Interfacing Silicon Chips with Printed Inks for Ultra-Stretchable Circuits

Abstract

Circuitos eletrónicos convencionais são compostos por materiais rígidos e quebradiços. No entanto, orgãos biológicos são fundamentalmente moles (soft). Este desfasamento evidente despertou interesse no campo da electrónica deformável, que se foca no desenvolvimento de materiais e métodos de fabrico para circuitos cujas propriedades mecânicas se assemelham às dos tecidos biológicos. Estes esforços têm sido direcionados para a introdução de novos métodos e técnicas de fabrico de formas deformáveis de elétrodos, conectores e sensores. Porém, a funcionalidade de circuitos deformáveis ainda está dependente da utilização de tecnologias de estado sólido (SST), tais como díodos emissores de luz (LEDs) e circuitos integrados (ICs), para aquisição, processamento e comunicação de dados. A integração de SST em circuitos extensíveis introduz uma incompatibilidade mecânica no sistema, o que leva à falha prematura e/ou perda de funcionalidade do circuito quando é aplicada uma deformação. Apesar deste ser o maior obstáculo contra o fabrico escalável de circuitos extensíveis, poucos esforços têm sido direcionados para o combater de forma eficiente, já que as soluções apresentadas são geralmente complexas e trabalhosas. Este trabalho propõe um novo método de interface de componentes rígidos com circuitos deformáveis que lhes permite resistir a um distensão máxima recorde de >600%, 3x superior a qualquer outra técnica publicada. Os circuitos são fabricados através de deposição de uma tinta bifásica inovadora composta por Ag-EGaIn-SIS sobre um copolímero de bloco de estireno-isopreno (SIS). Em seguida, microchips SMD são colocados sobre as conexões utilizando uma máquina pick and place. Uma técnica inovadora de exposição de vapor de tolueno é depois utilizada para causar uma transição duro-mole tanto no substrato de SIS, como na tinta composta por SIS. O microchip consegue então penetrar e aderir à tinta e a estrutura do componente é envolvida na íntegra pelo substrato adesivo. Além de possibilitar a integração de microchips, o tratamento de vapor de tolueno melhora a percolação do compósito condutivo, o que resulta num aumento de 2x na condutividade das pistas do circuito. Exposição ao vapor permite ainda eliminar defeitos como micro-fendas presentes no substrato, possibilitando assim atingir distensões superiores. Para caracterizar a técnica analisou-se um conjunto de parâmetros como a tolerância máxima de distensão e resistência à fadiga. Recorreu-se ainda à microscopia eletrónica de varredura e microscopia ótica para investigar e compreender os mecanismos subjacentes à integração dos components rígidos. Além destas vantagens face ao estado de arte, o método descrito é consideravelmente mais simples que outras técnicas previamente publicadas, constituindo assim um passo importante no fabrico automático e escalável de circuitos deformáveis com integração de microchips. O método foi desenvolvido e demonstrado com sucesso através de um case-study que consistiu em desenvolver um circuito extensível para medição da temperatura da pele. Este circuito foi depois transferido para um tecido de modo a formar um máscara wearable para medição de temperatura do utilizador.

Conventional electronic systems are composed of rigid and brittle materials. Biological organs however are mostly made of soft materials. This conspicuous mismatch sparked interest in the field of stretchable electronics, which focuses on materials and methods for fabrication of thin, soft, and stretchable circuits that can interface a host surface, for instance the human epidermis, and keep their functionality despite the dynamic morphology of the host system. Such efforts mostly focused on the introduction of materials and methods for patterning of stretchable electrodes, interconnects, and sensors. However, the ultimate functionality of these systems remains dependent of solid-state technology (SST), from simple light emitting diodes (LEDs), to packaged integrated circuits (ICs) for data acquisition, processing and communication. Integration of SST into these circuits induces a drastic mechanical mismatch, resulting in premature failure and/or loss of the circuit functionality when strain is applied to the systems. Even though this problem is the main bottleneck against scalable fabrication of stretchable electronics, very few works tried to address it. In addition, the previously presented solutions are complex, labor-intensive and require many fabrication steps. In this work, we proposed a novel method for interfacing SST components into stretchable circuits that can withstand a record-breaking maximum strain tolerance of >600% of strain, 3x higher than any previously reported technique. Circuits are fabricated by printing a novel biphasic Ag-EGaIn-SIS ink over a Styrene-isoprene block copolymers (SIS) substrate. Then, SMD microchips are placed over the interconnects using a pick and place machine. This is followed by an innovative technique of toluene vapor exposure that provokes a hard-soft transition both in the SIS substrate, and in the SIS-containing ink. Then, the microchip penetrates and adheres to the ink, and the body of the component gets surrounded by the adhesive substrate entirely on all of its perimeter. In addition to the microchip integration, the vapor treatment improves the percolation of the conductive composite, resulting in a 2x increment in the conductivity of the printed traces. Furthermore, vapor exposure eliminates defects and micro-cracks present in the substrate, allowing for a higher strain tolerance. To characterize the technique, we analyzed a set of parameters, including maximum strain tolerance and fatigue tolerance. SEM and optical microscopy were as well used to inspect the underlying mechanisms that lead to the integration of the rigid components. In addition to these advantages over state-of-the-art, this method is considerably simpler than previously reported methods, thus paving an important step toward scalable and automated fabrication of microchip-integrated stretchable circuits. An example of application was demonstrated through fabrication of a microchip-integrated stretchable circuit that could measure the skin temperature, or that can be transferred to a textile mask for acquisition and display of the temperature.