一种梯度应变隔离的可拉伸衬底及制备工艺

技术领域

本发明涉及集成电路领域，特别涉及一种梯度应变隔离的可拉伸衬底及制备工艺。

背景技术

可拉伸电子作为下一代电子产品的有力竞争者，引起了广泛的研究，它可以满足复杂的使用场景，推动电子皮肤(E-skin)的应用，实现人体检测可穿戴设备等，同时它也被看好是显示的最终形态。在众多的研究当中，基于结构设计，尤其是可拉伸衬底的设计来实现可拉伸电子的方法，由于其可观的拉伸效果以及相对宽广的应用场景，被视为一个重要的研究方向。

而在可拉伸衬底拉伸过程中机械强度的突变会导致突然的、不连续的变化，这会大大影响其可靠性与实用性。一方面，机械强度的突变会导致突然的、不连续的变化，容易使得器件在外力作用下而发生界面断裂；另一方面形变具有突然性而造成外立面在感观上变形较大。

发明内容

有鉴于现有技术的缺点，本发明所要解决的技术问题是提供一种梯度应变隔离的可拉伸衬底，旨在采用光滑过渡有助于减少应力集中和材料破坏的风险，提高材料的可靠性和耐久性。相对于突变，可拉伸衬底应变隔离区域的渐变具有平滑过渡、增强性能和适应性广泛等优势，可以改善材料的力学性能、导电性能等，提高材料的多功能性。

为实现上述目的，本发明提供一种梯度应变隔离的可拉伸衬底，包括：弹性体聚合物薄膜；所述弹性体聚合物薄膜用于渗入液体有机小分子单体、交联剂、光引发剂混合溶液形成混合膜层，并经第一掩膜版激光曝光形成可拉伸衬底；其中，所述混合膜层被照射部分的所述混合溶液中的小分子单体形成交联网络而发生与激光照射强度相对应的固化变化；所述第一掩膜版包括高透光率区、过渡区和低透光率区，所述高透光率区所形成的交联网络密度最高，所述低透光率区所形成的交联网络密度最低，所述过渡区所形成的交联网络密度位于二者之间，且在所述过渡区的掩膜区域透光率呈梯度变化而使所述曝光后的所述可拉伸衬底弹性变化平滑。

在一具体实施方式中，在所述第一掩膜版的所述过渡区包括用于改变透光率的透光网孔，临近所述高透光区的所述透光网孔的有效透光率高于临近所述低透光区的所述透光网孔的有效透光率。

在该技术方案中，通过透光网孔实现透光率的可调，以便实现过渡区的弹性过渡。

在一具体实施方式中，所述液态有机小分子单体溶液可以采用甲基丙烯酸(MAA)、甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)或甲基丙烯酸甲酯(MMA)。

在一具体实施方式中，所述弹性体聚合物薄膜厚度为50μm至200μm；该弹性体聚合物为三嵌段构型。

在一具体实施方式中，所述可拉伸衬底包括衬底区、弹性渐变区、弹性形变区，所述弹性渐变区回字形而包围所述衬底区，所述弹性形变区回字形而包围所述弹性渐变区；与所述衬底区相对应的所述第一掩膜版的透光率为所述高透光区，与所述弹性渐变区相对应的所述第一掩膜版的透光率为所述过渡区，与所述弹性形变区相对应的所述第一掩膜版的透光率为所述低透光率区。

在该技术方案中，通过设置回字形，实现衬底在二维上的可拉伸。

在本发明的第二方面，提供一种梯度应变隔离的可拉伸衬底的制备工艺，包括以下制备步骤：

步骤S11：将弹性体聚合物原材料溶解进行配制，并在真空中静置；

步骤S12：将衬底清洗干净，所述衬底的材质为玻璃或者载玻片，经OTS修饰过；

步骤S13：采用溶液法利用旋涂工艺在所述衬底上制备一层50μm到200μm的弹性体聚合物薄膜，为三嵌段构型的聚合物；

步骤S14：将所述弹性体聚合物薄膜静置于液态有机小分子单体、交联剂、光引发剂的混合溶液中；

步骤S15：待清除表面多余溶液后，将渗有液态有机小分子单体溶液的弹性体聚合物薄膜放置在基板上，并在其表面设置透光率呈梯度变化或分布有密度梯度变化的均匀孔隙的第一掩膜版；其中，所述第一掩膜版包括高透光率区、过渡区和低透光率区，所述高透光率区所形成的交联网络密度最高，所述低透光率区所形成的交联网络密度最低，所述过渡区所形成的交联网络密度位于二者之间，且在所述过渡区的掩膜区域透光率呈梯度变化而使所述曝光后的所述可拉伸衬底弹性变化平滑；

