一、柔性基板異質(zhì)集成系統(tǒng)技術(shù)革新的發(fā)展現(xiàn)狀

柔性基板異質(zhì)集成系統(tǒng)技術(shù)是一個(gè)涉及多學(xué)科交叉融合的前沿技術(shù)領(lǐng)域。目前，在全球范圍內(nèi)，該技術(shù)正處于積極探索與發(fā)展的階段。

從基礎(chǔ)研究角度來看，眾多科研機(jī)構(gòu)都在對柔性基板異質(zhì)集成系統(tǒng)的相關(guān)理論進(jìn)行深入研究。例如，一些高校的實(shí)驗(yàn)室致力于探索柔性微系統(tǒng)材料體系的特性，這是柔性基板異質(zhì)集成系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。通過對不同材料在柔性基板上的兼容性、物理化學(xué)特性等方面的研究，為構(gòu)建高性能的異質(zhì)集成系統(tǒng)提供理論依據(jù)。

在工業(yè)界，一些大型的半導(dǎo)體企業(yè)和電子制造企業(yè)已經(jīng)開始涉足柔性基板異質(zhì)集成技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用。像臺積電等企業(yè)在先進(jìn)封裝技術(shù)方面不斷創(chuàng)新，雖然沒有完全聚焦于柔性基板，但為異質(zhì)集成技術(shù)在更廣泛意義上的發(fā)展提供了有益的借鑒，如推出的基板上晶圓上的芯片（Chip on Wafer on Substrate, CoWoS）封裝、整合扇出型（Integrated Fan - Out, InFO）封裝、系統(tǒng)整合芯片（System on Integrated Chips, SoIC）等封裝技術(shù)，其中涉及到的芯片到芯片集成、基板集成等概念為柔性基板異質(zhì)集成系統(tǒng)技術(shù)革新奠定了一定的工程實(shí)踐基礎(chǔ)。

然而，當(dāng)前的柔性基板異質(zhì)集成系統(tǒng)技術(shù)仍然面臨一些挑戰(zhàn)。一方面，材料之間的兼容性仍然需要進(jìn)一步優(yōu)化。不同材料在熱膨脹系數(shù)、電學(xué)性能等方面存在差異，這可能導(dǎo)致在集成過程中出現(xiàn)應(yīng)力集中、電學(xué)性能不穩(wěn)定等問題。另一方面，制造工藝的精度和可重復(fù)性也是需要解決的問題。例如，在實(shí)現(xiàn)多尺度、多維度的芯片互連時(shí)，如何確保在柔性基板上每一次制造的精度和穩(wěn)定性都是當(dāng)前研究的重點(diǎn)方向之一。此外，成本也是制約該技術(shù)大規(guī)模推廣的一個(gè)因素，包括原材料成本、制造設(shè)備成本以及研發(fā)成本等。

二、柔性基板異質(zhì)集成系統(tǒng)技術(shù)革新的關(guān)鍵技術(shù)

（一）材料體系的研究與開發(fā)

柔性基板異質(zhì)集成系統(tǒng)的構(gòu)建離不開合適的材料體系。首先，柔性基板材料本身的選擇至關(guān)重要。目前，常見的柔性基板材料包括聚酰亞胺（PI）等。PI具有優(yōu)異的耐高溫性、機(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性，能夠適應(yīng)不同的制造工藝環(huán)境。此外，還有一些新興的柔性材料正在被研究，如可生物降解的柔性材料，在一些特定的應(yīng)用場景（如生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域）中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

在異質(zhì)集成過程中，不同功能材料的集成是關(guān)鍵。例如，將具有不同電學(xué)性能的半導(dǎo)體材料集成到柔性基板上。以Ⅲ - Ⅴ族和Si基CMOS電子器件的單片異質(zhì)集成為例，需要解決不同材料之間的晶格匹配、界面態(tài)等問題。通過材料的表面處理、中間層的引入等技術(shù)手段，可以改善不同材料之間的結(jié)合性能，提高異質(zhì)集成的質(zhì)量和穩(wěn)定性。

（二）芯片互連技術(shù)

