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Advanced Materials Technologies:新型延性电子加工工艺

华中科技大学机械学院吴志刚教授课题组提出了一种新型的延性电子加工工艺。该技术方案与传统的技术方案相比较可以将主要加工过程简化为激光图案化和选择性转印两步。首先使金属薄膜粘附在平坦的柔性硅橡胶衬底上,然后用激光对金属薄膜进行图案化铜箔,然后用特定表面能量释放率的柔性硅橡胶印章选择性的转移金属薄膜,获得所需的电路结构。

随着互联网行业的高速发展和电子产品的智能化发展,人们对电子产品提出了便携性、可穿戴性和可植入性等新的要求。由于传统的电子器件大多都是采用单晶硅等材料,其硬脆的性质使传统电子器件难以满足便携性、可穿戴性和可植入性的需求。因此,新型可穿戴电子产品——延性电子——逐渐引起了广泛的关注。虽然延性电子正处在高速的发展阶段,但是现有的延性无机电子加工的技术方案仍然是采用传统的光刻法,该方法需要匀胶、前烘、曝光、后烘、显影、刻蚀等繁琐的制造工序,需要光刻机、刻蚀机等昂贵的设备,并且在制作过程中使用的化学试剂对环境有很大的污染,批量生产的成本较高,限制了延性电子的产业化与商业化。

为了低成本、无污染、大面积的生产柔性电子产品,华中科技大学机械学院吴志刚教授课题组提出了一种新型的延性电子加工工艺。该技术方案与传统的技术方案相比较可以将主要加工过程简化为激光图案化和选择性转印两步,如图(a)和(b)所示。首先使金属薄膜粘附在平坦的柔性硅橡胶衬底上,然后用激光对金属薄膜进行图案化铜箔,然后用特定表面能量释放率的柔性硅橡胶印章选择性的转移金属薄膜,获得所需的电路结构。

Advanced Materials Technologies:新型延性电子加工工艺

(a)激光图案化技术;(b)选择性转印技术;(c)选择性转印原理;(d)表皮电子系统

新型延性电子加工工艺的核心技术是选择性转印,选择性转印的原理如图(c)所示,柔性印章表面的能量释放率G是图中的水平线,临界能量释放率随着宽度w的增加而增大,即转印宽度更大的电路结构,所需的柔性印章表面能量释放率越大。其主要是因为电路结构的宽度越大,其刚度也越大。当电路结构的宽度较小时,柔性印章对电路结构的粘附力足以使电路结构产生与柔性印章一样的变形,电路结构和基底之间产生裂纹,裂纹沿着柔性印章的运动方向传递,从而实现转印。当电路结构的宽度足够大时,柔性印章对电路结构的粘附力不足以使电路结构产生与柔性印章一样的变形,无法实现转印。因此,可以通过控制柔性印章表面的能量释放率实现所需电路结构图案的选择性转印。

新型延性电子加工工艺和传统的光刻法完全不同。其不需要清洗硅片、烘干硅片、涂底、旋涂光刻胶、前烘、对准曝光、后烘、显影、刻蚀等工艺过程。新型柔性电子加工工艺与现有的图案化技术相比大大简化了延性电子器件的生产流程,而且其不需要掩膜版,减少了加工所需的时间,提高了柔性电子器件加工的灵活性。在新型延性电子加工工艺的整个工艺流程中不需要使用溶剂和显影液等对环境有危害的化学试剂,对环境几乎没有污染,并且该过程能够很好的与R2R技术相兼容,便于实现柔性电子器件的大面积生产。

新型延性电子加工工艺不仅操作简单、不需要贵重仪器、原材料为常见的铜铝等较为便宜的金属材料,而且能够很好的与R2R相结合实现可柔性电子器件的大面积低成本自动化生产。最后,我们相信此技术方案为延性电子的商业化和工业化打开了一扇大门,将会加速延性电子的发展,使其给人们日常生活带来更多的便利。

相关文章在线发表在Advanced Materials Technologies(DOI: 10.1002/admt.201700264)上。

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