清华大学张一慧Adv. Funct. Mater.：可拉伸电子器件的一种通用软封装策略

【引言】

可拉伸电子技术近年来快速发展，使得刚性的无机电子元件与软生物组织之间机械兼容的生物界面成为可能，并且已经用于监测健康和进行某些治疗。目前，在该领域的多数研究都主要集中在保持高性能表现的同时进行材料设计和力学概念的开发以获得高度可变形性。另一方面，用于封装可拉伸电子器件的可靠方案对于实际应用是必不可少的，但是开发新的封装策略以实现增强性能的研究还相对较少。对于具有不同粘合条件的可拉伸金属互连，固体密封剂通常会导致弹性拉伸性显著降低。液体封装方法可以避免弹性拉伸性的降低，但是其可能会造成泄露进而导致封装失败。最近，研究人员提出一种部分释放的封装方法以改善3D螺旋互连的可拉伸性，然而其不能直接扩展到在可拉伸电子器件中广泛采用的2D互连。因此，发展不牺牲拉伸性的通用固体封装策略仍然是一个挑战。

【成果简介】

近日，清华大学张一慧副教授课题组报道了将两级封装序列引入到可拉伸电子系统的固体封装材料中，并证实其在诸如2D蛇形、2D分形和3D螺旋等最先进的互连配置中具有广泛的适用性。基于有限元分析的定量研究进一步获得了实现最大化拉伸性的两级封装方法。与传统的一级封装策略相比，两级封装过程能够使2D蛇形互连、2D分形互连和3D螺旋互连分别提高6倍、4倍和2.6倍。而且，研究还证实高度可拉伸的发光二极管能够封装在复杂的曲线表面上以实现其实际应用。该成果以题为"A Generic Soft Encapsulation Strategy for Stretchable Electronics"发表在国际著名期刊Adv. Funct. Mater.上。

【图文导读】

图1 两级封装策略和传统一级封装策略的示意图

(a) 用于2D蛇形互连的两级封装策略的过程；

(b) 用于2D蛇形互连的一级软封装策略的过程；

(c) 2D蛇形互连的金属层中的最大Mises应力与所施加应变的函数关系图；

(d) 在两级封装工艺条件下，具有Mises应力分布的2D蛇形互连的未变形和变形的有限元分析结果和光学图像；

(e) 在一阶段封装过程下，具有Mises应力分布的2D蛇形互连的未变形和变形的有限元分析结果和光学图像；

(f) 在透视图中2D蛇形互连的类似结果。

图2两级封装策略的2D蛇形互连的力学性能

(a) 在两阶段封装策略中，具有不同程度封装应变的2D蛇形互连的弹性拉伸性；

(b) 在一级封装和两级段封装的条件下，具有不同幅度/间隔比的2D蛇形互连的弹性可拉伸性；

(c) 在一级封装和两级段封装的条件下，具有不同的金属厚度的2D蛇形互连的弹性可拉伸性；

(d) 在两级封装条件下，2D蛇形互连的弹性拉伸性与其金属厚度和PI厚度的等高线图；

(e) 在一级封装条件下，2D蛇形互连的弹性拉伸性与其金属厚度和PI厚度的等高线图；

(f) 2D蛇形互连的弹性拉伸性能的尺度效应；

(g) 2D蛇形互连在循环拉伸试验前后的电阻；

(h) 在两级封装过程中，2D蛇形互连的封装厚度与封装应变的关系；

(i) 使用不同封装材料的2D蛇形互连的弹性拉伸性；

(j) 使用不同基底材料的2D蛇形互连的弹性拉伸性；

(k) 使用不同金属材料的2D蛇形互连的弹性拉伸性。

图3 两阶段封装策略的2D分形互连的力学性能

(a) 在一级封装和两级封装的条件下，具有Mises应力分布的2D分形互连的未变形和变形的光学图像和有限元分析结果；

(b) 在不同应变幅度下，一级（顶部）和两级（底部）封装的2D分形互连的电阻变化；

(c) 一级封装互连循环1000次以及两级封装互连循环600次后的光学图像；

(d) 在一级和两级封装策略的两种条件下，不同金属厚度形成的2D分形互连的弹性拉伸性；

(e) 在两级封装过程中，2D分形互连的封装厚度与封装应变的关系；

(f) 使用不同封装材料的2D分形互连的弹性拉伸性；

(g) 使用不同基底材料的2D分形互连的弹性拉伸性；

(h) 使用不同金属材料的2D分形互连的弹性拉伸性。

图4 两级封装策略的3D螺旋互连的力学性能

(a) 在一级封装和两级封装的条件下，具有Mises应力分布的3D螺旋互连的未变形和变形的光学图像和有限元分析结果；

(b) 在两级封装策略中，不同程度封装应变的3D螺旋互连的弹性可拉伸性；

(c) 四单元3D螺旋互连在循环拉伸试验前后的电阻。

图5 固体封装的高度可拉伸LED系统

(a) 2D分形互连组成的3×3阵列器件的图示；

(b) 实验器件的光学图像；

(c) 在一级封装的条件下，单轴和双轴拉伸下的系统级形变和利用有限元分析得到的Mises应力分布；

(d) 在两级封装的条件下，单轴和双轴拉伸下的系统级形变和利用有限元分析得到的Mises应力分布；

(e) 在不同形式的复杂机械载荷下工作器件的光学图像。

图6 固体封装的3D软天线系统

(a) 由螺旋介观结构组成的3D软天线的光学图像的透视图；

(b) 由螺旋介观结构组成的3D软天线的光学图像的俯视图；

(c) 在一级封装的条件下，单轴和双轴拉伸下的系统级形变和利用有限元分析得到的Mises应力分布；

(d) 在两级封装的条件下，单轴和双轴拉伸下的系统级形变和利用有限元分析得到的Mises应力分布；

(e) 3D螺旋天线的电磁表征；

(f) 分别在未变形和单轴拉伸50%状态下的工作器件的光学图像。

【小结】

本文中，研究人员开发了一种通用的固体封装方法，使得多种互连配置展现出前所未有的弹性拉伸性能。与传统的一级封装相比，本文中提出的两级封装可以使拉伸性增加（对于2D蛇形互连大约为6倍，对于2D分形互连大约为4倍，对于3D螺旋互连则大约为2.6倍）。通过理论和实验相结合的研究进一步阐明了这种拉伸性增强的潜在机制以及各种设计参数的影响。研究还表明，采用3D螺旋互连和2D分形互连构建的封装软LED系统在器件级别可以很好地保持超高拉伸性。因此，本文中所提出的软封装策略在各种可拉伸互连技术中具有通用性，有望在不同目标应用的可拉伸设备中得到应用。

文献链接：A Generic Soft Encapsulation Strategy for Stretchable Electronics(Adv. Funct. Mater. 2019, DOI: 10.1002/adfm.201806630)

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