隨著5G、大數(shù)據(jù)及萬物互聯(lián)技術(shù)的普及，柔性電子技術(shù)被賦予了更加廣闊的應(yīng)用空間。該領(lǐng)域一直以來的一個(gè)研究焦點(diǎn)是如何解決器件延展率和功能密度相互制約的難題。尤其是當(dāng)柔性電子器件經(jīng)過封裝后，如何使其保持較高的延展率，是一個(gè)亟需克服的挑戰(zhàn)。

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為提升無機(jī)柔性電子器件的延展率，前人提出了"島-橋"導(dǎo)線、蛇形導(dǎo)線、分型導(dǎo)線及三維螺旋導(dǎo)線等設(shè)計(jì)策略，但是這些策略在增加器件延展性的同時(shí)，是以降低器件的功能密度為代價(jià)（覆蓋率一般<80%）。前人也提出了將單層電路進(jìn)行折疊和層疊，提高柔性電子器件功能密度。但是，在經(jīng)過封裝后，由于封裝材料對導(dǎo)線變形的約束作用，為保持一定的延展率，其系統(tǒng)覆蓋率在此前研究中最高達(dá)到~76%，很難進(jìn)一步提高。

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清華大學(xué)張一慧課題組提出了一種小型化、高集成度柔性電子器件的層疊網(wǎng)格封裝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了兼具高延展率、高覆蓋率和類皮膚力學(xué)性能的無機(jī)柔性電子器件，解決了經(jīng)封裝的柔性電子器件的高延展率與高覆蓋率之間的矛盾。該課題組將前期研制的仿生網(wǎng)狀軟材料作為封裝材料，在降低對導(dǎo)線約束的同時(shí)，利用網(wǎng)格的孔隙容納蛇形導(dǎo)線受拉伸之后的面外變形，以此提高延展性（圖1）；同時(shí)，將多個(gè)網(wǎng)格基底層疊，在不影響延展性的同時(shí)又提高了柔性電子器件的功能密度，實(shí)現(xiàn)了柔性電子器件的小型化集成與封裝。

圖1 網(wǎng)格封裝策略及其與傳統(tǒng)固體封裝在延展率方面的對比

A.雙層網(wǎng)格封裝蛇形導(dǎo)線；B，C：網(wǎng)格封裝與固體封裝后最大彈性延展率對比及循環(huán)拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果；D，E：一個(gè)基于疊層網(wǎng)格集成策略的五層柔性電子器件示例

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基于理論研究與實(shí)驗(yàn)測量，該課題組分析了蛇形導(dǎo)線-網(wǎng)格封裝體系中關(guān)鍵幾何參數(shù)對延展率的影響規(guī)律。揭示了網(wǎng)格封裝下蛇形導(dǎo)線的變形模式，提出了"約束因子"概念以定量刻畫器件的封裝材料與蛇形導(dǎo)線的相互競爭關(guān)系對其延展率的影響（圖2）。在此理論指導(dǎo)下，研制了在一個(gè)指甲大小（11×10mm2）面積上，集成包括微控制器等在內(nèi)的42個(gè)電子元件、80多條的蛇形導(dǎo)線的小型化多功能無線柔性電子器件，覆蓋率達(dá)到110%，且具有20%的雙向延展率。在此基礎(chǔ)上，展示了該器件作為無線鼠標(biāo)等在人機(jī)交互方面的應(yīng)用前景。

圖2. 基于網(wǎng)格封裝的柔性電子器件參數(shù)分析及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)

A，B：網(wǎng)格封裝蛇形導(dǎo)線參數(shù)分析及變形機(jī)理；C：實(shí)現(xiàn)的小型化多功能無線柔性電子器件實(shí)物圖；D：本研究與之前報(bào)道工作覆蓋率和延展率對比；E：無線鼠標(biāo)推箱子應(yīng)用演示

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文章于3月16日在《科學(xué)·進(jìn)展》（Science Advances）期刊以"基于層疊網(wǎng)格的高集成度小型化可拉伸電子器件"（Highly-integrated, miniaturized, stretchable electronic systems based on stacked multilayer network materials）為題發(fā)表，并被選為當(dāng)期封面（圖3）。

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圖3. 該研究被選為《科學(xué)進(jìn)展》當(dāng)期封面及實(shí)現(xiàn)的高集成度小型化柔性電子器件三維圖

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論文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abm3785

文章來源：清華新聞網(wǎng)