據(jù)悉，本文綜述了這些基于激光的柔性電子產(chǎn)品生產(chǎn)技術(shù)的最新進展，重點介紹了激光剝離、激光輔助打印和激光輔助轉(zhuǎn)移打印技術(shù)的關(guān)鍵進展。本文為第五部分。

5激光輔助轉(zhuǎn)移打印

轉(zhuǎn)移打印是一種先進的確定性組裝技術(shù)，通過實現(xiàn)材料/結(jié)構(gòu)/設備與精確定義的體系結(jié)構(gòu)的異構(gòu)集成，提供了實現(xiàn)與傳統(tǒng)晶圓器件性能相同的柔性電子器件的機會?；谶\動控制粘彈性印章的傳統(tǒng)轉(zhuǎn)印技術(shù)提供了最通用和方便的解決方案。然而，基于彈性體的速率依賴性附著力可調(diào)性的這些技術(shù)的過程可控性相當有限。許多主要受仿生學啟發(fā)的先進轉(zhuǎn)印技術(shù)已經(jīng)被開發(fā)出來，以顯著提高粘附性的可調(diào)性，例如使用角度微重疊印章的壁虎啟發(fā)轉(zhuǎn)印、使用充氣印章的蚜蟲啟發(fā)轉(zhuǎn)印、或使用表面浮雕結(jié)構(gòu)。然而，這些轉(zhuǎn)移打印技術(shù)的可切換性仍然不足以實現(xiàn)非接觸釋放（打印）過程。

通過轉(zhuǎn)移印刷在印模中實現(xiàn)彈性體、微尖端粘合表面，用于確定性組裝。

此外，界面粘附的可調(diào)性依賴于外部物理刺激，如剝離速度、橫向運動、收縮角、壓縮屈曲、加熱和充氣。這些類型的刺激很難在高空間分辨率下定位，也很難在瞬間做出反應。因此，在大規(guī)模陣列中對特定器件進行選擇性/并行轉(zhuǎn)移打印以實現(xiàn)極高的組裝速率變得非常困難。此外，這些技術(shù)向納米/大規(guī)模的可擴展性是另一個棘手的挑戰(zhàn)。許多有意義的嘗試是使用激光作為外部刺激來控制界面粘附。激光輔助轉(zhuǎn)移印花技術(shù)可實現(xiàn)無限粘附切換，從而實現(xiàn)非接觸轉(zhuǎn)移印花工藝。該功能允許將單個設備轉(zhuǎn)移打印到任何彎曲/結(jié)構(gòu)化表面上，以實現(xiàn)3D組裝。激光束產(chǎn)生的瞬態(tài)外部刺激具有局部性、非接觸性、高度可控性和高空間分辨率。因此，激光輔助轉(zhuǎn)移打印可以具有高選擇性、多功能、無延遲、可擴展性，并且能夠追求極高的組裝率。本節(jié)回顧了三種激光輔助轉(zhuǎn)移印花技術(shù)。在制造柔性電子產(chǎn)品方面，每種技術(shù)都有其獨特的優(yōu)勢和特點。

5.1激光輔助模具轉(zhuǎn)移工藝

一種潛在的破壞性技術(shù)，能夠以極高的組裝速率將微型器件大規(guī)模并行轉(zhuǎn)移到目標基板上，即質(zhì)量轉(zhuǎn)移，是μ-LED消費應用的關(guān)鍵制造挑戰(zhàn)。μLED顯示屏因其優(yōu)異的光學性能、低功耗、低延遲、長使用壽命以及在惡劣環(huán)境條件下的高穩(wěn)定性而被認為是下一代顯示技術(shù)。阻礙μ-LED顯示器工業(yè)化的主要原因是缺乏可行的技術(shù)來放置和互連大量的μ-LED。傳統(tǒng)的方法是通過傳統(tǒng)的拾取和放置技術(shù)逐個傳輸μ-LED，這種方法對于大量組裝的μ-LED不實用。微轉(zhuǎn)移打印（μTP）技術(shù)是一種并行組裝方法，允許在一次拾取和打印操作中傳輸數(shù)千個離散設備。已經(jīng)演示了使用彈性模壓圖章選擇性拾取一批μLED，并將其轉(zhuǎn)移到機械柔性基板上。然而，μTP技術(shù)對印章和施主基板的制造有很高的要求。由于印章的制造誤差以及印章材料、施主基板和目標基板之間的物理性能差異（主要是熱膨脹失配系數(shù)），導致轉(zhuǎn)移不一致，因此使用更大的印章獲得更高的轉(zhuǎn)移速率變得越來越困難。

