專利名稱：一種無機(jī)柔性電子器件系統(tǒng)集成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無機(jī)柔性電子器件系統(tǒng)集成的方法，屬于電子器件集成及界面力學(xué)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在工業(yè)化程度已經(jīng)非常高的電子產(chǎn)業(yè)中，傳統(tǒng)的單晶硅仍然是應(yīng)用最廣泛的電子材料，以硅為代表的無機(jī)半導(dǎo)體材料因其資源豐富，易于凈化和摻雜，具有良好的電子輸運(yùn)性能，用其所制作的電子產(chǎn)品因其體積小、重量輕、可靠性強(qiáng)和壽命長等優(yōu)點(diǎn)占有了絕大部分的市場(chǎng)。傳統(tǒng)的無機(jī)電子產(chǎn)品已經(jīng)經(jīng)歷了數(shù)代發(fā)展，但這些材料往往硬而脆，可延展性不強(qiáng)，在單向拉伸實(shí)驗(yàn)中，僅僅可以承受量級(jí)為左右的軸向應(yīng)變，這也大大制約了電子產(chǎn)品的進(jìn)一步發(fā)展。為適應(yīng)下一代電子產(chǎn)品在可移植性、輕便化與便攜性等方面的高要求，從 1998年Bowden等人首先發(fā)現(xiàn)金屬薄膜在彈性襯底上的有序屈曲現(xiàn)象以來，隨著材料科學(xué)和力學(xué)的不斷發(fā)展，人們提出柔性電子的概念，致力于發(fā)展新的材料形式的和制備方法來實(shí)現(xiàn)出可承受彎、扭、拉和壓等變形，能適應(yīng)生物體的曲率且性能保持良好的電子產(chǎn)品。
為實(shí)現(xiàn)這樣的柔性技術(shù)，所用的有效電子器件尺度一般都在微米甚至納米的量級(jí)，另一方面，由于成本和技術(shù)的限制電子系統(tǒng)的各元器件大多是分開生產(chǎn)，最后再集成到所需襯底上的，因此，對(duì)于上述微納米量級(jí)的電子器件的集成就成為了不能逃避的困難。
2006年美國伊利諾依大學(xué)的Rogers教授和美國西北大學(xué)的Y. Huang (黃永剛)教授帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于軟印刷術(shù)(Soft Lithography)的轉(zhuǎn)印方法(Transfer Printing)來實(shí)現(xiàn)柔性電子的集成。他們通過實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明，這一技術(shù)可以廣泛用于各種電子材料，并且能夠直接集成到曲面。這種方法巧妙的應(yīng)用界面強(qiáng)度的速度相關(guān)性，使得整個(gè)集成過程不影響到待集成的微電子結(jié)構(gòu)的電學(xué)性質(zhì)，除此而外，它對(duì)集成材料的力學(xué)、 物理性質(zhì)依賴性不強(qiáng)，因此具有十分廣泛的應(yīng)用前景。轉(zhuǎn)印技術(shù)是一種利用黏彈性圖章 (Stamp)將分開制造的無機(jī)電子器件從母體(mother substrate)上有序集成到目標(biāo)柔性襯底(target substrate)的過程，其力學(xué)機(jī)制是界面間的競(jìng)爭(zhēng)斷裂，即當(dāng)多個(gè)界面在一定條件下同時(shí)具有破壞傾向時(shí)，此條件下界面強(qiáng)度最低的界面將首先發(fā)生破壞。轉(zhuǎn)印技術(shù)通常的技術(shù)方案，是利用圖章黏彈性的界面強(qiáng)度速度相關(guān)性，通過不同的剝離速度來實(shí)現(xiàn)界面強(qiáng)度的控制，進(jìn)而主動(dòng)地選擇破壞的界面。
