柔性电子基板上薄膜材料可靠性原位评价系统及方法

摘要

本发明涉及对薄膜材料弯曲断裂性能测试装置和测试方法的建立，具体为一种柔性电子基板上具有微米至纳米厚度的单层或多层薄膜材料力学可靠性的原位评价系统及方法。该系统包括高精度螺旋测微器、平衡弹簧、平动滑块及简支梁固定端和简支梁可动端等，通过螺旋测微器向薄膜与柔性基体组成的复合梁施加精确可控的步进位移来实施简支梁弯曲实验，根据简支梁跨距和试样尺寸等参数及几何关系计算出与简支梁跨距对应的实时施加应变，结合原位微观观察及随后的扫描电镜表征，对此类薄膜弯曲断裂性能和临界开裂应变值进行测试与评价。本发明无需考虑薄膜材料的导电性，对于非导电薄膜材料仍然适用。实验操作简单快捷，可对样品进行原位实时定位观测与分析。

说明书

技术领域

本发明涉及对各种薄膜材料弯曲断裂性能测试装置和测试方法的建立，具体为一种柔性电子基板上薄膜材料可靠性原位评价系统及方法，特别适用于对制备在柔性电子基板上、具有微米、亚微米及纳米厚度的单层或多层薄膜材料的断裂性能的评价。

背景技术

柔性电子器件具有广泛的应用前景，如可卷曲的液晶显示器，柔性太阳能电池面板，以及电子纸等。附着在柔性基体介质上具有微米、亚微米及纳米厚度的单层和多层薄膜材料，广泛应用在上述器件中的电路互连体布线以及阻挡层中。上述器件在实际服役过程中经常承受弯曲、拉伸或扭转等载荷，因此器件中薄膜材料的力学性能常常是影响上述器件使用可靠性和寿命的重要因素。薄膜中裂纹萌生时的临界开裂应变是上述器件可靠性设计的重要参数之一，同时也是计算薄膜材料断裂韧性的重要参量，而断裂韧性值反映的是薄膜材料抵抗裂纹失稳扩展而发生危险的脆性断裂的能力。因此，测试上述薄膜材料中裂纹萌生时的临界开裂应变，对薄膜材料器件的实际应用中的可靠性设计、失效分析以及薄膜材料力学性能表征的理论研究都具有重要的意义。

目前，人们多采用电阻法测量薄膜材料的开裂应变。电阻法适用于具有导电性的薄膜材料，通过对薄膜材料施加拉伸载荷，监测薄膜电阻随施加拉伸应变的变化，获得薄膜中产生裂纹时的电阻急剧增加段与薄膜未开裂电阻线性变化段的交点，来反推出薄膜的临界开裂应变。然而，该方法在测量亚微米尤其是纳米量级厚度的薄膜材料的电阻过程中，由于电极接触等问题通常会影响测量结果精度，而且电阻剧增段线性拟合的随机性较大，由此反推出的薄膜材料开裂应变误差较大；此外，对于非导体薄膜材料电阻法不能适用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种精确、简单、快捷的柔性电子基板上具有微米至纳米厚度的单层或多层薄膜材料可靠性原位评价系统及方法，该原位测试系统及测试方法表征薄膜材料损伤萌生时的临界应变，解决现有技术中存在的薄膜材料开裂应变误差较大，以及对于非导体薄膜材料电阻法不能适用等问题。由于薄膜材料实际工作过程遭受弯曲载荷作用的频率要多于遭受其它载荷，而该测试方法对试样所施载荷便是与薄膜材料实际工况相一致的弯曲载荷，同时具有试样制备简便、测试精度较高、快捷等优点。

本发明的技术方案是：

该原位评价系统由加载部分、试样支撑部分和观察与测量部分三部分组成，具体如下：

(1)试样支撑部分，包括简支梁可动端、简支梁固定端、基座和固定块，基座内侧相对设置有平动滑块、固定块，固定块与基座固定连接，平动滑块与基座呈滑动连接，简支梁可动端安装于平动滑块上，简支梁固定端安装于与平动滑块相对的固定块上，与平动滑块相连的简支梁可动端和与固定块相连的简支梁固定端相对应，简支梁可动端和简支梁固定端之间安装试样，试样的一端放置在与基座相连的简支梁固定端，试样的另一端置于简支梁可动端；

