下沉式柔性电路集成装置及其制造方法与流程

本公开涉及柔性电子技术领域，尤其涉及一种下沉式柔性电路集成装置及其制造方法。

背景技术：

柔性电子技术自提出以来就备受关注，尤其是随着摩尔定律逐渐发展到逼近物理极限，电子技术急需寻找新的发展方向与技术升级增长点。柔性电子技术是指具有可变形能力的电子器件，如弯曲和拉伸变形，从而器件可以与非平面物体直接集成，如生物体和带有曲面或不规则表面的装备。

目前，柔性电子主要包括有机柔性电子和无机柔性电子。前者利用有机电子材料天然的可变形特点，通过设计合成出具有导电特性、半导体特性的有机聚合物，并构建基于以上聚合物的有机电子器件。它的优势在于从材料层次构筑柔性电子系统，是一种根本性的升级与改变，但有机电子材料不论是电子迁移率还是材料稳定性都远不如无机电子材料，因此所构建出的电子器件性能相比于传统电子器件较差。无机柔性电子是在无机电子材料基础上，利用结构设计实现器件整体的柔性与可延展性。它继承了无机电子材料的优越性能以及无机电子材料成熟的加工制备体系，被认为是能更快实现高性能柔性电子技术应用的技术路线。

柔性电子技术发展至今已经在柔性传感器、柔性显示和柔性能源等领域取得了丰富的研究成果和产业化应用。尤其是柔性显示，已经或正在走入人们的日常生活。然而，当前的研究成果多为分立器件，要让柔性电子技术真正实现更大程度的应用，如实现无感、实时、精准的人体健康监测或重大装备监测，除了柔性传感，还需要基于集成芯片(如运放、ad转换、蓝牙、微处理器等芯片)的柔性集成电路，用于信号的采集、处理和无线传输。当前的柔性集成电路主要采用商业芯片与柔性印刷电路板(fpcb)技术结合，从而实现一定的变形能力。然而，直接利用商业芯片与fpcb焊接的柔性电路可靠性极低，弯曲能力非常有限。

技术实现要素：

有鉴于此，本公开提出了一种下沉式柔性电路集成装置及其制造方法。

根据本公开的一方面，提供了一种下沉式柔性电路集成装置，所述装置包括：封装层、互连层、芯片层、粘结层和基底层，所述芯片层包括一个或多个芯片，

所述基底层设置有柔性电路和凹槽，所述芯片层通过所述粘结层的作用粘结在所述凹槽的底部；

所述互连层位于所述基底层上方，用于实现所述柔性电路的电极与所述芯片的电极之间的互连；

所述封装层位于所述基底层上方，与所述基底层共同实现对所述互连层、芯片层、粘结层的封装，

其中，所述芯片层位于所述装置的中性层中，所述封装层、所述互连层、所述粘结层和所述基底层的材料包括柔性材料。

对于上述装置，在一种可能的实现方式中，所述芯片包括超薄集成芯片，所述超薄集成芯片的厚度是根据所述装置在工作状态下的最小弯曲曲率半径和所述芯片的材料失效应变确定的。