根據(jù)轉(zhuǎn)印技術(shù)的特點(diǎn)和原理，可以清楚的發(fā)現(xiàn)，有效的控制界面的強(qiáng)度是控制整個(gè)轉(zhuǎn)印過程的核心。長期以來的生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)實(shí)驗(yàn)以及界面力學(xué)的發(fā)展，人們?cè)岢鲞^很多關(guān)于控制界面強(qiáng)度的理論和方法。一種最常用的策略就通過界面涂層進(jìn)行化學(xué)改性以實(shí)現(xiàn)對(duì)界面的強(qiáng)度的控制，但是這種方法對(duì)構(gòu)成界面物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)依賴極強(qiáng)，因而存在很大的局限性。近年來許多學(xué)者受生物力學(xué)的啟發(fā)，提出了通過設(shè)計(jì)界面微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理論來控制界面的強(qiáng)度的理論。例如，壁虎腳與墻體接觸時(shí)形成的纖維狀界面接觸結(jié)構(gòu)能夠增強(qiáng)界面的黏著力，即增強(qiáng)了接觸面的強(qiáng)度。學(xué)者們也進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)來研究纖維狀結(jié)構(gòu)是如何控制界面強(qiáng)度的。目前，已經(jīng)能夠從機(jī)理上對(duì)其進(jìn)行解釋和定量的分析。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種無機(jī)柔性電子器件系統(tǒng)集成的方法，該方法可實(shí)現(xiàn)適應(yīng)于不同無機(jī)柔性電子器件的可控性轉(zhuǎn)印集成技術(shù)。本發(fā)明中，引入帶圖案O^ttern)的黏彈性圖章， 通過黏彈性圖章上圖案對(duì)圖章與無機(jī)柔性電子器件間界面的強(qiáng)度的定量調(diào)控，同時(shí)結(jié)合黏彈性對(duì)界面調(diào)控理論，使得轉(zhuǎn)印過程在保證轉(zhuǎn)印效率的情況下，轉(zhuǎn)印速度的可選范圍更寬， 轉(zhuǎn)印過程更加可控，并拓寬了轉(zhuǎn)印技術(shù)的使用范圍。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下
1. 一種無機(jī)柔性電子器件系統(tǒng)集成方法，其特征在于該方法包括如下步驟
1)通過多次改變剝離力進(jìn)行剝離實(shí)驗(yàn)來擬合用以表征表面光滑的黏彈性圖章與待集成無機(jī)柔性電子器件間界面的能量釋放率與界面破壞速度關(guān)系的Gtl-V曲線；
2)在光鏡下觀察和測(cè)定單位面積無機(jī)柔性電子器件上帶圖案的黏彈性圖章與待集成無機(jī)柔性電子器件的實(shí)際接觸面積$；
3)任意選取剝離力對(duì)帶圖案的黏彈性圖章與待集成無機(jī)柔性電子器件間界面進(jìn)行剝離實(shí)驗(yàn)，記錄此時(shí)帶圖案的黏彈性圖章與待集成無機(jī)柔性電子器件間界面的界面破壞速度Vtl以及能量釋放率(^P (Vtl)；
4)在步驟1)中確定的光滑的黏彈性圖章與待集成無機(jī)柔性電子器件間界面的 G0-V曲線中，得到Vtl所對(duì)應(yīng)的光滑的黏彈性圖章與待集成無機(jī)柔性電子器件間能量釋放率 G0 (V0)，將 Gp (v0)和 G0 (v0)代入公式
Gp (v0) = SpG0 (v0) + W0P (Fpo ) + Wf (Fpo)(1)
其中=WcT是界面破壞時(shí)單位面積無機(jī)柔性電子器件上帶圖案的黏彈性圖章上圖案產(chǎn)生的附加變形能；
是界面破壞時(shí)單位面積無機(jī)柔性電子器件上帶圖案的黏彈性圖章中圖案基底產(chǎn)生的附加變形能；
帶圖案的黏彈性圖章產(chǎn)生的附加黏附力為Fro = μ π R · G0(V0)；
R為圖案的特征尺寸，μ為3)中所用帶圖案的黏彈性圖章產(chǎn)生的附加黏附力的修正系數(shù)，由公式(1)求得；
