柔性芯片能否給半導(dǎo)體帶來新的春天？

近日，在浙江省杭州市召開的2019第二屆柔性電子國際學(xué)術(shù)大會上，柔性電子與智能技術(shù)全球研究中心研發(fā)團(tuán)隊（簡稱“荷清柔電”）發(fā)布了兩款柔性芯片，分別為運(yùn)放芯片和藍(lán)牙SoC芯片，厚度均小于25微米。同時，荷清柔電還展示了利用柔性芯片制成的“創(chuàng)可貼”，可以監(jiān)測人體數(shù)據(jù)。

清華大學(xué)柔性電子技術(shù)研究中心主任馮雪認(rèn)為：“柔性電子技術(shù)是一種將有機(jī)、無機(jī)材料制作在柔性、可延展基板上的新興電子技術(shù)?！比嵝孕酒鳛槿嵝噪娮拥闹匾种?，突破了傳統(tǒng)剛性電路的物理形態(tài)，將在數(shù)字醫(yī)療、人工智能、智能制造、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域產(chǎn)生巨大而深遠(yuǎn)的影響。

目前，國內(nèi)外柔性芯片發(fā)展均處于起步階段，只有一小部分醫(yī)療檢測等領(lǐng)域的應(yīng)用可以投入量產(chǎn)。對于柔性芯片技術(shù)來說，電路制作材料和性能突破是最主要的限制。柔性芯片的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程剛剛起步，未來將可能帶來醫(yī)療監(jiān)測、可穿戴設(shè)備、機(jī)器人等領(lǐng)域的顛覆式變革。

隨著“柔性屏”、“折疊屏”等技術(shù)已經(jīng)投入應(yīng)用并被許多人熟知，“柔性芯片”對大家來說還是一個比較陌生的概念。柔性芯片所指何物？相比于傳統(tǒng)的剛性芯片有什么特征？在國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r如何以及面臨什么樣的技術(shù)難點？本文對這些問題進(jìn)行了深入調(diào)查。

一、適合多種形變環(huán)境，帶來新一代人機(jī)交互體驗

柔性芯片相對于剛性芯片有三大特點。

首先，薄。本次荷清柔電發(fā)布的兩款柔性芯片厚度均在25微米以下，薄于一般頭發(fā)絲直徑的1/4。

其次，柔。柔性芯片具有非常優(yōu)良的柔韌性，可以被輕易改變形狀。

最后，大。本次荷清柔電發(fā)布的柔性芯片大約在5cm2左右。

柔性芯片可以作為傳統(tǒng)剛性芯片的一個很好的補(bǔ)充，可用于許多不適合剛性芯片的情況，能夠在一定程度上適應(yīng)不同的工作環(huán)境，滿足設(shè)備的形變要求。

在可穿戴智能設(shè)備上，柔性芯片可能促進(jìn)“新一代可穿戴設(shè)備”的產(chǎn)生。可穿戴設(shè)備的形態(tài)將變得更加靈活可變。例如，以后，手機(jī)可能像腕帶一樣纏在手上，或者想頭巾一樣戴在頭上。但是，這也要依賴柔性電池、柔性屏等柔電子技術(shù)的發(fā)展。

在機(jī)器人領(lǐng)域，可以帶來更好的交互體驗。柔性芯片為更加輕薄柔軟的電子感知系統(tǒng)提供支持，使得機(jī)器人對環(huán)境或人體的感知變得更加靈敏，進(jìn)而能夠又快又好地與環(huán)境或人體進(jìn)行信息溝通和互換，建立更完善的人機(jī)信息傳輸系統(tǒng)。

在人體醫(yī)療監(jiān)測方面，柔性芯片已經(jīng)得到了非常重要的應(yīng)用，包括無創(chuàng)血糖測量、光電血氧傳感器、坐骨神經(jīng)電信號采集、類皮膚柔性變形傳感器、碳納米纖維泡沫柔性壓力傳感器、類皮膚柔性壓力傳感器等柔性醫(yī)療電子產(chǎn)品方面。

二、國內(nèi)外均處于起步階段，目前主要應(yīng)用在醫(yī)療

馮雪稱：“柔性電子技術(shù)發(fā)展目前還處于起步階段?！蹦壳皣鴥?nèi)外的柔性芯片技術(shù)都才剛剛起步，大多數(shù)處于試驗階段，小部分投入量產(chǎn)，主要集中在醫(yī)療傳感領(lǐng)域。

1、荷清柔電中心

荷清柔電中心發(fā)布的運(yùn)放芯片和藍(lán)牙SoC芯片，厚度僅為25微米。運(yùn)放芯片可用于放大模擬信號，藍(lán)牙SoC芯片則集成了處理器和藍(lán)牙無線通信功能。

