利用液态金属微滴的快速三维组装实现软电子通孔和互连

2025-01-06 Mon
柔性电子中的液态金属微滴快速三维组装与电气连接研究简介：研究背景与意义

随着柔性电子技术在软体机器人、可穿戴电子设备、柔性显示屏等领域的广泛应用，如何实现柔性和可拉伸电路的层间电气连接成为该领域的核心挑战之一。传统刚性电子设备中，通过化学或等离子蚀刻等成熟技术完成硅片上的微米至纳米级贯通孔(via)制备。然而，在柔性电子中，这种方法存在流体材料黏度、力学性能失配以及填孔过程低效复杂等问题。尤其是，由于柔性器件的机械动态特性，传统刚性导体制作的贯通孔易成为应力集中区域，从而导致器件的结构性缺陷乃至失效。
为解决这一系列挑战，本研究提出了一种基于液态金属微滴（Liquid Metal Microdroplets, LMMDs）层化沉积的快速制造方法，用以形成柔性电子应用中的三维电气互连。液态金属因其流动性、高导热性及高导电性，被认为是一种理想的柔性导体材料。本研究的创新点在于，利用光固化树脂和液态金属微滴的特性，通过选择性固化以及程序化的重力沉降方法，开发出了一种新型快速、可扩展且高度集成的制造工艺。研究成果发表在《Nature Electronics》期刊（2024年11月刊，第7卷）。
来源及作者信息

本文由Dong Hae Ho、Chenhao Hu、Ling Li，及Michael D. Bartlett等研究者完成，其中核心实验和分析在弗吉尼亚理工学院机械工程系完成，部分作者目前任职于宾夕法尼亚大学和大邱庆北科技研究所等知名机构。文章于2024年11月发表。
研究方法概述1. 制作流程与技术解析

作者设计并实施了一种新的三维电路互连方法，称为”液态金属分层组装法”（Liquid Metal Stratification, 简称LM-Stair）。制作技术涉及以下几大关键步骤：

1. 液态金属微滴制备：通过剪切混合技术，将液态金属（如镓铟合金）分散至光固化树脂中。不同的剪切速度（如2000 rpm）和混合时间对微滴的直径起到调控作用，最终获得直径约100微米的微滴，用于后续实验。

2. UV选择性光固化：将液态金属微滴分布在光固化树脂中，通过光掩模和紫外线（UV）照射，部分区域的树脂固化，固定微滴位置。

3. 分层组装：未固化区域中的液态金属由于密度差沉降到下层。在掩模边缘光固化不完全的现象提供了类似“阶梯结构”的模板，使液态金属微滴沿着竖直方向沉积，最终形成贯通多层的连续导电路径。全过程计算机可控，约1分钟即可实现多点电气连接。
2. 电气与力学特性测试

通过电子显微镜和微CT扫描技术，验证了微滴层化的结构连续性。实验还测试了不同光固化树脂比例（如50:50的丙烯酸和稀释剂），及液态金属负载量对复合材料的杨氏模量、机械性能和电气性能的影响。
杨氏模量：随着稀释剂比例增加（稀释剂70%），材料的模量显著下降（2 MPa），适应柔性电子特性需求；
导电性能：LM-Stair贯通孔展现低电阻特性（<0.3Ω/sq），且在弯曲测试中电阻保持稳定，表明其机械稳定性。
关键实验结果1. 多层电气互连的实现作者通过精确控制光固化步骤，成功实现了多层电路的交叉互连。这在以往柔性电子中极具技术挑战性。由此开发的多层柔性电路，包括发光二极管（LED）和霍尔效应传感器等器件（功能描述详见下文）。这些互连点的制作无需机械钻孔或额外的导电质填充，大幅简化技术流程，提高开发效率和可靠性。
2. 电气与力学稳定性研究显示，无论是压缩（达50%应变）还是拉伸（10%应变），LM-Stair贯通孔的电阻保持恒定。耐久性测试表明，经受100次循环张拉，该方法仍能保持电气性能稳定。此外，材料在高温（80°C）和高湿环境（水下45°C）中表现出一定的电学稳定性，耐用性较高。
3. 微结构与电特性关联通过微CT扫描观察，未激活样本中的液态金属保持独立球形结构，而激活样本中LM珠粒均已破裂并形成连续电导网络。这表明，程序化分层激活法有效优化了导电特性。
4. 技术扩展性该技术已被应用于丙烯酸基与硅橡胶基光固化树脂，验证了其通用性。通过更高分辨率的光掩模或更小粒径液态金属材料，有望进一步减少电路最小特征尺寸。
代表性应用案例1. 磁场感应与指示多层柔性电路该实验展示了一种两层柔性电子电路的成功制造与功能验证：

- 底层：霍尔感应器负责检测磁场强度，并将信号通过LM-Stair贯通孔传递至上层；

- 顶层：LED阵列显示检测到的磁场强度变化。

实验表明，在磁铁靠近电路不同位置时，仅相应区域的LED被点亮，完成了高效和准确指示。
2. 刚柔混合电子该团队采用LM-Cu混合导体将柔性材料和刚性电子元件结合，并实现了高集成、多功能柔性设备的原型设计，总厚度仅为0.33mm。
意义与展望科学与技术贡献科学贡献：本研究开创了一种基于粒子沉降和光固化的复合组装方法，该方法缩短了制造时间，提供了一种无需物理钻孔的三维柔性电子新思路；

技术贡献：通过实验验证了技术的可扩展性和材料选择的多样性，展示了液态金属材料在柔性电子中的巨大潜力。
潜在应用价值LM-Stair方法在实现大规模、复杂柔性电路方面具有较大的工业化潜力，尤其在机器人仿生学、可穿戴前沿设备、软体医用传感器等领域。此外，其灵活工艺适应性也为未来生物兼容材料或基于功能性响应的电子系统奠定了基础。
未来研究方向功能化液态金属开发：探索磁响应型、热响应型复合材料；

特征尺寸微缩：进一步使用电子光刻提升电路分辨率；

自动化流程与批量生产：推动柔性电子技术扩展至普适消费品领域。
本研究为柔性电子三维互连技术做出了重要贡献，推动了该领域向更智能、复杂和广泛应用的未来迈进。