研究背景:

随着柔性电子学的快速发展，液态金属因其优异的导电性、低毒性和可伸展性，成为了柔性电路和电子器件领域的重要研究对象。现有的柔性电子技术大多基于碳材料、金属氧化物或高分子聚合物等传统材料，在柔性、便携性及生物兼容性上常显不足。相比之下，液态金属不仅具有良好的导电性和流动性，还具备较低的毒性和优异的伸展性，成为实现柔性三维集成电路（3D ICs）的理想材料。然而，液态金属在应用中仍面临挑战，尤其是在高分辨率图案化、层间连接稳定性等方面。传统的制造方法（如丝网印刷和微通道注入）存在精度和复杂度问题，难以满足高精度和高集成度的需求。因此，发展基于3D打印及其他先进技术的液态金属柔性三维电路制造技术，成为该领域的重要研究方向。

亮点Highlights:

• 传统三维集成电路与柔性三维集成电路优势劣势的比较；

• 基于液态金属的柔性三维集成电路简介。

• 基于液态金属的柔性三维集成电路的3D打印方法总结。

• 构建基于液态金属的柔性三维集成电路的先进方法总结。

• 基于液态金属的柔性三维集成电路的应用前景。

文章解读

1. 前言

随着柔性电子技术的飞速发展，液态金属因其优异的导电性、低毒性和良好的可伸展性，逐渐成为柔性电路领域的重要研究方向。液态金属基柔性三维电路作为其中的核心技术之一，展示了在可穿戴设备、智能传感器、医疗监测等领域的巨大潜力。然而，尽管液态金属具备理想的物理特性，其在三维电路图案化、互连设计及稳定性方面依然面临诸多挑战。

图1. 基于液态金属的柔性三维集成电路简述。

2. 3D 打印技术

3D打印技术为液态金属基三维集成电路制造提供了一种高效、精准且可控的加工方式。相较于传统丝网印刷、微通道模塑等方法，3D打印能够在室温下直接沉积液态金属，避免高温加工对柔性基底的损害，同时提升制造精度和设计自由度。直写是最常用的3D打印方法，依赖液态金属的流动性在柔性基底上形成导电路径。然而，由于液态金属的高表面张力和氧化层问题，研究人员开发了氧化层控制技术和表面润湿调控策略，以提高图案化精度和电学稳定性。同轴打印通过共轴喷嘴同步挤出液态金属和柔性封装材料，防止金属因高表面张力聚集成球，提高了电路的机械强度。这一技术特别适用于可拉伸电子和柔性传感器，增强了电路的耐久性和适应性。混合打印结合刚性与柔性制造方法，能够实现高密度3D互连电路。研究人员采用液态金属与纳米复合材料结合打印，成功制备出可编程电子电路，提高了柔性电子的电学和机械性能，为可穿戴电子设备提供了更可靠的解决方案。随着柔性电子向智能化、自适应方向发展，4D打印技术成为液态金属柔性三维集成电路的新兴研究方向。4D打印结合智能材料，使电路能够在外部刺激（如温度、湿度、磁场）下改变形态，实现可重构、可自修复的电子系统。例如，研究人员利用光热响应材料开发了可变形液态金属电路，使其能够根据温度变化自适应重塑，进一步提升了柔性电子设备的功能性。

图2. 液态金属3D打印直写技术。

3. 先进技术

液态金属在柔性三维集成电路制造中的应用受限于高表面张力、氧化问题和层间互连稳定性。为此，研究人员探索了润湿性调控、相变控制和磁性混合等创新技术，以突破传统3D打印的局限，提高制造精度和电路稳定性。润湿性调控技术通过电化学润湿和化学反应润湿优化液态金属的附着能力，使其更容易在柔性基底上形成稳定的导电线路。例如，贵金属润湿技术可通过金属间化合物提高图案分辨率，实现高精度3D布线。相变控制方法利用低温固化和亚冷却技术，使液态金属在固液相之间可逆转变，从而提升其成型能力。这一策略已应用于多层柔性电路和可拉伸传感器，为制造复杂3D电路提供了新的解决方案。磁性混合技术则通过在液态金属中掺入磁性颗粒，使其在外部磁场控制下精确形成导电路径。此外，磁控液态金属开关可用于智能电路的可重构设计，推动液态金属在软体机器人和自适应电子领域的应用。这些技术突破了传统3D打印的限制，使液态金属基三维集成电路更加稳定、可控。

