲时，金属内部晶界就
电子工艺技术
Electronics Process Tech no logy2021年1月4
会出现变形并最终导致结构的破坏，又称为沿晶断裂。此外，当互连金属薄膜内部存在杂质或晶体结构缺陷时，易在结构缺陷处形成局部的应力、应变集中现象，最终导致结构断裂的产生。
综上所述，引起高分子基体金属薄膜断裂的主要原因如下：1）金属薄膜与柔性基板界面分层；2）柔性基板过于柔软；3）金属薄膜材料自身延展性能不足。
2金属薄膜与基底橡胶的界面分层分析
在外部载荷作用下，刚性部件和弹性基底间存在的力学性质差异会引发分层缺陷，这不仅会降低可延
展电路的最大延展率，且环境中的腐蚀性物质可能会在分层区域扩展，最终导致器件失效。因此，异质界面问题也是影响可延展柔性电子力学性能的关键要素。
2.1分层形式与分层位置
异质界面分层行为又称异质界面间的断裂现象，对应前述互连金属导体断裂模式I和断裂模式n，异质界面分层形式也分模式I和模式n。不同互连结构的分层形式不同，相同互连结构在不同位置的分层形式也有不同。
HSU Y Y等人研究了嵌入弹性基底的马蹄形互连结构中不同线间距的拉伸，研究表明线间距为1.8mm和3.0mm的样品拉伸至互连线在断裂前发生了界面分层。分层位置如图7所示，通常出现在互连线曲线顶部，同时发现间距为1.8mm和3.0mm时，分层起始拉伸率分别为35%和68%。通过分析发现界面分层有助于延展率的提升和曲线形顶端最大等效塑性应变的减小，最大塑性应变率随着界面分层长度的增加而降低，分层区域的互连线金属导体不再被PDMS保护，环境影响扩散进基底造成了延展电子中互连线金属互连的失效现象。
图7拉伸状态下马蹄形互连导线的微观图
2.2分层的过程与机理
金属薄膜的分层机理较为复杂，很多对分层的过程和机理的研究通常利用扫描电镜来观测样品的剥离过程，或者以内聚力模型进行仿真来分析，分离过程和机理的研究又分宏观和微观两类。宏观范围内，Van Der Sluis O等人［18］通过对多个样品进行90°剥离实验，记录了样品剥离过程中剥离力和位移情况，并通过分层过程中的几何形状来校验剥离数据，剥离过程结束后的图像如图8所示。
以平面应变有限元模型来仿真剥离实验的过程，以内聚力模型来描述剥离过程开始阶段和传播阶段，其中裂纹被视为一种渐进现象，裂纹现象通常伴随裂纹尖端的延伸和扩展而出现。在微观尺度分层过程研究领域，Hoefiiagels J等人［19］通过环境扫描电镜（ESEM）观察发现分层过程中分层界面会形成20~60长的橡胶纤维，这些橡胶纤维将会逐渐被拉断或从Cu表面剥离，橡胶产生断裂后，将会有橡胶残留在Cu表面，橡胶断裂是拉伸过程中能量耗散的主要形式。
Rubber
图8铜箔剥离过程微观示意图
尺寸/mm
h131±0.02
W 2.1±0.3
R 1.43±0.05
基底处理温度、附着在橡胶面铜箔粗糙度及橡胶基底材料类型等都对分层行为有着较大影响，其中，橡胶材料和铜箔表面粗糙度共同作用对分层产生影响。当材料相同时，覆盖橡胶一侧的铜表面越粗糙，分层所需的分离功越大；而当铜表面粗糙度相同时，材料强度越高，分层所需分离功越大，铜-橡胶界面越难出现分层。
3可延展电子的可靠性分析
可延展电子主要的失效模式是互连线导体断裂和金属-橡胶界面的分层两种失效模式，且金属-橡胶界面分层会加快互连线在分层区域的断裂。因此，增加互连导线的延展性和金属-橡胶界面的黏附性可以提高可延展电子的可靠性。一方面可提升互连线金属的延展性，另一方面可采用多重平行导线增加延展电子的可靠性，结构如图9所示，即便中间某条互连线产生断裂，互连结构整体也不会丧失其电学特性㈣。
界面完整性的提升可通过提升材料强度、增加互连线金属表面粗糙度等手段实现，且可通过在铜与橡胶之间增加一个过度夹层来改善金属与橡胶间的黏附性，最常用的是在铜-橡胶之间增加一层薄的
第42卷第1期，等：可延展电子力学性能与界面可靠性分析5
6层，此外，也有研究者列通过对包封两层的PDMS 进行表层处理而增加其黏附性。
图9多重平行导线条件下的马蹄形互连结构示意图
4结论
金属互连线的疲劳损伤造成的互连线结构断裂是影响可靠性的关键之一，可延展电子产品的使用过程本身就是拉伸-卷曲不断循环往复加载的过程。单独使用的互连金属薄膜的疲劳寿命相当有限，制作在弹性基底上互连线金属薄膜疲劳寿命贝!］增加很多。针对弹性基底上的互连线金属薄膜的疲劳寿命大多采用疲劳寿命试验来预测其疲劳寿命。不同互连线结构的疲劳寿命取决于周围环境、互连线金属、弹性基底材料及界面性能等参数。当前，诸多研究机构针对可延展电子互连线的研究已取得一定进展，为更好满足实际可延展电子产品的需求，还需要做进一步的研究：］）深入分析不同结构互连线金属对可延展电子的性能及可靠性的影响；2）对互连线金属一橡胶界面的可靠性研究。
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(收稿日期：
2020-12-10)
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