一種新型柔性PCB技術(shù)柔性可拉伸電子系統(tǒng)

周峻霖，夏俊生，陸招揚(yáng)，李壽勝

（華東光電集成器件研究所，安徽 蚌埠 233042）

一種新型柔性PCB技術(shù)柔性可拉伸電子系統(tǒng)

周峻霖，夏俊生，陸招揚(yáng)，李壽勝

（華東光電集成器件研究所，安徽 蚌埠 233042）

柔性可拉伸電子系統(tǒng)是近年來(lái)國(guó)際流行的新技術(shù)。文中介紹了一種柔性PCB技術(shù)及一種可拉伸電子系統(tǒng)。文章首先簡(jiǎn)要分析了嵌入式可拉伸電子系統(tǒng)在醫(yī)學(xué)上的需求，并詳細(xì)闡述該系統(tǒng)的加工技術(shù)，說(shuō)明可拉伸互連結(jié)構(gòu)可通過(guò)在彈性基礎(chǔ)材料之上埋入形狀彎曲的金屬線獲得，使用這種可拉伸技術(shù)，可以獲得50%甚至更高的拉伸率。此后，通過(guò)一些實(shí)例及技術(shù)應(yīng)用證明可以將元件與人體嵌入使用，并介紹了該技術(shù)在介入式醫(yī)療等多個(gè)民用及工業(yè)、無(wú)線通訊領(lǐng)域的應(yīng)用。

柔性PCB；可拉伸電子系統(tǒng)；嵌入式

1 引言

現(xiàn)代科技發(fā)展日新月異，人們?cè)谙硎芨呖萍紟?lái)的無(wú)窮便捷之時(shí)，也由于受到外界過(guò)大生存壓力和工業(yè)化造成的環(huán)境惡化影響，日益受到多種健康問(wèn)題的困擾。根據(jù)國(guó)際衛(wèi)生組織的問(wèn)卷調(diào)查，現(xiàn)代人容易受到三高問(wèn)題（高血壓、高血糖、高血脂）的困擾，從而威脅到個(gè)人健康和工作。如果有一種簡(jiǎn)單易攜帶、可以植入人體的人體基本生理參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（如可植入人體的嵌入式血糖血壓血脂監(jiān)測(cè)儀），將有效改進(jìn)相關(guān)人群健康狀況，起到及時(shí)提醒、警示甚至治療作用，使大量的人群，特別是一些高端人士更好地改善“三高”、解決其他健康問(wèn)題，走出亞健康狀態(tài)。從而不僅使人們獲得個(gè)人健康和家庭幸福，而且促使他們更好地發(fā)揮聰明才智，為公司發(fā)展和國(guó)家建設(shè)乃至構(gòu)筑和諧社會(huì)作出更大貢獻(xiàn)。

在當(dāng)今信息技術(shù)（IT）及“智能環(huán)境”社會(huì)，越來(lái)越多的電子系統(tǒng)在日常生活中得到應(yīng)用。同時(shí)，在生物適用的應(yīng)用領(lǐng)域，電子系統(tǒng)的應(yīng)用也在增長(zhǎng)。就電子系統(tǒng)而言，不管是在人體外的技術(shù)應(yīng)用（人體體表監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，激勵(lì)系統(tǒng)）或是在人體內(nèi)的技術(shù)應(yīng)用（人體嵌入式系統(tǒng)），都具有相當(dāng)復(fù)雜的技術(shù)程度。當(dāng)然，此種功能性的增強(qiáng)不會(huì)影響系統(tǒng)使用者的舒適性。

系統(tǒng)復(fù)雜性不斷加強(qiáng)的過(guò)程應(yīng)與高級(jí)電子封裝和互連技術(shù)方案相結(jié)合，因而出現(xiàn)了很多體積小、重量輕的電子系統(tǒng)，使用時(shí)卻不會(huì)降低使用者舒適程度。而理想的電子系統(tǒng)應(yīng)是使用者幾乎注意不到的。就這一點(diǎn)來(lái)講，電子系統(tǒng)應(yīng)以嵌入目標(biāo)的形式出現(xiàn)。因此，當(dāng)前的主要趨勢(shì)是使用機(jī)械上可彎曲變形的替代品來(lái)取代普通的剛性電子互連基板和組裝結(jié)構(gòu)。在工業(yè)應(yīng)用方面，特別是生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域，這種技術(shù)趨勢(shì)剛剛啟動(dòng)，必須組織大量的研發(fā)工作，以提高柔性電子系統(tǒng)的功能性。

