CN105340371A - 用于可拉伸电子器件的应变隔离结构 - Google Patents

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Abstract

在此披露可以用于减少适形电子系统中的应变的缓冲结构，适形电子系统包括与更刚性的装置部件处于电联通的顺性部件。缓冲结构被布置在适形电子系统上，或至少部分地被嵌入在其中，这样使得缓冲结构与位于顺性部件与更刚性的装置部件之间的接合区域的至少一部分重叠。缓冲结构与适形电子系统的封装物相比可以具有更高杨氏模量值。

Description

用于可拉伸电子器件的应变隔离结构
相关申请的交叉引用
本申请要求于2013年2月25日提交的名称为“多层薄膜可拉伸互连件(MULTI-LAYERTHINFILMSTRETCHABLEINTERCONNECTS)”的美国临时申请号61/768,939以及于2013年3月15日提交的名称为“用于可拉伸的互连件的应变消除结构(STRAINRELIEFSTRUCTURESFORSTRETACHBLEINTERCONNECTS)”的美国非临时专利申请号13/843,880的优先权和权益，这些申请中的每一项通过引用以其全文(包括附图)结合于此。
背景技术
高质量医学感测和成像数据已在多种医学症状的诊断和治疗中变得越来越有益。病症可以与消化系统、心脏循环系统相关联，并且可以包括神经系统的损伤、癌症等。迄今为止，可用于聚集此类感测或成像数据的大多数电子系统是刚性的且不可挠曲的。这些刚性电子器件对于许多应用、如在生物医学装置中是不理想的。大部分的生物组织是软的且弯曲的。皮肤和器官是微秒的并且是远非二维的。
电子器件系统的其他潜在应用、如用于在非医学系统中聚集数据也可能因刚性电子器件而受阻。
发明内容
诸位发明人已经意识到，使用中的电子系统的不可挠曲性对于许多应用是不理想的。
鉴于上述情况，在此描述的不同实例总体上涉及用于在适形电子系统中提供应变隔离的系统、设备和方法。在此描述的系统、方法和设备提供有效的、紧凑的、且复杂的系统，这些系统包括与更刚性的装置部件处于电联通的可拉伸和/或柔性互连件。
在实例中，描述有效地再分配应变的缓冲结构，该应变一般可能作用在更刚性的装置部件的边缘处或周围，或作用在可拉伸和/或柔性互连件与更刚性的装置部件之间的接合区域上。
在实例中，提供基于薄装置岛的系统、设备和方法，这些薄装置岛包括封装在封装物中的集成电路(IC)芯片和/或可拉伸和/或柔性互连件。
在实例中，提供系统、设备和方法，该系统、设备和方法包括：装置部件；与装置部件处于电联通的至少一个可拉伸和/或柔性导电互连件，该至少一个可拉伸和/或柔性导电互连件在接合区域处与装置部件形成电联通；缓冲结构；以及至少封装装置部件和接合区域的封装物。缓冲结构与接合区域的至少一部分重叠。缓冲结构与封装物相比具有更高杨氏模量值。
在实例中，提供系统、设备和方法，该系统、设备和方法包括：装置部件；与装置部件处于电联通的至少一个可拉伸和/或柔性导电互连件，该至少一个可拉伸和/或柔性导电互连件在接合区域处与装置部件形成电联通；布置在装置部件上方的第一缓冲结构；布置在装置部件下方的第二缓冲结构；以及至少封装装置部件和接合区域的封装物。第一缓冲结构和第二缓冲结构与接合区域的至少一部分重叠。第一缓冲结构和第二缓冲结构与封装物相比具有更高杨氏模量值。
在实例中，提供系统、设备和方法，该系统、设备和方法包括：装置部件；柔性基础，装置部件被布置在柔性基础上或至少部分地被嵌入在其中；与装置部件处于电联通的至少一个可拉伸和/或柔性导电互连件，该至少一个可拉伸和/或柔性导电互连件在接合区域处与装置部件形成电联通；缓冲结构；以及至少封装装置部件和接合区域的封装物。缓冲结构与柔性基础的至少一部分重叠。柔性基础与封装物相比具有更高杨氏模量值。缓冲结构与封装物相比具有更高杨氏模量值。
以下公布、专利和专利申请特此通过引用以其全文结合在此：
吉姆(Kim)等人，“可拉伸且可折叠的硅集成电路(StretchableandFoldableSiliconIntegratedCircuits)”，科学快讯(ScienceExpress)，2008年3月27日，10.1126/科学(science).1154367；
Ko等人，“基于可压缩硅光电子学的半球形电子眼摄像机(AHemisphericalElectronicEyeCameraBasedonCompressibleSiliconOptoelectronics)”，自然(science)，2008年8月7日，第454卷，第748-753页；
吉姆等人，“结合整体集成可拉伸波状互连件的互补金属氧化物硅集成电路(ComplementaryMetalOxideSiliconIntegratedCircuitsIncorporatingMonolithicallyIntegratedStretchableWavyInterconnects)”，应用物理快报(AppliedPhysicsLetters)，2008年7月31日，第93卷，044102；
吉姆等人，“用于对极端机械变形具有线性弹性响应的集成电路的材料和非共面网孔设计(MaterialsandNoncoplanarMeshDesignsforIntegratedCircuitswithLinearElasticResponsestoExtremeMechanicalDeformations)”，PNAS，2008年12月2日，第105卷，第48号，第18675-18680页；
梅特勒(Meitl)等人，“通过动态控制对弹性体压模的粘附性进行转移印花(TransferPrintingbyKineticControlofAdhesiontoanElastomericStamp)”，自然材料(NatureMaterials)，2006年1月，第5卷，第33-38页；