(2)试样加载部分，包括螺旋测微器、平衡弹簧、平动滑块、支撑滚，螺旋测微器通过支撑滚与基座内侧设置的平动滑块连接，平动滑块通过平衡弹簧与基座连接；

(3)测量与观察部分，包括高倍光学显微镜和与之相连的计算机，高倍光学显微镜与试样对应。

2、本发明柔性电子基板上薄膜材料可靠性原位评价方法，利用上述测试系统，具体步骤如下：(1)根据试样原始长度L₀调节简支梁固定端和简支梁可动端之间的间距，高精度螺旋测微器通过支撑滚和两平衡弹簧对与简支梁可动端相连的平动滑块施加精度为1μm的步进位移，带动简支梁可动端移动，给试样施加弯曲载荷。(2)根据简支梁跨距L、试样原始长度L₀，得出各参数与简支梁曲率半径R之间的关系式：

$>\sin \left(\frac{L_0}{2R}\right)/\frac{L_0}{2R}=L/L_0---\left(1\right)$>

简支梁跨距小于某一临界值2L₀/π时，简支梁曲率半径等于L/2；通过简支梁曲率半径结合复合梁理论，计算出与简支梁跨距相对应的实时施加应变ε的大小：

$>ϵ=\left(\frac{d_f+d_s}{2R}\right)\frac{(1+2\eta +\chi {\eta }^2)}{(1+\eta )(1+\mathrm{\chi \eta })}---\left(2\right)$>

其中，η为薄膜和基体材料的厚度比，χ为薄膜和基体材料的弹性模量比，d_f和d_s分别为薄膜和基体的厚度；(3)高倍光学显微镜对试样表面形貌及表面裂纹演化过程进行原位实时观察与摄录像，通过CCD探头实时记录试样表面发生演化的全过程，并将高倍光学显微镜实时采集的试样演化过程数字图像，通过计算机实现快速的图像处理和定量化计算与分析。通过测量试样表面裂纹密度，得出裂纹密度与施加应变之间的关系，采用反推法得到裂纹密度为零时对应施加的应变值，将该应变数值定义为该薄膜材料的临界开裂应变。

本发明所述的薄膜材料为各种目前已知的物理和化学技术制备在柔性电子基板上的具有微米、亚微米或纳米厚度的单层或多层薄膜材料。

本发明所述的被测薄膜材料为制备在柔性电子基板上的具有导电性或非导电性的薄膜材料。

本发明的特点在于：

1、本发明对样品施加更接近薄膜材料实际工况的弯曲载荷。

2、测试精度较高。本发明测试方法摆脱了电阻法对于微、纳米厚度薄膜由于接触问题无法解决而引起的电阻值测不准的弊端，通过高精度螺旋测微器对样品施加弯曲载荷的步进位移，可以提高测试精度。

3、本发明无需考虑薄膜材料的导电性，对于导电与非导电薄膜材料都可采用本方法进行测试。

4、样品制备简便。对于制备在柔性基板上的单层或多层薄膜材料，本发明可以将其加工成具有测试系统允许尺寸范围内的样品尺度便可以进行测试。

5、设备简单，应用范围广。本发明不需要专门的力学性能实验机即可实现对柔性基板上对薄膜试样施加弯曲载荷，可以评价薄膜材料在弯曲载荷造成的拉应变和压应变作用下的不同损伤行为及其临界开裂应变值。

6、可对样品进行定点、定位、实时观测与分析。本发明实验过程中可以对样品在二维平面内进行微动调节，方便对样品的某一固定点进行定点、定位观察，通过置于样品上方的高倍光学显微镜可以对样品表面形貌及表面裂纹演化过程进行实时原位观察与分析。

7、本发明对于高倍光学显微镜采集的试样实时演化过程的数字图像可以通过计算机进行快速的图像处理和定量化计算与分析。

附图说明

图1为柔性基板上薄膜材料可靠性评价系统的原理示意图。

图中，1螺旋测微器；2平衡弹簧；3平动滑块；4支撑滚；5简支梁可动端；6试样；7简支梁固定端；8基座；9光学显微镜；10计算机；11固定块。

图2为正向弯曲实验(试样受拉应变)中简支梁跨距与简支梁曲率半径关系图；(a)是弯曲试验前的试样；(b)是正弯曲试样；(c)是反弯曲试样。其中，12薄膜；13基体；14中性面；15简支点。

图3为125μm厚聚酰亚胺基体上Cu-Ni多层薄膜试样在该原位评价系统上薄膜表面裂纹演化的光学显微照片。其中(a)和(b)分别为施加应变为0.39％和0.70％时试样表面形貌的光学显微图片。