2 柔性可拉伸技術(shù)及電子系統(tǒng)介紹

2.1 柔性可拉伸技術(shù)介紹

目前在機(jī)械上可拉伸的電子系統(tǒng)幾乎不存在。為了達(dá)到最大使用舒適度，對(duì)于很多生物應(yīng)用來(lái)說(shuō)，電子系統(tǒng)不僅要可以彎曲，同時(shí)應(yīng)能拉伸到一定程度，這樣電子系統(tǒng)就可以隨著其嵌入人體內(nèi)部/體表部位的各種動(dòng)作而相應(yīng)地進(jìn)行彎曲。

正是此種生物適應(yīng)性可拉伸柔性材料新技術(shù)平臺(tái)，促進(jìn)了BioFlex技術(shù)項(xiàng)目的提出并進(jìn)而推動(dòng)了研究工作?？梢钥隙ǖ氖?，隨著B(niǎo)ioFlex系統(tǒng)功能不斷增多，不僅要研究材料本身的生物適用性，而且還應(yīng)就材料的質(zhì)地、幾何結(jié)構(gòu)、人體結(jié)構(gòu)兼容性等進(jìn)行研究。自生物適應(yīng)性基板的發(fā)明至今，研究方不僅成功研制出人體植入式系統(tǒng)、可穿用系統(tǒng)，而且從成功研制耳蝸植入系統(tǒng)開(kāi)始，還開(kāi)發(fā)了植入式心臟血管（電擊）去顫器，眼部、心臟和膀胱壓力監(jiān)控器，神經(jīng)監(jiān)控激勵(lì)器，整形外科植入式監(jiān)控器等很多人體植入式裝置。目前在研的多個(gè)產(chǎn)品證明了這種植入式新技術(shù)的優(yōu)越性。隨著人體使用舒適性增強(qiáng)，很多新技術(shù)應(yīng)用將由夢(mèng)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

2.2 可拉伸柔性PCB技術(shù)原理及加工技術(shù)

可拉伸電路可被看作是由許多彈性互連結(jié)構(gòu)串起來(lái)的、獨(dú)立的剛性和柔性的元件組合（見(jiàn)圖1）?？衫旎ミB結(jié)構(gòu)可通過(guò)在彈性基礎(chǔ)材料之上埋入形狀彎曲的金屬線獲得（見(jiàn)圖2）。

使用這種可拉伸技術(shù)，可以獲得50%甚至更高的拉伸率，同時(shí)事實(shí)證明可以將元件與人體嵌入使用（見(jiàn)圖3）。

圖1 連接多個(gè)獨(dú)立的柔性元件之彈性互聯(lián)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 彎曲結(jié)構(gòu)在未拉伸狀態(tài)和拉伸至40%時(shí)狀態(tài)比較圖

圖3 可拉伸溫度計(jì)，證明柔性元件可與人體嵌入式使用

對(duì)于嵌入式系統(tǒng)來(lái)講，可拉伸電子系統(tǒng)必須滿足人體生物適應(yīng)性要求。而電子元件和金屬線必須與身體的生物環(huán)境屏蔽開(kāi)。歐洲微系統(tǒng)技術(shù)中心BioFlex項(xiàng)目恰好關(guān)注到這一方面。目前該研究機(jī)構(gòu)正在進(jìn)行一系列項(xiàng)目研究，對(duì)人體的身體功能進(jìn)行監(jiān)測(cè)。同時(shí)，歐洲微系統(tǒng)技術(shù)中心和根特大學(xué)生物醫(yī)學(xué)系和物理工程系合作，在根特大學(xué)對(duì)可拉伸電子系統(tǒng)人體生物適應(yīng)性展開(kāi)了大量研究。

