以下文章來源于新一代柔性傳感

【研究背景】

可拉伸電子器件在醫(yī)療、顯示和人機(jī)交互等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)多層集成可提高設(shè)備功能密度。然而，當(dāng)前制造方法主要集中于小尺寸設(shè)備，難以滿足大規(guī)模生產(chǎn)需求及大面積共形集成應(yīng)用的要求。擴(kuò)大制造規(guī)模面臨挑戰(zhàn)，包括基底金屬化退化、導(dǎo)電線路圖案化困難、垂直互連通道填充不均，以及組件組裝中的錯(cuò)位和焊接缺陷等。這些問題主要源于現(xiàn)有技術(shù)在對(duì)準(zhǔn)精度、材料特性和熱膨脹匹配方面的局限性。

鑒于此，電子科技大學(xué) 林媛( Yuan Lin ) 教授和 潘泰松( Taisong Pan ) 副教授課題組在"Advanced Materials"期刊上發(fā)表了題為“Scalable Fabrication of Large-Scale, 3D, and Stretchable Circuits”的最新論文。作者提出了一種實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、3D和可拉伸電路(large-scale, 3D, and stretchable circuits;3D-LSC)的綜合方法。

【文章亮點(diǎn)】

3D-LSC方法 ：提出了一種名為3D-LSC(large-scale, 3D, and stretchable circuits)的綜合方法，能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模、三維、可拉伸電路的制造，突破了制造規(guī)模和功能密度的限制。

S-CCL材料 ：開發(fā)了基于“鑄造和固化”工藝的軟銅覆蓋層復(fù)合材料(soft copper-clad laminate，S-CCL)，支持超過1米范圍的平面互連圖案化，允許多層堆疊和垂直互連，適用于大規(guī)模可拉伸電路制造。

臨時(shí)粘合策略 ：引入臨時(shí)粘合基底，減少了由殘余應(yīng)變和熱應(yīng)變引起的錯(cuò)位，提高了制造過程中的對(duì)齊精度，確保了組件的穩(wěn)定性。

【圖文解讀】

圖1. 3D-LSC制備框架。 a) 3D-LSC制備的關(guān)鍵技術(shù)要素。S-CCL通過在銅箔上澆鑄未固化的彈性體，然后進(jìn)行熱壓工藝，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的銅覆蓋彈性體。通過逐層堆疊圖案化的S-CCL，形成多層電路。通過激光微加工孔鉆孔和通過多層S-CCLs進(jìn)行導(dǎo)電填充的金屬化，形成VIAs 。在圖案化和VIA形成期間實(shí)施臨時(shí)粘合以減輕錯(cuò)位。b) 米級(jí)兩層可拉伸電路的照片(1m×0.3m)。c) 安裝有COTS元件的五層可拉伸電路的照片。

圖1. 3D-LSC制備框架。 a) 3D-LSC制備的關(guān)鍵技術(shù)要素。S-CCL通過在銅箔上澆鑄未固化的彈性體，然后進(jìn)行熱壓工藝，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的銅覆蓋彈性體。通過逐層堆疊圖案化的S-CCL，形成多層電路。通過激光微加工孔鉆孔和通過多層S-CCLs進(jìn)行導(dǎo)電填充的金屬化，形成VIAs 。在圖案化和VIA形成期間實(shí)施臨時(shí)粘合以減輕錯(cuò)位。b) 米級(jí)兩層可拉伸電路的照片(1m×0.3m)。c) 安裝有COTS元件的五層可拉伸電路的照片。