2009年3月5日提交、2010年1月7日公布、并且名称为“可拉伸且可折叠的电子装置(STRETCHABLEANDFOLDABLEELECTRONICDEVICES)”的美国专利申请公开号20100002402-Al；
2009年10月7日提交、2010年4月8日公布、并且名称为“具有可拉伸集成电路和传感器阵列的导管气囊(CATHETERBALLOONHAVINGSTRETCHABLEINTEGRATEDCIRCUITRYANDSENSORARRAY)”的美国专利申请公开号20100087782-Al；
2009年11月12日提交、2010年5月13日公布、并且名称为“极端可拉伸电子器件(EXTREMELYSTRETCHABLEELECTRONICS)”的美国专利申请公开号20100116526-Al；
2010年1月12日提交、2010年7月15日公布、并且名称为“非平面成像阵列的方法和应用(METHODSANDAPPLICATIONSOFNON-PLANARIMAGINGARRAYS)”的美国专利申请公开号20100178722-Al；以及
2009年11月24日提交、2010年10月28日公布、并且名称为“利用可拉伸电子器件测量轮胎或道路表面状况的系统、装置和方法(SYSTEMS,DEVICES,ANDMETHODSUTILIZINGSTRETCHABLEELECTRONICSTOMEASURETIREORROADSURFACECONDITIONS)”的美国专利申请公开号2010027119-Al。
吉姆，D.H.等人.(2010).用于超薄适形生物集成电子器件的可溶丝心蛋白膜(Dissolvablefilmsofsilkfibroinforultrathinconformalbio-integratedelectronics).自然材料(NatureMaterials)，9,511-517。
奥门内托，F.G.(Omenetto,F.G.)和D.L.卡普兰(D.L.Kaplan).(2008).蚕丝的新路径(Anewrouteforsilk).自然光子学(NaturePhotonics)，2,641-643。
奥门内托，F.G.、卡普兰，D.L.(2010).古老材料的新机会(Newopportunitiesforanancientmaterial).科学，329,528-531。
哈尔赛德，W.S.(Halsed,W.S.)(1913).结扎线和缝合材料(Ligatureandsuturematerial).美国医学协会杂志(JournaloftheAmericanMedicalAssociation)，60,1119-1126。
山本，T.(Masuhiro,T.)、洋子，G.(Masuhiro,T.)、正信，N.(Masaobu,N.)等人.(1994).通过浸入在甲醇水溶液中引起的丝心蛋白薄膜的结构变化(Structuralchangesofsilkfibroinmembranesinducedbyimmersioninmethanolaqueoussolutions).聚合物科学期刊(JournalofPolymerScience)，5,961-968。
劳伦斯，B.D、克罗宁-戈洛姆,M.(Cronin-Golomb,M.)、乔加扣迪，I.(Georgakoudi,I.)等人.(2008).用于光学装置的生物活性丝素生物材料系统(Bioactivesilkproteinbiomaterialsystemsforopticaldevices).生物大分子(Biomacromolecules)，9,1214-1220。
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2010年3月12日提交的、名称为“具有可拉伸集成电路的用于感测和治疗的系统、方法和装置(SYSTEMS,METHODS,ANDDEVICESFORSENSINGANDTREATMENTHAVINGSTRETCHABLEINTEGRATEDCIRCUITRY)”的美国专利申请序列号12/723,475。
2010年1月12日提交的、名称为“非平面成像阵列的方法和应用”的美国专利申请序列号12/686,076。
2009年12月11日提交的、名称为“使用用于医疗应用的可拉伸或柔性电子器件的系统、方法和装置(Systems,Methods,andDevicesUsingStretchableorFlexibleElectronicsforMedicalApplications)”的美国专利申请序列号12/636,071。
2012年3月15日公布的、并且名称为“用于经由适形电子器件测量仪器、工具和部件的技术参数的方法和设备(METHODSANDAPPARATUSFORMEASURINGTECHNICALPARAMETERSOFEQUIPMENT,TOOLSANDCOMPONENTSVIACONFORMALELECTRONICS)”的美国专利申请书公布号2012-0065937-Al。
2009年11月12日提交的、名称为“极端可拉伸电子器件”的美国专利申请序列号12/616,922。
2009年10月7日提交的、名称为“具有可拉伸集成电路和传感器阵列的导管气囊”的美国专利申请序列号12/575,008。
2011年12月23日提交的、名称为“用于感测和递送治疗的具有可拉伸集成电路的系统、方法和装置(Systems,Methods,andDevicesHavingStretchableIntegratedCircuitryforSensingandDeliveringTherapy)”的美国专利申请序列号13/336,518。
应当理解，上述概念和以下更加详细描述的另外概念的所有组合(其条件是此类概念不是互相矛盾的)被作为在此披露的发明主体的部分来考虑。还应当理解，在此明确采用的还可能出现在通过引用而结合的任何披露中的术语应当符合与在此披露的特定概念最一致的意义。
附图说明