对于上述装置，在一种可能的实现方式中，所述封装层、所述粘结层和所述基底层的厚度是根据所述芯片层的厚度确定的，

所述装置的中性层位置是根据所述封装层、所述芯片层、所述粘结层和所述基底层的厚度确定的，

所述凹槽在所述基底层中的尺寸和位置是根据所述中性层位置、芯片层的尺寸确定的。

对于上述装置，在一种可能的实现方式中，所述凹槽的深度大于或等于所述芯片层、所述粘结层的高度之和。

对于上述装置，在一种可能的实现方式中，所述装置还包括：

局部固化层，位于所述芯片层和/或所述互连层上方。

根据本公开的另一方面，提供了一种下沉式柔性电路集成装置的制造方法，其特征在于，所述方法用于制造上述装置，所述方法包括：

制备带有柔性电路和凹槽的基底层；

在所述基底层的凹槽中放置制备好的粘结层；

将所述一个或多个芯片放置于所述粘结层上，并通过所述粘结层固定在所述凹槽中，形成芯片层；

通过互连线将所述芯片的电极与柔性电路的电极连接到一起，形成互连层，进而得到待封装装置；

利用封装材料对所述待封装装置进行封装，形成封装层，进而得到所述下沉式柔性电路集成装置，

其中，所述芯片层位于所述装置的中性层中。

对于上述方法，在一种可能的实现方式中，所述方法还包括：

根据所述装置在工作状态下的最小弯曲曲率半径和所述芯片的材料失效应变，确定所述芯片的厚度；

根据所确定的芯片的厚度，对晶圆片进行减薄处理，得到超薄集成芯片，并将所述超薄集成芯片作为所述装置的芯片。

对于上述方法，在一种可能的实现方式中，所述方法还包括：

根据所确定的芯片的厚度，确定所述封装层、所述粘结层和所述基底层的厚度；

根据所述封装层、所述芯片层、所述粘结层和所述基底层的厚度，确定所述装置中的中性层的位置；

根据所述中性层的位置，确定所述基底层中凹槽的参数，所述参数包括所述凹槽的深度、所述凹槽在所述基底层中的位置和所述凹槽的尺寸。

对于上述方法，在一种可能的实现方式中，制备带有柔性电路和凹槽的基底层，包括：

根据所述凹槽的参数和所述基底层的厚度，制作带有柔性集成电路板的第一基底层，所述第一基底层的厚度等于所述凹槽的深度与所述基底层的厚度的差值；

根据所述凹槽的尺寸，对厚度与所述凹槽的深度的第二基底层进行切割处理，得到切割后的第二基底层，所述切割后的第二基底层切割有尺寸与所述凹槽相对应的通孔；

将所述第一基底层和所述切割后的第二基底层结合在一起，形成所述基底层。

对于上述方法，在一种可能的实现方式中，所述方法还包括：

对所述待封装装置进行封装前，对所述芯片层和/或所述互连层进行局部加固处理，形成局部固化层。

本公开实施例所提供的下沉式柔性电路集成装置及其制造方法，通过调控装置中各层的厚度与材料弹性模量，使得芯片层处于多层结构的中性层中。装置整体发生弯曲变形时，对应变最敏感的芯片层处于结构最小应力应变处，且进一步地通过控制芯片层厚度使得芯片层中最大应变在最小工作弯曲曲率半径工况下仍小于材料失效应变，从而保证装置具有良好的弯曲能力与可靠性。特殊地，当芯片层上下失效应变不等时，可以通过类似的方法调整中性层位置，使得材料强度发挥到最大程度。

根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本公开的其它特征及方面将变得清楚。

附图说明

包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本公开的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本公开的原理。

图1示出根据本公开一实施例的下沉式柔性电路集成装置的结构示意图。

图2示出根据本公开一实施例的下沉式柔性电路集成装置的剖面图。

图3示出根据本公开一实施例的下沉式柔性电路集成装置的制造方法的流程图。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。

另外，为了更好的说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本公开同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本公开的主旨。

图1示出根据本公开一实施例的下沉式柔性电路集成装置的结构示意图，图2示出根据本公开一实施例的下沉式柔性电路集成装置的剖面图，其中，图2所示的剖面图是装置沿图1中封装层1和基底层5的接触面的剖面图。如图1、图2所示，该装置包括封装层1、互连层2、芯片层3、粘结层4和基底层5，芯片层3包括一个或多个芯片(图中未示出)。

基底层5设置有柔性电路(图中未示出)和凹槽51，芯片层3通过粘结层4的作用粘结在凹槽51的底部。

互连层2位于基底层5上方，用于实现柔性电路的电极6与芯片的电极7之间的互连。实现了芯片与柔性电路之间的电气导通。

封装层1位于基底层5上方，与基底层5共同实现对互连层2、芯片层3、粘结层4的封装。

其中，芯片层3位于装置的中性层中，封装层1、互连层2、粘结层3和基底层4的材料包括柔性材料。

在本实施例中，芯片层3位于装置的中性层可以是将芯片层中芯片的中心所在的层放置于中性层，或者将芯片层中相对更需要保护的位置或区域所在的层放置于中性层，本公开对此不作限制。

在本实施例中，基底层和封装层所使用的柔性材料可以包括聚酰亚胺(polyimide，缩写pi)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethyleneterephthalate，缩写pet)、聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，缩写pdms)等柔性材料。可以采用制作柔性印制电路板(flexibleprintedcircuitboard，简称fpcb)的制备工艺制备基底层，本公开对此不作限制。

