CN108520796B - 基底、柔性电子部件及柔性电子部件的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于柔性电子器件的基底、柔性电子部件及柔性电子部件的制造方法。所述基底由可拉伸的柔性材料制成并且用于载置导线，所述基底具有表面以及设置在所述表面上的多个凸台，所述多个凸台沿第一方向排列，并且每两个在所述第一方向上相邻的所述凸台之间均设有凹部，在所述基底载置所述导线的状态下，所述导线附着于所述凸台，所述导线的在两个相邻的所述凸台之间延伸的部分与所述凹部的底面不接触。利用本发明，能够在保证互连线的安全的情况下提高整个柔性电子器件的拉伸性能。
Description
技术领域
本发明涉及能够提高柔性电子器件的可拉伸性的基底、提高了可拉伸性的柔性电子部件及该柔性电子部件的制造方法。
背景技术
自可拉伸柔性电子器件诞生以来，更高的柔性及可拉伸性(也称为延展性)一直是器件结构设计者们不断追求的目标。目前的可拉伸柔性电子器件主要通过功能硬薄膜器件与柔性基底(以下简称基底)的集成来实现。硬薄膜器件之间由金属互连线相连。基底例如是由柔性聚合物(例如，聚二甲基硅氧烷(PDMS))制成的。
金属互连线和柔性基底对于柔性电子器件的可拉伸性都有影响。通常借助于金属互连线的几何变形来提高可拉伸性，因此互连线常设计成可通过自身几何变形提供可拉伸性的形状。可变形的金属互连线与可拉伸的柔性基底结合后，相互结合的互连线和基底二者的可拉伸性将会相互影响、相互约束，因此器件整体的可拉伸性其实是由集成有金属互连线的柔性基底部分决定的。
图1示出了用于柔性电子器件的现有的一种柔性电子部件的结构。图1中的金属制成的互连线100呈蛇形延伸，柔性基底为由PDMS制成的平面状基底200。
对于上述图1示出的现有设计，在具体工作中，平面状基底200受拉时互连线100与平面状基底200间的结合部位处的界面黏附在保证两者间良好结合的同时也会约束互连线100的变形。在应变过大时会因为这种界面黏附引起互连线100破坏，制约着整个柔性电子部件的可拉伸性。另外，在互连线100与平面状基底200间的结合部位处的约束作用也是蛇形的互连线100产生疲劳破坏的主要因素。
发明内容
本发明的一个方面提供一种(尤其是针对蛇形互连导线设计的)用于柔性电子器件的基底，利用该基底，能够在保证互连线的安全的情况下提高整个柔性电子器件的可拉伸性。
根据本发明的一个方面的基底由可拉伸的柔性材料制成并且用于载置导线，所述基底具有表面以及设置在所述表面上的多个凸台，所述多个凸台沿第一方向排列，并且每两个在所述第一方向上相邻的所述凸台之间均设有凹部，在所述基底载置所述导线的状态下，所述导线附着于所述凸台，所述导线的在两个相邻的所述凸台之间延伸的部分与所述凹部的底面不接触。
由于基底的表面上设置有凸台和位于凸台之间的凹部，因此在基底上载置有导线的情况下，导线的一部分附着于凸台，导线的位于凸台之间的部分不与基底接触(即，处于悬空状态)。这样，在柔性电子器件被拉伸时，不与基底接触的这部分导线在变形时不会受到基底的制约，因而不仅可以更大程度地拉伸，还可以避免因为导线在拉伸时受界面黏附约束导致的互连线破坏。
优选地，所述凸台的延伸方向与所述第一方向交叉。
优选地，所述凸台相对于所述凹部的底面的凸起高度大于或等于0.2mm，在所述第一方向上，所述凸台的尺寸相对于所述凸台和所述凹部的尺寸之和的比例等于0.2。
本发明的另一个方面在于提供一种提高了可拉伸性的柔性电子部件。
