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CN111063658B - 柔性可延展的电子器件的制造方法 - Google Patents

柔性可延展的电子器件的制造方法 Download PDF

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CN111063658B
CN111063658B CN201911394674.3A CN201911394674A CN111063658B CN 111063658 B CN111063658 B CN 111063658B CN 201911394674 A CN201911394674 A CN 201911394674A CN 111063658 B CN111063658 B CN 111063658B
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Tsinghua University
Institute of Flexible Electronics Technology of THU Zhejiang
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Abstract

本公开涉及一种柔性可延展的电子器件的制造方法，包括：在硬质衬底上制备出电子器件的功能区中至少一个功能单元；在硬质衬底上制造功能单元之间的第一互连线和功能区之间的第二互连线得到功能层；将临时衬底粘附在功能层上；利用临时衬底将功能层从硬质衬底转移至对象的为非可展曲面分目标区域；去除临时衬底后对功能层表面进行封装形成封装层，得到集成在目标区域上的电子器件。本公开实施例所提供的柔性可延展的电子器件的制造方法，可以将大面积电子器件集成到对象的具有非可展曲面的目标区域上，实现电子器件与对象之间的紧密贴合，且制造工艺简单、成本低、效率高、速度快、适用范围广。

Description

柔性可延展的电子器件的制造方法
技术领域
本公开涉及柔性电子技术领域，尤其涉及一种柔性可延展的电子器件的制造方法。
背景技术
随着科技的不断进步，柔性电子器件越来越多的被应用到各行业中。将大面积柔性电子器件直接集成在非可展曲面上是柔性电子器件较为重要的一类应用。例如，将电子器件集成到球状对象上形成球状天线，在生物体心脏的表面包裹大面积心电电极，在手术球囊上集成大面积的柔性电子器件阵列等等。为解决实现大面积的柔性电子器件集成到已有的具有非可展曲面的对象表面的问题，相关技术中，采用3D打印、气球辅助转印、3D打印与模筑结合等方式实现大面积的柔性电子器件与非可展曲面的对象表面的集成。但其存在加工工艺复杂、价格昂贵、所能够实现的集成的柔性电子器件的面积有限、柔性电子器件与对象表面贴合度差等问题。
发明内容
有鉴于此，本公开提出了一种柔性可延展的电子器件的制造方法，以解决上述技术问题。
根据本公开的一方面，提供了一种柔性可延展的电子器件的制造方法，所述方法包括：
在硬质衬底上制备出所述电子器件的多个功能单元，所述电子器件包括多个功能区，每个功能区分别包括至少一个功能单元；
在所述硬质衬底上制造用于实现所述功能单元之间的连接的第一互连线和实现所述功能区之间的连接的第二互连线，得到功能层，所述功能层的形状与集成所述电子器件的对象的表面的目标区域相匹配；
将预先制备好的临时衬底粘附在所述功能层上，所述临时衬底的形状与所述功能层的形状相匹配；
利用所述临时衬底将所述功能层从所述硬质衬底转移至所述目标区域；
去除所述临时衬底；
对放置于所述目标区域处的功能层表面进行封装形成封装层，得到集成在所述对象的目标区域上的电子器件，
其中，所述对象的表面中至少所述目标区域为非可延展曲面。
在一种可能的实现方式中，所述方法还包括：
在将所述功能层转移至所述目标区域之前，在所述目标区域制备粘附层，以利用所述粘附层将所述功能层固定放置在所述目标区域处。
在一种可能的实现方式中，在硬质衬底上制备出所述电子器件的多个功能单元，包括：
在所述硬质衬底上生成牺牲层；
在所述牺牲层上制备所述多个功能单元，
其中，利用所述临时衬底将所述功能层从所述硬质衬底转移至所述目标区域，包括：
去除所述牺牲层，利用所述临时衬底使所述功能层从所述硬质衬底上脱离下来；
利用临时衬底将所述功能层转移至所述目标区域。
在一种可能的实现方式中，所述临时衬底的材料包括温度敏感型粘附材料，
其中，去除所述临时衬底，包括：
调整所述临时衬底的温度，以使所述临时衬底与所述功能层分离，去除所述临时衬底。
在一种可能的实现方式中，所述临时衬底的材料包括水溶性粘附材料，
