柔性电子的力学可靠性检测简析

柔性电子器件以柔性材料为基础。电子材料与器件由刚向柔转变过程中，传统的刚性测试方法变得无法完全适应。柔性电子器件不受传统刚性物理状态的限制，通过减薄降低封装以及曲面贴合的难度，使用中的弯曲、拉伸等力学形变为材料及器件引入应力或应变，大范围改变了材料和结构特性，实现了光学、力学、电学等物理量调控，为保证使用功能以及寿命,对柔性器件力学可靠性的测试尤为重要。其检测的核心在于解决器件膜层界面失效问题。

受产品检测成本和使用体验影响，这类检测往往只选取有限的生产样品进行实验室实验。常用的力学可靠性测试包括：环境测试（如：高低温测试、湿热度组合循环测试）、机械冲击振动测试（如：热冷冲击测试、振动测试）、电学测试（如：静电放电抗干扰测试、电快速脉冲群测试）、机械应力测试（如：折叠、扭转、卷绕）。所采用的检测方法多为传统实验力学方法，如云纹干涉法测量封装件的热机械变形，红外光弹法观测硅通孔周围的芯片在温度循环过程中应力的实时变化等。这些方法可以很好地解决二维应力问题，但对于解决界面失效问题则略显不足，因为反映界面失效的是测量样品的层状三维应力分布，这在当前的检测领域内几乎是个空白。

以柔性折叠屏为例，该类产品往往在一定使用过程中出现折痕、崩裂等问题，很重要一部分原因是目前对其性能的检测与定量评价体系尚不完善，相应评价依据较少且不一，不同测试流程获取的结果不具备高对比性。针对柔性折叠屏检测分析，包括弯折疲劳测试和抗冲击测试，关键是研制稳定可靠的材料弯折及冲击加载等测试系统并发展相应的定量评价体系，为此需要先对测试过程中特征影响参量进行系统分析，理解测试时各参量同柔性折叠屏应力分布形式的相互影响关系如下图一所示。另外，需要为柔性折叠屏的性能测试建立稳定可行的测试规范，并通过大量实验对测试系统及流程进行多次迭代改进，最终建立一套定量评价体系。通过该测试及评估技术的应用，获取柔性折叠屏可靠性分布图，进而完成对生产工艺的有效反馈与优化。

2019年，中国电子技术准备化研究院、广西赛西标准检测研究院有限公司、昆山维信诺科技有限公司、京东方科技集团股份有限公司、东南大学联合制订了柔性显示器件第6-1部分：机械应力试验方法（GB/T 38001.61-2019/IEC62715-6-1:2014）的国家标准。GB/T38001中规定了用于评价柔性显示模块的机械应力试验方法，包括采用液晶显示、电子纸和有机发光二极管显示等技术的柔性显示模块，为柔性与印刷电子的柔性测试提供了依据。与非柔性显示模块相比，柔性显示模块具有形状可变的特性。因此，对其进行多种类机械应力试验，例如循环弯曲或动态弯曲、静态弯曲、卷曲、复合弯曲试验等。目前，柔性材料（石墨烯、导电高分子、水凝胶、液态金属等）和柔性器件（传感器、探测器、电池、电容器、电子皮肤、OLED等）对于柔性测试的检测需求越来越多，GB/T38001的发布对于规范行业评价体系，具有重要的指导意义。

湖南纳昇印刷电子科技有限公司推出的FlexTest系列柔性材料与器件测试系统，提供了一种模块化的柔性测试精密仪器，即同一主机兼容多种测试夹具的测试系统，兼容五类测试模式（折、弯、扭、拉、卷），11个基础模拟测试动作，并可扩展光、电、力、磁的测试模块，旨在为柔性与印刷电子领域的开发者提供一种工业可靠性测试工具，可满足柔性材料与器件可靠性测试要求（图4-24）。

柔性电子检测领域目前还面临诸多挑战，存在着机理机制不明、检测仪器欠缺和人才不足等问题。尽管科研界对于失效机制的研究已经有了一定的认识：失效是不同封装材料间的热失配，电迁移造成的，但仍有大量的前沿科学问题有待解决，如：界面力学与界面断裂力学问题、力-热-电-质量扩散等多场耦合条件下的力学分析、微纳尺度下的封装材料的热机械性能测试。目前我国柔性电子检测产业尚未发展壮大，所用的检测方法较为传统，中高端仪器国产率低，成本高，在此情况下难以形成行业或产业检测规范。由于柔性电子技术属于物理学、数学、生物医学等多学科交叉，因此检测研究人员也需要多学科研究人员，这对当前的发展尤为棘手。建议从器件柔性机理研究、检测仪器开发与检测规范、检测研究团队及人才培养三个角度着手下一步发展。首先建立专业的柔性电子检测中心，以此平台汇聚、培养研究人才，着手解决前沿关键科学问题；研制新的测量方法、研发实验室所用的检测仪器，制定实验室检测规范；根据生产需求和市场需求，发展国产化的检测仪器，培训专业检测人员，以此促进行业发展。