可延展电子通用互连结构界面特性分析及结构优化

摘要

近年来，可延展柔性电子因其能适应复杂的曲面工作环境而备受关注与发展。针对不同的应用，在获得高延展性的同时如何保证优良的可靠性是可延展电子设计制作的关键之一。本文从互连导线的结构、延展性与可靠性三者内在关系进行考虑，运用内聚力模型表征可延展电子中铜-基底界面可靠性，展开了以下工作：
　　1.首先，建立表征可延展电子中铜-基底界面损伤程度的内聚力模型。文中引入一种能有效表征薄膜材料界面可靠性的内聚力模型—双线性内聚力模型；并以含实验结果的文献为参照，通过三方面的对比分析即基于本构方程的曲线关系对比分析，基于仿真的力-位移曲线对比分析，基于仿真的剥离前端形貌对比分析，逐步确立了该模型合理的控制参数：Γc=1.33mj/mm2,tmax=3.0Mpa,K=20N/mm。
　　2.其次，建立含双线性内聚力单元的通用互连结构有限元分析模型，并对其进行数值模拟以表征互连结构的界面特性。文中运用ABAQUS6.12-3有限元分析软件进行数值模拟并借助 Python语言实现了参数化建模。对几种典型的互连结构进行仿真并提取表征界面可靠性的损伤值。此外，以已有文献的四周期马蹄形互连导线的界面剥离实验现象为依据，建立相同的含双线性内聚力模型四周期马蹄形进行仿真，发现仿真结果与实验现象吻合，从而验证了上文确立的双线性内聚力模型的有效性。
　　3.随后，基于正交试验设计法对通用互连结构进行数值模拟以探讨其主要7个影响因素对界面特性的影响。依据正交试验设计法建立了一个7因素3水平的正交表，并进行了27组仿真试验。根据仿真数据进行了极差分析、方差分析与交互作用分析。其中，极差分析表明：7个关键影响因素对通用互连结构界面损伤影响程度的主次次序为拉伸率＞角度＞基底厚度＞水平线段＞半径＞铜厚度＞斜线段；方差分析表明：对通用互连结构界面损伤影响显著的因素包括拉伸率、角度、基底厚度与曲线水平线段；由此可见：不论从极差分析还是方差分析都可以看出拉伸率、角度与基底厚度是主要的影响因子。而通过交互作用分析发现，影响界面特性的各因素之间普遍存在交互作用，其中交互项H×T、A×T与A×tpdms交互作用显著。
　　4.最后，基于上述正交试验的数值模拟结果，运用MATLAB多元非线性拟合函数nilinfit进行回归分析，建立了界面可靠性-损伤值和工艺性能-延展率之间的函数函数关系：1）损伤值关于拉伸率的函数；2）拉伸率关于损伤值的函数。两个函数关系反映出通用互连结构设计与拉伸率、损伤值之间的内在关系，其可以预测一定拉伸率下某具体互连结构的损伤值或者预测某指定损伤值时相应互连结构对应的拉伸率。随后通过建立通用互连结构的约束集合，并借助MATLAB遗传算法工具箱（GAOT），从两种不同的设计角度给出了通用互连结构的结构优化设计方法。该方法可进行两方面的优化设计：一方面，设计满足特定拉伸率时损伤值最小化的优化结构；另一方面，设计损伤值低于某一指定值时拉伸率最大化的优化结构。文末将该优化设计方法应用到具体案例中。
　　本文得出了通用互连结构、延展性与界面可靠性之间的内在关系，对于指导满足一定拉伸率下互连结构的界面可靠性设计与满足一定界面可靠性下互连结构延展性设计具有一定的指导意义。

目录

声明

第一章 绪论

§1.1 引言

§1.2 课题研究背景及意义

§1.3 可延展电子国内外研究现状

§1.4 本文研究内容及方案

第二章 双线性内聚力模型的建立

§2.1 引言

§2.2 内聚力模型理论知识

§2.3 基于本构方程的力-位移曲线对比分析

§2.3 基于仿真的力-位移曲线对比分析

§2.4 基于仿真的剥离前端形貌对比分析

§2.5 本章小结

第三章 通用互连结构仿真建模及分析

§3.1 引言

§3.2 有限元思想及ABAQUS软件

§3.3 通用互连结构三维模型建立

§3.4 通用互连结构界面特性的数值模拟

§3.5 数值模拟正确性验证

§3.6 本章小结

第四章 基于正交试验通用互连结构的数值模拟与分析

§4.1 引言

§4.2 正交试验设计方法简述

§4.3 基于正交试验通用互连结构的数值模拟

§4.4 仿真数据的统计分析

§4.5 本章小结

第五章 基于遗传算法工具箱通用互连结构的结构优化

§5.1 引言

§5.2 遗传算法及其工具箱简述

§5.3 通用互连结构函数关系的建立

§5.4 通用互连结构优化设计数学模型的建立

§5.5 优化设计方法的应用

§5.6 本章小结

第六章 结论与展望

§6.1 结论

§6.2 展望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士期间研究成果

附件1