在本实施例中，基底层中还设置有用于实现电柔性路连接的电路导线和通过等结构，本领域技术人员可以根据实际需要进行设置，本公开对此不作限制。

在本实施例中，芯片层与凹槽平齐，有利于保护芯片。在凹槽和芯片层之间设置粘结层，可以将芯片层固定在凹槽中，且能够增强芯片层与凹槽之间的界面强度，提供装置的可靠性。粘结层可以是适用于凹槽与芯片层粘结的胶水、双面粘性的薄膜(如daf膜(dieattachfilm))等，本公开对此不作限制。其中，daf膜在半导体封装工序中用于连接半导体芯片与封装基板的超薄型薄膜黏合剂。

在本实施例中，可以根据装置的散热需求，在封装层中掺杂导热材料或者设置微流管道等形式，提供封装层的热传导和热管理能力。

在一种可能的实现方式中，芯片包括超薄集成芯片，超薄集成芯片的厚度hchip是根据装置在工作状态下的最小弯曲曲率半径rmin和芯片的材料失效应变εfail确定的。

在一种可能的实现方式中，可以利用如下公式(1)计算超薄集成芯片的厚度hchip，

hchip＝2rminεfail公式(1)

应当理解的是，本领域技术人员还可以通过其他方式确定超薄集成芯片的厚度，本公开对此不作限制。

在一种可能的实现方式中，封装层、粘结层和基底层的厚度是根据芯片层的厚度确定的。装置的中性层位置是根据封装层、芯片层、粘结层和基底层的厚度确定的。凹槽在基底层中的尺寸和位置是根据中性层位置、芯片层的尺寸确定的。

在该实现方式中，可以根据芯片层的厚度、芯片的可靠性需求对封装层、粘结层和基底层的厚度进行设置，而后，根据封装层、芯片层、粘结层和基底层的厚度确定中性层位置的位置，进而根据中性层的位置和芯片层的尺寸确定凹槽在基底层的尺寸和位置，以保证芯片层位于中性层位置。

在该实现方式中，由于互连层的厚度很小，对装置的中性层位置的影响很低，可以不将其作为确定中性层位置的依据，如若为了更准确，也可以根据封装层、互连层、芯片层、粘结层和基底层的厚度确定中性层位置，本公开对此不作限制。

在一种可能的实现方式中，可以根据下述公式(2)确定中性层的位置，

其中，x为中性层的位置，可以指中性层的位置距离坐标原点的垂直距离，ei为装置第i层材料的弹性模量，hi为装置第i层材料的厚度，hj为装置第j层材料的厚度，n为装置中参与公式(2)计算的总层数。

以装置包括封装层1、互连层2、芯片层3、粘结层4和基底层5为例，利用公式(2)计算中性层的位置时，参与公式(2)进行计算所涉及到的包括：h1为封装层厚度，h2为芯片层厚度，h3为粘结层厚度，h4为基底层中除凹槽厚度之外的厚度(也即基底层厚度与凹槽深度的差值)。而后利用上述公式(2)计算x。

在一种可能的实现方式中，凹槽的深度大于或等于芯片层、粘结层的高度之和。

在该实现方式中，凹槽的深度等于芯片层、粘结层的高度之和，可以提高装置的可靠性。凹槽的深度大于或等于芯片层、粘结层的高度之和，可以保证芯片层和粘结层能够嵌入凹槽之中。

在一种可能的实现方式中，该装置还可以包括局部固化层，位于芯片层和/或互连层上方。设置于芯片层和互连层之上，能够提高芯片层和互连层的弯曲刚度，提高装置的可靠性。局部固化层的材料可以是光固化胶、环氧树脂等，本公开对此不作限制。

本公开实施例所提供的下沉式柔性电路集成装置，通过调控装置中各层的厚度与材料弹性模量，使得芯片层处于多层结构的中性层中。装置整体发生弯曲变形时，对应变最敏感的芯片层处于结构最小应力应变处，且进一步地通过控制芯片层厚度使得芯片层中最大应变在最小工作弯曲曲率半径工况下仍小于材料失效应变，从而保证装置具有良好的弯曲能力与可靠性。特殊地，当芯片层上下失效应变不等时(如芯片层顶部功能层中失效应变小于芯片层底部衬底层)，可以通过类似的方法调整中性层位置，使得材料强度发挥到最大程度。

