柔性电子技术近年来在可穿戴设备、软体机器人、人机交互等领域展现出巨大的市场潜力。然而，传统二维架构在集成密度与性能方面存在固有局限，难以满足日益复杂的应用需求。构建具备三维结构的柔性互连成为重要发展方向。目前，柔性电子的三维互连研究尚处于起步阶段，仍面临材料、结构、界面与信号完整性等多方面挑战。
近日，复旦大学李卓教授团队在《Advanced Materials》上发表题为《Three‐Dimensional Interconnect Technologies for Advanced Flexible Electronics》的综述文章，系统总结了在应对互连材料、层间互连、软硬界面、信号串扰等关键挑战方面的最新进展，展示了三维柔性互连技术的典型应用，并对未来发展方向作出前瞻性展望。
图1 综述框架与核心内容
文章指出，互连材料需兼顾高导电性、大拉伸率、循环变形下的机电稳定性，并实现高密度精细布线。文中系统评述了金属材料、无机纳米材料、导电聚合物及导电复合材料如何通过结构设计、图案化方法或组分调控来应对上述挑战。
图2 结构化金属薄层实现金属互连的可拉伸性
图3 金属化弹性体表面实现金属沉积位置与形态的精确控制，提升拉伸状态导电性
图4 通过润湿性调控、流变改性、相转变及图案化填充通道等方法实现液态金属高分辨率布线
图5 无机纳米材料具备高机械鲁棒性与可调电学性能
图6 导电聚合物具有天然柔性，可通过聚合物共混或小分子添加剂提升机电性能
图7 导电复合材料通过填料类型、形态与体积分数的策略性选择，以及渗透网络与界面相互作用的精细设计，实现机电性能可控调节
层间互连的挑战在于实现多层结构，并在弯曲、扭曲、拉伸等复杂变形下保持导电性与机械完整性。文章将现有层间互连策略归纳为六类并分析其优劣：
侧向互连：沿器件侧面布线。优点：设计简单。缺点：互连密度低、信号路径长、易引入寄生效应。
面面对接互连：采用各向异性导电胶或直接键合技术（如等离子辅助键合、弹性导电微桥、BIND界面技术）。优点：结构简单、制程便捷。缺点：通常仅适用于双层结构。
垂直通孔互连：在柔性层中钻孔并填充导电材料（如焊料、电镀铜、导电胶、液态金属）。优点：高密度、短路径连接。缺点：可能削弱机械性能。
直接3D打印互连线：使用功能性墨水（如银纳米颗粒墨水、液态金属、导电复合材料）直接打印三维导电结构。优点：减薄器件、快速定制。缺点：墨水种类有限、性能要求高。
微通道填充：在弹性体中预制三维微通道网络并注入液态金属。优点：快速构建复杂互连。缺点：微流道加工难度大、存在泄漏风险。
场辅助垂直互连：借助重力、磁场等引导导电材料形成垂直连接。优点：适用于大面积制造。缺点：材料兼容性受限。
图8 3D互连构造策略
刚性电子元件与柔性互连之间实现稳定键合是另一关键挑战。二者模量不匹配易导致界面应力集中，引发疲劳开裂；多层结构中的机械性能、热膨胀系数及工艺差异也会加剧分层风险。文章总结了当前主要应对策略：
传统焊接：具备高粘接强度与导电性。缺点：焊点模量高、应力集中，高温过程可能损伤柔性基底。需选用低熔点无铅焊料并确保焊盘清洁。
液态金属焊接：可实现低温焊接，具备本征可变形性。缺点：结合力较弱，存在泄漏与短路风险，镓基液态金属可能腐蚀金属引脚。
导电胶：弹性体基导电胶兼具电气连接与应力缓冲功能。缺点：粘接强度偏低，可通过引入官能团、使用偶联剂、构建双网络等方式增强。
胶膜：非导电胶膜需与电气连接过程分离；导电胶膜（如各向异性导电膜、热活化/溶剂活化胶膜、BIND膜）可同步实现电气与机械互连，部分支持“即插即用”。
图9 刚性元件与柔性电路的连接
随着集成密度提高，信号串扰问题日益突出。高密度布线使线间距缩小至微米级，拉伸状态下间距进一步减小，导致耦合电容与电感急剧上升。文章梳理了当前缓解策略：
应变隔离：采用局部硬化、软中间层、孔洞结构等抑制应变传递。
信号处理：利用频率编码架构，或通过电压反馈法、零电位法等电路设计消除寄生通路。
布局优化：增大布线间距，优化通孔几何形状与纵横比。
屏蔽设计：采用接地屏蔽通孔（全包围或交错排列）或同轴通孔结构增强隔离。
图10 信号串扰抑制策略
文章进一步展示了三维柔性互连在多个领域的代表性应用：
健康监测：三维互连将多功能单元集成于紧凑贴片系统中，实现高密度、多功能、长期可穿戴监测。
机器人传感：赋予机器人电子皮肤多模态感知能力（压力、应变、温度、湿度），实现类人多模态感知与解耦，增强环境交互能力。
人机交互：多层器件可高密度采集生理电信号，实现高精度意图识别与直观交互。
柔性显示：通过层间通孔连接阳极与阴极布线，实现无交叉、高分辨率、高拉伸性LED显示阵列。
图11 3D互连的应用案例
最后，文章展望了三维柔性互连技术的未来研究方向，包括：1. 超精密层间对准技术；2.可靠的热管理策略；3. 端到端信号完整性保障；4. 标准化接口与模块化架构，支持即插即用与便捷更换。
原文链接：
https://doi.org/10.1002/adma.202510294
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