可拉伸和可折叠的电子器件制造技术

这里公开的是可拉伸、可折叠和选择性地可印刷的用于制造如下器件的方法和如下的器件，所述器件能够在拉伸、压缩、弯曲或其他变形时提供良好的性能，诸如半导体、电子电路以及其部件。应变隔离层向功能器件层提供良好的应变隔离。多层器件被构造以将中性机械表面定位在重合或邻近于功能层的位置，该功能层具有对应力导致的损坏敏感的材料。中性机械表面通过具有空间非均匀的特性的一个或多个层被定位，诸如通过图样化多层器件中的任意层被定位。

Stretchable and collapsible electronic device

Disclosed is a stretchable, foldable and selective printing method for manufacturing the following devices and the following devices, the device can provide good performance in tensile, compression, bending or other deformation, such as semiconductor, electronic circuit and its components. The strain isolation layer provides good strain isolation to the functional device layer. The multilayer device is structured to position the neutral mechanical surface in the position of coincidence or proximity to the functional layer, which has a damage sensitive material corresponding to stress. The neutral mechanical surface is positioned by one or more layers having spatially inhomogeneous characteristics, such as by patterning any of the layers in the multilayer device.

【技术实现步骤摘要】
可拉伸和可折叠的电子器件本申请为分案申请，其原申请的申请日为2009年3月5日，申请号为200980116128.1，名称为“可拉伸和可折叠的电子器件”。相关申请的交叉参引本申请要求于2008年3月5日递交的第61/033，886号、2008年6月16日递交的第61/061，978号，以及2008年7月28日递交的第61/084，045号美国临时专利申请的利益，上述每一个申请明确纳入此处，以不与本申请发生冲突为限。关于政府赞助的研究或开发的声明本专利技术至少部分是在美国政府支持下做出的，即由美国国家科学基金会赞助的DMI-0328162和ECCS-0824129号项目，和由美国能源部赞助的DEFG02-91ER45439、DEFG02-07ER46471和DEFG02-07ER46453号项目。美国政府享有本专利技术的某些权利。
技术介绍
自从印刷全聚合物晶体管于1994年首次面世以来，人们开始极大地关注一种包括在塑料衬底上的柔性集成电子器件的潜在的新型电子系统。[Garnier,F.、Hajlaoui,R.、Yassar,A.以及Srivastava,P.，Science,第265卷,第1684–1686页]近来，大量研究指向了开发用于柔性塑料电子器件的导体、电介质和半导体元件的新型的可溶液加工的材料。但是，柔性电子器件领域的进展并不仅仅由新型的可用溶液处理的材料的发展来推动，也同样由新的器件部件结构、有效的器件以及器件部件加工方法，以及能够应用至柔性电子系统的高分辨率图样化技术来推动。期望的是，这类材料、器件结构以及制造方法将在迅速兴起的新型柔性集成电子器件、系统和电路中扮演重要的角色。对柔性电子器件领域的关注源自于这一技术提供的诸多重要的优势。例如，这些衬底材料的固有柔性允许它们集成成许多形状，以提供通过脆性的常规硅基电子器件不可能形成的大量有用的器件构造。另外，可用溶液处理的部件材料与柔性衬底的结合使得可以通过连续的、高速印刷技术以低成本在大衬底上制造电子器件。但是，对具有优良的电子性能的柔性电子器件的设计和制造也存在许多艰难的挑战。首先，用于制造常规硅基电子器件的成熟方法与大部分柔性材料是不相容的。例如，传统的优质无机半导体部件——诸如单晶硅或锗半导体——一般是通过在明显超过大多数塑料衬底的熔化温度或分解温度的温度（>1000摄氏度）下生长薄膜来形成。此外，大部分无机半导体在用于实现基于溶液的处理和传输的常规溶剂中，并不是固有可溶的。其次，虽然许多非晶硅、有机或有机-无机混合半导体能够被相容地纳入柔性衬底，且可以在相对低的温度下加工，但是这些材料并不具有能够提供性能优良的集成电子器件的电子性能。