图4为125μm厚聚酰亚胺基体上1μm厚Cu-Ni多层薄膜裂纹密度与施加应变的关系曲线。箭头所指的点对应临界开裂应变。

图5为125μm厚聚酰亚胺基体上1μm厚Cu-Ta多层薄膜试样在该测试系统上薄膜表面承受压应变时表面损伤的光学显微照片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详述本发明。

如图1所示，该原位评价系统由三部分组成：(1)加载部分；(2)试样支撑部分；(3)观察与测量部分。

1、试样支撑部分，包括简支梁可动端5、简支梁固定端7、基座8和固定块11等，负责固定并支撑试样。基座8内侧相对设置有平动滑块3、固定块11，固定块11与基座8固定连接，平动滑块3与基座8呈滑动连接，简支梁可动端5安装于平动滑块3上，简支梁固定端7安装于与平动滑块3相对的固定块11上，与平动滑块3相连的简支梁可动端5和与固定块11相连的简支梁固定端7相对应，简支梁可动端5和简支梁固定端7之间安装试样6，试样6的一端放置在与基座相连的简支梁固定端7，试样6的另一端置于简支梁可动端5。

安装试样6时，首先根据试样长度将简支梁可动端5和简支固定端7间距调节至合适距离处，然后将试样6放置于简支梁可动端5和简支梁固定端7之间的简支点，使得试样与加载轴平行，形成一个简支梁试样。通过高精度螺旋测微器1和平衡弹簧2驱动平动滑块3运动，带动试样沿简支梁可动端5进行水平运动，从而对试样施加恒定应变。

2、试样加载部分，包括螺旋测微器1、平衡弹簧2、平动滑块3、支撑滚4等，负责给试样施加弯曲载荷。螺旋测微器1通过支撑滚4与基座8内侧设置的平动滑块3连接，平动滑块3通过两平衡弹簧2与基座8连接；高精度螺旋测微器1通过支撑滚4和两平衡弹簧2对与简支梁可动端5相连的平动滑块3施加精度为1μm的步进位移，带动简支梁可动端5移动，给试样6施加弯曲载荷。

3、测量与观察部分，包括与高倍光学显微镜9和与之相连的计算机10。高倍光学显微镜9与试样6对应，高倍光学显微镜9可以对试样表面形貌及表面裂纹演化过程进行实时原位实时观察与摄录像，通过CCD探头可以实时记录试样表面发生演化的全过程，并将高倍光学显微镜实时采集的试样演化过程数字图像，通过计算机10实现快速的图像处理和定量化计算与分析。

如图2之(a)所示，弯曲试验前的试样为基体13表面附着单层或多层的薄膜12，L₀为试样原始长度；d_f和d_s分别为薄膜12和基体13的厚度，L为简支梁跨距，R为试样发生弯曲时中性面14的曲率半径。

其中，中性面是指应变等于零的平面，根据梁纯弯曲理论，在正向弯曲状态下，中性面以上的材料承受拉应力；在反向弯曲状态下，中性面以上的材料承受压应力。

本发明柔性基板上薄膜材料的可靠性评价方法，利用上述测试系统，具体步骤如下：

(1)根据试样原始长度(L₀)调节简支梁固定端7和简支梁可动端5之间的间距；

(2)通过高精度螺旋测微器1和平衡弹簧2推动简支梁可动端5，从而带动试样6沿可动端水平移动；

(3)根据简支梁跨距(L)、试样原始长度(L₀)等参数，并结合图2所示的几何关系，得出各参数与简支梁曲率半径(R)之间的关系式(1)：

$>\sin \left(\frac{L_0}{2R}\right)/\frac{L_0}{2R}=L/L_0---\left(1\right)$>

(4)当简支梁跨距小于某一临界值(2L₀/π)时，简支梁曲率半径等于L/2；

(5)通过简支梁曲率半径结合复合梁理论可以计算出与简支梁跨距相对应的实时施加应变ε的大小：

$>ϵ=\left(\frac{d_f+d_s}{2R}\right)\frac{(1+2\eta +\chi {\eta }^2)}{(1+\eta )(1+\mathrm{\chi \eta })}---\left(2\right)$>

