電子學(xué)的未來(lái)：剛性半導體與柔性半導體

長(cháng)期以來(lái)，半導體一直是從智能手機到工業(yè)機器等各個(gè)領(lǐng)域的關(guān)鍵推動(dòng)力，支撐著(zhù)數字化轉型，提高效率和生產(chǎn)力，并推動(dòng)令人興奮的全新消費者體驗。

迄今為止，剛性硅芯片一直主導著(zhù)半導體市場(chǎng)。然而，隨著(zhù)創(chuàng )新者不斷突破可能的界限，基于金屬氧化物或有機半導體等先進(jìn)材料的新型柔性半導體正在成為一種互補技術(shù)。它們?yōu)閺墓I(yè)和醫療保健到消費電子產(chǎn)品等不同領(lǐng)域的新用例鋪平了道路。

但主要區別是什么？隨著(zhù)無(wú)處不在的智能成為現實(shí)，這些互補技術(shù)如何衡量？

剛性半導體與柔性半導體

剛性硅半導體在處理能力方面表現出色，使其成為高性能任務(wù)（如為計算機和智能手機、AI 和自主系統供電）不可或缺的工具。它們專(zhuān)為穩健性而設計，可提供經(jīng)過(guò)驗證的長(cháng)期可靠性，這對于不允許出現故障的任務(wù)關(guān)鍵型應用（如航空航天、汽車(chē)和電信）來(lái)說(shuō)是必不可少的。

但這種表現是以犧牲靈活性為代價(jià)的，無(wú)論是字面上還是比喻上。與硅芯片生產(chǎn)相關(guān)的長(cháng)交貨時(shí)間和高成本通常會(huì )導致規格過(guò)于復雜，從而創(chuàng )造出可用于任何事情的芯片，而不是為特定任務(wù)量身定制。

當然，這是完全合乎邏輯的：如果芯片可能需要數月甚至數年才能交付，那么無(wú)論迫切需求如何，都應使其適合廣泛的用例。但對于某些用例，這就像使用大錘敲碎螺母一樣。雖然硅芯片提供高性能，但它們通常成本高且對環(huán)境影響很大。

那么外形尺寸呢？剛性半導體對于智能手機和計算機等結構化、扁平設計絕對有意義。但是，隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 成為萬(wàn)物互聯(lián) （IoE），一個(gè)期待已久的美麗新世界，智能直接嵌入到日常物品中，靈活性可以為幾乎任何地方添加智能開(kāi)辟新的機會(huì )。

由于重量輕、重量輕、可彎曲，因此柔性半導體（圖 1）可以無(wú)縫集成到具有彎曲或不規則表面的物品中。它們直接嵌入到包裝中，觸摸時(shí)難以察覺(jué)。它們不會(huì )侵占產(chǎn)品品牌，無(wú)法覆蓋或更換，并且足夠堅固，可以承受運輸的嚴酷考驗。而且它們的成本相對較低，因此可以將智能大規模引入大批量產(chǎn)品，從而在需要的地方提供見(jiàn)解。

pic1. 圖為 300 mm FlexIC 晶圓。

萬(wàn)物互聯(lián)

雖然剛性硅芯片無(wú)疑將在未來(lái)一段時(shí)間內主導高功率應用，但柔性半導體引入了一種新的范式：可以在傳統電子設備不具有成本效益甚至不可能的地方增加智能。

這主要是由于它們的制造工藝比標準半導體生產(chǎn)更靈活，并且環(huán)境開(kāi)銷(xiāo)顯著(zhù)降低。它還允許在單個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行端到端生產(chǎn)。因此，生產(chǎn)速度明顯加快——與標準芯片生產(chǎn)數月相比，通常只需幾周。

剛性硅半導體的制備過(guò)程非常復雜，有數百個(gè)步驟，其中許多步驟在極高的溫度下進(jìn)行。其中很大一部分需要準備硅錠，硅錠在蝕刻和切塊成芯片之前從硅錠中切片。另一方面，使用薄膜技術(shù)的柔性半導體只有 30 個(gè)工藝步驟，其中大部分發(fā)生在低于 200°C 的溫度下，并且使用簡(jiǎn)單的聚酰亞胺涂層進(jìn)行晶圓制備。

