用于可拉伸电子设备的通用封装技术（南方科技大学Fuzeng Ren和Yanhao Yu课题组）

现有技术缺点：

1. 模块与基板剥离问题：在可拉伸电子设备中，不同材料模块的体积模量和表面化学性质差异较大，导致在拉伸应力下模块容易与基板剥离，特别是在运行过程中经历大变形的情况下。

2. 粘附性与可拉伸性不足：现有的封装基板通常无法同时具备与不同材料模块的普遍粘附性以及在大应变下的机械适应性，限制了多种模块的可靠整合和稳定性。

创新点

1. 模块特定的可拉伸性与粘附性设计：作者开发了一种新型封装基板，能够通过调控弹性聚合物基体的体积分子迁移率和表面分子极性，实现对不同材料模块的特定可拉伸性和普遍粘附性。这使得基板在600%的拉伸下仍能保持结构稳定，不发生分层。

2. 插入层技术：通过在弹性聚合物基质中引入高极性域的插入层，该基板在不同模块间形成了强力粘附，适用于金属、陶瓷、塑料和弹性体等材料，实现了可靠的多功能模块整合。

3. 区域模量调控：基板的模量可以根据装配需求在60 kPa到3 MPa之间进行精细调整，确保不同部分之间的无缝过渡，提升整体结构的机械稳定性。

应用场景

1. 生物电子设备：基于该封装基板，作者制造了一种完全可拉伸的生物电子设备，可用作呼吸传感器或发电机。该设备在体内使用寿命长达10周，展现出在长时间运行下的高稳定性和生物相容性。

2. 多功能可拉伸电子设备：此基板可以作为多种模块组装的平台，适用于制造需要高可拉伸性和粘附性的复杂电子设备，如应变传感器、晶体管等，广泛应用于生物医学、柔性电子等领域。

总结

    作者提出了一种创新的封装基板，具备模块特定的可拉伸性和粘附性，能够与各种不同材料模块可靠结合，且在大变形条件下保持机械稳定性。该基板通过插入层技术和区域模量调控，克服了传统封装基板在模块整合中的粘附性和可拉伸性不足问题。基于该技术，制造的可拉伸生物电子设备展示了在复杂应变条件下的高操作稳定性和长期体内使用的可能性，预示着其在生物医学和柔性电子领域的广泛应用潜力。

文章名称：A universal packaging substrate for mechanically stable assembly of stretchable electronics

期刊：Nature Communications

文章DOI：10.1126/sc5556

通讯作者：南方科技大学Fuzeng Ren和Yanhao Yu

设计原则

图1 封装基板上的器件组装。a 带有模块特定可拉伸性和粘附性的封装基板示意图。硬区域和软区域分别设计用于容纳硬性和可拉伸设备。SIBS代表聚(苯乙烯-异丁烯-苯乙烯)；PIB代表聚异丁烯；PP-g-MAH代表接枝马来酸酐聚丙烯。b 作为总应变函数的裂纹驱动力 - 能量释放率（G）的示意图。Γ1和Γ2分别指代具有和不具有粘附插入层的模块与基板之间的界面韧性。案例1至4分别指代在无插入层的均质基板上集成的模块（1）、在无插入层的模块特定基板上集成的模块（2）、在具有插入层的均质基板上的模块（3）、在具有插入层的模块特定基板上的模块（4）。在情况4中的硬区域和软区域分别绘制。c 实验观察四种情况的机械稳定性的照片如（b）所示。d 案例3（左）和4（右）的应力分布的有限元模拟，识别出案例3中模块/基板界面处的集中应力，但在案例4中不存在。

