可拉伸电路板设计新方法

可拉伸应变耐受软印刷电路板：可拉伸互连设计规则的系统化方法

1. 引言

超薄电子皮肤（e‐皮肤）通过促进人体与自主人工特征之间的交互，拓展了电子设备的应用潜力。近年来，非侵入式表皮健康监测系统作为e‐皮肤的代表性应用备受关注，该系统能够高保真地采集使用者的身体运动信号[1–3]和生命体征[4,5]。此外，随着对定制化（即个性化）电子设备的需求显著增加，下一代e‐皮肤电路将被开发为可贴合于人体或软体机器人任意形状的表面[6]。为满足这些要求，有必要引入机械柔顺软平台以及相关的制造策略，并实现高度自由度的设计[7–12]。在这方面，增材喷墨打印因其可通过直接书写实现便捷的定制化、具备良好的可扩展性以及低温加工能力，成为最具吸引力的候选技术之一[13]。

本文介绍了一种通过喷墨打印实现的应变耐受型柔性印刷电路板（SPCB），重点在于基于理论的高可靠性喷墨打印可拉伸互连和高效应变分布接触的实现以及实验分析。经过优化的互连在25%拉伸应变下的1万次循环测试中表现出优异的可靠性，并且很好地保持了初始导电性，而未经结构设计的互连则在长期运行期间出现了意外断裂。此外，通过采用应变调控结构，成功分散了由于刚性组件与柔性平台之间杨氏模量差异较大而在界面附近集中的拉伸应变，从而在拉应力下实现了更佳的器件可靠性。这些实验结果进一步得到了有限元法（FEM）分析的支持。这些优化使得SPCB在各种机械变形条件下均能实现高可靠性，即使在完全折叠状态和25%拉伸应变的不规则变形状态下也能保持性能。

2. 实验方法

柔性基板

将制备好的PDMS混合物（Sylgard 184、道康宁和固化剂，质量比为20:1）以400转/分钟的速度旋涂60秒至载玻片上，该载玻片上已沉积一层薄的聚乙烯醇（PVA）（西格玛奥德里奇，平均分子量31000‐50000，87–89%水解）作为牺牲层。所制备的PDMS薄膜厚度为300 μm。在加热板上于100摄氏度下固化PDMS层2小时后，将其从载玻片上剥离，并使用研究人员自制的机器进行预拉伸（25%）。

可拉伸互连

在使用喷墨打印形成金属互连之前，对柔性基板进行30分钟的紫外‐臭氧（UVO3）处理，以提高表面能（即亲水性），从而获得更好的油墨润湿性能。采用喷墨打印机（DMP‐2831，Dimatix公司）将银纳米颗粒油墨（AgNP油墨；DGP 40LT‐15C，ANP公司）打印在预拉伸的PDMS基底上，随后在125摄氏度持续1小时进行退火处理。需要注意的是，由于采用了优化的喷射条件，在整个打印过程中未出现喷嘴堵塞问题（补充图S1）。为了将集成电路（ICs）与打印的互连连接，使用点胶机（SHOTmini 200Sx，武藏工程）涂布高导电性的银环氧树脂层作为粘合层。

应变分布器

使用定制的双轴可控印刷设备，将介电粘合环氧树脂印刷在聚二甲基硅氧烷（PDMS）上集成电路（ICs）放置位置附近的印刷触点焊盘周围，该工艺通常用于印制电路板（PCB）中，以防止焊盘附近出现应变集中。随后在对流烘箱中于170摄氏度持续1小时进行退火处理。由于此前已进行30分钟的UVO3表面处理，所印刷的环氧树脂表现出良好的润湿性和附着力到聚二甲基硅氧烷（PDMS）表面（补充图S2）[14]。在柔性基板恢复至初始状态后，实现了具有可拉伸皱褶互连的SPCB。制造过程见补充图S3。

