107电子技术柔性电子封装技术研究进展与展望
袁 杰
（浙江宇视科技有限公司,杭州 310051）
摘 要：柔性电子封装技术作为电子制造工艺中的发展趋势，其凭借着独有的的柔性也即延展性，在多个战略领域的应用前景都非常可观。但是如今柔性电子技术的可弯曲及可延展特性对其封装技术提出了更高要求。以柔性电子封装技术为重点，阐述了柔性电子封装技术的发展趋势和研究进展，综述柔性电子制造中的特殊工艺制程，展望了包括以有限元结构分析夹杂对岛-桥结构延展性的影响等封装技术的发展趋势。
关键词：电子制造工艺；柔性电子；封装技术
DOI:10.16640/ki.37-1222/t.2017.15.099
0 引言
如今柔性电子皮肤、柔性电子显示器等柔性电子技术正受到市场关注和青睐。所谓柔性电子封装技术主要是由柔性基板、交联导电体和电子器件组成。提高柔性器件的可延展性可以在有预应力的柔性基底上设计非共面电路布局。但是在实践过程中，电子制造工艺中的填充和覆盖封装材料、纳米级厚度金属薄膜的屈服强度都会影响器件的可延展性。本文重点讨论优化柔性电子器件结构、提高其延展性，以期对柔性电子器件的设计提供理论支撑。
1 柔性电子封装技术的发展趋势
随着科学技术和电子封装行业竞争日益激烈，电子封装获得空前的发展规模和前景, 电子封装的应用进展也越来越明朗化。过去的电子封装技术仅仅能够实现电子设备密封的效果。而因为其密封使用的材料为金属、玻璃及陶瓷，较容易受到温度、酸碱度这些影响因素而被动引起一些变化， 不利于电子封装的进行。为了能够起到保证电子设备的整体质量，新型环氧树脂材料应用的电子封装应运而生。随着力学、材料学等科学技术的发展，对电子封装材料的可延展性提出了新的要求和挑战，所谓可延展性是指使得电子封装器件无论面临着拉、压、弯、扭转等一系列可能出现的变形下仍然能维持自身良好性能，大大提高电子器件的易携带性和较高的环境适应性。
柔性电子封装技术在国内的市场地位仍处于起步阶段，还有很大的发展空间。其一般设计原理和运行机理是将具备柔性或可延展性的塑料或者薄金属这类基板上制作相应的电子器件。具体来说，可延展柔性电子技术并非用以取代目前的硅芯片技术，而是对硅基体结构的改进，是基于软质柔性基板上集成微结构的原理，以避免传统的非柔性硅基芯片材料所出现的厚、脆的缺点，在实现可延展性的同时还同时具有轻薄、抗震的效果，经济成本低，操作简便易行。
展望未来柔性电子封装技术的发展趋势，必将坚持以用户体验为设计起点，实现更加人性化的目的，例如柔性传感器、柔性电子眼、可穿戴电子衣、柔性电子纸、柔性电路板、人造肌肉、柔性心脏监测衣、柔性键盘和柔性电子显示器等。与传统电子器件相比，其独特的柔性和延展性使可延展柔性电子器件在通信和信息、生物医药、机械制造、航空航天和国防安全等领域具有非常广泛和良好的应用前景。
2 柔性电子封装技术的研究进展
（1）硬薄膜屈曲结构。硬薄膜屈曲结构是指借助转印技术使得硅等硬薄膜条在弹性软基底上形成周期性的正弦曲线来获得所应具备的柔性。美国的两位教授在此基础上作出了新的变革，他们建议采用基于软印刷术的转印方法来完成柔性电子器件的封装，并经过反复的实验证明了这项技术在实践中能够在柔性基底上产生硅带屈曲波，以实现对各类电子集成材料都能够实现集成到曲面上的效果。并且，这一效果在后期变形的过程中能够通过改变硅带屈曲波的波长和幅值的方式防止拉伸割断，产生较大的压缩性能，在内在机理上，其实是通过实现与基件平面方向纵向的运动过程与变形维度将内部本身的力量予以消解。在这一设计形式下的硅薄膜材料便能够符合五分之一的拉压应变。
（2）岛桥结构。柔性电子封装技术中的岛桥结构，其基本原理是将能够实现弯曲的多根导线串联起多个微电子结构，最终形成了岛桥结构，所以是非常生动形象的。这些导线的可弯曲性使得微电子结构所连接起来而形成岛桥结构增强电子器件的可延展性，提升柔性的程度。但是这一方式虽然在一定程度上取得了一些成效，但是岛桥结构而形成的集成密度较其他结构相对要小，难以应用于覆盖率相对高的应用。
（3）开放网格结构。开放网格结构就是将硅基半导体薄膜这一电子器件材料改进为开放网格式结构。这一结构柔性的提升和可延展性的实现，最根本的是薄膜材料本身在变形时的面内转动，这就好比人们使用剪刀时候的自身转动过程。所以说，开放式网格结构的形状上有其特殊性，也需要改进设计为类似于剪刀形状的细长外形，因此不一定包含柔性基底，因此对于很多结构并不适用。
3 对柔性电子封装技术的展望
（1）局部多层封装结构。由于目前的柔性电子封装技术中常见的非共面薄膜-基底结构在完成封装后会出现延展性降低，难以继续承受较强负荷，为此提供一种新思维，解决上述问题。即局部多层封装，它通过将该薄膜基底的上位部分的电子封装区域软化，同时对下位部分再进行适度硬化,提高整体柔性。但是值得在今后继续开展实验以验证这一结构在应用领域的有效性，这是由于局部多层封装结构还有一些技术漏洞，若下位封装弹性模量或厚度过大,而在受压拉伸的过程中薄膜反而会出现高阶屈曲继而催生更大的弯曲应力，适得其反。 （2）夹杂对岛-桥结构延展性的影响。通过建立有限元模型的方式，将夹杂区域看作是圆形的桥下区域,并且从夹杂刚度、位置和封装方式等维度进行立体化的分析，其结果显示为以下两点，一是在增大夹杂刚度时岛桥结构的最大等效应力相应增强，延展性降低；二是在夹杂位置上若集成掩埋深度提高，那么封装结构顶部的整体应变水平就越大，岛桥的延展性也会随之降低。除此之外今后还应当进一步探讨空洞现象对于岛-桥结构的柔性度的影响。
（3）粘弹性参数的变化。柔性电子封装技术中电子器件基底部分与所使用的封装材料其粘弹性特质，其在多种拉伸的速率下，粘弹性参数所反映的力学和结构延展性变化程度不同：一定的总拉伸量下加载速率越大、一定应变速率下基底与封装材料的瞬时模量越高，薄膜的应力、应变水平越高,薄膜下降高度越小,结构的极限延展量越小。并引入了一个表征延展性劣化的无量纲参数,给出了它随拉伸应变率变化的关系曲线;封装材料与基底材料在一定应变速率范围内的瞬时模量峰值之比越高,薄膜的最大主应变增强得越多而薄膜面下降的位移越小;松弛阶段桥顶应力值、高度均随松弛时间而“衰减”至与静态拉伸时状态。
4 结语
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