柔性电子产品的激光传输、打印和组装技术

本文综述了这些基于激光的柔性电子产品生产技术的最新进展，重点介绍了激光剥离、激光辅助打印和激光辅助转移打印技术的关键进展。本文为第一部分。

摘要

在工业规模上制造大面积、超薄、灵活/可伸缩的电子产品具有挑战性。柔性电子产品制造的最新突破性进展是基于强大的激光工艺。激光通过透明衬底照射在内吸收界面上，会在界面上产生各种物理变化和化学反应，并伴随着不同的现象。从这些现象衍生出的许多技术具有在柔性基板上制造材料、结构和器件的独特能力，这些技术具有非接触式加工、高效率、从微观到宏观的可调节覆盖范围以及与有机和无机材料的兼容性等优点。综述了这些基于激光的柔性电子产品生产技术的最新进展，重点介绍了激光剥离、激光辅助打印和激光辅助转移打印技术的关键进展。讨论了这些技术的基本原理及其基本机理，并对该领域的最新进展和未来前景进行了探讨。这些技术的独特特性以及与柔性电子相关的最新应用也被强调。最后，探讨了这些技术的挑战和未来前景，从基本力学、工程工作和新方法，到与创新制造概念和器件结构的全面结合。

1 介绍

柔性电子技术是下一代微电子技术的主要发展趋势，它提供了与传统平面集成电路技术类似的电子功能，能够在任意曲面上弯曲、压缩、扭曲、拉伸和变形。这些能力克服了不同组件材料的机械失配，实现了当前微电子技术难以实现的创新应用。例如用于临床诊断和治疗的生物集成设备、电子皮肤（E-skin）、能量收集/存储设备和汗液传感器、柔性显示器和RFID标签等。

（a）三种硬PZT基压电材料的堆叠和弯曲试验。（b）多层结构的适形压电压力传感器。（c）具有多层结构的指尖电子设备。（d）具有多层结构的柔性玻璃光子器件。

多层结构在各种工程应用中都会遇到，例如航空航天车辆、船舶和民用基础设施。近年来，人们对此类结构进行了广泛的研究，重点是静态和动态行为、机械故障、结构设计和制造。最流行的多层结构是轻质夹层板，其基于两块由软泡沫芯隔开的刚性面板，具有独特的机械性能。在柔性电子和光子学中，软（柔性）和硬（刚性）材料的多层结构也被广泛使用，以减少硬层中的应变，硬层通常由功能器件组成。此类应用包括柔性压电机械能采集器（MEH）（上图a）、适形压电压力传感器（图b）、指尖电子学（图c）、柔性玻璃光子器件（图d）等。

针对柔性电子产品开发了两种主要的微加工工艺，包括溶液可加工方法和基于真空的方法（光刻图案化和咬边蚀刻）。前者与柔性基板自然兼容，可以一步沉积和图案化功能材料。制造了各种性能不断提高的打印电子产品，如导电金属线、薄膜晶体管（TFT）和压电器件。然而，相对于标准的微加工工艺，电子性能仍然受到溶液可加工功能材料特性和打印技术低分辨率的限制。另一方面，真空微加工技术为实现高性能电子产品提供了成熟的途径，但通常与大面积柔性（聚合物基底）不兼容。理想情况下，高性能柔性电子系统通常通过组合工艺制造，该工艺从独立制造高模量、易碎、芯片级元件（例如 IC 芯片、MEMS、传感器和电源）或柔性设备（例如、柔性传感器、柔性显示器和 TFT 阵列）在供体晶圆上，然后转移到柔性/可拉伸基板上。

上述柔性电子产品的制造路线可归纳为将材料、组件和器件从原始制造/制备的基板转移到柔性基板。传输中最重要的内在挑战是控制接口状态，以适应从供体晶圆/基板传输的对象的不同性质。基于应力诱导界面断裂的独特组装技术已被发明，以适应导致机械性能巨大差异的材料性能和几何尺寸的多样性。对于像IC芯片这样的传统刚性电子元件，它们通过标准的单喷射针拾取和放置技术进行转移。随着尺寸与厚度比的增加，开发了改进的多个喷射针，以克服芯片日益增加的灵活性。

