Điều tra định lượng của kết nối với sự hỗ trợ kính hiển vi laser đồng tiêu Olympus

Tóm tắt

Thông tin định lượng là trung tâm của các nỗ lực nghiên cứu và phát triển các thiết bị điện tử linh hoạt. Trong bài viết này, Tiến sĩ Dario Gastaldi thảo luận về cách nghiên cứu của ông về kết nối dẫn điện linh hoạt giữa các thành phần điện, được gọi là ‘kết nối’, đã được hưởng lợi từ thử nghiệm cơ học tại chỗ cùng với khả năng hình ảnh định lượng của OLS4100 Olympus LEXT. Trong nghiên cứu mới lạ này, nhóm của Tiến sĩ Gastaldi đã tạo ra bằng chứng định lượng để hỗ trợ cách hình học kết nối xác định tính toàn vẹn của thiết bị dưới sự căng thẳng. Thông tin như vậy tạo điều kiện cho các hệ thống mô hình số để tối ưu hóa quá trình thiết kế. Sự phát triển của sự hình thành vết nứt cũng được theo dõi chi tiết hơn, trong khi nó cũng đã được chứng minh rằng xử lý huyết tương của polymer có thể gây bất lợi cho sức mạnh của thiết bị dưới sức căng.

Giới thiệu

Bài viết này là nghiên cứu điển hình đầu tiên trong hai nghiên cứu điển hình khám phá ứng dụng của kính hiển vi quét laser đồng tiêu với Olympus LEXT OLS4100 đang tạo điều kiện cho các khía cạnh khác nhau liên quan đến việc phát triển các thiết bị điện tử linh hoạt. Các thiết bị điện tử đang trở nên sáng tạo hơn bao giờ hết, với lĩnh vực phát triển nhanh chóng này hứa hẹn về điện thoại linh hoạt và cảm biến hóa học có thể đeo được. Trong khi công nghệ cảm biến điện tử được thiết lập tốt cho các thiết bị cứng, các thiết bị linh hoạt cũng phải Vượt qua thách thức duy trì tính toàn vẹn điện trong quá trình uốn cong và kéo dài. Trong thiết kế các thiết bị mới, một cách tiếp cận để linh hoạt là phủ các thành phần điện tử cứng lên một chất nền có thể biến dạng, liên kết chúng thông qua các kết nối dẫn điện. Hiểu được hành vi cơ học phát triển như thế nào với sự căng thẳng đang thúc đẩy sự phát triển của công nghệ mới này và một phương pháp nghiên cứu mới là thử nghiệm tại chỗ, áp dụng lượng biến dạng chính xác cho mẫu. Khi kết hợp với độ phân giải cao Hình ảnh, điều này cung cấp một bức tranh chính xác và chi tiết về cách thiết bị phản ứng với biến dạng, hướng dẫn tối ưu hóa cả vật liệu thiết bị và quy trình chế tạo. Một kỹ thuật quan sát truyền thống cho việc này là Kính hiển vi điện tử quét (SEM), tuy nhiên, kính hiển vi ánh sáng hiện đã tiến tới giai đoạn mà khả năng của nó có thể so sánh với SEM. Ví dụ, kính hiển vi quét laser đồng tiêu (CLSM) cũng bao gồm các ưu điểm bổ sung về tốc độ, dễ sử dụng và khả năng thu thập thông tin định lượng. Với khả năng quét laser đồng tiêu 3D không phá hủy, Olympus LEXT OLS4100 đã chứng minh giá trị của mình trong việc thúc đẩy nghiên cứu về điện tử linh hoạt. Bài viết này khám phá công việc của Tiến sĩ Dario Gastaldi, người có nhóm tại Politecnico di Milano (Milan, Ý) áp dụng thử nghiệm tại chỗ các mẫu điện tử linh hoạt kết hợp với OLS4100 LEXT để điều tra và tối ưu hóa thiết kế kết nối (Hình 1).