其中，η为薄膜和基体材料的厚度比，χ为薄膜和基体材料的弹性模量比，d_f和d_s分别为薄膜和基体的厚度；

(6)采用高倍光学显微镜对被测薄膜表面形貌进行实时观察和摄录像；

(7)通过测量试样表面裂纹密度，得出裂纹密度与施加应变之间的关系，采用反推法得到裂纹密度为零时所对应施加的应变值，将该应变数值定义为该薄膜材料的临界开裂应变。

反推法具体为：裂纹密度(ρ)与施加应变(ε)之间近似满足指数递增关系：

$>\rho ={\rho }_0+\mathrm{Aexp}(-\frac{ϵ}{{ϵ}_0})---\left(3\right)$>

其中，ρ₀为饱和裂纹密度，A和ε₀为拟合常数。

首先，通过式(3)对实验测量的裂纹密度与施加应变关系曲线进行拟合，得到拟合常数A和ε₀数值，然后令上式裂纹密度ρ＝0，根据已知参数计算出对应裂纹密度为零时的应变值，将该应变定义为薄膜的临界开裂应变。

本发明所测试的薄膜材料为通过各种物理和化学等技术制备在柔性电子基板上的薄膜。

实施例1

本发明原位评价系统的原理图如图1所示。

采用磁控溅射方法在厚度为125μm的聚酰亚胺基体上制备总厚度为1μm、单层厚度均为50nm的Cu-Ni多层薄膜。将试样裁切成尺寸为12mm×2mm的矩形。首先根据试样原始长度将测试系统的简支梁可动端和简支梁固定端间距调节到与试样尺寸相匹配的合适距离处。按照图2之(b)所示的放置状态，将样品放置于简支点15之上，通过螺旋测微器1和平衡弹簧2驱动平动滑块3发生水平微动，试样6发生正弯曲，从而对聚酰亚胺基体上的Cu-Ni多层膜施加恒定拉应变。记录简支点间距，并同时通过高倍光学显微镜和CCD探头采集此时试样表面形貌变化的图像。保持30秒后继续加载，并记录简支点间距和对应时刻试样表面的形貌图像。试样表面形貌光学图像观察表明，随施加应变的增加，试样表面裂纹间距逐渐减小，新裂纹易于在已形成的裂纹间萌生和扩展。如图3之(a)所示，施加应变为0.39％时，裂纹1～3的裂纹间距较大；如图3之(b)所示，施加应变增加到0.70％时，裂纹5和裂纹6分别萌生于裂纹1～2以及裂纹2～3之间。当施加应变超过1.54％后，裂纹密度不再增加，达到饱和值。裂纹密度与施加应变的关系曲线如图4所示。根据裂纹密度与施加应变关系曲线，反推至裂纹密度为零时，即裂纹萌生时的临界应变值为0.3％。

实施例2

采用磁控溅射方法在厚度为125μm的聚酰亚胺基体上制备总厚度为1μm、单层厚度均为50nm的Cu-Ta多层薄膜。将试样裁切成尺寸为12mm×2mm的矩形。首先根据试样原始长度将测试系统的简支梁可动端和简支梁固定端间距调节至合适距离处，如图2之(c)所示，该放置状态将样品放置于简支点上，通过螺旋测微器1和平衡弹簧2驱动平动滑块3水平运动，试样6发生反弯曲，从而对聚酰亚胺基体上的Cu-Ta多层膜施加恒定压应变。记录简支点间距L，并同时通过高倍光学显微镜和CCD探头采集此时试样表面形貌的图像。保持30秒后继续加载，并记录简支点间距和对应时刻试样表面形貌图像。试样表面形貌光学图像观察表明，Cu-Ta多层薄膜承受压应变时将产生翘曲现象，如图5中箭头所示。翘曲间距和翘曲宽度分别为93±26μm和27±4μm。根据对薄膜表面形貌随施加应变演化过程进行分析，该Cu-Ta多层膜发生翘曲时的临界应变值为0.5％。

实施例结果表明，本发明通过螺旋测微器向薄膜和柔性基体组成的复合梁施加精确可控的步进位移进行简支梁弯曲实验，根据简支梁跨距和试样尺寸等参数及几何关系，计算出与简支梁跨距对应的实时施加应变值，结合原位的微观观察及随后的扫描电镜表征，并通过测量试样表面裂纹密度，得出裂纹密度与施加应变之间的关系，采用反推法得到裂纹密度为零时所对应施加的临界开裂应变值，评价薄膜材料在弯曲载荷作用下发生的正弯曲和反弯曲分别造成的拉应变和压应变作用下的不同损伤行为及其临界开裂应变值，对薄膜材料弯曲断裂性能进行评价；本发明无需考虑薄膜材料的导电性，实验操作简单快捷，且可对样品进行原位定点、定位、实时观测与分析。