5)根據(jù)步驟4)中計(jì)算出的附加黏附力修正系數(shù)μ和步驟1)中得到的光滑的黏彈性圖章與待集成無機(jī)柔性電子器件間界面的Gcrv曲線、實(shí)際接觸面積$、式Fp = μ ^R-G0(V)以及式σρ(ν) = ν 。(ν) + <(&) + <(&)，建立表征帶圖案的黏彈性圖章與待集成無機(jī)柔性電子器件間界面的能量釋放率隨界面破壞速度變化的Gp-V曲線；
6)對(duì)帶不同圖案的黏彈性圖章重復(fù)以上步驟1)到5)，確定每個(gè)圖章與待集成無機(jī)柔性電子器件間界面的能量釋放率與界面破壞速度關(guān)系的Gp-V曲線；
7)通過剝離實(shí)驗(yàn)測(cè)定出待集成無機(jī)柔性電子器件與其集成前所在的母體襯底材料間的能量釋放率Gm，以及待集成無機(jī)柔性電子器件與所需集成到的目標(biāo)襯底材料間界面的能量釋放率Gt ；
8)在已確定Gp-V曲線的帶不同圖案的黏彈性圖章中，選擇的一種帶圖案的黏彈性圖章置于待集成無機(jī)柔性電子器件上并保持良好接觸，選擇滿足(^p (V1) > Gffl的速度V1將帶圖案的黏彈性圖章撕起，使待集成無機(jī)柔性電子器件脫離母體并與黏彈性圖章底面保持良好粘合；
9)將步驟8)中底面粘有待集成無機(jī)柔性電子器件的帶圖案的黏彈性圖章置于目標(biāo)襯底上的指定位置并使兩者保持良好接觸，選擇滿足(^p (V2) < Gt的速度V2將帶圖案的黏彈性圖章撕起，使待集成無機(jī)柔性電子器件集成到目標(biāo)襯底的指定位置上以完成轉(zhuǎn)印。
上述技術(shù)方案中，步驟4)中帶不同圖案的黏彈性圖章產(chǎn)生的附加黏附力的大小通過附加黏附力的修正系數(shù)μ進(jìn)行修正。
為了便于給出爐『和爐/關(guān)于黏彈性圖章產(chǎn)生的附加黏附力Fp的解析表達(dá)式，步驟 2)-9)中所述帶圖案的黏彈性圖章上的圖案的幾何形狀優(yōu)選采用圓柱形或長方體，并呈點(diǎn)陣狀排列，即在兩個(gè)垂直的方向上相鄰圖案間距各自保持常數(shù)。
本發(fā)明的技術(shù)特征還在于為滿足實(shí)際生產(chǎn)中的轉(zhuǎn)印效率，在步驟8)中剝離速度 V1應(yīng)滿足(^p(V1) >Gm(l+0，步驟9)中剝離速度V2時(shí)滿足(^p(V2) (1+ε) < Gt，其中ε = 0. 05。
本發(fā)明與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)印方法相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)及突出性效果本發(fā)明通過選擇帶不同的圖案的黏彈性圖章對(duì)轉(zhuǎn)印過程進(jìn)行調(diào)控，為實(shí)現(xiàn)無機(jī)柔性器件的高精度和更寬速度范圍的轉(zhuǎn)印集成提供了有力的工具。特別當(dāng)無機(jī)柔性電子器件與母體間界面的強(qiáng)度太高時(shí)， 從母體上將器件剝離下來是很困難的，此時(shí)可以采用能提高界面強(qiáng)度的帶圖案的黏彈性圖章，以使得可以在轉(zhuǎn)印機(jī)構(gòu)能夠承受的速度范圍內(nèi)將無機(jī)柔性電子器件從母體上剝離；當(dāng)無機(jī)柔性電子器件與目標(biāo)體間界面的強(qiáng)度較弱時(shí)，可以使用能降低界面強(qiáng)度的帶圖案的黏彈性圖章，以完成無機(jī)柔性電子器件集成到目標(biāo)體上的過程；使得轉(zhuǎn)印過程在保證轉(zhuǎn)印效率的情況下，轉(zhuǎn)印速度的可選范圍更寬，轉(zhuǎn)印過程更加可控，拓寬了轉(zhuǎn)印技術(shù)的使用范圍， 從而有效克服了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)印方法在低速率下精度較低且有一定的速度限制等問題。


圖1是本發(fā)明一種無機(jī)柔性電子器件系統(tǒng)集成的方法的流程圖。
圖2是本發(fā)明中表面光滑的黏彈性圖章和無機(jī)柔性電子器件間粘合的示意圖。
