柔性電子技術(shù)是一門新興的科學(xué)技術(shù)。由于其獨特的柔性和延展性，柔性電子技術(shù)在很多方面有著廣闊的應(yīng)用前景。
柔性電子(Flexible Electronics)又稱為塑料電子(Plastic Electronics)、印刷電子(Printed Electronics)、 有機電子(Organic Electronics)以及聚合體電子(Polymer Electronics)等;是將有機/無機材料電子器件制作在柔性/ 可延性塑料或薄金屬基板上的新興電子技術(shù)。
在人們的印象中，有機材料，如塑料等，都是很好的絕緣體，很少有人會想到塑料也能導(dǎo)電。近年來，由于對導(dǎo)電高分子的研究有了新突破，有機材料可以從傳統(tǒng)的絕緣體變成可導(dǎo)電的半導(dǎo)體，柔性電子便應(yīng)運而生。現(xiàn)代化學(xué)等技術(shù)的發(fā)展，促進了柔性電子這樣一門學(xué)科的發(fā)展。柔性電子制造的關(guān)鍵包括制造工藝、基板和材料等，其核心是微納米圖案化(Micro – and Nanopatterning)制造，涉及機械、材料、物理、化學(xué)和電子等多學(xué)科交叉研究。
柔性電子以其獨特的柔性/延展性以及高效、低成本制造工藝，在信息、能源、醫(yī)療和國防等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景，如柔性電子顯示器、有機發(fā)光二極管OLED、印刷射頻識別(RFID)、薄膜太陽能電池板、電子報紙以及電子皮膚(Skin Patches)/人工肌肉等。
柔性電子除整合電子電路、電子組件、材料、平面顯示和納米技術(shù)等領(lǐng)域技術(shù)外，同時橫跨半導(dǎo)體、封測、材料、化工、印刷電路板及以顯示面板等產(chǎn)業(yè)，可協(xié)助傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，如塑料、印刷、化工和金屬材料等產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型，提升產(chǎn)業(yè)附加值，因此柔性電子技術(shù)的發(fā)展必將為產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和人類生活帶來革命性的變化。
柔性電子技術(shù)是一場全新的電子技術(shù)革命，引起全世界的廣泛關(guān)注并得到了迅速發(fā)展。美國《科學(xué)》雜志將有機電子技術(shù)進展列為2000年世界十大科技成果之一，與人 類基因組草圖、克隆技術(shù)等重大發(fā)現(xiàn)并列。美國科學(xué)家艾 倫黑格、艾倫·馬克迪爾米德和日本科學(xué)家白川英樹由于 他們在導(dǎo)電聚合物領(lǐng)域的開創(chuàng)性工作而獲得2000年諾貝爾化學(xué)獎。
柔性電子與傳統(tǒng)電子制造的區(qū)別
目前電子產(chǎn)業(yè)基本上都是屬于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，制造用到的設(shè)備相當(dāng)龐大，且費用高昂，制造效率低;整個柔性電子的概念是希望能夠把傳統(tǒng)半導(dǎo)體產(chǎn)品、組件及線路用印刷的方式來替代。主要從三方面來看柔性電子與傳統(tǒng)電子電路不同之處：
(1)應(yīng)用前景
一旦將很柔軟的基材應(yīng)用在設(shè)計方面或把線路做成無形的或可折迭的東西，那就跟傳統(tǒng)的硬式基材有很大的不同。
(2)制造成本
柔性電子采用卷到卷印刷工藝，并且在材料的使用上也可避免像光刻技術(shù)浪費95%以上材料的問題，而采用印刷方式印制上去的面積則等同于使用的面積，其使用率在90%以上，以長期發(fā)展角度來看，印刷方式會比傳統(tǒng)光刻技術(shù)的成本低很多;硅CMOS晶元一般造價為每平方厘米10美元，復(fù)合半導(dǎo)體甚至更貴，柔性電子實現(xiàn)的理想造價為每平方厘米0.1美元，從造價就可以看出柔性電子的巨大優(yōu)勢。
(3)投資角度
傳統(tǒng)的半導(dǎo)體廠動不動就要數(shù)十億甚至上百億的投資，但柔性電子印刷的方式就像傳統(tǒng)的印刷，只要投資數(shù)千萬就可把基本的規(guī)模建立起來。要強調(diào)的是印刷所要用的油墨跟傳統(tǒng)的印刷不一樣，需要特別研制，開發(fā)初期成本由于 量少也比較高，但批量生產(chǎn)后成本就會變得較低廉了。
