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發(fā)展中的柔性電子技術
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作者:dcxpcb
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發(fā)布時間: 2020-06-13
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柔性電子技術是一門新興的科學技術。由于其獨特的柔性和延展性，柔性電子技術在很多方面有著廣闊的應用前景。
柔性電子(Flexible Electronics)又稱為塑料電子(Plastic Electronics)、印刷電子(Printed Electronics)、 有機電子(Organic Electronics)以及聚合體電子(Polymer Electronics)等;是將有機/無機材料電子器件制作在柔性/ 可延性塑料或薄金屬基板上的新興電子技術。
在人們的印象中，有機材料，如塑料等，都是很好的絕緣體，很少有人會想到塑料也能導電。近年來，由于對導電高分子的研究有了新突破，有機材料可以從傳統(tǒng)的絕緣體變成可導電的半導體，柔性電子便應運而生。現(xiàn)代化學等技術的發(fā)展，促進了柔性電子這樣一門學科的發(fā)展。柔性電子制造的關鍵包括制造工藝、基板和材料等，其核心是微納米圖案化(Micro - and Nanopatterning)制造，涉及機械、材料、物理、化學和電子等多學科交叉研究。
柔性電子以其獨特的柔性/延展性以及高效、低成本制造工藝，在信息、能源、醫(yī)療和國防等領域具有廣泛應用前景，如柔性電子顯示器、有機發(fā)光二極管OLED、印刷射頻識別(RFID)、薄膜太陽能電池板、電子報紙以及電子皮膚(Skin Patches)/人工肌肉等。
柔性電子除整合電子電路、電子組件、材料、平面顯示和納米技術等領域技術外，同時橫跨半導體、封測、材料、化工、印刷電路板及以顯示面板等產(chǎn)業(yè)，可協(xié)助傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，如塑料、印刷、化工和金屬材料等產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型，提升產(chǎn)業(yè)附加值，因此柔性電子技術的發(fā)展必將為產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和人類生活帶來革命性的變化。
柔性電子技術是一場全新的電子技術革命，引起全世界的廣泛關注并得到了迅速發(fā)展。美國《科學》雜志將有機電子技術進展列為2000年世界十大科技成果之一，與人 類基因組草圖、克隆技術等重大發(fā)現(xiàn)并列。美國科學家艾 倫黑格、艾倫·馬克迪爾米德和日本科學家白川英樹由于 他們在導電聚合物領域的開創(chuàng)性工作而獲得2000年諾貝爾化學獎。
柔性電子與傳統(tǒng)電子制造的區(qū)別
目前電子產(chǎn)業(yè)基本上都是屬于傳統(tǒng)的半導體產(chǎn)業(yè)，制造用到的設備相當龐大，且費用高昂，制造效率低;整個柔性電子的概念是希望能夠把傳統(tǒng)半導體產(chǎn)品、組件及線路用印刷的方式來替代。主要從三方面來看柔性電子與傳統(tǒng)電子電路不同之處：
(1)應用前景
一旦將很柔軟的基材應用在設計方面或把線路做成無形的或可折迭的東西，那就跟傳統(tǒng)的硬式基材有很大的不同。
(2)制造成本