BioFlex項(xiàng)目核心特征在于它創(chuàng)造性地將一些生物適用層置于柔性基板之上，這些柔性基板中包含有電氣互連和元件。適用的技術(shù)方法有幾種，但其中最簡(jiǎn)單的是單層柔性印刷層的使用、上面覆蓋了氣密封裝的生物適用層。一旦此目標(biāo)達(dá)到后，下一步工作是將此單層上的元件集成進(jìn)電路。為了保證氣密性，可使用一種精心制作的三明治結(jié)構(gòu)，它能夠同時(shí)完成元件氣密封裝和系統(tǒng)內(nèi)部互連。因而，這種三明治結(jié)構(gòu)包含了兩層相對(duì)放置的柔性印刷層以及在兩層之間分布的較薄元件。而最終需加一層氣密封裝的生物適用層，從而可用于人體生物使用環(huán)境。

研究的下一步工作是不僅要保證基片的柔性，同時(shí)它還應(yīng)可以拉伸。這種特性本身就是一個(gè)挑戰(zhàn)，同時(shí)它也是提議研究的BioFlex項(xiàng)目之主要技術(shù)焦點(diǎn)所在。研究人員將努力選用并研制一系列適用的聚合物材料，同時(shí)組織研究并實(shí)現(xiàn)電氣互連的淀積工藝或涂覆工藝加工。最終加工結(jié)果將形成類似于初始狀態(tài)（單一柔性）的柔性基板，標(biāo)準(zhǔn)可拉伸度為10%，同時(shí)獲得盡可能小的電子模量。

在柔性材料的批量生產(chǎn)中，單面柔性材料間距達(dá)到50μm，而雙面柔性材料間距達(dá)70μm。圖4給出了一個(gè)LCD柔性互連產(chǎn)品的例證，間距為50μm。在高端消費(fèi)品中，一般需要用到多層結(jié)構(gòu)，如便攜式攝像機(jī)，同時(shí)當(dāng)前最新研發(fā)的技術(shù)成果已被用于第二代游戲機(jī)/站主板（Playstation 2）。后者是一個(gè)10層的柔性板疊層，包括6層的核心結(jié)構(gòu)和2個(gè)連續(xù)的疊層結(jié)構(gòu)。所有剛性基板的技術(shù)特征，包括表面通孔、焊盤上通孔及錯(cuò)位分布通孔等在柔性材料上也可以實(shí)現(xiàn)。目前世界上只有遠(yuǎn)東地區(qū)的幾個(gè)生產(chǎn)商能提供此種柔性技術(shù)產(chǎn)品，而歐洲生產(chǎn)商的產(chǎn)能遠(yuǎn)不及遠(yuǎn)東幾家公司，特別是需要批量生產(chǎn)柔性基板時(shí)。

圖4 一種間距為50μm的 LCD柔性互連產(chǎn)品多層結(jié)構(gòu)

2.3 目前柔性PCB加工技術(shù)中存在的限制因素

雖然柔性基板及組件技術(shù)在業(yè)界已成為發(fā)展的必然趨勢(shì)，但當(dāng)前技術(shù)上尚存在一些限制。

通常來(lái)說(shuō)，柔性基板是一個(gè)三層的層壓結(jié)構(gòu)，其中有一層銅片（第一層，標(biāo)準(zhǔn)最小厚度為12μm），使用一層粘接材料（第三層）黏附并層壓到一層聚酰亞胺負(fù)載材料上（第二層）。由于一些機(jī)械方面的局限因素，如在層壓時(shí)可能會(huì)因?yàn)殂~層太薄而斷開(kāi)，故使用太薄的銅層是不可行的。目前這種三層的層壓結(jié)構(gòu)很流行，但存在以下局限性：

（1）由于導(dǎo)體間距最小限量為40μm ～50μm，故銅層的凹形刻蝕（濕法刻蝕）是和銅片厚度成比例的（或相等的）。

（2）銅層厚度決定了基板彎曲半徑的最低限度。

（3）使用粘合劑對(duì)于高級(jí)組裝技術(shù)應(yīng)用的可行性和可靠性均有負(fù)面影響，如粘合劑用于倒裝焊接（當(dāng)?shù)寡b芯片進(jìn)行熱壓時(shí)，粘合劑壓層會(huì)熔融）。