图3. 利用液态金属润湿性构建三维集成电路。

4. 展望

尽管液态金属基三维电路在制造技术上已取得了一些进展，但仍然面临许多挑战，特别是在打印速度、结构稳定性、层间互连和生产可重复性等方面。未来的研究应重点解决这些问题，通过优化工艺和材料配方，提高液态金属电路的性能和一致性。此外，随着AI驱动制造技术和多功能集成电路的不断发展，液态金属基三维电路有望在柔性电子器件领域广泛应用，并推动智能穿戴、智能医疗等新兴产业的发展。

读后感:

本文深入探讨了液态金属在柔性三维集成电路中的应用优势，尤其是在可穿戴和生物电子领域中的潜力。未来，该技术有望推动更加高效、智能的电子设备发展。尽管液态金属基电路的稳定性和耐久性仍是瓶颈，但通过进一步优化3D打印技术和材料改性，有望克服这些挑战，并在未来的研究中进一步提高产品的可重复性和大规模生产能力以造福人类社会。

作者简介

齐殿鹏：教授，哈尔滨工业大学，化工与化学学院，长期以来一直致力于柔性生物界面传感方向的研究工作，主要包括利用液态金属及微纳结构设计制备柔软可拉伸生物界面神经电极，开发高灵敏度、高稳定性柔性应变传感器等。目前已在Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., ACS nano, JACS, Adv. Energy Mater.等国际著名期刊发表SCI论文多篇文章。

陈晓东：新加坡工程院院士、英国皇家化学学会会士，目前任南洋理工大学材料科学与工程学院校长讲席教授，并兼任化学系和医学系教授。长期从事材料化学和表界面化学研究和教学，通过整合化学、材料科学、电子工程、力学、生物工程和数据科学在内的跨学科研究，在柔性生物电子和人工感知的研究中取得了开创性的成就。在包括Nature, Nature Electronics, JACS, Angew. Chem. Int. Ed., Nature Communications等重要学术期刊上发表论文330余篇，引用4万余次，H因子105；并申请/授权专利60项。

基金支持:

本文受中国国家自然科学基金(批准号：52173237和52473255)和黑龙江省自然科学基金(LH2022E051 和 LH2021B009)、哈尔滨工业大学跨学科研究基金(IR2021207)、中央高校基础研究基金(HIT.OCEF.2022018和HIT.NSRIF.202315)、教育部光子与电带隙材料重点实验室开放项目(PEBM202107)的资助。

【文献链接】

Ruiwen Tian, et al. Flexible three-dimensional integrated circuits (3D ICs) based on liquid metal, Wearable Electronics, 2025, 2, 1-17. https://doi.org/10.1016/j.wees.2024.12.001

期刊介绍:

Wearable Electronics是一本全方位关注可穿戴电子领域发展的开放获取型学术期刊，期刊刊发文章涵盖可穿戴电子的基础研究和技术应用两个方面，内容涉猎广泛，刊发文章包括但不限于：与可穿戴电子相关的材料（基底材料、金属互联材料、活性层材料、封装材料等）、功能器件（传感与探测器件、通讯器件、存储器件、显示与发光器件、能量转换与存储器件、数据采集与集成电路等）以及与之相关的先进制造技术及理论研究（建模、仿真、制造、集成、封装以及与可穿戴电子产品相关的应用技术等），致力于应对可穿戴电子领域及其核心技术出现的各类全新挑战。