需要说明的是，尽管以上述实施例作为示例介绍了下沉式柔性电路集成装置如上，但本领域技术人员能够理解，本公开应不限于此。事实上，用户完全可根据个人喜好和/或实际应用场景灵活设定各层，只要符合本公开的技术方案即可。

图3示出根据本公开一实施例的下沉式柔性电路集成装置的制造方法的流程图，用于制造上述下沉式柔性电路集成装置。如图3所示，该方法包括步骤s11至步骤s15。

在步骤s11中，制备带有柔性电路和凹槽的基底层。

在步骤s12中，在基底层的凹槽中放置制备好的粘结层。

在步骤s13中，将一个或多个芯片放置于粘结层上，并通过粘结层固定在凹槽中，形成芯片层。其中，芯片层位于装置的中性层中。

在步骤s14中，通过互连线将芯片的电极与柔性电路的电极连接到一起，形成互连层，进而得到待封装装置。

在本实施例中，步骤s14可以包括以下任意一个实现方式：利用打印技术直接将导电墨水印刷到芯片的电极与柔性电路的电极之间，实现二者的互连。还可以利用金丝球焊技术，通过键合金丝实现芯片的电极与柔性电路的电极之间的连接。

在步骤s15中，利用封装材料对待封装装置进行封装，形成封装层，进而得到下沉式柔性电路集成装置。

在本实施例中，可以采用模具浇筑、旋涂、刮涂等方式，对待封装装置进行封装，本公开对此不作限制。

在本实施例中，可以根据装置的散热需求，在封装层中掺杂导热材料或者设置微流管道等形式，提供封装层的热传导和热管理能力。

在一种可能的实现方式中，该方法还可以包括：

根据装置在工作状态下的最小弯曲曲率半径和芯片的材料失效应变，确定芯片的厚度；

根据所确定的芯片的厚度，对晶圆片进行减薄处理，得到超薄集成芯片，并将超薄集成芯片作为装置的芯片。

在该实现方式中，可以根据上述公式(1)计算芯片的厚度。可以采用物理研磨的方式降低晶圆片的厚度，在不影响装置的芯片正常功能的前提下，形成减薄后的裸芯片，然后对减薄后的晶圆片进行解理得到超薄集成芯片。或者，可以采用硅技术(silicon-on-insulator，简称soi)、结合转印技术制备出超薄集成芯片。其中，硅技术是指在顶层硅和背衬底之间引入一层埋氧化层。例如，可以基于soi工艺，在顶层硅上制备出所需芯片，通过刻蚀氧化层将顶层硅上的芯片从底层硅上转移下来，得到超薄集成芯片。

在一种可能的实现方式中，该方法还可以包括：

根据所确定的芯片的厚度，确定封装层、粘结层和基底层的厚度；

根据封装层、芯片层、粘结层和基底层的厚度，确定装置中的中性层的位置；

根据中性层的位置，确定基底层中凹槽的参数，参数包括凹槽的深度、凹槽在基底层中的位置和凹槽的尺寸。

在该实现方式中，可以根据上述公式(2)计算中性层的位置。

在一种可能的实现方式中，步骤s11可以包括：

根据凹槽的参数和基底层的厚度，制作带有柔性集成电路板的第一基底层，第一基底层的厚度等于凹槽的深度与基底层的厚度的差值；

根据凹槽的尺寸，对厚度与凹槽的深度的第二基底层进行切割处理，得到切割后的第二基底层，切割后的第二基底层切割有尺寸与凹槽相对应的通孔；

将第一基底层和切割后的第二基底层结合在一起，形成基底层。

在该实现方式中，第一基底层的制造方式是多种多样的，可以根据第一基底层中柔性材料和柔性电路的材料的不同，对其制造方式进行设置。例如，可以采用铜等金属作为导电层、聚酰亚胺做衬底，利用柔性电路板(fpcb)制备工艺制造第一基底层。也可以利用丝网印刷工艺在聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚二甲基硅氧烷等柔性衬底上印刷导电墨水，实现第一基底层的制备。导电墨水可以是银纳米颗粒墨水、银纳米线墨水、铜纳米线墨水等。可以利用激光切割机对第二基底层进行切割，或者也可以用刻蚀等方式得到切割后的第二基底层，本公开对此不作限制。

