一种全柔性半导体器件封装结构
阅读说明：本技术 一种全柔性半导体器件封装结构 (Full-flexible semiconductor device packaging structure ) 是由 齐竹竹 郭秋泉 于 2020-12-14 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种全柔性半导体器件封装结构,设置于柔性半导体器件,所述柔性半导体器件包括显示层、电子元件层和基材,电子元件层位于显示层和基材之间；本封装结构位于显示层和基材之间,本封装结构由多孔材料层和无机填料层构成,所述多孔材料层位于显示层和电子元件层之间,所述无机填料层位于多孔材料层和电子元件层之间。本发明采用多功能材料以及双层功能粘接材料成功赋予柔性电子需要的抗弯曲性,承受弯曲次数可达20万次以上。(The invention discloses a fully flexible semiconductor device packaging structure which is arranged on a flexible semiconductor device, wherein the flexible semiconductor device comprises a display layer, an electronic element layer and a base material, and the electronic element layer is positioned between the display layer and the base material; the packaging structure is positioned between the display layer and the base material, and comprises a porous material layer and an inorganic filler layer, wherein the porous material layer is positioned between the display layer and the electronic element layer, and the inorganic filler layer is positioned between the porous material layer and the electronic element layer. The invention adopts the multifunctional material and the double-layer functional bonding material to successfully endow the flexible electronic with the bending resistance required, and the number of times of bending bearing can reach more than 20 ten thousand.)
技术领域
本发明涉及一种全柔性半导体器件封装结构，属于半导体器件封装结构技术领域。
背景技术
随着柔性显示领域的发展，一系列新型电子设备也得到了全新的发展机遇。其中，高端可折叠智能手机利用了柔性显示技术的优势，已经发展出了具有独特性能优势的新一代产品。然而，手机在未来柔性显示领域只是冰山一角。凭借柔性显示轻薄、不易破碎和可弯曲的特性，大量可穿戴设备、电子读物以及汽车电子等产品领域都将结合新技术的优势开发出迭代产品。
在半导体器件领域，随着力学、材料学以及制造工艺水平的不断发展，更多的电子元件被日益小型化、模块化、集成化。新的印刷电子等技术使得电子元器件更加往扁平化方向发展，甚至实现了平面化。微型化的电子技术也给柔性电子技术带来了新福音，特别是柔性可穿戴类的产品。我们以目前的可折叠手机为例，其实真正实现可折叠的只是手机屏幕显示的折叠部分，其它显示区域，尤其是手机内部的电子元器件并没有实现柔性。然而，在可穿戴电子产品领域，以及未来的可弯曲的手机，还有柔性读物方面，需要整个产品都具有柔性。因此，我们不仅需要考虑电子元器件的小型化，更重要的是如何将各类电子元器件组装起来，与柔性显示一起形成整套柔性电子产品。
全柔性电子器件的组装需要考虑几个方面的因素。不管是硅基电子还是新兴的柔性电子器件，都需要将电子器件制作在柔性基板上，然后与其它上下功能层进行粘接封装。在平面内部，科学家通过各种新技术、新材料来获得柔性，比如有科学家团队提出了用一种基于软印刷术的转印方法来实现硅基柔性电子的集成或者使用硅基半导体薄膜来实现柔性。从封装的角度考虑，我们更重要的是研究如何将各功能成有机结合在一起，既要保证器件的柔性，也要保证其功能性，稳定性等等综合因素，比如考虑散热等问题。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种全柔性半导体器件封装结构，采用多功能材料以及双层功能粘接材料成功赋予柔性电子需要的抗弯曲性，承受弯曲次数可达20万次以上。