3. 结果与讨论

3.1. 耐应变柔性印刷电路板

图1展示了在机械形变下具有高可靠性的应变容忍型SPCB。通过采用超薄PDMS基底，该SPCB表现出对任意形状的出色共形性，使其可应用于人体皮肤（图1a）。所提出的柔性系统由空间高效的可拉伸皱褶互连、应变介导结构以及集成电路上的可拉伸基板组成。为确保集成电路在各种形变（如拉伸、扭曲、折叠和揉皱，分别如图1b‐e所示）下的可靠运行，引入了空间高效的可拉伸皱褶互连和应变介导结构。喷墨打印薄膜的最佳厚度实现了高度有序的皱褶互连，可在拉应力下防止永久性的电气/机械失效。此外，众所周知，通过在柔性基板中引入具有不同杨氏模量的附加结构，可以调节应变集中程度[8,9]。本研究中，对应变建议使用调制器及其计算模拟结果。

3.2. 喷墨打印可拉伸互连

实现可拉伸互连的一种代表性策略是引入具有褶皱结构的薄金属膜[13,15–19]。通过将金属电极印刷到预先拉伸且具有足够大弹性势能的聚二甲基硅氧烷（PDMS）上，在释放后可在印刷的金属电极上形成褶皱结构。可拉伸性主要由褶皱的规整性决定。

如果打印膜过厚，则会形成不规则的褶皱，而在对应的薄膜上则会形成规则的褶皱（图2a），因为压缩厚膜需要较大的外力。打印膜的厚度主要由打印液滴之间的距离（称为“液滴间距（DS）”）决定；因此，若以更小的DS进行打印过程，则会得到相对较厚的膜（补充图S4）。不同DS下印刷互连线路的轮廓如（图2b）所示。需要注意的是，DS 35、25 和 15 分别表示液滴之间为 35、25 和 15 μm的距离。对于较厚的电极（DS 15；tavg= 2.97 μm），机械应变更集中于咖啡环效应产生的特定厚边区域[20,21]，在4千次循环拉伸后仅显示出明显裂纹，与薄电极（DS 35；tavg= 0.92 μm）的结果不同（图2c）。为了研究不同厚度喷墨打印褶皱互连的可靠性，在25%拉伸应变下也进行了1万次循环测试（图2d）。电极（DS 35、25 和 15）的初始方阻分别为0.99、0.74和0.52 Ω/sq。由于采用了固定的印刷条件，例如印刷温度、喷墨频率、喷墨输入脉冲和喷嘴高度，因此能够重复获得几乎相同的互连图案以及类似的电阻变化结果。

图3。（a‐b）所提出的用于分析柔性基板上集成电路附近应变分布的模型示例。（c）无和有静电放电保护结构的仿真模型。（d）仿真结果，分别显示基底顶面（左）和基板内部（右）的应变分布。（e）通过有限元法分析的不同应变分布器设计下的基底应变曲线。

图4。(a) 设计的静电放电保护结构和（b）根据集成电路封装（4‐SMD、8‐UFQFN、0603 和 0402）计算的应变曲线。

基于上述结果，已成功使用印刷技术实现了 SPCB原型。由振荡器、分频器、移位寄存器和 LED组成的电路布局如图5a和补充图S5所示。频率为32赫兹的脉冲波信号通过串联连接的分频器变为2赫兹的信号，然后将该信号输入到移位寄存器序列中。在25%双向应变下进行3千次循环测试后，即使在拉伸状态（目标 ε= 25%，1秒后），SPCB仍表现出可靠运行；当时钟信号被分频器精确分频时，规则移位操作与2赫兹时钟同步，并点亮了LED（图5b‐e）。只有当所有组件（包括互连、集成电路和环氧层）在25%拉伸应变下具有耐应变性，且无断开、疲劳或分层问题时，才能表现出这些行为。

图5。（a）由32 Hz振荡器、分频器、移位寄存器、LED和无源器件组成的SPCB原型。（b‐c）数据移位操作的光学图像，以及（d‐e）在25%双向应变下经过3000次循环后（b, d）初始状态和（c, e）25%拉伸状态下的信号波形。

4. 结论

本文提出了利用印刷技术实现耐应变柔性印制电路板（SPCB）的两种关键策略：在柔性基板与刚性集成电路（IC）连接处引入褶皱金属互连和应变分布器。这使得SPCB原型在各种变形条件下仍可实现可靠运行。此外，通过有限元法（FEM）对应变分布的分析验证了环氧应变分散器（ESD）的作用效果。本研究结果为在机械变形甚至拉伸条件下实现高可靠性定制电路提供了有前景的途径。