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【深度剖析】柔性可拉伸电子器件的转印制备工艺大全

  • 分类:3C
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  • 发布时间:2019-08-28 13:27
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【概要描述】过去十年见证了柔性和可拉伸无机电子器件的快速发展和巨大成就,通过在柔性基板的精细结构布局中集成硬质无机半导体材料,消除了与传统电子器件相关的平面、刚性和脆性的设计限制。

【深度剖析】柔性可拉伸电子器件的转印制备工艺大全

【概要描述】过去十年见证了柔性和可拉伸无机电子器件的快速发展和巨大成就,通过在柔性基板的精细结构布局中集成硬质无机半导体材料,消除了与传统电子器件相关的平面、刚性和脆性的设计限制。

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图1 不同类型的通过转印技术实现柔性和可拉伸的无机电子设备

过去十年见证了柔性和可拉伸无机电子器件的快速发展和巨大成就,通过在柔性基板的精细结构布局中集成硬质无机半导体材料,消除了与传统电子器件相关的平面、刚性和脆性的设计限制。这项技术使传统电子设备无法实现的许多新颖的应用被实现,如柔性电子设备、生物集成电子设备、表皮电子设备、瞬态电子设备、可变形光电子设备等很多种不同类型的电子器件。

(a)将可拉伸和可折叠的Si-CMOS电路转移到聚二甲基硅氧烷(PDMS)基板上。

(b)基于可压缩硅光电子学的半球形电子眼相机。使用半球形PDMS转移元件将硅光电子器件从扁平供体基板转移并印刷到半球形玻璃透镜基板上。

(c)具有生物相容性界面的多功能球囊导管通过转移印刷直接集成,用于心脏电生理学绘图和消融治疗的充气状态。

(d)超薄共形生物整合神经电极阵列转移印刷到可溶解的丝基底上。

(e)多功能表皮电子系统部分剥离皮肤。

(f)将GaInP / GaAs异质结双极晶体管阵列的照片转印到可生物降解的纤维素纳米纤维基材上,并缠绕在半径约3mm的树棒上。

(g)可弯曲光伏模块,使用大尺寸硅太阳能微电池阵列,由大块晶圆制成,并通过转印在异质基板上以稀疏空间布局集成。

(h)转印到PDMS衬底和紧密的AlInGaPμ-ILEDs(6×6)的阵列拉伸上的铅笔的尖端的光学图像。

(i)从源晶圆印刷到薄塑料条上的机械弯曲的超薄,微米级,蓝色LED阵列的图像。

所有例子都在图1中要求无机半导体或金属材料与柔性聚合物基板的集成。

然而,使用常规制造技术不能在柔性聚合物基板上直接制造无机半导体或金属材料,因为柔性聚合物基板不能承受极端加工条件,例如高温或化学蚀刻。柔性电子系统的一种制造工艺开始于在晶片/供体基板上独立制造器件,然后将它们一起组装到柔性/可拉伸基板上。转移印刷技术使得固体物体能够以高产率方式从供体基底转移到接收基底,为该组装过程提供了最有希望的解决方案。这种方法分离与应用程序基板的制造基材,与具有一个成熟的,建立商业基础设施常规制造技术绕过聚合物基底的不兼容的问题,从而加速灵活和可拉伸的无机电子器件的商业化。

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转印印刷的基础知识

转印方法的最一般形式是利用柔软的弹性体印模来介导供体基底和次级接收基底之间的微器件(通常称为油墨)的物理传质,如图2(a)所示。它通常包括两个步骤:检索/油墨从供体基板和油墨的印刷/递送到接受衬底拾取。在检索过程开始时,印模被带入与所述施主衬底,在其上以有序和可释放的方式通常是通过湿式化学蚀刻制备的油墨接触或干式蚀刻(例如,激光剥离)。例如,湿化学蚀刻通过在油墨和基板之间蚀刻牺牲层而产生可释放的油墨,但是具有适当限定的锚结构以保持光刻限定的元件空间布局。在印模上施加适当的预载荷以确保印模和墨水之间的共形接触,这提供了足够的粘附力以从供体基底取回墨水。检索过程可以是非选择性的以大规模并行方式用于高通量或选择性用于在单独墨或若干油墨精确操纵。然后使着墨的印模与接收基板接触,然后调制印模/油墨附着力以将印刷油墨印刷到接收基板上。移除印章完成了转印过程。打印模式也可以是非选择性的或选择性的。

图2 转印的操作流程和原理

(1)以可释放的方式在供体基底上制备油墨。

(2)检索过程:弹性体印章用于检索油墨。

(3)印刷过程:将油墨印刷到接收基板上。图b是印章/墨水/基材结构中的两个界面。图c是外部刺激调节的粘附强度,显示高(ON)和低(OFF)粘附状态和可切换性。

与转移印刷工艺相关的基础物理学在断裂力学的范围内,其涉及具有两个界面(印模/油墨和油墨/基材界面)的三层(印模/油墨/基材)系统,如图2(b)所示。印模/墨水界面与墨水/基材界面之间的竞争性断裂确定是否发生检索或打印。