为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：
一种全柔性半导体器件封装结构，设置于柔性半导体器件，所述柔性半导体器件包括显示层、电子元件层和基材，电子元件层位于显示层和基材之间；本封装结构位于显示层和基材之间，本封装结构由多孔材料层和无机填料层构成，所述多孔材料层位于显示层和电子元件层之间，所述无机填料层位于多孔材料层和电子元件层之间。
前述的一种全柔性半导体器件封装结构中，所述无机填料层由粘接剂和无机颗粒混合而成，所述无机颗粒是三氧化二铝、氮化铝、二氧化硅、氧化铝陶瓷，或者三氧化二铝和/或氮化铝和/或二氧化硅和/或氧化铝陶瓷的混合物，所述粘结剂是环氧树脂型、丙烯酸酯型或者有机硅型。
前述的一种全柔性半导体器件封装结构中，所述无机填料层由100重量份的粘接剂和10 至50重量份的无机颗粒混合而成，所述无机填料层覆盖电子元件，电子元件上方的无机填料层厚度是5-20μm。
前述的一种全柔性半导体器件封装结构中，无机填料层采用下述方法制备：将无机颗粒和粘结剂搅拌并分散均匀，然后通过喷涂或者涂布的方式形成涂层。
前述的一种全柔性半导体器件封装结构中，所述多孔材料层的制作材料包括聚氨酯和/ 或丙烯酸酯，所述多孔材料层的厚度是100至300μm。
前述的一种全柔性半导体器件封装结构中，所述多孔材料层是连通气泡型的多孔塑料，将聚氨酯和/或丙烯酸酯加入发泡剂和添加剂搅拌并分散均匀，然后通过喷涂或者涂布的方式形成涂层。
前述的一种全柔性半导体器件封装结构中，发泡剂采用表面活性剂发泡材料，包括十二烷基硫酸钠和/或脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠，发泡剂在100重量份中占1至10重量份，添加剂是稳定剂。
与现有技术相比，本发明采用多功能材料以及双层功能粘接材料成功赋予柔性电子需要的抗弯曲性，承受弯曲次数可达20万次以上。并且具有以下优点：1、利用具有高热传导率、高电阻率的无机颗粒，可以有效地将芯片或者其它电子元件的热量分散到整个平面，有效地防止了热集中的可能；2、将薄电子元件，比如贴片电子元件，封装起来，可以有效地保证电子元件的稳定性，不至于在弯曲的过程中出现脱离的情况；3、无机填充层可以通过喷涂、涂布等方式实现，不具有高温等复杂操作，不影响电子元件的性能；4、多孔材料粘接层可以大大提高弯曲的程度，降低内部应力集中的情况；5、多孔材料还是一个重要的撞击缓冲层，当其受到撞击的时候，可以有效地降低显示层受到的冲击，同时保护内部电子元件；6、未来全柔性电子器件，比如电子读物，其整体厚度会越来越小，在使用过程中需要的弯曲情况将越来越复杂，甚至出现局部完全折叠的超低曲率，使用多孔材料结合无机填料层进行封装可以有效地防止应力集中，提高器件的稳定性。
附图说明
图1是本发明的实施例1的结构示意图；
图2是本发明的实施例2的结构示意图；
图3是本发明的实施例3的结构示意图；
图4是本发明的弯曲状态效果结构示意图。
附图标记：1-显示层，2-多孔材料层，3-电子元件层，4-无机填料层，5-基材。
下面结合附图和
具体实施方式
对本发明作进一步的说明。
具体实施方式
本发明的实施例1：一种全柔性半导体器件封装结构，设置于柔性半导体器件，所述柔性半导体器件包括显示层1、电子元件层3和基材5，电子元件层3位于显示层1和基材5之间；本封装结构位于显示层1和基材5之间，本封装结构由多孔材料层2和无机填料层4构成，所述多孔材料层2位于显示层1和电子元件层3之间，所述无机填料层4位于多孔材料层2和电子元件层3之间。
所述无机填料层4由粘接剂和无机颗粒混合而成，所述无机颗粒是三氧化二铝，所述粘结剂是环氧树脂型、丙烯酸酯型或者有机硅型。无机填料层是喷涂在电子元件上和基材5上的，所述无机填料层4由100重量份的粘接剂和30重量份的无机颗粒混合而成，所述无机填料层4覆盖电子元件，电子元件上方的无机填料层4厚度是5μm。贴片电子元件最高厚度是 100μm，所以喷涂厚度是105μm。无机填料层4采用下述方法制备：将无机颗粒和粘结剂搅拌并分散均匀，然后通过喷涂或者涂布的方式形成涂层。
多孔材料层2是通过涂布的方式附着在无机填料层4上的，所述多孔材料层2的制作材料包括聚氨酯，所述多孔材料层2的厚度是100μm。所述多孔材料层2是连通气泡型的多孔塑料，将聚氨酯和/或丙烯酸酯加入发泡剂和添加剂搅拌并分散均匀，然后通过喷涂或者涂布的方式形成涂层。发泡剂采用表面活性剂发泡材料，包括十二烷基硫酸钠和/或脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠，发泡剂在100重量份中占1至10重量份，也就是说发泡剂的重量占多孔材料层重量的1％-10％，添加剂是稳定剂，稳定剂采用常规的规格即可，在此不做特殊要求。
实施例2：一种全柔性半导体器件封装结构，设置于柔性半导体器件，所述柔性半导体器件包括显示层1、电子元件层3和基材5，电子元件层3位于显示层1和基材5之间；本封装结构位于显示层1和基材5之间，本封装结构由多孔材料层2和无机填料层4构成，所述多孔材料层2位于显示层1和电子元件层3之间，所述无机填料层4位于多孔材料层2和电子元件层3之间。
