近日，西南交通大学力学与航空航天学院李翔宇教授课题组在多压头接触问题的研究方面取得进展，相关成果以“Contact stiffness of the multi-indenter contact interface”为题发表在固体力学旗舰期刊《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》。西南交通大学博士研究生王永彬和香港城市大学博士后赵晋生为论文共同第一作者，李翔宇教授为通讯作者，合作作者包括西南交通大学博士研究生贺宇翔，杨名山，以及西南交通大学储节磊副教授，袁江宏副教授和浙江大学陈伟球教授（见图1）。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jmps.2024.105659
图1. 论文首页
转印技术是集成和组装新一代电子产品的关键技术。特别是对于新一代电子产品，通常需要通过转印技术将数百万的微芯片同时从生长基板转移到目标基板。产品的成品率取决于转印的有效性。当弹性印章与目标物体接触时，一旦接触力超过相应的临界值，目标物体的界面可能会出现裂纹和永久性损伤，从而导致转印的失效。为避免失效，在目标物体的转印过程中，需要准确获得与多压头接触有关的接触力与变形之间的关系，以确定与不同接触目标相关的接触力的临界值。
接触刚度是调控接触力和变形之间关系的基本物理参数。精确表征压头之间的强弹性相互作用是准确确定多压头接触界面接触刚度的关键。但是已有的研究难以准确地表征接触界面上压头之间的强弹性相互作用。因而缺乏能够准确预测多压头接触界面接触刚度的模型。这为避免因接触过载造成的转印失效带来了困难。
针对这一问题，李翔宇教授课题组采用理论、数值和实验方法系统的研究了多压头接触问题。该工作揭示了压头之间弹性相互作用的奥秘，建立了精确预测多压头接触界面接触刚度的理论模型，该模型可以在压头之间处于强弱两种相互作用的情况下精确地表征接触界面上压头之间的弹性相互作用。对于规则图案、随机分布图案以及复杂定制图案的接触界面，成功确定了它们的接触刚度（见图2 (a)）。甚至对于复杂的单一结构的接触界面，相应的接触刚度都能够通过层级填充的策略确定（见图2 (b)）。值得注意的是，当前的研究确定了调控多压头接触界面接触刚度的完整物理参数，阐明了多压头接触界面接触刚度产生的物理机理。通过对临界载荷的预测，能够有效避免转印过程中目标物体因接触过载而产生的失效（见图3）。这为巨量转印技术的广泛应用提供了扎实的理论基础。
图2. 评估当前理论模型预测定制图案接触界面归一化接触刚度的能力。(a)定制化的S、W、J、T、U字母形式接触界面的归一化接触刚度。理论和实验同时采用由多个不同半径的压头填充的图案。(b) 具有字母Z、J、U及定制化的熊猫和心形图图案接触界面的归一化接触刚度。理论模型采用由多个不同半径的压头填充的层级图案，而实验则直接采用单一结构的接触界面。
图3. 通过硅片的拾取实验验证当前的理论模型。(a)当前理论模型预测的具有规则图案接触界面和定制化的微笑、苹果、心形、燕子、兔子及鸽子图案的统一接触界面的归一化接触刚度。(b)当前理论模型预测的规则图案和定制的微笑、苹果、心形、燕子、兔子及鸽子图案硅片的临界载荷。
该研究受到了国家自然科学基金重大项目子课题(Nos.: 12192210, 12192211)、国家自然科学基金面上项目(Nos.: 12072297, 62276218)和中央高校基本科研业务费专项经费(Nos.: 2682023ZTPY066)的支持。