柔性電子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和材料
柔性電子技術(shù)雖然可應(yīng)用于不同領(lǐng)域，但是其基本結(jié)構(gòu)相似，至少包含以下4個部分：電子元器件、柔性基板(flexible substrate)、交聯(lián)導(dǎo)電體(finterconnect)和黏合層。
柔性電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
1.電子元器件
電子元器件是柔性電子產(chǎn)品的基本組成部分，包括電子技術(shù)中常用的薄膜晶體管、傳感器(sensor)等。這些電子元器件與傳統(tǒng)電子技術(shù)的元器件沒有本質(zhì)差別，部分元器件采用無機半導(dǎo)體材料(如硅)，由于其材質(zhì)較脆，在變形過程中易于發(fā)生脆斷，所以它們通常不直接分布在電路板上，而是先安放在剛性的微胞元島(cell island)上，然后承載元器件的微胞元島再分布在柔性基板上，這樣做的好處在于有利于保護電子元器件，避免其在彎曲過程中損壞。當(dāng)然，有些電子元器件也可以直接分布在柔性基板上，例如，部分薄膜晶體管，由于自身特性，可以直接承受一定的應(yīng)變而不影響其功能。
與傳統(tǒng)微電子技術(shù)相比，在柔性電子技術(shù)中，有機電子元器件的使用是一個顯著的特點，其中有機薄膜晶體管占據(jù)著十分重要的地位，有機材料的使用為減小元器件重量和厚度，提高其柔韌性和延展性創(chuàng)造了條件。
2.柔性基板
柔性基板是柔性電子技術(shù)不同于傳統(tǒng)電子技術(shù)的最突出的地方。它具有傳統(tǒng)剛性基板的共同特點，首先就是絕緣性：絕緣的柔性基板保證電子設(shè)備在使用過程中不至于漏電，既確保其能正常工作，又能保證其使用的安全性。其次是較高的強度：無論在哪種電子技術(shù)下，基板所起的作用相當(dāng)于骨架的作用，沒有較高的強度做保障，就不能保證其正常使用。
再次就是廉價性：基板材料是電路中使用最多的材料之一，只有使用價格低廉的材料才能有效降低電子產(chǎn)品的成本。
除了上述基板的共同特點以外，柔性基板還有其自身獨有的特性。首先是柔韌性：柔性電子系統(tǒng)的柔韌性主要通過基板表現(xiàn)出來，對柔韌性要求不同的產(chǎn)品可使用不同材質(zhì)的基板;例如，電子皮膚通常采用柔性非常強的硅有機樹脂(Si1icone)，而柔性電子顯示器對柔性的要求較電子皮膚弱，多采用聚對苯二甲酸乙二醇酯材料(PET)俗稱聚脂。
其次是薄膜性：雖然稱為基板，但其在尺寸上已不再是“板”，而是薄膜;柔性電子系統(tǒng)的基板通常在1毫米左右，既降低了材料的成本，又減輕了產(chǎn)品的重量。
鑒于上述考慮，柔性基板采用高分子聚合物是理想的選擇。目前可供選擇的柔性基板材料包括杜邦公司的Kapton聚酰亞胺(Polyimide，PI)薄膜材料、聚二甲基硅氧烷、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)等等，它們都能夠很好的滿足絕緣性、柔韌性以及強度要求。
3.交聯(lián)導(dǎo)電體
電子元器件先分布在剛性的微胞元島上，許多個這樣的微胞元島再分布于柔性基板之上，這些微胞元島并不獨立存在，它們由交聯(lián)導(dǎo)電體連接，從而組成一個完整的柔性電路，也就是說交聯(lián)導(dǎo)電體在柔性電子系統(tǒng)中起到了電線的作用。交聯(lián)導(dǎo)電體以金屬薄膜的形式附著在柔性基板上。
4.黏合層
柔性電子系統(tǒng)各種組成部分的結(jié)合需要黏合層，而黏合層對交聯(lián)導(dǎo)電體和柔性基板的結(jié)合尤其重要。柔性電子系統(tǒng)的黏合層應(yīng)具有以下特性：
(1)耐熱性。柔性電子產(chǎn)品在裝配和使用過程中， 不可避免的要經(jīng)歷高于常溫的環(huán)境，一定的耐熱性是必要的。
(2)結(jié)合力。由于柔性電子產(chǎn)品在使用過程中要不斷的經(jīng)受拉壓彎曲變形，而經(jīng)黏合層連接的兩個薄層通常具有不同的力學(xué)性能，如果結(jié)合力不夠大，必然導(dǎo)致兩個薄層的相對滑動甚至剝離。
(3)彎曲能力。黏合層本身是柔性電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的一個組成部分，其自身的彎曲能力對整個結(jié)構(gòu)的彎曲能力具有重要影響。目前柔性電路中常用的黏合層材料主要有丙烯酸樹脂和環(huán)氧樹脂。
5.覆蓋層
