应用于可穿戴设备领域的柔性混合电路方案

虽然基于刚性PCB板的传统电子电路设计已经成为数字技术时代发展的可靠基础，但这种设计可支持的外形尺寸和功能仍然有限。设备尺寸小型化已经成为业界发展趋势，同时，可穿戴技术和物联网技术迅速发展，创新的脚步已经超越了原有的的改进模式（在这种改进方式下性能提升已经达到了极限），步入了一个崭新的设计理念：柔性电子。

这一波新的技术浪潮也被称为柔性电路，设计思路为将电子组件印刷/安装到介电柔性基底上，从而可以在保持功能完整性的同时对设备进行弯折、卷曲、折叠和拉伸。这种设计使其可以被广泛应用于各种设备，包括传感器、医疗设备、智能纺织品、显示器、柔性电池、光伏技术、照明设备、汽车以及国防设备。电路设计的飞跃性发展使之前在传统模式的限制下无法实现的产品制造成为可能。

图1：Nike+ FuelBand SE WM0110-003内部视图；由Flexible Circuit Technologies设计的柔性电路/ ©Teardown

Nike+ FuelBand SE – Teardown

Nike+ FuelBand SE是一种低能耗蓝牙4.0健身设备，能够戴在用户的手腕上进行身体活动检测和睡眠监测。身体活动情况由3轴MEMS加速度计进行测量并储存，然后在通过腕带的USB连接器或蓝牙连接到手机、平板或电脑后可进行同步。

图2：Nike+ FuelBand SE WM0110-003 内部柔性电路描述/ ©Teardown

柔性电路拥有许多有益的特性，引发了科技界的振奋与关注。与传统形式相比，柔性电路能够进一步降低生产成本，降低能耗，提高性能，同时，可以使用更环保的材料和制造工艺。

另外，这些设计可以对多中功能进行整合，因此可以替代多种标准设计的刚性板或连接器。综合考虑所有因素，很容易理解为什么预测在未来十年内，柔性电路市场将增长近两倍，即到2026年，柔性电路市场的规模将超过690亿美元。

基底的发展

柔性电路设计的改善和进步集中在最具有决定性的特征上：用于与其他电子组件的连接、模压和印刷的柔性基底和导电电路走线薄层。这些基底的功能直接影响了电路的关键性品质，包括电路的柔性、热稳定性、成本、是否易于制造以及性能。聚酰亚胺和聚酯薄膜是柔性电路制造中使用最广泛的基底材料。

杜邦帝人薄膜公司是聚酯薄膜的主要生产商之一，其聚酯薄膜系列产品中的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）薄膜具有很高的稳定性。具体来说，他们的Melinex® (PET) 和Teonex® (PEN)产品是双轴取向的结晶聚酯，已经成为柔性显示器和可印刷电子产品的引线材料。Teonex®在强度、热稳定性、耐水解性和电绝缘性方面性能卓越。

AI Technology开发出一种特有的可焊接的有机覆铜层压板材料，可以在高达300°C的温度下使用，可作为聚酰亚胺基底的替代品。该公司的COUPLER™柔性电路材料具有低介电常数和高耐湿性，有效解决了在聚酰亚胺基底使用中常见的湿气引发的降解问题。AI Technology所列出的成本显示这种材料的成本比传统的聚酰亚胺柔性电路材料节省了50%。

液晶聚合物（LCP）基底已被证实具有稳定的电子性能，可使用于高频应用中，包括医疗、电信、光电和高频互联系统。柔性电路制造商Tech-Etch提供了一种化学刻蚀LCP的先进工艺，可产生与聚酰亚胺薄膜相当的设计自由度。

柔性混合电路

虽然柔性技术有望在未来提供前所未有的功能，但是在目前的发展阶段，传统电路仍具有更高的性能。在柔性技术弥补传统设计性能空白区的同时，柔性混合电路为其在其他性能上的损失提供了一种暂时的解决方案。

这些电路在柔性基底上集成了超薄硅组件（传统设计组件）和印刷导电油墨。柔性混合电路通过利用硅加工的高性能和印刷电路工艺的低成本特点，在当前设计和未来创新之间架起了一座桥梁。所制备出的随形结构在需要柔性性能的可穿戴设备、物联网和医疗应用中有巨大的发展潜力。

图3：带有铂电路的一次性温度记录标签，其中包含NHS3100集成芯片、Enfucell印刷电池和来自Quad Industries的NFC天线/ ©Quad

无论是公共机构还是私企，都对柔性混合电子（FHE）的未来发展有极大的兴趣和投入。由一些公司、学术机构、非盈利组织和政府组成的财团NextFlex于8月31日正式开业，是美国唯一的柔性混合电子（FHE）制造创新研究所。NextFlex位于圣何塞硅谷的中心地带，于2015年获得了DOD 7500万美元的投资用于发展FHE技术。上个月宣布了四个首批接受合同资金的项目，其中一部分资金可能来自DOD：

1.普渡大学/英特格拉生命科学/西密西根大学/印第安纳大学医学院：氧气感应印刷FHE智能伤口敷料。

该敷料将监测伤口处的氧气水平，并且能够在氧气处于低水平时发生响应，向伤口局部输送氧气。适当的氧气水平对伤口的愈合至关重要，并且可以防止伤口进一步恶化及相关并发症的发生。该敷料的结构（来自先前Mostafalu等人于2014年发表的研究）也适用于其他低成本的可穿戴的一次性生物医学诊断设备。

图4：集成了氧气传感器的4层纸基PCB/ ©Mostafalu等

2.加州大学圣地亚哥分校的帕洛阿尔托研究中心（PARC）：带有生物传感器标签的护齿器，可以监测正在接受训练的军人和其他处于高压下的人员疲劳状态的化学指标。

传感器将通过BLE中继数据。传感器技术可以和护齿器进行很好的结合，因为护齿器是军事训练演习所必需的设备，并且要求成本低，且能够易于更换。疲劳监测可以通过对训练和状态表现的监控来帮助军事人员保持安全和健康，未来可能会纳入更多的化学指标。

图5：一个可以监测健康指标（如唾液中的乳酸、皮质醇和尿酸），以无线方式进行信息传输的护齿器/ ©UCSD

3.加州理工大学（Cal Poly）)/捷普电子/杜邦/NovaCentrix：超薄芯片在柔性基底上的组装技术。

为了能够使FHE成功，柔性产品必须具有可靠、高性能、高成本效益的特点。该团队将会寻求一种可行的生产方案，以实现从实验室研究转化到生产车间制造。成果将有助于提高可穿戴监控系统的舒适度和性能，并从整体上使FHE行业受益。

4.宾厄姆顿大学（BU）/GE全球研究所/i3电子/ Infinite Corridor Technologies/罗彻斯特理工学院/亚德诺半导体/康宁公司：无线普适性集成化传感器系统的制造。

该项目专注于通过加速无线普适性集成化传感器系统的制造进程来推进数字化健康和物联网的基础研究。可以预见的是，我们身体内部和外部的环境将受到持续的监控，并通过相关状况的数据反馈来改善个人身体状况，提高工作绩效和生产力。无线集成化传感器系统是普适性监控的基础，BU和GE将致力于提高这些系统的制造技术。

从个人健康状况监控到国防应用，FHE受到了私企和公共机构的资金支持，并成为其研究热点，相关技术正在被快速地进行推动与发展。
编辑：hfy