根据本发明的另一个方面的柔性电子部件包括由可拉伸的柔性材料制成的基底和附着于所述基底的导线，所述基底具有表面以及设置在所述表面上的多个凸台，所述多个凸台沿第一方向排列，并且每两个在所述第一方向上相邻的所述凸台之间均设有凹部，所述导线整体沿所述第一方向蜿蜒延伸并包括第一部分和第二部分，所述第一部分的至少一部分附着于所述凸台，所述第二部分的位置与所述凹部对应并且所述第二部分与所述凹部的底面不接触。
在柔性电子部件被拉伸时，不与基底接触的这部分导线在变形时不会受到基底的制约，因而不仅可以更大程度地拉伸，还可以避免因为导线在拉伸时受界面黏附约束引起的互连线破坏。
优选地，所述第二部分的可拉伸性大于所述第一部分的可拉伸性。
将导线中的可拉伸性大的部分设置成所述第二部分，可以避免这部分导线在变形时受到基底的制约，从而发挥出更好的可拉伸性提高效果。
优选地，所述凸台相对于所述凹部的底面的凸起高度满足：当所述柔性电子部件在所述第一方向上拉伸至最大安全拉伸程度时，所述导线的在两个相邻的所述凸台之间延伸的部分仍不与所述凹部的底面接触。
此处，术语“最大安全拉伸程度”是指柔性电子部件在拉伸变形时，在保证其正常工作的前提下，能够实现的最大的拉伸程度。在拉伸变形的过程中，位于凸台之间的导线处于悬空状态，这部分悬空的导线会随着拉伸而在凸台的高度方向上产生朝向凹部底面的位移。将这种位移称为离面位移。拉伸程度越大，离面位移也越大。如果离面位移幅度大，则会出现原本悬空的这部分导线在拉伸过程中与基底(凹部的底面)接触的现象，从而使导线受到不期望的界面黏附约束。将凸台的凸起高度设计为满足上述要求，能够保证导线中悬空的部分在拉伸时不会因为拉伸变形(离面位移)过大而与基底接触，从而避免因为导线中悬空的部分接触到基底而对柔性电子部件的可拉伸性产生不利影响。
优选地，所述导线具有蛇形形状，其中，在所述导线的所述第一部分中，所述导线呈直线状延伸；在所述导线的所述第二部分中，所述导线呈圆弧状延伸。
在具有蛇形形状的导线中，呈圆弧状延伸的第二部分的可拉伸性较大，将这一部分导线设置于凸台之间使之悬空，可以良好地发挥出导线自身的可拉伸性，从而进一步提高整个柔性电子部件的可拉伸性。
优选地，所述基底的所述凸台在所述第一方向上的尺寸小于或等于所述导线的所述第一部分在所述第一方向上的尺寸。
优选地，所述导线是覆有PI保护层的Cu导线，其中，所述导线的线宽为50μm，所述导线的厚度为1.5μmPI+0.1μmCu+1.5μmPI，所述导线在垂直于所述第一方向的方向上的振幅为±500μm，在所述导线的所述第二部分中，所述导线沿半径为250μm的圆弧延伸，所述凸台相对于所述凹部的底面的凸起高度大于或等于0.2mm，并且在所述第一方向上，所述凸台的尺寸相对于所述凸台和所述凹部的尺寸之和的比例等于0.2。
本发明的又一个方面在于提供用于前述柔性电子部件的制造方法。
根据本发明的又一个发明的柔性电子部件的制造方法，其用于制造如上所述的柔性电子部件，所述制造方法包括如下步骤：用于成型所述基底的基底成型步骤，其中，在所述基底的表面上形成沿第一方向排列的多个凸台，并且每两个在所述第一方向上相邻的所述凸台之间均形成有凹部；导线制造步骤，其中，借助光刻工艺制备所述导线；以及转印步骤，其中，将制备的所述导线转印到成型后的所述基底上，并且使所述导线的所述第一部分的至少部分区域附着于所述基底的所述凸台。
利用本发明的基底、柔性电子部件及制造方法，能够在保证互连线的安全的情况下提高整个柔性电子器件的拉伸性能。
附图说明
图1是现有的一种柔性电子部件的结构。
图2是根据本发明的实施方式的柔性电子部件的示意性立体结构图。
图3是图2所示的柔性电子部件的俯视图。
图4是图2所示的柔性电子部件的主视图。
图5是导线的蛇形形状的示意图。
具体实施方式
以下结合附图详细说明本发明的具体实施方式。
第一实施方式