例如，具有由这些材料制成的半导体元件的薄膜晶体管显示出的场效应迁移率较互补的基于单晶硅的器件低约三个数量级。由于这些局限性，柔性电子器件当前被限于不要求高性能的特定应用，诸如用于具有非发光型像素的有源矩阵平板显示器的开关元件，以及发光二极管。柔性电子电路是在如下多个领域中的一个活跃研究空间，这些领域包括柔性显示器、任意形状的电活性表面诸如电子织物以及电子皮肤。这些电路通常无法充分适应其周围环境，因为导电元件不能根据形态变化而拉伸。因此，这些柔性电路容易出现损坏、电子退化，以及在严格和/或重复的形态改变下变得不可靠。柔性电路需要在经历拉伸和松弛的循环下仍能保持完好状态的可拉伸和可弯曲的互连部。能够弯曲并具有弹性的导体通常通过将金属颗粒嵌入诸如硅树脂的弹性体而形成。这些导电橡胶是同时具有机械弹性和导电性的。导电橡胶的缺陷包括高的电阻率和在拉伸下发生的显著阻抗变化，因此导致了总体上较差的互联性能和可靠性。Gray等人讨论了使用包覆在硅树脂弹性体中的微制造的曲折线来构造弹性电子器件，该微制造的曲折线能够承受最高达到54％的线性应变且同时保持导电性能。在该项研究中，所述线被形成为螺旋弹簧状。与在较小的应变（例如，2.4%）下就断裂的直线相反，曲折线在明显更大的应变（例如，27.2%）下仍然保持导电。此类线几何形状依赖于线通过弯曲——而非拉伸——而伸长的能力。那系统在以下方面受到限制：在可控地和精确地以不同形状以及于其他平面中进行图样化的能力方面；从而限制了将该系统调整至适应不同的应变和弯曲方案的需求的能力。研究显示，弹性可拉伸金属互连部随着机械应变将出现阻抗增加（Mandlik等，2006）。Mandlik等人试图通过将金属薄膜沉积在棱锥形形纳米图样化的表面上来使这种阻抗的改变最小化。但是该研究依赖于浮凸特征（relieffeature）来产生影响薄金属线拉伸性的微狭缝。所述微狭缝通过平面外的扭曲和变形促进了金属的弹性变形。但是这些金属狭缝与厚的金属薄膜并不相适应，只是与沉积在图样化弹性体的顶端上的相当窄范围的金属薄膜（例如，大约小于30纳米）相适应。一种为金属互连部提供拉伸性的方法是，通过在导体（例如，金属）应用中将衬底预加应变（例如，15%-25%），然后自然地松开预应变，从而使金属导体互连部形成波状（见例如Lacour等人（2003）；（2005）；（2004），Jones等人（2004）；Huck等人（2000）；Bowden等人（1998））。Lacour等人（2003）报道了，通过首先压缩金条以产生自然皱缩的金条，电连接在最高达22%的应变下仍被保持（相比较，弹性衬底上的金薄膜在数个百分点的应变时就断裂）。但是，该研究使用相对较薄层的金属膜（例如，约105纳米），并且其相对限制之处在于，该系统仅能潜在地制造那些可以被拉伸约10%的电导体。从前文中可以清晰地看出，需要具有改进的拉伸性、电学特性的电子器件，诸如互连部和其他电子部件，以及用于快速并可靠地制造处于各种不同构造的可拉伸互连部的相关方法。人们希望柔性电子器件领域的进展在大量重要的不断涌现的和已有的技术中扮演关键角色。但是，柔性电子技术在这些应用上的成功相当程度上依赖于以下方面的持续发展，即，新型材料、器件构造，以及用于制造在挠曲、变形和弯曲形态下显示出良好的电子、机械和光学特性的集成电子电路和器件的商业可行的制造方法。特别地，需要在折叠、拉伸和/或收缩的形态下显示出有用的电子和机械特性的高性能的、可机械应变的材料和器件构造。
技术实现思路
可高度弯曲和拉伸的电子器件以及用于制造这类器件的方法可以如下地获得，即，控制中性机械表面（neutralmechanicalsurface）的位置使对应于应变敏感层，或选择性地使用应变隔离层，以将应变敏感层与所施加的应力和应变隔离开。所述方法和器件可以用于各种各样的应用和器件，诸如在弯曲系统以及经受机械变形的系统中的电子系统和光电系统。所述方法和器件将高质量的电子材料——诸如硅纳米带和其他无机纳米材料的对齐的阵列——以多层中性机械平面设计和选择性的“波状”结构布局的方式与超薄和弹性衬底相结合。这类方法——其受到具体的机械模型的引导——有助于利用发展成熟的电子材料来设计和制造各种集成电路和高集成光电子器件系统，所述发展成熟的电子材料原本会因其内在脆性、易碎的机械特性而使它们不可能用在所述应用中。所述系统和方法能够提供性能水平与构造在脆性半导体晶片上的现有技术器件相当的独立于应变的电学器件。例如，这里提供的系统本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可拉伸和可折叠的多层电子器件，包括：衬底；布置于所述衬底的一部分上的隔离层；功能层，包括：至少一个器件岛；以及至少一个可拉伸互连部，连接到所述至少一个器件岛；其中所述器件岛的至少一部分与所述隔离层物理通信；以及其中所述可拉伸互连部的至少一部分不与所述隔离层物理通信；一个或多个中性机械表面调整层；以及一个或多个封装层，布置于所述至少一个器件岛上；其中所述一个或多个中性机械表面调整层中的至少一个布置于所述功能层上；其中所述多层电子器件的所述一个或多个中性机械表面调整层中的至少一个，具有相对于所述多层电子器件中的位置的空间非均匀的特性。