其中，去除所述临时衬底，包括：
利用水使所述临时衬底与所述功能层分离，去除所述临时衬底。
在一种可能的实现方式中，所述功能单元包括以下至少一种：压力传感单元、应变传感单元、温度传感单元、能量转换单元、电极、天线线圈、加速度传感器、湿度传感器，
其中，所述能量转换单元包括压电转换单元、光电转换单元、超声换能单元。
在一种可能的实现方式中，所述第一互连线和/或所述第二互连线的形状为可延展形状，所述可延展形状包括蛇形和分形中的任一种，封装所述功能层表面的材料为柔性材料。
在一种可能的实现方式中，所述功能层中功能区呈条带状排布、块状条带排布、块状非条带排布中的至少一种，所述临时衬底的平面形状包括花瓣状、锯齿状、齿梳状、螺旋状中的至少一种。
在一种可能的实现方式中，所述方法还包括：
在进行封装之前，利用所述第二互连线制造所述电子器件的输入端和/或输出端。
在一种可能的实现方式中，所述方法还包括：
在进行封装之前，在所述功能层上安装预设装置，所述装置与所述第二互连线相连。
本公开实施例所提供的柔性可延展的电子器件的制造方法，可以将大面积电子器件集成到对象的具有非可展曲面的目标区域上，实现电子器件与对象之间的紧密贴合，且制造工艺简单、成本低、效率高、速度快、适用范围广。
根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本公开的其它特征及方面将变得清楚。
附图说明
包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本公开的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本公开的原理。
图1示出根据本公开一实施例的柔性可延展的电子器件的制造方法的流程图。
图2示出根据本公开一实施例的柔性可延展的电子器件的制造方法的流程示意图。
图3、图4、图5示出根据本公开一实施例的柔性可延展的电子器件的制造方法中临时衬底的平面形状示意图。
图6示出根据本公开一实施例的柔性可延展的电子器件集成于对象后的示意图。
具体实施方式
以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。
另外，为了更好的说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本公开同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本公开的主旨。
为进一步说明本公开所提供技术方案对本领域带来的现实意义，先对相关技术中解决上述技术问题所提供的方式进行描述，其中，为便于说明以球状对象作为具有非可展曲面的对象的示例。非可展曲面是指对象的表面不能够展成平面，如球面、椭球面。
对于3D打印技术，可以利用具有五轴自由度的3D打印技术直接在如球状对象的表面进行打印，实现球状天线的制备。但是，五轴3D技术是一种复杂、昂贵的加工技术，且需要操作人员具备专业的编程能力，以对打印所用喷头的空间运动轨迹进行设置。并且，对于需要直接在球状对象表面集成如压力传感器等打印技术无法打印的电子器件时，3D打印技术便不再能够满足实际需求。
对于气球辅助转印技术，可以先将电子器件转移到气球表面，而后将带有电子器件的气球压在球状对象表面的目标区域，利用气球容易变形的特点，使得气球表面的电子器件能与目标区域的贴合，将电子器件转印到球状对象表面。但是，利用气球每一次只能进行小面积电子器件的转印，无法满足整个球状对象表面或者大部分球状对象表面的集成需求。
对于3D打印与模筑结合的技术，可以先利用3D打印技术打印出与球状对象表面的目标区域相同的3D模型而，而后在该模型表面采用浇筑的方式形成一层柔性薄膜，将电子器件集成到柔性薄膜上，而后利用柔性薄膜具有一定变形能力的特点，将带有电子器件的柔性薄膜套装包覆在球状对象的目标区域。但是，实现过程复杂，柔性薄膜与球状对象表面贴合度差，且为保证贴合程度同样难以实现大面积电子器件的集成。
图1示出根据本公开一实施例的柔性可延展的电子器件的制造方法的流程图。图2示出根据本公开一实施例的柔性可延展的电子器件的制造方法的流程示意图，如图1、图2所示，该方法包括步骤S11至步骤S16。
在步骤S11中，如图2中的a部分所示，在硬质衬底7上制备出所述电子器件的多个功能单元2，所述电子器件包括多个功能区9，每个功能区9分别包括至少一个功能单元2。
在本实施例中，硬质衬底可以是玻璃片、硅片等硬质、不易变形，便于后续步骤进行微加工的片状物体，本领域技术人员可以根据实际需要对硬质衬底进行选择，本公开对此不作限制。