步骤S16：将激光通过掩膜版对弹性体聚合物薄膜进行照射，使曝光部分发生光交联反应形成交联网络；

步骤S17：将第一掩膜版移除，并在空气下干燥，挥发多余溶液；

步骤S18：将干燥后的薄膜从基板剥离。

在一具体实施方式中，在所述第一掩膜版的所述过渡区包括用于改变透光率的透光网孔，临近所述高透光区的所述透光网孔的有效透光率高于临近所述低透光区的所述透光网孔的有效透光率。

在一具体实施方式中，所述可拉伸衬底包括衬底区、弹性渐变区、弹性形变区，所述弹性渐变区回字形而包围所述衬底区，所述弹性形变区回字形而包围所述弹性渐变区；与所述衬底区相对应的所述第一掩膜版的透光率为所述高透光区，与所述弹性渐变区相对应的所述第一掩膜版的透光率为所述过渡区，与所述弹性形变区相对应的所述第一掩膜版的透光率为所述低透光率区。

在一具体实施方式中，其特征在于：所述激光输出波长为126～1064nm，以进行连续或者脉冲形式输出，脉冲输出的重复频率为1Hz～1MHz，脉冲输出的光脉冲宽度为30fs～300ns。

在一具体实施方式中，所述激光照射参数包括激光扫描方式、激光能量密度以及激光扫描速率，所述扫描方式为网格型扫描或线型扫描，激光功率密度为0～300kW/cm2，激光扫描速率为10～500mm/s。

本发明的有益效果：1)、通过本发明提供的可拉伸衬底可有效保护局部区域在拉伸状态下不产生形变产生梯度变化的较小形变，实现梯度应变隔离的效果，各种类型的器件可以直接制备或转移至其刚度加强的区域，保证衬底在拉伸状态下，应变隔离区域光滑的过渡，确保衬底稳定的同时，器件不会被破坏。该方法所提出的应变隔离区域光滑过渡有助于减少应力集中和材料破坏的风险，提高材料的可靠性和耐久性，具有非常强的通用性和兼容性，同时操作方法简单、便捷、低成本，能够进行图案化，是实现高性能、可靠的可拉伸电子器件的一个极具前景的解决方案。2)、本发明通过设置曝光过渡区，在过渡区的掩膜区域透光率呈梯度变化而使所述曝光后的所述可拉伸衬底弹性变化平滑，使得在拉伸变形时不会出现较为刚性的形变界面，提高材料可靠性和耐久性。

附图说明

图1是本发明一具体实施方式中的一种梯度应变隔离的可拉伸衬底的第一掩膜版的结构示意图；

图2是本发明一具体实施方式中的一种梯度应变隔离的可拉伸衬底的结构示意图；

图3是本发明一具体实施方式中的一种梯度应变隔离的可拉伸衬底的制备工艺的工艺流程图。

具体实施方式

下面详细描述本专利的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本专利，而不能理解为对本专利的限制。

在本专利的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利的限制。

在本专利的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本专利中的具体含义。

如图1-图3所示，本发明实施例提供了一种梯度应变隔离的可拉伸衬底，其特征在于，包括：弹性体聚合物薄膜；所述弹性体聚合物薄膜用于渗入液体有机小分子单体、交联剂、光引发剂混合溶液形成混合膜层，并经第一掩膜版100激光曝光形成可拉伸衬底；其中，所述混合膜层被照射部分的所述混合溶液中的小分子单体形成交联网络而发生与激光照射强度相对应的固化变化；所述第一掩膜版100包括高透光率区103、过渡区102和低透光率区101，所述高透光率区103所形成的交联网络密度最高，所述低透光率区101所形成的交联网络密度最低，所述过渡区102所形成的交联网络密度位于二者之间，且在所述过渡区102的掩膜区域透光率呈梯度变化而使所述曝光后的所述可拉伸衬底弹性变化平滑。

典型的，可以通过透光灰度进行调控透光率，也可以通过透光孔占比来调控透光率。

优选的，在本实施例中，在所述第一掩膜版100的所述过渡区102包括用于改变透光率的透光网孔，临近所述高透光区的所述透光网孔的有效透光率高于临近所述低透光区的所述透光网孔的有效透光率。

在本实施例中，所述液态有机小分子单体溶液可以采用甲基丙烯酸(MAA)、甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)或甲基丙烯酸甲酯(MMA)。