圖3是本發(fā)明中帶圖案的黏彈性圖章和無機(jī)柔性電子器件間粘合的示意圖。
圖4是實(shí)施例中的(^tl-V曲線。
圖5是實(shí)施例中的^1-V曲線對(duì)應(yīng)的^1(Vtl)與剝離實(shí)驗(yàn)中測(cè)得(^p(Vtl)。
圖6是實(shí)施例中的(^p-V曲線與^1-V曲線的對(duì)比。
圖7是實(shí)施例中的(^p-V曲線、(^1-V曲線、Gm與Gt的對(duì)比，以及Vl、V2的范圍。
圖8是實(shí)施例中用帶圖案的黏彈性圖章將無機(jī)柔性電子器件從母體上剝離過程的示意圖。
圖9實(shí)施例中用帶圖案的黏彈性圖章將無機(jī)柔性電子器件印制到目標(biāo)體上的示意圖。
圖中1-光滑的黏彈性圖章；2-待集成無機(jī)柔性電子器件；3-帶圖案的黏彈性圖章；4-轉(zhuǎn)印機(jī)構(gòu)的夾具；5-待集成無機(jī)柔性電子器件的母體襯底；6-集成無機(jī)柔性電子器件的目標(biāo)體襯底；7-實(shí)施例中的^l-V曲線；8-實(shí)施例中剝離實(shí)驗(yàn)確定的(^p(Vtl)數(shù)據(jù)點(diǎn)； 9-實(shí)施例中的(^p-V曲線；10-實(shí)施例中的代表的Gm的直線；11-實(shí)施例中的代表的Gt的直線；12-實(shí)施例中V1的范圍；13-實(shí)施例中V2的范圍。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。
圖1是本發(fā)明一種無機(jī)柔性電子器件系統(tǒng)集成的方法的操作流程圖，其具體操作步驟如下
a.通過多次改變剝離力進(jìn)行剝離實(shí)驗(yàn)來擬合用以表征光滑的黏彈性圖章1與待集成無機(jī)柔性電子器件2間界面的能量釋放率與界面破壞速度關(guān)系的^l-V曲線。即在剝離實(shí)驗(yàn)中不斷改變剝離力Fpral,測(cè)定此時(shí)的剝離速度v，根據(jù)(v) = Fpeel (ν) /b計(jì)算在此剝離速度下界面的能量釋放率，其中b為剝離界面的寬度，最后用這些離散的數(shù)據(jù)擬合出(^tl-V 曲線。
b.因?yàn)閳D案的存在使得實(shí)際的接觸面積變小，這使界面的強(qiáng)度有著削弱的趨勢(shì)。 而帶圖案的黏彈性圖章3和待集成無機(jī)柔性電子器件2保持接觸的區(qū)域和未接觸的區(qū)域會(huì)在光鏡下由于光程的不同而顯示出不同的亮度，從而可以根據(jù)光鏡圖像測(cè)定出單位面積無機(jī)柔性電子器件上帶圖案的黏彈性圖章與待集成無機(jī)柔性電子器件的實(shí)際接觸面積、。
c.對(duì)帶圖案的黏彈性圖章3與待集成無機(jī)柔性電子器件2的界面進(jìn)行一次剝離實(shí)驗(yàn)，在保持剝離過程穩(wěn)定的剝離力范圍內(nèi)任意選取剝離力，記錄此時(shí)的界面破壞速度Vtl，和剝離力大小Fpm1(Vci),計(jì)算此時(shí)帶圖案的黏彈性圖章與待集成無機(jī)柔性電子器件的界面的能量釋放率 Gp (V0) = Fpeel (V0) /b。
d.在a)中確定的光滑的黏彈性圖章與待集成無機(jī)柔性電子器件間界面的^l-V 曲線中，得到Vtl所對(duì)應(yīng)的光滑的黏彈性圖章與待集成無機(jī)柔性電子器件間能量釋放率G0 (V0)。
e.根據(jù)JKR(Johnson-Kendall-Roberts)模型，球形彈性體和光滑平面彈性體間的彈性接觸會(huì)因?yàn)榉兜峦郀査沽?，靜電力等作用產(chǎn)生附加的黏附力。因此帶圖案的黏彈性圖章會(huì)因?yàn)閳D案的存在而與無機(jī)柔性電子器件間界面的產(chǎn)生附件的黏附力，而這些附加黏附力會(huì)導(dǎo)致在界面斷裂過程中圖案本身和圖案下圖章產(chǎn)生附加的變形，這部分變形能會(huì)在界面徹底破壞后耗散掉，這對(duì)增加界面強(qiáng)度有著積極的作用。可以根據(jù)對(duì)光滑的黏彈性圖章與無機(jī)柔性電子器件間界面的能量釋放率進(jìn)行相關(guān)的修正，定量地描述帶圖案的黏彈性圖章與無機(jī)柔性電子器件間界面的能量釋放率
