革命性的电子技术——柔性电子

革命性的电子技术——柔性电子本文由传感器技术（ID:WW_CGQJS）授权转载柔性电子技术是一门新兴的科学技术。建立在柔性和可延性基板之上的新兴电子技术通称为柔性电子技术。由于其独特的柔性和延展性，柔性电子系统在很多方面有着广阔的应用前景。柔性电子（FlexibleElectronics）又称为塑料电子（PlasticElectronics）、印刷电子（PrintedElectronics）、有机电子（OrganicElectronics）、聚合体电子（PolymerElectronics）等；是将有机/无机材料电子器件制作在柔性/可延性塑料或薄金属基板上的新兴电子技术。在人们的印象中，有机材料，如塑料等，都是很好的绝缘体，很少有人会想到塑料也能导电。近年来，由于对导电高分子的研究有了新突破，有机材料可以从传统的绝缘体变成可导电的半导体，柔性电子便应运而生。现代化学等技术的发展，促进了柔性电子这样一门学科的发展。柔性电子制造的关键包括制造工艺、基板和材料等，其核心是微纳米图案化（Micro-andNanopatterning）制造，涉及机械、材料、物理、化学、电子等多学科交叉研究。柔性电子以其独特的柔性/延展性以及高效、低成本制造工艺，在信息、能源、医疗、国防等领域具有广泛应用前景，如柔性电子显示器、有机发光二极管OLED、印刷RFID、薄膜太阳能电池板、电子报纸、电子皮肤(SkinPatches)/人工肌肉等。柔性电子除整合电子电路、电子组件、材料、平面显示、纳米技术等领域技术外，同时横跨半导体、封测、材料、化工、印刷电路板、显示面板等产业，可协助传统产业，如塑料、印刷、化工、金属材料等产业的转型，提升产业附加值，因此柔性电子技术的发展必将为产业结构和人类生活带来革命性的变化。柔性电子技术是一场全新的电子技术革命，引起全世界的广泛关注并得到了迅速发展。美国《科学》杂志将有机电子技术进展列为2000年世界十大科技成果之一，与人类基因组草图、科隆技术等重大发现并列。美国科学家艾伦黑格、艾伦·马克迪尔米德和日本科学家白川英树由于他们在导电聚合物领域的开创性工作而获得2000年诺贝尔化学奖。柔性电子与传统电子制造的区别目前电子产业基本上都是属于传统的半导体产业，制造用到的设备相当庞大，且费用高昂，制造效率低；整个柔性电子的概念是希望能够把传统半导体产品、组件及线路用印刷的方式来替代。主要从三方面来看柔性电子与传统电子电路不同之处：（1）应用前景一旦将很柔软的基材应用在设计方面或把线路做成无形的或可折迭的东西，那就跟传统的硬式基材有很大的不同。（2）制造成本采用卷到卷印刷工艺，并且在材料的使用上也可避免像光刻技术浪费95%以上材料的问题，而采用印刷方式印制上去的面积则等同于使用的面积，其使用率在90%以上，以长期发展角度来看，印刷方式会比传统光刻技术的成本低很多；硅CMOS晶元一般造价为10＄/cm2，复合半导体甚至更贵，柔性电子实现的理想造价为0.1＄/cm2，从造价就可以看出柔性电子的巨大优势。（3）投资角度传统的半导体厂动不动就要数十亿甚至上百亿的投资，但印刷的方式就像传统的印刷只要投资数千万就可把基本的规模建立起来。要强调的是印刷所要用的油墨跟传统的印刷不一样，需要特别研制，开发初期成本由于量少也比较高，但批量生产后成本就会变得较低廉了。柔性电子系统的结构和材料柔性电子技术虽然可应用于不同领域，但是其基本结构相似，至少包含以下4个部分：电子元器件、柔性基板fflexiblesubstrate)、交联导电体finterconnect)和黏合层。柔性电子系统结构以下分别介绍柔性电子系统结构的4个主要部分。1、电子元器件电子元器件是柔性电子产品的基本组成部分，包括电子技术中常用的薄膜晶体管、传感器(sensor)等。这些电子元器件与传统电子技术的元器件没有本质差别，部分元器件采用无机半导体材料(如硅)，由于其材质较脆，在变形过程中易于发生脆断，所以它们通常不直接分布在电路板上，而是先安放在刚性的微胞元岛(cellisland)上，然后承载元器件的微胞元岛再分布在柔性基板上，这样做的好处在于有利于保护电子元器件，避免其在弯曲过程中损坏。