本篇研究來自中南大學何虎課題組。本文提出了基于3D打印工藝制備微流道的液態(tài)金屬圖案化方法，制造了柔性可延展的導線-電極單元，并對柔性可延展導線-電極單元進行了電學表征；同時提出了表面組裝式與嵌入式兩種液態(tài)金屬柔性可延展電路的集成封裝工藝。

研究背景：

柔性電子是指在彎曲、拉伸的情況下的還可以保持其功能的電子器件及電路，可以實現(xiàn)電子設備與人體體表類或植入類集成。另外，柔性電子設備與復雜曲面的共形能力遠超傳統(tǒng)電子設備，具有更好的適配性與可靠性。

鎵銦錫合金(Galinstan)是一種常溫下的液態(tài)金屬，具有金屬的導電性與液體的流動性，是構(gòu)建柔性電子的理想材料。然而，液態(tài)金屬作為導電互連結(jié)構(gòu)的柔性電路，大多采用打印、印刷工藝，互連導線與功能器件難以穩(wěn)定可靠連接，難以形成可靠的封裝互連與工藝集成。本文針對可延展電路柔性基板大變形的情況下難以保證器件可靠的電學互連等問題，開展了基于液態(tài)金屬的導電聚合物與可延展電路制造與集成工藝研究。

研究內(nèi)容：

（1）提出了基于3D打印工藝制備微流道的液態(tài)金屬圖案化方法，制造了柔性可延展的導線-電極單元，并對柔性可延展導線-電極單元進行了電學表征。導線-電極單元初始電阻僅為1.4Ω左右，最大延展率為260%。將導線-電極單元拉伸至原長110%，該范圍內(nèi)電學靈敏度僅為0.2，繼續(xù)拉伸至原長260%，該范圍電學靈敏度大約為1.5，反映出優(yōu)異的電阻穩(wěn)定性。同時，通過改變加載速率，發(fā)現(xiàn)液態(tài)金屬互連導線電學性能無明顯差別。

圖1（a）液態(tài)金屬蛇形互連結(jié)構(gòu)顯微圖像；（b）銅箔電極與液態(tài)金屬接觸處顯微圖像；（c）20%應變，（d）50%應變，（e）100%應變下液態(tài)金屬蛇形互連結(jié)構(gòu)顯微圖像

在20%應變范圍與100%應變范圍循環(huán)動態(tài)加載試驗中，液態(tài)金屬導線-電極單元的電阻變化率ΔR/R0分別為0.012與0.23，反映了良好的電阻動態(tài)穩(wěn)定性。此外，我們還注意到了液態(tài)金屬優(yōu)異的可修復特性，這種特性使得基于液態(tài)金屬的電學互連單元具有更好的可靠性與穩(wěn)定性。

圖2 液態(tài)金屬柔性導線-電極單元在（a）20%應變與（b）100%應變循環(huán)拉伸500次的電阻的變化

（2）提出了表面組裝式與嵌入式兩種液態(tài)金屬柔性可延展電路的集成封裝工藝。兩種集成方法制造的LED燈-導線單元均可以在彎曲、折疊、扭曲等形變下正常工作，其中，嵌入式制造的LED燈-導線單元在可以在260%的應變下正常工作。另外，嵌入式集成工藝中合理的流道結(jié)構(gòu)設計能夠保證液態(tài)金屬與電子器件固液界面穩(wěn)定的機械接觸，并能最大限度保留液態(tài)金屬的流動性。最后，通過表面貼裝集成工藝實現(xiàn)封裝電子器件在柔性基底上集成，演示了流水燈柔性電路系統(tǒng)，該電路可以在100%應變下正常運行，展示了剛性器件與液態(tài)金屬柔性電路集成的潛力。

圖3 表面貼裝法制造的LED-液態(tài)金屬互連單元可在150%的大應變下正常工作，嵌入法制造的LED-液態(tài)金屬互連單元可在200%的大應變下正常工作

圖4 （a）（b）（c）基于單片機表面貼裝法集成的流水燈柔性可延展電路，（d）（e）（f）在50%、100%應變下均可正常工作

編輯：黃飛