Metamorphic stretchable electronics

Biswas, Shantonu GND

Die jüngsten Fortschritte auf dem Gebiet der Elektronik wenden sich der Realisierung mechanischer dehnbarer Elektroniken zu. Diese sind in der Lage sich umzuwandeln um neue Formfaktoren anzunehmen. Um eine nahtlose Integration der Elektronik in unsere Alltagsgegenstände und viele weitere Anwendungsfelder zu ermöglichen, bei denen herkömmliche starre elektronische Systeme nicht ausreichen, ist mechanische Dehnbarkeit notwendig. Diese Arbeit zielt darauf ab, eine dehnbare Leiterplattentechnologie (sPCB) zu demonstrieren, die mit industriellen Herstellungsprozessen kompatibel ist. Idealerweise soll das starre Trägersubstrat der konventionellen Elektronik durch ein dehnbares Gummisubstrat mit dehnbaren Leiterbahnen ersetzt werden. Zunächst wurde eine Methode entwickelt, um eine industrietaugliche, einlagige, dehnbare Leiterplatte zu realisieren. Der dargestellte Ansatz unterscheidet sich von anderen Methoden in diesem Bereich, welche die Metallisierung auf dem Gummisubstrat aufbringen und die Komponenten anschließend darauf montieren. Dadurch leiden diese unter einer geringeren Ausrichtung und Fixierung. Stattdessen wird im dargestellten Ansatz ein harter Träger verwendet, der den Einsatz des dehnbaren Gummimaterials bis ans Ende der Prozesskette verschiebt. Diese Single-Layer-Methode wurde weiterentwickelt, um mehrschichtige, integrierte sPCB zu realisieren, bei der verschiedene Metallisierungsebenen durch vertikalen Durchkontaktierungen (VIA) miteinander verbunden werden. Auch dieses Verfahren verwendet konventionelle starre Träger für den Herstellungsprozess. Wie in der konventionellen Leiterplattentechnologie ist auch die Herstellung auf starren Trägern wichtig, da sie Folgendes ermöglicht: Ausrichtung und Registrierung, Hochtemperaturprozesse, konventionelle Chip-Bestückung durch Roboter und "On-Hard-Carrier"-Bauteiltests. Darüber hinaus ermöglicht die dargestellte Methode den direkten Einsatz handelsüblicher SMDs, was für die einfache Realisierung komplexer elektronischer Schaltungen wichtig ist. Als Endsubstrat kommt ein hochelastisches Silikonmaterial (EcoFlex) zum Einsatz, welches die Bauelementebenen einkapselt. Um die Bauelementebenen vom harten Träger auf das weiche Substrat zu übertragen, wird ein einstufiges, waferbasiertes und lösungsmittelfreies Ablöseverfahren eingesetzt, bei dem die differentielle Grenzflächenadhäsion einer Multi-Opferschichten genutzt wird. Für die hochelastischen Leiterbahnen wurde ein neues Mäander-Metallbahndesign entwickelt, welches als "spannungsadaptiv" bezeichnet wird. Die neue Mäander-Metallbahn variiert in ihrer Breite, um das einwirkende Drehmoment in den Metallbahnen, aufgrund der ungleichmäßigen Spannungsverteilung über die Mäander-Schleifen, aufzunehmen. Das spannungsadaptive Design zeigt eine signifikante Verbesserung der Spannungsverteilungen auf den Metallbahnen und führt experimentell zu einem höheren Niveau der maximalen Dehnung und der Anzahl der Dehnungszyklen. Es wurde eine breite Palette von dehnbaren Systemen demonstriert, darunter Elektronik, Optoelektronik, Akustoelektronik und Sensor-Arrays. Die Demonstratoren, auf Basis einer einzigen Metallisierungsschicht in einer Gummimatrix, enthalten Arrays mit gehäusten SMDs, LED-Nacktchips, laborgefertigte Si [my]-Transistoren und MEMS-Mikrofone. Weiterhin wird eine integrierte Multilayer-sPCB mit Chip-großen LEDs und Transistoren demonstriert, um eine adressierbare aktive Matrix zu realisieren. Dieser Prototyp demonstriert die Machbarkeit von integrierten Multilayer-sPCB und wird im Prinzip dazu führen, dass jedes heute bekannte elektronische System in ein äquivalentes dehnbares System überführt werden kann. Schließlich stellt diese Arbeit das bahnbrechende Konzept der metamorphen Elektronik vor, welche sich umwandeln kann um neue Topologien und Formfaktoren anzunehmen. Es werden verschiedene Arten von Deformationsmechanismen demonstriert, darunter das Aufblasen von gleichförmigen oder strukturierten Gummimembranen, 3D-geführte Deformationen und Vakuumformung in Kombination mit 3D-Schablonen. Die Palette der Topologien reicht dabei von halbkugelförmig, kugelförmig, konkav/konvex, pyramidenförmig, turmartig, bis hin zu komplexeren 3D-Formen, darunter Bienenaugen-Strukturen.