柔性電子采用卷到卷印刷工藝，并且在材料的使用上也可避免像光刻技術浪費95%以上材料的問題，而采用印刷方式印制上去的面積則等同于使用的面積，其使用率在90%以上，以長期發(fā)展角度來看，印刷方式會比傳統(tǒng)光刻技術的成本低很多;硅CMOS晶元一般造價為每平方厘米10美元，復合半導體甚至更貴，柔性電子實現(xiàn)的理想造價為每平方厘米0.1美元，從造價就可以看出柔性電子的巨大優(yōu)勢。
(3)投資角度
傳統(tǒng)的半導體廠動不動就要數(shù)十億甚至上百億的投資，但柔性電子印刷的方式就像傳統(tǒng)的印刷，只要投資數(shù)千萬就可把基本的規(guī)模建立起來。要強調(diào)的是印刷所要用的油墨跟傳統(tǒng)的印刷不一樣，需要特別研制，開發(fā)初期成本由于 量少也比較高，但批量生產(chǎn)后成本就會變得較低廉了。
柔性電子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和材料
柔性電子技術雖然可應用于不同領域，但是其基本結(jié)構(gòu)相似，至少包含以下4個部分：電子元器件、柔性基板(flexible substrate)、交聯(lián)導電體(finterconnect)和黏合層。
柔性電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
1. 電子元器件
電子元器件是柔性電子產(chǎn)品的基本組成部分，包括電子技術中常用的薄膜晶體管、傳感器(sensor)等。這些電子元器件與傳統(tǒng)電子技術的元器件沒有本質(zhì)差別，部分元器件采用無機半導體材料(如硅)，由于其材質(zhì)較脆，在變形過程中易于發(fā)生脆斷，所以它們通常不直接分布在電路板上，而是先安放在剛性的微胞元島(cell island)上，然后承載元器件的微胞元島再分布在柔性基板上，這樣做的好處在于有利于保護電子元器件，避免其在彎曲過程中損壞。當然，有些電子元器件也可以直接分布在柔性基板上，例如，部分薄膜晶體管，由于自身特性，可以直接承受一定的應變而不影響其功能。
與傳統(tǒng)微電子技術相比，在柔性電子技術中，有機電子元器件的使用是一個顯著的特點，其中有機薄膜晶體管占據(jù)著十分重要的地位，有機材料的使用為減小元器件重量和厚度，提高其柔韌性和延展性創(chuàng)造了條件。
2. 柔性基板
柔性基板是柔性電子技術不同于傳統(tǒng)電子技術的最突出的地方。它具有傳統(tǒng)剛性基板的共同特點，首先就是絕緣性：絕緣的柔性基板保證電子設備在使用過程中不至于漏電，既確保其能正常工作，又能保證其使用的安全性。其次是較高的強度：無論在哪種電子技術下，基板所起的作用相當于骨架的作用，沒有較高的強度做保障，就不能保證其正常使用。
再次就是廉價性：基板材料是電路中使用最多的材料之一，只有使用價格低廉的材料才能有效降低電子產(chǎn)品的成本。
除了上述基板的共同特點以外，柔性基板還有其自身獨有的特性。首先是柔韌性：柔性電子系統(tǒng)的柔韌性主要通過基板表現(xiàn)出來，對柔韌性要求不同的產(chǎn)品可使用不同材質(zhì)的基板;例如，電子皮膚通常采用柔性非常強的硅有機樹脂(Si1icone)，而柔性電子顯示器對柔性的要求較電子皮膚弱，多采用聚對苯二甲酸乙二醇酯材料(PET)俗稱聚脂。
其次是薄膜性：雖然稱為基板，但其在尺寸上已不再是“板”，而是薄膜;柔性電子系統(tǒng)的基板通常在1毫米左右，既降低了材料的成本，又減輕了產(chǎn)品的重量。
鑒于上述考慮，柔性基板采用高分子聚合物是理想的選擇。目前可供選擇的柔性基板材料包括杜邦公司的Kapton聚酰亞胺(Polyimide，PI)薄膜材料、聚二甲基硅氧烷、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)等等，它們都能夠很好的滿足絕緣性、柔韌性以及強度要求。