基于LIFT的微轉(zhuǎn)移工藝可以解決上述問題，以實現(xiàn)柔性電子制造中具有微小特征尺寸的結(jié)構(gòu)或器件的大容量放置。通過提升過程，該區(qū)域內(nèi)尺寸從0.1平方毫米到6平方毫米以上的各種電子元件得以轉(zhuǎn)移。激光燒蝕犧牲聚合物層產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物的瞬時高壓將轉(zhuǎn)移的組分提升到相鄰的接收基板上。

微尖端設計中具有代表性的彈性印章的SEM和FEM圖像，其表面有或沒有硅片（3μm厚；100×100μm）。（A–C）Four-tipped布局。右框提供了其中一個微針尖的放大視圖，下框提供了有限元建模結(jié)果的相應圖像（B，C）。（D）圖章尺寸標注示意圖。（E，F(xiàn)）Five-tipped布局。在這種設計中，硅板在轉(zhuǎn)印過程的最后階段僅與最大的中央微尖端保持接觸。

開發(fā)了一種新型的激光輔助模具轉(zhuǎn)移技術(shù)，稱為熱機械選擇性激光輔助模具轉(zhuǎn)移工藝（tmSLADT）。該技術(shù)首先將轉(zhuǎn)移的組件粘合到透明載體上，該載體表面沉積有動態(tài)釋放層（DRL）。在激光照射期間，只有一小部分DRL通過透明載體被紫外線激光燒蝕以產(chǎn)生氣體。與直接使用燒蝕材料的沖擊能量不同，生成的氣體產(chǎn)物可用于形成膨脹的泡罩，該泡罩用作軟噴射針，以將轉(zhuǎn)移組件更輕柔地推向接收基板，如圖16a所示。所創(chuàng)建的泡罩可以以高精度（1.8μm的放置誤差）實現(xiàn)組件的瞬時釋放（轉(zhuǎn)移過程需要<50μs）。通過高速掃描激光束，這一過程可以實現(xiàn)非常高的組裝速度，最高可達每小時數(shù)十萬個單元。

圖16b是選擇性地將μ-LED傳輸至面板的MPLET概念示意圖。圖16c、d顯示了一個單光束激光傳輸過程的成功演示，該過程將55×32×6μmμ-LED放置在帶有焊接焊盤的接收基板上。圖16e是從42μm×42μm×6μm假人模具的5×5陣列并行傳輸?shù)母咚僖曨l中提取的幀圖像。通過增加小束數(shù)和改善光斑質(zhì)量，可以進一步提高MPET的性能，而光斑質(zhì)量僅受激光器和相關(guān)光學元件的輸出功率的限制。這種激光輔助模具轉(zhuǎn)移技術(shù)可能成為一種真正具有顛覆性的技術(shù)，適用于需要高精度放置大量具有極高組裝率的微器件的應用。

圖16 a）演示tmSLADT原理的示意圖。b）說明MPLET概念的示意圖。c）通過使用PLET將55μm×32×6μmμLED焊接在測試基板上的照片。d）焊接前通過使用PLET將55μm×32μm×6μmμ-LED放置在測試基板的焊盤上的照片。e）來自一個MPLET視頻幀的幀圖像，顯示在激光傳輸之前，一個由42μm×42μm×6μm假人模具組成的5×5陣列的并行傳輸。

5.2激光驅(qū)動微轉(zhuǎn)移放置工藝

使用上述提升型轉(zhuǎn)移工藝的一個主要限制是將微結(jié)構(gòu)從原始生長/制造基板轉(zhuǎn)移到提升施主基板的必要步驟。一種新型的激光輔助轉(zhuǎn)移工藝稱為激光驅(qū)動微轉(zhuǎn)移放置工藝（LMTP），它結(jié)合了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)移打印工藝的準確性和多功能性，可直接和選擇性地從其生長/制造基板上拾取微結(jié)構(gòu)，以及提升工藝在無限粘附切換能力方面的優(yōu)勢，以實現(xiàn)非接觸釋放/打印過程。圖17a顯示了激光驅(qū)動的微轉(zhuǎn)移放置過程。該過程從PDMS材料制成的圖案化彈性體轉(zhuǎn)移工具開始，以從生長/制造基板上拾取芯片（要轉(zhuǎn)移的微結(jié)構(gòu)）。如圖17b所示，激光束聚焦在有圖案的PDMS印章和油墨（芯片）的界面上。在圖章上方設置一個帶有合適光學元件的CCD攝像機，用于過程觀察。拾取芯片后，工作臺移動并將芯片定位在接收器基板正上方約10μm的距離處。然后，激光輸出功率逐漸增加，直到釋放芯片。