然而，这些技术与厚度减至50µm或以下的物体不兼容。转移打印技术可以处理厚度比上述技术小一个数量级的物体。这些技术中的大多数是基于粘性压印的界面粘弹性效应，这降低了过程的可控性。此外，密钥剥落过程容易损坏设备。然而，湿法化学蚀刻和阳极蚀刻等牺牲层的蚀刻是控制界面状态的另一种尝试，其效率低、复杂且不环保。尽管上述可用方法提供了强大的工具，但在可获得的材料、可实现的几何形状和特征尺寸以及工业生产率和效率方面，没有一种方法是没有限制的。这些方法很难满足柔性电子产品工业化制造的需要，尤其是在大面积应用中。

三层夹层结构的理论模型。（a）自然、无压力的状态。（b）圆柱体上的变形状态。

大面积、高性能、柔性电子器件的高效组装和制造面临着诸多挑战，解决这些挑战需要在工艺机制和工程方面取得根本性的创新性进展。与传统工艺显著不同的是，激光工艺具有独特的优势，如快速加工、多材料系统中的高材料选择性、灵活可控的加工区域、非接触交互模式、高度局部化的影响区域以及显著的高水平可控性。激光可作为热源，在柔性基板上对材料进行退火、烧结和图案制作，或通过直接辐照材料，对材料进行与其初始状态不同的重大修改。在以前的许多综述中，已经很好地总结了柔性电子领域在这些案例中取得的令人印象深刻的进展。

除了直接照射材料外，另一种激光加工技术提供了额外的独特选择。这些技术基于激光通过透明基底照射界面，这会在界面材料上引起几次激光诱导的物理变化和/或化学反应，并伴随各种有趣的现象。最近，基于这些现象的各种技术都取得了进展，在柔性电子器件的制造方面具有令人印象深刻的能力。图1总结了关键技术进步和代表性应用的简要年表。近年来，由于新的技术进步和应用不断涌现，这一领域的进展速度急剧加快。各种巧妙的技术，包括激光剥离（LLO）、激光诱导正向转移（lift）、激光辅助转移和图案化、激光辅助模具转等。

图1 基于激光-材料界面相互作用的柔性电子应用技术发展的简要年表。

这些技术使柔性电子技术的大量新兴应用得以实现，这些应用过去是其他传统技术无法实现的，包括用于将人体微小运动转化为电能的高功率纳米发电机、用于检测甚至治疗人类疾病的柔性光电器件/传感器、可打印的生物可吸收电子器件和具有高封装密度的灵活存储器/TFT阵列。这篇综述重点介绍了这类技术的最新研究成果和发展，作为制造柔性电子器件的途径。还讨论了未来研究的一些挑战和机遇。

2激光与材料界面相互作用的基本知识

与激光直接照射靶材料不同，所有引入的技术都是基于界面材料通过透明基板吸收激光照射，如图2a所示。产生的不同现象，包括局部变形、相位和微观结构修改、熔化/液化、蒸发/烧蚀和分解，主要取决于激光特性，如激光波长、通量/强度和脉冲持续时间，以及吸收材料的物理/化学性质。根据其预期用途分为三类技术：1）成型激光束通过透明基板扫描整个界面材料，称为激光剥离（图2b），这将导致上层薄膜以无缺陷的方式从基板上释放。2）激光通过透明施主基板照射，使沉积在施主基板上的材料转移到接收器基板上（图2c）。这种激光辅助打印工艺实现了许多与传统打印技术不兼容的功能材料的沉积和图案化。3）激光脉冲用于控制透明基板和微小物体之间的界面粘附，以将微小物体微妙地转移到接收基板上（图2d）。激光辅助转移打印技术与接收基板的性质或制备无关，并且在粘附可调性、效率和稳定性方面具有更好的性能，以及向纳米级/大规模扩展的能力。为了实现特定技术所需的界面现象，本节讨论了选择合适的激光辐射和激光活性材料的一些考虑因素。