Hình 1: Máy kiểm tra độ bền kéo vi mô kết hợp với OLS4100 LEXT.
Thiết bị kéo siêu nhỏ mô-đun phù hợp với giai đoạn của LEXT và biến dạng được áp dụng với gia số 5%, với hình ảnh thu được sau mỗi bước.

Điều tra kết nối, tại chỗ

Để một thiết bị điện tử linh hoạt hoạt động, các thành phần điện tử và chất nền có thể biến dạng phải được kết nối. Do đó, kết nối phải được thiết kế chính xác để duy trì gắn vào chất nền trong quá trình biến dạng phức tạp. “Điều này có thể đạt được theo nhiều cách khác nhau, với các vật liệu và hình học khác nhau [Hình 2],” như Tiến sĩ Gastaldi giải thích. Thông qua việc phát triển một thiết bị kiểm tra độ bền kéo vi mô tại chỗ kết hợp với hình ảnh có độ phân giải cao, nhóm của ông đang làm việc để Hiểu và hướng dẫn hai tính năng chính đã được tìm thấy ảnh hưởng đến độ bám dính giữa chất nền kết nối và polymer: các thông số hình học và chính quá trình chế tạo.

Hình 2: Nghiên cứu của Tiến sĩ Gastaldi xem xét thiết kế kết nối. Hình dạng của kết nối hình chữ S uốn khúc này là chìa khóa cho hành vi cơ học của nó, bao gồm chiều rộng (W), bán kính (R) và biên độ (A).

Tối ưu hóa hình học kết nối

Các hình dạng kết nối khác nhau được xác định bởi chiều rộng, bán kính và chiều dài, và thử nghiệm nhiều mẫu dưới biến dạng cơ học cung cấp cái nhìn sâu sắc về hành vi cơ học khác nhau của chúng. SEM trước đây đã được sử dụng với thiết bị kiểm tra cơ học tại chỗ và mặc dù kỹ thuật này có độ phân giải lớn hơn CLSM, nhưng nó không cho phép định lượng chính xác biến dạng ngoài mặt phẳng. “Đây chính xác là những gì chúng tôi cần, vì chúng tôi không hài lòng với chất lượng quan điểm”, Tiến sĩ Gastaldi nói. “Nhìn vào hình ảnh cường độ [Hình 3A, B], chúng thực sự rất giống với SEM. Tôi rất ấn tượng với chất lượng hình ảnh, chưa kể đến thông tin định lượng.”

W = 50 μm R = 40 μm A = 270 μm Không xoay cánh hình chữ nhật: vênh do phân tách →xảy ra ở ~ 15% biến dạng vĩ mô →ảnh hưởng ~ 50% bề mặt ngoại quan

W = 10 μm R = 20 μm A = 90 μm Quay hạn chế của cánh hình chữ nhật: vênh do phân tách →xảy ra ở ~ 50% biến dạng vĩ mô →ảnh hưởng ~ 30% bề mặt ngoại quan

Hình 3: hình ảnh cường độ chụp bằng LEXT trong quá trình áp dụng biến dạng.
So sánh hai hình học riêng biệt của kết nối với nhau và hành vi của chúng dưới sự căng thẳng (A, B). Thông tin định lượng về chuyển động ngoài mặt phẳng cung cấp thông tin chi tiết về hành vi không có sẵn với SEM.

Hình 4: Phát triển vết nứt trong kết nối. Bản đồ chiều cao của OLS4100 LEXT được hiển thị dưới dạng 3D, cho thấy vết nứt trong kết nối kim loại phía trên chất nền polymer.

Thông số chính được tìm thấy là chiều dài của thanh chống (hoặc ‘biên độ’), và LEXT OLS4100 cũng cho phép nghiên cứu động học (hình học chuyển động) trong quá trình thử nghiệm cơ học để hỗ trợ phát hiện này. Kéo dài gây ra sự nén theo hướng ngang, do đó nén chặt thanh chống và dẫn đến sự phân tách do vênh (Hình 4). Các thanh chống ngắn hơn thể hiện ít chuyển động quay hơn (A so với B), vì chuyển động quay có thể xảy ra nếu kim loại tách ra khỏi chất nền. Các thanh chống ngắn hơn không dễ bị phát huy hiệu ứng vênh, và cấu trúc cơ học như vậy có xu hướng chứa biến dạng cao hơn nhiều.