圖17 a） LMTP步驟示意圖。b） LMTP系統(tǒng)的示意圖。c） LMTP構(gòu)造的微結(jié)構(gòu)示例；3D金字塔結(jié)構(gòu)，由硅管構(gòu)成。d）在曲面（單個1毫米陶瓷球體）上打印微觀結(jié)構(gòu)的示例。局部和凹入表面的打印微觀結(jié)構(gòu)示例：e）打印在凸臺上，f）打印在凹入空間中。

在激光脈沖的幫助下，轉(zhuǎn)移的微觀結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)移工具的熱機械響應中的不匹配驅(qū)動分層。高速攝影、熱力模型和有限元方法的證據(jù)證實了這一機制。激光通過PDMS印章傳輸，并照射在芯片上，芯片因入射激光的高吸收而被加熱。然后，加熱的芯片將熱量傳導至相對較冷的PDMS印章，以提高接口附近PDMS的溫度。溫度升高導致PDM和芯片中的熱膨脹。理論模型和模擬可以作為確定激光脈沖持續(xù)時間和隔離距離等關(guān)鍵工藝參數(shù)、估計溫度變化和計算關(guān)鍵界面應力的有力工具。

為了證明LMTP工藝與接收器表面特性相對獨立，進行了大量可行性試驗。因此，它可以將微觀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到附著力低、結(jié)構(gòu)規(guī)整且不平坦的表面上。證明這種能力的例子包括精確打印超薄微結(jié)構(gòu)和構(gòu)建3D組件。如圖17c所示，三層金字塔由相同的100μm×100μm×3μm硅方形構(gòu)成。圖17d顯示了一個320納米厚的硅芯片打印在曲面上。如圖17e、f所示，同一個方形硅芯片被打印在凸臺和凹入空間上。這些演示展示了無論接收器表面特性如何，精確放置微結(jié)構(gòu)的強大能力。

LMTP工藝中一個可預見的挑戰(zhàn)是對芯片（油墨）材料的限制。通過增加激光功率來提高界面溫度是一把雙刃劍，因為高溫（350–600°C）可能會增加應變能釋放速率，同時可能對微觀結(jié)構(gòu)造成損壞。除此之外，對激光輻射具有高反射率的油墨材料阻止了它們在LMTP工藝中的使用，該工藝依賴于油墨的強激光吸收。

5.3用于轉(zhuǎn)印的激光驅(qū)動形狀記憶效應

發(fā)明了與LMTP工藝根本不同的最新技術(shù)，以擴大油墨材料的可用選擇。通過減少所需的激光功率輸入，還可以操作熱敏材料和反射材料。這些方法使用形狀記憶聚合物（SMP）作為壓印材料，之前在轉(zhuǎn)移印花工藝中經(jīng)常使用這種材料，因為它具有一些吸引人的特性，如適中且可變的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、優(yōu)異的形狀恢復性和光學透明性。SMP印章制作成改進的金字塔/錐形微結(jié)構(gòu)。微圖形的變形將導致更大的表面接觸（粘著打開狀態(tài)），并在恢復后恢復到最小接觸（粘著關(guān)閉狀態(tài)）。典型的選擇性釋放周期如圖18a所示。

圖18 a）激光驅(qū)動的CBSMP打印過程的操作。b） CBSMP復合印章示意圖。c） CBSMP印章的掃描電鏡圖像。d） 3μm厚的硅油墨附著在印章上的SEM圖像。e）使用5×5陣列的CBSMP圖章，使用多個并行打印步驟將鍍金硅油墨打印到PDMS基板上的“MECHSE”圖案中。f）硅和砷化鎵的界面和生長襯底的比較，以及預期的混合打印布局。

