专栏名称: 硬科技评论

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柔性混合电子及其应用解析

硬科技评论 · 公众号 · · 2021-05-14 12:03

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柔性电子包括两个涵义：柔性与电子，既要满足柔性的条件，又要满足电子功能的需求。不同的应用场景对柔性与电子功能的要求会千差万别，但大多数情况下，对电子功能的需求是第一位的。在满足电子功能的前提下，柔性化成为一种“锦上添花”。例如，心脑电图完全可以在医院环境下使用笨重的仪器设备实现测量，但轻便、柔性、可穿戴的心脑电测量设备使全天候、远程与家庭测量监护成为可能。所以，对于柔性电子而言，满足电子功能的需求是前提。许多近年来研究开发出来的有机与无机电子材料或光电材料的确能够同时满足柔性与电子功能两方面要求，例如柔性显示中使用的有机电致发光材料、导电与柔性兼优的碳纳米管和石墨烯材料，以及各种有机无机生物化学传感材料。

真正的柔性电子必须是本征柔性系统，既包括传感器也包括信号处理电路。但作为所有电子系统中最核心的元器件，晶体管始终是柔性电子的短板。早期在印刷电子技术开发方面过多地关注了直接印刷晶体管技术，期望将晶体管直接印在柔性基材上，实现柔性电子系统。但直接印刷的晶体管，无论是有机的还是无机的，都与硅基集成电路芯片在性能上无法比拟。有机晶体管是过去几十年中有机电子学最活跃的研究领域之一，但有机晶体管的均一性和稳定性仍然无法满足制备复杂集成电路的要求。基于碳纳米管和氧化物半导体的晶体管虽然有优于有机晶体管的电子性能，但同样存在集成化制备方面的性能一致性问题。虽然有机电子材料与无机半导体纳米材料本身有构建柔性电子的天然优点，但却仍然无法提供满足实际需求的电子性能，仍处于研究开发阶段。在科学杂志上不乏完全基于柔性材料的功能优异的传感器研究论文，但市场上却鲜见有这样的柔性传感器产品。其主要原因是传感器产品最基本的信号处理与传输系统还没有办法实现柔性化，因为晶体管、电阻、电容这些最基本的电子元器件还没有实现全柔性化。因此，目前柔性电子应用的一个尴尬局面是：在完全柔性化的传感器器件旁边还要“拖”一个传统硬质电路板（PCB），如图6-25所示，以实现所测量生理信号的放大与无线传输。

图6-25：可贴敷柔性传感器（通过PCB实现信号处理与传输）

为了满足市场对柔性电子产品日益增长的需求，人们开始寻求将微电子集成电路柔性化的技术路线。硅基材料本身虽然是刚性的，但当硅晶圆减薄到几十微米以下，硅晶圆也可以呈现一定的柔性。如果将硅晶圆上的集成电路芯片切割成更小的尺寸，又薄又小的硅芯片就可以贴敷在柔性基底上，实现柔性化电子系统。这正是John Rogers 等科学家在10年前所做的开创性工作：通过将CMOS集成电路芯片减薄并转印到柔性塑料基底上，实现了硅集成电路的柔性化，图6-26是超薄硅芯片转移工艺示意图。基本思路是将已加工好的超薄芯片从硅基底上剥离，然后转移到已经制备了互联电路的柔性基底上。图6-27a展示了正常厚度的硅芯片无法弯曲，弯曲则碎。减薄后则能实现一定程度的弯曲。图6-27b展示了将超薄芯片转移到柔性基底上，实现了柔性芯片阵列。需要注意的是，硅芯片因弯曲产生的应变会导致晶体管电参数的偏移，影响电路整体性能。

图6-26：超薄芯片转移过程

图6-27：（a）硅芯片减薄后可以弯曲，(b)超薄芯片已转移到柔性基底上

国内清华大学长三角柔性电子研究院走的是John Rogers开启的超薄芯片转移技术路线。在2019第二届柔性电子国际学术大会上，该研究院的柔性电子与智能技术全球研究中心研发团队（简称“荷清柔电”）发布了两款柔性芯片，分别为运放芯片和蓝牙SoC芯片，厚度均小于25微米。同时，荷清柔电还展示了利用柔性芯片制成的“创可贴”，可以监测人体数据。荷清柔电的柔性芯片大约在5cm²左右。目前，国内外柔性芯片发展均处于起步阶段，只有一小部分医疗检测等领域的应用可以投入量产。对于柔性芯片技术来说，电路制作材料和性能突破是最主要的限制。

近年来，柔性混合电子技术（Flexible Hybrid Electronics，FHE）受到印刷与柔性电子行业的重视。所谓“柔性混合电子”是将硅基集成电路芯片与印刷互联相结合，图6-28是国际半导体行业组织SEMI给出的柔性混合电子定义。这里的所谓混合是集成电路制造技术与印刷电子制造技术的混合。这些芯片可以是减薄的，也可以是商业集成电路模块。而图6-26所示的芯片转移形成的柔性电子，其互联电路是通过传统集成电路制造工艺构建的，因此不属于SEMI定义的柔性混合电子范畴。利用硅基集成电路的强大功能与印刷电子的大面积、柔性化、低成本优势，形成具有完备功能的柔性电子系统。这里的柔性混合电子不是本征柔性，而是系统柔性。可能弯曲半径不如本征柔性电子小，但补足了目前印刷晶体管性能有限的短板，为微电子固体电路找到了柔性化的新路径。

图6-28：柔性混合电子（FlexibleHybrid Elecronics, FHE）的定义

柔性混合电子可以直接使用商业集成电路芯片模块，只需制作柔性互联电路，而这些互联电路可以通过印刷方法加工。印刷加工的优势是可以方便地实现阵列化与批量化制备。图6-29是一个简单的柔性混合电子系统实例，其中电路互联是印刷制备，而电路元器件则为商业器件。尽管这些元器件并不是柔性可弯曲的，但由于是制备在柔性基底上，系统整体表现了可弯曲性，能够满足大多数柔性化的需求。

图6-29: 柔性混合电子实例：柔性LED电路

中科院苏州纳米所印刷电子中心在国内较早地开展了柔性混合电子的研发。图6-29展示的柔性LED系统是印刷电子中心早期的工作。图6-30展示的是中科院苏州纳米所印刷电子中心在柔性透明塑料基底上批量印刷形成的柔性蓝牙电路阵列，其中芯片及电阻电容都是商业器件，性能完全有保证，互联电路则是由印刷形成。由于所有功能元器件都可以在市场上购买到，这样的柔性电子系统可以直接拿来使用。印刷电子中心团队通过印刷纳米银，在超薄（2微米）基底上构建了温度传感器与蓝牙芯片集成系统。加装电池后可以直接贴敷在皮肤上感知体温信息，并通过蓝牙电路无线发送到智能手机终端（图6-31）。与图6-26的贴敷式柔性电子相比，柔性混合电子系统更具有实用性。

图6-30：柔性混合电子实例: 印刷集成的柔性蓝牙电路

图6-31: 可贴敷蓝牙电路（左）及蓝牙温度贴向手机发送体温信息（右）

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来源：节选自科钛网《柔性印刷电子产业发展研究报告》

来源：柔性电子创新世界

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