启用智能可穿戴技术——柔性可拉伸的互连技术

作者：Multek科技公司首席技术官Joan K. Vrtis博士，地址：6201 America Center Dr., San Jose, CA95002 USA

摘要

可穿戴电子设备的各种突破正在推动保健、养生、安全和娱乐市场的各种令人兴奋的创新应用。但是，随着用户体验的成熟，除外形、适合度和功能以外，时尚和款式也引领着产品设计的方向。以人为本的元素已经成为印刷电路、互连设计师和制作者的范式。印刷电路技术再也不是呆板的、局限于环境的技术。现在，印刷电路必须能够承受不受控使用环境中的挠曲、弯曲、扭曲、拉伸和坠落所带来的连续动态压力。本文着重介绍当前的和前瞻性的互连技术，正是这些技术实现了众多令人惊叹的新的智能可穿戴电子设备的功能，为这些设备的用户带来个性化的体验。

背景

可穿戴技术并不新奇。经历过20世纪70年代的人都记得“心情戒指”，其设计是戒指的石头内部或周围有一种热致液晶材料，会随着佩戴者体温的改变而变色。从颜色可以推断出使用者的各种“心情”——蓝色代表平静，紫色代表开心，黑色代表紧张，诸如此类。佩戴者有了视觉反馈，就可以选择改变自己的心情。

互联网和万维网的出现开始让文化和商业都得到革新，最初是通过即时通信，如电子邮件、即时消息传送、互联网协议语音通信（VoIP）、社交网络连接和网上购物。到20世纪90年代后期，各种实际物体（‘实物’）被嵌入电子设备、软件、传感器并被连接到互联网，因此出现了“物联网”（IoT）这个说法。

据高德纳咨询公司的预测，到2020年，物联网上大约有260亿个设备。[1] 2014年，皮尤研究中心互联网项目组织就2025年前嵌入设备以及物联网/物联云的发展向技术专家和互联网用户征求意见。百分之八十三（83%）的回答者都认为，到2025年，物联网将对公众的日常生活产生广泛而有利的影响。[2]

“全球可穿戴技术的市场价值在2012年为7.5亿美元，在2018年有望达到58亿美元，2012年到2018年的复合年均增长率为40.8%。2018年，北美有望以43%的全球可穿戴技术收入份额保持其领先地位，欧洲紧随其后。”[3] “到2020年末，可穿戴电子设备和技术的市场总价值有望增长116.1亿美元，2014年到2020年的复合年均增长率为24.56%。”[4] 根据目前的市场分析和技术花费情况，可穿戴技术要依赖物联网将来的发展。

随着物联网的发展，个人计算技术的各种进步推动了印刷电路和印刷电子技术的提高，能源管理的改进，无线模块的发展和总体的微型化，打造出适合手掌中使用的移动通信设备。智能电话实现了信息、社会联系和娱乐的个性化。

如今，可穿戴技术已经让智能连接设备可以用于个人保健和养生，让人更安全且更有能力形成个体化的娱乐体验。这种个人生态系统通常通过个人的智能电话集中起来，信息存储在云上，便于和个人的社交网络分享。物联网正在进入“物联智能”™的时代。随着越来越多的可穿戴电子设备连接到互联网并提供电子反馈来支持我们的保健、养生、安全和娱乐决策，这种现象正在推动下一个时代的到来，也就是智能连接生活的时代。图1着重介绍通过可穿戴技术应用实现的估计装运情况和收入。

图1：全球可穿戴设备市场[5]

互连设备和材料方面的进步

过去的几十年，计算机产业细分为各个子类别——个人电脑、笔记本、平板等等。因此，可穿戴电子设备也正在被分门别类，更多的是按照与用户的接近程度来分，而不是按功能来分。可穿戴电子设备被设计成与身体相适应的多种形式，如腕带、服饰、鞋袜、珠宝、贴片、耳具、眼具。可穿戴电子设备与用户的接近程度通常被分为三（3）个类别，反应出产品与身体的接触水平：1）近身，2）身上，3）体内。图2描绘了可穿戴电子设备身体接触水平和按类别划分的产品类型。

