电子学的未来：刚性半导体与柔性半导体

长期以来，半导体一直是从智能手机到工业机器等各个领域的关键推动力，支撑着数字化转型，提高效率和生产力，并推动令人兴奋的全新消费者体验。

迄今为止，刚性硅芯片一直主导着半导体市场。然而，随着创新者不断突破可能的界限，基于金属氧化物或有机半导体等先进材料的新型柔性半导体正在成为一种互补技术。它们为从工业和医疗保健到消费电子产品等不同领域的新用例铺平了道路。

但主要区别是什么？随着无处不在的智能成为现实，这些互补技术如何衡量？

刚性半导体与柔性半导体

刚性硅半导体在处理能力方面表现出色，使其成为高性能任务（如为计算机和智能手机、AI 和自主系统供电）不可或缺的工具。它们专为稳健性而设计，可提供经过验证的长期可靠性，这对于不允许出现故障的任务关键型应用（如航空航天、汽车和电信）来说是必不可少的。

但这种表现是以牺牲灵活性为代价的，无论是字面上还是比喻上。与硅芯片生产相关的长交货时间和高成本通常会导致规格过于复杂，从而创造出可用于任何事情的芯片，而不是为特定任务量身定制。

当然，这是完全合乎逻辑的：如果芯片可能需要数月甚至数年才能交付，那么无论迫切需求如何，都应使其适合广泛的用例。但对于某些用例，这就像使用大锤敲碎螺母一样。虽然硅芯片提供高性能，但它们通常成本高且对环境影响很大。

那么外形尺寸呢？刚性半导体对于智能手机和计算机等结构化、扁平设计绝对有意义。但是，随着物联网 （IoT） 成为万物互联 （IoE），一个期待已久的美丽新世界，智能直接嵌入到日常物品中，灵活性可以为几乎任何地方添加智能开辟新的机会。

由于重量轻、重量轻、可弯曲，因此柔性半导体（图 1）可以无缝集成到具有弯曲或不规则表面的物品中。它们直接嵌入到包装中，触摸时难以察觉。它们不会侵占产品品牌，无法覆盖或更换，并且足够坚固，可以承受运输的严酷考验。而且它们的成本相对较低，因此可以将智能大规模引入大批量产品，从而在需要的地方提供见解。

pic1. 图为 300 mm FlexIC 晶圆。

万物互联

虽然刚性硅芯片无疑将在未来一段时间内主导高功率应用，但柔性半导体引入了一种新的范式：可以在传统电子设备不具有成本效益甚至不可能的地方增加智能。

这主要是由于它们的制造工艺比标准半导体生产更灵活，并且环境开销显著降低。它还允许在单个站点进行端到端生产。因此，生产速度明显加快——与标准芯片生产数月相比，通常只需几周。

刚性硅半导体的制备过程非常复杂，有数百个步骤，其中许多步骤在极高的温度下进行。其中很大一部分需要准备硅锭，硅锭在蚀刻和切块成芯片之前从硅锭中切片。另一方面，使用薄膜技术的柔性半导体只有 30 个工艺步骤，其中大部分发生在低于 200°C 的温度下，并且使用简单的聚酰亚胺涂层进行晶圆制备。

自然，这种精简的工艺消耗的能源、水和有害化学物质更少，从而降低了生产的碳影响。它还显著降低了非经常性工程成本。仅这些因素就使这种类型的半导体更适合大众市场应用。然而，快速生产的另一个好处是它为快速且经济实惠的定制创造了机会。

可定制的智能

刚性半导体的定制可能既昂贵又耗时，但可提供无与伦比的性能和效率。

相比之下，定制柔性半导体设计（图 2）既快速又简单。设计适合用途，通常不太复杂，为了降低成本、多功能性和适应性，可以接受性能权衡。这使得生成的芯片非常适合特定于应用程序的工作负载，尤其是在边缘 IoE 用例中。

pic2. Pragmatic Semiconductor 的旗舰制造工厂 Pragmatic Park 正在生产中的晶圆。

事实上，柔性芯片的潜力是巨大的。从食品包装上用于监控新鲜度的智能标签，到嵌入运动服装中以跟踪生物特征的柔性传感器，它们使电子产品无缝集成到我们周围的世界的未来成为可能。

其可塑性强的外形使其成为智能医疗贴片的理想选择，这些贴片具有成本效益且佩戴舒适。这些可以进行伤口监测——通过水分/泄漏检测或温度、压力或 pH 值的变化提醒临床医生恶化的迹象——或检测可能预示更严重冠状动脉事件的心跳不规则。

它们嵌入到产品包装中，有助于促进顺畅、互动的消费者互动，只需轻按一下智能手机即可访问。它们隐蔽且受到保护，可以即时访问动态、个性化的内容，帮助提高忠诚度并使每个接触点都成为更丰富的体验。

展望未来，它们可以提供新的、强大的方式来与我们的环境交互，使监控、检测和自主决策成为传感器群的一部分，传感器群是相互连接的传感器集群协同工作以实时收集大量数据。在这里，应用既多样化又具有影响力，从跟踪气候变化和监测污染水平到优化能耗或增强智慧城市场景中的交通管理。

在虚拟现实和增强现实 （VR/AR） 应用中，它们可以促进将日益复杂的远程沉浸式和交互式体验嵌入到更轻便、更实惠、用户友好的眼镜和耳机中，甚至是电子皮肤中。

它们甚至可能在生物计算中发挥作用，其中微流体和芯片实验室技术实现了历史上需要整个实验室的作。这项创新可以提高科学研究的效率和成本效益，但它也可以使获得先进诊断和分析工具的机会民主化，从而有可能改变全球医疗保健和其他领域。

互补智能

简而言之，刚性半导体和柔性半导体在我们日益互联的世界中发挥着互补但同样有价值的作用。柔性半导体不会取代刚性硅芯片。相反，他们将与他们一起工作，让创新者为手头的任务选择最好的芯片。

通过使用柔性芯片实现低成本、可定制的智能，其快速生产、碳足迹和外形尺寸带来优势，我们可以将碳足迹较重的刚性硅芯片解放出来，用于需要功率和最佳通用性能的工作负载。

电子产品的未来将建立在刚性半导体的强大证书和柔性半导体的低成本敏捷性之上，为创新者提供无限的多功能性和应对设计挑战的能力，无论大小。