CN114171497B - 可延展电子器件、柔性基底及其制作方法 - Google Patents

可延展电子器件、柔性基底及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种可延展电子器件及其柔性基底和制作方法，所述柔性基底包括：柔性的平面形基底；与所述平面形基底相对设置的波浪形基底；所述波浪形基底具有多个在第一方向上依次排布的凸起区域，所述凸起区域的两端与所述平面形基底相对固定，两端之间的区域与相对的所述平面形基底之间具有间隙；其中，所述波浪形基底背离所述平面形基底的一侧表面用于设置互连导线。由于柔性基底具有相对设置的波浪形基底以及平面形基底，可以在所述柔性基底拉伸形变过程中，通过波浪形基底缓冲形变应力，从而能够避免互连线与柔性基底分离的问题。

Description

可延展电子器件、柔性基底及其制作方法
技术领域
本申请涉及可延展电子器件技术领域，更具体的说，涉及一种可延展电子器件及其制作方法。
背景技术
自可延展柔性电子器件诞生以来，更高的柔性及可延展性一直是器件结构设计者们不断追求的目标，目前的可延展柔性电子器件主要通过功能硬薄膜器件与柔性基底的集成来实现的，硬薄膜器件间则由金属互连线相连。
现有的可延展电子器件中，由于硬薄膜器件与柔性基底的延展性能不同，硬薄膜器件与柔性基底在延展形变过程中，容易出现金属互连线与柔性基底分离的问题。
发明内容
有鉴于此，本申请提供了一种可延展电子器件及其制作方法，方案如下：
一种可延展电子器件的柔性基底，所述柔性基底包括：
柔性的平面形基底；
与所述平面形基底相对设置的波浪形基底；
所述波浪形基底具有多个在第一方向上依次排布的凸起区域，所述凸起区域的两端与所述平面形基底相对固定，两端之间的区域与相对的所述平面形基底之间具有间隙；
其中，所述波浪形基底背离所述平面形基底的一侧表面用于设置互连导线。
优选的，在上述柔性基底中，所述柔性基底包括所述互连导线，所述互连导线用于连接功能元件。
优选的，在上述柔性基底中，所述柔性基底未受力形变时，所述平面形基底处于平面状态，所述互连导线在所述平面形基底上的垂直投影为曲线。
优选的，在上述柔性基底中，所述柔性基底未受力形变时，在所述第一方向上，所述凸起结构两端之间的距离为T，所述凸起区域与所述平面形基底之间的距离为A，T＞A。
优选的，在上述柔性基底中，所述柔性基底未受力形变时，所述波浪形基底的厚度大于所述平面形基底的厚度。
优选的，在上述柔性基底中，所述柔性基底未受力形变时，在所述第一方向上，所述波浪形基底具有第一长度，所述平面形基底与所述柔性基底具有第二长度；所述第二长度小于所述第一长度；
当所述柔性基底在所述第一方向拉伸至所述第一长度时，所述波浪形基底处于长度为所述第一长度的展平状态。
本申请还提供了一种可延展电子器件，包括：
上述任一项所述的柔性基底。
本申请还提供了一种上述任一项所述柔性基底的制作方法，所述制作方法包括：
形成一体成型的柔性平面形基底以及波浪形基底；
其中，所述波浪形基底与所述平面形基底相对设置；所述波浪形基底具有多个在第一方向上依次排布的凸起区域，所述凸起区域的两端与所述平面形基底相对固定，两端之间的区域与相对的所述平面形基底之间具有间隙。
优选的，在上述制作方法中，还包括：
在所述第一方向上，拉伸所述柔性基底，至所述波浪形基底展平；
在展平后的所述波浪形基底形成互连导线；
释放对所述柔性基底的拉力，使得所述柔性基底恢复拉伸前的形态。
优选的，在上述制作方法中，制备所述柔性基底的方法包括：
基于需求确定所述互连导线以及所述柔性基底的几何参数；
根据所述几何参数制备模具；
通过所述模具，一次性浇筑形成所述柔性基底。
通过上述描述可知，本申请技术方案提供的可延展电子器件及其制作方法中，所述柔性基底包括：柔性的平面形基底；与所述平面形基底相对设置的波浪形基底；所述波浪形基底具有多个在第一方向上依次排布的凸起区域，所述凸起区域的两端与所述平面形基底相对固定，两端之间的区域与相对的所述平面形基底之间具有间隙；其中，所述波浪形基底背离所述平面形基底的一侧表面用于设置互连导线。由于柔性基底具有相对设置的波浪形基底以及平面形基底，可以在所述柔性基底拉伸形变过程中，通过波浪形基底缓冲形变应力，从而能够避免互连线与柔性基底分离的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本申请可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本申请所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本申请所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