【技术特征摘要】
2008.03.05 US 61/033,886;2008.06.16 US 61/061,978;1.一种可拉伸和可折叠的多层电子器件，包括：衬底；布置于所述衬底的一部分上的隔离层；功能层，包括：至少一个器件岛；以及至少一个可拉伸互连部，连接到所述至少一个器件岛；其中所述器件岛的至少一部分与所述隔离层物理通信；以及其中所述可拉伸互连部的至少一部分不与所述隔离层物理通信；一个或多个中性机械表面调整层；以及一个或多个封装层，布置于所述至少一个器件岛上；其中所述一个或多个中性机械表面调整层中的至少一个布置于所述功能层上；其中所述多层电子器件的所述一个或多个中性机械表面调整层中的至少一个，具有相对于所述多层电子器件中的位置的空间非均匀的特性。2.根据权利要求1所述的器件，其中所述空间非均匀的特性、所述隔离层、所述至少一个可拉伸互连部和所述一个或多个封装层，将一个空间变化的中性机械表面定位在与所述功能层重合或邻近的位置。3.根据权利要求2所述的器件，其中所述空间非均匀的特性中的所述空间变化，使得所述空间变化的中性机械表面相对于所述功能层以到所述多层电子器件的顶表面不同的距离定位在所述多层电子器件的不同空间区域中。4.根据权利要求1所述的器件，其中所述一个或多个中性机械表面调整层中的所述至少一个的所述空间非均匀的特性选自以下一项或几项：空间变化的孔隙率；空间变化的交联的程度；空间变化的杨氏模量；空间变化的沉积附加层；或者空间变化的凹陷特征的位置。5.根据权利要求4所述的器件，其中所述一个或多个凹陷特征是蚀刻孔。6.根据权利要求1所述的器件，其中所述衬底或所述一个或多个中性机械表面调整层中的至少一个以横向图样形成。7.根据权利要求6所述的器件，其中所述多层电子器件的每一层具有一个厚度，且其中所述横向图样包括所述衬底层的选择性的改变厚度或所述一个或多个中性机械表面调整层的所述至少一个的选择性的改变厚度。8.根据权利要求6所述的器件，其中所述横向图样包括所述衬底的机械特性的调制或所述一个或多个中性机械表面调整层中的所述至少一个的机械特性的调制；以及其中所述机械特性从下组中选出：孔隙率、交联的程度和杨氏模量。9.根据权利要求1所述的器件，其中所述一个或多个封装层具有一个厚度，所述厚度在横向方向上选择性地变化。10.根据权利要求1所述的器件，其中所述衬底包括聚合物、半导体材料、陶瓷、玻璃、金属或纤维。11.根据权利要求1所述的器件，其中所述至少一个可拉伸互连部包括弹出式互连部、弯曲互连部、蛇形互连部或波状互连部。12.根据权利要求11所述的器件，其中所述至少一个可拉伸互连部包括导电可拉伸互连部或非导电可拉伸互连部。13.根据权利要求1所述的器件，其中所述至少一个器件岛包括电学器件、光学器件、机械器件或热力器件。14.根据权利要求1所述的器件，其中所述至少一个器件岛中的一个或多个包括选自下述组中的一个器件部件：光电二极管、发光二极管、薄膜...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·A·罗杰斯，黄永刚，高兴助，M·斯托伊克维奇，崔元默，宋吉舟，安钟贤，金大亨，
申请(专利权)人：伊利诺伊大学评议会，西北大学，
类型：发明
国别省市：美国,US