清華大學張一慧Adv. Funct. Mater.：可拉伸電子器件的一種通用軟封裝策略

【引言】

可拉伸電子技術近年來快速發展，使得剛性的無機電子元件與軟生物組織之間機械兼容的生物界面成為可能，并且已經用于監測健康和進行某些治療。目前，在該領域的多數研究都主要集中在保持高性能表現的同時進行材料設計和力學概念的開發以獲得高度可變形性。另一方面，用于封裝可拉伸電子器件的可靠方案對于實際應用是必不可少的，但是開發新的封裝策略以實現增強性能的研究還相對較少。對于具有不同粘合條件的可拉伸金屬互連，固體密封劑通常會導致彈性拉伸性顯著降低。液體封裝方法可以避免彈性拉伸性的降低，但是其可能會造成泄露進而導致封裝失敗。最近，研究人員提出一種部分釋放的封裝方法以改善3D螺旋互連的可拉伸性，然而其不能直接擴展到在可拉伸電子器件中廣泛采用的2D互連。因此，發展不犧牲拉伸性的通用固體封裝策略仍然是一個挑戰。

【成果簡介】

近日，清華大學張一慧副教授課題組報道了將兩級封裝序列引入到可拉伸電子系統的固體封裝材料中，并證實其在諸如2D蛇形、2D分形和3D螺旋等最先進的互連配置中具有廣泛的適用性。基于有限元分析的定量研究進一步獲得了實現最大化拉伸性的兩級封裝方法。與傳統的一級封裝策略相比，兩級封裝過程能夠使2D蛇形互連、2D分形互連和3D螺旋互連分別提高6倍、4倍和2.6倍。而且，研究還證實高度可拉伸的發光二極管能夠封裝在復雜的曲線表面上以實現其實際應用。該成果以題為" A Generic Soft Encapsulation Strategy for Stretchable Electronics "發表在國際著名期刊Adv. Funct. Mater.上。

【圖文導讀】

圖1 兩級封裝策略和傳統一級封裝策略的示意圖

(a) 用于2D蛇形互連的兩級封裝策略的過程；

(b) 用于2D蛇形互連的一級軟封裝策略的過程；

(c) 2D蛇形互連的金屬層中的最大Mises應力與所施加應變的函數關系圖；

(d) 在兩級封裝工藝條件下，具有Mises應力分布的2D蛇形互連的未變形和變形的有限元分析結果和光學圖像；

(e) 在一階段封裝過程下，具有Mises應力分布的2D蛇形互連的未變形和變形的有限元分析結果和光學圖像；

(f) 在透視圖中2D蛇形互連的類似結果。

圖2?兩級封裝策略的2D蛇形互連的力學性能

(a) 在兩階段封裝策略中，具有不同程度封裝應變的2D蛇形互連的彈性拉伸性；

(b) 在一級封裝和兩級段封裝的條件下，具有不同幅度/間隔比的2D蛇形互連的彈性可拉伸性；

(c) 在一級封裝和兩級段封裝的條件下，具有不同的金屬厚度的2D蛇形互連的彈性可拉伸性；

(d) 在兩級封裝條件下，2D蛇形互連的彈性拉伸性與其金屬厚度和PI厚度的等高線圖；

(e) 在一級封裝條件下，2D蛇形互連的彈性拉伸性與其金屬厚度和PI厚度的等高線圖；

(f) 2D蛇形互連的彈性拉伸性能的尺度效應；

(g) 2D蛇形互連在循環拉伸試驗前后的電阻；

(h) 在兩級封裝過程中，2D蛇形互連的封裝厚度與封裝應變的關系；

(i) 使用不同封裝材料的2D蛇形互連的彈性拉伸性；

(j) 使用不同基底材料的2D蛇形互連的彈性拉伸性；

(k) 使用不同金屬材料的2D蛇形互連的彈性拉伸性。

圖3 兩階段封裝策略的2D分形互連的力學性能

(a) 在一級封裝和兩級封裝的條件下，具有Mises應力分布的2D分形互連的未變形和變形的光學圖像和有限元分析結果；

(b) 在不同應變幅度下，一級（頂部）和兩級（底部）封裝的2D分形互連的電阻變化；

(c) 一級封裝互連循環1000次以及兩級封裝互連循環600次后的光學圖像；

(d) 在一級和兩級封裝策略的兩種條件下，不同金屬厚度形成的2D分形互連的彈性拉伸性；

(e) 在兩級封裝過程中，2D分形互連的封裝厚度與封裝應變的關系；

(f) 使用不同封裝材料的2D分形互連的彈性拉伸性；

(g) 使用不同基底材料的2D分形互連的彈性拉伸性；

(h) 使用不同金屬材料的2D分形互連的彈性拉伸性。

圖4 兩級封裝策略的3D螺旋互連的力學性能

(a) 在一級封裝和兩級封裝的條件下，具有Mises應力分布的3D螺旋互連的未變形和變形的光學圖像和有限元分析結果；

(b) 在兩級封裝策略中，不同程度封裝應變的3D螺旋互連的彈性可拉伸性；

(c) 四單元3D螺旋互連在循環拉伸試驗前后的電阻。

圖5 固體封裝的高度可拉伸LED系統

(a) 2D分形互連組成的3×3陣列器件的圖示；

(b) 實驗器件的光學圖像；

(c) 在一級封裝的條件下，單軸和雙軸拉伸下的系統級形變和利用有限元分析得到的Mises應力分布；

(d) 在兩級封裝的條件下，單軸和雙軸拉伸下的系統級形變和利用有限元分析得到的Mises應力分布；

(e) 在不同形式的復雜機械載荷下工作器件的光學圖像。

圖6 固體封裝的3D軟天線系統

(a) 由螺旋介觀結構組成的3D軟天線的光學圖像的透視圖；

(b) 由螺旋介觀結構組成的3D軟天線的光學圖像的俯視圖；

(c) 在一級封裝的條件下，單軸和雙軸拉伸下的系統級形變和利用有限元分析得到的Mises應力分布；

(d) 在兩級封裝的條件下，單軸和雙軸拉伸下的系統級形變和利用有限元分析得到的Mises應力分布；

(e) 3D螺旋天線的電磁表征；

(f) 分別在未變形和單軸拉伸50%狀態下的工作器件的光學圖像。

?【小結】

本文中，研究人員開發了一種通用的固體封裝方法，使得多種互連配置展現出前所未有的彈性拉伸性能。與傳統的一級封裝相比，本文中提出的兩級封裝可以使拉伸性增加（對于2D蛇形互連大約為6倍，對于2D分形互連大約為4倍，對于3D螺旋互連則大約為2.6倍）。通過理論和實驗相結合的研究進一步闡明了這種拉伸性增強的潛在機制以及各種設計參數的影響。研究還表明，采用3D螺旋互連和2D分形互連構建的封裝軟LED系統在器件級別可以很好地保持超高拉伸性。因此，本文中所提出的軟封裝策略在各種可拉伸互連技術中具有通用性，有望在不同目標應用的可拉伸設備中得到應用。

文獻鏈接：A Generic Soft Encapsulation Strategy for Stretchable Electronics?(Adv. Funct. Mater. 2019, DOI: 10.1002/adfm.201806630)

本文由材料人生物學術組biotech供稿，材料牛審核整理。

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