图1为一种可延展电子器件的俯视图；
图2为图1所示可延展电子器件的侧视图；
图3为本申请实施例提供的一种可延展电子器件的柔性基底的结构示意图；
图4为本申请实施例提供的另一种可延展电子器件的柔性基底的结构示意图；
图5为本申请实施例提供的一种可延展电子器件的柔性基底的俯视图；
图6-图9为本申请实施例提供的一种可延展电子器件的柔性基底制作方法的工艺流程图；
图10为本申请实施例提供的一种柔性基底制备方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请中的实施例进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
如图1和图2所示，图1为一种可延展电子器件的俯视图，图2为图1所示可延展电子器件的侧视图，所示可延展电子器件包括：柔性基底11以及位于柔性基底11表面的互连线12。互连线12一般为金属材料。柔性基底11的材料一般为PDMS(聚二甲基硅氧烷)材料。
常规可延展电子器件一般采用如图1和图2所示的方式，柔性基底11采用平面结构，可延展电子器件的延展性通过互连线12的几何变形来实现，互连线12常设计成可通过自身几何变形提供延展性的曲线结构，如波浪形或是蛇形。可变形的金属互连线12与可拉伸柔性基底11结合后，由于互连线12与可拉伸柔性基底11之间界面间的相互作用，二者的可延展性将会互相影响、约束，因此可延展电子器件整体的延展性其实是由集成有金属互连线12的柔性基底11决定的。对于上述设计，在具体工作中，柔性基底11受拉力时互连导线12与柔性基底11之间的界面黏附力，在保证两者间良好结合的同时也会约束互连导线12的变形，在应变过大时引起互连导线12破坏和/或两者的分离，制约着结构整体的拉伸性能；同时此处的约束作用也是互连导线12疲劳破坏的主要因素，因此在提高互连导线12延展性的同时，基于力学原理改变柔性基底11的约束形式也是提高器件延展性及可靠性的有效途径。
如图1和图2所示，目前大部分通过转印方式制备的可延展柔性电子器件为平面结构，突破平面设计是器件获得更高延展性的必要方式。
基于此，本申请实施例从基底受拉时蛇形互连导线的受力特点入手，设计了立体波浪形的基底结构，具有相对设置的平面形基底和波浪形基底，可延展柔性电子器件受拉力时，在波浪形基底展开至长度不变的平面状态(第一平面状态)过程中，同时波浪形基底上的互连导线随波浪形基底展开至平面，这一阶段互连导线受力微小，可以通过波浪型基底缓冲柔性基底形变应力，避免互连导线和波浪形基底的分离以及断裂问题。
进一步的，还可以设置所述柔性基底未受力形变时，所述平面形基底处于平面状态，所述互连导线在所述平面形基底上的垂直投影为曲线，进一步拉伸形变时，所述波浪形基底由所述第一平面状态进一步拉伸，可以曲线形状的互连导线缓冲其所受应力，避免互连导线和波浪形基底的分离以及断裂问题。
因此，相对一般平面基底，本申请实施例采用一种新型的柔性基底，增加了互连导线及波浪形基底拉伸至平面这一过程提供的延展率，且此过程互连导线受力较小不易发生破坏。本申请柔性基底在波浪形基底由曲面至平面的拉伸过程，提出了一种可更大程度上提高器件延展性的柔性基底结构设计，并提供了相应的制作方法，实现了立体可延展柔性电子器件的制备。
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。
如图3所示，图3为本申请实施例提供的一种可延展电子器件的柔性基底的结构示意图，图3所示柔性基底20包括：
柔性的平面形基底22；
与所述平面形基底22相对设置的波浪形基底21；
所述波浪形基底21具有多个在第一方向(图3中水平方向)上依次排布的凸起区域211，所述凸起区域211的两端与所述平面形基底22相对固定，两端之间的区域与相对的所述平面形基底22之间具有间隙；
