电子产品的未来形态：弯曲，柔性，可拉伸和三维电子

电子产品的未来形态：弯曲，柔性，可拉伸和三维电子

许多新兴市场都要求将电子产品无缝集成到柔性，弯曲甚至可拉伸的表面中，例如汽车（仪表板，照明，传感器），智能建筑（照明立面，空气质量，太阳能电池板），医疗（保健补丁， X射线，分析）和智能服装（位置跟踪，运动）。对重量轻，占用空间少，适合且易于集成到现有设计中的产品的需求将带来改进的用户界面。此外，该产品应具有成本效益高，耗材少的强大功能，并且该技术应与物联网（IoT）路线图保持一致，具有可任意物体电子化、无线化和可追踪性。而柔性印刷电子则为此提供了全方位的技术支撑。

1、印刷电子优势

印刷电子产品通过在聚合物膜上创建印刷电路并利用传统的图形印刷技术（例如丝网印刷和喷墨印刷）在薄片或卷形式的箔上创建电路，从而为应用提供智能表面。

印刷电子产品的明显优势是可以实现的速度。例如，霍尔斯特中心有一个卷对卷丝网印刷设备，其最大运行速度为每分钟60米，可在卷筒上直接形成无缝电路（图1和2）。金属油墨的光子烧结可以在约130°C的受控温度下保持较高的运行速度，以防止箔片熔化。结合卷对卷打印，取放组装技术可以将电子元件放置在卷筒上。导电粘合剂通常用作互连。

交叉和过孔可以通过交替交替的导电层和介电层进行印刷，这些层可以保持类似PCB的结构，而现在只能成卷进行。所有聚合物箔材料都是适用于印刷电子产品的基材。聚酯（例如聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚环烷酸聚乙烯（PEN）），橡胶状材料（热塑性聚氨酯或TPU），甚至纸张，都是印刷电子产品的已知基材。这些材料的低成本立即显示出印刷电子产品的第二个优势。

印刷电子产品的第三个好处是能够改变PCB的形状因数。箔很容易通过弯曲，轧制，切割和层压成型为所需的形状。这样，电子设备可以轻松地集成到示例中，例如服装，建筑和人体应用。

印刷也可以是无缝的，有效地没有起点和终点，因此PCB的尺寸仅受卷的长度和宽度的限制。LED箔片在Holst中心印刷，长度为300 m，宽度为30 cm。LED箔片的间距为5厘米，用作室内应用的墙纸光源。

2、印制电子产品技术

作为一个成熟的行业，PCB生产遵循高度标准化的程序和设计规则，形成了稳定可靠的混合制造工艺。 用PET挠性薄膜代替聚酰亚胺和FR-4等基材会给这个行业带来冲击。 目前，印制电子产品中的银线可以在行业验证的工艺条件下实现金属银导电性的10%~20％，并且线宽/线距为150/150微米。据报道，导电率为金属银的20%~40％、油墨可拉伸、线宽/线距为20/20微米的印制电子产品正在研发中。

越来越多的电子功能可以通过印制实现。包括电阻、温度和压力传感器以及触觉功能。其他功能 ，如微控制器、电池和电容也可以使用传统的贴装设备集成在挠性电路中。 通常可以通过点涂或印制沉积各向同性或各向异性导电粘合剂实现互连。不久的将来将实现在箔状基材上组装箔状元器件。 这些元器件有OLED、TFT芯片和基于箔的电池等。

3、从2D到3D的印制电子产品

最近，已经出现了可拉伸的油墨，可以生产出可拉伸的电子产品。这些油墨可以承受10％至50％的变形，将这些油墨印制在可成形基材上可令PCB变形却不会损坏结构。

与此同时，未来电子产品的变化趋势将是从平面到三维。 可拉伸电子技术、可热成型电子技术、模制电子技术和3D打印已经被用于创建3D电子产品。

可依据周围的环境要求而制造出薄而舒适的电子产品，并集成到衣服和贴片中。比如在服装里集成传感器、太阳能电池和显示器。含电子元件的服装既要穿着舒适，同时又要经受洗涤测试，如需要克服橡胶的滞后现象，以及其互连性能需完全可承受拉伸等，这类服装已经通过验证，完成了可拉伸电子产品的技术挑战。

对于有极端要求的产品外形，这些材料也可用于制造可热成型或模制电子产品。 这些电子产品完成平面制造，再形成所需的形状。电路和图形图案印制在像聚碳酸酯这样的基材上。 同样，采用传统的贴装设备组装电气元器件，然后再将整个组件成型为所需的形状，之后可以将其压铸成最终产品。 因此，可以以更具成本效益的方式生产仪表盘或消费品等物品（图3）。

图3：用于汽车应用的热成型中控器，包括电容式触摸、OLED集成和NFC读出

最后，整个结构可以3D打印。复合材料允许组合导电和结构材料，并且能够设计三维电子产品。

图4：在热成型为3D产品之前印制在平板上的电路

业界要求将智能功能集成到许多产品上，同时，需要更具成本效益以及大批量生产以满足市场需求，尤其是在物联网应用中。印刷电子产品将是推动物联网发展的关键因素，因为它们可在卷对卷生产的挠性材料上大规模低成本实现印制和分立元器件组装的完美组合。

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