在一种可能的实现方式中，还可以直接利用柔性电路板工艺在聚酰亚胺等柔性衬底上沉积和刻蚀铜得到柔性电路，得到厚度满足需求的第三基底层，对第三基底层进行非贯穿式切割得到所需的基底层，本公开对此不作限制。

在一种可能的实现方式中，还可以利用3d打印技术直接打印出所需的基底层，本公开对此不作限制。例如，通过双喷头打印机中一个喷头打印导电墨水，另一个喷头打印聚合物墨水，导电墨水喷头负责打印导电层和导电通孔的侧壁，聚合物墨水喷头负责打印其他位置，两者交替工作，采用逐层堆积的方式一次成型得到上述基底层。

在一种可能的实现方式中，可以采用激光切割、通孔镀膜的方式得到柔性电路各导电层之间的通孔。

在该实现方式中，可以通过调节激光切割功率和工作时长实现切割或刻蚀的控制。

在一种可能的实现方式中，该方法还可以包括：

对待封装装置进行封装前，对芯片层和/或互连层进行局部加固处理，形成局部固化层。

在该实现方式中，在步骤s14之后、步骤s15之前，可以采用固化材料对芯片层和/或互连层进行固化，提高装置的可靠性。

在一种可能的实现方式中，先采用模具浇筑聚合物溶液的方式得到带凹槽的基底层，然后通过丝网印刷、喷墨打印、3d打印等方法实现基底层上的多层、双层或单层导电层，并用激光切割、通孔镀膜方式或3d打印方式实现导电层之间的电路通孔导电。

本公开实施例所提供的下沉式柔性电路集成装置的制造方法，通过调控装置中各层的厚度与材料弹性模量，使得芯片层处于多层结构的中性层中。装置整体发生弯曲变形时，对应变最敏感的芯片层处于结构最小应力应变处，且进一步地通过控制芯片层厚度使得芯片层中最大应变在最小工作弯曲曲率半径工况下仍小于材料失效应变，从而保证装置具有良好的弯曲能力与可靠性。特殊地，当芯片层上下失效应变不等时(如芯片层顶部功能层中失效应变小于芯片层底部衬底层)，可以通过类似的方法调整中性层位置，使得材料强度发挥到最大程度。

需要说明的是，尽管以上述实施例作为示例介绍了下沉式柔性电路集成装置的制造方法如上，但本领域技术人员能够理解，本公开应不限于此。事实上，用户完全可根据个人喜好和/或实际应用场景灵活设定各步骤，只要符合本公开的技术方案即可。

基于上述下沉式柔性电路集成装置的制造方法，本公开提供一制造下沉式柔性电路集成装置的示例，该装置中，封装层1和基底层5中的柔性材料均采用聚酰亚胺pi，弹性模量2.5gpa，基底层总厚度为50μm。芯片层3采用物理减薄的硅基裸芯片作为超薄集成芯片，厚度为30μm，弹性模量150gpa。粘结层4采用厚度为10μm的daf薄膜，弹性模量4mpa。互连层2采用喷墨打印制备，可以用来实现rfid，蓝牙等无线传输电路模块。根据公式1，封装层1的厚度需控制在10μm，从而使得芯片层3位于器件整体中性层。根据公式2，考虑芯片失效应变为1％时，装置整体可承受的最小曲率半径为1.5mm。装置制造方法如下：

1)利用减薄机将裸芯片减薄至30μm厚，得到超薄集成芯片。

2)选用基材厚度为50μm的双面覆铜板制备出柔性电路，得到待切割的基底层。

3)利用激光切割机将芯片处位置进行非贯穿式切割，得到深度为40μm的凹槽，得到基底层。

4)利用贴片机将贴有10μm厚daf薄膜的超薄集成芯片放置到非贯穿凹槽内。

5)利用喷墨打印将超薄集成芯片电极和柔性电路电极连接，形成互连层。

6)在互连位置处用光固化胶进行局部加固，形成局部固化层，得到待封装装置。

7)通过在待封装装置上表面旋涂聚酰亚胺溶液，制备处厚度为10μm的封装层，完成装置的制造。

以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。