多層柔性電子：制造方法和應用

    本文選取近年來具有代表性的多層柔性電子器件，重點介紹了多層柔性電子器件的制造方法和應用。制備多層柔性電子系統的方法主要是直接多層微加工和逐層轉移打印技術，來構建所需的幾何形狀和實現多層互連。

    柔性電子技術是指在柔性和可拉伸襯底上制備傳感器、執行器、基礎電路和其他電子設備的技術。與傳統電子產品相比，柔性電子產品在耐磨性、生物相容性、機械穩定性等方面具有極大優勢。這些特性使得柔性電子學可以應用于化學/生物傳感器、人機交互、顯示器、電子皮膚和許多其他領域。而傳統單層柔性電子器件的功能組件的組裝空間和傳感方式有限，空間分辨率和集成度低，個性化配置能力不足。多層設計的概念可以利用垂直空間來解決單層柔性電子產品的上述限制。

    如圖1所示，有很多種制造技術可以用來制備多層柔性電子器件，目前主要應用領域有電子皮膚、生物醫療器件、自供電系統、顯示系統、能源器件、人機接口、可調色LED和治療等。

    轉移印刷、柔性印刷電路板(FPCB)、絲網印刷等多種制造方法保證了多層電子器件的靈活性和延展性，為層間互連和多層電子電路提供了可能（圖2）。與傳統單層結構相比，這些多層柔性電子器件不僅具有柔韌性和可拉伸性，而且在空間分辨率和多功能集成方面也獲得了提高。

    多層柔性電子器件的制備需要*的制造方法，包括多層FPCB、絲網印刷、逐層物理轉移和逐層印刷等。與傳統方法相比，上述方法可將所有材料集成在柔性基底上，構建的多層電子器件具有可彎曲、扭曲甚至拉伸等特征。

    盡管直接在柔性基底上逐層構建的電子器件具有高效率、低成本和足夠的可擴展性等優點，由于基底的限制，很難使用需要在高溫下形成的復雜半導體材料來制造器件。一個可行的解決方案是在耐高溫但剛性的基材上制造材料或器件，然后將其轉移印刷到柔性基材上。與2D相比，通過逐層轉移打印得到的多層3D結構可獲得更高的空間密度和更復雜的細微結構，在生物醫學、能源器件和其他領域可能具有廣泛的應用前景（圖3）。

    在前述的多層柔性電子產品中，通過垂直互連訪問（VIAs）在不同層之間添加電氣互連，可以為布線提供更多選擇。構建VIA的挑戰包括保持高導電性，提高結構穩定性和魯棒性，以及增強與傳統印刷電路板（PCB）工藝的兼容性（圖4）。

    在柔性基底上直接制造多層材料/器件可以實現更緊密的層間連接和更方便的跨層加工（圖5）。然而，薄膜內部應力在加工過程中會積累，從而限制了薄膜的厚度和層數。此外，使用的柔性高分子材料不能耐受高溫，阻礙了某些高性能材料的集成應用。

    在剛性襯底上制造單層材料/器件，然后采用多次轉移印刷工藝再柔性基底上垂直集成*材料，如器件級硅。該方法可將多層二維圖案逐層轉移打印到可拉伸得彈性基底上，產生具有可調節的可分離3D微觀結構。但是，該方法的多層對齊精度相對較差（對于商用裝備，對齊精度為數毫米量級）。

    不同層間的電氣互聯可以拓寬多層柔性電子器件的功能，這樣的連接往往會影響整個器件的靈活性。因此，開發*的垂直互聯技術，如充滿LA的VIA是必要和值得的。