熟练的业内人士将理解，在此描述的附图仅是出于说明目的，并且图示不旨在以任何方式限制所披露传授内容的范围。在一些情况下，不同方面或特征可以被夸大或放大地示出，以便促进理解在此披露的发明概念(附图不一定按比例，反而重点应当放在示出传授内容的原理上)。在附图中，类似参考符号在不同图中总体上是指类似特征、功能相似和/或结构相似的元件。
图1A和1B示出根据在此描述的原理的示例性适形电子系统的顶视图和截面侧视图。
图2A和2B示出根据在此描述的原理的示例性适形电子系统的顶视图和截面侧视图。
图3A示出根据在此描述的原理的包括应变隔离结构的示例性设备。
图3B示出根据在此描述的原理的图3A的示例性设备的有限元分析的示例性结果。
图4示出根据在此描述的原理的在示例性设备中的示例性应变分布的绘图。
图5A-5B示出根据在此描述的原理的示例性设备的顶侧视图和截面侧视图。
图6A-6B示出根据在此描述的原理的另一个示例性设备的顶侧视图和截面侧视图。
图7A-7B示出根据在此描述的原理的其他示例性设备的截面侧视图。
图8A-8B示出根据在此描述的原理的其他示例性设备的截面侧视图。
图9A示出根据在此描述的原理的具有大致多边形棱柱外形的缓冲结构的实例
图9B-9C示出根据在此描述的原理的具有不规则结构的缓冲结构的实例。
图10示出根据在此描述的原理的另一个示例性设备的顶视图。
图11A示出根据在此描述的原理的另一个示例性设备的截面侧视图。
图11B示出根据在此描述的原理的示例性设备的示例性计算中的部件的有限元模型近似。
图12A和12B示出根据在此描述的原理的图11B的有限元计算的示例性结果。
图13示出根据在此描述的原理的针对图12A和12B的示例性计算的冯·米塞斯应变和第一主应变对比相对伸长率的绘图。
具体实施方式
以下是涉及用于将变薄芯片嵌入在柔性聚合物中的设备和方法的不同概念及其实施例的更详细说明。应当理解，由于所披露的概念不限于任何特定的实现方式，以上介绍的和以下更详细描述的不同概念可以按众多方式中的任一种来实现。主要出于说明性目的而提供具体实施方式和应用的实例。
在此使用的术语“包括”意思是包括但不限于，术语“包括了”意思是包括了但不限于。术语“基于”意思是至少部分地基于。在此使用的术语“被布置在……上”或“被布置在……上方”被限定为涵盖“至少部分地被嵌入在……中”。
关于结合在此的原理的不同实例而在此描述的衬底或其他表面，对“顶部”表面和“底部”表面的任何提及主要用于指示不同元件/部件相对于衬底和彼此的相对位置、对准和/或取向，并且这些术语不一定指示任何特定的参考系(例如，重力参考系)。因此，对衬底或层的“底部”的提及不一定要求所指示的表面或层应当面向地面。相似地，术语、如“上方”、“下方”、“上面”、“下面”等不一定指示任何特定的参考系、如重力参考系，而宁可说是主要用于指示不同元件/部件相对于衬底(或其他表面)和彼此的相对位置、对准和/或取向。术术语“被布置在……上”、“被布置在……中”以及“被布置在……上方”涵盖“被嵌入在……中”、包括“部分地被嵌入在……中”的意思。此外，对特征A“被布置在特征B上”、“被布置在特征B之间”、或“被布置在特征B上方”的提及涵盖其中特征A与特征B接触的实例，以及其中其他层和/或其他部件被定位在特征A与特征B之间的实例。
在此描述的系统、设备和方法在适形电子系统中提供应变隔离。为来创造有效的、紧凑的且耐用的系统，在此描述可以用于减少应变的缓冲结构，当适形电子系统承受拉伸和扭转时，该应变可以被施加在位于可拉伸和/或柔性互连件或柔性互连件与装置岛之间的接合区域附近。根据在此描述的原理的缓冲结构由具有弹性的材料组成，该材料可以有效地再分配作用在位于装置结构中的可拉伸和/或柔性互连件与刚性装置岛之间的接合区域上的应变。例如，应变隔离结构可以用于形成局部刚性梯度，从而有效地将应变再分配远离位于可拉伸和/或柔性互连件与刚性装置岛之间的接合区域。
在根据在此描述的原理的示例性系统、设备和方法中，缓冲结构可以用于促进减小接合区域处的应力或应变集中，该接合区域即从较刚性部件(如但不限于装置岛)到较顺性部件(如但不限于可拉伸和/或柔性互连件)的过渡区域。
在根据在此描述的原理的示例性系统、设备和方法中，缓冲结构可以具有最小化集成电路(IC)芯片的锐利边缘处或附近的应力或应变集中的弯曲外形。例如，应变消除结构可以按圆盘外形、隆凸外形、或其他封闭曲线外形来形成。
示例性缓冲结构可以被布置在位于更刚性部件(如但不限于装置岛)与更顺性部件(如但不限于可拉伸和/或柔性互连件)之间的接合区域上面和/或下面。缓冲结构的尺寸被构造成使得缓冲结构的至少一部分与装置部件重叠，并且缓冲结构的至少一部分与位于装置部件与顺性部件之间的接合区域重叠。
在实例中，装置部件可以被布置在柔性基础上或其中，该柔性基础是由具有弹性的材料形成。在这个实例中，缓冲结构的至少一部分与装置部件重叠，并且缓冲结构的至少一部分与位于装置部件与顺性部件之间的接合区域重叠。
根据在此描述的原理的示例性系统、设备和方法可以提供复杂装置集成的平台，并且可以应用于许多不同种类的可拉伸电子装置。
在此描述的示例性系统、设备和方法包括至少一个应变消除结构，该至少一个应变消除结构独立于芯片几何结构、与常规半导体工艺兼容、并且提供易制造性。
图1A和1B示出在此描述的示例性系统、设备和方法可以被应用于的适形电子系统100的顶视图和截面侧视图。示例性适形电子系统100包括封装在封装物106中的装置部件102和顺性部件104。顺性部件104在接合区域108处与装置部件102处于电联通。在实例中，顺性部件104可以是可拉伸和/或柔性互连件。封装物106可以是具有弹性的任何材料，包括聚合物或其他聚合物材料。在使用中，示例性适形电子系统100可以承受拉伸力、扭转力或其他力。如图1A所示，这些力可作用以便引起系统沿纵向方向(例如，沿图中所示的力线)拉伸或伸长。这些作用力可以引起一定量的应力或应变被施加在接合区域108处。在接合区域108处的应力或应变可以在接合区域108处造成一定数的结构破坏，包括顺性部件104或接合区域108中的龟裂形成或其破裂。
