電子學(xué)的未來：剛性半導(dǎo)體與柔性半導(dǎo)體

長(zhǎng)期以來，半導(dǎo)體一直是從智能手機(jī)到工業(yè)機(jī)器等各個(gè)領(lǐng)域的關(guān)鍵推動(dòng)力，支撐著數(shù)字化轉(zhuǎn)型，提高效率和生產(chǎn)力，并推動(dòng)令人興奮的全新消費(fèi)者體驗(yàn)。

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

但主要區(qū)別是什么？隨著無處不在的智能成為現(xiàn)實(shí)，這些互補(bǔ)技術(shù)如何衡量？

剛性半導(dǎo)體與柔性半導(dǎo)體

剛性硅半導(dǎo)體在處理能力方面表現(xiàn)出色，使其成為高性能任務(wù)（如為計(jì)算機(jī)和智能手機(jī)、AI 和自主系統(tǒng)供電）不可或缺的工具。它們專為穩(wěn)健性而設(shè)計(jì)，可提供經(jīng)過驗(yàn)證的長(zhǎng)期可靠性，這對(duì)于不允許出現(xiàn)故障的任務(wù)關(guān)鍵型應(yīng)用（如航空航天、汽車和電信）來說是必不可少的。

但這種表現(xiàn)是以犧牲靈活性為代價(jià)的，無論是字面上還是比喻上。與硅芯片生產(chǎn)相關(guān)的長(zhǎng)交貨時(shí)間和高成本通常會(huì)導(dǎo)致規(guī)格過于復(fù)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(dāng)然，這是完全合乎邏輯的：如果芯片可能需要數(shù)月甚至數(shù)年才能交付，那么無論迫切需求如何，都應(yīng)使其適合廣泛的用例。但對(duì)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(duì)環(huán)境影響很大。

那么外形尺寸呢？剛性半導(dǎo)體對(duì)于智能手機(jī)和計(jì)算機(jī)等結(jié)構(gòu)化、扁平設(shè)計(jì)絕對(duì)有意義。但是，隨著物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 成為萬物互聯(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辟新的機(jī)會(huì)。

由于重量輕、重量輕、可彎曲，因此柔性半導(dǎo)體（圖 1）可以無縫集成到具有彎曲或不規(guī)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。它們不會(huì)侵占產(chǎn)品品牌，無法覆蓋或更換，并且足夠堅(jiān)固，可以承受運(yùn)輸?shù)膰?yán)酷考驗(yàn)。而且它們的成本相對(duì)較低，因此可以將智能大規(guī)模引入大批量產(chǎn)品，從而在需要的地方提供見解。

pic1. 圖為 300 mm FlexIC 晶圓。

萬物互聯(lián)

雖然剛性硅芯片無疑將在未來一段時(shí)間內(nèi)主導(dǎo)高功率應(yīng)用，但柔性半導(dǎo)體引入了一種新的范式：可以在傳統(tǒng)電子設(shè)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(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體生產(chǎn)更靈活，并且環(huán)境開銷顯著降低。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(biāo)準(zhǔn)芯片生產(chǎn)數(shù)月相比，通常只需幾周。

剛性硅半導(dǎo)體的制備過程非常復(fù)雜，有數(shù)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(zhǔn)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(dǎo)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。它還顯著降低了非經(jīng)常性工程成本。僅這些因素就使這種類型的半導(dǎo)體更適合大眾市場(chǎng)應(yīng)用。然而，快速生產(chǎn)的另一個(gè)好處是它為快速且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的定制創(chuàng)造了機(jī)會(huì)。

可定制的智能

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

相比之下，定制柔性半導(dǎo)體設(shè)計(jì)（圖 2）既快速又簡(jiǎn)單。設(shè)計(jì)適合用途，通常不太復(fù)雜，為了降低成本、多功能性和適應(yīng)性，可以接受性能權(quán)衡。這使得生成的芯片非常適合特定于應(yīng)用程序的工作負(fù)載，尤其是在邊緣 IoE 用例中。

pic2. Pragmatic Semiconductor 的旗艦制造工廠 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(jiān)控新鮮度的智能標(biāo)簽，到嵌入運(yùn)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)品無縫集成到我們周圍的世界的未來成為可能。

其可塑性強(qiáng)的外形使其成為智能醫(yī)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(jiān)測(cè)——通過水分/泄漏檢測(cè)或溫度、壓力或 pH 值的變化提醒臨床醫(yī)生惡化的跡象——或檢測(cè)可能預(yù)示更嚴(yán)重冠狀動(dòng)脈事件的心跳不規(guī)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(fèi)者互動(dòng)，只需輕按一下智能手機(jī)即可訪問。它們隱蔽且受到保護(hù)，可以即時(shí)訪問動(dòng)態(tài)、個(gè)性化的內(nèi)容，幫助提高忠誠(chéng)度并使每個(gè)接觸點(diǎn)都成為更豐富的體驗(yàn)。

展望未來，它們可以提供新的、強(qiáng)大的方式來與我們的環(huán)境交互，使監(jiān)控、檢測(cè)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(shù)據(jù)。在這里，應(yīng)用既多樣化又具有影響力，從跟蹤氣候變化和監(jiān)測(cè)污染水平到優(yōu)化能耗或增強(qiáng)智慧城市場(chǎng)景中的交通管理。

在虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) （VR/AR） 應(yīng)用中，它們可以促進(jìn)將日益復(fù)雜的遠(yuǎn)程沉浸式和交互式體驗(yàn)嵌入到更輕便、更實(shí)惠、用戶友好的眼鏡和耳機(jī)中，甚至是電子皮膚中。

它們甚至可能在生物計(jì)算中發(fā)揮作用，其中微流體和芯片實(shí)驗(yàn)室技術(shù)實(shí)現(xiàn)了歷史上需要整個(gè)實(shí)驗(yàn)室的作。這項(xiàng)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(jī)會(huì)民主化，從而有可能改變?nèi)蜥t(yī)療保健和其他領(lǐng)域。

互補(bǔ)智能

簡(jiǎn)而言之，剛性半導(dǎo)體和柔性半導(dǎo)體在我們?nèi)找婊ヂ?lián)的世界中發(fā)揮著互補(bǔ)但同樣有價(jià)值的作用。柔性半導(dǎo)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。

通過使用柔性芯片實(shí)現(xiàn)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優(yōu)勢(shì)，我們可以將碳足跡較重的剛性硅芯片解放出來，用于需要功率和最佳通用性能的工作負(fù)載。

電子產(chǎn)品的未來將建立在剛性半導(dǎo)體的強(qiáng)大證書和柔性半導(dǎo)體的低成本敏捷性之上，為創(chuàng)新者提供無限的多功能性和應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)的能力，無論大小。