先进柔性电子材料及应用进展

方鲲 彭睿 李玫 方铮 水谷昌弘 小田重夫 绍仓研史 小池哲夫

近年来，随着医疗电子产品和可穿戴电子产品的发展，对于在追求轻薄而灵活的基础上，加入各种柔性电子线路与部件的市场需求急速增长，以此需求形成的下一代产品，预计今后将在全世界范围内形成巨大的市场。如果将卷对卷（RTR）生产方式与印刷電子技术相结合的话，可以实现低成本的大批量生产，且有可能在市场上确立优势地位。

但是，在实际生产柔性设备中，实现全部RTR化制程并不容易，强行RTR化反而会导致生产能力的降低和成本的提高。为了在生产过程中有效利用RTR制程，需要合理的产品设计和较为平衡的工艺设计。

笔者与日本柔性覆铜板（FCCL）产业界的顶尖专家们广泛进行了技术交流（见图1），大家一致认为，日本技术领先，但在未来中国是全球FCCL最大制造生产国和应用市场，将超过150亿美元的市场价值。

1 柔性印刷电子

柔性电子，是将有机或无机材料电子器件制作在柔性或可延展性基板上的新兴电子技术，具有独特的柔性、延展性以及高效能、低成本的制造工艺。在我们所期待的各种新型电子产品中，柔性电子产品的特点与优势尤为突出，一般具有柔性、可打印性、仿生性、聚合性和弹性等特点，使得其在国防、医疗、能源、信息等领域具有非常广泛的应用前景（见图2）。

印刷电子，是基于印刷原理的电子技术。更具体一些，是利用传统的印刷技术制造电子器件与系统的科学与技术。印刷电子制造技术中使用的“油墨”是具有导电、介电或半导体性质的材料[1]。印刷电子作为新型柔性电子产品的成型技术，是一个极其重要的要素，所谓柔性印刷电子产品，就是利用印刷技术形成的柔性电子产品。更加直观地理解，柔性电子就是通过印刷技术来制作电子器件或电路，将原先在传统印刷技术中使用的油墨换成电子油墨，把这些图形印刷到可弯折延展的柔性基底上，使得印刷出来的图形产生电子功能。相对于传统电子，柔性电子具有更大的灵活性，能够在一定程度上适应不同的工作环境，满足设备的形变要求。

柔性电子和印刷电子与所有的电子产品息息相关。虽然在产品技术与功能上存在部分重叠与竞争，但通过组合可以创造出新的领域，打破硅和铜的电子学界限。印刷电子与柔性电子相辅相成，且RTR化成果相当丰富。印刷电子最早可以追溯到20世纪70年代的薄膜开关[2]，至今已经拥有40多年的应用历史。随着印刷电子的技术不断突破，可应用的范围不断拓宽，对于印刷电子的市场需求也日益增加，因此应当适时地在柔性印刷电子领域创造新的市场，例如消费类设备，各类价格低廉的大型设备，一次性医用设备，以及在工业设备中的多种使用。在可穿戴设备、医学设备等领域的新应用上，柔性基板已经取得了巨大的成果。根据日本有关机构的最新调查显示，目前全世界已经拥有约10万亿日元（约合人民币5570亿元）的市场，并且应用范围仍在迅速扩大，尤其是在医疗保健领域，已经显示出强劲的发展势头（见图3）。

柔性印刷电子实际应用的关键词是“材料”。无论多么坚硬的材料，只要变薄就会变得灵活，任何材料只要变成油墨，就可以打印。以往的柔性基板只有简单的弯曲，但是在新型柔性电子产品中，使用模式是多种多样的，因此需要具备弹性、透明性、透气性、吸湿性、压电性、生物降解性、粘性、低过敏性、光反应性、温度反应性和化学反应性等特性，才能更好地实现产品功能。需要强调的是，对于材料的应用而言，应当将利用材料的特点来满足应用放在首位，而不是满足材料的用途。传统柔性电路材料要求高电导率、高绝缘电阻、低介电常数、低介电损耗、高尺寸稳定性、高耐热性、高阻燃性、高机械强度、高灵活性、高防潮性、高耐湿性、低吸湿性和高耐化学性等特性，但在新型柔性电子产品中，可能需要存在相互矛盾的特性。

例如超厚聚酰亚胺片材，最高可达225μm，可以形成厚厚的耐热和阻燃塑料薄膜（见图5）。MORDOHAR薄膜系列具有与传统聚酰亚胺薄膜相同的分子结构和性能，但厚度范围宽，可达225μm（9mil，密耳：千分之一英寸）。这些薄膜具有出色的耐热性，在高达500℉（260℃）的温度下具有良好的电气性能。作为传统聚酰亚胺薄膜无法提供的电子设备和模块的基板，它具有稳定的刚度。它们均通过保险商实验室（UL）认证为UL94V—0级阻燃剂。普通薄膜（PIF级）和胶涂薄膜（SPF级）可通过切割片材和卷材获得。

弹性电子产品可以被认为是柔性电子产品的一部分。许多生物体都具有弹性，因而弹性电子产品拥有组成与身体具有亲和力的电子设备的巨大潜力。近年来，基于PET的弹性透明电子产品已经投入实际应用，透明和耐热材料也已经投入实际使用，并在光学设备上实现了新的应用。其他具有压电性、热电性、光活性等特性的弹性电子产品的应用也逐渐显现。

2 柔性电子的RTR工艺应用

RTR是指挠性覆铜板通过成卷连续的方式进行柔性电路板（FPC）制作的工艺技术。采用RTR生产工艺，不仅能提高生产率，而更重要的是提高自动化程度。这种高自动化的生产明显地减少了人为操作和管理因素，受环境条件（温度、湿度洁净度等）影响变化小，因而具有更均匀一致而稳定的尺寸偏差，从而也易于进行修正和补偿，所以它具有更高的产品合格率、质量和可靠性[3]。