在取回过程中,印模/油墨界面应该比油墨/基底界面更强,使得油墨可以通过印模取回。在印刷过程中,印模/油墨界面应该比油墨/基底界面弱,使得油墨可以从印模中释放。转印的产量主要取决于分别在强状态和弱状态之间切换粘合力以便取回和印刷的能力。通常,油墨/基材界面处的粘合强度与外部刺激无关,并且被认为是常数。因此,成功转印的关键是印章/油墨界面的粘合调制。

图2(c)显示出了转移印刷技术的基本原理:在强印模/油墨粘附状态下的回收和在弱印模/油墨粘附状态下的印刷,其中油墨/基板界面处的粘合强度(红色实线)保持恒定而在印模/油墨界面(黑色实线)的粘合强度是由外部刺激调制诸如剥离速度和横向移动。粘附可转换性,其被定义为最大粘合强度到最小密合强度的比率,可用于评价附着性调制性能。

基于印模/油墨界面的粘附调制原理,转印技术分为表面化学和胶水辅助转印技术,动力学控制转印技术,激光驱动非接触转印技术,壁虎启发转移印刷技术(代表一组技术,其中纤维表面辅助特定操作,例如缩回角度或横向移动),以及蚜虫启发的转移印刷技术(代表基于接触区域变化的一组技术)。

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表面化学与胶水辅助转印技术

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动力学控制的转印技术

一个强大和灵活转移印刷技术中,动力学控制的转印技术,采用的粘弹性邮票的速率依赖性粘附效果的优势以高速检索来自施主衬底的油墨(约10毫米/秒或如图4(a)所示,以低速(<1mm / s)将油墨印刷到接收基板上。图4(b)显示了钢/ PDMS界面的临界能量释放率的速率依赖性。由于PDMS的粘弹性效应,临界能量释放速率随分离速度单调增加,这使得能够通过控制剥离速度在印模/墨水界面处进行粘附调节。

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激光驱动的非接触式转印技术

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壁虎式转印技术

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蚜虫式转印技术

 

转印技术有助于将不同的微材料和纳米材料异质地集成到二维和三维布局中的空间组织的功能布置中。它使器件制造和集成工艺分离,并为柔性和可拉伸的无机电子器件带来许多新的应用机会,这是传统技术(例如,蚀刻和沉积)所不可能的。

使用溶剂可剥离胶带或热释放胶带辅助表面化学或胶水和转印技术的转印技术提供了出色的最大附着力和可切换性,这使得它们成为非常可靠的转印方案。然而,转移印刷过程通常会破环印模界面从而使印章不可重复使用。

此外,器件表面的残留物可能降低器件性能。基于可逆干粘合的先进转印技术通过提供可重复性而不在设备上留下任何残留物而提供了对上述限制的良好解决方案。

其中,动力学控制的转印技术提供了最通用和方便的方案,但粘附调制范围有限。激光驱动的非接触式转印是唯一提供非接触式印刷的转印方法,但需要仔细解决由于高温引起的不希望的印模表面损坏。

壁虎式转印技术的性能优于前面提到的技术,但制造具有表面微结构的印模会对成本带来挑战。相反,基于蚜虫的转移印花技术设计更简单并且可以提供良好的粘合可切换性。具有局部非接触外部刺激(例如,激光束)的选择性/非选择性转移印刷方法可以增强转移印刷技术的多功能性和适用性。

表面化学和胶粘辅助转印技术和动力学控制的转印技术被广泛开发并应用于柔性和可拉伸电子器件的制造中。然而,作为新开发的先进转印技术,激光驱动的非接触式转印技术和壁虎式或蚜虫式转印技术在电子制造(即传感器,显示器和电路)制造中的应用很少被报道。现有报告主要侧重于证明这些新思想的可行性、相关机制的研究和优化。未来的工作应该提供更多关于这些转移印刷技术在电子器件制造中的可行性的证据。

尽管转印技术在油墨材料兼容性、接收基板的材料和几何公差、粘合可切换性和可靠性方面取得了重大进展,但未来转印技术仍存在若干挑战:

1.可扩展性达到纳米级。现有转印技术可以实现的油墨尺寸在微米尺度上。当油墨变得比100nm薄且小于1μm时,难以实现高产率的转印。未来的转印技术应该能够以可控的方式将油墨尺寸扩展到纳米级。

2.高并行性和大规模。对于工业中的转印技术而言,期望大规模制造的高产量。印章区域的增加和每个印刷周期的平行度可以提供解决方案,但是随着平行度的增加,避免错过的检索和打印变得更加困难。已经尝试包括成角度的后掺入辊到辊工艺和先进的转移印刷技术用自动平台的组合中选择性/可编程模式。

3.直接的三维转印能力。目前的转移印刷技术与具有复杂几何形状的接收器基板不相容。尽管通过激光驱动的非接触转移印刷技术已经实现了将单个器件转印到任何表面上,但是仍然难以以高产量将油墨阵列印刷在所有表面上。用于要求具有复杂的拓扑结构的组织紧密接触的生物集成器件的应用中,需要的是具有高吞吐量的直接三维转印印刷技术。

来源:柔性电子服务平台

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