應(yīng)用于可穿戴設(shè)備領(lǐng)域的柔性混合電路方案

雖然基于剛性PCB板的傳統(tǒng)電子電路設(shè)計(jì)已經(jīng)成為數(shù)字技術(shù)時(shí)代發(fā)展的可靠基礎(chǔ)，但這種設(shè)計(jì)可支持的外形尺寸和功能仍然有限。設(shè)備尺寸小型化已經(jīng)成為業(yè)界發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)，可穿戴技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)迅速發(fā)展，創(chuàng)新的腳步已經(jīng)超越了原有的的改進(jìn)模式（在這種改進(jìn)方式下性能提升已經(jīng)達(dá)到了極限），步入了一個(gè)嶄新的設(shè)計(jì)理念：柔性電子。

這一波新的技術(shù)浪潮也被稱為柔性電路，設(shè)計(jì)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(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行彎折、卷曲、折疊和拉伸。這種設(shè)計(jì)使其可以被廣泛應(yīng)用于各種設(shè)備，包括傳感器、醫(yī)療設(shè)備、智能紡織品、顯示器、柔性電池、光伏技術(shù)、照明設(shè)備、汽車以及國(guó)防設(shè)備。電路設(shè)計(jì)的飛躍性發(fā)展使之前在傳統(tǒng)模式的限制下無(wú)法實(shí)現(xiàn)的產(chǎn)品制造成為可能。

圖1：Nike+ FuelBand SE WM0110-003內(nèi)部視圖；由Flexible Circuit Technologies設(shè)計(jì)的柔性電路/ ?Teardown

Nike+ FuelBand SE – Teardown

Nike+ FuelBand SE是一種低能耗藍(lán)牙4.0健身設(shè)備，能夠戴在用戶的手腕上進(jìn)行身體活動(dòng)檢測(cè)和睡眠監(jiān)測(cè)。身體活動(dòng)情況由3軸MEMS加速度計(jì)進(jìn)行測(cè)量并儲(chǔ)存，然后在通過(guò)腕帶的USB連接器或藍(lán)牙連接到手機(jī)、平板或電腦后可進(jìn)行同步。

圖2：Nike+ FuelBand SE WM0110-003 內(nèi)部柔性電路描述/ ?Teardown

柔性電路擁有許多有益的特性，引發(fā)了科技界的振奮與關(guān)注。與傳統(tǒng)形式相比，柔性電路能夠進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本，降低能耗，提高性能，同時(shí)，可以使用更環(huán)保的材料和制造工藝。

另外，這些設(shè)計(jì)可以對(duì)多中功能進(jìn)行整合，因此可以替代多種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)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(yù)測(cè)在未來(lái)十年內(nèi)，柔性電路市場(chǎng)將增長(zhǎng)近兩倍，即到2026年，柔性電路市場(chǎng)的規(guī)模將超過(guò)690億美元。

基底的發(fā)展

柔性電路設(shè)計(jì)的改善和進(jìn)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(dǎo)電電路走線薄層。這些基底的功能直接影響了電路的關(guān)鍵性品質(zhì)，包括電路的柔性、熱穩(wěn)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(chǎn)商之一，其聚酯薄膜系列產(chǎn)品中的聚對(duì)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(wěn)定性。具體來(lái)說(shuō)，他們的Melinex? (PET) 和Teonex? (PEN)產(chǎn)品是雙軸取向的結(jié)晶聚酯，已經(jīng)成為柔性顯示器和可印刷電子產(chǎn)品的引線材料。Teonex?在強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性、耐水解性和電絕緣性方面性能卓越。

AI Technology開(kāi)發(fā)出一種特有的可焊接的有機(jī)覆銅層壓板材料，可以在高達(dá)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(shù)和高耐濕性，有效解決了在聚酰亞胺基底使用中常見(jiàn)的濕氣引發(fā)的降解問(wèn)題。AI Technology所列出的成本顯示這種材料的成本比傳統(tǒng)的聚酰亞胺柔性電路材料節(jié)省了50%。

液晶聚合物（LCP）基底已被證實(shí)具有穩(wěn)定的電子性能，可使用于高頻應(yīng)用中，包括醫(yī)療、電信、光電和高頻互聯(lián)系統(tǒng)。柔性電路制造商Tech-Etch提供了一種化學(xué)刻蝕LCP的先進(jìn)工藝，可產(chǎn)生與聚酰亞胺薄膜相當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)自由度。