芯片互連技術(shù)是實(shí)現(xiàn)柔性基板異質(zhì)集成系統(tǒng)的核心技術(shù)之一。在垂直方向上，硅通孔（TSV）或玻璃通孔（TGV）技術(shù)被廣泛研究和應(yīng)用。TSV技術(shù)通過在芯片上制作垂直的通孔，實(shí)現(xiàn)不同芯片層之間的電氣連接。它能夠有效地提高芯片的集成度，減小封裝尺寸。例如，在三維芯片集成中，TSV技術(shù)可以將多個(gè)功能芯片垂直堆疊在一起，實(shí)現(xiàn)信號的高速傳輸。

在水平方向上，再布線層（RDL）技術(shù)發(fā)揮著重要作用。RDL可以對芯片表面的電路進(jìn)行重新布局和連接，以適應(yīng)不同的功能需求。通過將垂直方向的TSV或TGV與水平方向的RDL相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)多尺度、多維度的芯片互連，從而將不同尺寸、材料、制程和功能的Chiplet異質(zhì)集成整合到1個(gè)封裝體中，提高帶寬、延遲和電源效率等性能指標(biāo)。

（三）柔性微系統(tǒng)制造技術(shù)

柔性微系統(tǒng)制造技術(shù)涵蓋了從材料制備、器件制造到系統(tǒng)集成的全過程。在材料制備方面，需要精確控制材料的成分、結(jié)構(gòu)和性能。例如，對于一些納米級別的功能材料，需要采用先進(jìn)的化學(xué)合成方法或物理沉積技術(shù)來制備。

在器件制造環(huán)節(jié)，光刻技術(shù)、蝕刻技術(shù)等傳統(tǒng)的微納加工技術(shù)仍然是關(guān)鍵。但是，由于柔性基板的特殊性質(zhì)，這些技術(shù)需要進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。例如，在光刻過程中，需要考慮柔性基板的彎曲性和彈性，選擇合適的光刻膠和曝光參數(shù)。同時(shí)，打印技術(shù)也在柔性微系統(tǒng)制造中嶄露頭角，如噴墨打印技術(shù)可以用于在柔性基板上制備導(dǎo)電線路、傳感器等功能器件，具有成本低、可大面積制備等優(yōu)點(diǎn)。

在系統(tǒng)集成方面，如何將各個(gè)功能器件（如傳感器、執(zhí)行器、電路芯片等）有效地集成到柔性基板上，并且保證它們之間的協(xié)同工作也是一個(gè)重要的技術(shù)挑戰(zhàn)。這需要精確的定位技術(shù)、可靠的連接技術(shù)以及良好的封裝技術(shù)。

三、柔性基板異質(zhì)集成系統(tǒng)技術(shù)革新的應(yīng)用領(lǐng)域

（一）可穿戴設(shè)備領(lǐng)域

可穿戴設(shè)備是柔性基板異質(zhì)集成系統(tǒng)技術(shù)革新的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域。隨著人們對健康監(jiān)測、智能生活的需求不斷增加，可穿戴設(shè)備的功能也日益多樣化。柔性基板異質(zhì)集成技術(shù)能夠?yàn)榭纱┐髟O(shè)備提供更加輕薄、柔軟、舒適的解決方案。

例如，在智能手表中，通過將柔性電路板、傳感器（如心率傳感器、加速度傳感器等）以及微處理器等異質(zhì)集成到柔性基板上，可以實(shí)現(xiàn)更加緊湊的設(shè)計(jì)。這樣不僅可以減小設(shè)備的體積和重量，還可以提高設(shè)備的性能和可靠性。而且，柔性基板的特性使得智能手表能夠更好地貼合人體手腕的形狀，提高佩戴的舒適度。

在健康監(jiān)測方面，柔性的生物傳感器可以集成到衣物或者皮膚上。例如，通過將柔性的電化學(xué)傳感器集成到柔性基板上，制作成可穿戴的汗液傳感器，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測人體的汗液成分，從而獲取人體的健康信息，如血糖、電解質(zhì)平衡等信息。這種基于柔性基板異質(zhì)集成技術(shù)的可穿戴健康監(jiān)測設(shè)備具有便攜性、實(shí)時(shí)性和舒適性等優(yōu)點(diǎn)，有望在醫(yī)療健康領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