首先，通過將印章壓到目標油墨上，將其加熱并變形至粘附狀態(tài)，然后通過冷卻固定其形狀。因此，可以實現(xiàn)拾?。▓D18a-I）。將油墨放置在接收基板上方（圖18a II）后，激光脈沖會準確地照射到目標油墨附著的印章位置（圖18a III）。激光加熱SMP，使其形狀恢復到原來的粘著關(guān)閉狀態(tài)。通過啟動每個目標油墨的形狀恢復并與接收基板接觸，油墨可以打印出所需的圖案（圖18a IV）。圖18a中的插圖展示了具有不同油墨-印模界面接觸面積的印模的典型粘合開啟和粘合關(guān)閉狀態(tài)。普通微圖案SMP印章的使用仍然依賴于激光吸收油墨材料。一種改進的方法是使用復合炭黑SMP（CBSMP）。如圖18b所示，炭黑顆粒嵌入SMP壓印接觸面內(nèi)，以吸收入射的近紅外激光。CBSMP印章的SEM圖像如圖18c、d所示。通過將激光吸收顆粒嵌入SMP基質(zhì)中，可以實現(xiàn)快速和局部的熱傳遞。該方法不依賴于激光吸收油墨材料，這可以極大地擴展可用的油墨材料，并節(jié)省計算不同油墨材料和幾何形狀所需激光功率的復雜步驟。

如圖18e所示，代表導熱、非吸收性油墨典型示例的鍍金硅芯片選擇性地打印在低表面附著力表面上。這些材料不能用于LMTP方法。此外，該技術(shù)還可以進一步實現(xiàn)不同襯底上Si和GaAs的混合打?。▓D18f）。由于不同的沉積方法、界面層和生長襯底，以及它們固有的脆弱性，界面附著力的顯著差異，使得混合打印尤其具有挑戰(zhàn)性。

6結(jié)論和展望

在過去十年中，由于廣泛的新興和預期應用，從大尺寸透明柔性OLED顯示屏到用于健康監(jiān)測和人機界面的生物集成可穿戴電子產(chǎn)品，柔性電子產(chǎn)品的發(fā)展速度大大加快。這些應用為開發(fā)新的制造概念和工藝提供了強大的動力，這些概念和工藝可以高效、低成本地實施，使其不僅適用于基礎科學研究和工程原型設計，而且適用于工業(yè)化生產(chǎn)。由于這一設想，柔性電子制造技術(shù)的發(fā)展通常集中在實現(xiàn)以下目標上：1）滿足工業(yè)規(guī)范，防止材料性能不足和與傳統(tǒng)MEMS/CMOS工藝不兼容，并解決包括高溫處理、納米級制造，以及在塑料/柔性基板上與大量功能組件的異構(gòu)集成；2）拓寬可直接在柔性基板上沉積和圖案化的材料范圍，并允許在容量、可實現(xiàn)的制造分辨率、基板幾何結(jié)構(gòu)和材料、吞吐量、工藝溫度和性能方面利用要求苛刻的材料，這是由于與傳統(tǒng)圖案化和沉積協(xié)議不兼容而無法實現(xiàn)的；3）用數(shù)字/并行工藝取代傳統(tǒng)制造方法（如光刻和真空沉積）中復雜、昂貴和耗時的多個步驟，以極大地提高吞吐量、成本效率和設計靈活性。

最近，一種基于激光的特殊技術(shù)已經(jīng)建立起來，并朝著上述目標發(fā)展，這種技術(shù)在制造柔性電子器件方面具有令人印象深刻的能力。所有這些技術(shù)都是基于激光穿過透明基底并照射到界面層所觸發(fā)的獨特界面現(xiàn)象。本文綜述了基于激光的柔性電子技術(shù)的最新研究進展。總結(jié)了正確利用激光與材料相互作用達到預期目的的必要注意事項。從基本原理到相關(guān)的最新應用，介紹了三種按用途分類的技術(shù)，即激光剝離、激光輔助打印和激光輔助轉(zhuǎn)移打印。盡管最近取得了快速進展，但在這些基于激光的技術(shù)成為柔性電子產(chǎn)品工業(yè)化制造的可靠候選制造技術(shù)之前，仍有進一步發(fā)展的需求。

