CN114890370B - 柔性电子器件异质混合集成用柔性基底和柔性电子器件 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了柔性电子器件异质混合集成用柔性基底和柔性电子器件。该柔性基底包括柔性基底本体和凸出并阵列设置于所述柔性基底本体的多个微结构，所述柔性基底本体和所述微结构的材料相同，所述微结构和用于设置在所述微结构上的柔性衬底薄膜所接触区域的最大特征长度为L，所述L满足：ε＝(αsubstrate‑αfilm)ΔT。该柔性电子器件包括：柔性基底，所述柔性基底包括柔性基底本体和凸出并阵列设置于所述柔性基底本体的多个微结构；柔性衬底薄膜，所述柔性衬底薄膜设置于所述柔性基底的所述微结构之上，所述微结构夹设在所述柔性衬底薄膜和所述柔性基底本体之间；以及电子元件，所述电子元件通过回流焊工艺设置于所述柔性衬底薄膜的背离所述柔性基底的一面。
Description
技术领域
本申请涉及新一代信息技术产业之电子核心产业中的新型元器件，尤其涉及柔性电子器件异质混合集成用柔性基底和柔性电子器件。
背景技术
目前，柔性电子设备，例如柔性传感器已经得到了非常长足的发展，各种生理参数检测的柔性传感器被研发了出来。但是，为了实现更加前沿的应用，需要用到系统级的整体全柔性的电子设备，比如类皮肤柔性电子贴片系统，其形态如同贴片一般，内部集成了各类生理量检测的传感器、能量管理模块、数据采集模块、计算分析模块、无线传感模块等等；或者，带有特定治疗功能的柔性植入式电子设备。这类系统级的全柔性电子设备，整体全柔性化，同时具备了完备的电学功能，有着非常巨大的医学应用优势。
然而，这类设备的制备工艺仍然还未成熟，有许多地方还需要改进。这类设备的制备，往往需要将商业级元件(例如商用芯片)与柔性电路异质混合集成，通过蛇形岛桥结构的力学创新以及柔性封装，实现整体的可拉伸柔性化。在传统电子设备的元件集成步骤中，回流焊的工艺凭借着连接节点强度大、更加稳定的优势，被广泛的采用。但是，该工艺被应用在柔性异质集成的时候，仍旧存在着一些问题，比如，由于热膨胀的不匹配会使得柔性薄膜产生局部褶皱或者全局翘曲的失稳现象，进而导致了元件集成失败。
发明内容
为了解决或改善背景技术提到的至少一个问题，本申请提供了柔性电子器件异质混合集成用柔性基底和柔性电子器件。
该柔性基底包括柔性基底本体和凸出并阵列设置于所述柔性基底本体的多个微结构，所述柔性基底本体和所述微结构的材料相同，
所述微结构和用于设置在所述微结构上的柔性衬底薄膜所接触区域的最大特征长度为L，所述L满足：
ε＝(αsubstrate-αfilm)ΔT，
其中，所述γ为所述柔性基底的界面黏附能；所述E为所述柔性衬底薄膜的弹性模量；所述h为所述柔性衬底薄膜的厚度；所述αsubstrate为所述柔性基底的热膨胀系数；所述αfilm为所述柔性衬底薄膜的热膨胀系数；所述ΔT为回流焊工艺中加热至锡膏变性为止的升温温度。
在至少一个实施方式中，多个所述微结构的单元之间的间距为d，所述d满足：
在至少一个实施方式中，所述微结构为棱柱或圆柱。
在至少一个实施方式中，所述微结构的上下底面积相同，并且/或者
所述微结构的轴线垂直于所述柔性基底本体。
本申请提供的柔性电子器件包括如上所述的柔性基底和柔性衬底薄膜，所述柔性衬底薄膜设置于所述柔性基底的所述微结构之上，所述微结构夹设在所述柔性衬底薄膜和所述柔性基底本体之间。
在至少一个实施方式中，所述柔性基底的材料为聚二甲基硅氧烷或Ecoflex硅橡胶，
所述柔性衬底薄膜的材料为聚酰亚胺或聚对苯二甲酸乙二醇酯。
在至少一个实施方式中，所述柔性电子器件还包括电子元件，所述电子元件通过回流焊工艺设置于所述柔性衬底薄膜上。
在至少一个实施方式中，所述电子元件包括集成芯片、传感器、电阻、电感、电容中的至少一者。
本申请提供的柔性电子器件，包括：
柔性基底，所述柔性基底包括柔性基底本体和凸出并阵列设置于所述柔性基底本体的多个微结构；
柔性衬底薄膜，所述柔性衬底薄膜设置于所述柔性基底的所述微结构之上，所述微结构夹设在所述柔性衬底薄膜和所述柔性基底本体之间；以及
