原文作者：立厷

導語：電子產(chǎn)品的演進日新月異，除了在傳統(tǒng)的剛性基板上布局和集成各種IC，是否可以在不影響IC能力的情況下進行額外制造，實現(xiàn)電子產(chǎn)品的柔性？答案是肯定的。

柔性混合電子（FHE）通常被描述為“印刷你能印刷的，集成你不能集成的”東西的方法。它提供了一種誘人的功能組合，可以實現(xiàn)快速原型設計、靈活性/可拉伸性，以及用傳統(tǒng)IC電路的卷對卷（R2R，roll-to-roll）制造。此外，這種制造方法正在從實驗室轉移到商業(yè)生產(chǎn)，新的和現(xiàn)有的合同制造商現(xiàn)在已經(jīng)可以提供FHE。

? 引人注目且迅速崛起的制造方法

? IDTechEx首席技術分析師Matthew Dyson博士認為，F(xiàn)HE提供了兩種制造方法中最好的選擇。IDTechEx的《柔性混合電子2024-2034》報告評估了FHE電路的現(xiàn)狀和前景，預計到2034年，數(shù)字增材制造將推動FHE市場增長至18億美元，如果包括相關的基礎設施、軟件和服務，市場規(guī)模將更大。 ? FHE涵蓋汽車電子原型、消費品（可穿戴電子，如皮膚溫度傳感器）、能源、醫(yī)療保健/健康以及基礎設施/建筑/工業(yè)等領域智能封裝（如印刷RFID標簽）應用，還有底層技術，包括導電油墨、柔性集成電路、組件連接材料/方法和R2R制造。 ?

什么是FHE？

FHE是在柔性基板上結合印刷功能和安裝組件的電路，它需要印刷和非印刷功能的結合。例如，導電互連，薄膜電池、天線、聚合物太陽能電池甚至顯示器都可以印刷在柔性基板上，而存儲器和處理能力將通過光刻置于單獨生產(chǎn)的IC（硅或金屬氧化物）上，然后安裝在基板上。 ?

FHE由其屬性定義，而不是由材料或功能定義的。實現(xiàn)這些特性的具體途徑是開放的，從而衍生出各種技術。 ? FHE所需的組件和支撐技術范圍廣泛，將印刷互連、天線和傳感器與IC等組件集成相結合，可以使柔性電子產(chǎn)品能夠滿足更廣泛的應用需求。FHE為包括柔性基板、印刷功能（通常為導電互連）和安裝組件（通常為外部制造的IC）的電路。其他功能包括傳感器、電池和能量收集能力，可以印刷或安裝。 ?

顯示原型FHE設備組件示意圖，包括印刷和非印刷組件 ?

FHE的激勵因素

? 制造FHE電路需要許多對電路至關重要的當前和正在發(fā)展的新興技術。其中包括：尺寸穩(wěn)定的低成本熱穩(wěn)定PET基材；與柔性熱脆性基板兼容的組件連接材料，如低溫焊料和場對準各向異性導電粘合劑；基于薄硅和金屬氧化物的柔性集成電路；基于銀和銅的導電油墨；薄膜電池，尤其是可印刷的；所有類型的印刷傳感器；在柔性基板上安裝部件的制造方法。 ?

采用FHE代替?zhèn)鹘y(tǒng)剛性（甚至柔性）PCB的動機在于，在大多數(shù)情況下，成本降低并不是一個重要的驅動因素，相反，這些好處要么與外形尺寸有關，要么與數(shù)字增材制造有關。特別是在某些情況下，這些好處中的一些可以通過將印刷/柔性傳感器與傳統(tǒng)生產(chǎn)的PCB配對來實現(xiàn)。 ?

FHE的優(yōu)勢取決于應用 ?

傳統(tǒng)和FHE的優(yōu)勢比較

? 在成本方面，傳統(tǒng)電子作為一種既定的方法非常具有成本效益，但由于該工藝已接近極限，進一步降低成本的空間有限。如果將作為一項新技術的研發(fā)成本計算在內(nèi)，F(xiàn)HE目前可能更貴，但對于非常小的批量（采用數(shù)字制造）和非常大的批量（高量產(chǎn)R2R制造）來說，可能就會更便宜。 ? 在功能方面，復雜的多層電路板可以以高量產(chǎn)常規(guī)生產(chǎn)，而印刷電子器件通常被限制為1層（或偶爾限制為幾層），從而限制了電路的復雜性和功能性。 ? 通常，原型制作可能既昂貴又耗時，因為PCB設計需要送到原型制作室并為單個設計制作掩模。使用噴墨或擠壓的數(shù)字制造方式極大地促進了原型制作，因為不需要生產(chǎn)掩模，一切都可以在內(nèi)部完成。 ? 傳統(tǒng)的銅蝕刻使用的有害化學物質(zhì)，在某些地區(qū)受到嚴格管制，與傳統(tǒng)的減材方法相比，增材制造的FHE意味著材料消耗減少，具有可持續(xù)性。 ? 傳統(tǒng)的剛性PCB外形尺寸的變化幾乎無法實現(xiàn)，即使是蝕刻銅層壓板的柔性PCB也是這樣，柔性但不能印刷。柔性基板使電子器件能夠彎曲，可拉伸基板使保形電子器件成為可能。 ?