在一种可能的实现方式中，所述功能单元可以包括以下至少一种：压力传感单元、应变传感单元、温度传感单元、能量转换单元、电极、天线线圈、加速度传感器、湿度传感器。其中，所述能量转换单元可以包括压电转换单元、光电转换单元、超声换能单元。
在本实施例中，每个功能区可以包括一个或多个功能单元，每个功能区中功能单元的作用可以相同，也可以不同。可以根据所需制备的功能单元的工作原理和过程，采用薄膜生长、光刻、刻蚀等微加工工艺在硬质衬底上制备功能单元。
在步骤S12中，如图2中的a部分所示，在所述硬质衬底7上制造用于实现所述功能单元2之间的连接的第一互连线3和实现所述功能区9之间的连接的第二互连线6，得到功能层，所述功能层的形状与集成所述电子器件的对象1的表面的目标区域相匹配。其中，所述对象1的表面中至少所述目标区域为非可展曲面。
在本实施例中，根据临时衬底的平面形状与功能层的形状的不同，可以将功能层中除功能区9外还可以包括交通区10(如图2所示)，功能区中包括对应的功能单元和第一互连线，交通区10中包括多个第二互连线。第一互连线可以使得连接在线的两端的功能单元之间实现电学导通，功能单元之间可以呈串联和/或并联连接。第二互连线可以使得连接在线的两端的功能区之间的全部功能单元之间实现电学导通。第一互连线和第二互连线的尺寸(厚度、宽度、长度等)可以根据其所连接的两个目标之间的位置关系、能量传输需求等进行设置，本公开对此不作限制。
在本实施例中，可以根据所需制备的第一互连线、第二互连线的位置尺寸等，采用薄膜生长、光刻、刻蚀等微加工工艺进行第一互连线、第二互连线的制备，以得到所需的功能层。
在本实施例中，对象可以部分或全部表面均为非可展曲面，对象的目标区域为非可展曲面。对象所需集成的电子器件的尺寸较大，例如，目标区域在球状对象表面所占比例大于球状对象表面积的四分之三。对象可以是预先生产制造出的类似于球状、椭球状的装备产品，如生物体器官模型，也可以是人体等生物体的心脏、胃、肝、肾、眼球、卵巢、胆等器官。
在一种可能的实现方式中，所述第一互连线和/或所述第二互连线的形状可以为可延展形状，所述可延展形状包括蛇形和分形中的任一种，封装所述功能层表面的材料为柔性材料。
在该实现方式中，所述第一互连线和/或所述第二互连线的形状为可延展形状还可以为直线。可以根据对象的目标区域的尺寸、对象的柔软程度等对第一互连线和/或第二互连线的形状进行设置。例如，在对象的目标区域相对较为柔软和/或后续对象的运动等变化会改变目标区域的形状时，所述第一互连线和/或所述第二互连线的形状可以为可延展形状。在对象的目标区域为硬质且不变形时，所述第一互连线和/或所述第二互连线的形状为可延展形状还可以为直线。本领域技术人员可以根据实际需要对第一互连线和第二互连线的形状进行设置，本公开对此不作限制。
在步骤S13中，如图2中的c部分所示，将预先制备好的临时衬底8(如图2中的b部分所示)粘附在所述功能层上，所述临时衬底的形状与所述功能层的形状相匹配。
图3、图4、图5示出根据本公开一实施例的柔性可延展的电子器件的制造方法中临时衬底的平面形状示意图。
在一种可能的实现方式中，所述功能层中功能单元呈条带状排布、块状条带排布、块状非条带排布中的至少一种，所述临时衬底的平面形状包括花瓣状、锯齿状、齿梳状、螺旋状中的至少一种。
在本实施例中，临时衬底的平面形状与功能层的形状相匹配可以包括以下至少一个条件：临时衬底能够覆盖功能层、临时衬底的形状便于将功能层从硬质衬底或牺牲层上撕起。
其中，在功能层中功能单元呈条带状排布时，临时衬底的平面形状可以是螺旋状(如图3所示)，此时功能层中可以包括一个功能区、无交通区，功能层不再包括实现功能区间电学导通的第二互连线。以对象的形状为球状、目标区域为对象的一半的球面(如图3所示)为例，将临时衬底粘附在功能层上之后，功能层的形状由原来的条带状转换为螺旋状，并进一步借助螺旋状中不同螺旋的半径尺寸差异，将功能层的不同区段转移到对象的不同圆周处，实现功能层缠绕集成到球状对象的一半的球面的目的。
在功能层中功能单元呈块状、且块体之间呈条带状排布(也即块状条带排布)时，临时衬底的平面形状可以是梳齿状(如图4所示)，此时功能层中可以包括多个功能区和交通区，第二互连线位于交通区。其中，梳齿的齿数越多，功能层与目标区域的粘附性越好，功能层与目标区域的匹配程度越高，出现的褶皱、折叠等等不利因素的几率越低。以对象的形状为球状、目标区域为对象的最大截面所对应的中间条状区域(如图4所示)为例，将临时衬底粘附在功能层上之后，功能层的形状转换为临时衬底形状，便于转移至对象的中间条状区域。
