清華大學Sci. Adv.丨基于多層堆疊網狀材料的高封裝密度、微型化及可拉伸電子產品

一、【引言】

可拉伸電子產品在健康監測、疾病診治、物聯網、柔性機器人、虛擬現實（VR）和增強現實（AR）領域應用廣泛。可拉伸無機電子產品主要主要依靠高性能無機器件和彈性基板的連接，由于無機電子器件是硬脆的，合理的連接結構設計是可拉伸電子產品的關鍵。

當前，微型、功能復雜的電子產品需求日益增加，拉伸性能和功能密度（電子器件的面積與基板面積的比值）是可拉伸電子產品的兩個關鍵性能指標。高功能密度將有利于縮小電子產品的尺寸。已報道有很多可同時提高延展性和功能密度的連接結構設計策略，如橋形設計、蛇形連接、分形設計和螺旋形連接等，但這些設計策略都是器件單層分布，受到單層分布的固有限制，其功能密度都低于80%。器件單層分布的設計策略難以實現高功能密度（>60%）、足夠的可拉伸性能（>20%）以及微型化的系統（包含15個以上器件或者兩種以上功能）。

二、【成果概要】

清華大學張一慧教授和宋洪烈博士后發表在Science Advances上的這篇文章，提出了一種采用多層堆疊網狀材料作為器件連接和封裝結構，不會對器件變形產生任何影響。大量分析表明，相較于堆疊軟質彈性材料，這種蛇形的連接器件彈性可延展性顯著提高（約7.5倍）。文中提出的方法可示范應用于微型電子系統（約11mm?10mm），具有中等的可延展性（約20%）和空前的高功能密度（110%），可應用于高精度傳感、無線紅外溫度傳感器、9自由度運動。在指南針、軀體感覺、生理信號實時監測方面的成功應用顯示出了其廣泛的應用前景。

相關研究成果以“Highly-integrated, miniaturized, stretchable electronic systems based on stacked multilayer network materials”為題發表在ScienceAdvances上。

三、【圖文導讀】

圖1??多層堆疊網狀材料連接和封裝可拉伸電子器件概念示意圖

圖2?兩層網狀材料封裝的蛇形電子器件屈曲力學性能實驗和模擬研究

圖3?基于多層堆疊網狀材料連接和封裝策略設計和制備的高封裝密度可拉伸電子產品

圖4?基于多層堆疊網狀材料連接和封裝策略的電子產品功能示范應用

四、【小結】

綜上所述，本文提出了采用多層堆疊網狀材料作為基板連接和封裝可拉伸電子器件的策略，并進行了性能表征。采用多層堆疊網狀材料作為基板不僅能通過緩沖外力顯著提高可拉伸性能（提高了7.5倍），還能通過增加堆疊層來提高功能密度。實現了高密度封裝、微型化和可拉伸電子器件的示范應用，具有超高功能密度（110%）和小尺寸（11mm?10mm），在指南針、軀體感覺、生理信號實時監測方面的成功應用。

提出的多層堆疊網狀材料連接及封裝策略在高功能密度需求的產品（如VR、人機交互）具有廣泛的應用。發展基于多層堆疊網狀材料連接及封裝的復雜三維形貌電子器件（如管和半球）將實現與生物器官（如血管、神經引導導管）的連接。

文獻鏈接：Highly-integrated, miniaturized, stretchable electronic systems based on stacked multilayer network materials (science.org)

本文由作者供稿。