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【深度剖析】柔性可拉伸電子器件的轉印製備工藝大全

  • 分類:3C
  • 作者:
  • 來源:
  • 發佈時間:2019-08-28 13:27
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【概要描述】過去十年見證了柔性和可拉伸無機電子器件的快速發展和巨大成就,通過在柔性基板的精細結構佈局中集成硬質無機半導體材料,消除了與傳統電子器件相關的平面、剛性和脆性的設計限制。

【深度剖析】柔性可拉伸電子器件的轉印製備工藝大全

【概要描述】過去十年見證了柔性和可拉伸無機電子器件的快速發展和巨大成就,通過在柔性基板的精細結構佈局中集成硬質無機半導體材料,消除了與傳統電子器件相關的平面、剛性和脆性的設計限制。

  • 分類:3C
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圖1 不同類型的通過轉印技術實現柔性和可拉伸的無機電子設備

過去十年見證了柔性和可拉伸無機電子器件的快速發展和巨大成就,通過在柔性基板的精細結構佈局中集成硬質無機半導體材料,消除了與傳統電子器件相關的平面、剛性和脆性的設計限制。這項技術使傳統電子設備無法實現的許多新穎的應用被實現,如柔性電子設備、生物集成電子設備、表皮電子設備、瞬態電子設備、可變形光電子設備等很多種不同類型的電子器件。

(a)將可拉伸和可摺疊的Si-CMOS電路轉移到聚二甲基硅氧烷(PDMS)基板上。

(b)基於可壓縮硅光電子學的半球形電子眼相機。使用半球形PDMS轉移元件將硅光電子器件從扁平供體基板轉移並印刷到半球形玻璃透鏡基板上。

(c)具有生物相容性界面的多功能球囊導管通過轉移印刷直接集成,用於心臟電生理學繪圖和消融治療的充氣狀態。

(d)超薄共形生物整合神經電極陣列轉移印刷到可溶解的絲基底上。

(e)多功能表皮電子系統部分剝離皮膚。

(f)將GaInP / GaAs異質結雙極晶體管陣列的照片轉印到可生物降解的纖維素納米纖維基材上,並纏繞在半徑約3mm的樹棒上。

(g)可彎曲光伏模塊,使用大尺寸硅太陽能微電池陣列,由大塊晶圓製成,並通過轉印在異質基板上以稀疏空間佈局集成。

(h)轉印到PDMS襯底和緊密的AlInGaPμ-ILEDs(6×6)的陣列拉伸上的鉛筆的尖端的光學圖像。

(i)從源晶圓印刷到薄塑料條上的機械彎曲的超薄,微米級,藍色LED陣列的圖像。

所有例子都在圖1中要求無機半導體或金屬材料與柔性聚合物基板的集成。

然而,使用常規製造技術不能在柔性聚合物基板上直接制造無機半導體或金屬材料,因爲柔性聚合物基板不能承受極端加工條件,例如高溫或化學蝕刻。柔性電子系統的一種製造工藝開始於在晶片/供體基板上獨立製造器件,然後將它們一起組裝到柔性/可拉伸基板上。轉移印刷技術使得固體物體能夠以高產率方式從供體基底轉移到接收基底,爲該組裝過程提供了最有希望的解決方案。這種方法分離與應用程序基板的製造基材,與具有一個成熟的,建立商業基礎設施常規制造技術繞過聚合物基底的不兼容的問題,從而加速靈活和可拉伸的無機電子器件的商業化。

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轉印印刷的基礎知識

轉印方法的最一般形式是利用柔軟的彈性體印模來介導供體基底和次級接收基底之間的微器件(通常稱爲油墨)的物理傳質,如圖2(a)所示。它通常包括兩個步驟:檢索/油墨從供體基板和油墨的印刷/遞送到接受襯底拾取。在檢索過程開始時,印模被帶入與所述施主襯底,在其上以有序和可釋放的方式通常是通過溼式化學蝕刻製備的油墨接觸或乾式蝕刻(例如,激光剝離)。例如,溼化學蝕刻通過在油墨和基板之間蝕刻犧牲層而產生可釋放的油墨,但是具有適當限定的錨結構以保持光刻限定的元件空間佈局。在印模上施加適當的預載荷以確保印模和墨水之間的共形接觸,這提供了足夠的粘附力以從供體基底取回墨水。檢索過程可以是非選擇性的以大規模並行方式用於高通量或選擇性用於在單獨墨或若幹油墨精確操縱。然後使着墨的印模與接收基板接觸,然後調製印模/油墨附着力以將印刷油墨印刷到接收基板上。移除印章完成了轉印過程。打印模式也可以是非選擇性的或選擇性的。

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圖2 轉印的操作流程和原理

(1)以可釋放的方式在供體基底上製備油墨。

(2)檢索過程:彈性體印章用於檢索油墨。

(3)印刷過程:將油墨印刷到接收基板上。圖b是印章/墨水/基材結構中的兩個界面。圖c是外部刺激調節的粘附強度,顯示高(ON)和低(OFF)粘附狀態和可切換性。

與轉移印刷工藝相關的基礎物理學在斷裂力學的範圍內,其涉及具有兩個界面(印模/油墨和油墨/基材界面)的三層(印模/油墨/基材)系統,如圖2(b)所示。印模/墨水界面與墨水/基材界面之間的競爭性斷裂確定是否發生檢索或打印。