（4）由于適用粘接劑數(shù)量有限，三層的層壓結(jié)構(gòu)價(jià)格不斷攀升。同時(shí)，市場(chǎng)上也有兩層的層壓結(jié)構(gòu)，此種產(chǎn)品中金屬銅是被直接淀積到聚酰亞胺材料上，而不使用粘接劑。由于加工工藝復(fù)雜，這些層壓產(chǎn)品價(jià)格較高。問(wèn)題的關(guān)鍵在于要將金屬銅層（或其他別種金屬層）黏附到聚酰亞胺材料表面，而金屬和此種材料間的粘接強(qiáng)度通常很低。而在當(dāng)前生產(chǎn)環(huán)境中要制造兩層的聚酰亞胺層壓結(jié)構(gòu)，需要足夠的附著強(qiáng)度。而當(dāng)前在生產(chǎn)中要加工出具有足夠附著力的雙層層壓結(jié)構(gòu)，需要首先在聚酰亞胺的表面進(jìn)行處理，具體處理方式有：離子處理法，之后進(jìn)一步使用薄膜淀積法（濺射）即可將金屬銅淀積到處理后的（具更高活性的）聚酰亞胺表面，然后再進(jìn)一步用電鍍法增加銅鍍層的厚度。這樣一來(lái)，使用較細(xì)間距銅鍍層的加工是可行的，但真空工藝的使用（離子處理，濺射）大大增加了產(chǎn)品成本。另一種兩層層壓結(jié)構(gòu)的加工方法（日本公司使用）是將液態(tài)的聚酰亞胺層沉積到銅膜表面，之后在高溫氮?dú)鈼l件下再完成類似酰亞胺工藝。這種加工工藝成本較低，但出于機(jī)械方面限制因素，對(duì)金屬銅層的厚度值還有一個(gè)最低要求，同時(shí)也須給出可加工的最小間距值。

（5）本文中介紹的樣品采用熱塑性聚酰亞胺膠粘劑加工兩個(gè)單層材料的層壓板，以獲得雙面板材料。目前，樣品加工的兩層層壓結(jié)構(gòu)最低銅鍍層厚度為12μm。

以上我們通過(guò)例證，介紹了可拉伸柔性基板的加工技術(shù)。

2.4 柔性PCB加工中的關(guān)鍵技術(shù)

2.4.1 制模技術(shù)

電子系統(tǒng)可被埋藏進(jìn)可拉伸材料，而要獲得不同形狀的可拉伸材料，需要制備每一種可拉伸材料的模板。在制造這些經(jīng)模具成形的可拉伸材料時(shí)，要特別注意去除氣泡。在剛性元件放置的地方，相關(guān)放置區(qū)域應(yīng)有意識(shí)地做厚些，以便局部區(qū)域拉伸性稍小些（見(jiàn)圖5）。

2.4.2 可透氣&可清洗的技術(shù)

由于可拉伸材料隨著投入使用日久，會(huì)逐漸老化；因此我們應(yīng)使材料變得或多或少地具有可透氣性，因而這些電子系統(tǒng)穿起來(lái)將更舒適。我們想把不同種類的人造材料、尤其是非紡織類紡織品材料集成在一起； 在我們的電路設(shè)計(jì)中，這些材料可與標(biāo)準(zhǔn)的可拉伸材料共同使用。

圖5 用以獲得不同可拉伸材料形狀的模具

在柔性可拉伸材料技術(shù)研究中，電路被埋入一層可拉伸的聚合物材料后，便具有了防水性能（見(jiàn)圖6）。研究人員甚至可以對(duì)可拉伸的電子系統(tǒng)進(jìn)行清洗。此后，the SWEET-project項(xiàng)目誕生?？汕逑茨芰?duì)于使用我們的技術(shù)，應(yīng)用于醫(yī)療保健領(lǐng)域具有重要的意義。電子系統(tǒng)在被再次使用前，可以進(jìn)行無(wú)菌化處理，甚至進(jìn)行清洗。因此，在紡織品技術(shù)上，能夠更便捷地將衣服和集成在其上的電子系統(tǒng)一同清洗也是一項(xiàng)相當(dāng)重要的技術(shù)特性。

