柔性電子封裝技術研究進展與展望

袁杰

摘 要：柔性電子封裝技術作為電子制造工藝中的發展趨勢，其憑借著獨有的的柔性也即延展性，在多個戰略領域的應用前景都非常可觀。但是如今柔性電子技術的可彎曲及可延展特性對其封裝技術提出了更高要求。以柔性電子封裝技術為重點，闡述了柔性電子封裝技術的發展趨勢和研究進展，綜述柔性電子制造中的特殊工藝制程，展望了包括以有限元結構分析夾雜對島-橋結構延展性的影響等封裝技術的發展趨勢。

關鍵詞：電子制造工藝；柔性電子；封裝技術

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.15.099

0 引言

如今柔性電子皮膚、柔性電子顯示器等柔性電子技術正受到市場關注和青睞。所謂柔性電子封裝技術主要是由柔性基板、交聯導電體和電子器件組成。提高柔性器件的可延展性可以在有預應力的柔性基底上設計非共面電路布局。但是在實踐過程中，電子制造工藝中的填充和覆蓋封裝材料、納米級厚度金屬薄膜的屈服強度都會影響器件的可延展性。本文重點討論優化柔性電子器件結構、提高其延展性，以期對柔性電子器件的設計提供理論支撐。

1 柔性電子封裝技術的發展趨勢

隨著科學技術和電子封裝行業競爭日益激烈，電子封裝獲得空前的發展規模和前景， 電子封裝的應用進展也越來越明朗化。過去的電子封裝技術僅僅能夠實現電子設備密封的效果。而因為其密封使用的材料為金屬、玻璃及陶瓷，較容易受到溫度、酸堿度這些影響因素而被動引起一些變化， 不利于電子封裝的進行。為了能夠起到保證電子設備的整體質量，新型環氧樹脂材料應用的電子封裝應運而生。隨著力學、材料學等科學技術的發展，對電子封裝材料的可延展性提出了新的要求和挑戰，所謂可延展性是指使得電子封裝器件無論面臨著拉、壓、彎、扭轉等一系列可能出現的變形下仍然能維持自身良好性能，大大提高電子器件的易攜帶性和較高的環境適應性。

柔性電子封裝技術在國內的市場地位仍處于起步階段，還有很大的發展空間。其一般設計原理和運行機理是將具備柔性或可延展性的塑料或者薄金屬這類基板上制作相應的電子器件。具體來說，可延展柔性電子技術并非用以取代目前的硅芯片技術，而是對硅基體結構的改進，是基于軟質柔性基板上集成微結構的原理，以避免傳統的非柔性硅基芯片材料所出現的厚、脆的缺點，在實現可延展性的同時還同時具有輕薄、抗震的效果，經濟成本低，操作簡便易行。

展望未來柔性電子封裝技術的發展趨勢，必將堅持以用戶體驗為設計起點，實現更加人性化的目的，例如柔性傳感器、柔性電子眼、可穿戴電子衣、柔性電子紙、柔性電路板、人造肌肉、柔性心臟監測衣、柔性鍵盤和柔性電子顯示器等。與傳統電子器件相比，其獨特的柔性和延展性使可延展柔性電子器件在通信和信息、生物醫藥、機械制造、航空航天和國防安全等領域具有非常廣泛和良好的應用前景。

2 柔性電子封裝技術的研究進展

（1）硬薄膜屈曲結構。硬薄膜屈曲結構是指借助轉印技術使得硅等硬薄膜條在彈性軟基底上形成周期性的正弦曲線來獲得所應具備的柔性。美國的兩位教授在此基礎上作出了新的變革，他們建議采用基于軟印刷術的轉印方法來完成柔性電子器件的封裝，并經過反復的實驗證明了這項技術在實踐中能夠在柔性基底上產生硅帶屈曲波，以實現對各類電子集成材料都能夠實現集成到曲面上的效果。并且，這一效果在后期變形的過程中能夠通過改變硅帶屈曲波的波長和幅值的方式防止拉伸割斷，產生較大的壓縮性能，在內在機理上，其實是通過實現與基件平面方向縱向的運動過程與變形維度將內部本身的力量予以消解。在這一設計形式下的硅薄膜材料便能夠符合五分之一的拉壓應變。

（2）島橋結構。柔性電子封裝技術中的島橋結構，其基本原理是將能夠實現彎曲的多根導線串聯起多個微電子結構，最終形成了島橋結構，所以是非常生動形象的。這些導線的可彎曲性使得微電子結構所連接起來而形成島橋結構增強電子器件的可延展性，提升柔性的程度。但是這一方式雖然在一定程度上取得了一些成效，但是島橋結構而形成的集成密度較其他結構相對要小，難以應用于覆蓋率相對高的應用。

（3）開放網格結構。開放網格結構就是將硅基半導體薄膜這一電子器件材料改進為開放網格式結構。這一結構柔性的提升和可延展性的實現，最根本的是薄膜材料本身在變形時的面內轉動，這就好比人們使用剪刀時候的自身轉動過程。所以說，開放式網格結構的形狀上有其特殊性，也需要改進設計為類似于剪刀形狀的細長外形，因此不一定包含柔性基底，因此對于很多結構并不適用。

3 對柔性電子封裝技術的展望

（1）局部多層封裝結構。由于目前的柔性電子封裝技術中常見的非共面薄膜-基底結構在完成封裝后會出現延展性降低，難以繼續承受較強負荷，為此提供一種新思維，解決上述問題。即局部多層封裝，它通過將該薄膜基底的上位部分的電子封裝區域軟化，同時對下位部分再進行適度硬化，提高整體柔性。但是值得在今后繼續開展實驗以驗證這一結構在應用領域的有效性，這是由于局部多層封裝結構還有一些技術漏洞，若下位封裝彈性模量或厚度過大，而在受壓拉伸的過程中薄膜反而會出現高階屈曲繼而催生更大的彎曲應力，適得其反。

（2）夾雜對島-橋結構延展性的影響。通過建立有限元模型的方式，將夾雜區域看作是圓形的橋下區域，并且從夾雜剛度、位置和封裝方式等維度進行立體化的分析，其結果顯示為以下兩點，一是在增大夾雜剛度時島橋結構的最大等效應力相應增強，延展性降低；二是在夾雜位置上若集成掩埋深度提高，那么封裝結構頂部的整體應變水平就越大，島橋的延展性也會隨之降低。除此之外今后還應當進一步探討空洞現象對于島-橋結構的柔性度的影響。

（3）粘彈性參數的變化。柔性電子封裝技術中電子器件基底部分與所使用的封裝材料其粘彈性特質，其在多種拉伸的速率下，粘彈性參數所反映的力學和結構延展性變化程度不同：一定的總拉伸量下加載速率越大、一定應變速率下基底與封裝材料的瞬時模量越高，薄膜的應力、應變水平越高，薄膜下降高度越小，結構的極限延展量越小。并引入了一個表征延展性劣化的無量綱參數，給出了它隨拉伸應變率變化的關系曲線；封裝材料與基底材料在一定應變速率范圍內的瞬時模量峰值之比越高，薄膜的最大主應變增強得越多而薄膜面下降的位移越小；松弛階段橋頂應力值、高度均隨松弛時間而“衰減”至與靜態拉伸時狀態。

4 結語

綜上所述，柔性電子封裝技術是未來發展的趨勢，轉印技術前景

巨大，但是在國內外研究現狀上還存在一些問題和需要革新的地方，當然也存在一些不足。但是，實際應用領域中多項結構形式都存在著

弊端，需要進一步在理論與技術上進行驗證和改進。

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