文章导读
岛-桥结构是一种广泛应用于可延展无机电子器件的设计策略，其中，相邻两刚性岛之间的互连导线承受着系统的几乎所有变形。然而，传统的实心弹性基底和封装材料往往会严格限制互连导线的变形，导致整个电子系统的弹性延展性显著下降。尽管已有多种方法/策略被提出以增强互连导线的弹性延展性，但是，一种同时适用于基底和封装层，并兼具高弹性延展性和良好透气性的简易有效设计策略仍有待开发。
基于此，孟宪红教授和薛兆国副教授课题组在International Journal of Smart and Nano Materials上发表了题为“Design strategy of porous elastomer substrate and encapsulation for stretchable inorganic electronics”的研究论文，提出了一种简单易行的结构设计策略，利用可定制化多孔弹性薄膜作为可延展无机电子器件系统的基底和封装层（见图1a），可显著增强封装后互连导线的弹性延展性，提升电子器件的可靠性和使用寿命。此外，由于多孔薄膜结构固有的优异透气和散热性能，能够显著提高可穿戴电子设备的热管理性能和使用舒适性。该策略可以为推进可延展无机电子领域发展提供深刻的启发和新颖的概念。
在这种基于多孔基底和封装层的岛-桥结构中，蛇形互连导线完全粘附在弹性基底上，仅悬空于圆孔上方的部分能够发生自由面外变形，与传统的实心结构相比，有限元仿真分析(FEA)证明了弹性拉伸性能的显著增强(例如，未封装≈9倍，封装≈7倍)。
图1. 岛-桥结构多孔弹性基底及多孔封装策略的示意图与分析
课题组对这种设计策略进行系统的研究，首先对岛-桥结构中多孔弹性基底上的蛇形互连进行了分析。提取基底和导线的4个关键设计参数（Φ, n, l, m）并进行分析，研究发现，仅改变多孔基底结构或蛇形互连的构型不会对弹性延展性产生显著的影响，这两者相对位置的耦合造成了以圆形轮廓为界限的蛇形互连导线上的两种变形模式的区分，即完全粘附的部分只能发生有限的面外起皱，而悬空在圆孔上方的部分可以发生几乎完全自由的面外变形，这种复杂相互作用使得精确的分析具有挑战性。因此，引入面外变形因子α，其定义为：互连导线不受限发生自由变形的长度与总长度的比值。可以发现，对于不同参数组合的多孔基底和蛇形互连导线，弹性延展性相对面外变形因子α的二维散点均分布于两条指数曲线包围的区域内，该结论可为圆孔与导线的合理设计提供指导。
图2. 具有蛇形互连的多孔弹性基底弹性延展性的计算分析
进一步地，将多孔弹性薄膜作为封装层，在保持高拉伸性的同时实现互连导线的保护。图3结果表明，对于多孔封装后的基底，在刚性岛周围的应变集中和互连导线变形引起的极端面外运动得到了明显的缓解，从而降低了断裂破坏的风险。
图3. 多孔封装策略对基底性能的力学分析
考虑到互连导线和基底的几何构型，选择P1和P2两个具有代表性的案例进行详细分析。可以观察到，不同的基底与封装层的圆孔相对直径(，系统的弹性延展性变化较少。此外，封装层厚度无论是低于还是超过刚性岛的厚度(tencap/tisland)（对应两种封装形式：导线封装和全封装，以适用于不同的器件应用需求），对弹性拉伸性能的影响同样较少。这表明多孔封装可以成为一种通用的设计策略，以满足各类功能电子器件的需求，无论器件是否需要部分暴露于外部环境，对整体拉伸性能的影响均很小。
图4. 蛇形互连导线多孔封装策略的力学分析
最后，通过单轴循环加载疲劳实验，验证了该设计策略在增强弹性延展性和力学可靠性方面的有效性。在不同循环加载应变下，通过观察蛇形导线的微裂纹情况，可确定实心和多孔封装系统的弹性延展率范围。结果表明，图中举例演示的多孔系统的弹性延展率范围为15%-20%，是实心封装系统的2-3倍（5%-10%）。这一实验结果与有限元仿真预测结果十分吻合，进一步证明了多孔设计在增强可延展无机电子延展性和耐久性方面的显著优势。
图5. 疲劳实验结果
北京航空航天大学航空科学与工程学院硕士生李嘉馨为本文第一作者，薛兆国副教授为通讯作者。
课题组简介
孟宪红，北京航空航天大学航空科学与工程学院教授。长期从事柔性电子器件力学、力学模型和断裂力学等方面的研究工作，在Physical Review Letters、International Journal of Solids and Structures、ASME-Journal of Applied Mechanics和Journal of Physics D等期刊发表论文50余篇。荣获得2023年度“中国航空学会科学技术奖”自然科学二等奖、2022年度“机械工业科学技术奖”技术发明奖二等奖。近年来，主持军口863项目（6项），173领域基金重点项目，国家自然科学基金-面上项目（3项），国家重大专项子项目等多项国家级项目。
薛兆国，北京航空航天大学航空科学与工程学院副教授。入选2018年全国博士后创新人才支持计划，目前担任英国皇家学会会刊《Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences》编委和《International Journal of Extreme Manufacturing》青年编委。主要研究方向为三维柔性电子器件的力学设计、柔性可延展电子器件和微纳电子器件等，目前已发表三十余篇学术论文，其中以第一/通讯作者在Science Advances（封面）、Nature Communications、Advanced Materials、Nano Letters、Advanced Functional Materials、Small、NPG Asia Materials、Science China Materials（封面）、Nanoscale和ASME-Journal of Applied Mechanics等期刊发表论文二十余篇。主持173领域基金项目，国家自然科学基金-面上项目等多项国家级项目。
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引用：
Li, Jiaxin, Xianhong Meng, Yunfei Shen, Junlin Gu, Guoquan Luo, Ke Bai, Hailong Li, and Zhaoguo Xue. 2024. “Design Strategy of Porous Elastomer Substrate and Encapsulation for Inorganic Stretchable Electronics.” International Journal of Smart and Nano Materials 15 (2): 330–47. doi:10.1080/19475411.2024.2342871.
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期刊介绍
International Journal of Smart and Nano Materials
名誉主编：
杜善义 院士，哈尔滨工业大学
Ken P. Chong 教授，华盛顿大学
主编：
冷劲松 院士，哈尔滨工业大学
International Journal of Smart and Nano Materials是哈尔滨工业大学和Taylor & Francis集团合作出版的开放获取英文期刊，拥有由知名学者组成的国际化编委团队。IJSNM 被Science Citation Index数据库收录，2022年影响因子为3.9。
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