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二维马蹄形可拉伸互连结构的分层失效表征研究

作者及发表信息
本研究由Cheng Chen、Shaoxuan Chen、Wanghang Gu、Hongru Zhang和Bing Liu*（通讯作者）合作完成，作者单位均来自中国天津商业大学机械工程学院。研究成果发表于期刊《Polymer Testing》第94卷（2021年），文章编号107041，于2020年12月28日在线发表，遵循CC BY-NC-ND 4.0开放获取许可协议。

学术背景
研究领域为柔性电子器件的力学性能表征，重点关注可拉伸互连结构在复杂变形下的分层失效行为。随着柔性电子技术（如电子纸、可植入传感器等）的快速发展，“岛桥”结构成为实现器件延展性的关键设计，其中作为“桥”的互连结构需承受大部分机械变形。二维马蹄形（two-dimensional horseshoe）结构因其几何优势被证明是优化设计，但其多层复合界面在拉伸过程中易发生分层失效（delamination failure）。传统检测方法（如扫描电镜SEM）存在操作繁琐、无法全局观测等局限，而数字图像相关技术（digital image correlation, DIC）具有全场实时测量优势，但此前鲜见其在图案化互连结构失效预测中的应用。本研究旨在通过DIC方法实现分层失效的高效检测与预测，为柔性电子设计提供理论支持。

研究流程与方法
1. 样本制备
- 材料与工艺：以聚二甲基硅氧烷（PDMS）为基底，通过光刻和转移技术制备二维马蹄形铜互连结构（厚度2–3.5 μm）。具体流程包括：PDMS旋涂、紫外臭氧（UVO）处理、聚酰亚胺（PI）涂层、钛/铜溅射、电镀铜膜、光刻图案化、水溶胶带剥离转移等（图3）。
- 几何参数：单元宽度100 μm，圆弧半径365 μm，弧角210°，最终切割为40 mm×10 mm的条状样本（图4）。

1. 实验系统搭建

   • 光学系统：采用双远心镜头（bi-telecentric lens）与CCD相机组成低畸变（<0.5%）光学检测系统，结合LED环形光源实现均匀照明（图1）。
     
   • DIC原理：基于零归一化最小二乘（ZNSSD）相关函数，通过匹配变形前后子区灰度信息计算位移场，进而导出冯·米塞斯应变场（von Mises strain）。关键参数：子区尺寸29×29像素，网格步长6像素，空间分辨率57像素/mm（图2）。
     

2. 可行性验证

   • 散斑影响测试：对比喷涂散斑与未处理样本的拉伸曲线，线性拟合显示散斑对力学性能无显著影响（R²>0.99，图6）。
     
   • 位移校准：利用激光干涉仪（精度1 nm）验证平台位移误差 μm，DIC系统平均位移误差<0.95%（表1）。
     

3. 拉伸实验与失效分析

   • 条件设置：在25–100℃下对四种厚度样本进行单轴拉伸（速度200 μm/s），通过红外热像仪控温。
     
   • 应变场分析：DIC输出全场应变，识别“空白点”（计算失效区域）作为分层起始标志。通过水平参考线（line AB）提取应变波形，计算失效点应变差（图9, 12）。
     

主要结果
1. 应变场分布特征：冯·米塞斯应变场呈现与二维马蹄形几何强相关的三区域分布（图9）：
- 小应变区（紫色，应变~0.015）：对应互连中部单元，呈60°倾斜条带状。
- 大应变区（红色，应变~0.037）：椭圆状分布于条带间隙，反映基底变形。
- 均匀应变区（应变~0.026）：未覆盖金属的PDMS区域。
区域边界应变差高达147%，成为分层失效的起始位置。

1. 失效预测模型：

   • 临界应变差：2 μm厚样本在50℃拉伸3.2 mm时，失效点应变差为0.0187（图12）。以此为标准，成功预测其他四个潜在失效点（表2）。
     
   • 温度与厚度影响：100℃下应变增长率比25℃低8–15%，且金属层越厚降低越显著（图11）。
     

2. 失效扩展机制：分层始于局部界面失配，随后以非连续方式扩散（图10），表明二维马蹄形结构具有抗大面积瞬时失效的能力。

结论与价值
1. 科学价值：
- 揭示了二维马蹄形互连的应变场演化规律与几何构型的关联性。
- 提出基于DIC应变差的失效预测方法，为柔性电子可靠性评估提供新工具。

1. 应用价值：
   
   • 指导高温或特定厚度条件下的柔性电子设计，如优化金属层厚度以平衡延展性与稳定性。
     
   • 为其他图案化互连结构（如蛇形、波浪形）的失效研究提供方法论参考。
     

研究亮点
1. 方法创新：首次将DIC技术应用于图案化互连的分层失效预测，开发了基于应变差的定量判据。
2. 发现新颖性：揭示应变场“三区域”分布特征及其与几何参数的映射关系。
3. 技术整合：结合双远心光学系统与高精度温控拉伸台，实现微米级变形的多环境测量。

其他价值
实验数据（如原始应变场图像、位移校准记录）可为后续研究提供基准，但因法律限制暂未公开。此外，研究得到中国国家自然科学基金（51805371）和大学生创新创业训练计划（201810069009）支持。