Mô hình định lượng

Đo lường định lượng là rất quan trọng cho sự phát triển của mô hình số và do đó chu trình thiết kế, bao gồm:

1. Thiết kế kết nối kết cấu
2. Quan sát trong các thử nghiệm cơ học
3. Thiết kế mô hình số
4. Mô phỏng các thử nghiệm cơ học tương tự
5. Đưa mô hình số trở lại quy trình thiết kế.

Bước số năm sử dụng mô hình số để hướng dẫn các vật liệu được chọn dựa trên các tính chất cơ học hoặc thiết kế hình học. Tiến sĩ Gastaldi giải thích: “Chức năng bản đồ chiều cao của LEXT là chìa khóa cho các phép đo này, và chất lượng đo cấu trúc 3D với độ chính xác vượt quá mong đợi. Bây giờ chúng tôi có LEXT, chúng tôi đã không thực hiện bất kỳ việc mua lại SEM nào với thiết bị kiểm tra cơ học tại chỗ của chúng tôi.

Sự tiến hóa của vết nứt

Ở các giá trị biến dạng cụ thể, LEXT cũng có thể được áp dụng để xem xét biến dạng nứt của kết nối chi tiết hơn. Vết nứt này hình thành rất gần với các khu vực bị ô nhiễm nhất, vì một mình kim loại không thể duy trì các điều kiện tải giống như khi bám vào chất nền và bắt đầu nứt. Điều này dẫn đến sự gia tăng điện trở và thiết bị bị lỗi. Tiến sĩ Gastaldi giải thích: “Với LEXT, giờ đây chúng ta có thể quan sát hiện tượng này cùng với thử nghiệm cơ học. Với SEM, tuy nhiên, chúng tôi không thể theo dõi sự tiến hóa của vết nứt, chỉ có các phép đo rộng bắt nguồn từ sự mờ nhạt trong quá trình oằn mình, không gì có thể so sánh với định lượng của LEXT. CLSM cũng được tìm thấy là nhanh hơn so với SEM, đặc biệt là về mặt chuẩn bị mẫu, như Tiến sĩ Gastaldi tiếp tục nói: “Trong nửa ngày, tôi đã hoàn thành các thí nghiệm sẽ mất một tuần hoặc lâu hơn với SEM. Theo một nghĩa nào đó, SEM là một quan sát bổ sung cho điều này, nhưng đối với mục đích của chúng tôi, CLSM là một bước tiến thực sự. Hành vi cơ học cấu trúc của bộ phận nhỏ bé này không chỉ được xác định bởi các đặc điểm hình học, mà còn cả tính chất bám dính giữa kim loại và polymer.