当然，有些电子元器件也可以直接分布在柔性基板上，例如部分薄膜晶体管，由于自身特性，可以直接承受一定的应变而不影响其功能。与传统微电子技术相比，在柔性电子技术中，有机电子元器件的使用是一个显著的特点，其中有机薄膜晶体管forganicthinfilmtran—sistor，OTFT)占据着十分重要的地位，有机材料的使用为减小元器件重量和厚度，提高其柔韧性和延展性创造了条件。2、柔性基板柔性基板是柔性电子技术不同于传统电子技术的最突出的地方。它具有传统刚性基板的共同特点，首先就是绝缘性：绝缘的柔性基板保证电子设备在使用过程中不至于漏电，既确保其能正常工作，又能保证其使用的安全性。其次是较高的强度：无论在哪种电子技术下，基板所起的作用相当于骨架的作用，没有较高的强度做保障，就不能保证其正常使用。再次就是廉价性：基板材料是电路中使用最多的材料之一，只有使用价格低廉的材料才能有效的降低电子产品的成本。除了上述基板的共同特点以外，柔性基板还有其自身独有的特性。首先是柔韧性：柔性电子系统的柔韧性主要通过基板表现出来，对柔韧性要求不同的产品可使用不同材质的基板；例如，电子皮肤通常采用柔性非常强的硅有机树脂(Si1icone)，而柔性电子显示器对柔性的要求较电子皮肤弱，多采用聚对苯二甲酸乙二醇酯材料(PET)俗称聚脂。其次是薄膜性：虽然称为基板，但其在尺寸上已不再是“板”，而是薄膜；柔性电子系统的基板通常在1mm左右，既降低了材料的成本，又减轻了产品的重量．鉴于上述考虑，柔性基板采用高分子聚合物是理想的选择．目前可供选择的柔性基板材料包括杜邦公司的Kapton聚酰亚胺(Polyimide，PI)薄膜材料，聚二甲基硅氧烷，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等等，它们都能够很好的满足绝缘性、柔韧性以及强度要求。3、交联导电体电子元器件先分布在刚性的微胞元岛上，许多个这样的微胞元岛再分布于柔性基板之上，这些微胞元岛并不独立存在，它们由交联导电体连接，从而组成一个完整的柔性电路，也就是说交联导电体在柔性电子系统中起到了电线的作用。交联导电体以金属薄膜的形式附着在柔性基板上。4黏合层柔性电子系统各种组成部分的结合需要黏合层，而黏合层对交联导电体和柔性基板的结合尤其重要。柔性电子系统的黏合层应具有以下特性：(1)耐热性．柔性电子产品在装配和使用过程中，不可避免的要经历高于常温的环境，一定的耐热性是必要的。(2)结合力。由于柔性电子产品在使用过程中要不断的经受拉压弯曲变形，而经黏合层连接的两个薄层通常具有不同的力学性能，如果结合力不够大，必然导致两个薄层的相对滑动甚至剥离。(3)弯曲能力。黏合层本身是柔性电子系统结构的一个组成部分，其自身的弯曲能力对整个结构的弯曲能力具有重要影响。目前柔性电路中常用的黏合层材料主要有丙烯酸树脂和环氧树脂。5、覆盖层覆盖层(又称封装层)主要保护柔性电路不受尘埃、潮气或者化学药品的侵蚀，同时也能减小弯曲过程中电路所承受的应变，而最近的研究表明覆盖层能够减小柔性电路中刚性微胞元岛fcellisland)边缘的应力强度，并且能够抑制其与柔性基板的分离(delamination)。根据柔性电子系统的特点，需要覆盖层能够忍受长期的挠曲，因此覆盖层材料和基板材料一样，抗疲劳性必需满足一定要求。另外，覆盖层覆盖子蚀刻后的电路之上，因而要求其具有良好的敷形性，以满足无气泡层压的要求。用于覆盖层的常用材料为丙烯酸树脂、环氧树脂以及聚酰亚胺等。柔性电子系统的制备工艺与传统IC技术一样，制造工艺和装备也是柔性电子技术发展的主要驱动力。柔性电子制造技术水平指标包括芯片特征尺寸和基板面积大小，其关键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电子器件。