图2：可穿戴技术的接近程度类别（承蒙Multek科技公司帮助）

有了任何新的技术，最后，某些特定的标准就变得清晰起来。技术构建模块的发展让一些生产商可以开发智能组件策略并加快某些产品的市场投放。

创造一种可穿戴电子产品时，要考虑七个技术构建模块：安全和计算、传感器和执行器、人机界面、连接、智能软件、电池和动力、柔性技术和微型化。图3描绘的是可穿戴电子产品用的技术构建模块。

图3：可穿戴电子设备：技术构建模块（承蒙Flextronics公司帮助）

柔性技术
柔性互连技术和组件微型化正让可穿戴电子市场成为可能。绝大部分可穿戴电子产品都有印刷电路或印刷电子技术。这些互连技术之间有一个明显的区别。在可穿戴设备中选择印刷电路还是选择印刷电子技术是由外形、适合度、功能和成本决定的。因此，其设计和材料的组合可以提供刚性、柔性和/或可拉伸的电子解决方案。

刚性印刷电路（PCB）、柔性印刷电路（FPC）、刚柔性印刷电路（RFPC）均被视为印刷电路技术。制造PCB、FPC和RFPC主要是用常规方法，就是通过蚀刻铜板和层覆电介质材料，形成电互连功能电路。[6]高密度互连（HDI）和任意层互连（ELIC）PCB与FPC结合起来，形成复合RFPC，这类技术是最近的技术，已经实现了高级智能连接可穿戴设备所需的较高功能。[7] 图4表示刚柔性印刷电路（RFPC）。此图说明某种多功能刚性电路板可以自身折叠起来，把尺寸缩减到非常小的叠层封装。

图4：刚柔性印刷电路示例。

印刷电子利用各种印刷方法，如丝网印刷、凹版印刷、喷墨印刷，以在各种基板上形成互连。用导电油墨和浆料作为电路材料，沉积在基板上形成图案。虽然设计和性能方面的复杂性推高了成本，但因为加工和材料的缘故，印刷电子可能通常没有印刷电路那么昂贵。印刷油墨的耐性或频率特征不同于固体铜。要决定使用印刷电子，就必须理解半导体组件操作电压和阻抗（或跨导）相关设计要求。同样，对于任何可穿戴设备来说，必须理解各种材料与人体表面和体液的接触相容性，尤其是对于“身上”和“体内”的应用情况。

参考先前的接近程度类别（图2），互连技术、设计和材料的选择都是根据这些类别来确定的。FPC、RFPC和印刷电子技术通常用于利用可穿戴电子设备的灵活性要求。有两种方式可以将这些技术合并起来。1）挠曲安装：电路只挠曲一次，以安装到组件内部，或者2）动态挠曲：此电路不只挠曲安装到组件内部，还会在操作或使用期间处于动态[8]。每个接近程度类别中的多种应用情况都对互连有很高的机械要求。举个例子，腕带应用中的互连必须考虑到频繁在腕上应用和脱下腕带期间不断的挠曲和扭曲。附着在皮肤上的电子贴片（电子纹身）必须和身体一起移动，在沐浴和日常使用期间承受人的汗水、湿气和温度。在每个示例中，各种动态压力都是显而易见的。

印刷电子利用各种印刷方法，如丝网印刷、凹版印刷、喷墨印刷，以在各种基板上形成互连。用导电油墨和浆料作为电路材料，沉积在基板上形成图案。虽然设计和性能方面的复杂性推高了成本，但因为加工和材料的缘故，印刷电子可能通常没有印刷电路那么昂贵。印刷油墨的耐性或频率特征不同于固体铜。要决定使用印刷电子，就必须理解半导体组件操作电压和阻抗（或跨导）相关设计要求。同样，对于任何可穿戴设备来说，必须理解各种材料与人体表面和体液的接触相容性，尤其是对于“身上”和“体内”的应用情况。

可拉伸电子设备

设计和材料方面的进步使得互连结构‘可拉伸’，以便减轻某些可穿戴设备中电路所承受的较高压力和拉力。在FPC和RFPC中，较高延展性的铜以及对电介质延伸度的优化通常可以实现所需的互连可靠性。在智能眼具的转折部分，在智能服饰的运动中，或在智能鞋子的鞋底，观察到有更加严重的动态压力和拉力情况。在这类情况下，可将FPC和RFPC设计为可以‘拉伸’。这种设计采用多个蜿蜒曲折的部分，以允许‘拉伸和扭曲’运动。图5描述了作为多个互连设计选项之一的一种蜿蜒曲折的设计。在蜿蜒曲折结构的设计方面，目前的挑战是，由于商业PCB/FPC设计布局软件的限制，蜿蜒曲折解决方案并不易于使用。大部分‘可拉伸互连’设计软件都是私有的，而且专门针对某个很小的应用范围。

