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聚合物基柔性芯片,它来了——刻在聚酰亚胺薄膜上的PlasticARM

2022-11-30 来源:高分子物理学公众号 浏览数:1

近十几年来,随着可穿戴电子设备概念的火爆和物联网技术的兴起,柔性电子器件已经成为数码圈、电子技术领域和材料科学领域的一个热点话题。

其实较为简单的柔性元件早已存在。在十年前的手机上,就已经能够见到以聚酰亚胺柔性基板连接的内部接口,柔性电路基板在现在的电子产品中也已经非常常见了。2013年10月,三星电子将柔性OLED显示面板第一次在手机上展示给了全世界的消费者;2019年,三星电子和华为通信各自实现了完整的柔性触摸屏总成的商业化。

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而2021年7月,英国的芯片设计公司ARM公司及其旗下的PragmatIC公司开发了一款柔性处理器芯片“PlasticARM”,并成功登上了Nature杂志。尽管PragmatIC在过去的二十年间已经开发出许多种简单的柔性电子器件,但PlasticARM与这些产品都有所不同。

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PlasticARM处理器采用ARM Cortex-M0处理器架构,支持32位ARMv6-M精简指令集,时钟频率29KHz,功耗21mW,其中有99%的电能最后以热能形式消耗。物理面积仅59.2平方毫米,采用薄膜晶体管(TFT)制造技术,拥有3个可布线的金属层和13个材料层、18000个逻辑门电路,制程工艺为0.8微米,可以弯曲至3毫米半径。尽管与现有的同样基于ARM架构的硅基芯片在处理性能上相去甚远,比起同等规格的单片机CPU在体积上也臃肿不少,但仍比过去最强大的柔性集成电路复杂12倍,尺寸也算得上小巧。更重要的是,它是第一个具有完整的指令集、完全的计算机功能的无硅处理器。

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PlasticARM处理器的外观以及一般的Cortex-M0+微控制器与PlasticARM的对比,可见两者在功能上已几乎没有区别

PlasticARM将能够被用于各种柔性可穿戴电子器件,以及更大型的集成电路的低功耗控制单元中。

从过去的柔性电路基板到现在的PlasticARM,虽然很少在论文或新闻报道中提及,但这一切成就背后的功臣,是聚酰亚胺薄膜。从最简单的绝缘阻燃胶带,到磁带,再到柔性电路基板和电路板夹层,再到柔性显示屏覆膜,聚酰亚胺薄膜是为电子技术产业量身打造的材料学奇迹。

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聚酰亚胺是一类主链含有酰亚胺结构的工程塑料,通常呈黄色透明,具有较好的力学性能、耐热性、绝缘性和化学稳定性,是“解决问题的能手”。

聚酰亚胺一般采用“两步法”制备。第一步,二元酸酐和二元胺在180℃下发生第一步反应,生成凝胶状的聚酰胺酸。此时薄膜已经基本成形,但同时分子链具有较大流动性,可以进一步进行牵伸等操作。第二步,在300-340℃,聚酰胺酸链上的羧基与仲胺发生反应,脱去一分子水,生成聚酰亚胺。

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聚酰亚胺的两步法合成

聚酰亚胺薄膜具有较好的力学性能,同时也具有阻燃性,还可耐高达280℃的高温,化学稳定性和耐候性都极好。聚酰亚胺介电常数低至3.4,体积电阻高达10^17Ω·cm,超高的绝缘性使得在其上印刷超大规模集成电路成为可能,这也是聚酰亚胺被用于柔性电子器件的最重要的原因。

尽管聚酰亚胺基柔性电子器件已经发展了许多年,但在真正意义上的柔性处理芯片方面才是刚刚起步,距离投入市场应用还需要许多年。29KHz的超低频率、低至1%的电效率,也在提醒着我们这一点。现在而言,这一技术带来的,更多的是新的可能和新的机遇,是国内微电子行业的全新机遇。我国聚酰亚胺生产技术和能力正在不断完善,也拥有了具备芯片设计生产能力的企业。如果能够在柔性芯片领域实现弯道超车,对我国科技实力将无疑又是一次巨大的飞跃。

 

 

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