圖 S1. (a) 單面和雙面 S-CCL 制備過程的示意圖。(b) 一種長度為 1 米的雙面 S-CCL 的照片。

圖2. 多層互連。 a) S-CCL的橫截面圖像。b) 不同均方根粗糙度參數(shù)(Rq)下S-CCL在20 GHz時(shí)的剝離強(qiáng)度和插入損耗。c) 不同溫度下，S-CCL中銅箔(Rq = 529 nm)與PI膠帶上的剝離強(qiáng)度。d) 通孔、埋孔和盲孔的示意圖及橫截面圖像，包括VIA中銅分布的能譜分析(EDS)映射(黃色區(qū)域)。e) 不同配置的VIA的橫截面圖像。f) VIA位置與g) 孔深對(duì)VIA-蛇形結(jié)構(gòu)延展性的影響。h) 單軸拉伸應(yīng)變循環(huán)載荷下VIA-蛇形結(jié)構(gòu)的電阻。

圖3. 臨時(shí)粘合策略 。a) 3D-LSC 制造中因熱應(yīng)變和殘余應(yīng)變引起的錯(cuò)位的示意圖(左)和照片(右)。b) 通過 TBS 最小化錯(cuò)位的示意圖(左)和照片(右)。TBS 夾具將電路固定，以減輕由熱應(yīng)變和殘余應(yīng)變引起的變形。c) 用于評(píng)估疊加精度的金屬貼片陣列照片。d) 加精度評(píng)估中測量的第一層和第三層之間的對(duì)準(zhǔn)誤差示意圖。e) TBS 的能量釋放速率與溫度的依賴關(guān)系示意圖。不同 TBS 的溫度與能量釋放速率關(guān)系的實(shí)驗(yàn)和擬合結(jié)果：f) H-TBS-1 和 H-TBS-2。g) H-TBS-2 和 WS-TBS。

圖4. 用于無線生理監(jiān)測的可拉伸皮膚貼片。 a) 五層可拉伸皮膚貼片的爆炸示意圖。b) 從單次生產(chǎn)中獲得的一批貼片的光學(xué)圖像。c) 可拉伸皮膚貼片的微型X射線計(jì)算機(jī)斷層成像圖像。d) 可拉伸皮膚貼片在手腕上的照片。e) 可拉伸皮膚貼片扭轉(zhuǎn)90°、用高度約為8 mm的圓頂戳穿以及施加15%拉伸應(yīng)變的照片。f) 電感(L)和品質(zhì)因數(shù)(Q)與線圈層數(shù)的依賴關(guān)系。g) 線圈傳遞功率與距離的依賴關(guān)系。h) 室內(nèi)騎行期間血壓、脈搏和皮膚溫度的變化。

圖5. 共形天線與可拉伸 LED顯示屏 。 a) 安裝在無人機(jī)上的共形天線的照片。b) 微帶貼片天線陣列的結(jié)構(gòu)。c) 隨著貼片數(shù)量變化的微帶貼片陣列天線增益的模擬。d) 當(dāng)無人機(jī)沿紅色虛線所示軌跡飛行時(shí)，在不同位置的視頻信號(hào)傳輸。接收信號(hào)的強(qiáng)度以RSSI表示。e) 在折疊(左上)和戳擊(右上)等變形條件下，顯示字母“PAD”的8 × 16紅、綠、藍(lán)LED陣列(底部)。

【結(jié)論與展望】

作者提出了一種名為3D-LSC的綜合范式，用于制造大規(guī)模、3D和可拉伸電路，顯著提升了制造規(guī)模且不顯著降低其他性能。通過基本構(gòu)件S-CCL，3D-LSC實(shí)現(xiàn)了平面互連的大規(guī)模集成和層層堆疊的三維集成，并通過粗化銅箔表面提高基底粘附性。此外，3D-LSC整合了多類型VIA以支持多樣化的垂直信號(hào)傳輸，并采用臨時(shí)粘合策略有效降低制造過程中的錯(cuò)位問題，對(duì)齊精度提升七倍。這種方法兼容現(xiàn)有制造工藝，具有高產(chǎn)量潛力。應(yīng)用實(shí)例包括可拉伸皮膚貼片、共形天線和可拉伸LED陣列顯示器，展示了3D-LSC在醫(yī)療監(jiān)測、無線傳輸和曲面顯示等領(lǐng)域的多樣性和批量生產(chǎn)能力。