图2 a）通过透明基板的激光照射界面示意图。三种衍生技术：b) 激光剥离、c) 激光辅助打印和 d) 激光辅助转移打印。

第一个问题是相关材料的光学性质和激光波长。具有特定波长的激光应该被预定的激光活性层而不是衬底强烈吸收。这一过程最终取决于两种材料之间的带隙不连续性。热导率等物理性能和激光加工参数（如激光注量（强度）、激光相互作用时间、重复频率和扫描策略等）对最终技术效果有重大影响。热扩散长度 lthermal 是另一个需要考虑的重要因素，它代表激光照射时间内的能量（热）传导距离。具有较高热扩散率的材料可以更快地传导热量，从而产生更大的温度深度梯度，这最终会影响辐照界面材料的成分和结构。lthermal 也由 tpulse（CW 激光器的激光束停留时间，脉冲激光器的脉冲宽度）决定。

使用短脉冲激光有利于需要快速加热和冷却循环以及非常局部的热影响区域的应用，以避免对热敏性材料造成热损伤。超短脉冲激光器（皮秒、飞秒）通过消除热影响区来实现超高分辨率，对精密加工特别有效。此外，可根据所采用的激光强度调节界面处的峰值温度，这提供了明显的温度依赖性现象的可能性，例如辐照界面处的热诱导局部变形、热诱导相和微观结构修改和界面材料的热化学分解。因此，应小心控制注量，以避免不完全反应（过低）或损伤（过高）。有时，激光辐射的多次曝光对于产生连续的物理/化学反应或为特定目的积累反应产物是必不可少的。在这种情况下，应考虑扫描过程中辐照界面经历的总累积曝光时间和频率，这取决于激光重复频率、光束形状和扫描策略。

熔点、热膨胀系数和机械性能等其他物理特性显着影响由激光引起的热效应引起的物理现象。化学成分、光化学稳定性和热化学稳定性等化学性质会影响化学反应类型及其产物。总之，不同现象的发生取决于材料系统和激光加工参数的具体组合。这些现象和反应的详细机制将在下一节讨论具体技术时进行描述。

3激光发射过程

从机械柔性的角度来看，最初制作的大量所需材料和结构的基板，如硅、蓝宝石和玻璃基板，并不是柔性电子的理想基板。在将异质结构/器件转移到新衬底（柔性衬底）之前，必须移除原始衬底。LLO由于其高效、非接触和无损伤的操作模式、大规模的覆盖范围以及传统MEMS/CMOS工艺的高兼容性，为这种基板更换工艺提供了一条成熟的路线。

图3a提供了LLO过程的代表性示意图。将要分层的结构/器件制造在透明衬底（例如石英和蓝宝石）的顶面上，通常沉积有剥离层。激光通过透明基板照射，以显著降低剥离层和基板之间的粘附力。短波长的脉冲激光器具有更高的吸收和更短的相互作用时间，以减少热效应，保护上部结构。因此，紫外波长和纳秒脉冲宽度的准分子激光器是常见的选择。在完全扫描基板后，可以将结构从其原始基板上分离，然后将其连接到柔性基板或转移工具上。激光剥落的机理由激光类型、剥落层材料和工艺参数决定，非常复杂，包括激光诱导的化学反应（如热化学分解或烧蚀），或激光诱导的物理变化（如剥落层的淬火、熔化和汽化）。

图3 a）激光发射过程的处理步骤。b） LLO工艺的典型激光投影系统示意图。c） LLO过程的基本扫描策略。

基本上采用了两种光学处理策略，即使用宽线光束（线扫描方法）和矩形激光光斑（步进重复方法）扫描基板，如图3c所示。激光束由望远镜定形，望远镜将原始激光束轮廓转换为线形光束轮廓。均化器光学导致均匀和稳定的形状场。对于分步重复掩模投影，唯一的区别是包含图案信息的掩模被成像到基板上。激光投影系统的示意图如图3b所示。目前，最先进的准分子激光系统的延长线长度可达750毫米，宽度为≈0.4毫米的智能手机每小时可以处理大约10000个灵活的智能手机显示屏。为满足大规模电子产品的制造策略提供了一种高效、灵活的方法。