在功能层中功能单元呈块状、且块体之间呈非条带状排布(也即块状非条带排布)时，临时衬底的平面形状可以是花瓣状(如图5所示)，此时功能层中可以包括多个功能区和交通区，第二互连线位于交通区。其中，花瓣的瓣数越多，功能层与目标区域的粘附性约好，功能层与目标区域的匹配程度越高，出现的褶皱、折叠等等不利因素的几率越低。以对象的形状为球状、目标区域为对象的大部分区域(如图2所示)为例，将临时衬底粘附在功能层上之后，功能层的形状转换为临时衬底形状，便于转移至对象的目标区域。
在本实施例中，临时衬底的材料可以是温度敏感型粘附材料(如热释放胶带，温度变化其粘附性会发生变化)、水溶性粘附材料(如水溶粘胶膜，可以溶于水)等易于在实现功能层转移后去除的材料。可以采用激光切割、机械切割等对上述材料所制造的薄膜进行切割以获得临时衬底。或者，也可以采用物理气相沉积、化学气相沉积等方式制备出临时衬底，本公开对此不作限制。所制备的临时衬底可以是具有与功能层的形状相匹配平面形状。
在步骤S14中，如图2中的d、e部分所示，利用所述临时衬底8将所述功能层从所述硬质衬底转移至所述目标区域。
在本实施例中，可以先利用临时衬底将功能层与硬质衬底分离(如图2所示的S14-1)，得到图2中d部分所示的“临时衬底和功能层”，而后再利用临时衬底将功能层转移至目标区域(如图2所示的S14-2)，得到图2中e部分所示的“对象的目标区域中放置有功能层、临时衬底”。其中，为更清楚展示本公开的制造流程，在图2的e部分中并未示出功能层、且临时衬底并未与对象的目标区域贴合，实际上是存在功能层、且临时衬底和功能层均贴合在对象的目标区域上。
在一种可能的实现方式中，在步骤S14之前，所述方法还包括：在将所述功能层转移至所述目标区域之前，在所述目标区域制备粘附层，以利用所述粘附层将所述功能层固定放置在所述目标区域处。
在该实现方式中，粘附层的材料可以是硅胶胶水、未固化的聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)、液体绷带等易于实现功能层和对象的目标区域位置固定粘贴在一起的材料，可以采用旋涂、喷涂、刮涂、浸入、点胶等方式在对象的目标区域制备粘结层，本公开对此不作限制。
在一种可能的实现方式中，步骤S11可以包括：在所述硬质衬底上生成牺牲层；在所述牺牲层上制备所述多个功能单元。其中，步骤S14可以包括：利用刻蚀液等方式去除所述牺牲层，利用所述临时衬底使所述功能层从所述硬质衬底上脱离下来；利用临时衬底将所述功能层转移至所述目标区域。
在该实现方式中，在功能层与硬质衬底的粘性相对大，不利于利用临时衬底将功能层从硬质衬底上完好“撕起”时，可以预先在硬质衬底上制备一层牺牲层，在“撕起”功能层前，先将牺牲层去除，使得功能层与硬质衬底分离，便于“撕起”。
在该实现方式中，牺牲层的材料可以是聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate)，简称PMMA)、二氧化硅、铝镓砷(AlGaAs)等材料。制备牺牲层的方式可以是物理气相沉积、化学气相沉积等方法，如旋涂、喷涂、刮涂、浸入、点胶、MOCVD(在气相外延生长(VPE)的基础上发展起来的一种新型气相外延生长技术)等方式，本公开对此不作限制。例如，在硬质衬底上旋涂PMMA制备牺牲层、利用MOCVD在硬质衬底上制备铝镓砷作为牺牲层等。
在步骤S15中，如图2中的f部分所示，去除所述临时衬底，此时，仅在对象1的目标区域处留有功能层(包括功能单元2、第一互连线3和第二互连线6)。
在一种可能的实现方式中，所述临时衬底的材料包括温度敏感型粘附材料，其中，去除所述临时衬底，可以包括：调整所述临时衬底的温度，以使所述临时衬底与所述功能层分离，去除所述临时衬底。在临时衬底为热释放胶带膜时，可以加热使得临时衬底粘性降低，以将热释放胶带膜从功能层上撕起。
在一种可能的实现方式中，所述临时衬底的材料包括水溶性粘附材料，其中，去除所述临时衬底，可以包括：利用水使所述临时衬底与所述功能层分离，去除所述临时衬底。在临时衬底为水溶粘胶膜时，可以将临时衬底浸入水中、或者向临时衬底喷水，以使得临时衬底可以与功能层分离。
在步骤S16中，如图2中的g部分所示，对放置于所述目标区域处的功能层表面进行封装形成封装层5，得到集成在对象1的目标区域上的电子器件。其中，为更清楚展示本公开的制造流程，在图2的g部分中并未示出功能层、且封装层并未与对象的目标区域贴合，实际上是存在功能层、且封装层和功能层均贴合在对象的目标区域上。
图6示出根据本公开一实施例的柔性可延展的电子器件集成于对象后的示意图。如图6所示，电子器件(包括功能单元2、第一互连线3、封装层5)与对象1的目标区域之间通过粘结层4固定粘贴在一起。
在本实施例中，封装层用于保护功能层，实现功能层与外界环境隔绝，也实现功能单元、第一互连线、第二互连线之间的绝缘。