视频1

模块特定的可拉伸性

图2 具有模块特定可拉伸性的封装基板的结构和性能。a 原始SIBS（顶部）和与20% PIB混合的SIBS（底部）的AFM相位图像和结构示意图。b 原始SIBS和SIBS/PIB混合膜的Tan δ光谱。引入PIB后，玻璃转变温度从-34°C移动到-39°C，表明SIBS的链移动性得到增强。c 弹性模量和断裂伸长率作为SIBS/PIB混合膜的PIB含量的函数。d 200克重物拉动前后硬-软-硬（HSH，i）和软-硬-软（SHS，ii）SIBS膜的照片，显示变形主要发生在软区域。H和S分别代表硬和软区域。e 硬、软、HSH和SHS膜的应力-应变曲线。插图是100%应变范围内的放大示意图。硬和软分别指硬SIBS和软SIBS；HSH和SHS分别指硬-软-硬SIBS和软-硬-软SIBS。f 在38°C和90%相对湿度下测得的硬、软、HSH、SHS、SEBS和PDMS膜的水蒸气透过率。SEBS指苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯，PDMS指聚二甲基硅氧烷；插图是显示HSH和SHS膜中软区域和硬区域之间无缝过渡的横截面SEM图像。

由插入层引起的粘附

图3 封装基板与不同材料之间的粘附。 a 通过在它们之间引入一个插入层，实现封装基板与材料模块之间的粘附机制。底部显示的反应指的是插入层中的PP-g-MAH分子与经过APTES处理的模块表面之间的化学连接。APTES代表(3-氨丙基)三乙氧基硅烷。b 通过插入层形成的封装基板与硅（硅）、水凝胶、PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）、PDMS、铝（铝）和PEDOT:PSS（聚（3,4-乙烯二氧基噻吩）：聚（苯乙烯磺酸酯））之间紧密粘附界面的SEM图像。c 在PET、Al、PDMS和Si上，封装基板在有无插入层的情况下的界面韧度比较。d 在拉伸至50%、100%、300%和600%后的Al/HSH界面和Al/均匀SIBS界面的界面韧度。左侧插图是示意图，显示Al在经历100%拉伸应变后从均匀SIBS薄膜剥离。右侧示意图说明Al在经历600%拉伸应变后在HSH薄膜上保持稳定。e Al/HSH在拉伸至100%进行20000个周期前后的力/宽度-位移曲线。

由封装基板组装而成的可任意变形的生物电子设备

图4 任意可变形生物电子器件的工作原理和电气输出。a 设备将机械变形转换为电信号的工作原理。b 图中显示了设备拉伸-释放运动过程的照片。软区域染成红色，硬区域保持透明。c 使用均匀硬基底、均匀软基底和特定模块基底组装的器件的电压输出。插图为这三个器件的结构示意图。d、e 显示了不同应变下设备（a）的电压输出（d）和电流输出（e）。f 不同变形条件下设备的电流输出，包括弯曲、扭曲、皱褶和压缩。插图显示了记录信号时的变形模式。g 在不同PH值的PBS溶液中浸泡5周后，设备的电压输出。h 在15,000次拉伸至70%的循环下，设备的输出稳定性。插图显示了测试开始、中间和结束时设备的电压输出。

视频 S2

生物电子设备的体内操作

图5 可任意变形生物电子器件的生物相容性和体内性能。a 控制组和HSH薄膜之间的细胞毒性比较。第1列：荧光显微镜图像显示L929细胞在培养1天期间的正常形态。绿色表示细胞骨架，蓝色表示细胞核。第2–4列：活/死染色实验的荧光显微镜图像，显示L929细胞在培养5天期间的生长情况。b 在培养5天期间L929细胞生长的450 nm光密度。c 在植入装置周围区域组织和主要器官（心脏、肝脏、脾脏、肺部和肾脏）上进行的H&E染色病理分析，植入2周后，未发现炎症迹象。d 在植入装置期间进行的血液测试比较，包括白细胞（WBC）、中性粒细胞（Neu）、淋巴细胞（Lym）和红细胞（RBC）。所有比例尺为200 µm。e 示意图显示装置植入位置，包括背部、大腿和胸部区域。植入在胸部时器件作为传感器，植入在背部和大腿区域时作为发电机。f 在胸部植入时通过自然呼吸产生的器件体内电信号（左），在大腿（中）和背部区域（右）植入并通过轻柔拉伸产生的电信号。插图为装置植入手术照片。g 在背部区域连续植入10周期间器件产生的体内电信号，每2周记录一次。

Shao, Y., Yan, J., Zhi, Y. et al. A universal packaging substrate for mechanically stable assembly of stretchable electronics. Nat Commun 15, 6106 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-50494-8

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