图2中示出了根据本发明的第一实施方式的柔性电子部件的示意性立体结构，该柔性电子部件为柔性电子器件的互联导线及相应基底部分。图2中的左右方向是柔性电子部件的长度方向，在本实施方式中，期望提高柔性电子部件在其长度方向上的可拉伸性。以下，将图2中的左右方向作为“第一方向”的示例。
图2所示的柔性电子部件包括互连线100和基底300，基底300用于载置互连线100。互连线100例如是由金属制成的导线，基底300例如是由PDMS制成的柔性基底。基底300在其上表面上设置有沿第一方向排列的多个凸台301，在每两个凸台301之间均设有凹部302。图3示出了凸台301的延伸方向与第一方向垂直的情况。如图2和图4所示，互连线100在凸台301处附着于基底300，在凹部302处不与基底300接触。也就是说，互连线100与凹部302的底面不接触。
互连线100可以具有蛇形形状或其它容易拉伸变形的几何形状。在本实施方式中，互连线100具有蛇形形状。下面结合图3和图5详细说明互连线100的蛇形形状。
图3是图2所示的柔性电子部件的俯视图，其中互连线100的蛇形形状可以看做是以周期T重复的连续曲线。从图3可以看出，在一个周期T内，互连线100在第一方向上延伸经过了相当于两个凸台301和两个凹部302的距离。
图5中，用箭头X示出了第一方向(以下简称为X方向)，用箭头Y示出了与第一方向垂直的一个方向(以下简称为Y方向)。互连线100整体沿X方向蜿蜒延伸。
互连线100可以看作是由呈直线状延伸的第一部分L和呈圆弧状延伸的第二部分(即对应于角度θ的圆弧部分)相互交替构成的。由于第一部分L呈直线状延伸，第二部分呈圆弧状延伸，所以第二部分的可拉伸性大于第一部分L的可拉伸性。
字母l表示互连线100的附着于凸台301的部分(以下称为附着部分)，用l2表示该附着部分l的X方向上的长度。图5中示出的附着部分l是第一部分L中的一部分，但不限于此，附着部分l也可以是整个第一部分L。l3表示互连线100的位于凸台301之间的部分(以下称为悬空部分)的实际长度，用l1表示该悬空部分的X方向上的长度。角度为θ的圆弧部分的半径为R。字母A表示蛇形形状相对于以虚线示出的中位线的Y方向上的振幅。基于图3和图5可知，l2实际上就是凸台301在未拉伸状态下的宽度，l1实际上就是凹部302在未拉伸状态下的宽度。
如图4所示，凸台301相对于凹部302的底面具有凸起高度H。考虑到互连线100的第二部分在拉伸时的弯曲变形量较大，而拉伸后的第二部分容易在重力的作用下发生朝向凹部302的底面的位移(以下简称为离面位移)，因此凸起高度H需要满足如下要求：当柔性电子部件在X方向上拉伸至最大安全拉伸程度时，互连线100的悬空部分仍不与凹部302的底面接触。换言之，凸起高度H至少要大于互连线100的第二部分的离面位移。这样，能够避免互连线100的第二部分在拉伸变形过程中受到基底300与互连线100之间的界面黏附的不利影响。
假设柔性电子部件发生拉伸变形。在拉伸过程中，互连线100的附着部分l由于受到凸台301的界面黏附影响而在X方向上仅发生可以忽略不计的拉伸，而互连线100的悬空部分发生明显的拉伸变形。此时，可以将最大拉伸率εmax用以下式(1)表示。
εmax＝(l3+l2)/(l1+l2)–1 (1)
在式(1)的情况下，互连线100的悬空部分实际上被拉成了沿X方向延伸的直线。而在图1所示的柔性电子部件中，由于互连线100在其全长范围内均与基底200接触，因而受到界面黏附的不利影响，互连线100在未充分拉伸的情况下也容易发生破坏。因此，利用本实施方式，能够在保证互连线100的安全的情况下大幅度地提高整个柔性电子部件的拉伸性能。
