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1、柔性电子制造技术及应用摘要：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。本文首先对柔性电子系统的相关背景及基本概念状进行简单的介绍和评述，然后介绍了它的基本结构，材料特点以及制备工艺，最后介绍了柔性电子系统在实际应用领域中的研究进展。关键词：柔性电子技术 结构材料 制备工艺 柔性电子系统的应用正文：1柔性电子的基本概念1.1柔性电子的产生及发展柔性电子是一门新兴的技术。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
2、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（Flexible Electronics）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- and Nanopatterning）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
3、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。柔性电子技术目前正处于起步阶段，又称为塑料电子（Plastic Electronics） 、印刷电子（Printed Electronics） 、有机电子（Organic Electronics） 、聚合体电子（Polymer Electronics）等；而关于其定义，目前还没有统一明确的概念，可概括为将有机/无机材料电子器件制作在柔性/可延性塑料和薄金属基板上的新兴电子技术。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
4、刷 RFID、薄膜太阳能电池板、电子报纸、电子皮肤/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，提升产业附加价值，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。1.2柔性电子与传统电子制造的不同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
5、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
6、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。1.3. 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 fflexible substrate)、交联导电体finterconnect)和黏合层。对抗氧化、防潮要求较高的电子设备，例如柔性电子显示器 还需要覆盖层来保护电路和元件。柔性电路与传统电路的最大区别就是柔性基板。以下分别介绍柔性电子系统结构的 4 个主要部分。1.3.1 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
7、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(cell island)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。在本文的后续部分将专门讨论这一问题。这里值得一提的是与传统微电子技术相比，在柔性电子技术中，有机电子元
8、器件的使用是一个显著的特点，其中有机薄膜晶体管forganic thin film transistor，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。1.3.2 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
9、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Kapt
10、on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1.3.3 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。1.3.4 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
11、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。1.3.5 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fcellislan
12、d)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 。1.4 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。从目前已经较为成熟的柔性电路
13、制备工艺来看，主要有传统的非连续法(即片式制造工艺)以及连续卷式frolltoroll1法。柔性电路板的常规制备工艺(非连续法)以单独分片的形式进行制备，再通过压制成板而成。这种制备方式不仅费时费力，劳动强度大，生产率低下，而且其尺寸稳定性也难以保证。在此基础上开发了连续卷式制备工艺可以避免上述弊端。该工艺采用旋转的卷轴带动生产线完成柔性电路制备的全过程，不仅提高了生产率，更重要的是提高了自动化程度，从而减少了人为操作和管理因素的影响，但是这种方法对生产设备要求很高，需要一定的设备资金投入，因而更适合大规模生产。2.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
14、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。2.1 柔性电子显示器柔性电子显示器(flexible electronic display)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(pers
15、onal digital assistant，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叠，在保证携带方便的同时充分的兼顾了视觉效果。柔性电子显示器的样品目前已研制成功，相信离进入市场已为时不远值得一提的是，柔性电子显示器采用更多的轻质有机材料取代无机材料，所以其重量比传统显示器轻，这种特性有利于提高其便携性。此外，高分子有机材料的使用为降低成本提供了可能性。另外，柔性电子显示器具有薄厚度的特点，其厚度可以
16、远远小于目前流行的液晶显示器，所以柔性电子显示器的另一种名称就是纸状电子显示器（paperlike electronic display)。2.2 薄膜太阳能电池板薄膜太阳能电池板（thin film solar cel1)是柔性电子技术的另一项具体应用在当今世界里，能源已成为全球高度关注的话题，而我国不仅面临能源短缺，还面临环境污染太阳能作为一种清洁能源，可以在环境零污染的前提下有效的缓解能源短缺的矛盾。作为最常用的利用太阳能的方式，太阳能电池板能够以最低的成本覆盖较大的面积从而有效的利用太阳能。目前，非晶硅薄膜（thin film amorphous SiliCon）太阳能电池板已经研发成功并进入市场销售。基于柔性电子技术的薄膜太阳能电池板能够满足大功率的发电需要，比如可以在阳光充足的沙漠地区太阳能发电厂里使用这种薄膜太阳能电池板。除此以外，还可以充分利用其柔韧和轻质的特点，将其集成在衣服上。穿上这种衣服在阳光下行走或运动，随身携带的小电器（例如MP3播放器和笔记本电脑)的电源就可由衣服上的薄膜太阳能