图2A和2B示出包括封装在封装物106中的装置部件102和顺性部件104的适形电子系统150的顶视图或截面侧视图。顺性部件104在接合区域108处与装置部件102处于电联通。装置部件102被布置在柔性基础110中，或至少部分地被嵌入在其中。顺性部件104可以是可拉伸和/或柔性互连件。封装物106可以是具有弹性的任何材料，包括聚合物或其他聚合物材料。在使用中，示例性适形电子系统100可以承受拉伸力、扭转力或其他力。柔性基础110是用于给装置部件102提供缓冲。如结合图3A、3B和4更详细描述的，这些拉伸力或伸长力可以在接合区域附近引起一定数的应力或应变。
图3A示出包括被布置在柔性基础110中、封装在封装物106中的装置部件102的示例性结构的顶视图。图3B示出示例性结构在其承受拉伸力或其他伸长力时的有限元分析结果。表1示出图3A的这个示例性结构的组分的材料特性，这些组分包括可以是装置部件110的成分的硅、可以用于形成柔性基础102的聚酰亚胺以及可以用作封装物106的硅酮。图4示出封装物中和柔性基础中在邻近装置部件与顺性部件之间的接合区域的区域中的应变分布(作为冯·米塞斯应变计算)的绘图。
图5A和5B示出包括缓冲结构以便提供应变隔离的示例性设备500的顶视图和截面侧视图。示例性设备500包括封装在封装物506中的装置部件502和顺性部件504。顺性部件504在接合区域508处与装置部件502处于电联通。顺性部件504可以是可拉伸和/或柔性互连件。图5A和图5B的示例性设备包括缓冲结构509，该缓冲结构邻近接合区域508被布置并且还被封装在封装物506中。如图5B所示，缓冲结构509与接合区域508的至少一部分重叠。缓冲结构509由与封装物506的材料相比具有更低弹性柔性的材料组成。作为非限制性实例，缓冲结构509与封装物506相比具有更高杨氏模量值。尽管图5A和5B的实例示出在示例性设备500中邻近并且大致低于接合区域508被布置的缓冲结构509，但也在此考虑了缓冲结构509可以在示例性设备500中邻近并且大致高于接合区域508被布置。
在在此披露的任何示例性系统、设备和方法中，缓冲结构可以被布置在柔性基础(包括弹性体衬底)的表面上，包括至少部分地被嵌入在柔性基础(包括弹性体衬底)中。
图6A和6B示出包括缓冲结构以便提供应变隔离的另一个示例性设备550的顶视图和截面侧视图。示例性设备550包括封装在封装物506中的装置部件502和顺性部件504。顺性部件504在接合区域508处与装置部件502处于电联通。顺性部件504可以是可拉伸和/或柔性互连件。图5A和图5B的示例性设备包括缓冲结构511，该缓冲结构邻近接合区域508被布置并且也被封装在封装物506中。不同于被示出用于图5A和5B的实例的实心缓冲结构509，图6A和6B的缓冲结构511被形成为具有大致空心的部分。如图5B所示，缓冲结构511与接合区域508的至少一部分重叠。缓冲结构509由与封装物506的材料相比具有更低弹性柔性的材料组成。作为非限制性实例，缓冲结构509与封装物506相比具有更高杨氏模量值。
在实例中，缓冲结构511的空心部分的内尺寸可以被定位成与邻近接合区域508的装置部件的部分重叠，并且缓冲结构511的外尺寸可以被定位成与接合区域508重叠。
在实例中，缓冲结构511可以被形成为环状结构。在这个实例中，环状缓冲结构的内径可以被定位成与柔性基础的部分重叠，并且其中环状缓冲结构的外径被定位成与接合区域重叠。
图7A示出包括缓冲结构以便提供应变隔离的另一个示例性设备700的截面侧视图。示例性设备700包括封装在封装物706中的装置部件702和顺性部件704。顺性部件704在接合区域708处与装置部件702处于电联通。顺性部件704可以是可拉伸和/或柔性互连件。装置部件702被布置在柔性基础710上，或至少部分地被嵌入在其中。图7A的示例性设备包括缓冲结构711，该缓冲结构与柔性基础710的至少一部分重叠并且也由封装物706封装。封装物706可以是具有弹性的任何材料，包括聚合物或其他聚合物材料。柔性基础710是由与封装物材料相比具有更高杨氏模量值的材料形成。缓冲结构711是由与封装物材料相比具有更高杨氏模量值的材料形成。
图7B示出包括两个缓冲结构以便提供应变隔离的另一个示例性设备750的截面侧视图。图7B的实例包括以上结合图7A描述的相同类型的材料和组分。以上结合图7A的示例性设备700的描述适用于图7B的示例性设备750。图7B的示例性设备750包括在装置部件702和柔性基础710的任一侧上大致彼此相对地被布置的两个缓冲结构711-a和711-b。在图7B的实例中，缓冲结构711-a的中心点与缓冲结构711-b的中心点近似重合。在其他实例中，两个缓冲结构711-a和711-b可以在封装物706中相对于彼此被移位成使得缓冲结构711-a的中心点不与缓冲结构711-b的中心点重合，其中缓冲结构711-a和/或缓冲结构711-b与柔性基础710的至少一部分重叠。
在图7A和7B的示例性设备中，缓冲结构711或缓冲结构711-a和711-b可以被形成为环状缓冲结构。在这些实例中，该环状缓冲结构的内径可以被定位成与柔性基础710的部分重叠。在另一个实例中，该环状缓冲结构的外径可以被定位在接合区域708的一部分上方。
图8A示出包括缓冲结构以便提供应变隔离的另一个示例性设备800的截面侧视图。示例性设备800包括被封装在封装物806中的装置部件802和顺性部件804，该封装物是由具有弹性的任何材料形成，包括聚合物或其他聚合物材料。顺性部件804在接合区域808处与装置部件802处于电联通。顺性部件804可以是可拉伸和/或柔性互连件。装置部件802被布置在柔性基础810上，或至少部分地被嵌入在其中。在图8A的示例性设备中，缓冲结构811被形成为大致实心结构，该大致实心结构与柔性基础810的至少一部分重叠并且也由封装物806封装。柔性基础810是由与封装物材料相比具有更高杨氏模量值的材料形成。缓冲结构811是由与封装物806的材料相比具有更高杨氏模量值的材料形成。
