電子產品的未來形態：彎曲，柔性，可拉伸和三維電子

電子產品的未來形態：彎曲，柔性，可拉伸和三維電子

許多新興市場都要求將電子產品無縫集成到柔性，彎曲甚至可拉伸的表面中，例如汽車（儀表板，照明，傳感器），智能建筑（照明立面，空氣質量，太陽能電池板），醫療（保健補丁， X射線，分析）和智能服裝（位置跟蹤，運動）。對重量輕，占用空間少，適合且易于集成到現有設計中的產品的需求將帶來改進的用戶界面。此外，該產品應具有成本效益高，耗材少的強大功能，并且該技術應與物聯網（IoT）路線圖保持一致，具有可任意物體電子化、無線化和可追蹤性。而柔性印刷電子則為此提供了全方位的技術支撐。

1、印刷電子優勢

印刷電子產品通過在聚合物膜上創建印刷電路并利用傳統的圖形印刷技術（例如絲網印刷和噴墨印刷）在薄片或卷形式的箔上創建電路，從而為應用提供智能表面。

印刷電子產品的明顯優勢是可以實現的速度。例如，霍爾斯特中心有一個卷對卷絲網印刷設備，其最大運行速度為每分鐘60米，可在卷筒上直接形成無縫電路（圖1和2）。金屬油墨的光子燒結可以在約130°C的受控溫度下保持較高的運行速度，以防止箔片熔化。結合卷對卷打印，取放組裝技術可以將電子元件放置在卷筒上。導電粘合劑通常用作互連。

交叉和過孔可以通過交替交替的導電層和介電層進行印刷，這些層可以保持類似PCB的結構，而現在只能成卷進行。所有聚合物箔材料都是適用于印刷電子產品的基材。聚酯（例如聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚環烷酸聚乙烯（PEN）），橡膠狀材料（熱塑性聚氨酯或TPU），甚至紙張，都是印刷電子產品的已知基材。這些材料的低成本立即顯示出印刷電子產品的第二個優勢。

印刷電子產品的第三個好處是能夠改變PCB的形狀因數。箔很容易通過彎曲，軋制，切割和層壓成型為所需的形狀。這樣，電子設備可以輕松地集成到示例中，例如服裝，建筑和人體應用。

印刷也可以是無縫的，有效地沒有起點和終點，因此PCB的尺寸僅受卷的長度和寬度的限制。LED箔片在Holst中心印刷，長度為300 m，寬度為30 cm。LED箔片的間距為5厘米，用作室內應用的墻紙光源。

2、印制電子產品技術

作為一個成熟的行業，PCB生產遵循高度標準化的程序和設計規則，形成了穩定可靠的混合制造工藝。 用PET撓性薄膜代替聚酰亞胺和FR-4等基材會給這個行業帶來沖擊。 目前，印制電子產品中的銀線可以在行業驗證的工藝條件下實現金屬銀導電性的10%~20％，并且線寬/線距為150/150微米。據報道，導電率為金屬銀的20%~40％、油墨可拉伸、線寬/線距為20/20微米的印制電子產品正在研發中。

越來越多的電子功能可以通過印制實現。包括電阻、溫度和壓力傳感器以及觸覺功能。其他功能 ，如微控制器、電池和電容也可以使用傳統的貼裝設備集成在撓性電路中。 通常可以通過點涂或印制沉積各向同性或各向異性導電粘合劑實現互連。不久的將來將實現在箔狀基材上組裝箔狀元器件。 這些元器件有OLED、TFT芯片和基于箔的電池等。

3、從2D到3D的印制電子產品

最近，已經出現了可拉伸的油墨，可以生產出可拉伸的電子產品。這些油墨可以承受10％至50％的變形，將這些油墨印制在可成形基材上可令PCB變形卻不會損壞結構。

與此同時，未來電子產品的變化趨勢將是從平面到三維。 可拉伸電子技術、可熱成型電子技術、模制電子技術和3D打印已經被用于創建3D電子產品。

可依據周圍的環境要求而制造出薄而舒適的電子產品，并集成到衣服和貼片中。比如在服裝里集成傳感器、太陽能電池和顯示器。含電子元件的服裝既要穿著舒適，同時又要經受洗滌測試，如需要克服橡膠的滯后現象，以及其互連性能需完全可承受拉伸等，這類服裝已經通過驗證，完成了可拉伸電子產品的技術挑戰。

對于有極端要求的產品外形，這些材料也可用于制造可熱成型或模制電子產品。 這些電子產品完成平面制造，再形成所需的形狀。電路和圖形圖案印制在像聚碳酸酯這樣的基材上。 同樣，采用傳統的貼裝設備組裝電氣元器件，然后再將整個組件成型為所需的形狀，之后可以將其壓鑄成最終產品。 因此，可以以更具成本效益的方式生產儀表盤或消費品等物品（圖3）。

圖3：用于汽車應用的熱成型中控器，包括電容式觸摸、OLED集成和NFC讀出

最后，整個結構可以3D打印。復合材料允許組合導電和結構材料，并且能夠設計三維電子產品。

圖4：在熱成型為3D產品之前印制在平板上的電路

業界要求將智能功能集成到許多產品上，同時，需要更具成本效益以及大批量生產以滿足市場需求，尤其是在物聯網應用中。印刷電子產品將是推動物聯網發展的關鍵因素，因為它們可在卷對卷生產的撓性材料上大規模低成本實現印制和分立元器件組裝的完美組合。

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