IEC 62951-82023 半导体器件.柔性和可拉伸半导体器件.第8部分柔性电阻存储器的可拉伸性、柔性和稳定性的试验方法标准立项发展报告

半导体器件柔性和可拉伸半导体器件第8部分：柔性电阻存储器的可拉伸性、柔性和稳定性的试验方法标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Semiconductordevices-Flexibleandstretchablesemiconductordevices-Part8:Testmethodforstretchability,flexibility,andstabilityofflexibleresistivememory摘要柔性电子技术作为新一代信息技术的重要发展方向，正在推动半导体产业从刚性形态向柔性与可拉伸形态的革命性跨越。柔性电阻存储器作为柔性电子系统的核心组件之一，其在弯曲、拉伸等复杂力学条件下的电学性能保持能力与可靠性，直接决定了柔性集成电路、可穿戴设备、植入式医疗电子等新兴应用场景的产业化进程。然而，由于缺乏统一的国际试验标准，各研发机构与制造企业在柔性存储器性能评价方法上各行其是，导致测试结果难以横向比对，严重制约了技术交流与市场准入。在此背景下，国际电工委员会（IEC）于2023年1月正式发布IEC62951-8:2023《半导体器件柔性和可拉伸半导体器件第8部分：柔性电阻存储器的可拉伸性、柔性和稳定性的试验方法》。该标准隶属于IEC62951系列，系统规定了柔性电阻存储器在拉伸、弯折及循环应力条件下的试验装置要求、试样制备方法、试验程序及数据报告规范，填补了该领域国际标准空白。本报告对该标准的立项背景、技术内容、关键参数及行业影响进行系统梳理与分析，旨在为相关企业和研究机构提供标准解读和应用参考。关键词：柔性电子；电阻存储器；可拉伸性试验；柔性试验；稳定性试验；IEC62951-8Keywords:Flexibleelectronics;Resistivememory;Stretchabilitytest;Flexibilitytest;Stabilitytest;IEC62951-81引言柔性电子技术被誉为继微电子之后的又一技术革命，其以柔性基板替代刚性硅片，赋予电子器件弯曲、卷曲、拉伸甚至折叠的能力，在可穿戴健康监测、电子皮肤、柔性显示、植入式医疗器件及物联网感知节点等领域展现出巨大的应用前景。忆阻器（Memristor）及其典型实现形式——阻变存储器（ResistiveRandomAccessMemory,RRAM），凭借其结构简单、开关速度快、功耗低、尺寸可微缩至纳米级、与CMOS工艺兼容等优势，被认为是下一代非易失性存储技术的有力竞争者。将RRAM与柔性基板结合而成的柔性电阻存储器，既保留了存储功能，又具备机械柔韧性，构成了柔性电子系统不可或缺的存储单元。然而，柔性电阻存储器的实际应用面临一个关键瓶颈——可靠性评价方法与标准缺失。与传统的刚性半导体器件不同，柔性电阻存储器在使用过程中不可避免地承受反复弯折、拉伸、扭转等机械应力，而这些应力如何影响器件的电阻开关特性、数据保持能力和耐久性，尚缺乏系统性的量化测试方法。不同实验室所采用的弯曲半径、拉伸应变速率、循环次数以及失效判据各不相同，导致文献报道的数据缺乏可比性。更为突出的是，部分研究者仅报告初始状态下的电学性能，而对循环机械载荷下的性能退化规律未作系统研究，这为产品可靠性的评估埋下了隐患。国际电工委员会（IEC）第47技术委员会（半导体器件）下属的SC47F（MEMS传感器与执行器）分技术委员会敏锐地捕捉到这一标准化需求，于2017年正式启动IEC62951系列的制定工作。该系列标准以"柔性和可拉伸半导体器件"为主题，覆盖薄膜材料力学性能测试、弯曲试验方法、拉伸试验方法等多个方面。