图8B示出包括两个缓冲结构811-a和811-b的另一个示例性设备850的截面侧视图。图8B的实例包括以上结合图8A描述的相同类型的材料和组分。以上结合图8A的示例性设备800的描述适用于图8B的示例性设备850。在图8B的实例中，两个缓冲结构811-a和811-b在装置部件802和柔性基础810的任一侧上大致彼此相对地被布置。在其他实例中，两个缓冲结构811-a和811-b可以在封装物806中相对于彼此被移位，其中缓冲结构811-a和/或缓冲结构811-b与柔性基础810的至少一部分重叠。
在根据在此描述的原理的任何示例性设备中，缓冲结构、包括缓冲结构511、711、711-a、711-b、811、811-a和811-b中的任何一个或多个可以被形成为具有大致圆柱形外形或具有大致多边形棱柱外形。图9A示出具有大致多边形棱柱外形的缓冲结构的实例，如实心缓冲结构900抑或如包括中空部分920的缓冲结构910。尽管图9A的实例被示出为具有六角对称性，缓冲结构、包括缓冲结构511、711、711-a、711-b、811、811-a和811-b中的任何一个或多个可以被形成为具有六角对称性或任何其他多边形对称性或不规则结构。
在根据在此描述的原理的任何示例性设备中，缓冲结构、包括缓冲结构511、711、711-a、711-b、811、811-a和811-b中的任何一个或多个可以被形成为具有不规则结构。如图9B和9C所示，具有不规则结构的缓冲结构可以包括至少一个突出部分，根据在此考虑的实例中的任一个的原理，该至少一个突出部分与柔性衬底的一部分、接合区域、和/或顺性部件的一部分重叠。。
图9B示出包括缓冲结构以便提供应变隔离的另一个示例性设备的顶视图。示例性设备包括被封装在封装物956中的装置部件952和顺性部件954，封装物是由具有弹性的任何材料形成，包括聚合物或其他聚合物材料。顺性部件954在接合区域958处与装置部件802处于电联通。顺性部件954可以是可拉伸和/或柔性互连件。装置部件952被布置在柔性基础960上，或至少部分地被嵌入在其中。在图9B的示例性设备中，缓冲结构961也由封装物956封装，并且被形成为包括突出部分961-a的不规则结构。缓冲结构961可以在示例性设备中被布置成使得突出部分961-a与装置部件952的至少一部分、与接合区域958和/或与柔性基础960重叠。如图9B所示，缓冲结构961还可以被布置成使得突出部分961-a与顺性部件954的至少一部分重叠。柔性基础960是由与封装物956材料相比具有更高杨氏模量值的材料形成。缓冲结构961、包括突出部分961-a是由与封装物956的材料相比具有更高杨氏模量值的材料形成。
图9C示出包括缓冲结构以便提供应变隔离的另一个示例性设备的顶视图。示例性设备包括被封装在封装物986中的装置部件982和顺性部件984，该封装物是由具有弹性的任何材料形成，包括聚合物或其他聚合物材料。顺性部件984在接合区域988处与装置部件802处于电联通。顺性部件984可以是可拉伸和/或柔性互连件。装置部件982被布置在柔性基础990上，或至少部分地被嵌入在其中。在图9B的示例性设备中，缓冲结构991也由封装物986封装，并且被形成为包括两个突出部分991-a和991-b的不规则结构。缓冲结构991可以在示例性设备中被布置成使得突出部分991-a和991-b与装置部件982的至少一部分、与接合区域988和/或与柔性基础990重叠。如图9B所示，缓冲结构991还可以被布置呈使得突出部分991-a和991-b与顺性部件984的至少一部分重叠，并且可以沿顺性部件984的至少一部分的侧部被布置。柔性基础990是由与封装物986材料相比具有更高杨氏模量值的材料形成。缓冲结构991、包括突出部分991-a和991-b是由与封装物986的材料相比具有更高杨氏模量值的材料形成。
在此描述的任何示例性设备可以被形成为包括装置部件和顺性部件的多层安排的多层设备。在这个实例中，多层设备可以包括至少一个缓冲结构，根据在此描述的实例中的任一个的原理，该至少一个缓冲结构相对于位于至少一个装置部件与至少一个顺性结构之间的接合区域被布置。在多层设备包括被布置在柔性基础上或至少部分地被嵌入在其中的装置部件的情况下，该多层设备可以包括至少一个缓冲结构，根据在此描述的实例中的任一个的原理，该至少一个缓冲结构相对于位于至少一个装置部件与至少一个顺性结构之间的接合区域被布置。在不同实例中，多层设备可以包括两个、三个、四个或更多个缓冲结构，根据在此描述的实例中的任一个的原理，其中的每个缓冲结构在示例性多层设备中相对于装置部件、接合区域、柔性衬底、可拉伸和/或柔性互连件被布置。在包括两个或更多个缓冲结构的实例中的任一个中，这些缓冲结构中的至少两个可以相对于彼此被布置成使得第一缓冲结构的中心点与第二缓冲结构的中心点近似重合，或这些缓冲结构中的至少两个可以相对于彼此被布置成使得第一缓冲结构的中心点相对于第二缓冲结构的中心点被移位。