傳統(tǒng)和純印刷電子的優(yōu)點兼而有之

? FHE旨在將傳統(tǒng)，主要是剛性電子產(chǎn)品的加工能力與印刷電子產(chǎn)品的靈活性和低成本相結合。這需要以前獨立的制造業(yè)生態(tài)系統(tǒng)之間的合作，同時開發(fā)新的材料和加工方法，以彌補兩者之間的差距。? ?

優(yōu)點集于一身的FHE

做的是加法，模擬或數(shù)字兼顧

? “增材制造”是一個廣泛使用的術語，通常是指固體結構的3D印刷或指印刷電子產(chǎn)品。它是將導電油墨沉積在需要的地方，而不是將不需要的地方去除（就像傳統(tǒng)的PCB生產(chǎn)一樣）。增材制造是一種“自下而上”的制造方法，減少了材料消耗，提供了更大的設計自由度。 ?

增材制造的減法優(yōu)勢 ? 不過，增材制造并不意味著數(shù)字化制造，后者的過程由計算機控制，可以實時調(diào)整，帶來快速原型設計/定制和低成本小批量生產(chǎn)的好處（有時也采用增材制造）。當然，制造既可以是增材，也可以是數(shù)字的（比如3D印刷機或噴墨印刷導電油墨），但它們的含義有所不同。

? FHE為供應商創(chuàng)造了機會

? FHE有助于管理具有不同外形尺寸（厚度、柔性）的組件。傳統(tǒng)的拾取和放置系統(tǒng)適用于小型SMD組件，但通常無法處理柔性電池或光伏板等較大的組件。能夠放置更大（多個cm2）的組件擴展了FHE電路的可用功能范圍。 ? FHE可以利用R2R制造改進拾取和放置，而目前R2R生產(chǎn)線上的取放采用“走走停?！钡姆椒?。假設快速組件連接方法（例如，低溫固化單組份環(huán)氧導電銀膠（ECA）或光子焊接）拾取和放置是速率的關鍵。對于大體積的類似組件，如大面積LED照明，替代放置選項可能速度更快。 ? FHE可以實現(xiàn)基于快速原型/數(shù)字制造的商業(yè)模式。印刷而不是蝕刻導電跡線意味著每個電路可能不同。這有助于原型設計、高混合低批量（HMLV）制造，甚至大規(guī)模定制；還可以提供周轉時間短的“待訂購電路”，其方式可與CNC（計算機數(shù)字化控制精密機械加工）和3D印刷等其他數(shù)字制造技術生產(chǎn)的產(chǎn)品媲美。 ? 可靠的高導電性連接也是FHE的一個特點。對于許多應用，F(xiàn)HE不會單獨使用，因此將印刷FHE組件連接到傳統(tǒng)電子設備至關重要。目前使用的為傳統(tǒng)PCB開發(fā)的連接器并沒有針對柔性（甚至可拉伸）基板進行優(yōu)化。 ? 從價值鏈來看，有多種材料和技術可以用于廣泛的應用。 ?

FHE電路的導入、組裝和應用 ?

FHE制造替代從汽車電子開始

? 老牌電子產(chǎn)品制造商可能轉向FHE制造，還有新的FHE特定公司、桌面PCB原型系統(tǒng)的開發(fā)人員，以及絲網(wǎng)印刷公司等。目前，F(xiàn)HE大多數(shù)商業(yè)化例子都來自絲網(wǎng)印刷公司，因為他們的動機是用相對較少的資本支出生產(chǎn)價值更高的產(chǎn)品。 ?

用于汽車應用的FHE電路面積預測 ? 當前，印刷/柔性電子產(chǎn)品在汽車行業(yè)獲得了巨大的吸引力，主要用于人機界面（HMI）傳感，如座椅占用傳感器和加熱。該預測建立在現(xiàn)有印刷元件的基礎上，F(xiàn)HE的應用也將包括安裝元件的電路。 ? FHE有可能通過取代用于讀出/控制的傳統(tǒng)PCB來降低重量和復雜性。不過，由于汽車開發(fā)時間表以及與汽車電子領域的其他創(chuàng)新相比，F(xiàn)HE的價值主張相對有限，采用速度要看實際應用。這些應用包括：安裝在柔性基板上的LED照明、電阻和PTC車內(nèi)加熱/座椅加熱、座椅占用/控制面板壓阻式傳感、控制面板箔粘合傳感、其他印刷/柔性電路。

? FHE在消費領域的應用也非常多：家電控制面板（壓電式）、電器控制面板（壓阻式、功能箔粘合）、智能手機生物識別傳感器、電子閱讀器（電泳顯示器）、柔性液晶顯示器（智能封裝）、NFC（HkRFID）/RAIN（UHF RFID）（印刷天線）、電致發(fā)光和OLED（發(fā)光封裝）、電子紡織品加熱（印刷）等。 ? 總之，印刷/柔性/混合電子產(chǎn)品的增長源于其能夠實現(xiàn)新的應用，甚至商業(yè)模式，如用于遠程健康監(jiān)測和智能封裝的電子皮膚貼片，將在未來十年推動導電油墨市場的增長。此外，許多新興應用，如模內(nèi)電子（IME）、電子紡織品和高頻天線，都有特定的印刷和材料要求，這為電子產(chǎn)品的差異化提供了更多的機會。 ?

編輯：黃飛