覆蓋層(又稱封裝層)主要保護柔性電路不受塵埃、潮氣或者化學(xué)藥品的侵蝕，同時也能減小彎曲過程中電路 所承受的應(yīng)變，而最近的研究表明覆蓋層能夠減小柔性電 路中剛性微胞元島(fcellisland)邊緣的應(yīng)力強度，并且能 夠抑制其與柔性基板的分離(delamination)。
根據(jù)柔性電子系統(tǒng)的特點，需要覆蓋層能夠忍受長期的撓曲，因此覆蓋層材料和基板材料一樣，抗疲勞性必需滿足一定要求。另外，覆蓋層覆蓋子蝕刻后的電路之上，因而要求其具有良好的敷形性，以滿足無氣泡層壓的要 求。用于覆蓋層的常用材料為丙烯酸樹脂、環(huán)氧樹脂以及聚酰亞胺等。
柔性電子系統(tǒng)的制備工藝
與傳統(tǒng)IC技術(shù)一樣，制造工藝和裝備也是柔性電子技術(shù)發(fā)展的主要驅(qū)動力。柔性電子制造技術(shù)水平指標(biāo)包括 芯片特征尺寸和基板面積大小，其關(guān)鍵是如何在更大幅面的基板上以更低的成本制造出特征尺寸更小的柔性電子器件。
柔性電子制造過程通常包括: 材料制備→沉積→圖案化→封裝，可通過卷到卷(R2R)基板輸送進行集成。
柔性電子制造主要關(guān)注生產(chǎn)成本、生產(chǎn)效率和可實現(xiàn)的特征尺寸，以及有機材料的相容性等因素。近年來，由于活性材料及其圖案化技術(shù)的突破，柔性電子制造技術(shù)得到了長足的發(fā)展。
柔性電子制造的核心是薄膜晶體管(TFT)制造，其關(guān)鍵制造技術(shù)是制作源漏極間溝道長度的高分辨率圖案化技術(shù)，直接影響輸出電流、開關(guān)速度等器件性能。在有機半導(dǎo)體圖案化過程中，特別需要消除寄生漏電和減少串音，以確保高的開關(guān)比。大多數(shù)應(yīng)用要求有機薄膜晶體管(OTFT)溝道長度小于10微米。現(xiàn)有的圖案化技術(shù)包括光刻、蔭罩以及打印(微接觸印制和噴印)等。
光刻等能量束技術(shù)在微電子器件圖案化中得到廣泛應(yīng)用，分辨率高，但因其工藝過程復(fù)雜、設(shè)備昂貴、溶劑和 顯影劑無法用于塑料基板，加之耗時費料，僅適用于小面積圖案化，在刻蝕底層時環(huán)境要求苛刻，去除光刻膠時會破壞有機電子材料的活性和聚合物基板等，在柔性電子制造應(yīng)用中受限。
蔭罩技術(shù)為“干”工藝，可避免溶劑破壞有機半導(dǎo)體，但分辨率有限。
打印技術(shù)在同一個步驟中同時實現(xiàn)功能材料沉積和圖案化，主要方法有：(1)將完整的電路轉(zhuǎn)移并粘貼到柔性基板上，如傳印(圖章);(2)直接在柔性基板上制備電路, 如噴印和微接觸印制(軟刻蝕)。
在傳統(tǒng)印刷方法中，首先通過標(biāo)準(zhǔn)光刻方法在硅晶片或玻璃板上制備整個結(jié)構(gòu)，然后轉(zhuǎn)移到柔性基板上制造出高性能器件。由于應(yīng)用光刻和高溫沉積技術(shù)，傳印技術(shù)只能制造小面積器件，且加工成本高。
微接觸印制可制造出多級圖案用于掩模，可與R2R批量化制造技術(shù)集成。通常一個母版可制造100個以上的圖章，每個圖章又可實現(xiàn)3000個以上的印記，圖章的成本相對較低，可以每秒數(shù)厘米的速度制作60nm高分辨率圖案，但實現(xiàn)多層圖案比較困難。微接觸印制可用于非晶硅、多晶硅及TMOS等多種材料，但難以直接用于有機材料刻蝕。蘭紅波等人對納米壓印刻蝕模具技術(shù)的研究進展 及其發(fā)展趨勢進行了詳細的論述和分析。
柔性電子理想的圖案化工藝應(yīng)滿足：低成本、大面積、批量化工藝、低溫、“加”式、非接觸式、可實時調(diào)整、三維結(jié)構(gòu)化、易于多層套準(zhǔn)、可打印有機物/無機材料等。噴印是一種無接觸、無壓力和無印版的印刷復(fù)制技術(shù)，它具有無版數(shù)碼印刷的特征，在室溫下將溶液直寫實現(xiàn)數(shù)字化柔性印刷, 簡化了制造過程。利用溶液化的半導(dǎo)體和金屬材料取代傳統(tǒng)的真空沉積材料，可有效減低成本，噴印還具有以下優(yōu)勢：
(1)圖案質(zhì)量不受光刻焦距限制，可在非平面表面甚至深溝結(jié)構(gòu)上進行圖案化;
(2)與有機/無機材料的良好兼容性;
(3)直接利用CAD/CAM數(shù)據(jù)加工器件, 可實現(xiàn)大 面積動態(tài)對準(zhǔn)和實時調(diào)整;
(4)作為非接觸式圖案化技術(shù)，可有效減少瑕疵，并可利用虛擬掩模補償層間變形、錯位等缺陷;
(5)無需物理掩模的按需打印(DOD)技術(shù);
(6)可實現(xiàn)復(fù)雜三維微結(jié)構(gòu)的快速設(shè)計與加工，并可通過基于軟件打印控制系統(tǒng)進行圖形的快速更改。