在另一个实例中，在此描述的缓冲结构可以在包括多个互连件的示例性设备中被布置在装置部件之间。图10示出包括两个缓冲结构的示例性设备1000的顶视图。示例性设备1000包括两个装置部件(装置部件1002-a和装置部件1002-b)。示例性设备1000包括各自被形成为可拉伸和/或柔性互连件的顺性部件1004-a和1004-b以及顺性部件1005-a和1005-b。如图10所示，顺性部件中的一些(如顺性部件1004-a和1004-b)可以在接合区域(如接合区域1008-a)处在装置部件之间提供电联通。其他顺性部件(如顺性部件1005-a和1005-b)可以在接合区域(如接合区域1008-b)处在装置部件与外部装置(如装置1018)之间提供电联通。也如图10所示，装置部件中的至少一个(装置部件1002-a和/或装置部件1002-b)可以被布置在柔性基础(如柔性基础1010-a或柔性基础1010-b)上，或至少部分地被嵌入在其中。示例性设备1000可以被封装在封装物1006中，该封装物是由具有弹性的任何材料形成，包括聚合物或其他聚合物材料。图10的示例性设备还包括缓冲结构1011-a和1011-b，其中的每个缓冲结构也由封装物1006封装。缓冲结构1011-a和1011-b可以在示例性设备1000中被布置成使得它与装置部件(装置部件1002-a和装置部件1002-b)的至少一部分、与接合区域(接合区域1008-a或接合区域1008-b)、与柔性基础(柔性基础1010-a或柔性基础1010-b)的至少一部分、和/或与顺性部件(顺性部件1004-a、1004-b、1005-a或1005-b)的至少一部分重叠。柔性基础1010-a或1010-b可以是由与封装物1006的材料相比具有更高杨氏模量值的材料形成。缓冲结构1011-a或1011-b可以是由与封装物1006的材料相比具有更高杨氏模量值的材料形成。
在根据在此描述的原理的示例性设备中的任一个中，可拉伸和/或柔性互连件可以是由导电材料形成。在在此描述的实例中的任一个中，导电材料可以是但不限于金属、合金、导电聚合物、或其他导电材料。在实例中，涂层的金属或合金可以包括但不限于：铝、不锈钢或过渡金属(包括铜、银、金、铂、锌、镍、钛、铬、或钯、或其任何组合)，以及任何可应用的合金、包括具有碳的合金。在其他非限制性实例中，适合的导电材料可以包括基于半导体的导电材料，包括基于硅的导电材料、铟锡氧化物、或其他透明导电氧化物、或族III-IV导体(包括GaAs)。基于半导体的导电材料可以是掺杂的。
在根据在此描述的原理的示例性设备的任一个中，相交结构、柔性基础和/或封装物可以是由具有弹性、服从所描述的每个设备所要求的弹性关系的任何材料形成。例如，相交结构、柔性基础、和/或封装物可以是由聚合物或聚合物材料形成。可应用的聚合物或聚合物材料的非限制性实例包括但不限于聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、硅酮或聚氨酯。可应用的聚合物或聚合物材料的其他非限制性实例包括塑料、弹性体、热塑性弹性体、弹性塑料、恒温材料、热塑性塑料、丙烯酸酯、缩醛缩聚物、可生物降解的聚合物、纤维素聚合物、含氟聚合物、尼龙、聚丙烯腈聚合物、聚酰胺酰亚胺聚合物、聚芳酯、聚苯并咪唑、聚丁烯、聚碳酸酯、聚酯、聚醚酰亚胺、聚乙烯、聚乙烯共聚物、和改性聚乙烯、聚酮、聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚甲基戊烯、聚苯醚和聚苯硫醚、聚邻苯二甲酰胺、聚丙烯、聚氨酯、苯乙烯树脂、砜基树脂、乙烯基树脂、或这些材料的任何组合。在实例中，在此的聚合物或聚合物材料可以是UV可固化聚合物，或硅酮、如但不限于(BASF，弗洛勒姆帕克(FlorhamPark)，NJ)。
在不同实例中，柔性基础和缓冲结构可以是由相同聚合物或聚合物材料形成，或是由不同聚合物或聚合物材料形成。在实例中，封装物可以是硅酮，如但不限于(BASF，弗洛勒姆帕克，NJ)。
对于在生物医学装置中的应用，封装物应当是生物相容的。可拉伸和/或柔性互连件可以被嵌入在也充当机械增强材料的聚酰亚胺中。
在此描述的示例性结构中的任一个中，可拉伸和/或柔性互连件可以具有约0.1μm、约0.3μm、约0.5μm、约0.8μm、约1μm、约1.5μm、约2μm或更大的厚度。缓冲结构和/或柔性基础可以具有约5μm、约7.5μm、约9μm、约12μm或更大的厚度。在此的任何实例中，封装物可以具有约100μm、约125μm、约150μm、约175μm、约200μm、约225μm、约250μm、约300μm或更大的厚度。
图11A示出包括两个缓冲结构的示例性设备1100的截面侧视图，示例性设备被用作执行有限元分析(结合图11B描述)的模型。图11A的实例包括被布置在柔性基础1110中或至少部分地被嵌入在其中的装置部件1102、在装置部件1102和柔性基础1110的任一侧上大致彼此相对地被布置的缓冲结构1111-a和1111-b，装置部件和缓冲结构都被封装在封装物1106中。图11A的实例包括以上结合先前示例性设备中的任一个的等效部件描述的相同类型的材料和组分。
图11B示出封装物1156、柔性基础1160、缓冲结构1161以及装置部件1152的有限元模型近似。在这个实例中，柔性基础和缓冲结构被近似为由聚酰亚胺组成。封装物被近似为由硅酮组成。装置部件被近似为由硅基装置组成。
图12A和12B示出有限元计算的示例性结果。图12A示出正在承受拉伸力或伸长力的图11A的示例性设备1100的有限元计算的示例性结果。图12B示出类似于图11A的示例性设备的有限元计算的示例性结果，该示例性设备不包括缓冲结构1111-a和1111-b、也正在承受拉伸力或伸长力。图12B显示：在缺乏缓冲结构的情况下，封装物中具有较高应变集中的区域1260与装置部件1250的边缘重合，尽管装置部件1250被布置在柔性基础中。在装置部件与顺性结构之间的电联通的区域可能邻近这个边缘被布置。接合如图12B所示的这种应变集中可能在拉伸或伸长过程中对接合区域造成破坏，包括潜在地导致接合区域的破裂。此外，在边缘处的这种应变集中可以在边缘附近造成装置部件与柔性基础之间的界面分层。相比之下，图12A显示：缓冲结构1210引起封装物中具有较高应变集中的区域1220从装置部件1200或柔性基础的边缘转移，以便反而集中在外区域中。其结果是，可能在设备的接合区域处产生的应变被疏导离开那个区域。如图12B所示的这种应变分布可能在拉伸或伸长过程中降低对接合区域造成破坏的风险或阻止对接合区域造成破坏，从而维持设备的性能。此外，在边缘附近在装置部件与柔性基础之间存在较小的界面分层的风险。在实例中，图12A中的缓冲结构可以被延伸至高应变集中区域的边缘。