Tối ưu hóa độ bám dính giữa kết nối và chất nền

Quá trình sản xuất quyết định mức độ bám dính giữa kết nối kim loại và chất nền polymer. Với độ bám dính này là trung tâm của chức năng, sản xuất tối ưu đảm bảo hiệu suất tối đa về mặt chịu được biến dạng. Ví dụ, bằng vàng trên các mẫu polymer Polydimethylsiloxane (PDMS), xử lý plasma bề mặt polymer là một kỹ thuật tiêu chuẩn được sử dụng để tăng độ bám dính. “Việc xử lý huyết tương làm thay đổi vĩnh viễn polymer, vì vậy Câu hỏi chúng tôi muốn đặt ra là – polymer biến tính có tương thích với biến dạng không? Một tác dụng phụ của việc điều trị là sự gia tăng độ giòn của polymer và nhóm của Tiến sĩ Gastaldi đã tìm thấy điều này thúc đẩy các vết nứt bề mặt và làm giảm biến dạng mà PDMS có thể duy trì (Hình 5). Tuy nhiên, phác đồ xử lý có thể được kiểm soát thông qua các thông số như năng lượng và thời gian, và thử nghiệm cơ học tại chỗ với CLSM cho phép so sánh giữa các mẫu phải tuân theo phương pháp điều trị khác nhau. Như vậy, có thể xác định quá trình plasma tối ưu, đảm bảo độ bám dính tốt mà không hình thành vết nứt dưới một mức độ biến dạng nhất định. Hơn nữa, công trình của Tiến sĩ Gastaldi cũng tìm thấy những vết nứt này có mặt trước quá trình kim loại hóa, xác nhận độ giòn xuất phát từ việc xử lý plasma đơn thuần (Hình 6). “Với LEXT, chúng tôi đã quan sát thấy các vết nứt tăng lên theo biến dạng, vì vậy bây giờ chúng tôi có thể thông báo điều này cho các đối tác của chúng tôi làm việc trên kỹ thuật sản xuất. Chúng tôi có bằng chứng cho thấy rằng một số phương pháp điều trị plasma nhất định hạn chế độ bền cơ học của thiết bị và quá trình kim loại hóa không phải là vấn đề. “

Hình 5: Sự hình thành vết nứt trong PDMS được xử lý bằng huyết tương. Trong quá trình biến dạng 20%, OLS4100 LEXT được sử dụng để hình dung lớp PDMS sau khi xử lý plasma, trước khi kim loại hóa. Phân tích 3D cho thấy vết nứt bề mặt rộng rãi trong kết nối (A). Các vết nứt tăng từ 20% đến 100% biến dạng (B, C).

Tóm tắt

Công việc của nhóm Tiến sĩ Gastaldi tập trung vào việc tối ưu hóa hình học kết nối và quy trình sản xuất cho các thiết bị điện tử linh hoạt. Thử nghiệm cơ học tại chỗ cung cấp dữ liệu sâu sắc về hành vi của thiết bị dưới sự căng thẳng. Kết hợp với thông tin định lượng từ OLS4100 Olympus LEXT, cách tiếp cận này đã mở ra những con đường mới để mô hình hóa biến dạng và tối ưu hóa thiết kế kết nối. Bằng chứng định lượng hiện nay hỗ trợ cách các hình học cụ thể với ngắn hơn Các giá trị ‘biên độ’ có khả năng chống phân tách cao hơn, tạo điều kiện cho sự phát triển của một hệ thống mô hình số để tăng cường quá trình thiết kế. Thông tin định lượng cũng cho phép hình thành các vết nứt được theo dõi chi tiết hơn, trong khi nó đã được chứng minh rằng xử lý huyết tương của polyme có thể làm tăng độ bám dính, nhưng thúc đẩy nứt ở mức độ biến dạng thấp hơn. “Việc quản lý dễ dàng LEXT cho phép chúng tôi tập trung sự chú ý vào nghiên cứu của mình”, Tiến sĩ Gastaldi nhận xét, Nhóm của họ được hưởng lợi từ nhiều tính năng, bao gồm bản đồ chiều cao và độ phân giải bên cao. Ông khẳng định: “Đối với những người làm việc với các loại thử nghiệm cơ học khác nhau, đo hồ sơ 3D là một khía cạnh thực sự mới, thú vị cho nghiên cứu này. LEXT cung cấp cho chúng ta một bước tiến, và bây giờ câu hỏi là chúng ta có thể đi bao xa với kỹ thuật này và làm thế nào chúng ta có thể kết hợp khả năng hình ảnh định lượng của LEXT với các kỹ thuật khác để thúc đẩy sự phát triển của điện tử linh hoạt?”

Thông tin nhà nghiên cứu

Dario Gastaldi và các đồng nghiệp của ông đang làm việc tại khoa Hóa học, Vật liệu và Kỹ thuật Hóa học
của Politecnico di Milano, Ý để điều tra cơ học kết nối của các thiết bị điện tử biến dạng. E-mail: dario.gastaldi@polimi.it