以下给出本实施方式的一个具体实施例。需要说明的是，在以下具体实施例中给出的结构、各尺寸数值仅为示例，而非为了限制本发明，本领域技术人员在本发明的范围内可以根据需要灵活选择其它结构、尺寸数值。
蛇形形状的互连线100例如为常见的覆有PI(聚酰亚胺)保护层的Cu导线，互连线100的厚度(即、互连线100在图4中上下方向上的尺寸)为1.5μmPI+0.1μmCu+1.5μmPI。互连线100具有如下具体尺寸：线宽d＝50μm，振幅A＝±500μm，R＝250μm。根据图3和图5所示的几何关系，借助于式(1)，可计算得到最大拉伸率εmax对应的θ大约为140度。
凸台301的宽度l2可以在一定范围内变化。但是，当宽度l2过窄时，互连线100与基底300的附着区域变小，因而会对互连线100与基底300之间的结合力造成不利影响，容易发生互连线100从基底300脱开的故障。当宽度l2过宽时，互连线100与基底300的附着区域变大，会使得互连线100的悬空部分的长度l1变得过短，从而不能达到期望的柔性电子部件的可拉伸性提高效果。
此时，对本实施例而言将一个周期T内凸台301的占空比设为0.2，就可以在保证互连线100的安全的情况下实现整个柔性电子部件的可拉伸性的相对最佳提高效果。
在周期T代表X方向上的长度的情况下，可以用下式(2)表示凸台301的占空比
考虑到一个周期T实际上是由两个凸台301和两个凹部302构成的，因此上述式(2)还可以表示为下式(3)。
基于上述尺寸，为避免互连线100的第二部分在拉伸变形过程中受到基底300与互连线100之间的界面黏附的不利影响，即为避免互连线100的第二部分在拉伸变形过程中与凹部302的底面接触，将凸台301的凸起高度H设为大于或等于0.2mm。
在本实施方式的柔性电子部件中，如果在制备过程中出现操作误差，容易导致互连线100和基底300之间的位置对准偏差。但是经有限元计算，在制备设备的误差范围内，位置偏移对延展性的影响较小。另外有限元结果显示，即使发生“最大”偏移(在图3中的左右方向上的偏移量为T/4)，其对延展性的影响也在可接受范围内，这是由于在凸台301之间留出了足够的空间(即、凹部302)，蛇形导线受基底约束范围小，降低了在X方向上的位置对准偏差对柔性电子部件整体的可拉伸性的不利影响。换言之，利用本实施方式的柔性电子部件，与其它图案化的基底相比扩大了对互连线100和基底300之间的位置对准偏差的可接受范围。
例如，当图5中示出的附着部分l因为这种位置对准偏差而在第一部分L内产生X方向上的偏移时，只要附着部分l处于第一部分L的范围内，就不会对柔性电子部件整体的可拉伸性造成不利影响。另外，如果附着部分l因为这种位置对准偏差而在第一部分L内产生Y方向上的偏移时，因为凸台301自身在Y方向上延伸，因此Y方向上的偏移也不会对柔性电子部件整体的可拉伸性造成不利影响。
第二实施方式
本实施方式是用于制造根据第一实施方式的柔性电子部件的制造方法。具体地，本实施方式的制造方法包括如下步骤：基底成型步骤、导线制造步骤和转印步骤。
在基底成型步骤中，根据第一实施方式确定出基底300的具体尺寸，并预制出与基底300对应的模具，在模具中浇铸出基底300。
在导线制造步骤中，根据第一实施方式确定出互连线100的具体尺寸，并借助例如光刻工艺制备互连线100。
在转印步骤中，通过例如转印方法将互连线100转印到基底300上。
上述基底成型步骤和导线制造步骤并没有先后顺序，只要在转印步骤之前制得互连线100和基底300即可。上述转印步骤中将互连线100转印到基底300上的过程不限于仅将互连线100转印到基底300上，还可以预先在功能器件上形成图案化的互连线100，然后将具有互连线100的功能器件转印到基底300上。