Gp (v) = SpG0 (ν) + W0P (Fp ) + W0s(FP)(1)
式中
Sp——單位面積無機(jī)柔性電子器件上帶圖案的黏彈性圖章與待集成無機(jī)柔性電子器件的實(shí)際接觸面積
Gp——帶圖案的黏彈性圖章與無機(jī)柔性電子器件間界面的能量釋放率，單位為J/ m2；
G0——光滑的黏彈性圖章與無機(jī)柔性電子器件間界面的能量釋放率，單位為J/ m2；
W0P——界面破壞時(shí)單位面積無機(jī)柔性電子器件上帶圖案的黏彈性圖章上圖案產(chǎn)生的附加變形能，單位為J/m2，是附加黏性力的函數(shù)。函數(shù)形式依賴于圖案的形狀和排列，可將『。Ρ圖案看作歐拉梁同時(shí)受到剪力和軸力的模型所產(chǎn)生的應(yīng)變能，從而根據(jù)材料力學(xué)的理論求得。
W0S一一界面破壞時(shí)單位面積無機(jī)柔性電子器件上帶圖案的黏彈性圖章中圖案下圖章基底產(chǎn)生的附加變形能，單位為J/m2是附加黏性力的函數(shù)。函數(shù)形式依賴于圖案的形狀和排列，可根據(jù)接觸力學(xué)中半無限大平面受與圖案截面等面積的法向均勻分布力的模型求得。
為了便于給出WcT和爐/關(guān)于黏彈性圖章產(chǎn)生的附加黏附力Fp的解析表達(dá)式，本發(fā)明中所述帶圖案的黏彈性圖章上的圖案的幾何形狀優(yōu)選采用圓柱形或長方體，并呈點(diǎn)陣狀排列(即在兩個(gè)垂直的方向上相鄰圖案間距各自保持常數(shù))。
由于可采用的圖案并非只能是理想的球狀，且轉(zhuǎn)印過程中的黏彈性圖章并非彈性體，因此實(shí)際接觸情況并非完全地滿足JKR模型，因此引入一個(gè)與圖案幾何形狀相關(guān)的修正系數(shù)來描述實(shí)際黏附力Fp
Fp (ν) = μ G0 (ν) π R(2)
式中μ —修正系數(shù)，與圖案形狀和排列相關(guān)；
G0(v)——表面光滑的黏彈性圖章與無機(jī)柔性電子器件間界面的能量釋放率，單位為J/m2;
R—圖案的特征尺寸，單位為m。圓柱體圖案取取半徑r，長方體圖案取長寬乘積的二分之一次方。
式(1)、(2)聯(lián)立，并代入步驟c)中得到的(^p(Vq)、在步驟d) ^G0(V0)以及b)中求得的SP，可解得附加黏附力中的修正系數(shù)μ。
f.根據(jù)e)中計(jì)算出的修正系數(shù)μ、a)中得到的光滑黏彈性圖章與待集成無機(jī)柔性電子器件間界面的^rv曲線、b)中求得的$以及關(guān)系式 GP(v) = SpG0 (v) + W0P (Fp ) + (Fp Fp = μ ^iR-G0(V)建立帶圖案的黏彈性圖章與待集成無機(jī)柔性電子器件間界面的能量釋放率與界面破壞速度關(guān)系的Gp-V曲線。
g.對(duì)帶不同圖案的黏彈性圖章重復(fù)b)_f)的過程，得到帶不同圖案的黏彈性圖章與待集成無機(jī)柔性電子器件界面間的(^P-V曲線。
h.由于生長或者制造待集成無機(jī)柔性電子器件的母體襯底、待集成到的目標(biāo)襯底以及無機(jī)柔性電子器件本身通常都是彈性材料，待集成無機(jī)柔性電子器件與母體襯底間界面的能量釋放率Gm以及待集成無機(jī)柔性電子器件與目標(biāo)襯底間界面的能量釋放率Gt不隨界面破壞速度而變化，在一定生產(chǎn)或?qū)嶒?yàn)環(huán)境溫度條件下為常數(shù)，因此可以通過單次剝離實(shí)驗(yàn)測(cè)定。
