[发明专利]柔性电子基板上薄膜材料可靠性原位评价系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及对各种薄膜材料弯曲断裂性能测试装置和测试方法的建立，具体为一种柔性电子基板上薄膜材料可靠性原位测试系统及方法，特别适用于对制备在柔性电子基板上、具有微米、亚微米及纳米厚度的单层或多层薄膜材料的断裂性能的测试。

背景技术

柔性电子器件具有广泛的应用前景，如可卷曲的液晶显示器，柔性太阳能电池面板，以及电子纸等。附着在柔性基体介质上具有微米、亚微米及纳米厚度的单层和多层薄膜材料，广泛应用在上述器件中的电路互连体布线以及阻挡层中。上述器件在实际服役过程中经常承受弯曲、拉伸或扭转等载荷，因此器件中薄膜材料的力学性能常常是影响上述器件使用可靠性和寿命的重要因素。薄膜中裂纹萌生时的临界开裂应变是上述器件可靠性设计的重要参数之一，同时也是计算薄膜材料断裂韧性的重要参量，而断裂韧性值反映的是薄膜材料抵抗裂纹失稳扩展而发生危险的脆性断裂的能力。因此，测试上述薄膜材料中裂纹萌生时的临界开裂应变，对薄膜材料器件的实际应用中的可靠性设计、失效分析以及薄膜材料力学性能表征的理论研究都具有重要的意义。

目前，人们多采用电阻法测量薄膜材料的开裂应变。电阻法适用于具有导电性的薄膜材料，通过对薄膜材料施加拉伸载荷，监测薄膜电阻随施加拉伸应变的变化，获得薄膜中产生裂纹时的电阻急剧增加段与薄膜未开裂电阻线性变化段的交点，来反推出薄膜的临界开裂应变。然而，该方法在测量亚微米尤其是纳米量级厚度的薄膜材料的电阻过程中，由于电极接触等问题通常会影响测量结果精度，而且电阻剧增段线性拟合的随机性较大，由此反推出的薄膜材料开裂应变误差较大；此外，对于非导体薄膜材料电阻法不能适用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种精确、简单、快捷的柔性电子基板上具有微米至纳米厚度的单层或多层薄膜材料可靠性原位评价系统及方法，该原位测试系统及测试方法表征薄膜材料损伤萌生时的临界应变，解决现有技术中存在的薄膜材料开裂应变误差较大，以及对于非导体薄膜材料电阻法不能适用等问题。由于薄膜材料实际工作过程遭受弯曲载荷作用的频率要多于遭受其它载荷，而该测试方法对试样所施载荷便是与薄膜材料实际工况相一致的弯曲载荷，同时具有试样制备简便、测试精度较高、快捷等优点。

本发明的技术方案是：

该原位评价系统由加载部分、试样支撑部分和观察与测量部分三部分组成，具体如下：

(1)试样支撑部分，包括简支梁可动端、简支梁固定端、基座和固定块，基座内侧相对设置有平动滑块、固定块，固定块与基座固定连接，平动滑块与基座呈滑动连接，简支梁可动端安装于平动滑块上，简支梁固定端安装于与平动滑块相对的固定块上，与平动滑块相连的简支梁可动端和与固定块相连的简支梁固定端相对应，简支梁可动端和简支梁固定端之间安装试样，试样的一端放置在与基座相连的简支梁固定端，试样的另一端置于简支梁可动端；

(2)试样加载部分，包括螺旋测微器、平衡弹簧、平动滑块、支撑滚，螺旋测微器通过支撑滚与基座内侧设置的平动滑块连接，平动滑块通过平衡弹簧与基座连接；

(3)测量与观察部分，包括高倍光学显微镜和与之相连的计算机，高倍光学显微镜与试样对应。

2、本发明柔性电子基板上薄膜材料可靠性原位评价方法，利用上述测试系统，具体步骤如下：(1)根据试样原始长度L₀调节简支梁固定端和简支梁可动端之间的间距，高精度螺旋测微器通过支撑滚和两平衡弹簧对与简支梁可动端相连的平动滑块施加精度为1μm的步进位移，带动简支梁可动端移动，给试样施加弯曲载荷。(2)根据简支梁跨距L、试样原始长度L₀，得出各参数与简支梁曲率半径R之间的关系式：