可延展柔性无机电子互连导线结构延展性能的研究

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可延展柔性无机电子因其保有传统硅基电子系统功能的同时,具有一定的柔性及可延展性,受到了学术界与业界的广泛关注,在生物医学、智能穿戴设备、柔性显示、卫生保健及军事等领域具有广阔的应用前景。对于目前主流的可延展柔性无机电子“岛桥”结构而言,其延展性能主要通过金属互连导线的变形获得。金属导线作为可延展柔性无机互连结构中最薄弱的环节,其在拉伸变形下的延展性能是提高结构整体延展性能、可靠性的关键。因此,有必要对互连导线结构进行延展性能分析,讨论影响其延展性能的因素。  本文分别分析了影响自由状态下的导线及封装后的导线延展性能的因素,其中自由导线分为梁结构和非梁结构,对于自由互连导线梁结构,通过理论计算方法获得互连导线结构几何参数与其延展性能的关系式即拉伸刚度公式;对于自由互连导线非梁结构,通过有限元仿真分析导线非平面几何参数(导线厚度)对导线延展性能的影响;最后利用有限元仿真,分析了封装对导线拉伸延展性能的影响,具体开展了如下的工作。  1.对于自由互连导线梁结构,根据材料力学理论,先对Z字形、外梯形及马蹄形导线图案进行结构分析及拉伸位移推算;此外,通过总结常见结构图案的共同性及关联性,设计了通用的导线结构图案,并推导了其拉伸位移及拉伸刚度的计算公式。通过对比分析及仿真验证,表明通用拉伸位移及拉伸刚度公式能普遍应用于常见互连导线梁结构的计算。根据通用刚度公式可直接获得所需互连导线结构的延展性能即刚度,以及结构几何参数与延展性能的关系。  2.对于自由互连导线非梁结构,利用有限元仿真,分析了非平面几何参数——导线厚度对其延展性能的影响。首先对同一互连导线结构在二维平面与三维立体情况下进行仿真,对比两者的差异,从而分析该差异对导线应力、延展性造成的影响。其次,在考虑实际三维自由拉伸状态下,重点分析讨论导线厚度对导线结构应力、延展性能的影响。结果表明,非梁结构在自由状态下,导线厚度越大,导线越不容易发生平面外变形,此时其应力与完全限制Z向变形(二维分析)时的结果接近;导线厚度小的结构更容易发生平面外变形,此时平面外变形的产生会释放导线上的应力,使其处在弹性应变范围内。故在设计自由非梁结构导线时,薄的导线有利于结构产生平面外变形进而减小导线上的应力,最大程度地增加其延展性能。  3.对于含封装的互连导线结构,利用有限元仿真,首先分析了封装的引入对互连导线结构应力、平面外变形造成的影响。其次,在此基础上分析封装材料的杨氏模量、封装厚度对导线应力的影响。结果表明:第一,封装的引入会增大导线整体的应力,此外封装还会抑制导线的平面外变形,导致导线上的应力进一步增大;第二,随着封装材料杨氏模量的增加,导线整体的应力也随之增加,此外封装对导线平面外变形的抑制也愈严重,进而增加导线上的应力,从而降低互连导线的延展性;第三,随着封装厚度的增加,其对导线平面外变形的抑制作用越强,从而增加了导线上的应力;当封装厚度达到一定值时,导线上的应力均趋向于某一极值,此后继续增加封装厚度对导线上的应力影响很小。因此,在保证可靠性的前提下,应采用低杨氏模量、薄厚度的封装以增加互连导线的延展性。  本文理论推导的互连导线梁结构通用拉伸刚度解析模型是导线几何参数与结构拉伸刚度的关系式,在此基础上可获得目前常见结构的几何参数对其拉伸刚度的影响规律,为设计、优化获得高延展性能的互连导线梁结构提供了重要的理论依据。本文仿真研究所获成果对互连导线结构设计、封装设计、提高可延展柔性无机互连结构延展性具有一定的参考价值。
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