在本实施例中，所述弹性体聚合物薄膜厚度为50μm至200μm；该弹性体聚合物为三嵌段构型。

如图2所示，此外，优选的，所述可拉伸衬底包括衬底区203、弹性渐变区202、弹性形变区201，所述弹性渐变区202回字形而包围所述衬底区203，所述弹性形变区201回字形而包围所述弹性渐变区202；与所述衬底区203相对应的所述第一掩膜版100的透光率为所述高透光区，与所述弹性渐变区202相对应的所述第一掩膜版100的透光率为所述过渡区102，与所述弹性形变区201相对应的所述第一掩膜版100的透光率为所述低透光率区101。

如图3所示，在本发明的第二实施例提供一种梯度应变隔离的可拉伸衬底的制备工艺，其特征在于，包括以下制备步骤：

步骤S11：将弹性体聚合物原材料溶解进行配制，并在真空中静置；

步骤S12：将衬底清洗干净，所述衬底的材质为玻璃或者载玻片，经OTS修饰过；

步骤S13：采用溶液法利用旋涂工艺在所述衬底上制备一层50μm到200μm的弹性体聚合物薄膜，为三嵌段构型的聚合物；

步骤S14：将所述弹性体聚合物薄膜静置于液态有机小分子单体、交联剂、光引发剂的混合溶液中；

步骤S15：待清除表面多余溶液后，将渗有液态有机小分子单体溶液的弹性体聚合物薄膜放置在基板上，并在其表面设置透光率呈梯度变化或分布有密度梯度变化的均匀孔隙的第一掩膜版；其中，所述第一掩膜版包括高透光率区、过渡区和低透光率区，所述高透光率区所形成的交联网络密度最高，所述低透光率区所形成的交联网络密度最低，所述过渡区所形成的交联网络密度位于二者之间，且在所述过渡区的掩膜区域透光率呈梯度变化而使所述曝光后的所述可拉伸衬底弹性变化平滑；

步骤S16：将激光通过掩膜版对弹性体聚合物薄膜进行照射，使曝光部分发生光交联反应形成交联网络；

步骤S17：将第一掩膜版移除，并在空气下干燥，挥发多余溶液；

步骤S18：将干燥后的薄膜从基板剥离。

典型的，可以通过透光灰度进行调控透光率，也可以通过透光孔占比来调控透光率。

在本实施例中，在所述第一掩膜版的所述过渡区包括用于改变透光率的透光网孔，临近所述高透光区的所述透光网孔的有效透光率高于临近所述低透光区的所述透光网孔的有效透光率。

在本实施例中，所述可拉伸衬底包括衬底区、弹性渐变区、弹性形变区，所述弹性渐变区回字形而包围所述衬底区，所述弹性形变区回字形而包围所述弹性渐变区；与所述衬底区相对应的所述第一掩膜版的透光率为所述高透光区，与所述弹性渐变区相对应的所述第一掩膜版的透光率为所述过渡区，与所述弹性形变区相对应的所述第一掩膜版的透光率为所述低透光率区。

在本实施例中，所述激光输出波长为126～1064nm，以进行连续或者脉冲形式输出，脉冲输出的重复频率为1Hz～1MHz，脉冲输出的光脉冲宽度为30fs～300ns。

在本实施例中，所述激光照射参数包括激光扫描方式、激光能量密度以及激光扫描速率，所述扫描方式为网格型扫描或线型扫描，激光功率密度为0～300kW/cm2，激光扫描速率为10～500mm/s。

在本发明的第三实施例，提供一种梯度应变隔离的可拉伸衬底的实现方法，提供一氢化苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SEBS)弹性薄膜，该薄膜通过采用溶液法，并利用旋涂工艺在基底上成膜后，将液体有机小分子单体、交联剂、光引发剂混合溶液渗入该薄膜中，再透过光掩膜版进行激光照射，使被照射部分的所述混合溶液中的小分子单体形成交联网络嵌入SEBS结构中，大大增强该弹性薄膜局部区域的机械强度，该机械强度的增强随掩膜版区域透光率的梯度变化而变化，即应变隔离区域呈现连续、光滑的过渡变化，达到有效的梯度应变隔离效果。如图1、2所示，100为SEBS薄膜、110、120为产生了互穿网络的薄膜。

在本实施例中，所述的SEBS原料使用氯苯、甲苯等溶剂溶解，浓度为120mg/mL；加热搅拌均匀并真空环境下静置至无气泡存在后，以150rpm的转速将其旋涂至所述衬底上，再以80℃退火3h。将1％质量的Irgacure 651光引发剂和3％质量的EGDMA交联剂完全溶解在液态有机小分子单体溶液，其中EGDMA功能为交联剂。所述的SEBS薄膜在该混合溶液中静置一定时间。随后进行激光照射处理，使被照射处理区域液态有机小分子单体充分交联形成聚合物网络嵌入于所述SEBS薄膜中。其中，照射处理所选激光为波长517nm,脉冲输出，重复频率1MHz，脉冲宽度283fs，激光功率密度67.62kW/cm2。激光扫描方式设置为网格型扫描，激光扫描速率设置为100mm/s。