图13示出针对图12A和12B的计算的冯·米塞斯应变和第一主应变对比相对伸长率的绘图。具体地，图13显示：不具有缓冲物的设备中的冯·米塞斯应变和第一主应变的值高于包括缓冲结构的设备。
在此描述的示例性设备可以使用本领域中的任何技术来制作。例如，可拉伸和/或柔性互连件的导电材料可以使用蒸镀、溅射、或其他沉积技术来制作，并且随后根据所希望的外形来图案化。柔性基础、缓冲结构和/或封装物可以使用例如旋涂或浇铸并且使用掩模或模具来限定部件的所希望形状来形成。
尽管已经在此描述并示出不同发明实施例，但本领域普通技术人员将容易想象用于执行功能和/或获得结果和/或在此描述的优点中的一个或多个的多种其他装置和/或结构，并且此类变型和/或修改中的每一个被视为是在在此描述的发明实施例的范围内。更一般地说，本领域的技术人员将容易理解，在此描述的所有参数、尺寸、材料以及构型意味着为实例，并且实际参数、尺寸、材料和/或构型将取决于发明传授内容所用于的一种或多种具体应用。本领域的技术人员仅仅使用常规实验将认识到或能够确认在此描述的具体发明实施例的许多等效物。因此，应当理解，前述实施例仅通过举例来呈现，并且发明实施例可以与具体描述不同地来实践。本披露的发明实施例涉及在此描述的每个单独特征、系统、物品、材料、套件和/或方法。此外，如果此类特征、系统、物品、材料、套件和/或方法并不相互矛盾，两个或更多个此类特征、系统、物品、材料、套件和/或方法的任何组合包括在本披露的发明范围内。
以上描述的本发明的实施例可以按众多方式中的任一种来实施。例如，一些实施例可以使用硬件、软件或其组合来实施。当实施例的任何方面至少部分地在软件中被实施时，可以在任何适合的处理器或处理器集合上执行软件代码，无论是设置在单个装置或计算机中还是分布在多个装置/计算机之间。
另外，在此描述的技术可以被体现为一种方法，已经提供了该方法的至少一个实例。作为方法的部分被执行的动作可以按任何适合的方式来排序。因此，可以构建以下实施例，其中动作以不同于所示顺序来执行，这可以包括同时执行一些动作，尽管在说明性实施例中被示出为依序动作。
在此限定并使用的所有定义应当被理解成凌驾于所限定术语的字典定义、通过引用而结合的文件中的定义、和/或一般含义。
除非相反地清楚指示，在此在说明书中使用的不定冠词“一”和“一个”应当被理解成意味着“至少一个。”
在此在说明书中使用的短语“和/或”应当被理解成意味着这样结合的元件中的“任一者或两者”，即在一些情况下结合地存在并且在其他情况下分离地存在的元件。与“和/或”一起列出的多个元件应当以相同的方式来解释，即这样结合的元件中的“一个或多个”。除了由“和/或”从句具体识别的元件，其他元件可以任选地存在，无论是与具体识别的那些元件相关还是不相关。因此，作为非限制性实例，当结合开放式语言如“包括”使用时，对“A和/或B”的提及可以在一个实施例中仅指A(任选地包括除了B的元件)；在另一个实施例中，仅指B(任选地包括除了A的元件)；在又另一个实施例中，指A和B(任选地包括其他元件)；等。
在此在说明书中使用的“或”应当被理解成具有与以上限定的“和/或”相同的含义。例如，当分离列表中的项目时，“或”或“和/或”应当被解释成包括在内的，即包括一些或一列元件中的至少一个，但也包括一些或一列元件中的多于一个，并且任选地包括另外的未列入列表的项目。仅相反地清楚指示的术语，如“……中的仅一个”或“……中的恰好一个”或“由……组成”将是指包括恰好包括一些或一列元件中的一个元件。一般来说，当之前有排他性术语、如“任一个”、“……之一”、“……中的仅一个”、或“……中的恰好一个”时，在此使用的术语“或”应当仅被解释为指示排他性替代项(即“一个或另一个但非两者”)。
在此在说明书中使用的关于一列一个或多个元件的短语“至少一个”应当被理解成意味着选自该列元件中的这些元件中的任何一个或多个的至少一个元件，而不必包括该列元件内具体列出的每一个元件中的至少一个，并且不排除该列元件中的元件的任何组合。除了短语“至少一个”所指的该列元件内具体识别的元件，这个定义还允许元件可以任选地存在，无论是与具体识别的那些元件相关还是不相关。因此，作为非限制性实例，“A和B中的至少一个”(或等效地，“A或B中的至少一个”，或等效地“A和/或B中的至少一个”)，在一个实施例中可以是指至少一个、任选地包括多于一个A，而不存在B(并且任选地包括除了B的元件)；在另一个实施例中，可以是指至少一个、任选地包括多于一个B，而不存在A(并且任选地包括除了A的元件)；在又另一个实施例中，可以是指至少一个、任选地包括多于一个A，以及至少一个、任选地包括多于一个B(并且任选地包括其他元件)；等。

Claims (44)

1.一种设备，包括：
装置部件；
与所述装置部件处于电联通的至少一个可拉伸和/或柔性导电互连件，所述至少一个可拉伸和/或柔性导电互连件在接合区域处与所述装置部件形成所述电联通；
缓冲结构；以及
至少封装所述装置部件和所述接合区域的封装物，其中：
所述缓冲结构与所述接合区域的至少一部分重叠；并且
所述缓冲结构与所述封装物相比具有更高杨氏模量值。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述缓冲结构是具有内径和外径的环状缓冲结构。
3.如权利要求2所述的设备，其中所述环状缓冲结构的所述内径被定位在所述装置部件邻近所述接合区域的部分上方，并且其中所述环状缓冲结构的所述外径被定位在所述接合区域上方。
4.如权利要求3所述的设备，其中所述装置部件被布置在柔性基础中，或至少部分地被嵌入在其中。
5.如权利要求4所述的设备，其中所述环状缓冲结构的所述内径被定位在所述柔性基础上方，并且其中所述环状缓冲结构的所述外径被定位在所述接合区域上方。
6.如权利要求1所述的设备，其中所述缓冲结构是具有外边缘的圆柱形缓冲结构。
7.如权利要求6所述的设备，其中所述圆柱形缓冲结构在所述装置部件上方被布置成使得所述圆柱形缓冲结构的所述外边缘被定位在所述接合区域上方。