圖6 可拉伸的LED電路（嵌入PDMS材料中）

2.5 可拉伸材料技術(shù)例證

歐洲跨院校微電子中心（Centre for Microsystems Technology，Leuven，Belgium）和根特大學(xué)（Universtity of Ghent，Belgium）的研究人員于2008年設(shè)計(jì)并制造出了一種柔性互連電路，這種電路可以實(shí)現(xiàn)伸縮率達(dá)50%～100%，而不影響電阻值。該研究是歐盟SWEET（嵌入紡織物的可伸縮可洗滌電子電路）項(xiàng)目的一部分，科學(xué)家們希望所研究的可伸縮互連技術(shù)能夠形成具有彈性、可洗滌的電子電路和器件，以便將其植入皮膚下或者集成到衣服和其他織物內(nèi)。下面是應(yīng)用可拉伸材料技術(shù)，進(jìn)行設(shè)計(jì)并制造的產(chǎn)品實(shí)例及一些當(dāng)前正在進(jìn)行可拉伸材料技術(shù)研究的樣品。圖7為使用該技術(shù)研發(fā)的可伸縮、彎曲柔性FPCB電路高精密體溫計(jì)（實(shí)例1）。圖8展示的一種無(wú)線電線路，分別是由PDMS中的內(nèi)埋感應(yīng)線圈供電的LED和同一種埋入PDMS的帶LED感應(yīng)線圈，均具有良好的防水性能。

2.5.1 實(shí)例1：可拉伸體溫計(jì)

圖7 可拉伸體溫計(jì)

2.5.2 實(shí)例2：無(wú)線電線路

在 BioFlex-project項(xiàng)目研究框架中，研究團(tuán)隊(duì)使用可拉伸技術(shù)設(shè)計(jì)了一種無(wú)線電線路。由于外部蛇形管和埋入的蛇形管之間存在感應(yīng)電傳輸，試驗(yàn)中一個(gè)發(fā)光二極管（LED）亮起。這種技術(shù)應(yīng)用同樣也說(shuō)明了可拉伸材料具有防水性能。

圖8 由PDMS中內(nèi)埋感應(yīng)線圈供電的LED（左）及同一種埋入PDMS的帶LED感應(yīng)線圈（右）

在進(jìn)行以上可拉伸技術(shù)研究的同時(shí)，歐洲微系統(tǒng)中心和根特大學(xué)的研究人員還在就可拉伸材料加熱器、可拉伸材料手表、可拉伸材料波導(dǎo)和天線產(chǎn)品（微波應(yīng)用）、可拉伸材料出版物等技術(shù)進(jìn)行著卓有成效的探索。可以預(yù)計(jì)，柔性可拉伸電子系統(tǒng)無(wú)論是在介入式醫(yī)療監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，還是關(guān)及人們社會(huì)生活領(lǐng)域、微波通訊乃至軍用通信系統(tǒng)等方面都將發(fā)揮巨大作用。

3 柔性PCB電路優(yōu)勢(shì)

當(dāng)前在微電子業(yè)，很多軍工產(chǎn)品已轉(zhuǎn)向消費(fèi)電子和無(wú)線通訊電子，客觀上要求高性能材料和工藝在不犧牲產(chǎn)品性能的前提下要盡可能降低成本。當(dāng)前厚膜技術(shù)使用的多層材料系統(tǒng)符合消費(fèi)類電子和無(wú)線通訊電子產(chǎn)品性能要求，但在某些應(yīng)用下由于氧化鋁基板的易碎性可能無(wú)法滿足機(jī)械耐久性的要求。而如使用不銹鋼基板材料，其機(jī)械耐久性佳，同時(shí)具耐腐蝕、耐氧化作用及可形成復(fù)雜形狀基板的能力，但其與柔性PCB板相比較，卻不具有基板加工靈活性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。在民用生活、軍民用微波通訊等領(lǐng)域，通過(guò)綜合比較幾種基板材料的特性，具有成本優(yōu)越性的柔性PCB基板具有柔性好、重量輕、基板成形可變性能佳等多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，成為眾多產(chǎn)品使用的首選。