其中，IEC62951-8聚焦于柔性电阻存储器的专项试验方法，经过多轮国际专家会议讨论与技术修订，最终于2023年1月正式发布实施。本报告将对该标准的编制背景、核心技术内容及其行业影响进行全面解析。2标准编制背景与必要性分析2.1柔性电阻存储器技术发展现状阻变存储器的工作原理基于介质材料在外部电场作用下在高阻态（HRS）与低阻态（LRS）之间可逆切换，从而实现数据的写入与擦除。其典型器件结构为金属-绝缘体-金属（MIM）三明治结构，活性介质材料涵盖过渡金属氧化物（如HfO₂、TaOₓ、TiO₂）、硫系化合物、有机材料等。当该结构构建于聚酰亚胺（PI）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）等柔性基板之上时，即形成柔性电阻存储器。近年来，柔性RRAM的研究取得显著进展。在材料层面，二维材料（如MoS₂、h-BN）、金属卤化物钙钛矿及银纳米线等新型功能材料的引入，大幅提升了器件的机械柔韧性与电学性能。在器件层面，通过结构设计优化，柔性RRAM已在弯曲半径为1mm的条件下实现10⁴次以上的弯折循环稳定性。然而，上述性能数据多源于实验室自建测试平台，弯曲模式（凸弯/凹弯/动态弯折）、拉伸应变范围、环境条件等因素未统一，使得不同研究组报告的数据缺乏客观比较基础。2.2标准缺失带来的行业问题标准缺失所带来的问题体现在多个维度：第一，测试结果不可比。同一型号的柔性存储器在不同实验室测得的弯折寿命可能相差一个数量级以上，这既可能源于器件本身的工艺波动，更可能源于测试方法和判定标准的不一致。第二，产品认证缺乏依据。对于柔性存储器制造商而言，客户无法基于统一的标准来验证产品是否满足特定的应用场景需求，采购决策缺乏技术依据。第三，产业协同受阻。柔性电子产业链涉及材料供应商、器件制造商、模组集成商和终端应用方等多个环节，各环节之间需要基于共同的测试语言进行技术对接和质量控制。缺乏统一标准导致供应链沟通成本高企。第四，国际竞争力受影响。在新兴技术领域，国际标准往往与知识产权和产业主导权紧密关联。中国在柔性电子领域的研究水平已跻身国际前列，但标准的缺失削弱了我们在国际竞争中的话语权。2.3IEC62951系列标准框架IEC62951系列标准由IEC/SC47F归口管理，其整体框架如下：-IEC62951-1：柔性及拉伸性半导体器件——术语、材料及器件分类的通用指南-IEC62951-2：高温下薄膜材料的热机械性能试验方法-IEC62951-3：柔性衬底上薄膜材料的弯曲试验方法-IEC62951-4：柔性衬底上薄膜材料的拉伸试验方法-IEC62951-5：柔性有机导电薄膜的弯曲试验方法-IEC62951-6：柔性衬底上薄膜材料的剪切试验方法-IEC62951-7：柔性衬底上薄膜材料的剥离试验方法-IEC62951-8：柔性电阻存储器的可拉伸性、柔性和稳定性的试验方法（本报告对象）-IEC62951-9：柔性衬底上薄膜材料的划痕试验方法IEC62951-8正是在前序各分标准所确立的通用测试框架基础上，针对柔性电阻存储器这一具体器件类别制定的专项试验方法标准。2.4标准的法规与政策依据本标准的制定与发布符合国际标准化组织的基本规则，并参考了以下法律法规与政策文件：-《ISO/IEC导则第2部分：国际标准的结构和起草规则》（ISO/IECDirectives,Part2）-IEC62951-1:2017《半导体器件柔性和可拉伸半导体器件第1部分：术语、材料及器件分类的通用指南》-IEC60747《半导体器件——分立器件》系列标准的总体框架要求-《国家集成电路产业发展推进纲要》关于提升核心产品自主研发能力和完善标准体系的指导思想3标准主要技术内容解析3.1标准适用范围IEC62951-8:2023适用于基于柔性基板制造的电阻式随机存取存储器（RRAM）器件，包括但不限于基于金属氧化物、硫系化合物、有机材料及二维材料为活性介质的柔性RRAM。