（二）智能包裝領(lǐng)域

智能包裝是另一個(gè)具有巨大潛力的應(yīng)用領(lǐng)域。在現(xiàn)代物流和商品銷售中，智能包裝可以提供更多的功能和價(jià)值。

通過在柔性基板上集成傳感器（如溫度傳感器、濕度傳感器、氣體傳感器等）、標(biāo)識元件（如射頻識別標(biāo)簽，RFID）以及顯示元件等，可以實(shí)現(xiàn)智能包裝的多種功能。例如，溫度傳感器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測包裝內(nèi)產(chǎn)品的溫度，對于一些對溫度敏感的產(chǎn)品（如藥品、食品等），可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)溫度異常情況，避免產(chǎn)品變質(zhì)。濕度傳感器可以檢測包裝內(nèi)的濕度，防止產(chǎn)品受潮。氣體傳感器可以檢測包裝內(nèi)的氧氣、二氧化碳等氣體濃度，以保證產(chǎn)品的新鮮度。

同時(shí)，集成在柔性基板上的RFID標(biāo)簽可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的追溯和識別。從產(chǎn)品的生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)戒N售的全過程都可以通過RFID技術(shù)進(jìn)行追蹤和管理，提高物流效率和產(chǎn)品管理的智能化水平。而且，柔性基板的使用使得這些智能包裝元件可以更好地適應(yīng)不同形狀和大小的包裝容器，降低包裝成本，提高包裝的靈活性。

（三）高性能計(jì)算與人工智能領(lǐng)域

在高性能計(jì)算和人工智能領(lǐng)域，對硬件設(shè)備的性能要求越來越高。柔性基板異質(zhì)集成系統(tǒng)技術(shù)革新為滿足這些需求提供了新的途徑。

在高性能計(jì)算方面，通過將不同功能的芯片（如CPU、GPU、FPGA等）異質(zhì)集成到柔性基板上，可以構(gòu)建更加緊湊、高效的計(jì)算系統(tǒng)。例如，將高速緩存芯片與處理器芯片緊密集成，可以減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t，提高計(jì)算速度。同時(shí)，柔性基板的使用可以為散熱設(shè)計(jì)提供更多的靈活性，有助于解決高性能計(jì)算芯片散熱困難的問題。

在人工智能領(lǐng)域，柔性基板異質(zhì)集成技術(shù)可以用于構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器等硬件設(shè)備。通過將多個(gè)具有不同功能的神經(jīng)元芯片或處理單元集成到柔性基板上，可以實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高人工智能算法的運(yùn)算效率。此外，柔性基板的可彎曲性和可折疊性也為人工智能設(shè)備的小型化和便攜化提供了可能，例如開發(fā)可折疊的智能眼鏡等具有人工智能功能的可穿戴設(shè)備。

四、柔性基板異質(zhì)集成系統(tǒng)技術(shù)革新的未來趨勢

（一）更高的集成度與更小的尺寸

隨著電子設(shè)備不斷朝著小型化、輕量化的方向發(fā)展，柔性基板異質(zhì)集成系統(tǒng)技術(shù)也將朝著更高的集成度和更小的尺寸發(fā)展。這意味著在未來，將能夠在更小的柔性基板面積上集成更多的功能元件，如更多的芯片、傳感器和執(zhí)行器等。

從芯片集成的角度來看，未來可能會實(shí)現(xiàn)更多類型芯片的異質(zhì)集成，不僅僅局限于目前常見的CPU、GPU等。例如，將量子芯片與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體芯片進(jìn)行異質(zhì)集成，有望結(jié)合量子計(jì)算和經(jīng)典計(jì)算的優(yōu)勢，為高性能計(jì)算和信息處理帶來革命性的突破。而且，隨著制造工藝的不斷進(jìn)步，芯片的特征尺寸將不斷縮小，這將進(jìn)一步提高芯片的集成度。例如，從目前的納米級工藝向亞納米級工藝發(fā)展，從而在更小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更多的功能。

（二）多功能一體化

未來的柔性基板異質(zhì)集成系統(tǒng)將更加注重多功能一體化的設(shè)計(jì)。不再是簡單地將不同功能的元件集成在一起，而是要實(shí)現(xiàn)這些元件之間的協(xié)同工作，形成一個(gè)有機(jī)的整體，提供更加豐富和復(fù)雜的功能。