Recent advancement in the field of electronics has taken a shift to enable the realization of mechanically stretchable electronics which morph to take on new form factors. Mechanical stretchability is necessary to have seamless integration of electronics in our daily life objects and many other purposes where conventional rigid electronic system is insufficient. This thesis aims to enable a stretchable printed circuit board (sPCB) technology that is compatible with industrial manufacturing. Ideally, the rigid carrier substrate of conventional electronics is intended to be replaced by stretchable rubber substrate with stretchable interconnects. Initially, a method has been developed to realize an industry compatible single layer stretchable PCB. The approach is different from other reported methods in this field, which apply the metallization to the rubber support and mount the components on top and, which suffer from a lower level of alignment and fixation. Instead, in the depicted method a hard carrier is used, which delays the use of the stretchable rubber support to the end of the processing sequence. The single layer method has been further developed to realize a multilayer integrated sPCB, where different metallization layers are connected through vertical interconnect access (VIA). The method uses hard carrier. Like conventional PCB technology, the hard carrier fabrication is important since it enables: alignment and registration, high temperature processing, conventional robotic chip placement, and “on-hard-carrier” device tests. Moreover, the depicted method enables direct use of commercially available SMDs which is important to realize complex electronic devices. As final substrate, highly stretchable silicone material (EcoFlex) is used which encapsulates the device layers. To transfer the device layers from hard carrier to soft substrate a single-step, wafer-level, and solvent-free detachment process has been developed which uses the differential interfacial adhesion in between the sacrificial layers. For highly stretchable interconnects a new meander metal track design is developed which is named as “stress adaptive” metal track. The new meander metal track varies in widths to accommodate produced torque in the metal tracks due to the non-uniform stress distribution over the meander loops. The stress adaptive design shows a significant improvement in the stress distributions over the metal tracks in computer simulated stress profile. And, experimental results show a higher level of maximum stretching (320%) and higher number of stretch-release cycles (11000) comparing with a reference design. A wide range of stretchable systems have been demonstrated including electronics, optoelectronics, acoustoelectronics and sensor arrays. The demonstrators contain arrays with packaged SMDs, bare dies integrated LEDs, lab-fabricated Si µ-transistors and MEMS microphones using a single metallization layer within a rubber matrix. Furthermore, an integrated multilayer sPCB is demonstrated using chip scale LEDs and transistors to realize an addressable active matrix. These prototypes of integrated multilayer electronics demonstrate method to enable multilayer sPCB technology which could lead to realize any electronic system known today to be stretchable. Finally, this thesis introduces a new type of electronics which morph to adapt to new topology and form factor. This shape-adaptive electronics is named as metamorphic electronics. Various types of deformation mechanisms have been demonstrated including inflation and/or deflation of uniform or patterned rubber membranes, 3D guided deformations, and vacuum forming in combination with 3D chaperons. The range of topologies includes hemispherical, spherical, concave/convex, pyramid, tower, bumble bee-eye, and more complex 3D shapes.

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Biswas, Shantonu: Metamorphic stretchable electronics. Ilmenau 2018.

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