以上结合具体实施方式说明了本发明的构造和效果。然而，本发明的保护范围不限于上述具体实施方式，本领域技术人员可以在本发明的范围内对本发明的技术方案进行各种合理的变型和特征的组合。权利要求书的范围应符合最宽泛的解释，以包含所有的这些变型、等同结构和功能。
例如，凸台的延伸方向不限于图3所示的垂直于第一方向(X方向)的情况，只要与第一方向交叉即可。又例如，互连线不限于蛇形形状，还可以是整体沿第一方向蜿蜒延伸的其它容易拉伸的几何形状。
Claims (8)
1.一种基底，其用于柔性电子器件，所述基底由可拉伸的柔性材料制成并且用于载置导线，
所述基底具有表面以及设置在所述表面上的多个凸台，所述多个凸台沿第一方向排列，并且每两个在所述第一方向上相邻的所述凸台之间均设有凹部，
在所述基底载置所述导线的状态下，所述导线在与所述基底平行的平面内蜿蜒延伸并且附着于所述凸台，所述导线的在两个相邻的所述凸台之间延伸的部分与所述凹部的底面不接触，
其特征在于，所述凸台相对于所述凹部的底面的凸起高度大于或等于0.2mm，
在所述第一方向上，所述凸台的尺寸相对于所述凸台和所述凹部的尺寸之和的比例等于0.2。
2.根据权利要求1所述的基底，其特征在于，
所述凸台的延伸方向与所述第一方向交叉。
3.一种柔性电子部件，其包括由可拉伸的柔性材料制成的基底和附着于所述基底的导线，其特征在于，
所述基底具有表面以及设置在所述表面上的多个凸台，所述多个凸台沿第一方向排列，并且每两个在所述第一方向上相邻的所述凸台之间均设有凹部，所述凸台相对于所述凹部的底面的凸起高度满足：当所述柔性电子部件在所述第一方向上拉伸至最大安全拉伸程度时，所述导线的在两个相邻的所述凸台之间延伸的部分仍不与所述凹部的底面接触，
所述导线整体沿所述第一方向在与所述基底平行的平面内蜿蜒延伸并包括第一部分和第二部分，
所述第一部分的至少一部分附着于所述凸台，所述第二部分的位置与所述凹部对应并且所述第二部分与所述凹部的底面不接触。
4.根据权利要求3所述的柔性电子部件，其特征在于，
所述第二部分的可拉伸性大于所述第一部分的可拉伸性。
5.根据权利要求3或4所述的柔性电子部件，其特征在于，
所述导线具有蛇形形状，其中，在所述导线的所述第一部分中，所述导线呈直线状延伸；在所述导线的所述第二部分中，所述导线呈圆弧状延伸。
6.根据权利要求5所述的柔性电子部件，其特征在于，
所述基底的所述凸台在所述第一方向上的尺寸小于或等于所述导线的所述第一部分在所述第一方向上的尺寸。
7.根据权利要求5所述的柔性电子部件，其特征在于，
所述导线是覆有PI保护层的Cu导线，其中，
所述导线的线宽为50μm，
所述导线的厚度为1.5μmPI+0.1μmCu+1.5μmPI，
所述导线在垂直于所述第一方向的方向上的振幅为±500μm，
在所述导线的所述第二部分中，所述导线沿半径为250μm的圆弧延伸，
所述凸台相对于所述凹部的底面的凸起高度大于或等于0.2mm，并且
在所述第一方向上，所述凸台的尺寸相对于所述凸台和所述凹部的尺寸之和的比例等于0.2。
8.一种柔性电子部件的制造方法，其用于制造根据权利要求3至7中任一项所述的柔性电子部件，其特征在于，所述制造方法包括如下步骤：
用于成型所述基底的基底成型步骤，其中，在所述基底的表面上形成沿第一方向排列的多个凸台，并且每两个在所述第一方向上相邻的所述凸台之间均形成有凹部；
导线制造步骤，其中，借助光刻工艺制备所述导线；以及
转印步骤，其中，将制备的所述导线转印到成型后的所述基底上，并且使所述导线的所述第一部分的至少部分区域附着于所述基底的所述凸台。
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