一、柔性基板異質集成系統(tǒng)技術革新的發(fā)展現(xiàn)狀

柔性基板異質集成系統(tǒng)技術是一個涉及多學科交叉融合的前沿技術領域。目前，在全球范圍內，該技術正處于積極探索與發(fā)展的階段。

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

在工業(yè)界，一些大型的半導體企業(yè)和電子制造企業(yè)已經開始涉足柔性基板異質集成技術的開發(fā)與應用。像臺積電等企業(yè)在先進封裝技術方面不斷創(chuàng)新，雖然沒有完全聚焦于柔性基板，但為異質集成技術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，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集成系統(tǒng)技術革新奠定了一定的工程實踐基礎。

然而，當前的柔性基板異質集成系統(tǒng)技術仍然面臨一些挑戰(zhàn)。一方面，材料之間的兼容性仍然需要進一步優(yōu)化。不同材料在熱膨脹系數(shù)、電學性能等方面存在差異，這可能導致在集成過程中出現(xiàn)應力集中、電學性能不穩(wěn)定等問題。另一方面，制造工藝的精度和可重復性也是需要解決的問題。例如，在實現(xiàn)多尺度、多維度的芯片互連時，如何確保在柔性基板上每一次制造的精度和穩(wěn)定性都是當前研究的重點方向之一。此外，成本也是制約該技術大規(guī)模推廣的一個因素，包括原材料成本、制造設備成本以及研發(fā)成本等。

二、柔性基板異質集成系統(tǒng)技術革新的關鍵技術

（一）材料體系的研究與開發(fā)

柔性基板異質集成系統(tǒng)的構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、機械性能和化學穩(wěn)定性，能夠適應不同的制造工藝環(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，在一些特定的應用場景（如生物醫(yī)學領域）中具有潛在的應用價值。

在異質集成過程中，不同功能材料的集成是關鍵。例如，將具有不同電學性能的半導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手段，可以改善不同材料之間的結合性能，提高異質集成的質量和穩(wěn)定性。

（二）芯片互連技術

芯片互連技術是實現(xiàn)柔性基板異質集成系統(tǒng)的核心技術之一。在垂直方向上，硅通孔（TSV）或玻璃通孔（TGV）技術被廣泛研究和應用。TSV技術通過在芯片上制作垂直的通孔，實現(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技術可以將多個功能芯片垂直堆疊在一起，實現(xiàn)信號的高速傳輸。

在水平方向上，再布線層（RDL）技術發(fā)揮著重要作用。RDL可以對芯片表面的電路進行重新布局和連接，以適應不同的功能需求。通過將垂直方向的TSV或TGV與水平方向的RDL相結合，可以實現(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異質集成整合到1個封裝體中，提高帶寬、延遲和電源效率等性能指標。

（三）柔性微系統(tǒng)制造技術

柔性微系統(tǒng)制造技術涵蓋了從材料制備、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、結構和性能。例如，對于一些納米級別的功能材料，需要采用先進的化學合成方法或物理沉積技術來制備。

在器件制造環(huán)節(jié)，光刻技術、蝕刻技術等傳統(tǒng)的微納加工技術仍然是關鍵。但是，由于柔性基板的特殊性質，這些技術需要進行相應的改進。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，打印技術也在柔性微系統(tǒng)制造中嶄露頭角，如噴墨打印技術可以用于在柔性基板上制備導電線路、傳感器等功能器件，具有成本低、可大面積制備等優(yōu)點。

在系統(tǒng)集成方面，如何將各個功能器件（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)同工作也是一個重要的技術挑戰(zhàn)。這需要精確的定位技術、可靠的連接技術以及良好的封裝技術。

三、柔性基板異質集成系統(tǒng)技術革新的應用領域

（一）可穿戴設備領域

可穿戴設備是柔性基板異質集成系統(tǒng)技術革新的一個重要應用領域。隨著人們對健康監(jiān)測、智能生活的需求不斷增加，可穿戴設備的功能也日益多樣化。柔性基板異質集成技術能夠為可穿戴設備提供更加輕薄、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集成到柔性基板上，可以實現(xiàn)更加緊湊的設計。這樣不僅可以減小設備的體積和重量，還可以提高設備的性能和可靠性。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，可以實時監(jiān)測人體的汗液成分，從而獲取人體的健康信息，如血糖、電解質平衡等信息。這種基于柔性基板異質集成技術的可穿戴健康監(jiān)測設備具有便攜性、實時性和舒適性等優(yōu)點，有望在醫(yī)療健康領域得到廣泛的應用。

（二）智能包裝領域

智能包裝是另一個具有巨大潛力的應用領域。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）、標識元件（如射頻識別標簽，RFID）以及顯示元件等，可以實現(xiàn)智能包裝的多種功能。例如，溫度傳感器可以實時監(jiān)測包裝內產品的溫度，對于一些對溫度敏感的產品（如藥品、食品等），可以及時發(fā)現(xiàn)溫度異常情況，避免產品變質。濕度傳感器可以檢測包裝內的濕度，防止產品受潮。氣體傳感器可以檢測包裝內的氧氣、二氧化碳等氣體濃度，以保證產品的新鮮度。

