大规模、三维和可拉伸电路的可扩展制造

文摘   2024-08-21 10:00   上海  

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研究背景
可拉伸电子器件在可穿戴医疗保健、柔性显示器、人机界面等应用中发挥着举足轻重的作用。在可拉伸形式中实现多层集成,可以在不扩大器件物理尺寸的情况下提高器件的功能密度。最近的研究表明,通过逐层叠加可拉伸电路来实现这一目标是可行的。然而,目前制造多层可拉伸电路的方案主要集中在逐个器件制备小尺寸(如厘米级尺寸)器件。有限的制造规模无法满足批量生产可拉伸器件的要求,而批量生产是大批量制造电子器件的常规做法。制造能力对器件尺寸的限制也使其难以满足需要在大面积表面进行保形集成的应用需求,如航空航天工程中的智能皮肤。

虽然利用现有技术扩大可制造尺寸似乎是解决这一问题的直接方法,但在利用这种方法制备大规模多层可拉伸电路时仍面临挑战。首先,采用传统方法时,弹性体基底金属化的特性会明显降低。在弹性体基底上绘制导电迹线是制备可拉伸电路的基础,通常通过转移印制图案或直接沉积金属薄膜来实现。当电路的规模增加几个数量级时,这些技术在对齐、粘接强度和均匀性方面存在困难。其次,在大规模可拉伸电路中,构建用于层间互连的垂直互连通道(VIA)也更具挑战性。VIA的层间电气连接是通过VIA孔中的导电填充物(如金属浆料和液态金属)建立。最后,由于弹性模量和热膨胀系数的不匹配,在基于弹性体和无机材料层压板的大尺寸电路中,元件组装中的错位和焊接缺陷更容易出现。

研究成果
可拉伸电子器件在可穿戴医疗保健和保形集成方面展现出了巨大的潜力。实现具有高功能密度的可伸缩器件的可扩展制造是实现可伸缩电子器件实际应用的基石。电子科技大学林媛&潘泰松教授团队报告了实现大规模三维可拉伸电路(3D-LSC)的综合方法。基于“浇铸和固化“工艺的软覆铜箔层压板(S-CCL)可实现超过1米的平面互连图案化。由于能够在 S-CCL 的多层堆叠中形成VIAS,因此可以通过在堆叠的 S-CCL 中进一步创建垂直互连来实现高功能密度。应用临时粘合基底可有效减少残余应变和热应变造成的错位。3D-LSC 实现了基于五层可拉伸电路的可拉伸皮肤贴片的批量生产,该贴片可用作具有无线供电功能的生理信号监测微型系统。保形天线和可拉伸发光二极管显示器的制造进一步说明了 3D-LSC 在实现大规模可拉伸设备方面的潜力。相关研究以“Scalable Fabrication of Large-Scale, 3D, and Stretchable Circuits”为题发表在Advanced Materials期刊上。

图文导读
Figure 1. Framework of 3D-LSC fabrication.
 
Figure 2. Multilayer interconnects.
 
Figure 3. Temporary bonding strategy.
 
Figure 4. Stretchable skin patch for wireless physiological monitoring.
 
Figure 5. Conformal antennas and stretchable LED display.

总结与展望
作者提出的 3D-LSC 是大规模、三维和可拉伸电路可扩展制造的综合范例,可显著提高制造规模,而不会明显降低其他特性。S-CCL作为 3D-LSC 的基石,有助于创建大规模平面互连,并实现逐层堆叠的 3D 集成。对铜进行适当的粗化处理可确保S-CCL 中铜箔与弹性体基底之间的牢固粘合。3D-LSC 还能在单个多层电路中集成各种类型的 VIA,从而实现不同配置的电信号的垂直接入。为减轻残余应变和热应变造成的错位提出了一种临时接合策略。在 3D-LSC 中实施临时粘合策略可有效提高制造过程中的叠加和对准精度,以平均偏移距离衡量,精度提高了七倍。3D-LSC 的这些关键技术都具有大批量生产的潜力,因为它们的原理与现有的先进制造方法高度兼容。本文介绍了三个演示,包括可拉伸皮肤贴片、保形天线和可拉LED阵列显示器,以展3D-LSC 的多功能性。利用3D-LSC 实现了可拉伸皮肤贴片的批量生产,该贴片由5层垂直互连的电路和COTS组件组成。该皮肤贴片可同时监测血压、脉搏和体温,而多层线圈的加入则大大增强了无线输电功能。3D-LSC 实现了保形天线和可拉伸 LED阵列显示屏的大规模制造,可在曲面上进行保形集成,分别用于空中视频传输和曲面显示。

文献链接
Scalable Fabrication of Large-Scale, 3D, and Stretchable Circuits
https://doi.org/10.1002/adma.202402221

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