應用于可穿戴設備領域的柔性混合電路方案

雖然基于剛性PCB板的傳統電子電路設計已經成為數字技術時代發展的可靠基礎，但這種設計可支持的外形尺寸和功能仍然有限。設備尺寸小型化已經成為業界發展趨勢，同時，可穿戴技術和物聯網技術迅速發展，創新的腳步已經超越了原有的的改進模式（在這種改進方式下性能提升已經達到了極限），步入了一個嶄新的設計理念：柔性電子。

這一波新的技術浪潮也被稱為柔性電路，設計思路為將電子組件印刷/安裝到介電柔性基底上，從而可以在保持功能完整性的同時對設備進行彎折、卷曲、折疊和拉伸。這種設計使其可以被廣泛應用于各種設備，包括傳感器、醫療設備、智能紡織品、顯示器、柔性電池、光伏技術、照明設備、汽車以及國防設備。電路設計的飛躍性發展使之前在傳統模式的限制下無法實現的產品制造成為可能。

圖1：Nike+ FuelBand SE WM0110-003內部視圖；由Flexible Circuit Technologies設計的柔性電路/ ?Teardown

Nike+ FuelBand SE – Teardown

Nike+ FuelBand SE是一種低能耗藍牙4.0健身設備，能夠戴在用戶的手腕上進行身體活動檢測和睡眠監測。身體活動情況由3軸MEMS加速度計進行測量并儲存，然后在通過腕帶的USB連接器或藍牙連接到手機、平板或電腦后可進行同步。

圖2：Nike+ FuelBand SE WM0110-003 內部柔性電路描述/ ?Teardown

柔性電路擁有許多有益的特性，引發了科技界的振奮與關注。與傳統形式相比，柔性電路能夠進一步降低生產成本，降低能耗，提高性能，同時，可以使用更環保的材料和制造工藝。

另外，這些設計可以對多中功能進行整合，因此可以替代多種標準設計的剛性板或連接器。綜合考慮所有因素，很容易理解為什么預測在未來十年內，柔性電路市場將增長近兩倍，即到2026年，柔性電路市場的規模將超過690億美元。

基底的發展

柔性電路設計的改善和進步集中在最具有決定性的特征上：用于與其他電子組件的連接、模壓和印刷的柔性基底和導電電路走線薄層。這些基底的功能直接影響了電路的關鍵性品質，包括電路的柔性、熱穩定性、成本、是否易于制造以及性能。聚酰亞胺和聚酯薄膜是柔性電路制造中使用最廣泛的基底材料。

杜邦帝人薄膜公司是聚酯薄膜的主要生產商之一，其聚酯薄膜系列產品中的聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）薄膜具有很高的穩定性。具體來說，他們的Melinex? (PET) 和Teonex? (PEN)產品是雙軸取向的結晶聚酯，已經成為柔性顯示器和可印刷電子產品的引線材料。Teonex?在強度、熱穩定性、耐水解性和電絕緣性方面性能卓越。

AI Technology開發出一種特有的可焊接的有機覆銅層壓板材料，可以在高達300°C的溫度下使用，可作為聚酰亞胺基底的替代品。該公司的COUPLER?柔性電路材料具有低介電常數和高耐濕性，有效解決了在聚酰亞胺基底使用中常見的濕氣引發的降解問題。AI Technology所列出的成本顯示這種材料的成本比傳統的聚酰亞胺柔性電路材料節省了50%。

液晶聚合物（LCP）基底已被證實具有穩定的電子性能，可使用于高頻應用中，包括醫療、電信、光電和高頻互聯系統。柔性電路制造商Tech-Etch提供了一種化學刻蝕LCP的先進工藝，可產生與聚酰亞胺薄膜相當的設計自由度。

柔性混合電路

雖然柔性技術有望在未來提供前所未有的功能，但是在目前的發展階段，傳統電路仍具有更高的性能。在柔性技術彌補傳統設計性能空白區的同時，柔性混合電路為其在其他性能上的損失提供了一種暫時的解決方案。

這些電路在柔性基底上集成了超薄硅組件（傳統設計組件）和印刷導電油墨。柔性混合電路通過利用硅加工的高性能和印刷電路工藝的低成本特點，在當前設計和未來創新之間架起了一座橋梁。所制備出的隨形結構在需要柔性性能的可穿戴設備、物聯網和醫療應用中有巨大的發展潛力。

圖3：帶有鉑電路的一次性溫度記錄標簽，其中包含NHS3100集成芯片、Enfucell印刷電池和來自Quad Industries的NFC天線/ ?Quad

無論是公共機構還是私企，都對柔性混合電子（FHE）的未來發展有極大的興趣和投入。由一些公司、學術機構、非盈利組織和政府組成的財團NextFlex于8月31日正式開業，是美國唯一的柔性混合電子（FHE）制造創新研究所。NextFlex位于圣何塞硅谷的中心地帶，于2015年獲得了DOD 7500萬美元的投資用于發展FHE技術。上個月宣布了四個首批接受合同資金的項目，其中一部分資金可能來自DOD：

1.普渡大學/英特格拉生命科學/西密西根大學/印第安納大學醫學院：氧氣感應印刷FHE智能傷口敷料。

該敷料將監測傷口處的氧氣水平，并且能夠在氧氣處于低水平時發生響應，向傷口局部輸送氧氣。適當的氧氣水平對傷口的愈合至關重要，并且可以防止傷口進一步惡化及相關并發癥的發生。該敷料的結構（來自先前Mostafalu等人于2014年發表的研究）也適用于其他低成本的可穿戴的一次性生物醫學診斷設備。

圖4：集成了氧氣傳感器的4層紙基PCB/ ?Mostafalu等

2.加州大學圣地亞哥分校的帕洛阿爾托研究中心（PARC）：帶有生物傳感器標簽的護齒器，可以監測正在接受訓練的軍人和其他處于高壓下的人員疲勞狀態的化學指標。

傳感器將通過BLE中繼數據。傳感器技術可以和護齒器進行很好的結合，因為護齒器是軍事訓練演習所必需的設備，并且要求成本低，且能夠易于更換。疲勞監測可以通過對訓練和狀態表現的監控來幫助軍事人員保持安全和健康，未來可能會納入更多的化學指標。

圖5：一個可以監測健康指標（如唾液中的乳酸、皮質醇和尿酸），以無線方式進行信息傳輸的護齒器/ ?UCSD

3.加州理工大學（Cal Poly）)/捷普電子/杜邦/NovaCentrix：超薄芯片在柔性基底上的組裝技術。

為了能夠使FHE成功，柔性產品必須具有可靠、高性能、高成本效益的特點。該團隊將會尋求一種可行的生產方案，以實現從實驗室研究轉化到生產車間制造。成果將有助于提高可穿戴監控系統的舒適度和性能，并從整體上使FHE行業受益。

4.賓厄姆頓大學（BU）/GE全球研究所/i3電子/ Infinite Corridor Technologies/羅徹斯特理工學院/亞德諾半導體/康寧公司：無線普適性集成化傳感器系統的制造。

該項目專注于通過加速無線普適性集成化傳感器系統的制造進程來推進數字化健康和物聯網的基礎研究?？梢灶A見的是，我們身體內部和外部的環境將受到持續的監控，并通過相關狀況的數據反饋來改善個人身體狀況，提高工作績效和生產力。無線集成化傳感器系統是普適性監控的基礎，BU和GE將致力于提高這些系統的制造技術。

從個人健康狀況監控到國防應用，FHE受到了私企和公共機構的資金支持，并成為其研究熱點，相關技術正在被快速地進行推動與發展。
編輯：hfy