3. 交聯(lián)導電體
電子元器件先分布在剛性的微胞元島上，許多個這樣的微胞元島再分布于柔性基板之上，這些微胞元島并不獨立存在，它們由交聯(lián)導電體連接，從而組成一個完整的柔性電路，也就是說交聯(lián)導電體在柔性電子系統(tǒng)中起到了電線的作用。交聯(lián)導電體以金屬薄膜的形式附著在柔性基板上。
4. 黏合層
柔性電子系統(tǒng)各種組成部分的結(jié)合需要黏合層，而黏合層對交聯(lián)導電體和柔性基板的結(jié)合尤其重要。柔性電子系統(tǒng)的黏合層應具有以下特性：
(1)耐熱性。柔性電子產(chǎn)品在裝配和使用過程中， 不可避免的要經(jīng)歷高于常溫的環(huán)境，一定的耐熱性是必要的。
(2)結(jié)合力。由于柔性電子產(chǎn)品在使用過程中要不斷的經(jīng)受拉壓彎曲變形，而經(jīng)黏合層連接的兩個薄層通常具有不同的力學性能，如果結(jié)合力不夠大，必然導致兩個薄層的相對滑動甚至剝離。
(3)彎曲能力。黏合層本身是柔性電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的一個組成部分，其自身的彎曲能力對整個結(jié)構(gòu)的彎曲能力具有重要影響。目前柔性電路中常用的黏合層材料主要有丙烯酸樹脂和環(huán)氧樹脂。
5. 覆蓋層
覆蓋層(又稱封裝層)主要保護柔性電路不受塵埃、潮氣或者化學藥品的侵蝕，同時也能減小彎曲過程中電路 所承受的應變，而最近的研究表明覆蓋層能夠減小柔性電 路中剛性微胞元島(fcellisland)邊緣的應力強度，并且能 夠抑制其與柔性基板的分離(delamination)。
根據(jù)柔性電子系統(tǒng)的特點，需要覆蓋層能夠忍受長期的撓曲，因此覆蓋層材料和基板材料一樣，抗疲勞性必需滿足一定要求。另外，覆蓋層覆蓋子蝕刻后的電路之上，因而要求其具有良好的敷形性，以滿足無氣泡層壓的要 求。用于覆蓋層的常用材料為丙烯酸樹脂、環(huán)氧樹脂以及聚酰亞胺等。
柔性電子系統(tǒng)的制備工藝
與傳統(tǒng)IC技術一樣，制造工藝和裝備也是柔性電子技術發(fā)展的主要驅(qū)動力。柔性電子制造技術水平指標包括 芯片特征尺寸和基板面積大小，其關鍵是如何在更大幅面的基板上以更低的成本制造出特征尺寸更小的柔性電子器件。
柔性電子制造過程通常包括: 材料制備→沉積→圖案化→封裝，可通過卷到卷(R2R)基板輸送進行集成。
柔性電子制造主要關注生產(chǎn)成本、生產(chǎn)效率和可實現(xiàn)的特征尺寸，以及有機材料的相容性等因素。近年來，由于活性材料及其圖案化技術的突破，柔性電子制造技術得到了長足的發(fā)展。
柔性電子制造的核心是薄膜晶體管(TFT)制造，其關鍵制造技術是制作源漏極間溝道長度的高分辨率圖案化技術，直接影響輸出電流、開關速度等器件性能。在有機半導體圖案化過程中，特別需要消除寄生漏電和減少串音，以確保高的開關比。大多數(shù)應用要求有機薄膜晶體管(OTFT)溝道長度小于10微米。現(xiàn)有的圖案化技術包括光刻、蔭罩以及打印(微接觸印制和噴印)等。
光刻等能量束技術在微電子器件圖案化中得到廣泛應用，分辨率高，但因其工藝過程復雜、設備昂貴、溶劑和 顯影劑無法用于塑料基板，加之耗時費料，僅適用于小面積圖案化，在刻蝕底層時環(huán)境要求苛刻，去除光刻膠時會破壞有機電子材料的活性和聚合物基板等，在柔性電子制造應用中受限。
蔭罩技術為“干”工藝，可避免溶劑破壞有機半導體，但分辨率有限。