其研發(fā)的柔性傳感器“創(chuàng)可貼”里鑲嵌了可彎曲的監(jiān)測芯片。將它貼在體表，即可監(jiān)測血壓、血糖、提問等數(shù)據(jù)，并能將數(shù)據(jù)無線上傳至手機(jī)應(yīng)用或云端，這項技術(shù)已通過國家藥監(jiān)局和歐盟CE認(rèn)證。

“我們通過特殊的晶圓減薄工藝、力學(xué)設(shè)計和封裝設(shè)計，使得剛性的硅芯片呈現(xiàn)出柔性和可彎曲變形的特征?！痹摴救嵝孕酒夹g(shù)研發(fā)團(tuán)隊負(fù)責(zé)人王波說，“硅基集成電路的柔性化十分具有挑戰(zhàn)性，這兩款柔性芯片在這一挑戰(zhàn)上運(yùn)用了新技術(shù)?！?/p>

2、美國半導(dǎo)體公司和空軍研究實驗室（AFRL）

2018年1月，AFRL和美國半導(dǎo)體公司利用3D打印領(lǐng)域的創(chuàng)新共同研發(fā)出全球首個柔性系統(tǒng)級芯片（SoC），據(jù)稱是當(dāng)時最復(fù)雜的柔性集成電路，可用于物聯(lián)網(wǎng)控制，存儲能力是其他柔性器件的7000倍。

這項技術(shù)的獨特之處不僅是芯片的柔性，而且還實現(xiàn)了一個帶有存儲器的微控制器，能夠控制系統(tǒng)和收集數(shù)據(jù)以滿足未來使用。

研究者Berrigan表示：“通常硅基集成電路都脆而易折。當(dāng)我們將這些器件放入一個柔性的封裝中，它將能夠在惡劣環(huán)境下的正常工作。我們對硅集成電路進(jìn)行減薄直至其變得柔軟，但仍能維持電路功能，這使我們能夠靈活放置微控制器。”

3、ARM

ARM聯(lián)合高校共同研發(fā)基于機(jī)器學(xué)習(xí)的塑料柔性傳感器，用于檢測氣味，旨在簡化設(shè)計、將柔性傳感器成本降至最低，最終用于食品、服裝等消費(fèi)品的氣味檢測。

塑料芯片將擁有傳感器陣列、定制的機(jī)器學(xué)習(xí)處理器、以及端口，所有這些組件都將集成在一張薄薄的塑料膜上。雖然塑料電子有望比硅便宜得多，但它們能容納的晶體管數(shù)量有限，因為這類晶體管要大得多。據(jù)稱，原型芯片將在 2019 年制造和測試。

4.維也納技術(shù)大學(xué)

2017年4月，維也納技術(shù)大學(xué)研究者在《自然》上發(fā)表論文稱，發(fā)現(xiàn)二硫化鉬是一種類似于石墨烯的二維材料，研究者進(jìn)一步使用二硫化鉬研制柔性微處理器 。

研究者制造了一種由二維材料二硫化鉬組成的晶體管，并將115個這樣的晶體管構(gòu)成一種新型微處理器。這種微處理器能夠進(jìn)行一比特的邏輯運(yùn)算，而未來有望拓展至多比特運(yùn)算。

硅制薄片很容易折斷，但維也納技術(shù)大學(xué)研究者使用的過渡金屬硫化物像2D材料，由一層原子或分子厚度的晶體制作而成，可折曲自如。“2D半導(dǎo)體微處理器”是柔性芯片的另一思路。

三、主要難點：制作材料和性能突破

目前柔性電子的制造方法主要有三種。一是轉(zhuǎn)移印刷，利用中間轉(zhuǎn)印載體將線路圖案轉(zhuǎn)移到柔性承印物上。二是噴墨印刷，直接沉積功能性材料以在基材上形成圖案。三是基于纖維結(jié)構(gòu)的柔性電子器件制作方法。

柔性芯片作為柔性電子的一個分支，仍存在一些技術(shù)上的難點。首先，柔性芯片在不損壞本身電子性能的基礎(chǔ)上的伸展性和彎曲性，對電路的制作材料提出了新的挑戰(zhàn)和要求。

其次，柔性電子的制備條件以及組成電路的各種電子器件的性能相對于傳統(tǒng)的電子器件來說仍然不足，也是其發(fā)展的一大難題。

目前，柔性芯片支持的柔性傳感器設(shè)備已經(jīng)可以量產(chǎn)，進(jìn)而用于醫(yī)療監(jiān)測、工業(yè)控制等領(lǐng)域。半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會中國固態(tài)照明聯(lián)盟副秘書長耿波表示：“在大規(guī)模應(yīng)用之前，必須加強(qiáng)包括安全和待機(jī)時間等技術(shù)問題檢測?！?/p>