例如，在一個(gè)柔性基板上集成的傳感器不僅能夠感知單一的物理量（如溫度或壓力），還能夠同時(shí)感知多種物理量，并通過內(nèi)置的智能算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜環(huán)境的綜合監(jiān)測。在醫(yī)療健康領(lǐng)域，多功能一體化的柔性基板異質(zhì)集成系統(tǒng)可以將生理信號采集、疾病診斷和治療等功能集成在一起。例如，通過集成生物傳感器、微流控芯片和藥物釋放裝置，實(shí)現(xiàn)對疾病的實(shí)時(shí)監(jiān)測、診斷和治療一體化的解決方案。

（三）與新興技術(shù)的融合

柔性基板異質(zhì)集成系統(tǒng)技術(shù)革新將與新興技術(shù)不斷融合，拓展其應(yīng)用范圍和功能。

一方面，與生物技術(shù)的融合將是一個(gè)重要的發(fā)展方向。例如，將生物傳感器與生物組織工程相結(jié)合，開發(fā)出能夠與生物組織更好地交互的柔性電子器件。這些器件可以用于生物體內(nèi)的監(jiān)測和治療，如植入式的生物傳感器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測生物體內(nèi)的生理參數(shù)，為疾病的診斷和治療提供更加準(zhǔn)確的依據(jù)。

另一方面，與物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術(shù)的融合也將為柔性基板異質(zhì)集成系統(tǒng)帶來新的機(jī)遇。通過將柔性基板異質(zhì)集成系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的互聯(lián)互通。例如，在智能家居系統(tǒng)中，將集成有各種傳感器和執(zhí)行器的柔性基板與物聯(lián)網(wǎng)平臺相連，用戶可以通過手機(jī)或其他智能終端遠(yuǎn)程控制家中的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)智能化的家居管理。

五、柔性基板異質(zhì)集成系統(tǒng)技術(shù)革新的案例分析

（一）復(fù)旦大學(xué)芯片院的研究成果

復(fù)旦大學(xué)芯片與系統(tǒng)前沿技術(shù)研究院在柔性/可拉伸電子異質(zhì)集成領(lǐng)域取得了重要進(jìn)展。他們基于界面擴(kuò)散誘導(dǎo)內(nèi)聚策略開發(fā)了電學(xué)抗干擾可拉伸異質(zhì)電子器件與系統(tǒng)，相關(guān)成果發(fā)表在《Nature Communications》上。

在這個(gè)案例中，研究人員面臨的挑戰(zhàn)是如何在柔性/可拉伸的情況下，實(shí)現(xiàn)電子器件的異質(zhì)集成并且保證其電學(xué)性能的穩(wěn)定性。他們采用的界面擴(kuò)散誘導(dǎo)內(nèi)聚策略是一種創(chuàng)新的方法。通過這種策略，能夠有效地解決在柔性基板上不同材料之間的結(jié)合問題，提高異質(zhì)集成器件的機(jī)械性能和電學(xué)性能。

這個(gè)成果的意義在于為柔性基板異質(zhì)集成系統(tǒng)技術(shù)在可穿戴設(shè)備、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新的技術(shù)手段。例如，在可穿戴設(shè)備中，可拉伸的特性可以使設(shè)備更好地適應(yīng)人體的運(yùn)動(dòng)和變形，而電學(xué)抗干擾性能則能夠保證設(shè)備在復(fù)雜的電磁環(huán)境下正常工作。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，這種柔性/可拉伸的異質(zhì)集成器件可以更好地與生物組織貼合，實(shí)現(xiàn)對生物電信號等的準(zhǔn)確檢測。

（二）臺積電的封裝技術(shù)創(chuàng)新

臺積電在先進(jìn)封裝技術(shù)方面推出了多種創(chuàng)新的封裝技術(shù)，如CoWoS、InFO、SoIC等，雖然這些技術(shù)不完全針對柔性基板異質(zhì)集成系統(tǒng)，但其中的一些理念和技術(shù)手段對柔性基板異質(zhì)集成技術(shù)革新具有借鑒意義。