其中，所述波浪形基底21背离所述平面形基底的一侧表面用于设置互连导线。在平行于第一方向上的切面图中，可以设置所述凸起区域211的切面为圆弧凸起、或是三角凸起、或是弓形凸起、或是三角函数曲线凸起、或是波浪形凸起等。如果所述柔性基底20沿着第一方向进行拉伸形变，在由初始状态至凸起区域211刚好和平面形基底22贴合的形变过程中，主要是平面形基底22发生拉伸形变，而波浪形基底21由于各个凸起区域211的缓冲，由于未发生长度拉伸的形变，即长度不变，在该过程中近似处于不受拉力的状态，因此可以避免处于其表面的互连导线由于波浪形基底21表面张力的大幅变化导致的损坏或是表面剥离等问题。
上述描述仅是以柔性基底20发生拉伸形变为例，说明其通过波浪形基底21缓冲形变应力，避免其表面的互连导线由于波浪形基底21表面张力的大幅变化导致的损坏或是表面剥离等问题，显然所述柔性基底20不局限于在第一方向上的水平拉伸形变，还可以基于垂直于图3中纸面方向上的轴线进行弯曲、或是卷曲形变，此时同样可以基于波浪形基底21缓冲形变应力，避免其表面的互连导线由于波浪形基底21表面张力的大幅变化导致的损坏或是表面剥离等问题。
本申请实施例中，所述柔性基底20未受力形变时，所述波浪形基底21的厚度为h2，所述平面形基底22的厚度为h1，设置所述波浪形基底21的厚度h2大于所述平面形基底22的厚度h1，以便于所述柔性基底20更容易发生拉伸、或是弯曲、或是卷曲形变。可以基于器件需求设置h1和h2的取值，二者一般均为毫米量级或是均为微米量级，本申请实施例对其具体取值不作限定。其中，所述波浪形基底21的厚度均匀，所述平面形基底22的厚度均匀。其他方式中，也可以设置h2＝h1。
本申请实施例中，所述柔性基底20未受力形变时，在所述第一方向上，所述凸起结构211两端之间的距离为T，所述凸起区域211与所述平面形基底22之间的距离为A，T＞A，以避免波浪形基底211具有高度较大的凸起区域211。可以基于器件需求设置T、A的取值，本申请实施例对其具体取值不作限定。
如图4所示，图4为本申请实施例提供的另一种可延展电子器件的柔性基底的结构示意图，在图3所示方式基础上，图4所示柔性基底20包括所述互连导线23，所述互连导线23用于连接功能元件。
如图5所示，图5为本申请实施例提供的一种可延展电子器件的柔性基底的俯视图，该方式中，结合图4和图5所示，所述柔性基底20未受力形变时，所述平面形基底22处于平面状态，所述互连导线23在所述平面形基底22上的垂直投影为曲线。
由于所述柔性基底20未受力形变时，所述平面形基底22处于平面状态，所述互连导线23在所述平面形基底22上的垂直投影为曲线，因此，在所述柔性基底20拉伸形变时，在所述凸起区域211刚好和平面形基底22贴合后，如果波浪形基底处于平面展开状态，此时互连导线23为处于展开平面上的曲线，当进一步拉伸所述柔性基底20时，表面上的互连导线23会由曲线状态向直线状态形变，互连导线23可以通过自身的该形变过程缓冲所述柔性基底20形变过程中的应力，避免波浪形基底21表面的互连导线23由于波浪形基底21表面张力的大幅变化导致的损坏或是表面剥离等问题。
其他方式中，也可以设置所述柔性基底20未受力形变时，所述平面形基底22处于平面状态，所述互连导线23在所述平面形基底22上的垂直投影为直线。
本申请实施例中，可以设置所述柔性基底20未受力形变时，所述凸起区域211的形状相同，且在所述第一方向上均匀排布。该方式中，在所述第一方向上，所述柔性基底20处处延展能力相同。
还可以设置所述柔性基底20未受力形变时，所述凸起区域211的形状相同，且在所述第一方向上，所述凸起区域211的高度A由所述柔性基底20的一端向另一端逐渐降低。该方式中，在所述第一方向上，所述柔性基底20的延展能力由所述凸起区域211高的一端向低的一端逐渐降低。
还可以设置所述柔性基底20未受力形变时，所述凸起区域211的形状相同，且在所述第一方向上，所述凸起区域211的高度A由所述柔性基底20的中间向两端逐渐降低。该方式中，在所述第一方向上，所述柔性基底20的延展能力由中间向两端逐渐降低。
本申请实施例中，所述柔性基底20未受力形变时，在所述第一方向上，所述波浪形基底21具有第一长度，所述平面形基底22与所述柔性基底20具有第二长度；所述第二长度小于所述第一长度；当所述柔性基底20在所述第一方向拉伸至所述第一长度时，所述波浪形基底21处于长度为所述第一长度的展平状态。