本发明还提供上述梯度应变隔离的可拉伸衬底的制备方法，包括以下步骤：

步骤S11：将SEBS原材料溶解进行配制，并在真空中静置。

步骤S12：将衬底清洗干净，所述衬底的材质为玻璃或者载玻片，经OTS修饰过。

步骤S13：采用溶液法利用旋涂工艺在所述衬底上制备一层50μm到200μm的SEBS薄膜，为三嵌段构型的聚合物。

步骤S14：将所述SEBS薄膜静置于液态有机小分子单体、交联剂、光引发剂的混合溶液中；

步骤S15：使用无尘布将SEBS薄膜表面多余的溶液轻轻擦拭干净；

步骤S16：将渗有液态有机小分子单体溶液的SEBS薄膜表面贴上透光率呈梯度变化的光掩膜版并用激光照射，使曝光部分发生光交联反应形成交联网络。

步骤S17：将掩膜版从薄膜表面移除，并在空气下干燥，挥发多余液态有机小分子单体溶液。

步骤S18：将干燥后的薄膜从基板剥离。

在本发明的第三实施例中，工艺步骤如下：

1)将SEBS原材料用浓度大于99.5％的氯苯在90℃和650rpm的条件下搅拌溶解，完全溶解后置于真空环境，直至所得溶液不再有气泡。

2)将已割好的2cm×6cm尺寸的玻璃经丙酮擦洗三遍，等离子处理后进行OTS修饰，后用氮气吹干后得到干净的玻璃片。

3)将配制好的SEBS溶液通过旋涂的方式以150rpm(30s)的转速在玻璃片上形成均匀的薄膜，再将玻璃片移至加热台进行80℃(3h)的退火，制备一层150μm厚的SEBS薄膜。

4)将制备好的SEBS薄膜浸入甲基丙烯酸(MAA)小分子单体、交联剂、光引发剂的混合溶液中，其中MAA液态小分子单体：EGDMA：光引发剂IRGACURE651＝96:3:1，静置20min后，用无尘布将SEBS薄膜表面多余的小分子单体溶液轻轻擦拭干净，并在薄膜表面贴附上透光率呈梯度变化的光掩膜版。

5)利用激光透过光掩膜版对样品进行照射处理。照射处理所选激光为波长517nm,脉冲输出，重复频率1MHz，脉冲宽度283fs，激光功率密度67.62kW/cm2。激光扫描方式设置为网格型扫描(扫描的图案为0.5cm×1cm长方形)，激光扫描速率设置为100mm/s。

6)将曝光后的样品置于空气中干燥3h后，从玻璃基板剥离。

在本发明的第四实施例中，工艺步骤如下：

1)将SEBS原材料用浓度大于99.5％的氯苯在90℃和650rpm的条件下搅拌溶解，完全溶解后置于真空环境，直至所得溶液不再有气泡。

2)将已割好的2cm×6cm尺寸的玻璃经丙酮擦洗三遍，等离子处理后进行OTS修饰，后用氮气吹干后得到干净的玻璃片。

3)将配制好的SEBS溶液通过旋涂的方式以150rpm(30s)的转速在玻璃片上形成均匀的薄膜，再将玻璃片移至加热台进行80℃(3h)的退火，制备一层150μm厚的SEBS薄膜。

4)将制备好的SEBS薄膜浸入甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)小分子单体、交联剂、光引发剂的混合溶液中，其中HEMA液态小分子单体：EGDMA：光引发剂IRGACURE651＝96:3:1，静置30min后，用无尘布将SEBS薄膜表面多余的小分子单体溶液轻轻擦拭干净，并在薄膜表面贴附上透光率呈梯度变化的光掩膜版。

5)利用激光透过光掩膜版对样品进行照射处理。照射处理所选激光为波长517nm,脉冲输出，重复频率1MHz，脉冲宽度283fs，激光功率密度67.62kW/cm2。激光扫描方式设置为网格型扫描(扫描的图案为0.5cm×1cm长方形)，激光扫描速率设置为100mm/s。

6)将曝光后的样品置于空气中干燥3h后，从玻璃基板剥离。

实施例1与实施例2的结构图如图1、2所示，由于液态有机小分子单体溶液以渗透形式分布在SEBS薄膜中，因此被曝光部分的交联网络会贯穿整个薄膜，提升局部整体的机械强度，该机械强度的增强随掩膜版区域透光率的梯度变化而变化，即应变隔离区域呈现连续、光滑的过渡变化，达到有效的梯度应变隔离效果。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。