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01
内容概览
现有技术缺点
制造规模受限：传统的可拉伸电子产品制造技术主要集中在小尺寸设备（如厘米级）上，无法实现大规模生产，这限制了其在需要大表面积共形集成的应用中的使用。 垂直互连挑战：在大规模可拉伸电路中，垂直互连通道（VIAs）的构建存在困难，因填充导电材料时可能会导致填充不均匀。
材料特性不匹配：弹性体与无机材料的热膨胀系数和弹性模量差异较大，容易在组装过程中引发错位和焊接缺陷。
文章亮点
3D-LSC方法：提出了一种名为3D-LSC（large-scale, 3D, and stretchable circuits）的综合方法，能够实现大规模、三维、可拉伸电路的制造，突破了制造规模和功能密度的限制。
S-CCL材料：开发了基于“铸造和固化”工艺的软铜覆盖层复合材料（S-CCL），支持超过1米范围的平面互连图案化，允许多层堆叠和垂直互连，适用于大规模可拉伸电路制造。
临时粘合策略：引入临时粘合基底，减少了由残余应变和热应变引起的错位，提高了制造过程中的对齐精度，确保了组件的稳定性。
应用场景
可穿戴医疗设备：3D-LSC可用于制造多功能的可拉伸皮肤贴片，能够监测血压、脉搏和体温，并具备增强的无线供电能力，适用于长时间健康监测。
智能皮肤与柔性显示器：该技术可应用于航空工程中的智能皮肤和曲面显示器，如共形天线和可拉伸LED阵列显示器，支持空中视频传输和曲面显示。
大规模柔性电子集成：适用于需要大表面积和高功能密度的柔性电子设备，推动其在物联网、可穿戴设备及新兴显示技术中的应用。
总结
作者提出的3D-LSC方法通过S-CCL材料的应用和临时粘合策略，成功解决了可拉伸电子设备在大规模制造中的技术瓶颈，实现了高功能密度和多层集成的可拉伸电路。该技术展示了批量生产的潜力，并成功应用于多个实例中，包括可拉伸皮肤贴片、共形天线和可拉伸LED阵列显示器，显示出在可穿戴医疗、柔性显示器及人机界面等领域的广泛应用前景。
文章名称：Scalable Fabrication of Large-Scale, 3D, and Stretchable Circuits
期刊：Advanced Materials
文章DOI：https://doi.org/10.1002/adma.202402221
通讯作者：电子科技大学林媛（Yuan Lin）和Taisong Pan团队
02
图文简介
3D-LSC的方法论框架
图1. 3D-LSC制备框架。a) 3D-LSC制备的关键技术要素。S-CCL通过在铜箔上浇铸未固化的弹性体，然后进行热压工艺，实现大规模的铜覆盖弹性体。通过逐层堆叠图案化的S-CCL，形成多层电路。通过激光微加工孔钻孔和通过多层S-CCLs进行导电填充的金属化，形成VIAs 。在图案化和VIA形成期间实施临时粘合以减轻错位。b) 米级两层可拉伸电路的照片（1m×0.3m）。c) 安装有COTS元件的五层可拉伸电路的照片。
3D互连
在3D-LSC中，3D互连是通过每个S-CCL上的面内互连和基于VIAs的垂直互连实现的。
图2. 多层互连。a) S-CCL的横截面图像。b) 不同均方根粗糙度参数（Rq）下S-CCL在20 GHz时的剥离强度和插入损耗。c) 不同温度下，S-CCL中铜箔（Rq = 529 nm）与PI胶带上的剥离强度。d) 通孔、埋孔和盲孔的示意图及横截面图像，包括VIA中铜分布的能谱分析（EDS）映射（黄色区域）。e) 不同配置的VIA的横截面图像。f) VIA位置与g) 孔深对VIA-蛇形结构延展性的影响。h) 单轴拉伸应变循环载荷下VIA-蛇形结构的电阻。
临时粘合策略
互连图案化和组件组装的准确性是实现具有预期性能和高良率的多层电路的主要关注点。在3D-LSC中实现这一目标具有更大的挑战性，这主要是由于S-CCL湿法蚀刻中残余应变的存在以及组件组装过程中热应变的影响。如图3a所示，在S-CCL图案化过程中残余应变的释放以及组件组装中的热应变会导致电路变形，从而导致3D-LSC制造中叠加精度的下降。作者引入了临时粘合基底(temporary bonding substrate, TBS)以减轻残余应变和热应变所造成的失真。图3b展示了TBS的基本原理。TBS在易受残余应变或热应变影响的工艺之前与电路键合，从而能够夹紧电路，以最大限度地减少电路的不良变形。图3c通过展示TBS在S-CCL图案化中的应用，说明了TBS的有效性。
图3. 临时粘合策略。a) 3D-LSC 制造中因热应变和残余应变引起的错位的示意图（左）和照片（右）。b) 通过 TBS 最小化错位的示意图（左）和照片（右）。TBS 夹具将电路固定，以减轻由热应变和残余应变引起的变形。c) 用于评估叠加精度的金属贴片阵列照片。d) 加精度评估中测量的第一层和第三层之间的对准误差示意图。e) TBS 的能量释放速率与温度的依赖关系示意图。不同 TBS 的温度与能量释放速率关系的实验和拟合结果：f) H-TBS-1 和 H-TBS-2。g) H-TBS-2 和 WS-TBS。
可拉伸皮肤贴片用于无线生理监测
利用3D-LSC制造技术的能力，作者开发了一种集成的可拉伸皮肤贴片，用于无线监测温度、血压和脉搏。如图4a所示，该贴片包括五个专用于无线供电、无线通信和生理信号监测的电路层。 由于制造规模显著增加，该贴片可以批量生产（一批9个贴片，图4b）。图4c-e展示了贴片的微X射线计算机断层扫描和照片。增强的功率传递使得在运动（室内骑行）过程中成功记录了血压、脉搏和皮肤温度（图4h；视频S1）。
共形天线与可拉伸LED显示屏
3D-LSC在共形天线和可拉伸显示器中的应用也进行了研究。共形天线能够附着在飞行器表面，且对其空气动力性能影响较小，通过增加可用表面积来放置天线，可以实现增大天线孔径。增大的天线孔径预计将增强雷达和无线通信等应用的性能。为了验证3D-LSC在制备共形天线方面的可行性，作者展示了一个概念验证示范，将可拉伸天线与无人机（UAV）集成在一起。图5a展示了附着在无人机表面的共形天线。
图5. 共形天线与可拉伸LED显示屏。a) 安装在无人机上的共形天线的照片。b) 微带贴片天线阵列的结构。c) 随着贴片数量变化的微带贴片阵列天线增益的模拟。d) 当无人机沿红色虚线所示轨迹飞行时，在不同位置的视频信号传输。接收信号的强度以RSSI表示。e) 在折叠（左上）和戳击（右上）等变形条件下，显示字母“PAD”的8 × 16红、绿、蓝LED阵列（底部）。
视频2
03
文献来源
https://doi.org/10.1002/adma.202402221
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