打印技術在同一個步驟中同時實現(xiàn)功能材料沉積和圖案化，主要方法有：(1)將完整的電路轉(zhuǎn)移并粘貼到柔性基板上，如傳印(圖章);(2)直接在柔性基板上制備電路, 如噴印和微接觸印制(軟刻蝕)。
在傳統(tǒng)印刷方法中，首先通過標準光刻方法在硅晶片或玻璃板上制備整個結(jié)構(gòu)，然后轉(zhuǎn)移到柔性基板上制造出高性能器件。由于應用光刻和高溫沉積技術，傳印技術只能制造小面積器件，且加工成本高。
微接觸印制可制造出多級圖案用于掩模，可與R2R批量化制造技術集成。通常一個母版可制造100個以上的圖章，每個圖章又可實現(xiàn)3000個以上的印記，圖章的成本相對較低，可以每秒數(shù)厘米的速度制作60nm高分辨率圖案，但實現(xiàn)多層圖案比較困難。微接觸印制可用于非晶硅、多晶硅及TMOS等多種材料，但難以直接用于有機材料刻蝕。蘭紅波等人對納米壓印刻蝕模具技術的研究進展 及其發(fā)展趨勢進行了詳細的論述和分析。
柔性電子理想的圖案化工藝應滿足：低成本、大面積、批量化工藝、低溫、“加”式、非接觸式、可實時調(diào)整、三維結(jié)構(gòu)化、易于多層套準、可打印有機物/無機材料等。噴印是一種無接觸、無壓力和無印版的印刷復制技術，它具有無版數(shù)碼印刷的特征，在室溫下將溶液直寫實現(xiàn)數(shù)字化柔性印刷, 簡化了制造過程。利用溶液化的半導體和金屬材料取代傳統(tǒng)的真空沉積材料，可有效減低成本，噴印還具有以下優(yōu)勢：
(1)圖案質(zhì)量不受光刻焦距限制，可在非平面表面甚至深溝結(jié)構(gòu)上進行圖案化;
(2)與有機/無機材料的良好兼容性;
(3)直接利用CAD/ CAM數(shù)據(jù)加工器件, 可實現(xiàn)大 面積動態(tài)對準和實時調(diào)整;
(4)作為非接觸式圖案化技術，可有效減少瑕疵，并可利用虛擬掩模補償層間變形、錯位等缺陷;
(5)無需物理掩模的按需打印(DOD)技術;
(6)可實現(xiàn)復雜三維微結(jié)構(gòu)的快速設計與加工，并可通過基于軟件打印控制系統(tǒng)進行圖形的快速更改。
柔性電子的應用
伴隨著柔性電子技術的發(fā)展，各種電子產(chǎn)品應運而生。正如微電子技術為大規(guī)模集成電路和計算機芯片技術提供技術平臺一樣，柔性電子技術為新產(chǎn)品的研發(fā)提供了嶄新的的技術平臺。柔性電子產(chǎn)品目前正處于研發(fā)起步階段，部分產(chǎn)品已經(jīng)投放市場。從現(xiàn)在的研發(fā)趨勢來看，柔性電子技術在以下3個方面有著廣泛的應用。
1. 柔性電子顯示器
柔性電子顯示器(flexible electronic display)是在柔性電子技術平臺上研發(fā)出來的全新產(chǎn)品。與傳統(tǒng)平板顯示器不同，這種顯示器能夠被反復的彎曲和折疊，因而給我們的生活帶來極大的便利。
例如，所有可視資料，包括各種書籍、報紙、雜志和視頻文件都可以通過這種顯示器來呈現(xiàn)，而且可以隨時隨地觀看。盡管諸如MP4播放器和個人數(shù)字助理器(personal digital assistant，PDA)也能滿足這樣的使用需要，但其顯示屏不能彎曲和折疊，只能在很小的屏幕范圍內(nèi)閱讀和觀看這些文字和視頻，視覺效果受到極大的制約。相比而言，柔性電子顯示器具有無可比擬的優(yōu)勢，它就像報紙一樣，在需要時將其展開，使用完畢后將其卷曲甚至折疊，在保證攜帶方便的同時充分的兼顧了視覺效果。
值得一提的是，柔性電子顯示器采用更多的輕質(zhì)有機材料取代無機材料，所以其重量比傳統(tǒng)顯示器輕，這種特性有利于提高其便攜性。此外，高分子有機材料的使用為降低成本提供了可能性。另外，柔性電子顯示器具有厚度薄的特點，其厚度可以遠遠小于目前流行的液晶顯示器， 所以柔性電子顯示器的另一種名稱就是紙狀電子顯示器(paper-like electronic display)。