所述无机填料层4由粘接剂和无机颗粒混合而成，所述无机颗粒是二氧化硅颗粒，所述粘结剂是环氧树脂型、丙烯酸酯型或者有机硅型。无机填料层是喷涂在电子元件上和基材5 上的，所述无机填料层4由100重量份的粘接剂和20重量份的无机颗粒混合而成，所述无机填料层4覆盖电子元件，电子元件上方的无机填料层4厚度是20μm。贴片电子元件最高厚度是80μm，所以喷涂厚度是100μm。无机填料层4采用下述方法制备：将无机颗粒和粘结剂搅拌并分散均匀，然后通过喷涂或者涂布的方式形成涂层。
所述多孔材料层2的制作材料包括聚氨酯，所述多孔材料层2的厚度是120μm。所述多孔材料层2是连通气泡型的多孔塑料，将聚氨酯和/或丙烯酸酯加入发泡剂和添加剂搅拌并分散均匀，然后通过喷涂或者涂布的方式形成涂层。发泡剂采用表面活性剂发泡材料，包括十二烷基硫酸钠和/或脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠，发泡剂在100重量份中占1至10重量份，也就是说发泡剂的重量占多孔材料层重量的1％-10％，添加剂是稳定剂，稳定剂采用常规的规格即可，在此不做特殊要求。
实施例3：一种全柔性半导体器件封装结构，设置于柔性半导体器件，所述柔性半导体器件包括显示层1、电子元件层3和基材5，电子元件层3位于显示层1和基材5之间；本封装结构位于显示层1和基材5之间，本封装结构由多孔材料层2和无机填料层4构成，所述多孔材料层2位于显示层1和电子元件层3之间，所述无机填料层4位于多孔材料层2和电子元件层3之间。
所述无机填料层4由粘接剂和无机颗粒混合而成，所述无机颗粒是氮化铝，所述粘结剂是环氧树脂型、丙烯酸酯型或者有机硅型。所述无机填料层4由100重量份的粘接剂和40重量份的无机颗粒混合而成，所述无机填料层4覆盖电子元件，电子元件上方的无机填料层4 厚度是15μm。无机填料层4采用下述方法制备：将无机颗粒和粘结剂搅拌并分散均匀，然后通过喷涂或者涂布的方式形成涂层。所述多孔材料层2的制作材料包括丙烯酸酯，所述多孔材料层2的厚度是130μm。发泡剂采用表面活性剂发泡材料，包括十二烷基硫酸钠和/或脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠，发泡剂在100重量份中占1至10重量份，也就是说发泡剂的重量占多孔材料层重量的1％-10％，添加剂是稳定剂，稳定剂采用常规的规格即可，在此不做特殊要求。
首先我们将主要功能层分为显示层、封装材料层、电子元件层以及基材层。其中封装材料层是本发明的重点，其它各层可以通过现有技术以及未来新技术实现柔性制造，各自都具有很好的柔性可弯曲特性。然后，当将显示层和电子元件层简单地用粘结剂粘合在一起后，由于整体厚度的增加，器件的柔性将大大降低，并且在弯曲过程中，界面需要承受较大的应用，不仅贴合容易出问题，电子器件也将受到额外应力作用而降低使用寿命。因此，我们的封装材料技术将采用多层梯度式的封装，并且采用多孔材料来提高封装材料本身的延展性能。
将封装材料层分为两个功能层，一个是无机填料层，一个是多孔材料层。所述多孔材料层2是连通气泡型的多孔塑料，将聚氨酯和/或丙烯酸酯加入发泡剂和添加剂搅拌并分散均匀，然后通过喷涂或者涂布的方式形成涂层。
无机填料层：随着技术的发展，电子元件越来越趋于小型化，越来越多的贴片式的半导体元件被组装到电路当中。另外，各种印刷电子技术的发展将使得更多的功能性电子元件被直接集成到柔性基材上面。随着低功耗的电子元件的不断开发，电路的发热量也在不断减小。但是，由于电路的高度集成化、模块化，留给电子元件的散热空间也变得极其有限。因此在将多层电路封装起来的时候，本发明的封装材料才中，靠近电子元件层采用了无机填料层，该层是通过将粘接剂与高热传导率的无机颗粒进行混合得到。无机颗粒的材料可以是三氧化二铝、氮化铝、二氧化硅或者氧化铝陶瓷，它们具有电阻率高，具有良好的绝缘性能以及良好的热传导性。电子元件的热量可以有效地分散到整个平面，实现散热的目的；无机填料层的主体材料可以是聚氨酯或丙烯酸酯制成的粘接剂，粘接剂的主体成分设定为100份(重量比)，无机填料添加量通常为10-50份，厚度是在覆盖最后的电子元件后，再增加厚度5-20μ m。
多孔材料层：多孔材料具有较好的延展性和可塑性，是一个极好的缓冲层多孔材料层可以在压缩或拉伸应变率都在50％以上仍然保持弹性变形，可以在弯曲转态下保持良好的性能，同时可以在变形恢复后还原到原状。另外，由于多孔材料的特殊性，在多次变形中如果出现局部损坏，并不会影响到整体的性能，可以在新的状态下继续维持良好的性能。不管是电子元件还是上面的无机填料层，还是基材，这些的热力学性质和显示层都存在很大差别，在器件的升温降温过程当中，多孔材料层可以作为缓冲层，有效地防止局部脱离。更重要的是，在弯曲的过程当中，由于电子元件的变形小，会出现局部弯曲是的曲率半径很小，造成局部的应力过大。因此，使用高延展性的多孔材料可以有效地防止这种情况的出现。另外，由于该缓冲层的存在，在没有半导体元件的位置，器件可以实现更小曲率半径的弯曲，也就是更大程度的弯曲。多孔材料的材料主体可以是聚氨酯或者丙烯酸酯，为了降低各层之间的不一致性，选用是和无机填料的主体材料一直，该层厚度100-300μm。
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