8.如权利要求1所述的设备，其中所述缓冲结构包括至少一个突出部分，所述至少一个突出部分在所述至少一个可拉伸和/或柔性导电互连件邻近所述接合区域的部分上方延伸。
9.如权利要求1所述的设备，其中所述缓冲结构包括至少一个突出部分，所述至少一个突出部分延伸至所述至少一个可拉伸和/或柔性导电互连件邻近所述接合区域的部分的侧部。
10.如权利要求1所述的设备，其中所述至少一个可拉伸和/或柔性导电互连件被嵌入在聚合物中，并且其中所述封装物封装所述聚合物。
11.如权利要求10所述的设备，其中所述聚合物是聚酰亚胺。
12.如权利要求1所述的设备，其中所述缓冲结构是由聚合物形成。
13.如权利要求12所述的设备，其中所述聚合物是聚酰亚胺。
14.如权利要求1所述的设备，其中所述至少一个可拉伸和/或柔性导电互连件包含金、铜、铝、不锈钢、银、掺杂半导体、导电聚合物或其任何组合。
15.如权利要求1所述的设备，其中所述封装物是弹性体。
16.如权利要求1所述的设备，其中所述装置部件被布置在柔性基础上。
17.一种设备，包括：
装置部件；
与所述装置部件处于电联通的至少一个可拉伸和/或柔性导电互连件，所述至少一个可拉伸和/或柔性导电互连件在接合区域处与所述装置部件形成所述电联通；
被布置在所述装置部件上方的第一缓冲结构；
被布置在所述装置部件下方的第二缓冲结构；以及
至少封装所述装置部件和所述接合区域的封装物，其中：
所述第一缓冲结构和所述第二缓冲结构与所述接合区域的至少一部分重叠；并且
所述第一缓冲结构和所述第二缓冲结构与所述封装物相比具有更高杨氏模量值。
18.如权利要求17所述的设备，其中所述第一缓冲结构或所述第二缓冲结构是具有内径和外径的环状缓冲结构。
19.如权利要求18所述的设备，其中所述环状缓冲结构的所述内径与所述装置部件邻近所述接合区域的部分重叠，并且其中所述环状缓冲结构的所述外径与所述接合区域重叠。
20.如权利要求18所述的设备，其中所述装置部件被布置在柔性基础中，或至少部分地被嵌入在其中。
21.如权利要求20所述的设备，其中所述环状缓冲结构的所述内径与所述柔性基础重叠，并且其中所述环状缓冲结构的所述外径被定位在所述接合区域上方。
22.如权利要求17所述的设备，其中所述第一缓冲结构或所述第二缓冲结构是具有外边缘的圆柱形缓冲结构。
23.如权利要求22所述的设备，其中所述圆柱形缓冲结构与所述装置部件重叠，这样使得所述圆柱形缓冲结构的所述外边缘与所述接合区域重叠。
24.如权利要求17所述的设备，其中所述第一缓冲结构或所述第二缓冲结构包括至少一个突出部分，所述至少一个突出部分在所述至少一个可拉伸和/或柔性导电互连件邻近所述接合区域的部分上方延伸。
25.如权利要求17所述的设备，其中所述第一缓冲结构或所述第二缓冲结构包括至少一个突出部分，所述至少一个突出部分延伸至所述至少一个可拉伸和/或柔性导电互连件邻近所述接合区域的部分的侧部。
26.如权利要求17所述的设备，其中所述至少一个可拉伸和/或柔性导电互连件被嵌入在聚合物中，并且其中所述封装物封装所述聚合物。
27.如权利要求17所述的设备，其中所述第一缓冲结构或所述第二缓冲结构是由聚合物形成。
28.如权利要求27所述的设备，其中所述聚合物是聚酰亚胺。
29.如权利要求17所述的设备，其中所述至少一个可拉伸和/或柔性导电互连件包含金、铜、铝、不锈钢、银、掺杂半导体、导电聚合物或其任何组合。
30.如权利要求17所述的设备，其中所述封装物是弹性体。
31.如权利要求17所述的设备，进一步包括邻近所述装置部件的第三缓冲结构；其中所述第三缓冲结构与所述封装物相比具有更高杨氏模量值。
32.如权利要求17所述的设备，其中所述第二缓冲结构在所述装置部件下方被布置成使得所述第二缓冲结构与所述第二缓冲结构同心。
33.如权利要求17所述的设备，其中所述第二缓冲结构在所述装置部件下方被布置成使得所述第二缓冲结构的中心轴线不与所述第二缓冲结构的中心轴线重合。
34.一种设备，包括：
装置部件；
柔性基础，所述装置部件被布置在所述柔性基础上，或至少部分地被嵌入在其中；
与所述装置部件处于电联通的至少一个可拉伸和/或柔性导电互连件，所述至少一个可拉伸和/或柔性导电互连件在接合区域处与所述装置部件形成所述电联通；
缓冲结构；以及
至少封装所述装置部件和所述接合区域的封装物，其中：
所述缓冲结构与所述柔性基础的至少一部分重叠；
所述柔性基础与所述封装物相比具有更高杨氏模量值；并且
所述缓冲结构与所述封装物相比具有更高杨氏模量值。
35.如权利要求34所述的设备，其中所述缓冲结构是具有内径和外径的环状缓冲结构。
36.如权利要求35所述的设备，其中所述环状缓冲结构的所述内径被定位在所述柔性基础的部分上方，并且其中所述环状缓冲结构的所述外径被定位在所述至少一个可拉伸和/或柔性导电互连件的部分上方。
37.如权利要求34所述的设备，其中所述缓冲结构是具有外边缘的圆柱形缓冲结构。
38.如权利要求37所述的设备，其中所述圆柱形缓冲结构在所述柔性基础上方被布置成使得所述圆柱形缓冲结构的所述外边缘被定位在所述至少一个可拉伸和/或柔性导电互连件上方。
39.如权利要求34所述的设备，其中所述缓冲结构包括至少一个突出部分，所述至少一个突出部分在所述至少一个可拉伸和/或柔性导电互连件邻近所述柔性基础的边缘的部分上方延伸。
40.如权利要求34所述的设备，其中所述缓冲结构包括至少一个突出部分，所述至少一个突出部分延伸至所述至少一个可拉伸和/或柔性导电互连件邻近所述柔性基础的边缘的部分的侧部。
41.如权利要求40所述的设备，其中所述缓冲结构是由聚合物形成。
42.如权利要求41所述的设备，其中所述聚合物是聚酰亚胺。
43.如权利要求34所述的设备，其中所述至少一个可拉伸和/或柔性导电互连件包含金、铜、铝、不锈钢、银、掺杂半导体、导电聚合物或其任何组合。
44.如权利要求34所述的设备，其中所述封装物是弹性体。
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