标准所覆盖的试验项目包括三个核心维度：-可拉伸性试验（StretchabilityTest）：评估器件在承受单向或双向拉伸应变时的电学性能保持能力-柔性试验（FlexibilityTest）：评估器件在静态弯折与动态反复弯折条件下的性能稳定性-稳定性试验（StabilityTest）：评估器件在持续电应力、环境应力及机械应力耦合作用下的长期可靠性3.2术语与定义标准对以下关键术语进行了规范化定义：-柔性电阻存储器（Flexibleresistivememory）：在柔性基板上制造、能够在弯曲状态下保持存储功能的阻变存储器件-可拉伸性（Stretchability）：器件在不发生电学性能不可逆退化前提下所能承受的最大拉伸应变-弯曲半径（Bendingradius）：器件中性轴在弯曲状态下的曲率半径-高阻态（HRS）与低阻态（LRS）：阻变存储器在数据存储中的两种电阻状态-开关比（Switchingratio）：高阻态电阻值与低阻态电阻值的比值-耐久性（Endurance）：器件在重复写擦循环下保持有效开关特性的能力-数据保持力（Retention）：器件在无外部偏压条件下维持已存储数据状态的能力3.3试验装置与设备要求标准对不同试验项目所涉及的装置提出了明确要求：拉伸试验装置应配备精密运动控制平台，拉伸速率可调范围为0.01mm/min至100mm/min，位移分辨率不低于0.01mm，拉伸应变范围应覆盖试样断裂伸长率的120%以上。装置应具备实时力-位移数据采集功能，采样频率不低于100Hz。弯曲试验装置可采用两种类型：一是基于曲率半径可调的弯折平台，适用于静态和准静态弯曲测试；二是基于往复运动的动态弯折机构，适用于循环疲劳测试。动态弯折频率范围为0.1Hz至5Hz，循环次数可根据测试需求设定至10⁶次以上。装置应能够支持凸弯（器件薄膜朝外）与凹弯（器件薄膜朝内）两种弯曲模式。电学测试系统应具备精密源测量单元（SMU），电压输出精度不低于0.1mV，电流测量分辨率不低于1pA，支持脉冲模式与直流扫描模式。对于耐久性测试，需配备高速脉冲发生单元，最小脉冲宽度不高于100ns。3.4试样制备方法标准对试样制备提出了细致的规定。柔性电阻存储器试样应包含完整的存储单元阵列或单个存储单元结构，并引出便于电学测试的电极焊盘。基板厚度应予以记录，典型范围为12.5μm至125μm。试样推荐尺寸为长20mm、宽5mm的长条形结构，对于拉伸试验，试样有效测试区域长度应不小于10mm，夹持区域长度不小于5mm。所有试样应在标准环境条件——温度23℃±2℃、相对湿度50%±10%——下进行不少于24小时的状态调节。3.5试验程序与参数要求（1）可拉伸性试验程序在初始状态下测量器件的I-V特性曲线（包含置位电压\(V_{SET}\)与复位电压\(V_{RESET}\)）、高低阻态阻值及开关比。随后以恒定速率（推荐0.5mm/min）施加拉伸载荷，每增加1%应变（或更小步长），暂停拉伸并测量器件的电学参数。持续加载直至器件出现不可逆电学失效或达到预设的最大应变值。典型失效判据为开关比下降至初始值的10%以下，或高低阻态差异无法区分。（2）柔性试验程序将试样固定于弯曲试验平台，设定目标弯曲半径（推荐从20mm开始，逐步减小至5mm、3mm、1mm等），在每个弯曲半径下测量器件的电学性能。动态弯曲循环测试中，推荐弯曲频率为0.5Hz，每完成一定循环次数（如100、1000、5000、10⁴次）后暂停并测试器件的关键电学参数，记录其退化趋势。