同時，集成在柔性基板上的RFID標簽可以實現(xiàn)產品的追溯和識別。從產品的生產、運輸?shù)戒N售的全過程都可以通過RFID技術進行追蹤和管理，提高物流效率和產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）高性能計算與人工智能領域

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

在高性能計算方面，通過將不同功能的芯片（如CPU、GPU、FPGA等）異質集成到柔性基板上，可以構建更加緊湊、高效的計算系統(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，提高計算速度。同時，柔性基板的使用可以為散熱設計提供更多的靈活性，有助于解決高性能計算芯片散熱困難的問題。

在人工智能領域，柔性基板異質集成技術可以用于構建神經網(wǎng)絡處理器等硬件設備。通過將多個具有不同功能的神經元芯片或處理單元集成到柔性基板上，可以實現(xiàn)更加復雜的神經網(wǎng)絡結構，提高人工智能算法的運算效率。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備。

四、柔性基板異質集成系統(tǒng)技術革新的未來趨勢

（一）更高的集成度與更小的尺寸

隨著電子設備不斷朝著小型化、輕量化的方向發(fā)展，柔性基板異質集成系統(tǒng)技術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，未來可能會實現(xiàn)更多類型芯片的異質集成，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)的半導體芯片進行異質集成，有望結合量子計算和經典計算的優(yōu)勢，為高性能計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步，芯片的特征尺寸將不斷縮小，這將進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實現(xiàn)更多的功能。

（二）多功能一體化

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

例如，在一個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），還能夠同時感知多種物理量，并通過內置的智能算法進行數(shù)據(jù)處理和分析，實現(xiàn)對復雜環(huán)境的綜合監(jiān)測。在醫(yī)療健康領域，多功能一體化的柔性基板異質集成系統(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，實現(xiàn)對疾病的實時監(jiān)測、診斷和治療一體化的解決方案。

（三）與新興技術的融合

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

一方面，與生物技術的融合將是一個重要的發(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的監(jiān)測和治療，如植入式的生物傳感器可以實時監(jiān)測生物體內的生理參數(shù)，為疾病的診斷和治療提供更加準確的依據(jù)。

另一方面，與物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術的融合也將為柔性基板異質集成系統(tǒng)帶來新的機遇。通過將柔性基板異質集成系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)技術相結合，可以實現(xiàn)設備之間的互聯(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，用戶可以通過手機或其他智能終端遠程控制家中的設備，實現(xiàn)智能化的家居管理。

五、柔性基板異質集成系統(tǒng)技術革新的案例分析

（一）復旦大學芯片院的研究成果

復旦大學芯片與系統(tǒng)前沿技術研究院在柔性/可拉伸電子異質集成領域取得了重要進展。他們基于界面擴散誘導內聚策略開發(fā)了電學抗干擾可拉伸異質電子器件與系統(tǒng)，相關成果發(fā)表在《Nature Communications》上。

在這個案例中，研究人員面臨的挑戰(zhàn)是如何在柔性/可拉伸的情況下，實現(xiàn)電子器件的異質集成并且保證其電學性能的穩(wěn)定性。他們采用的界面擴散誘導內聚策略是一種創(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合問題，提高異質集成器件的機械性能和電學性能。

這個成果的意義在于為柔性基板異質集成系統(tǒng)技術在可穿戴設備、生物醫(yī)學等領域的應用提供了新的技術手段。例如，在可穿戴設備中，可拉伸的特性可以使設備更好地適應人體的運動和變形，而電學抗干擾性能則能夠保證設備在復雜的電磁環(huán)境下正常工作。在生物醫(yī)學領域，這種柔性/可拉伸的異質集成器件可以更好地與生物組織貼合，實現(xiàn)對生物電信號等的準確檢測。

（二）臺積電的封裝技術創(chuàng)新

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

以CoWoS封裝技術為例，它采用了晶圓級封裝技術，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。在柔性基板異質集成系統(tǒng)技術革新中，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，然后再進行整體的優(yōu)化和封裝。

InFO封裝技術則注重扇出型的布線結構，這種結構可以有效地增加布線的密度，提高信號傳輸?shù)男?。對于柔性基板異質集成系統(tǒng)來說，合理的布線結構同樣重要。可以借鑒InFO的布線理念，在柔性基板上設計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技術強調系統(tǒng)級的芯片集成，通過將多個芯片集成到一個封裝體內，實現(xiàn)系統(tǒng)級的功能優(yōu)化。在柔性基板異質集成系統(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柔性基板上，構建一個完整的、功能強大的系統(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，在通電時會發(fā)生電化學遷移，形成樹枝狀的結構體，導致出現(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、焊料槽內的浮點、灰塵以及塵埃等，這些污染物會引發(fā)焊點質量下降、焊接時焊點拉尖、產生氣孔、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困難，這是因為有時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，如果在選擇清洗工藝和設備時加以留意，并且讓焊接和清潔工藝得到恰當?shù)目刂?，那么清洗表面貼裝組件就不應存在問題，即便是使用了具有侵蝕性的助焊劑。然而必須要強調的是，在使用侵蝕性水溶性助焊劑時，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域擁有頗為豐富的經驗，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品，精細化地對應涵蓋了從半導體封裝到 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（經過測試的錫膏品牌有 ALPHA、SMIC、INDIUM、SUPER-FLEX、URA、TONGFANG、JISSYU、HANDA、OFT、WTO 等；經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。