i.計(jì)算不同圖案圖章在轉(zhuǎn)印帶集成無機(jī)柔性電子器件時(shí)所需要的速度范圍。即根據(jù)競(jìng)爭(zhēng)斷裂的原則，在圖章與待集成無機(jī)柔性電子器件間界面和在待集成無機(jī)柔性電子器件與母體(或目標(biāo)體)間界面同時(shí)具有斷裂傾向時(shí)，界面強(qiáng)度低的界面首先發(fā)生破壞。因此在用帶圖案的黏彈性圖章將待集成無機(jī)柔性電子器件從母體上剝離時(shí)，剝離速度應(yīng)滿足 Gp(V1) > Gffl ；在用帶圖案的黏彈性圖章將待集成無機(jī)柔性電子器件集成到目標(biāo)體的指定位置時(shí)，剝離速度V2應(yīng)滿足(^p(V2) <Gt。但在實(shí)際生產(chǎn)過程中，為保證實(shí)際生產(chǎn)中的轉(zhuǎn)印效率，實(shí)際生產(chǎn)中的剝離速度V1應(yīng)滿足Gp(V1) > Gm(l+ ε )，剝離速度V2時(shí)滿足Gp(V2) (1+ ε ) < Gt，其中 ε = 0. 05。
j.選擇一種帶圖案的黏彈性圖章進(jìn)行轉(zhuǎn)印，選擇的原則是使得i)中算得的Vl、V2 的范圍盡量大，盡量處于轉(zhuǎn)印機(jī)構(gòu)能夠高精度控制的速度范圍內(nèi)。具體轉(zhuǎn)印過程為首先將選擇的帶圖案的黏彈性圖章放在帶集成無機(jī)柔性電子器件上，然后任意選取已選擇的帶圖案的黏彈性圖章的V1范圍中的任意速度將帶圖案的黏彈性圖章從母體上撕起，此時(shí)圖章底部和無機(jī)柔性電子器件間會(huì)繼續(xù)良好接觸，如圖8所示。接下來將底面粘有待集成無機(jī)柔性電子器件的帶圖案的黏彈性圖章置于目標(biāo)襯底上的指定位置，并使待集成無機(jī)柔性電子器件與目標(biāo)體間保持良好接觸，最后任意選取已選擇的帶圖案的黏彈性圖章的V2范圍中的任意速度將帶圖案黏彈性圖從目標(biāo)體上撕起，使待集成無機(jī)柔性電子器件集成到目標(biāo)襯底上的設(shè)計(jì)位置以完成轉(zhuǎn)印，如圖9所示。
具體實(shí)施例如下待集成無機(jī)柔性電子器件=Model-A ；母體材料=Material-M ；目標(biāo)體材料=Material-T ；帶圖案的黏彈性圖章S，材料為Material-S，圖章寬20mm，其中圖案為直徑為1. 7 μ m，高為0. 5 μ m的圓柱體，圓柱體呈列陣排布，橫向間距為8 μ m,縱向間距也為 4 μ m，松弛模量 E (t) = 6. 249+1. 0135e_t/5·188 (Mpa)。
1)首先根據(jù)剝離實(shí)驗(yàn)擬合出材料為Material-S表面光滑的黏彈性圖章1與待集成無機(jī)柔性電子器件2的界面間的能量釋放率隨界面破壞的^l-V曲線，如圖4所示。
幻根據(jù)光鏡圖像測(cè)定出單位面積無機(jī)柔性電子器件2上帶圖案的黏彈性圖章3與待集成無機(jī)柔性電子器件2的實(shí)際接觸面積、=0. 87728。
3)對(duì)帶圖案的黏彈性圖章3與待集成無機(jī)柔性電子器件2的界面進(jìn)行一次剝離實(shí)驗(yàn)，在保持剝離過程穩(wěn)定的剝離力范圍內(nèi)任意選取剝離力，記錄此時(shí)的界面破壞速度Vtl = 11. 562mm/s，測(cè)得剝離力為Fpeel(Vtl) = 0. 4594N，此時(shí)帶圖案的黏彈性圖章與待集成無機(jī)柔性電子器件的界面的能量釋放率(^p(Vci) = Fpeel (v0)/b = 22. 970J/m2，如圖5方點(diǎn)所示。
4)在1)中的(^tl-V曲線中找到界面破壞速度Vtl對(duì)應(yīng)的光滑的黏彈性圖章與待集成無機(jī)柔性電子器件間能量釋放率(^1(Vtl) = 15. 256J/m2，如圖5圓點(diǎn)所示。
5)將 G0(V0) = 15. 256J/m2、Gp(V0) = 22. 970J/m2、Sp = 0. 87728 代入
Gp(V0) = SpG0 (v0) + W0P (Fpo) + W0S (Fpo)
{3πΓ J^a2E(O)。、P0J π2τΕ(θ)αια2
Fp(V0) = UG0(V0) π r
其中r為圓柱體圖案的半徑，h為圓柱體圖案的高度，θ ^為剝離試驗(yàn)中剝離臂的初始轉(zhuǎn)角(base angle)，％、 分別是作為圖案的圓柱體在橫向和縱向的間距，E(O)為圖章材料的松弛模量E (t) I Ptl，是因?yàn)樽冃芜^程瞬間完成，在計(jì)算變形時(shí)不必考慮黏彈性效應(yīng)。 解得 μ = 1.44677。
