一、柔性基板异质集成系统技术革新的发展现状

柔性基板异质集成系统技术是一个涉及多学科交叉融合的前沿技术领域。目前，在全球范围内，该技术正处于积极探索与发展的阶段。

从基础研究角度来看，众多科研机构都在对柔性基板异质集成系统的相关理论进行深入研究。例如，一些高校的实验室致力于探索柔性微系统材料体系的特性，这是柔性基板异质集成系统的重要基础。通过对不同材料在柔性基板上的兼容性、物理化学特性等方面的研究，为构建高性能的异质集成系统提供理论依据。

在工业界，一些大型的半导体企业和电子制造企业已经开始涉足柔性基板异质集成技术的开发与应用。像台积电等企业在先进封装技术方面不断创新，虽然没有完全聚焦于柔性基板，但为异质集成技术在更广泛意义上的发展提供了有益的借鉴，如推出的基板上晶圆上的芯片（Chip on Wafer on Substrate, CoWoS）封装、整合扇出型（Integrated Fan - Out, InFO）封装、系统整合芯片（System on Integrated Chips, SoIC）等封装技术，其中涉及到的芯片到芯片集成、基板集成等概念为柔性基板异质集成系统技术革新奠定了一定的工程实践基础。

然而，当前的柔性基板异质集成系统技术仍然面临一些挑战。一方面，材料之间的兼容性仍然需要进一步优化。不同材料在热膨胀系数、电学性能等方面存在差异，这可能导致在集成过程中出现应力集中、电学性能不稳定等问题。另一方面，制造工艺的精度和可重复性也是需要解决的问题。例如，在实现多尺度、多维度的芯片互连时，如何确保在柔性基板上每一次制造的精度和稳定性都是当前研究的重点方向之一。此外，成本也是制约该技术大规模推广的一个因素，包括原材料成本、制造设备成本以及研发成本等。

二、柔性基板异质集成系统技术革新的关键技术

（一）材料体系的研究与开发

柔性基板异质集成系统的构建离不开合适的材料体系。首先，柔性基板材料本身的选择至关重要。目前，常见的柔性基板材料包括聚酰亚胺（PI）等。PI具有优异的耐高温性、机械性能和化学稳定性，能够适应不同的制造工艺环境。此外，还有一些新兴的柔性材料正在被研究，如可生物降解的柔性材料，在一些特定的应用场景（如生物医学领域）中具有潜在的应用价值。

在异质集成过程中，不同功能材料的集成是关键。例如，将具有不同电学性能的半导体材料集成到柔性基板上。以Ⅲ - Ⅴ族和Si基CMOS电子器件的单片异质集成为例，需要解决不同材料之间的晶格匹配、界面态等问题。通过材料的表面处理、中间层的引入等技术手段，可以改善不同材料之间的结合性能，提高异质集成的质量和稳定性。

（二）芯片互连技术

芯片互连技术是实现柔性基板异质集成系统的核心技术之一。在垂直方向上，硅通孔（TSV）或玻璃通孔（TGV）技术被广泛研究和应用。TSV技术通过在芯片上制作垂直的通孔，实现不同芯片层之间的电气连接。它能够有效地提高芯片的集成度，减小封装尺寸。例如，在三维芯片集成中，TSV技术可以将多个功能芯片垂直堆叠在一起，实现信号的高速传输。

在水平方向上，再布线层（RDL）技术发挥着重要作用。RDL可以对芯片表面的电路进行重新布局和连接，以适应不同的功能需求。通过将垂直方向的TSV或TGV与水平方向的RDL相结合，可以实现多尺度、多维度的芯片互连，从而将不同尺寸、材料、制程和功能的Chiplet异质集成整合到1个封装体中，提高带宽、延迟和电源效率等性能指标。

（三）柔性微系统制造技术

柔性微系统制造技术涵盖了从材料制备、器件制造到系统集成的全过程。在材料制备方面，需要精确控制材料的成分、结构和性能。例如，对于一些纳米级别的功能材料，需要采用先进的化学合成方法或物理沉积技术来制备。

在器件制造环节，光刻技术、蚀刻技术等传统的微纳加工技术仍然是关键。但是，由于柔性基板的特殊性质，这些技术需要进行相应的改进。例如，在光刻过程中，需要考虑柔性基板的弯曲性和弹性，选择合适的光刻胶和曝光参数。同时，打印技术也在柔性微系统制造中崭露头角，如喷墨打印技术可以用于在柔性基板上制备导电线路、传感器等功能器件，具有成本低、可大面积制备等优点。

在系统集成方面，如何将各个功能器件（如传感器、执行器、电路芯片等）有效地集成到柔性基板上，并且保证它们之间的协同工作也是一个重要的技术挑战。这需要精确的定位技术、可靠的连接技术以及良好的封装技术。

三、柔性基板异质集成系统技术革新的应用领域

（一）可穿戴设备领域

可穿戴设备是柔性基板异质集成系统技术革新的一个重要应用领域。随着人们对健康监测、智能生活的需求不断增加，可穿戴设备的功能也日益多样化。柔性基板异质集成技术能够为可穿戴设备提供更加轻薄、柔软、舒适的解决方案。