柔性电子制造过程通常包括:材料制备→沉积→图案化→封装,可通过卷到卷(R2R)基板输送进行集成。柔性电子制造主要关注生产成本、生产效率、可实现的特征尺寸,以及有机材料的相容性等因素.近年来,由于活性材料及其图案化技术的突破,柔性电子制造技术得到了长足的发展。柔性电子制造的核心是薄膜晶体管(TFT)制造,其关键制造技术是制作源漏极间沟道长度的高分辨率图案化技术,直接影响输出电流、开关速度等器件性能.在有机半导体图案化过程中,特别需要消除寄生漏电和减少串音,以确保高的开关比.大多数应用要求有机薄膜晶体管(OTFT)沟道长度小于10μm.现有的图案化技术包括光刻、荫罩、打印(微接触印制和喷印)等。具体比较见下表。光刻等能量束技术在微电子器件图案化中得到广泛应用,分辨率高,但因其工艺过程复杂、设备昂贵、溶剂和显影剂无法用于塑料基板,加之耗时费料、仅适用于小面积图案化,在刻蚀底层时环境要求苛刻,去除光刻胶时会破坏有机电子材料的活性和聚合物基板等,在柔性电子制造应用中受限。荫罩技术为“干”工艺,可避免溶剂破坏有机半导体,但分辨率有限。打印技术在同一个步骤中同时实现功能材料沉积和图案化,主要方法有:(1)将完整的电路转移并粘贴到柔性基板上,如传印(图章);(2)直接在柔性基板上制备电路,如喷印和微接触印制(软刻蚀)。在传印方法中,首先通过标准光刻方法在硅晶片或玻璃板上制备整个结构,然后转移到柔性基板上制造出高性能器件.由于应用光刻和高温沉积技术,传印技术只能制造小面积器件,且加工成本高。微接触印制可制造出多级图案用于掩模,可与R2R批量化制造技术集成.通常一个母版可制造100个以上的图章,每个图章又可实现3000个以上的印记,图章的成本相对较低,可以每秒数厘米的速度制作60nm高分辨率图案,但实现多层图案比较困难.微接触印制可用于非晶硅、多晶硅及TMOS等多种材料,但难以直接用于有机材料刻蚀.兰红波等人对纳米压印刻蚀模具技术的研究进展及其发展趋势进行了详细的论述和分析。柔性电子理想的图案化工艺应满足:低成本、大面积、批量化工艺、低温、“加”式、非接触式、可实时调整、三维结构化、易于多层套准、可打印有机物/无机材料等.从上图的表可知,喷印是一种无接触、无压力、无印版的印刷复制技术,它具有无版数码印刷的特征,在室温下将溶液直写实现数字化柔性印刷,简化了制造过程。利用溶液化的半导体和金属材料取代传统的真空沉积材料,可有效减低成本，喷印还具有以下优势:(1)图案质量不受光刻焦距限制,可在非平面表面甚至深沟结构上进行图案化(2)与有机/无机材料的良好兼容性;(3)直接利用CAD/CAM数据加工器件,可实现大面积动态对准和实时调整;(4)作为非接触式图案化技术,可有效减少瑕疵,并可利用虚拟掩模补偿层间变形、错位等缺陷;(5)无需物理掩模的按需打印(DOD)技术;(6)可实现复杂三维微结构的快速设计与加工,并可通过基于软件打印控制系统进行图形的快速更改。柔性电子的应用伴随着柔性电子技术的发展，各种电子产品应运而生。正如微电子技术为大规模集成电路和计算机芯片技术提供技术平台一样，柔性电子技术为新产品的研发提供了崭新的的技术平台。柔性电子产品目前正处于研发起步阶段，部分产品已经投放市场。从现在的研发趋势来看，柔性电子技术在以下3个方面有着广泛的应用。1、柔性电子显示器柔性电子显示器(flexibleelectronicdisplay)是在柔性电子技术平台上研发出来的全新产品。与传统平板显示器不同，这种显示器能够被反复的弯曲和折叠，因而给我们的生活带来极大的便利。例如，所有可视资料，包括各种书籍、报纸、杂志和视频文件都可以通过这种显示器来呈现，而且可以随时随地观看。尽管目前流行的MP4播放器和个人数字助理器(personaldigitalassistant，PDA)也能满足这样的使用需要，但其显示屏不能弯曲和折叠，只能在很小的屏幕范围内阅读和观看这些文字和视频，视觉效果受到极大的制约。相比而言，柔性电子显示器具有无可比拟的优势，它就像报纸一样，在需要时将其展开，使用完毕后将其卷曲甚至折