自然，這種精簡(jiǎn)的工藝消耗的能源、水和有害化學(xué)物質(zhì)更少，從而降低了生產(chǎn)的碳影響。它還顯著(zhù)降低了非經(jīng)常性工程成本。僅這些因素就使這種類(lèi)型的半導體更適合大眾市場(chǎng)應用。然而，快速生產(chǎn)的另一個(gè)好處是它為快速且經(jīng)濟實(shí)惠的定制創(chuàng )造了機會(huì )。

可定制的智能

剛性半導體的定制可能既昂貴又耗時(shí)，但可提供無(wú)與倫比的性能和效率。

相比之下，定制柔性半導體設計（圖 2）既快速又簡(jiǎn)單。設計適合用途，通常不太復雜，為了降低成本、多功能性和適應性，可以接受性能權衡。這使得生成的芯片非常適合特定于應用程序的工作負載，尤其是在邊緣 IoE 用例中。

pic2. Pragmatic Semiconductor 的旗艦制造工廠(chǎng) Pragmatic Park 正在生產(chǎn)中的晶圓。

事實(shí)上，柔性芯片的潛力是巨大的。從食品包裝上用于監控新鮮度的智能標簽，到嵌入運動(dòng)服裝中以跟蹤生物特征的柔性傳感器，它們使電子產(chǎn)品無(wú)縫集成到我們周?chē)氖澜绲奈磥?lái)成為可能。

其可塑性強的外形使其成為智能醫療貼片的理想選擇，這些貼片具有成本效益且佩戴舒適。這些可以進(jìn)行傷口監測——通過(guò)水分/泄漏檢測或溫度、壓力或 pH 值的變化提醒臨床醫生惡化的跡象——或檢測可能預示更嚴重冠狀動(dòng)脈事件的心跳不規則。

它們嵌入到產(chǎn)品包裝中，有助于促進(jìn)順暢、互動(dòng)的消費者互動(dòng)，只需輕按一下智能手機即可訪(fǎng)問(wèn)。它們隱蔽且受到保護，可以即時(shí)訪(fǎng)問(wèn)動(dòng)態(tài)、個(gè)性化的內容，幫助提高忠誠度并使每個(gè)接觸點(diǎn)都成為更豐富的體驗。

展望未來(lái)，它們可以提供新的、強大的方式來(lái)與我們的環(huán)境交互，使監控、檢測和自主決策成為傳感器群的一部分，傳感器群是相互連接的傳感器集群協(xié)同工作以實(shí)時(shí)收集大量數據。在這里，應用既多樣化又具有影響力，從跟蹤氣候變化和監測污染水平到優(yōu)化能耗或增強智慧城市場(chǎng)景中的交通管理。

在虛擬現實(shí)和增強現實(shí) （VR/AR） 應用中，它們可以促進(jìn)將日益復雜的遠程沉浸式和交互式體驗嵌入到更輕便、更實(shí)惠、用戶(hù)友好的眼鏡和耳機中，甚至是電子皮膚中。

它們甚至可能在生物計算中發(fā)揮作用，其中微流體和芯片實(shí)驗室技術(shù)實(shí)現了歷史上需要整個(gè)實(shí)驗室的作。這項創(chuàng )新可以提高科學(xué)研究的效率和成本效益，但它也可以使獲得先進(jìn)診斷和分析工具的機會(huì )民主化，從而有可能改變全球醫療保健和其他領(lǐng)域。

互補智能

簡(jiǎn)而言之，剛性半導體和柔性半導體在我們日益互聯(lián)的世界中發(fā)揮著(zhù)互補但同樣有價(jià)值的作用。柔性半導體不會(huì )取代剛性硅芯片。相反，他們將與他們一起工作，讓創(chuàng )新者為手頭的任務(wù)選擇最好的芯片。

通過(guò)使用柔性芯片實(shí)現低成本、可定制的智能，其快速生產(chǎn)、碳足跡和外形尺寸帶來(lái)優(yōu)勢，我們可以將碳足跡較重的剛性硅芯片解放出來(lái)，用于需要功率和最佳通用性能的工作負載。

電子產(chǎn)品的未來(lái)將建立在剛性半導體的強大證書(shū)和柔性半導體的低成本敏捷性之上，為創(chuàng )新者提供無(wú)限的多功能性和應對設計挑戰的能力，無(wú)論大小。