这样，所述柔性基底20在由第二长度的初始未拉伸状态被拉伸至第一长度的展开状态时，波浪形基底21始终处于第一长度，以使得该形变过程中，波浪形基底21表面的互连导线23所受表面张力近乎不改变，避免互连导线23由于波浪形基底21表面张力的大幅变化导致的损坏或是表面剥离等问题。
相对于传统平面形基底，本申请实施例所述柔性基底增加了曲线形状的互连导线23以及波浪形基底21拉伸至平面这一过程的延展性，且该过程中互连导线23受力较小不易发生损坏与剥离问题。
通过上述描述可知，在第一形变阶段，所述波浪形基底21由波浪状态展开至长度为第一长度的展平状态，其长度不变，仍为第一长度，故在第一形变阶段中，由于波浪型基底21的长度并未发生改变，波浪形基底21表面的互连导线23处于不受拉伸力作用的状态。其中，在波浪形基底21处于第一长度的展开状态时，设置所述互连导线23为曲线，如可以为正弦曲线形状，或是波浪曲线、或是蛇形曲线等。
在第二形变阶段，柔性基底20由第一长度的展平状态进一步拉伸，曲线形状的互连导线23能过在此阶段由曲线逐渐被拉伸，该形变过程与平面基底结构的拉伸形变过程相同，能够基于互连导线23自身的展开过程缓冲所受应力。
如上述，设置所述柔性基底20未受力形变时，所述平面形基底22处于平面状态，所述互连导线23在所述平面形基底22上的垂直投影为曲线，此时所述互连导线23可以为周期性变化的曲线，其周期性与波浪形基底21表面凸起区域211的周期性没有必然联系，可以根据需求设置互连导线23几何尺寸，从延展性最佳的需求设定波浪形基底21的周期性凸起区域211分布以及曲线结构的互连导线23与波浪形基底21的相对位置，从而保证互连导线23位于波浪形基底21上的悬空段不塌陷，在第一变形阶段，互连导线23尽可能不受力以及整体结构延展性最优，可借助有限元分析工具确定合适的互连导线23厚度以及曲线设计几何参数、波浪形基底21与平面形基底22的厚底以及波浪形基底21的凸起区域211设计几何参数。
通过上述描述可知，本申请实施例所述柔性基底20具有特定的第一形变阶段和第二形变阶段，通过该两阶段变形的叠加实现结构延展性的提高，从力学设计的角度实现结构延展性的提高。
基于上述实施例，本申请另一实施例还提供了一种可延展电子器件，包括：上述实施例所述的柔性基底20。所述柔性基底20表面具有互连导线以及功能元件。
所述可延展电子器件采用上述实施例所述柔性基底20，在具有较好的延展性的同时，可以避免互连导线23由于波浪形基底21表面张力的大幅变化导致的损坏或是表面剥离等问题。
基于上述实施例，本申请另一实施例还提供了制作方法，用于制备上述实施例所述柔性基底20，所述制作方法如图6-图9所示，图6-图9为本申请实施例提供的一种可延展电子器件的柔性基底制作方法的工艺流程图，该制作方法包括：
如图6所示，形成一体成型的柔性平面形基底22以及波浪形基底21；
其中，所述波浪形基底21与所述平面形基底22相对设置；所述波浪形基底21具有多个在第一方向上依次排布的凸起区域211，所述凸起区域211的两端与所述平面形基底22相对固定，两端之间的区域与相对的所述平面形基底22之间具有间隙。在所述柔性基底20未受力形变的初始状态时，在所述第一方向上，柔性基底20具有第二长度L，所述波浪形基底21具有第一长度L+dL。
本申请实施例所述制作方法还包括：
如图7所示，在所述第一方向上，拉伸所述柔性基底20，至所述波浪形基底展平；其中，所述柔性基底20拉伸后的长度为第一长度L+dL。此时，原本的凸起区域211倍展平与被拉伸的平面形基底22贴合。图7中柔性基底20两端的箭头表示施加的拉力F。
如图8所示，在展平后的所述波浪形基底21形成互连导线23；可以通过转印工艺在展平后的所述波浪形基底21形成互连导线23以及功能器件等，将图案化的互连导线23以及功能器件转印到所述波浪形基底21上。
如图9所示，释放对所述柔性基底20的拉力F，使得所述柔性基底20恢复拉伸前的形态。
本申请实施例所述制作方法中，制备所述柔性基底的方法如图10所示，图10为本申请实施例提供的一种柔性基底制备方法的流程示意图，该方法包括：
步骤S11：基于需求确定所述互连导线23以及所述柔性基底20的几何参数。