随着自动化水平的不断发展，应用于柔性电子的RTR化高速印刷已经成为可能。RTR工艺使得辊子允许在更大的基板上印刷图案，且印刷速度更快，但就目前在制造流程中的实际应用而言，对于RTR工艺的期望值与现实情况之间还存在明显的差距。对于柔性电子产品的大规模生产来说，RTR工艺是强有力的武器，但同时也伴随着较大的风险，“工艺条件稳定，产量高，生产率高”这种看法是一个很大的错误认知。事实上，许多制造商都投入了大量的精力来建立“稳定、高产量的RTR生产线”，但实际的效果不尽人意，简单或过于理想化的RTR化制程会导致生产出大量的次品，因而需要尽可能地设计出整体平衡的工艺流程。

根据用途，RTR线的设计将大不相同。专用生产线（生产单一产品）具有生产效率高、安装空间小、可以串联以及设备设计简单等优点，但工艺灵活性低，不能对应多品种小批量生产；通用生产线（用户数量不特定，产品配置不同），支持多品种小批量生产，工艺灵活性高，但安装空间往往很大，生产率相对较低，且串联化存在许多问题。因而有必要从整体上考虑设计生产线，为实现RTR化去设计生产线是本末倒置的。

用于柔性电子的RTR工艺需要一个连续与步进的过程，连续工艺是现有技术的延伸。而在输送机控制、工件固定、张力控制、对准控制与叠层控制等制程中，RTR化面临的挑战也是巨大的。一般来说，越是后期工程，自动化、RTR化越困难。作为现实的选择，很多情况下制造商只能依靠人海战术。

即使是细小的事情也极大地影响生产线的设计。为确保RTR工艺的实用性，构建实用高效的制程，在确定应用RTR工艺前，还需至少明确以下几个方面的问题：①生产线设计前需要决定的内容；②使用的基材类型及其特性；③辊材输送驱动系统；④RTR生产线的通用技术；⑤各种加工步骤和所用设备的RTR化方案，包括曝光装置、蚀刻装置、开孔装置、厚膜电路印刷装置等；⑥参考与总结RTR生产线的成功和失败案例。

3 结语

根据新思界产业研究中心发布的《2021—2025年柔性电子行业深度市场调研及投资策略建议报告》显示，作为一个发展潜力巨大的新兴产业，柔性电子市场规模呈现逐年增长态势。具体来看，发展到2020年，全球柔性电子市场规模突破百亿美元，达到105.3亿美元，与2019年（约14.2亿美元）相比增长了741%，预计在未来5年内仍将维持着100%左右的增长速度，2024年将接近2 000亿美元[4]。结合世界范围来看，柔性电子产品市场稳步增长，特别是在可穿戴设备、医疗领域，具有非常广阔的前景（见图6）。当前，医疗保健领域存在着一个普遍的趋势，那就是日益数字化，柔性和印刷电子在原理上非常适合这类应用，可以为医疗器械组件提供柔性、可折叠、可拉伸、保形以及轻便的特性。这种协同增效的作用和方式非常适合与皮肤或其他组织接触的产品，例如皮肤贴片、智能服装以及其它远程监护或治疗器械。为这些系统开发柔性、可延展和可拉伸等特性，可以将电子器件嵌入对柔性至关重要的广泛应用和产品中。利用印刷电子等技术，可以开发出新的外形、尺寸以及全新的产品[5]。

关于柔性电子产品的制造，在实际使用中丝网印刷是有效的，凹版和柔版印刷适用于高速印刷，但材料才是柔性电子产品的关键。在设计RTR化生产线时，应从整体考虑生产线的兼容性与平衡性。RTR工艺对大规模生产有效，但是想要实现理想的RTR化制程，必须遵循合理的步骤，需要在实际应用前对其进行可靠的评估。成功的RTR化制程面临许多挑战，例如对于尺寸稳定性的管理，材料伸缩、松弛和滑动的情况，能否形成可靠的薄膜，厚度管理，粘合强度与稳定性，精度对准，尺寸变化，辊子尺寸是否合适，灵活性，串联是否过于简单，线路是否彼此同步等问题。

对于一个成功的RTR化制程来说，还应当达成以下几个标准：①在应用RTR工艺之前，首先建立合理的流程条件；②建立在制程中进行检查的机制；③建立单个流程后进行串聯；④使用稳定的原材料，这样可以尽可能地保证原材料均匀，批次间偏差小；⑤控制均匀的张力，引入EPC，实现生产线的同轴性；⑥生产线之间的同步，建立多道慢速工序；⑦不要忘记与后工序之间的平衡。

10.19599/j.issn.1008-892x.2022.01.014

参考文献

[1] 崔峥.印刷电子学：材料技术及其应用[M].北京：高等教育出版社，2012.

[2] 刘兰兰，徐亮.印刷电子的发展与现状[Z].北京：北京中科纳通电子技术有限公司，2021.

[3] 中国触摸屏网.卷对卷工艺使用在触摸屏生产中，什么是Roll to Roll生产工艺[EB/OL].（2012—12—13）. http：// www.51touch.com/technology/touchpanel/201212/13-18826.html.

[4] 新思界.我国柔性电子市场仍处于初级阶段，未来发展前景大好[EB/OL].（2021—03—22）. http：//www.newsijie.com/ chanye/dianzidianqi/jujiao/2021/0312/11278954.html.

[5] 麦姆斯咨询.医疗柔性电子技术及市场趋势（2020版）[R].2020.