2. 薄膜太陽能電池板
薄膜太陽能電池板(thin film solar cell)是柔性電子技術的另一項具體應用。在當今世界里，能源已成為全球高度關注的話題，而我國不僅面臨能源短缺，還面臨環(huán)境污染。太陽能作為一種清潔能源，可以在環(huán)境零污染的前提下有效的緩解能源短缺的矛盾。
作為最常用的利用太陽能的方式，太陽能電池板能夠以最低的成本覆蓋較大的面積從而有效的利用太陽能。目前，非晶硅薄膜太陽能電池板已經(jīng)研發(fā)成功并進入市場銷售。
基于柔性電子技術的薄膜太陽能電池板能夠滿足大功率的發(fā)電需要，比如可以在陽光充足的沙漠地區(qū)的太陽能發(fā)電廠里使用這種薄膜太陽能電池板。
除此以外，還可以充分利用其柔韌和輕質(zhì)的特點，將其集成在衣服上。穿上這種衣服在陽光下行走或運動，隨身攜帶的小電器(如MP3播放器和筆記本電腦)的電源就 可由衣服上的薄膜太陽能電池板供給，從而達到既節(jié)約又環(huán)保的目的。
3. 柔性電子在RFID領域的應用背景
射頻識別(RFID)技術以無需人工接觸即可完成信息輸入和處理、操作快捷方便、發(fā)展迅速等特點，廣泛運用于生產(chǎn)、物流、交通、醫(yī)療、食品和防偽等領域。射頻識別系統(tǒng)通常由應答器、閱讀器組成。
電子標簽是應答器諸多形式中的一種，可以理解為一種薄膜型構(gòu)造的應答器，具有使用方便、體積小、輕薄和可嵌入產(chǎn)品內(nèi)等特點。未來的射頻識別系統(tǒng)中將越來越多的使用電子標簽。
電子標簽的構(gòu)造形式朝著輕、薄、小和軟的方向發(fā) 展。在這方面，柔性電子器件有著別的材料無法比擬的優(yōu)勢，因此，射頻識別系統(tǒng)電子標簽未來的發(fā)展很可能會與柔性電子制造相結(jié)合，使得RFID電子標簽的使用更加廣泛 和方便。另外，還可以很大程度上降低成本，帶來更高的效益。這也是柔性電子制造將來的發(fā)展方向之一。
制作低成本柔性電子標簽具有兩方面的意義。一方面，是制作柔性電子器件的有益嘗試。電子電路與電子器件朝著“輕、薄、小、軟”的方向發(fā)展，而柔性電子電路與電子器件的開發(fā)研制則更引人注目。
例如，現(xiàn)在已經(jīng)能夠生產(chǎn)的柔性電路板，是一種含有精致導線，采用薄薄的、柔順的聚合物薄膜制造的電路，它能夠適用表面安裝技術并能夠被彎曲為無數(shù)種所需形狀。
采用SMT技術的柔性電路很薄、很輕巧，絕緣厚度小于25微米，這種柔性電路能夠被任意彎曲并且可以彎曲后放入圓柱體中，以充分利用三維體積。
它打破了傳統(tǒng)固有使用面積的思維定勢，從而形成充分利用體積形狀的能力，這能夠在目前的采用的方法上極 大的增加有效使用密度，形成高密度組裝形式。順應了電子產(chǎn)品“柔性化”的發(fā)展趨勢。
另一方面，能夠加速射頻識別技術在我國的被認識和發(fā)展的過程。射頻識別系統(tǒng)中，應答器是技術關鍵所在。電子標簽是RFID應答器諸多形式中的一種，而柔性化的電子標簽更是適用于更多場合，電子標簽成本的降低將大力推動射頻識別技術的真正廣泛應用。
4. 電子皮膚
柔性電子技術的另一項重要應用就是電子皮膚(electronic skin)。電子皮膚又稱為皮膚狀電子，其基本特征是將各種電子元器件集成在柔性基板之上從而形成皮膚狀的電路板，像皮膚一樣具有很高的柔韌性和彈性，可以用于許多其它電器設備。