（3）稳定性试验程序稳定性试验包括三个子项目：-电学耐久性测试：在平坦状态下对器件施加重复的置位/复位脉冲，记录开关比随循环次数的变化。推荐测试循环次数不低于10⁴次。-机械-电学协同测试：在动态弯折或拉伸的同时施加电学读写操作，考核机械-电学耦合作用下的器件可靠性。-数据保持力测试：将器件写入特定状态（HRS或LRS）后，在设定温度（推荐85℃）下存储，定期读取电阻值，记录数据保持时间。3.6数据记录与报告要求标准要求试验报告至少包含以下信息：器件结构描述（包括材料体系、电极配置、存储单元尺寸）、基板材料与厚度、试样数量与编号、试验环境条件（温度、相对湿度）、试验设备型号与精度等级、完整的I-V特性曲线与开关比变化趋势、拉伸或弯曲应力-应变数据、失效模式分析（如电极开裂、介质层分层、界面剥离等物理表征结果），以及所有原始测试数据。报告应注明是否符合本标准的全部要求或存在偏离项。4标准主要起草单位介绍4.1IEC/TC47与SC47F组织结构IEC62951-8:2023由国际电工委员会半导体器件技术委员会（IEC/TC47）下属的SC47F分技术委员会归口管理。TC47成立于1968年，负责半导体器件领域的国际标准化工作，其工作范围涵盖分立半导体器件、集成电路、MEMS器件等的术语定义、测试方法、可靠性评定与认证体系。SC47F作为TC47的分技术委员会，专门负责MEMS传感器、执行器及柔性半导体器件的标准化事务，秘书处由日本工业标准调查会（JISC）承担。4.2主要起草单位该标准的制定汇聚了来自全球多个国家和地区的权威技术机构、知名企业和研究型大学的专家力量，主要起草单位包括：-日本产业技术综合研究所（AIST）：在柔性电子、纳米材料与MEMS领域拥有深厚研究积累，牵头承担IEC62951-8的编辑工作，并主导可拉伸性试验部分的试验方法验证工作-韩国电子技术研究院（KETI）：在柔性存储器领域拥有多项核心专利，承担了柔性试验循环测试方法的验证工作-中国电子技术标准化研究院（CESI）：作为中国在IEC/TC47的归口单位，积极参与标准制定并组织国内相关单位开展验证试验-imec（比利时微电子研究中心）：提供先进半导体工艺平台支持，协助完成了标准中关于器件制备与失效分析的验证工作-清华大学柔性电子技术研究中心：在柔性阻变存储器的材料与器件研究方面具有国际影响力，对标准的试验方法合理性与可操作性提供了重要反馈-斯坦福大学：在阻变存储机理与可靠性物理研究方面提供了理论支撑-富士通半导体、松下电器等企业代表：从产业应用角度为标准的可实施性提供了工程化建议4.3中国电子技术标准化研究院（CESI）简介中国电子技术标准化研究院（CESI，原电子工业部标准化研究所）创建于1963年，是工业和信息化部直属事业单位，也是中国电子信息领域标准化工作的国家级核心机构。CESI是IEC/TC47的国内技术对口单位，长期以来深度参与半导体器件领域的国际标准制定工作，在推动中国标准"走出去"和引进国际先进标准方面发挥着桥梁纽带作用。在柔性电子与MEMS标准化领域，CESI承担了多项重要工作：牵头制定了多项柔性电子领域的国家标准和行业标准，组织建立了柔性电子标准试验验证公共服务平台，累计服务企业超过200家，为柔性电子产业链上下游提供了技术支撑服务。在IEC62951-8的制定过程中，CESI组织国内高校和企业开展了多轮比对验证试验，针对标准草案中关于弯曲半径精度要求和拉伸速率设定等关键技术参数提出了多项建设性修改意见，相关建议被国际专家组的讨论所采纳，有效提升了标准对不同技术路线的兼容性。5标准实施意义与行业影响5.1对产业发展的支撑作用本标准的发布对柔性电子产业产生了显著的支撑效应。首先，它首次在国际层面为柔性电阻存储器建立了统一的性能评价方法，使得不同制造商、不同技术路线的