液态金属互连中的机械疲劳：失效机理分析及改进策略的验证

《Advanced Materials Technologies》：Mechanical Fatigue in Liquid-Metal Interconnects: Failure Mechanism Analysis and Validation of Improvement Strategies

液态金属（LM）可拉伸电子器件的可靠性受固体-液体界面应力集中影响，通过优化连接器设计和引入高弹性模量应变缓解层（如Dragon skin 10 Fast），可将器件在50%应变下的循环寿命提升至100万次以上，100%应变下存活率从16%增至50%。X射线断层扫描揭示了界面分层是主要失效机制，应变缓解通过降低界面应力集中有效抑制分层和金属流动。测试方法结合标准化dogbone样本设计和四探针电阻测量，实现了系统性的失效模式分析和寿命预测。

　　
液态金属在可拉伸电子系统中的接口可靠性研究

液态金属（LM）因其优异的电导性和机械适应性，成为可拉伸电子领域的核心材料之一。然而，液态金属与刚性或柔性组件之间的接口可靠性问题长期存在，特别是在反复应变条件下。本文通过系统性的失效模式分析和界面优化策略，揭示了液态金属-固体界面失效的关键机制，并提出了有效的解决方案。

研究首先构建了多维度测试体系，针对不同应用场景设计了三类测试样件：
1. 四线制样件：用于单独观测液态金属导体的电阻变化，消除连接器电阻的干扰
2. 平行导线样件：重点监测液态金属与柔性印刷电路板（FPC）的连接稳定性
3. 0805组件样件：集成微型电子元件（如LED和电阻），测试复杂电子系统的可靠性

连接器设计方面，创新性地开发了两种结构：
- 叉式连接器：通过机械支撑结构分散应力，在传统专利技术基础上进行优化
- 分式连接器：利用物理空隙阻断液态金属侧向流动，虽牺牲部分机械稳定性但有效防止短路

制备工艺采用双模注塑技术，通过真空脱气处理（转速2000rpm，脱气20分钟）显著降低气泡含量。关键创新在于引入弹性模量梯度过渡技术，在液态金属与FPC连接处采用DS10特种硅胶进行局部应变缓解处理，其弹性模量较基体材料提高约2.3倍，有效降低界面应力集中。

测试体系包含定制化循环拉伸平台（应变范围0-100%，频率0.5Hz）和四探针电测系统。通过X射线断层扫描技术（精度达10μm）实时监测界面失效过程，结合扫描电镜（SEM）和能谱分析（EDX）对失效样本进行微观表征。

研究发现存在三类典型失效机制：
1. 封装层剥离（发生率62%）：主要因内部气泡破裂引发应力集中，通过优化注塑工艺（真空脱气+模面砂纸打磨）将发生率降低至18%
2. 短路问题（发生率27%）：液态金属通过剥离间隙形成导电通路，采用分式连接器设计后消除该失效模式
3. 接触失效（发生率11%）：界面处材料性能不匹配导致机械剥离，应变缓解处理使该失效发生率下降至5%

关键突破在于界面应变缓解技术的应用：
- 在50%应变条件下，添加应变缓解层的样品循环寿命达100万次（标准差±15%）
- 在100%应变条件下，缓解层样品的存活率从16%提升至50%
- 有限元模拟显示，应变缓解层使连接处最大主应变降低至0.71（无缓解层时达1.41）

该技术已成功应用于集成LED的微型电子系统，在50%应变下持续工作200万次后仍保持稳定输出。微观分析显示，应变缓解层有效阻断了液态金属的氧化层积累（氧化层厚度减少68%），并抑制了材料流变学变化导致的断路。

研究建立了完整的失效分析框架：
1. 设计阶段：通过狗骨形结构分散应力，控制液态金属通道宽度（1mm）与间距（1mm）
2. 制备阶段：采用双组分硅胶（Ecoflex 00-30）进行梯度封装，首次注塑后1小时内完成二次注塑
3. 测试阶段：建立四探针电测系统（精度0.1Ω），每10个循环采样一次电阻变化
4. 失效诊断：通过X射线断层扫描（分辨率10μm）定位剥离起始点，结合EDX分析界面元素组成

该研究首次系统揭示了液态金属-固体界面失效的演变规律：
- 初期（<5000次循环）：界面处出现微米级裂纹（宽度0.5-2μm）
- 中期（5000-50000次循环）：裂纹扩展至50μm以上，形成局部剥离区
- 后期（>50000次循环）：剥离区面积超过连接界面30%，导致断路

通过对比分析发现，传统连接器设计中应力梯度变化率高达120MPa/m，而应变缓解结构将应力梯度降低至45MPa/m。这种力学性能的优化直接导致界面剥离寿命延长约8倍。

研究成果已形成标准化测试流程：
1. 样件制备：批量生产（8片/批次）确保工艺一致性
2. 界面处理：采用3M砂纸（240目）对模具表面进行预处理
3. 测试参数：拉伸速率5%min?1，循环次数≥100万次
4. 电性能评估：以电阻变化率ΔR/R₀＞10%为失效阈值

该技术突破为可穿戴设备、软体机器人等应用提供了可靠连接方案。实测数据显示，在50%持续应变下，集成应变缓解结构的液态金属连接器仍能保持稳定工作超过100万次循环，满足医疗监测设备（需10年寿命）和可穿戴设备（需5年寿命）的应用需求。

后续研究方向建议：
1. 开发纳米改性液态金属（如添加石墨烯量子点）
2. 研究多物理场耦合效应（电-热-力耦合）
3. 建立界面失效预测模型（基于机器学习算法）
4. 探索3D堆叠连接技术

该研究为可拉伸电子系统的工程化提供了重要理论支撑和实践指导，特别是界面优化策略对柔性电路板、智能传感器等领域的应用具有重要参考价值。