例如，在智能手表中，通过将柔性电路板、传感器（如心率传感器、加速度传感器等）以及微处理器等异质集成到柔性基板上，可以实现更加紧凑的设计。这样不仅可以减小设备的体积和重量，还可以提高设备的性能和可靠性。而且，柔性基板的特性使得智能手表能够更好地贴合人体手腕的形状，提高佩戴的舒适度。

在健康监测方面，柔性的生物传感器可以集成到衣物或者皮肤上。例如，通过将柔性的电化学传感器集成到柔性基板上，制作成可穿戴的汗液传感器，可以实时监测人体的汗液成分，从而获取人体的健康信息，如血糖、电解质平衡等信息。这种基于柔性基板异质集成技术的可穿戴健康监测设备具有便携性、实时性和舒适性等优点，有望在医疗健康领域得到广泛的应用。

（二）智能包装领域

智能包装是另一个具有巨大潜力的应用领域。在现代物流和商品销售中，智能包装可以提供更多的功能和价值。

通过在柔性基板上集成传感器（如温度传感器、湿度传感器、气体传感器等）、标识元件（如射频识别标签，RFID）以及显示元件等，可以实现智能包装的多种功能。例如，温度传感器可以实时监测包装内产品的温度，对于一些对温度敏感的产品（如药品、食品等），可以及时发现温度异常情况，避免产品变质。湿度传感器可以检测包装内的湿度，防止产品受潮。气体传感器可以检测包装内的氧气、二氧化碳等气体浓度，以保证产品的新鲜度。

同时，集成在柔性基板上的RFID标签可以实现产品的追溯和识别。从产品的生产、运输到销售的全过程都可以通过RFID技术进行追踪和管理，提高物流效率和产品管理的智能化水平。而且，柔性基板的使用使得这些智能包装元件可以更好地适应不同形状和大小的包装容器，降低包装成本，提高包装的灵活性。

（三）高性能计算与人工智能领域

在高性能计算和人工智能领域，对硬件设备的性能要求越来越高。柔性基板异质集成系统技术革新为满足这些需求提供了新的途径。

在高性能计算方面，通过将不同功能的芯片（如CPU、GPU、FPGA等）异质集成到柔性基板上，可以构建更加紧凑、高效的计算系统。例如，将高速缓存芯片与处理器芯片紧密集成，可以减少数据传输的延迟，提高计算速度。同时，柔性基板的使用可以为散热设计提供更多的灵活性，有助于解决高性能计算芯片散热困难的问题。

在人工智能领域，柔性基板异质集成技术可以用于构建神经网络处理器等硬件设备。通过将多个具有不同功能的神经元芯片或处理单元集成到柔性基板上，可以实现更加复杂的神经网络结构，提高人工智能算法的运算效率。此外，柔性基板的可弯曲性和可折叠性也为人工智能设备的小型化和便携化提供了可能，例如开发可折叠的智能眼镜等具有人工智能功能的可穿戴设备。

四、柔性基板异质集成系统技术革新的未来趋势

（一）更高的集成度与更小的尺寸

随着电子设备不断朝着小型化、轻量化的方向发展，柔性基板异质集成系统技术也将朝着更高的集成度和更小的尺寸发展。这意味着在未来，将能够在更小的柔性基板面积上集成更多的功能元件，如更多的芯片、传感器和执行器等。

从芯片集成的角度来看，未来可能会实现更多类型芯片的异质集成，不仅仅局限于目前常见的CPU、GPU等。例如，将量子芯片与传统的半导体芯片进行异质集成，有望结合量子计算和经典计算的优势，为高性能计算和信息处理带来革命性的突破。而且，随着制造工艺的不断进步，芯片的特征尺寸将不断缩小，这将进一步提高芯片的集成度。例如，从目前的纳米级工艺向亚纳米级工艺发展，从而在更小的空间内实现更多的功能。

（二）多功能一体化

未来的柔性基板异质集成系统将更加注重多功能一体化的设计。不再是简单地将不同功能的元件集成在一起，而是要实现这些元件之间的协同工作，形成一个有机的整体，提供更加丰富和复杂的功能。

例如，在一个柔性基板上集成的传感器不仅能够感知单一的物理量（如温度或压力），还能够同时感知多种物理量，并通过内置的智能算法进行数据处理和分析，实现对复杂环境的综合监测。在医疗健康领域，多功能一体化的柔性基板异质集成系统可以将生理信号采集、疾病诊断和治疗等功能集成在一起。例如，通过集成生物传感器、微流控芯片和药物释放装置，实现对疾病的实时监测、诊断和治疗一体化的解决方案。

（三）与新兴技术的融合

柔性基板异质集成系统技术革新将与新兴技术不断融合，拓展其应用范围和功能。

一方面，与生物技术的融合将是一个重要的发展方向。例如，将生物传感器与生物组织工程相结合，开发出能够与生物组织更好地交互的柔性电子器件。这些器件可以用于生物体内的监测和治疗，如植入式的生物传感器可以实时监测生物体内的生理参数，为疾病的诊断和治疗提供更加准确的依据。

