隨著各種先進材料和制造技術(shù)的發(fā)現(xiàn)和改進，未來，電子設(shè)備將趨于微型化，在有限的區(qū)域內(nèi)緊密集成和互連，以實現(xiàn)多功能、高性能和節(jié)能的目的。然而，當電子元器件（例如發(fā)光二極管、電晶體和各種傳感器等）在尺度上變得很小時，常見的組裝方法（金屬布線、金屬焊接和各向異性導電薄膜(ACF)）在集成過程中會受到許多限制。
近年來，研究者采用金屬包覆的聚合物球、多層ACF、非導電膜(NCF)和銀墨水及共晶鎵?銦(EGaIn)液態(tài)金屬合金涂覆等多種方法來提高互連節(jié)距。但這些方法仍顯示出多種局限性，例如涂有導電金屬的聚合物球容易受熱影響，可靠性低；聚合物的熱導率比金屬焊料的低，因此容易出現(xiàn)器件散熱的問題；ACF和NCF的多層結(jié)構(gòu)可以改善節(jié)距性能，但需要更大的鍵合壓力，還需在設(shè)備上進行額外的處理，以實現(xiàn)側(cè)壁絕緣，降低了產(chǎn)量和吞吐量；雖然EGaIn輔助的納米銀油墨可以在低溫條件下進行互連，但由于氧化層和表面張力的關(guān)系，減小油墨尺寸和圖案仍然是一個挑戰(zhàn)。
利用膠粘劑選擇性脫濕實現(xiàn)電氣互聯(lián)
基于此，韓國成均館大學Tae-il Kim團隊利用各向異性聚合物導電膠粘劑的選擇性脫濕開發(fā)了一種新型的直接和垂直電氣互連技術(shù)，該方法適用于柔性電子器件中確定性微電子組裝。該互連系統(tǒng)由含有金屬納米粒子的聚合物膠粘劑和結(jié)構(gòu)電極組成。膠粘劑通過簡單的旋涂工藝涂覆在基板上，通過紫外光固化使安裝在設(shè)備上的器件具有選擇性的導電性和粘性，其他部分形成絕緣層和保護層。該技術(shù)可以應用于電極尺寸和間距為20 μm或更小的各種微型電子設(shè)備，并且可以承受劇烈的溫度變化（- 40至85 °C, 5分鐘，超過300次循環(huán)）和長期的高濕度環(huán)境（85 °C, 85%相對濕度，300小時）。此外，在柔性和透明基板上以單片集成的方式實現(xiàn)了包括超過1萬個微型發(fā)光二極管（micro-LED）和商業(yè)化微芯片的顯示器制備。
利用轉(zhuǎn)移打印技術(shù)實現(xiàn)膠粘劑選擇性脫濕
作者首先制備一種丙烯酸酯基紫外線(UV)可固化膠粘劑，用于各種電子設(shè)備的確定性組裝和轉(zhuǎn)移打印。該膠粘劑由雙酚A縮水甘油酯、雙丙烯酸酯、硅烷偶聯(lián)劑KH570，SOG 500F和紫外光引發(fā)劑組成，通過改變各組分的重量比、溶劑稀釋或紡絲速度可控制涂覆在基材上膠粘劑的厚度。為了實現(xiàn)各向異性導電膠粘劑（ACA）的制備，在上述膠粘劑中加入1 wt%的商業(yè)化銦(In)納米顆粒（250 nm）。
作者利用紡絲法、棒涂覆法或噴墨法將ACA均勻地涂覆在Au電極上，使其處于完全濕潤狀態(tài)。當銦(In)納米顆粒嵌入被涂覆的膠粘劑中，膠粘劑保持穩(wěn)定并處于完全濕潤的膜狀態(tài)（圖1a）。然后利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)突出標記作為確定性載體電子元件的對齊和轉(zhuǎn)移（圖1b），由于PDMS和電子器件之間弱的相互作用，后期可通過轉(zhuǎn)移打印工藝，將電子器件輕輕放置在ACA涂層上（圖1c）。由于膠粘劑-器件與器件-PDMS之間的粘附差異，較弱的壓力?(≈0.5 bar)應用于器件-ACA。通過對膠粘劑材料的擠壓，器件下ACA的厚度是衰減的。當ACA的厚度小于脫濕閾值時，聚合物膠粘劑就會變得不穩(wěn)定，在被擠壓的點上就會觸發(fā)脫濕。使得金屬顆粒（銦）暴露在電子器件的表面和金屬襯墊上，實現(xiàn)了電子器件之間的連接（這些暴露的金屬顆粒充當傳統(tǒng)的金屬凸點，但比那些在與底板上的預制電路垂直接觸時使用的小100倍）。最后，ACA暴露區(qū)域在紫外引發(fā)的聚合作用下失去了其固有的粘結(jié)力，形成惰性絕緣層；而位于電子器件下方的ACA未暴露區(qū)域保持著粘結(jié)力，將電子元件緊緊地握住，這些未暴露的區(qū)域隨著時間慢慢固化，用于防止電氣缺陷如短路（圖1d）。
器件的轉(zhuǎn)移打印會導致膠粘劑在金屬顆粒或結(jié)構(gòu)化的電極上脫濕，同時膠粘劑在電子設(shè)備側(cè)壁上就會形成毛細管遷移（圖2ab），這使得電子器件在所需的位置上具有穩(wěn)定的互連和組裝。轉(zhuǎn)移打印后250 nm的金屬納米粒子暴露在表面，脫濕的聚合物膠粘劑在顆粒周圍形成一個半月板(紅色)，這個半月板是脫濕現(xiàn)象的一個主要證據(jù)（圖2cd）。
該方法可以通過一個簡單的紡絲涂層和轉(zhuǎn)移印刷過程將各種電子產(chǎn)品直接互連(微發(fā)光二極管，迷你發(fā)光二極管，紅外接收器，微控制器，晶體管)；還可以將不同尺寸和高度的電子元件集成在一起，甚至可以集成在柔軟透明的基片上，使其具有均勻的電氣性能；同樣也可以集成成千上萬的電子元件，用于大面積的轉(zhuǎn)移印刷過程（圖3）。此外，該方法通過濕度敏感試驗和熱沖擊試驗證明其互連性能十分穩(wěn)定。
雖然目前該方法仍有一些具有挑戰(zhàn)性的問題，比如金屬粒度的結(jié)構(gòu)高度，附著力較弱所帶來脫濕的不穩(wěn)定性。但是，這項研究希望能夠提供一種新的互連技術(shù)，未來可用于在有限電路板上進行大規(guī)模微電子器件以及柔性可穿戴電子器件的確定性集成。
原文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201908422