在未來(lái)數(shù)年中，更小、更復(fù)雜和組裝造價(jià)更高的柔性電路將要求更新穎的方法組裝，并需增加混合柔性電路。對(duì)于柔性電路工業(yè)的挑戰(zhàn)是利用其技術(shù)優(yōu)勢(shì)，保持與計(jì)算機(jī)、遠(yuǎn)程通信、消費(fèi)需求以及活躍的市場(chǎng)同步。

4 結(jié)束語(yǔ)

國(guó)內(nèi)業(yè)界各大科研院所以及長(zhǎng)三角、珠三角地區(qū)的電子廠，在厚膜混合集成電路和模塊PCB組件產(chǎn)品組封裝生產(chǎn)方面已具有豐富的設(shè)計(jì)和工藝加工經(jīng)驗(yàn)，很多單位在多層陶瓷基板、薄膜制造技術(shù)方面已掌握國(guó)際主流技術(shù)；通過(guò)加強(qiáng)與歐洲研究機(jī)構(gòu)（如根特大學(xué)歐洲微電子中心）合作、促進(jìn)國(guó)內(nèi)及東南亞（特別是日本）柔性PCB生產(chǎn)公司交流，并對(duì)當(dāng)前SMT生產(chǎn)設(shè)施升級(jí)，增加柔性基板加工設(shè)備和工藝監(jiān)控儀器，通過(guò)不斷學(xué)習(xí)、創(chuàng)新，一定會(huì)促進(jìn)柔性基板技術(shù)廣泛應(yīng)用于軍民品電路，從而不斷改進(jìn)我國(guó)人民生活質(zhì)量。同時(shí)，柔性電路將在無(wú)鉛化行動(dòng)中起到重要作用，將使我們的柔性電路產(chǎn)品更便捷地跨越貿(mào)易壁壘，占領(lǐng)歐美消費(fèi)市場(chǎng)份額，同時(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)能、健康、環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。隨著綠色、節(jié)能和環(huán)保成為世界的主流，人們?cè)谏钇鹁?、家庭娛?lè)、社會(huì)生活中將越來(lái)越多地采用可折疊報(bào)紙、鍵盤、個(gè)人數(shù)據(jù)集成助理器等，柔性PCB產(chǎn)品將變得如同移動(dòng)電話一樣普及、不可或缺。

[1] 歐洲微系統(tǒng)研究中心.柔性可拉伸材料介紹[EB/OL].http∶//tfcg.elis.ugent.be/projects/stretchable.html.

[2] Centre for Microsystems Technology. Smart High Integration Flex Technology[A]. ELINTEC-TFCG.Technologiepark 914，B-9052 Gent, Belgium/Universiteit GENT, Electronika en Informatiesystemen.

[3] 混合微電路技術(shù)手冊(cè)——材料、工藝、設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和生產(chǎn)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

A New Flexible PCB Technology Flexible Stretchable Electronic System

ZHOU Jun-lin, XIA Jun-sheng, LU Zhao-yang, LI Shou-sheng
（East China Institute of Photo-elecron ICs,Bengbu233042,China）

The fl exible stretchable electronic system has been popular internationally in recent years. This paper introduces a fl exible PCB technology, and a fl exible stretchable electronic system. It starts with the medical requirements of embedded stretchable electronic system, also the paper introduced the processing technology in details, with the focus to describe the technology of embedded winding metal wires in fl exible base material to achieve fl exible interconnected construction of 50% fl exible ratio or more. Moreover, the paper borrows some examples in proving the feasibility of implanting & application of fl exible PCB parts into human body, with a elaboration of its wide uses in implantable medical application, other civil and wireless communication fi elds.

fl exible PCB; stretchable electronic system; implantable

TN304

A

1681-1070（2011）09-0043-05

2011-06-13

周峻霖（1974—），男，安徽蚌埠人，工程師，現(xiàn)就職于中國(guó)兵器第214研究所，主要從事HIC厚膜混合集成電路制造工藝研究，具有豐富的HIC及MCM混合組裝研究經(jīng)驗(yàn)。