一种大规模、3D且可拉伸的电路制造

以下文章来源于新一代柔性传感

【研究背景】

可拉伸电子器件在医疗、显示和人机交互等领域具有重要应用，实现多层集成可提高设备功能密度。然而，当前制造方法主要集中于小尺寸设备，难以满足大规模生产需求及大面积共形集成应用的要求。扩大制造规模面临挑战，包括基底金属化退化、导电线路图案化困难、垂直互连通道填充不均，以及组件组装中的错位和焊接缺陷等。这些问题主要源于现有技术在对准精度、材料特性和热膨胀匹配方面的局限性。

鉴于此，电子科技大学 林媛( Yuan Lin ) 教授和 潘泰松( Taisong Pan ) 副教授课题组在"Advanced Materials"期刊上发表了题为“Scalable Fabrication of Large-Scale, 3D, and Stretchable Circuits”的最新论文。作者提出了一种实现大规模、3D和可拉伸电路(large-scale, 3D, and stretchable circuits;3D-LSC)的综合方法。

【文章亮点】

3D-LSC方法 ：提出了一种名为3D-LSC(large-scale, 3D, and stretchable circuits)的综合方法，能够实现大规模、三维、可拉伸电路的制造，突破了制造规模和功能密度的限制。

S-CCL材料 ：开发了基于“铸造和固化”工艺的软铜覆盖层复合材料(soft copper-clad laminate，S-CCL)，支持超过1米范围的平面互连图案化，允许多层堆叠和垂直互连，适用于大规模可拉伸电路制造。

临时粘合策略 ：引入临时粘合基底，减少了由残余应变和热应变引起的错位，提高了制造过程中的对齐精度，确保了组件的稳定性。

【图文解读】

图1. 3D-LSC制备框架。 a) 3D-LSC制备的关键技术要素。S-CCL通过在铜箔上浇铸未固化的弹性体，然后进行热压工艺，实现大规模的铜覆盖弹性体。通过逐层堆叠图案化的S-CCL，形成多层电路。通过激光微加工孔钻孔和通过多层S-CCLs进行导电填充的金属化，形成VIAs 。在图案化和VIA形成期间实施临时粘合以减轻错位。b) 米级两层可拉伸电路的照片(1m×0.3m)。c) 安装有COTS元件的五层可拉伸电路的照片。

图1. 3D-LSC制备框架。 a) 3D-LSC制备的关键技术要素。S-CCL通过在铜箔上浇铸未固化的弹性体，然后进行热压工艺，实现大规模的铜覆盖弹性体。通过逐层堆叠图案化的S-CCL，形成多层电路。通过激光微加工孔钻孔和通过多层S-CCLs进行导电填充的金属化，形成VIAs 。在图案化和VIA形成期间实施临时粘合以减轻错位。b) 米级两层可拉伸电路的照片(1m×0.3m)。c) 安装有COTS元件的五层可拉伸电路的照片。

图 S1. (a) 单面和双面 S-CCL 制备过程的示意图。(b) 一种长度为 1 米的双面 S-CCL 的照片。

图2. 多层互连。 a) S-CCL的横截面图像。b) 不同均方根粗糙度参数(Rq)下S-CCL在20 GHz时的剥离强度和插入损耗。c) 不同温度下，S-CCL中铜箔(Rq = 529 nm)与PI胶带上的剥离强度。d) 通孔、埋孔和盲孔的示意图及横截面图像，包括VIA中铜分布的能谱分析(EDS)映射(黄色区域)。e) 不同配置的VIA的横截面图像。f) VIA位置与g) 孔深对VIA-蛇形结构延展性的影响。h) 单轴拉伸应变循环载荷下VIA-蛇形结构的电阻。

图3. 临时粘合策略 。a) 3D-LSC 制造中因热应变和残余应变引起的错位的示意图(左)和照片(右)。b) 通过 TBS 最小化错位的示意图(左)和照片(右)。TBS 夹具将电路固定，以减轻由热应变和残余应变引起的变形。c) 用于评估叠加精度的金属贴片阵列照片。d) 加精度评估中测量的第一层和第三层之间的对准误差示意图。e) TBS 的能量释放速率与温度的依赖关系示意图。不同 TBS 的温度与能量释放速率关系的实验和拟合结果：f) H-TBS-1 和 H-TBS-2。g) H-TBS-2 和 WS-TBS。

图4. 用于无线生理监测的可拉伸皮肤贴片。 a) 五层可拉伸皮肤贴片的爆炸示意图。b) 从单次生产中获得的一批贴片的光学图像。c) 可拉伸皮肤贴片的微型X射线计算机断层成像图像。d) 可拉伸皮肤贴片在手腕上的照片。e) 可拉伸皮肤贴片扭转90°、用高度约为8 mm的圆顶戳穿以及施加15%拉伸应变的照片。f) 电感(L)和品质因数(Q)与线圈层数的依赖关系。g) 线圈传递功率与距离的依赖关系。h) 室内骑行期间血压、脉搏和皮肤温度的变化。

图5. 共形天线与可拉伸 LED显示屏 。 a) 安装在无人机上的共形天线的照片。b) 微带贴片天线阵列的结构。c) 随着贴片数量变化的微带贴片阵列天线增益的模拟。d) 当无人机沿红色虚线所示轨迹飞行时，在不同位置的视频信号传输。接收信号的强度以RSSI表示。e) 在折叠(左上)和戳击(右上)等变形条件下，显示字母“PAD”的8 × 16红、绿、蓝LED阵列(底部)。

【结论与展望】

作者提出了一种名为3D-LSC的综合范式，用于制造大规模、3D和可拉伸电路，显著提升了制造规模且不显著降低其他性能。通过基本构件S-CCL，3D-LSC实现了平面互连的大规模集成和层层堆叠的三维集成，并通过粗化铜箔表面提高基底粘附性。此外，3D-LSC整合了多类型VIA以支持多样化的垂直信号传输，并采用临时粘合策略有效降低制造过程中的错位问题，对齐精度提升七倍。这种方法兼容现有制造工艺，具有高产量潜力。应用实例包括可拉伸皮肤贴片、共形天线和可拉伸LED阵列显示器，展示了3D-LSC在医疗监测、无线传输和曲面显示等领域的多样性和批量生产能力。