《Nature》子刊: 可拉伸500%的柔性集成电路！利用可逆聚合物凝胶转变实现的超拉伸芯片集成电路

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可拉伸电子产品在柔性显示器、传感器、健康监测设备、结构电子、可穿戴运动传感、电子纺织品和可植入物等领域有着广泛的应用。在过去十年中，材料和制造方法一直是许多研究工作的重点。这些工作的重点主要集中在可拉伸电极、连接和传感器上。然而，此类可拉伸电子产品的最终功能仍然依赖于固态元件，例如用于数据采集、处理和通信的封装集成电路。然而，将固态元件集成到这些电路中会导致严重的机械失配，从而导致电路功能过早失效或丧失。例如，目前有报道的超可拉伸连接，其断裂伸长率可高达1000%，但其中展示的可拉伸微芯片集成电路只有极少数能承受>100%的应变。此外，该领域的另一大挑战是简化可拉伸电路中表面安装器件(surface mount devices, SMD)的集成化方法。目前的集成化方法繁琐、涉及诸多制造步骤、成本高昂。因此，该挑战目前是量产可拉伸集成电路的关键。目前，关于制造可拉伸连接的开创性工作主要集中在具有波浪形、马蹄形或蛇形几何形状的电路迹线的确定性电路架构上。但要达到芯片集成电路，这个过程需要十多个制造步骤，其中包括成本高昂的洁净室光刻。作为替代方案，研究人员还采用了弹性聚合物和导电微/纳米颗粒、导线或导管的不同混合物的导电、可印刷复合材料。此外，液态金属(LM)——包括共晶镓-铟和镓-铟-锡因其流体顺应性、高电导率(~3.5 × 106 S/m)以及它们在应变下的稳定行为而被应用于该领域。

鉴于此，科英布拉大学Mahmoud Tavakoli教授团队利用可逆的聚合物-凝胶转变，采用自焊接、自封装和自修复的简单技术，实现了低成本、可量产复合微芯片集成的超可拉伸电路的快速制造。在数字印刷电路并放置微芯片后，通过将电路暴露于溶剂蒸气中，在物理交联的嵌段共聚物基材和银液态金属复合油墨中触发聚合物-凝胶转变。一旦处于凝胶状态，微芯片就会渗透到油墨和基材上（自焊接），而油墨会渗透到基材上（自封装）。作者还展示了具有集成传感器、处理器和无线通信的浓缩软物质贴片和电子纺织品，以及通过Pol-Gel修复被完全切割开的电路。该研究以题为“Reversible polymer-gel transition for ultra-stretchable chip-integrated circuits through self-soldering and self-coating and self-healing”的论文发表在最新一期《Nature Communications》上。

文章亮点：

1、该工作介绍了一种能降低固态元件集成电路制造复杂性的方法。该过程包括三个简单的步骤：打印、组件放置和聚合物-凝胶转变（Pol-Gel）。聚合物状态和凝胶状态(Pol-Gel)之间的可逆转变是通过将聚合物暴露于其溶剂蒸气中来实现的。由于其透明度、固相中优异的弹性性能和液相中的强粘附性，苯乙烯-异戊二烯嵌段共聚物(SIS)被用作基材和导电油墨的弹性基质。该方法可扩展到其他聚合物和其他类型的刺激以触发Pol-Gel转变。

2、在凝胶状态下，微芯片从五个侧面被粘性聚合物包围，导电墨水粘附在封装的焊盘上。这种“自焊接”程序将微芯片无缝集成到柔性电路中，从而达到创纪录的>500%的最大应变容差，这相比之前的工作高出了5倍。该方法通过改善微填料的渗透将印刷连接的电导率提高了2倍以上，并愈合了基板的微裂纹，从而将印刷可拉伸连接的应变耐受性提高到约1200%的应变。此外，在曝光过程中，印刷迹线上会发生自涂层现象，同时实现了密封层的制造。

3、最后，作者在对印刷电路和基板进行完全切割后，将两者暴露在蒸汽中，能够有效地修复电路，不仅可以恢复电气功能，还可以承受应变。这种蒸汽暴露的方法也可用于将印刷电路嵌入其他表面，例如纺织品等。