在取回過程中,印模/油墨界面應該比油墨/基底界面更強,使得油墨可以通過印模取回。在印刷過程中,印模/油墨界面應該比油墨/基底界面弱,使得油墨可以從印模中釋放。轉印的產量主要取決於分別在強狀態和弱狀態之間切換粘合力以便取回和印刷的能力。通常,油墨/基材界面處的粘合強度與外部刺激無關,並且被認爲是常數。因此,成功轉印的關鍵是印章/油墨界面的粘合調制。

圖2(c)顯示出了轉移印刷技術的基本原理:在強印模/油墨粘附狀態下的回收和在弱印模/油墨粘附狀態下的印刷,其中油墨/基板界面處的粘合強度(紅色實線)保持恆定而在印模/油墨界面(黑色實線)的粘合強度是由外部刺激調製諸如剝離速度和橫向移動。粘附可轉換性,其被定義爲最大粘合強度到最小密合強度的比率,可用於評價附着性調製性能。

基於印模/油墨界面的粘附調製原理,轉印技術分爲表面化學和膠水輔助轉印技術,動力學控制轉印技術,激光驅動非接觸轉印技術,壁虎啓發轉移印刷技術(代表一組技術,其中纖維表面輔助特定操作,例如縮回角度或橫向移動),以及蚜蟲啓發的轉移印刷技術(代表基於接觸區域變化的一組技術)。

 

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表面化學與膠水輔助轉印技術

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動力學控制的轉印技術

一個強大和靈活轉移印刷技術中,動力學控制的轉印技術,採用的粘彈性郵票的速率依賴性粘附效果的優勢以高速檢索來自施主襯底的油墨(約10毫米/秒或如圖4(a)所示,以低速(<1mm / s)將油墨印刷到接收基板上。圖4(b)顯示了鋼/ PDMS界面的臨界能量釋放率的速率依賴性。由於PDMS的粘彈性效應,臨界能量釋放速率隨分離速度單調增加,這使得能夠通過控制剝離速度在印模/墨水界面處進行粘附調節。

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激光驅動的非接觸式轉印技術

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壁虎式轉印技術

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蚜蟲式轉印技術

 

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轉印技術有助於將不同的微材料和納米材料異質地集成到二維和三維佈局中的空間組織的功能佈置中。它使器件製造和集成工藝分離,併爲柔性和可拉伸的無機電子器件帶來許多新的應用機會,這是傳統技術(例如,蝕刻和沉積)所不可能的。

使用溶劑可剝離膠帶或熱釋放膠帶輔助表面化學或膠水和轉印技術的轉印技術提供了出色的最大附着力和可切換性,這使得它們成爲非常可靠的轉印方案。然而,轉移印刷過程通常會破環印模界面從而使印章不可重複使用。

此外,器件表面的殘留物可能降低器件性能。基於可逆幹粘合的先進轉印技術通過提供可重複性而不在設備上留下任何殘留物而提供了對上述限制的良好解決方案。

其中,動力學控制的轉印技術提供了最通用和方便的方案,但粘附調製範圍有限。激光驅動的非接觸式轉印是唯一提供非接觸式印刷的轉印方法,但需要仔細解決由於高溫引起的不希望的印模表面損壞。

壁虎式轉印技術的性能優於前面提到的技術,但製造具有表面微結構的印模會對成本帶來挑戰。相反,基於蚜蟲的轉移印花技術設計更簡單並且可以提供良好的粘合可切換性。具有局部非接觸外部刺激(例如,激光束)的選擇性/非選擇性轉移印刷方法可以增強轉移印刷技術的多功能性和適用性。

表面化學和膠粘輔助轉印技術和動力學控制的轉印技術被廣泛開發並應用於柔性和可拉伸電子器件的製造中。然而,作爲新開發的先進轉印技術,激光驅動的非接觸式轉印技術和壁虎式或蚜蟲式轉印技術在電子製造(即傳感器,顯示器和電路)製造中的應用很少被報道。現有報告主要側重於證明這些新思想的可行性、相關機制的研究和優化。未來的工作應該提供更多關於這些轉移印刷技術在電子器件製造中的可行性的證據。

儘管轉印技術在油墨材料兼容性、接收基板的材料和幾何公差、粘合可切換性和可靠性方面取得了重大進展,但未來轉印技術仍存在若幹挑戰:

1.可擴展性達到納米級。現有轉印技術可以實現的油墨尺寸在微米尺度上。當油墨變得比100nm薄且小於1μm時,難以實現高產率的轉印。未來的轉印技術應該能夠以可控的方式將油墨尺寸擴展到納米級。

2.高並行性和大規模。對於工業中的轉印技術而言,期望大規模製造的高產量。印章區域的增加和每個印刷週期的平行度可以提供解決方案,但是隨着平行度的增加,避免錯過的檢索和打印變得更加困難。已經嘗試包括成角度的後摻入輥到輥工藝和先進的轉移印刷技術用自動平臺的組合中選擇性/可編程模式。

3.直接的三維轉印能力。目前的轉移印刷技術與具有複雜幾何形狀的接收器基板不相容。儘管通過激光驅動的非接觸轉移印刷技術已經實現了將單個器件轉印到任何表面上,但是仍然難以以高產量將油墨陣列印刷在所有表面上。用於要求具有複雜的拓撲結構的組織緊密接觸的生物集成器件的應用中,需要的是具有高吞吐量的直接三維轉印印刷技術。

來源:柔性電子服務平臺

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