柔性混合電路

雖然柔性技術(shù)有望在未來(lái)提供前所未有的功能，但是在目前的發(fā)展階段，傳統(tǒng)電路仍具有更高的性能。在柔性技術(shù)彌補(bǔ)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)性能空白區(qū)的同時(shí)，柔性混合電路為其在其他性能上的損失提供了一種暫時(shí)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(tǒng)設(shè)計(jì)組件）和印刷導(dǎo)電油墨。柔性混合電路通過(guò)利用硅加工的高性能和印刷電路工藝的低成本特點(diǎn)，在當(dāng)前設(shè)計(jì)和未來(lái)創(chuàng)新之間架起了一座橋梁。所制備出的隨形結(jié)構(gòu)在需要柔性性能的可穿戴設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)和醫(yī)療應(yīng)用中有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

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

無(wú)論是公共機(jī)構(gòu)還是私企，都對(duì)柔性混合電子（FHE）的未來(lái)發(fā)展有極大的興趣和投入。由一些公司、學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)、非盈利組織和政府組成的財(cái)團(tuán)NextFlex于8月31日正式開(kāi)業(yè)，是美國(guó)唯一的柔性混合電子（FHE）制造創(chuàng)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(wàn)美元的投資用于發(fā)展FHE技術(shù)。上個(gè)月宣布了四個(gè)首批接受合同資金的項(xiàng)目，其中一部分資金可能來(lái)自DOD：

1.普渡大學(xué)/英特格拉生命科學(xué)/西密西根大學(xué)/印第安納大學(xué)醫(yī)學(xué)院：氧氣感應(yīng)印刷FHE智能傷口敷料。

該敷料將監(jiān)測(cè)傷口處的氧氣水平，并且能夠在氧氣處于低水平時(shí)發(fā)生響應(yīng)，向傷口局部輸送氧氣。適當(dāng)?shù)难鯕馑綄?duì)傷口的愈合至關(guān)重要，并且可以防止傷口進(jìn)一步惡化及相關(guān)并發(fā)癥的發(fā)生。該敷料的結(jié)構(gòu)（來(lái)自先前Mostafalu等人于2014年發(fā)表的研究）也適用于其他低成本的可穿戴的一次性生物醫(yī)學(xué)診斷設(shè)備。

圖4：集成了氧氣傳感器的4層紙基PCB/ ?Mostafalu等

2.加州大學(xué)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(biāo)簽的護(hù)齒器，可以監(jiān)測(cè)正在接受訓(xùn)練的軍人和其他處于高壓下的人員疲勞狀態(tài)的化學(xué)指標(biāo)。

傳感器將通過(guò)BLE中繼數(shù)據(jù)。傳感器技術(shù)可以和護(hù)齒器進(jìn)行很好的結(jié)合，因?yàn)樽o(hù)齒器是軍事訓(xùn)練演習(xí)所必需的設(shè)備，并且要求成本低，且能夠易于更換。疲勞監(jiān)測(cè)可以通過(guò)對(duì)訓(xùn)練和狀態(tài)表現(xiàn)的監(jiān)控來(lái)幫助軍事人員保持安全和健康，未來(lái)可能會(huì)納入更多的化學(xué)指標(biāo)。

圖5：一個(gè)可以監(jiān)測(cè)健康指標(biāo)（如唾液中的乳酸、皮質(zhì)醇和尿酸），以無(wú)線方式進(jìn)行信息傳輸?shù)淖o(hù)齒器/ ?UCSD

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

為了能夠使FHE成功，柔性產(chǎn)品必須具有可靠、高性能、高成本效益的特點(diǎn)。該團(tuán)隊(duì)將會(huì)尋求一種可行的生產(chǎn)方案，以實(shí)現(xiàn)從實(shí)驗(yàn)室研究轉(zhuǎn)化到生產(chǎn)車間制造。成果將有助于提高可穿戴監(jiān)控系統(tǒng)的舒適度和性能，并從整體上使FHE行業(yè)受益。

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

該項(xiàng)目專注于通過(guò)加速無(wú)線普適性集成化傳感器系統(tǒng)的制造進(jìn)程來(lái)推進(jìn)數(shù)字化健康和物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)研究?？梢灶A(yù)見(jiàn)的是，我們身體內(nèi)部和外部的環(huán)境將受到持續(xù)的監(jiān)控，并通過(guò)相關(guān)狀況的數(shù)據(jù)反饋來(lái)改善個(gè)人身體狀況，提高工作績(jī)效和生產(chǎn)力。無(wú)線集成化傳感器系統(tǒng)是普適性監(jiān)控的基礎(chǔ)，BU和GE將致力于提高這些系統(tǒng)的制造技術(shù)。

從個(gè)人健康狀況監(jiān)控到國(guó)防應(yīng)用，F(xiàn)HE受到了私企和公共機(jī)構(gòu)的資金支持，并成為其研究熱點(diǎn)，相關(guān)技術(shù)正在被快速地進(jìn)行推動(dòng)與發(fā)展。
編輯：hfy