根据具体尺寸需求，设置相应的及所述柔性基底20以及所述互连导线23的尺寸。可以通过相应的微纳制备工艺，进行互连导线23制备。
步骤S12：根据所述几何参数制备模具。
步骤S13：通过所述模具，一次性浇筑形成所述柔性基底20。
基于所述模具，一次性浇筑形成所述柔性基底20，所述柔性基底20为柔性材料一体成型结构。
其他实施例中，也可以分别制作平面形基底22和波浪形基底21。具体的，可以将长度为L+dL的第一平面形基底分段的固定在长度为L的第二平面形基底上，保持第二平面形基底处于未受力拉伸的平面状态，将长度为L+dL的第一平面形基底分段的固定在长度为L的第二平面形基底上，每个分段为一个凸起区域211，如是第一平面形基底柔性基底20的波浪形基底21，第二平面形基底形成柔性基底20的平面形基底22。
本申请实施例所述制作方法制备的柔性基底20，突破传统的平面设计，通过空间波浪形的基底设计，增加了曲线结构互连导线几乎不受力的第一形变阶段的变形过程，提高了柔性电子器件的延展性，并保证了在现有实验条件下的可操作性，提高了互连导线23及器件在延展使用中的整体寿命。
本说明书中各个实施例采用递进、或并列、或递进和并列结合的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
需要说明的是，在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中设置的组件。
还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种可延展电子器件的柔性基底，其特征在于，所述柔性基底包括：
柔性的平面形基底；
与所述平面形基底相对设置的波浪形基底；
所述波浪形基底具有多个在第一方向上依次排布的凸起区域，所述凸起区域的两端与所述平面形基底相对固定，两端之间的区域与相对的所述平面形基底之间具有间隙；
其中，所述波浪形基底背离所述平面形基底的一侧表面用于设置互连导线；所述柔性基底未受力形变时，所述波浪形基底的厚度大于所述平面形基底的厚度。
2.根据权利要求1所述的柔性基底，其特征在于，所述柔性基底包括所述互连导线，所述互连导线用于连接功能元件。
3.根据权利要求2所述的柔性基底，其特征在于，所述柔性基底未受力形变时，所述平面形基底处于平面状态，所述互连导线在所述平面形基底上的垂直投影为曲线。
4.根据权利要求1所述的柔性基底，其特征在于，所述柔性基底未受力形变时，在所述第一方向上，所述凸起区域 两端之间的距离为T，所述凸起区域与所述平面形基底之间的距离为A，T＞A。
5.根据权利要求1-4中任一项 所述的柔性基底，其特征在于，所述柔性基底未受力形变时，在所述第一方向上，所述波浪形基底具有第一长度，所述平面形基底与所述柔性基底具有第二长度；所述第二长度小于所述第一长度；
当所述柔性基底在所述第一方向拉伸至所述第一长度时，所述波浪形基底处于长度为所述第一长度的展平状态。
6.一种可延展电子器件，其特征在于，包括：
如权利要求1-5任一项所述的柔性基底。
7.一种如权利要求1-5任一项所述柔性基底的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：
形成一体成型的柔性平面形基底以及波浪形基底；
其中，所述波浪形基底与所述平面形基底相对设置；所述波浪形基底具有多个在第一方向上依次排布的凸起区域，所述凸起区域的两端与所述平面形基底相对固定，两端之间的区域与相对的所述平面形基底之间具有间隙。
8.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于，还包括：
在所述第一方向上，拉伸所述柔性基底，至所述波浪形基底展平；
在展平后的所述波浪形基底形成互连导线；
释放对所述柔性基底的拉力，使得所述柔性基底恢复拉伸前的形态。
9.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于，制备所述柔性基底的方法包括：
基于需求确定所述互连导线以及所述柔性基底的几何参数；
根据所述几何参数制备模具；
通过所述模具，一次性浇筑形成所述柔性基底。
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