清华大学Sci. Adv.丨基于多层堆叠网状材料的高封装密度、微型化及可拉伸电子产品

一、【引言】

可拉伸电子产品在健康监测、疾病诊治、物联网、柔性机器人、虚拟现实（VR）和增强现实（AR）领域应用广泛。可拉伸无机电子产品主要主要依靠高性能无机器件和弹性基板的连接，由于无机电子器件是硬脆的，合理的连接结构设计是可拉伸电子产品的关键。

当前，微型、功能复杂的电子产品需求日益增加，拉伸性能和功能密度（电子器件的面积与基板面积的比值）是可拉伸电子产品的两个关键性能指标。高功能密度将有利于缩小电子产品的尺寸。已报道有很多可同时提高延展性和功能密度的连接结构设计策略，如桥形设计、蛇形连接、分形设计和螺旋形连接等，但这些设计策略都是器件单层分布，受到单层分布的固有限制，其功能密度都低于80%。器件单层分布的设计策略难以实现高功能密度（>60%）、足够的可拉伸性能（>20%）以及微型化的系统（包含15个以上器件或者两种以上功能）。

二、【成果概要】

清华大学张一慧教授和宋洪烈博士后发表在Science Advances上的这篇文章，提出了一种采用多层堆叠网状材料作为器件连接和封装结构，不会对器件变形产生任何影响。大量分析表明，相较于堆叠软质弹性材料，这种蛇形的连接器件弹性可延展性显著提高（约7.5倍）。文中提出的方法可示范应用于微型电子系统（约11mm✖10mm），具有中等的可延展性（约20%）和空前的高功能密度（110%），可应用于高精度传感、无线红外温度传感器、9自由度运动。在指南针、躯体感觉、生理信号实时监测方面的成功应用显示出了其广泛的应用前景。

相关研究成果以“Highly-integrated, miniaturized, stretchable electronic systems based on stacked multilayer network materials”为题发表在ScienceAdvances上。

三、【图文导读】

图1  多层堆叠网状材料连接和封装可拉伸电子器件概念示意图

图2 两层网状材料封装的蛇形电子器件屈曲力学性能实验和模拟研究

图3 基于多层堆叠网状材料连接和封装策略设计和制备的高封装密度可拉伸电子产品

图4 基于多层堆叠网状材料连接和封装策略的电子产品功能示范应用

四、【小结】

综上所述，本文提出了采用多层堆叠网状材料作为基板连接和封装可拉伸电子器件的策略，并进行了性能表征。采用多层堆叠网状材料作为基板不仅能通过缓冲外力显著提高可拉伸性能（提高了7.5倍），还能通过增加堆叠层来提高功能密度。实现了高密度封装、微型化和可拉伸电子器件的示范应用，具有超高功能密度（110%）和小尺寸（11mm✖10mm），在指南针、躯体感觉、生理信号实时监测方面的成功应用。

提出的多层堆叠网状材料连接及封装策略在高功能密度需求的产品（如VR、人机交互）具有广泛的应用。发展基于多层堆叠网状材料连接及封装的复杂三维形貌电子器件（如管和半球）将实现与生物器官（如血管、神经引导导管）的连接。

文献链接：Highly-integrated, miniaturized, stretchable electronic systems based on stacked multilayer network materials (science.org)

本文由作者供稿。