在一种可能的实现方式中，所述方法还包括：在进行封装之前，利用所述第二互连线制造所述电子器件的输入端和/或输出端。以便于后续利用输入端和/或输出端和外部装置实现数据传输和电传输。
在一种可能的实现方式中，所述方法还包括：在进行封装之前，在所述功能层上安装预设装置，所述装置与所述第二互连线相连。预设装置可以是进行数据处理的芯片等。可以根据功能层所要实现的功能对预设装置进行设置和选择，本公开对此不作限制。
本公开实施例所提供的柔性可延展的电子器件的制造方法，可以将大面积电子器件集成到对象的具有非可展曲面的目标区域上，实现电子器件与对象之间的紧密贴合，且制造工艺简单、成本低、效率高、速度快、适用范围广。
需要说明的是，尽管以上述实施例作为示例介绍了柔性可延展的电子器件的制造方法如上，但本领域技术人员能够理解，本公开应不限于此。事实上，用户完全可根据个人喜好和/或实际应用场景灵活设定各步骤，只要符合本公开的技术方案即可。
以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (10)

1.一种柔性可延展的电子器件的制造方法，其特征在于，所述方法包括：
在硬质衬底上制备出所述电子器件的多个功能单元，所述电子器件包括多个功能区，每个功能区分别包括至少一个功能单元；
在所述硬质衬底上制造用于实现所述功能单元之间的连接的第一互连线和实现所述功能区之间的连接的第二互连线，得到功能层，所述功能层的形状与集成所述电子器件的对象的表面的目标区域相匹配；
将预先制备好的临时衬底粘附在所述功能层上，所述临时衬底的形状与所述功能层的形状相匹配；
利用所述临时衬底将所述功能层从所述硬质衬底转移至所述目标区域，使所述功能层中功能单元分别贴附在所述目标区域上；
去除所述临时衬底；
对放置于所述目标区域处的功能层表面进行封装形成封装层，得到集成在所述对象的目标区域上的电子器件，
其中，所述对象的表面中至少所述目标区域为非可展曲面。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在将所述功能层转移至所述目标区域之前，在所述目标区域制备粘附层，以利用所述粘附层将所述功能层固定放置在所述目标区域处。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在硬质衬底上制备出所述电子器件的多个功能单元，包括：
在所述硬质衬底上生成牺牲层；
在所述牺牲层上制备所述多个功能单元，
其中，利用所述临时衬底将所述功能层从所述硬质衬底转移至所述目标区域，包括：
去除所述牺牲层，利用所述临时衬底使所述功能层从所述硬质衬底上脱离下来；
利用临时衬底将所述功能层转移至所述目标区域。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述临时衬底的材料包括温度敏感型粘附材料，
其中，去除所述临时衬底，包括：
调整所述临时衬底的温度，以使所述临时衬底与所述功能层分离，去除所述临时衬底。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述临时衬底的材料包括水溶性粘附材料，
其中，去除所述临时衬底，包括：
利用水使所述临时衬底与所述功能层分离，去除所述临时衬底。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述功能单元包括以下至少一种：压力传感单元、应变传感单元、温度传感单元、能量转换单元、电极、天线线圈、加速度传感器、湿度传感器，
其中，所述能量转换单元包括压电转换单元、光电转换单元、超声换能单元。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一互连线和/或所述第二互连线的形状为可延展形状，所述可延展形状包括蛇形和分形中的任一种，封装所述功能层表面的材料为柔性材料。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述功能层中功能区呈条带状排布、块状条带排布、块状非条带排布中的至少一种，所述临时衬底的平面形状包括花瓣状、锯齿状、齿梳状、螺旋状中的至少一种。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在进行封装之前，利用所述第二互连线制造所述电子器件的输入端和/或输出端。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在进行封装之前，在所述功能层上安装预设装置，所述装置与所述第二互连线相连。
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