6)根據(jù)圖4中光滑的黏彈性圖章1與待集成無機(jī)柔性電子器件2的界面間的能量釋放率隨界面破壞速度變化的(icrv曲線(如圖6中細(xì)實(shí)線所示)以及5)中解得的μ，2) 中的得到的SP，以及公式
Gp (v) = SpG0 (ν) + W0P (Fp ) + Wf (Fp)
K (Fp)=(朽 c0sY k + 2 朽—Ζ ^3(F )-2^
F (V0) = μ G0 (ν) 31 r
得到帶圖案的黏彈性圖章3與待集成無機(jī)柔性電子器件2的界面間的能量釋放率隨界面破壞速度變化的(^p-V曲線，如圖6中粗實(shí)線所示。
7)通過剝離試驗(yàn)測(cè)得待集成無機(jī)柔性電子器件2與母體5界面的能量釋放率Gm =21. 04J/m2，如圖7中虛線所示；待集成無機(jī)柔性電子器件2與目標(biāo)體6界面的能量釋放率Gt = 24. 32J/m2，如圖7中點(diǎn)線所示。
8)若選擇上述帶圖案的黏彈性圖章3進(jìn)行轉(zhuǎn)印，理論上用3將無機(jī)柔性電子器件從母體上剝離時(shí)的剝離速度Vl應(yīng)滿足(^p(V1) > Gm,得到V1的范圍為Iv11 V1 > 8. 814mm/ s}；而用3將無機(jī)柔性電子器件集成到目標(biāo)體的指定位置時(shí)的剝離速度V2應(yīng)滿足(}P(v2)<Gt，得到V2的范圍為Iv21 V2 < 12. 317mm/s}。但在實(shí)際生產(chǎn)過程中，為保證實(shí)際生產(chǎn)中的轉(zhuǎn)印效率，實(shí)際生產(chǎn)中的剝離速度V1應(yīng)滿足(^P(V1)、。^^。，剝離速度 時(shí)滿足^^^) (l+e)<Gt，其中 ε =0.05。這樣 ￥1的范圍為=Iv1Iv1S 10. 07mm/s}，V2 的范圍為Iv21 V2<11. 50mm/s}。
9)首先將選擇的帶圖案的黏彈性圖章3放在帶集成無機(jī)柔性電子器件2上，然后在Iv11 V1 > 10. 07mm/s}的范圍內(nèi)選取任意速度將帶圖案的黏彈性圖章3從母體上5撕起， 此時(shí)圖章3底部和無機(jī)柔性電子器件2間會(huì)繼續(xù)良好接觸，如圖8所示。接下來將底面粘有待集成無機(jī)柔性電子器件2的帶圖案的黏彈性圖章3置于目標(biāo)襯底6上的指定位置，并使待集成無機(jī)柔性電子器件2與目標(biāo)體6間保持良好接觸，最后在Iv2Iv2 < 11. 50mm/s}的范圍內(nèi)選取任意速度將帶圖案的黏彈性圖章3從目標(biāo)體6上撕起，使待集成無機(jī)柔性電子器件2集成到目標(biāo)襯底6上的指定位置以完成轉(zhuǎn)印，如圖9所示。權(quán)利要求
1.一種無機(jī)柔性電子器件系統(tǒng)集成方法，其特征在于該方法包括如下步驟1)通過多次改變剝離力進(jìn)行剝離實(shí)驗(yàn)來擬合用以表征表面光滑的黏彈性圖章與待集成無機(jī)柔性電子器件間界面的能量釋放率與界面破壞速度關(guān)系的(^l-V曲線；2)在光鏡下觀察和測(cè)定單位面積無機(jī)柔性電子器件上帶圖案的黏彈性圖章與待集成無機(jī)柔性電子器件的實(shí)際接觸面積$；3)任意選取剝離力對(duì)帶圖案的黏彈性圖章與待集成無機(jī)柔性電子器件間界面進(jìn)行剝離實(shí)驗(yàn)，記錄此時(shí)帶圖案的黏彈性圖章與待集成無機(jī)柔性電子器件間界面的界面破壞速度 V0以及能量釋放率(^p (V。)；4)在步驟1)中確定的光滑的黏彈性圖章與待集成無機(jī)柔性電子器件間界面WGcrv 曲線中，得到Vtl所對(duì)應(yīng)的光滑的黏彈性圖章與待集成無機(jī)柔性電子器件間能量釋放率 G0 (V0)，將 Gp (v0)和 G0 (v0)代入公式Gp (v0) = SpG0 (v0) + fF； (Fpo)+ W (Fpo)(1)其中『。