以CoWoS封裝技術(shù)為例，它采用了晶圓級封裝技術(shù)，將芯片集成到晶圓上，然后再將晶圓集成到基板上。這種分層集成的方式可以提高集成度，減小封裝尺寸。在柔性基板異質(zhì)集成系統(tǒng)技術(shù)革新中，可以借鑒這種分層集成的思想，將不同功能的芯片或器件先集成到柔性基板的不同層級上，然后再進(jìn)行整體的優(yōu)化和封裝。

InFO封裝技術(shù)則注重扇出型的布線結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以有效地增加布線的密度，提高信號傳輸?shù)男省τ谌嵝曰瀹愘|(zhì)集成系統(tǒng)來說，合理的布線結(jié)構(gòu)同樣重要。可以借鑒InFO的布線理念，在柔性基板上設(shè)計(jì)更加高效的布線方案，以滿足不同功能元件之間的信號傳輸需求。

SoIC技術(shù)強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)級的芯片集成，通過將多個(gè)芯片集成到一個(gè)封裝體內(nèi)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級的功能優(yōu)化。在柔性基板異質(zhì)集成系統(tǒng)中，也可以朝著系統(tǒng)級集成的方向發(fā)展，將傳感器、處理器、電源管理等功能模塊集成到一個(gè)柔性基板上，構(gòu)建一個(gè)完整的、功能強(qiáng)大的系統(tǒng)。

FPC柔性電路板清洗：

柔性電路板上存在多種多樣的污染物，能夠歸成離子型與非離子型這兩大類。離子型污染物在接觸到環(huán)境中的濕氣后，在通電時(shí)會發(fā)生電化學(xué)遷移，形成樹枝狀的結(jié)構(gòu)體，導(dǎo)致出現(xiàn)低電阻通路，使柔性電路板的功能受損。非離子型污染物能夠穿透 PCB 的絕緣層，在 PCB 板表層下產(chǎn)生枝晶。除了離子型和非離子型污染物之外，還有粒狀污染物，像焊料球、焊料槽內(nèi)的浮點(diǎn)、灰塵以及塵埃等，這些污染物會引發(fā)焊點(diǎn)質(zhì)量下降、焊接時(shí)焊點(diǎn)拉尖、產(chǎn)生氣孔、短路等各種不良現(xiàn)象。

一般來說，人們覺得清洗表面貼裝組件相當(dāng)困難，這是因?yàn)橛袝r(shí)表面貼裝元件和柔性電路板之間的托高高度很低，形成了極其微小的間隙，有可能截留助焊劑，致使在清洗過程中難以將助焊劑去除。其實(shí)，如果在選擇清洗工藝和設(shè)備時(shí)加以留意，并且讓焊接和清潔工藝得到恰當(dāng)?shù)目刂疲敲辞逑幢砻尜N裝組件就不應(yīng)存在問題，即便是使用了具有侵蝕性的助焊劑。然而必須要強(qiáng)調(diào)的是，在使用侵蝕性水溶性助焊劑時(shí)，良好的工藝控制是必不可少的。

鑒于柔性電路板電子制程精密焊后清洗的不同需求，合明科技在水基清洗領(lǐng)域擁有頗為豐富的經(jīng)驗(yàn)，針對具有低表面張力、低離子殘留、需配合不同清洗工藝使用的情況，自主研發(fā)出了相對完整的水基系列產(chǎn)品，精細(xì)化地對應(yīng)涵蓋了從半導(dǎo)體封裝到 PCBA 組件終端，其中包含水基清洗劑和半水基清洗劑，堿性水基清洗劑以及中性水基清洗劑等。具體體現(xiàn)為，在同等清洗力的條件下，合明科技的兼容性更為優(yōu)良，兼容的材料更為廣泛；在同等兼容性的前提下，合明科技的清洗劑可清洗的錫膏種類更多（經(jīng)過測試的錫膏品牌有 ALPHA、SMIC、INDIUM、SUPER-FLEX、URA、TONGFANG、JISSYU、HANDA、OFT、WTO 等；經(jīng)過測試的焊料合金包括 SAC305、SAC307、6337、925 等不同成分），清洗的速度更快，離子殘留更低、干凈程度更好。