多层柔性电子：制造方法和应用

    本文选取近年来具有代表性的多层柔性电子器件，重点介绍了多层柔性电子器件的制造方法和应用。制备多层柔性电子系统的方法主要是直接多层微加工和逐层转移打印技术，来构建所需的几何形状和实现多层互连。

    柔性电子技术是指在柔性和可拉伸衬底上制备传感器、执行器、基础电路和其他电子设备的技术。与传统电子产品相比，柔性电子产品在耐磨性、生物相容性、机械稳定性等方面具有极大优势。这些特性使得柔性电子学可以应用于化学/生物传感器、人机交互、显示器、电子皮肤和许多其他领域。而传统单层柔性电子器件的功能组件的组装空间和传感方式有限，空间分辨率和集成度低，个性化配置能力不足。多层设计的概念可以利用垂直空间来解决单层柔性电子产品的上述限制。

    如图1所示，有很多种制造技术可以用来制备多层柔性电子器件，目前主要应用领域有电子皮肤、生物医疗器件、自供电系统、显示系统、能源器件、人机接口、可调色LED和治疗等。

    转移印刷、柔性印刷电路板(FPCB)、丝网印刷等多种制造方法保证了多层电子器件的灵活性和延展性，为层间互连和多层电子电路提供了可能（图2）。与传统单层结构相比，这些多层柔性电子器件不仅具有柔韧性和可拉伸性，而且在空间分辨率和多功能集成方面也获得了提高。

    多层柔性电子器件的制备需要*的制造方法，包括多层FPCB、丝网印刷、逐层物理转移和逐层印刷等。与传统方法相比，上述方法可将所有材料集成在柔性基底上，构建的多层电子器件具有可弯曲、扭曲甚至拉伸等特征。

    尽管直接在柔性基底上逐层构建的电子器件具有高效率、低成本和足够的可扩展性等优点，由于基底的限制，很难使用需要在高温下形成的复杂半导体材料来制造器件。一个可行的解决方案是在耐高温但刚性的基材上制造材料或器件，然后将其转移印刷到柔性基材上。与2D相比，通过逐层转移打印得到的多层3D结构可获得更高的空间密度和更复杂的细微结构，在生物医学、能源器件和其他领域可能具有广泛的应用前景（图3）。

    在前述的多层柔性电子产品中，通过垂直互连访问（VIAs）在不同层之间添加电气互连，可以为布线提供更多选择。构建VIA的挑战包括保持高导电性，提高结构稳定性和鲁棒性，以及增强与传统印刷电路板（PCB）工艺的兼容性（图4）。

    在柔性基底上直接制造多层材料/器件可以实现更紧密的层间连接和更方便的跨层加工（图5）。然而，薄膜内部应力在加工过程中会积累，从而限制了薄膜的厚度和层数。此外，使用的柔性高分子材料不能耐受高温，阻碍了某些高性能材料的集成应用。

    在刚性衬底上制造单层材料/器件，然后采用多次转移印刷工艺再柔性基底上垂直集成*材料，如器件级硅。该方法可将多层二维图案逐层转移打印到可拉伸得弹性基底上，产生具有可调节的可分离3D微观结构。但是，该方法的多层对齐精度相对较差（对于商用装备，对齐精度为数毫米量级）。

    不同层间的电气互联可以拓宽多层柔性电子器件的功能，这样的连接往往会影响整个器件的灵活性。因此，开发*的垂直互联技术，如充满LA的VIA是必要和值得的。