例如，在機器人技術中可以廣泛的應用電子皮膚：電子皮膚集成了各種傳感器和導電體，將外界的受力或受熱情況轉(zhuǎn)換為電信號后傳遞給機器人的電腦進行信號處理， 因此電子皮膚又稱敏感皮膚(sensitive skin)。
電子皮膚的兩個最基本的特點可以概括為：
(1)像人的皮膚一樣具有柔性和彈性以便機器人可以像真人一樣行動靈活和敏捷。
(2)電子皮膚上分布傳感器以便機器人能敏銳的感覺到外界環(huán)境的變化。
目前，國內(nèi)外對電子皮膚的研究方興未艾。針對機器人皮膚的重要電子元器件——傳感器，國內(nèi)在其原理及應用研究方面取得了一定進展?；诩t外傳感器的電子皮膚的設計方法，提高了機器人對未知環(huán)境的感知能力以便及時避讓障礙物。
此外，解決了電子皮膚中諸多傳感器的信號融合問題。由于PVDF壓電薄膜具有壓電能力高、柔韌、極薄和質(zhì)輕，很接近人體皮膚的特性，因此國內(nèi)外圍繞該材料進行電子皮膚傳感器的研究較為普遍。
國外對電子皮膚的相關問題研究也取得了相當?shù)倪M展。日本的研究人員不僅發(fā)展了電子皮膚的相關理論，更是制造出試驗性產(chǎn)品。針對電子皮膚的力感受問題進行研究，通過建立受力與傳感器電容的關系探討了實現(xiàn)力傳感的可能性。
盡管電子皮膚的基本原理并不復雜，但是如何給機器人覆蓋電子皮膚具有相當?shù)奶魬?zhàn)性，因為電子皮膚是感受機器人全身的外界環(huán)境，必須具有整體性。同時，電子皮膚作為一種外表部件，存在受外部因素而損壞的可能性。當電子皮膚的整體或部分損壞時，需要及時更換。
針對電子皮膚的這種需求，提出了電子皮膚單元模塊的概念，通過連續(xù)總線(serialbus)連接各個單元模塊，從而實現(xiàn)了電子皮膚的整體性與可擴展性的統(tǒng)一。但是，電線的使用不可避免的增加了電子皮膚的重量，電線的絕緣橡 膠層也在一定程度上制約了電子皮膚的柔軟性。
在這種情況下，對電子皮膚的連接導體進行了深入研究，提出了金屬(金)薄膜附著在預拉伸的聚對苯二甲酸乙二醇酯，俗稱聚酯基板上的新技術。實驗表明這種金屬薄膜在大到一倍的拉伸變形下(即應變達到100%)仍可導電。
針對電子皮膚傳感器的研究目前大多集中于單一外界信息的傳感(如力)。但是，作為電子皮膚，對多重外界信息的傳感非常重要，即能同時感受到力、溫度、濕度等外界刺激。要實現(xiàn)該目標，至少需要在3個方面實現(xiàn)技術突破：
(1)材料選擇：傳感器傳感功能的實現(xiàn)在一定程度上依賴于傳感器材料的功能特性，如壓電性、熱釋電性或半導性，所以對功能材料的研究和應用影響著傳感器技術的發(fā)展。
(2)多重敏感信號的處理：一個完整的(機器人)電子皮膚上匯集著相當數(shù)量的感受微元，每個感受微元都具備對外界環(huán)境進行響應的功能，在某些情況下每個感受微元還要同時對多重信號(如同時感受力和熱)進行響應。在信號量相當巨大的情況下，如何對信號進行處理進而確定機器人對外界刺激的對策是一項重要課題。
(3)電子皮膚力學性能的優(yōu)化：作為柔性電子技術的重要應用，電子皮膚必須滿足在強度保證下柔韌性的實現(xiàn);在不產(chǎn)生破壞前提下的最輕質(zhì)量優(yōu)化設計也是需要考慮的重要內(nèi)容。
除了機器人，在人造器官中也可以應用電子皮膚，例如治療心臟病所用的人造心臟，當然這對電子皮膚的材料提出了更苛刻的要求。總之，電子皮膚充分發(fā)揮了柔性電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)輕質(zhì)、柔韌的特點，具有廣泛的應用前景。
伴隨著柔性電子技術的發(fā)展，各種電子產(chǎn)品應運而生。正如微電子技術為大規(guī)模集成電路和計算機芯片技術提供技術平臺一樣，柔性電子技術為新產(chǎn)品的研發(fā)提供了嶄新的技術平臺。