在達到激光輔助打印技術(shù)的極限之前，肯定還有改進和創(chuàng)新的空間。首先，打印材料的功能特性退化，產(chǎn)生多余的碎片，并污染周圍地區(qū)，仍然無法完全避免。通過新型的激光-物質(zhì)相互作用和操作模式的進一步優(yōu)化，將所需的激光能量降到最低，將減少其中的許多缺點。其次，這些技術(shù)仍然有相對較大的材料消耗，因為只有一部分材料從供體基質(zhì)轉(zhuǎn)移。因此，該工藝還需要后處理清潔步驟，以去除打印工藝后透明施主基板的殘留物。此外，工藝的可靠性在很大程度上取決于在透明襯底上制備的施主材料薄膜的質(zhì)量。一種允許按需提供激光輔助打印油墨的新方法是一個令人興奮的機會。最后，通過使用先進的光學器件（如空間光調(diào)制器）來實現(xiàn)激光脈沖光束輪廓的動態(tài)控制，我們將看到更多的激光輔助打印技術(shù)從簡單的像素串行沉積發(fā)展到完全并行的數(shù)字微制造技術(shù)。

激光輔助轉(zhuǎn)移印花技術(shù)的未來改進仍然是一個巨大機遇的領(lǐng)域?；谔嵘募夹g(shù)通常會破壞壓印，這意味著界面附著力不可逆，且壓印不可重復使用。同時，燒蝕犧牲層的殘余物可能污染器件表面?；诩す饧訜嵋鸬目煽鼐植孔冃蔚募夹g(shù)可以實現(xiàn)可逆粘附，從而很好地解決了上述限制。然而，需要小心控制印章表面的高溫，以避免不必要的變形或損壞。此外，這些技術(shù)仍然依賴于微圖案印章。圖案化印章的制造過程并不常見，并且在放大/縮小過程中可能非常復雜且成本高昂。激光輔助轉(zhuǎn)移印花技術(shù)的進一步發(fā)展應突破上述限制，以實現(xiàn)納米/大規(guī)模的可擴展性。為了將油墨尺寸擴展到納米級，先進的激光投影系統(tǒng)可以使用微小的激光束尺寸。可以嘗試將并行激光系統(tǒng)和自動化平臺結(jié)合起來，實現(xiàn)大規(guī)模、高產(chǎn)量制造的高通量。

最后，基于上述基于激光的技術(shù)的發(fā)展，總結(jié)了柔性電子激光加工的總體前景。利用激光誘導材料改性來增強柔性器件的性能可能是一個很好的機會。此外，在不同的工作條件下，激光輻照可能會產(chǎn)生不同的有趣現(xiàn)象，這反映在上述激光誘導的界面現(xiàn)象中。進一步發(fā)現(xiàn)和利用不同的激光誘導現(xiàn)象進行技術(shù)發(fā)明是有希望的。

作為必要的基礎，科學理解和技術(shù)進步都需要基礎研究，包括對實時激光-材料相互作用和負責這些激光誘導的修改和現(xiàn)象的基本力學的深入理解。最后但并非最不重要的一點是，由于光學和計算機輔助設計（CAD）系統(tǒng)的技術(shù)進步，激光束的形狀和尺寸、掃描模式可以任意和數(shù)字化地修改。原始的基于激光的技術(shù)有潛力通過將光束轉(zhuǎn)換為幾種特定形狀，例如用于大面積掃描的線模式，或轉(zhuǎn)換為用于倍增原始生產(chǎn)效率的多光束（并行操作模式），來極大地提高效率。通過數(shù)字化和并行現(xiàn)有的基于激光的技術(shù)，許多用于大規(guī)模生產(chǎn)和大面積制造柔性電子產(chǎn)品的潛在顛覆性技術(shù)可能會被開發(fā)出來。這些考慮表明，這一研究領(lǐng)域?qū)⒈３只钴S和動態(tài)，有望在不久的將來為柔性電子制造提供更加通用、先進和高效的激光技術(shù)。

來源：Laser Transfer, Printing, and Assembly Techniques for Flexible Electronics，Advanced Electronic Materials, DOI: 10.1002/aelm.201800900

參考文獻：J. A. Rogers, T. Someya, Y. Huang, Science 2010, 327, 1603.；S. Choi, H.Lee, R. Ghaffari, T. Hyeon, D. H. Kim, Adv. Mater. 2016, 28, 4203.