《Nature》子刊,可拉伸500%的柔性集成電路!利用可逆聚合物凝膠轉變實現的超拉伸晶片集成電路

例如,目前有報導的超可拉伸連接,其斷裂伸長率可高達1000%,但其中展示的可拉伸微晶片集成電路只有極少數能承受>100%的應變。囙此,該挑戰現時是量產可拉伸集成電路的關鍵。鑒於此,科英布拉大學MahmoudTavakoli教授團隊利用可逆的聚合物-凝膠轉變,採用自焊接、自封裝和自修復的簡單科技,實現了低成本、可量產複合微芯片集成的超可拉伸電路的快速製造。

可拉伸電子產品在柔性顯示器、感測器、健康監測設備、結構電子、可穿戴運動傳感、電子紡織品和可植入物等領域有著廣泛的應用。在過去十年中,資料和製造方法一直是許多研究工作的重點。這些工作的重點主要集中在可拉伸電極、連接和感測器上。然而,此類可拉伸電子產品的最終功能仍然依賴於固態元件,例如用於資料獲取、處理和通信的封裝集成電路。然而,將固態元件集成到這些電路中會導致嚴重的機械失配,從而導致電路功能過早失效或喪失。例如,目前有報導的超可拉伸連接,其斷裂伸長率可高達1000%,但其中展示的可拉伸微晶片集成電路只有極少數能承受>100%的應變。此外,該領域的另一大挑戰是簡化可拉伸電路中表面安裝器件(surface mount devices,SMD)的集成化方法。現時的集成化方法繁瑣、涉及諸多製造步驟、成本高昂。囙此,該挑戰現時是量產可拉伸集成電路的關鍵。現時,關於製造可拉伸連接的開創性工作主要集中在具有波浪形、馬蹄形或蛇形幾何形狀的電路跡線的確定性電路架構上。但要達到晶片集成電路,這個過程需要十多個製造步驟,其中包括成本高昂的潔淨室光刻。作為替代方案,研究人員還採用了彈性聚合物和導電微/納米顆粒、導線或導管的不同混合物的導電、可印刷複合材料。此外,液態金屬(LM)——包括共晶鎵-銦和鎵-銦-錫因其流體順應性、高電導率(~3.5×106 S/m)以及它們在應變下的穩定行為而被應用於該領域。

鑒於此,科英布拉大學Mahmoud Tavakoli教授團隊利用可逆的聚合物-凝膠轉變,採用自焊接、自封裝和自修復的簡單科技,實現了低成本、可量產複合微芯片集成的超可拉伸電路的快速製造。在數字印刷電路並放置微芯片後,通過將電路暴露於溶劑蒸氣中,在物理交聯的嵌段共聚物基材和銀液態金屬複合油墨中觸發聚合物-凝膠轉變。一旦處於凝膠狀態,微芯片就會滲透到油墨和基材上(自焊接),而油墨會滲透到基材上(自封裝)。作者還展示了具有集成感測器、處理器和無線通訊的濃縮軟物質貼片和電子紡織品,以及通過Pol-Gel修復被完全切割開的電路。該研究以題為“Reversible polymer-gel transition for ultra-stretchable chip-integrated circuits through self-soldering and self-coating and self-healing”的論文發表在最新一期《Nature Communications》上。

文章亮點:

1、該工作介紹了一種能降低固態元件集成電路製造複雜性的方法。該過程包括三個簡單的步驟:列印、組件放置和聚合物-凝膠轉變(Pol-Gel)。聚合物狀態和凝膠狀態(Pol-Gel)之間的可逆轉變是通過將聚合物暴露於其溶劑蒸氣中來實現的。由於其透明度、固相中優异的彈性效能和液相中的强粘附性,苯乙烯-异戊二烯嵌段共聚物(SIS)被用作基材和導電油墨的彈性基質。該方法可擴展到其他聚合物和其他類型的刺激以觸發Pol-Gel轉變。

2、在凝膠狀態下,微芯片從五個側面被粘性聚合物包圍,導電墨水粘附在封裝的焊盤上。這種“自焊接”程式將微芯片無縫集成到柔性電路中,從而達到創紀錄的>500%的最大應變容差,這相比之前的工作高出了5倍。該方法通過改善微填料的滲透將印刷連接的電導率提高了2倍以上,並癒合了基板的微裂紋,從而將印刷可拉伸連接的應變耐受性提高到約1200%的應變。此外,在曝光過程中,印刷跡線上會發生自塗層現象,同時實現了密封層的製造。

3、最後,作者在對印刷電路和基板進行完全切割後,將兩者暴露在蒸汽中,能够有效地修復電路,不僅可以恢復電力功能,還可以承受應變。這種蒸汽暴露的方法也可用於將印刷電路嵌入其他表面,例如紡織品等。

圖1複合可拉伸電路的制造技術。

圖2力電效能表徵。

圖3自焊接過程。

圖4自愈合過程。

圖5電路圖案化科技和應用示例。

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https://www.nature.com/articles/s41467-021-25008-5

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