电子元件，所述电子元件通过回流焊工艺设置于所述柔性衬底薄膜的背离所述柔性基底的一面。
在至少一个实施方式中，所述柔性基底为如上所述的柔性基底。
本申请提供的柔性基底能够解决采用回流焊时热失配导致的薄膜失稳问题，极大的提高了电子元件在柔性异质混合集成的成功率。
本申请提供的柔性电子器件应用了上述柔性基底，同样解决了薄膜失稳问题。
附图说明
图1示出了一种柔性电子器件的结构示意图。
图2示出了图1中元件与柔性衬底薄膜的结构示意图。
图3示出了采用回流焊工艺进行异质混合集成时，柔性衬底薄膜处于局部褶皱状态的结构示意图。
图4示出了采用回流焊工艺进行异质混合集成时，柔性衬底薄膜处于离面翘曲状态的结构示意图。
图5示出了根据本申请第一实施方式的柔性电子器件的结构示意图。
图6示出了根据本申请第一实施方式的柔性基底的俯视图。
图7示出了根据本申请第二实施方式的柔性电子器件的结构示意图。
图8示出了根据本申请第二实施方式的柔性基底的俯视图。
图9示出了根据本申请第一实施方式的微结构与柔性衬底薄膜的正常及柔性衬底薄膜呈屈曲状态的示意图。
图10示出了根据本申请第一实施方式的微结构与柔性衬底薄膜的正常状态的侧视图。
附图标记说明
11硬质基底；12柔性基底；13柔性衬底薄膜；14元件；15焊接区域；16导线；17管脚区域；18锡膏；21柔性基底；211柔性基底本体；212微结构；22柔性衬底薄膜。
具体实施方式
下面参照附图描述本申请的示例性实施方式。应当理解，这些具体的说明仅用于示教本领域技术人员如何实施本申请，而不用于穷举本申请的所有可行的方式，也不用于限制本申请的范围。
参见图1和图2，一种柔性电子器件的制造涉及硬质基底11、柔性基底12和柔性衬底薄膜13。柔性衬底薄膜13设置在柔性基底12上，柔性基底12设置在硬质基底11上。硬质基底11可以为硅片或玻璃片。柔性基底12的材料可以为柔性硅胶材料，例如PDMS(聚二甲基硅氧烷)或Ecoflex(其为商标)硅橡胶等。柔性衬底薄膜13的材料一般为PI(聚酰亚胺)或PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)等。
柔性衬底薄膜13上具有待焊接的元件14所对应的焊接区域15以及蛇形导线16的金属图案结构。元件14的一面设置有管脚区域17。可以在柔性衬底薄膜13上的焊接区域15上设置锡膏18，然后将元件14的管脚区域17与柔性衬底薄膜13的焊接区域15对准放置。可以通过加热至锡膏18的变性温度(例如采用低温焊接锡膏时，可以升温到225℃)，锡膏18会熔融成液态金属锡球，该液态金属锡球会连接元件14的管脚区域17和柔性衬底薄膜13上的焊接区域15。降低温度到室温，液态金属锡球会冷却变成固态的金属锡球，进而完成了元件14和柔性衬底薄膜13的高强度连接。
然而，柔性衬底薄膜13的热膨胀系数一般远小于柔性基底12的热膨胀系数。例如PI(柔性衬底薄膜13的材料)的热膨胀系数为5.7×10-5K-1，而PDMS(柔性基底12的材料)的热膨胀系数为2.05×10-4K-1，两者相差接近一个数量级。因此，在加热过程中，两者由于热膨胀程度的严重不匹配，会产生薄膜的失稳现象。薄膜失稳现象具体表现包括：柔性衬底薄膜13产生局部褶皱(如图3所示)或者柔性衬底薄膜13产生离面翘曲(如图4所示)。这两种薄膜的失稳现象都会导致元件焊接管脚的局部虚焊，进而使得元件14集成失败。
申请人研究得出，柔性电子器件采用回流焊工艺异质混合集成时，通过减少柔性基底和柔性衬底薄膜之间的接触面积，可以改善或避免柔性衬底薄膜发生薄膜失稳现象。
本申请的实施方式提供了柔性电子器件异质混合集成用柔性基底(后面，简称柔性基底21)和柔性电子器件。参见图5，柔性电子器件包括柔性基底21和柔性衬底薄膜22。柔性基底21可以为柔性硅胶材料，例如PDMS(聚二甲基硅氧烷)、Ecoflex等。柔性衬底薄膜22的材料可以为PI(聚酰亚胺)或PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)等。