另一方面，与物联网（IoT）技术的融合也将为柔性基板异质集成系统带来新的机遇。通过将柔性基板异质集成系统与物联网技术相结合，可以实现设备之间的互联互通。例如，在智能家居系统中，将集成有各种传感器和执行器的柔性基板与物联网平台相连，用户可以通过手机或其他智能终端远程控制家中的设备，实现智能化的家居管理。

五、柔性基板异质集成系统技术革新的案例分析

（一）复旦大学芯片院的研究成果

复旦大学芯片与系统前沿技术研究院在柔性/可拉伸电子异质集成领域取得了重要进展。他们基于界面扩散诱导内聚策略开发了电学抗干扰可拉伸异质电子器件与系统，相关成果发表在《Nature Communications》上。

在这个案例中，研究人员面临的挑战是如何在柔性/可拉伸的情况下，实现电子器件的异质集成并且保证其电学性能的稳定性。他们采用的界面扩散诱导内聚策略是一种创新的方法。通过这种策略，能够有效地解决在柔性基板上不同材料之间的结合问题，提高异质集成器件的机械性能和电学性能。

这个成果的意义在于为柔性基板异质集成系统技术在可穿戴设备、生物医学等领域的应用提供了新的技术手段。例如，在可穿戴设备中，可拉伸的特性可以使设备更好地适应人体的运动和变形，而电学抗干扰性能则能够保证设备在复杂的电磁环境下正常工作。在生物医学领域，这种柔性/可拉伸的异质集成器件可以更好地与生物组织贴合，实现对生物电信号等的准确检测。

（二）台积电的封装技术创新

台积电在先进封装技术方面推出了多种创新的封装技术，如CoWoS、InFO、SoIC等，虽然这些技术不完全针对柔性基板异质集成系统，但其中的一些理念和技术手段对柔性基板异质集成技术革新具有借鉴意义。

以CoWoS封装技术为例，它采用了晶圆级封装技术，将芯片集成到晶圆上，然后再将晶圆集成到基板上。这种分层集成的方式可以提高集成度，减小封装尺寸。在柔性基板异质集成系统技术革新中，可以借鉴这种分层集成的思想，将不同功能的芯片或器件先集成到柔性基板的不同层级上，然后再进行整体的优化和封装。

InFO封装技术则注重扇出型的布线结构，这种结构可以有效地增加布线的密度，提高信号传输的效率。对于柔性基板异质集成系统来说，合理的布线结构同样重要。可以借鉴InFO的布线理念，在柔性基板上设计更加高效的布线方案，以满足不同功能元件之间的信号传输需求。

SoIC技术强调系统级的芯片集成，通过将多个芯片集成到一个封装体内，实现系统级的功能优化。在柔性基板异质集成系统中，也可以朝着系统级集成的方向发展，将传感器、处理器、电源管理等功能模块集成到一个柔性基板上，构建一个完整的、功能强大的系统。

FPC柔性电路板清洗：

柔性电路板上存在多种多样的污染物，能够归成离子型与非离子型这两大类。离子型污染物在接触到环境中的湿气后，在通电时会发生电化学迁移，形成树枝状的结构体，导致出现低电阻通路，使柔性电路板的功能受损。非离子型污染物能够穿透 PCB 的绝缘层，在 PCB 板表层下产生枝晶。除了离子型和非离子型污染物之外，还有粒状污染物，像焊料球、焊料槽内的浮点、灰尘以及尘埃等，这些污染物会引发焊点质量下降、焊接时焊点拉尖、产生气孔、短路等各种不良现象。

一般来说，人们觉得清洗表面贴装组件相当困难，这是因为有时表面贴装元件和柔性电路板之间的托高高度很低，形成了极其微小的间隙，有可能截留助焊剂，致使在清洗过程中难以将助焊剂去除。其实，如果在选择清洗工艺和设备时加以留意，并且让焊接和清洁工艺得到恰当的控制，那么清洗表面贴装组件就不应存在问题，即便是使用了具有侵蚀性的助焊剂。然而必须要强调的是，在使用侵蚀性水溶性助焊剂时，良好的工艺控制是必不可少的。

鉴于柔性电路板电子制程精密焊后清洗的不同需求，合明科技在水基清洗领域拥有颇为丰富的经验，针对具有低表面张力、低离子残留、需配合不同清洗工艺使用的情况，自主研发出了相对完整的水基系列产品，精细化地对应涵盖了从半导体封装到 PCBA 组件终端，其中包含水基清洗剂和半水基清洗剂，碱性水基清洗剂以及中性水基清洗剂等。具体体现为，在同等清洗力的条件下，合明科技的兼容性更为优良，兼容的材料更为广泛；在同等兼容性的前提下，合明科技的清洗剂可清洗的锡膏种类更多（经过测试的锡膏品牌有 ALPHA、SMIC、INDIUM、SUPER-FLEX、URA、TONGFANG、JISSYU、HANDA、OFT、WTO 等；经过测试的焊料合金包括 SAC305、SAC307、6337、925 等不同成分），清洗的速度更快，离子残留更低、干净程度更好。