電子學的未來：剛性半導體與柔性半導體

長期以來，半導體一直是從智能手機到工業機器等各個領域的關鍵推動力，支撐著數字化轉型，提高效率和生產力，并推動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半導體市場。然而，隨著創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材料的新型柔性半導體正在成為一種互補技術。它們為從工業和醫療保健到消費電子產品等不同領域的新用例鋪平了道路。

但主要區別是什么？隨著無處不在的智能成為現實，這些互補技術如何衡量？

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（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。它們專為穩健性而設計，可提供經過驗證的長期可靠性，這對于不允許出現故障的任務關鍵型應用（如航空航天、汽車和電信）來說是必不可少的。

但這種表現是以犧牲靈活性為代價的，無論是字面上還是比喻上。與硅芯片生產相關的長交貨時間和高成本通常會導致規格過于復雜，從而創造出可用于任何事情的芯片，而不是為特定任務量身定制。

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，隨著物聯網 （IoT） 成為萬物互聯 （IoE），一個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會。

由于重量輕、重量輕、可彎曲，因此柔性半導體（圖 1）可以無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，觸摸時難以察覺。它們不會侵占產品品牌，無法覆蓋或更換，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

雖然剛性硅芯片無疑將在未來一段時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更靈活，并且環境開銷顯著降低。它還允許在單個站點進行端到端生產。因此，生產速度明顯加快——與標準芯片生產數月相比，通常只需幾周。

剛性硅半導體的制備過程非常復雜，有數百個步驟，其中許多步驟在極高的溫度下進行。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，使用薄膜技術的柔性半導體只有 30 個工藝步驟，其中大部分發生在低于 200°C 的溫度下，并且使用簡單的聚酰亞胺涂層進行晶圓制備。

自然，這種精簡的工藝消耗的能源、水和有害化學物質更少，從而降低了生產的碳影響。它還顯著降低了非經常性工程成本。僅這些因素就使這種類型的半導體更適合大眾市場應用。然而，快速生產的另一個好處是它為快速且經濟實惠的定制創造了機會。

可定制的智能

剛性半導體的定制可能既昂貴又耗時，但可提供無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 Pragmatic Park 正在生產中的晶圓。

事實上，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，到嵌入運動服裝中以跟蹤生物特征的柔性傳感器，它們使電子產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。這些可以進行傷口監測——通過水分/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脈事件的心跳不規則。

它們嵌入到產品包裝中，有助于促進順暢、互動的消費者互動，只需輕按一下智能手機即可訪問。它們隱蔽且受到保護，可以即時訪問動態、個性化的內容，幫助提高忠誠度并使每個接觸點都成為更豐富的體驗。

展望未來，它們可以提供新的、強大的方式來與我們的環境交互，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同工作以實時收集大量數據。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化能耗或增強智慧城市場景中的交通管理。

在虛擬現實和增強現實 （VR/AR） 應用中，它們可以促進將日益復雜的遠程沉浸式和交互式體驗嵌入到更輕便、更實惠、用戶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揮作用，其中微流體和芯片實驗室技術實現了歷史上需要整個實驗室的作。這項創新可以提高科學研究的效率和成本效益，但它也可以使獲得先進診斷和分析工具的機會民主化，從而有可能改變全球醫療保健和其他領域。

互補智能

簡而言之，剛性半導體和柔性半導體在我們日益互聯的世界中發揮著互補但同樣有價值的作用。柔性半導體不會取代剛性硅芯片。相反，他們將與他們一起工作，讓創新者為手頭的任務選擇最好的芯片。

通過使用柔性芯片實現低成本、可定制的智能，其快速生產、碳足跡和外形尺寸帶來優勢，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載。

電子產品的未來將建立在剛性半導體的強大證書和柔性半導體的低成本敏捷性之上，為創新者提供無限的多功能性和應對設計挑戰的能力，無論大小。