柔性基底21包括柔性基底本体211和凸出于柔性基底本体211并呈阵列排布的微结构212。柔性衬底薄膜22设置于微结构212上，即通过微结构212可以减少柔性基底21和柔性衬底薄膜22的接触面积。
示例性地，参见图5、图6、图7和图8，微结构212可以为四棱柱(第一实施方式)、六棱柱(第二实施方式)或圆柱(图中未示出)等。可以理解，微结构212还可以为其他样式，可以使微结构212的上下底面积相同。微结构212的轴线可以垂直于柔性基底本体211，即微结构212垂直凸出于柔性基底本体211。
其中，微结构212具有参数L(柔性衬底薄膜22和柔性基底21接触区域的最大特征长度)和参数d(微结构212的单元之间的间距)。示例性地，当微结构212的横截面为正方形时，其最大特征长度L为正方向的边长。当微结构212的横截面为长方形时，其最大特征长度L为长方形种中最长边的边长。当微结构212的横截面为正六边形时，其最大特征长度L为正六边形的对角线的长度。
进一步地，申请人研究得出，为了更好地避免柔性衬底薄膜22发生失稳现象，可以使微结构212的参数L满足：
其中，
ε＝(αsubstrate-αfilm)ΔT (1.4)
其中，以上式子中的变量解释如下：
——γ表示柔性基底21的界面粘附能，是材料常数，对于PDMS基底来说，γ＝0.16N/m。
——E表示柔性衬底薄膜22的弹性模量，是材料常数，对于PI薄膜来说，E＝2.5GPa。
——h表示柔性衬底薄膜22的厚度。
——L表示柔性衬底薄膜22和柔性基底21接触区域的最大特征长度。
——ε表示热失配应变，可以由(1.4)式计算确定。
——αsubstrate表示柔性基底21的热膨胀系数，是材料常数，对于PDMS基底来说，αsubstrate-PDMS＝2.05×10-4K-1。
——αfilm表示柔性衬底薄膜22的热膨胀系数，是材料常数，对于PI薄膜来说，αfilm-PI＝5.7×10-5K-1。
——ΔT表示回流焊工艺中加热至锡膏变性的升温温度，对于常规回流焊工艺来说，ΔT＝200℃。
可以理解，γ、E、ε可以在现有工艺的基础上计算得出结果。h(柔性衬底薄膜22的厚度)与柔性电子器件的设计目的、工艺过程相关性较强，取值例如可以为5微米-30微米。申请人引入了εc，可以根据上述公式先求出εc的取值范围，进而求出L的取值范围。
即，本申请提供了L(柔性衬底薄膜22和柔性基底21接触区域的最大特征长度)的取值范围。
进一步地，阵列排布的微结构212的单元之间存在间距d。参见图9、图10，申请人研究得出，加热过程中(回流焊工艺中的加热步骤)，微结构212会发生膨胀，微结构212单元之间悬空的柔性衬底薄膜22可能会产生压缩变形，使得悬空的柔性衬底薄膜22产生屈曲变形。
为了更好地避免柔性衬底薄膜22发生失稳现象，可以使微结构212的参数d满足：
即，本申请还提供了d(微结构212的单元之间的间距)的取值范围。当微结构212为棱柱时，微结构212的单元之间的间距可以为两个微结构212单元的最接近两点之间的距离。当微结构212为圆柱时，微结构212的单元之间的间距可以为两个微结构212单元的轴线之间的距离与圆柱直径的差。
在本申请的一个实施方式中，呈阵列设置的微结构212之间的间距相同。
本申请提供了微结构212的参数设计准则，当微结构212的参数L和d满足上述公式的要求，即可解决或改善柔性衬底薄膜22的失稳变形问题。
示例性地，本申请还提供了采用回流焊工艺对柔性电子器件进行异质混合集成所涉及的步骤。
可以在硬质基底上制备具有微结构212的柔性基底21，硬质基底可以取硅片或者玻璃片，柔性基底21可以取PDMS材料。微结构212的尺寸可以按照本申请前述的内容来确定。例如，可以制备长方体单元的柔性基底本体211，正方体的微结构212，微结构212的边长和高度可以为50微米，且微结构212之间相邻面的间距可以为50微米。
通过光刻等微纳米制备工艺，制备带有系统级电学连接的图案的柔性衬底薄膜22，柔性衬底薄膜22可以取PI薄膜，PI薄膜的厚度可以取为10微米，然后将该柔性衬底薄膜22转印至具有微结构212的柔性基底21上。