P是界面破壞時(shí)單位面積無機(jī)柔性電子器件上帶圖案的黏彈性圖章上圖案產(chǎn)生的附加變形能；『cf是界面破壞時(shí)單位面積無機(jī)柔性電子器件上帶圖案的黏彈性圖章中圖案基底產(chǎn)生的附加變形能；帶圖案的黏彈性圖章產(chǎn)生的附加黏附力為Fro= μ JiR-G0(V0)；R為圖案的特征尺寸，μ為3)中所用帶圖案的黏彈性圖章產(chǎn)生的附加黏附力的修正系數(shù)，由公式⑴求得；5)根據(jù)步驟4)中計(jì)算出的附加黏附力修正系數(shù)μ和步驟1)中得到的光滑的黏彈性圖章與待集成無機(jī)柔性電子器件間界面的(icrv曲線、實(shí)際接觸面積$、式Fp= μ ^R-G0(V) 以及式。(ν) = ν 。(ν) + <(&) + <(&)，建立表征帶圖案的黏彈性圖章與待集成無機(jī)柔性電子器件間界面的能量釋放率隨界面破壞速度變化的Gp-V曲線；6)對(duì)帶不同圖案的黏彈性圖章重復(fù)以上步驟1)到幻，確定每個(gè)圖章與待集成無機(jī)柔性電子器件間界面的能量釋放率與界面破壞速度關(guān)系的Gp-V曲線；7)通過剝離實(shí)驗(yàn)測(cè)定出待集成無機(jī)柔性電子器件與其集成前所在的母體襯底材料間的能量釋放率Gm，以及待集成無機(jī)柔性電子器件與所需集成到的目標(biāo)襯底材料間界面的能量釋放率Gt ；8)在已確定(}Ρ-ν曲線的帶不同圖案的黏彈性圖章中，選擇一種帶圖案的黏彈性圖章置于待集成無機(jī)柔性電子器件上并保持良好接觸，選擇滿足(^p(V1) > Gffl的速度V1將帶圖案的黏彈性圖章撕起，使待集成無機(jī)柔性電子器件脫離母體并與黏彈性圖章底面保持良好粘合；9)將步驟8)中底面粘有待集成無機(jī)柔性電子器件的帶圖案的黏彈性圖章置于目標(biāo)襯底上的指定位置并使兩者保持良好接觸，選擇滿足& (V2) < Gt的速度V2將帶圖案的黏彈性圖章撕起，使待集成無機(jī)柔性電子器件集成到目標(biāo)襯底的指定位置上以完成轉(zhuǎn)印。
2.按照權(quán)利要求1所述的一種無機(jī)柔性電子器件系統(tǒng)集成的方法，其特征在于步驟 4)中帶不同圖案的黏彈性圖章產(chǎn)生的附加黏附力的大小通過附加黏附力的修正系數(shù)μ進(jìn)行修正。
3.按照權(quán)利要求1所述的一種無機(jī)柔性電子器件系統(tǒng)集成的方法，其特征在于步驟 2)-9)中所述帶圖案的黏彈性圖章上的圖案的幾何形狀為圓柱形或長方體，并呈點(diǎn)陣狀排列，即在兩個(gè)垂直的方向上相鄰圖案間距各自保持常數(shù)，以便于給出『『和關(guān)于黏彈性圖章產(chǎn)生的附加黏附力Fp的解析表達(dá)式。
4.按照權(quán)利要求1所述的一種無機(jī)柔性電子器件系統(tǒng)集成的方法，其特征在于為滿足實(shí)際生產(chǎn)中的轉(zhuǎn)印效率，在步驟8)中，剝離速度V1應(yīng)滿足(^p(V1) >Gm(l+0，在步驟9) 中，剝離速度V2應(yīng)滿足(^p(V2) (1+O < Gt，其中ε =0.05。
全文摘要
一種無機(jī)柔性電子器件系統(tǒng)集成方法，屬于電子器件集成及界面力學(xué)領(lǐng)域。本發(fā)明的技術(shù)特點(diǎn)是利用帶圖案的黏彈性圖章對(duì)無機(jī)柔性電子器件的轉(zhuǎn)印過程進(jìn)行控制。通過修正的JKR模型，得到帶圖案的黏彈性圖章與無機(jī)柔性電子器件間產(chǎn)生的附加黏附力，并計(jì)算出此力在界面破壞過程中在圖章中產(chǎn)生的變形能，最終定量的表述出圖案對(duì)界面強(qiáng)度的影響，使得轉(zhuǎn)印過程在保證轉(zhuǎn)印效率的情況下，轉(zhuǎn)印速度的可選范圍更寬，轉(zhuǎn)印過程更加可控，并拓寬了轉(zhuǎn)印技術(shù)的使用范圍。
文檔編號(hào)H01L21/70GK102522361SQ20111042807
公開日2012年6月27日 申請(qǐng)日期2011年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月19日
發(fā)明者馮雪, 陳航, 黃銀 申請(qǐng)人:清華大學(xué)