Reliability testing on stretchable electronics:printed conductors under strain

Abstract. The aim of stretchable electronics research is to develop stretchable circuit boards and devices that can replace today’s hard and rigid circuit boards and devices. Stretching would allow for more comfortable, flexible and stretchable devices. The aim of this thesis is to investigate the properties of printed conductors on a stretched substrate, the requirements for testing, and to produce a device for stretch testing which meets desired requirements. The properties of the printed conductor are influenced by the used fabrication technique and the drying times, as well as materials such as printing ink and substrate. The properties affect the reliability and durability of the conductor, for example, failure mechanisms such as cracking and delamination of the conductor. Requirements for the test device is 1 % accuracy as a standard for the measuring instrument, which was achieved for the measuring instruments in this thesis. With the test apparatus implemented in the thesis, the stretchability limit test was performed on samples made using silk screen printing. The samples used five different printing inks, six drying times, three substrate thicknesses, four wire patterns and horizontal and vertical printing directions. The best wire pattern for the stretchability limit test was the U-shaped conductor. The horizontal printing direction was better than the vertical and the thickest 150 µm substrate was better than thinner ones. The second cyclic stretchability test performed by the test device was performed on samples with the evenly performed ink in the stretchability limit test. The measurement was performed on ten identical samples giving very similar results, which were made using the roll-to-roll technique. Based on the first test, the samples were horizontally printed on a 150 µm substrate, and the wire was U-shaped. All samples failed between 111–168 cycles when limit of failure was 100 Ω average resistance per cycle. Based on the Weibull distribution of the results, 63.2% of the tested samples failed at cycle 149.Venyvän elektroniikan luotettavuustestausta : painetut johtimet venytyksessä. Tiivistelmä. Venyvän elektroniikan tutkimuksen tavoitteena on kehittää venyviä alustoja ja venyviä laitteita, joilla voidaan korvata kovia ja kiinteitä nykypäivän piirilevyjä ja laitteita. Venyvyys mahdollistaisi mukavampien, taipuisien ja venyvien laitteiden valmistamisen. Tämän tutkielman tavoitteena on perehtyä venyvälle substraatille painetun johtimen ominaisuuksiin, testauksen vaatimuksiin ja toteuttaa vaatimusten mukainen laite venytystestaukseen. Painetun johtimen ominaisuuksiin vaikuttavat käytetyt valmistusmenetelmät ja kuivausajat sekä materiaalit kuten painomuste ja substraatti. Ominaisuudet vaikuttavat johtimen luotettavuuteen ja kestävyyteen, esimerkiksi vikaantumismekanismeihin, kuten johtimen halkeiluun ja delaminoitumiseen. Testilaitteen vaatimuksena käytetään standardeissa mittalaitteille vaadittua 1 % tarkkuutta, minkä tutkielmassa toteutettu mittalaite täyttää kaikilta osin. Tutkielmassa toteutetulla testilaitteella suoritettiin maksimivenymän testi tasosilkillä valmistetulle näytteille. Näytteissä käytettiin viittä eri painomustetta, kuutta kuivausaikaa, kolmea substraatin paksuutta, neljää johdinkuviota, sekä horisontaalista että vertikaalista painosuuntaa. Painokuvioista parhaiten maksimivenymän testissä kesti U-muotoinen johdin, horisontaalinen painosuunta oli vertikaalista parempi ja paksuin 150 µm substraatti ohuempia parempi. Testilaitteella toteutettu toinen syklisen venytyksen kesto mittaus suoritettiin maksimivenymän testissä tasaisimmin suoriutuneelle musteelle. Mittaus suoritettiin kymmenelle identtiselle roll-to-roll menetelmällä valmistetulle näytteelle, joista saatiin hyvin tasaiset tulokset. Näytteet olivat ensimmäisen testin perusteella horisontaalisesti 150 µm substraatille painettuja ja johdin oli U-muotoinen. Kaikki näytteet vikaantuivat 111–168 syklien välissä, kun vikaantumisen määritelmä oli syklin keskimääräisen resistanssin ylittäminen 100 Ω raja-arvon. Tuloksista muodostetun Weibullin jakauman perusteella testatun kaltaisista näytteistä 63,2 prosenttia on vikaantunut 149 syklin kohdalla

Fully integrated wireless elastic wearable systems for health monitoring applications

Abstract Advances in flexible and hybrid electronics promote increasing demands for wearable sensors in personal health, monitoring, and diagnostic medical gadgets. Conventional wearable devices rely on electronics based on rigid substrates and components with limited conformity to user skin. In this work, we report a fully integrated, stretchable wireless electrocardiography (ECG) system developed on highly elastic, ultra-thin ( 100 μm ) thermoplastic polyurethane (TPU) film without any rigid or flexible interposer. Moreover, the circuit layout printing and component assembly are carried out through sheet-to-sheet (S2S) process directly on TPU film. This study utilizes both experimental reliability tests coupled with data acquired from finite element modeling (FEM) to assess performance and failure of the device under tensile loading. In such a complex system assembly, FEM simulation not only provides insights on the overall electromechanical performance of the device, but also facilitates localization of the failure points which are difficult to access for visual inspection. The performance of the device is also evaluated through controlled uniaxial cyclic strain at 5% and 10% elongation. The durability test shows that the assembled device can stay functional over hundreds of deformation cycles, suggesting that direct assembly of conventional components on stretchable substrate represents a promising approach for fully integrated stretchable devices, which is a step toward scalable manufacture of wearable stretchable electronics through high-throughput manufacturing processes