通过回流焊工艺集成电子元件。可以通过丝网印刷的方法，在柔性衬底薄膜22的焊接区域上印刷液态锡膏，之后将电子元件对应贴放在柔性衬底薄膜22上，之后将结构整体放置在加热板上，使之加热至液态锡膏的变性温度，例如为225℃，接着再降温至室温，完成元件的焊接集成。电子元件可以为集成芯片、传感器、电阻、电感、电容中的至少一者。
本申请能够解决柔性异质混合集成制备步骤，采用回流焊时热失配导致的薄膜失稳问题，极大的提高了电子元件在柔性异质混合集成的成功率。本申请提供的异质混合集成步骤可以适配目前主流的无机柔性电子器件的微纳米加工工艺过程。本申请提供的柔性基底具有普适性，可应用于各种不同功能的系统级柔性电子设备的柔性异质混合集成制备，有着大规模制备的技术优势。
以上所述是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本领域技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。
Claims (9)
1.一种柔性电子器件异质混合集成用柔性基底，其特征在于，所述柔性基底(21)包括柔性基底本体(211)和凸出并阵列设置于所述柔性基底本体(211)的多个微结构(212)，所述柔性基底本体(211)和所述微结构(212)的材料相同，
所述微结构(212)和用于设置在所述微结构(212)上的柔性衬底薄膜(22)所接触区域的最大特征长度为L，所述L满足：
ε＝(αsubstrate-αfilm)ΔT，
其中，所述γ为所述柔性基底(21)的界面黏附能；所述E为所述柔性衬底薄膜(22)的弹性模量；所述h为所述柔性衬底薄膜(22)的厚度；所述αsubstrate为所述柔性基底(21)的热膨胀系数；所述αfilm为所述柔性衬底薄膜(22)的热膨胀系数；所述ΔT为回流焊工艺中加热至锡膏变性为止的升温温度。
2.根据权利要求1所述的柔性电子器件异质混合集成用柔性基底，其特征在于，
多个所述微结构(212)的单元之间的间距为d，所述d满足：
3.根据权利要求1或2所述的柔性电子器件异质混合集成用柔性基底，其特征在于，所述微结构(212)为棱柱或圆柱。
4.根据权利要求1或2所述的柔性电子器件异质混合集成用柔性基底，其特征在于，所述微结构(212)的上下底面积相同，并且/或者
所述微结构(212)的轴线垂直于所述柔性基底本体(211)。
5.一种柔性电子器件，其特征在于，包括权利要求1至4中任一项所述的柔性基底(21)和柔性衬底薄膜(22)，所述柔性衬底薄膜(22)设置于所述柔性基底(21)的所述微结构(212)之上，所述微结构(212)夹设在所述柔性衬底薄膜(22)和所述柔性基底本体(211)之间。
6.根据权利要求5所述的柔性电子器件，其特征在于，所述柔性基底(21)的材料为聚二甲基硅氧烷或Ecoflex硅橡胶，
所述柔性衬底薄膜(22)的材料为聚酰亚胺或聚对苯二甲酸乙二醇酯。
7.根据权利要求5所述的柔性电子器件，其特征在于，所述柔性电子器件还包括电子元件，所述电子元件通过回流焊工艺设置于所述柔性衬底薄膜(22)上。
8.根据权利要求7所述的柔性电子器件，其特征在于，所述电子元件包括集成芯片、传感器、电阻、电感、电容中的至少一者。
9.一种柔性电子器件，其特征在于，包括：
权利要求1至4中任一项所述的柔性基底(21)；
柔性衬底薄膜(22)，所述柔性衬底薄膜(22)设置于所述柔性基底(21)的所述微结构(212)之上，所述微结构(212)夹设在所述柔性衬底薄膜(22)和所述柔性基底本体(211)之间；以及
电子元件，所述电子元件通过回流焊工艺设置于所述柔性衬底薄膜(22)的背离所述柔性基底(21)的一面。
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2022
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