图5：设计有蜿蜒曲折部分以适应拉伸和扭曲的柔性印刷电路（承蒙Multek互连技术中心帮助）

能够承受不受控使用环境中的挠曲、弯曲、扭曲、拉伸和坠落所带来的连续动态压力

在印刷电子设备中，浆料、油墨和基板的若干进步正在支持可拉伸解决方案的提升。聚酯和聚酰亚胺都是印刷电子设备的常用基板。

像聚亚安酯和聚二甲基硅氧烷这样的弹性基板正提供可拉伸性能。银墨在应用于可拉伸基板的印刷电子设备中形成大部分的导电电路。这类油墨先进的纳米颗粒技术支持互连结构一定程度的运动。图6所示为在某种弹性基板上形成图案的印刷银墨。

图6：可拉伸印刷电子电路示例，在弹性基板上形成图案的印刷银墨（承蒙Flextronics公司高级工程组帮助）

可拉伸电子设备可能将传统的印刷电子与当前的印刷电子结合起来。例如，多重PCB可以在具有可拉伸铜导体的某种基材中连接起来，与图5类似，其中，PCB作为功能岛，其上附着表面安装组件，随后用某种弹性保护材料将整个PCB岛基材包封起来。这种设计使得整个系统均可拉伸。最终的可穿戴设备可用于“近身”或“身上”两种应用情况。

正如Wagner和Bauer所解释的那样[9]，可拉伸电路的设计构造包括波形构造、蜿蜒曲折构造、嵌入弹性基材中的导电颗粒构造、筛网构造等。设计挑战包括，保护可延伸电路，避免超出其延伸度而发生断裂。解决方案是将可穿戴设备设计为一种可延伸系统。

总结

随着可穿戴技术继续出现各种突破，这些互连技术中的任何一项都可能在可用性和适用性方面越过其他各项。印刷电路和印刷电子都有先进的可穿戴技术市场。这些互连技术已经实现了不断发展的可拉伸电子设备解决方案。柔性可拉伸电路技术的未来将需要在材料、标准化商业设计软件和设备方面有所提升，以便获得高级的组件，还需要产品设计者具有广泛的系统理解，可以考虑到不受控使用环境中的挠曲、弯曲、扭曲、拉伸和坠落所带来的连续动态压力和拉力。

Multek科技公司是领先的互连解决方案公司，在北美和中国均开设有工厂，在这些工厂的大量生产中构建了以上着重介绍的各项技术。凭借超过37年的互连经验，Multek已经是可穿戴技术市场、医疗市场、汽车市场、工业市场和航天市场的互连解决方案的行业领导者。

[1] 高德纳咨询公司表示2020年为止的物联网安装基础将增加到260亿个单位。高德纳咨询公司。2013年12月12日。2014年1月2日检索。

[2] 主报告：对专家答复的深入查看|皮尤研究中心互联网与美国生活项目HYPERLINK "http://www.pewinternet.org/2014/05/14/main-report-an-in-depth-look-at-expert-responses/"HYPERLINK "http://www.pewinternet.org/2014/05/14/main-report-an-in-depth-look-at-expert-response，2014年5月14日。

[3] http://www.prweb.com/releases/2014/01/prweb11478994.htm

[4] http://www.marketsandmarkets.com/Market-Reports/wearable-electronics-market-983.html

[5] IDC国际数据公司，2014年

[6] 《印刷电路手册》第6卷，C. Coombs与H. Holden，McGraw Hill Professional出版社，2007年。

[7] “高密度互连：实现物联智能”，W. Beckenbaugh与J. K. Vrtis，《PCB杂志》，2015年4月，20-30页。

[8] “设计考虑事项：柔性电路对传统PCB”，J. Talbot，《PCB杂志》，2015年4月，68-72页。

[9] “可拉伸电子设备所用材料”，Sigurd Wagner与Siegfried Bauer，《材料研究学会通报》第37卷之(3)，2012年3月，207-213页。