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PCB组装:问世百年 蓬勃发展 可穿戴电子产品
  2022-09-06      38

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过去几年,可穿戴电子产品吸引了商界和技术界媒体的广泛兴趣,公众也纷纷发文表达对此类产品的设想,相关主题的技术研究论文也不断涌现。实际上,可穿戴电子产品概念并不新颖,“可穿戴”一词之后可以加相当多的物品种类,由此体现其广泛的潜在应用领域。有确实的证据表明,早在100年前电子产品刚刚问世不久,可穿戴电子产品的便捷性和实用性就已经体现出来(见图1)。

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图1:a1922年,一位年轻的发明家戴着头戴式收音机;b早期耳机技术的雏形(来源:Getty 图像和1926年5月刊《科学与发明》)

一开始,可穿戴电子产品的用途虽然简单但非常实用,随着材料、制造工艺和技术的发展,再加之人们不断发挥工程设计创意和科学创造力,可穿戴电子产品的范围已经无限扩大。可穿戴电子产品之所以能发挥出优势,主要是因为整合了挠性电路技术,从简简单单的LED到每个条带上的传感器、处理器,甚至是挠性电池。促使挠性电子组件不断发展的另一大因素是减薄后的硅晶圆能使脆性很强的硅质集成电路变得具有足够的挠性且可弯折(见图2)。

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图2:硅芯片在其制造状态下非常脆,但减薄处理后,能够像图中一样可弯曲挠折,尽管减薄是为了芯片堆叠,但同时为研发新应用提供了可能(来源:Bryan Christie Design和IEEE Spectrum)

近年来,技术市场营销商对一些专门用于挠性产品的原始技术做了调整和修改。曾经的聚合物厚膜挠性电路技术已经被重新命名为“挠性混合电子技术”(flex hybrid electronics,简称FHE)。美国政府为这一技术提供了大量的资金支持,一些业内公司也捐赠了很多实物,因此,FHE促使电子设计行业开辟新的发展领域,让人们注意到挠性电路技术,而可穿戴电子产品常常是最受欢迎的应用。

数十年以来,人们一直使用挠性电路、打印电子产品来解决难题、创建新方案。这类电子产品对于健康领域的应用而言尤其重要,特别是可用于远程监控个体健康状况。长久以来,挠性电路一直用于医疗产品,例如为超声成像系统的压电式陶瓷传感器头建立互连,还可用于导管诊疗,比如通过电生理学研究来定位并纠正心脏神经通路,从而避免心律失常现象。最近,因为FHE的大力市场推广,业界注意到了挠性电路技术,这股势头“掀起了海上万帆”,促使越来越多的产品设计师开始使用挠性电路技术解决新老问题,特别是可穿戴电子产品领域的问题。

如今,健身爱好者每天都会使用含有挠性电路的产品来监控运动时的重要体能指标,并通过无线传输的方式将这些数据实时发送到腕表或智能手机上。这类薄型挠性电子设备也会用于帮助糖尿病患者实时监测血糖指标,再也不用手指刺破取血了。

挠性基板也不再是什么新鲜事。在过去十年,可拉伸线路及可拉伸电子产品也吸引了大量关注。可拉伸材料不仅能实现电路X和Y轴的回弹力,同时还能实现Z轴的弹性,为设计的灵活性打开了新的维度(见图3)。

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图3:监测用的可穿戴电子样品,在可伸缩的基材上印制并组装了RF天线(来源:Jabil)

制造商将目光投向了电子织物,试图生产出带有电子产品的衣物。尽管针对电子织物的早期研发目标是以时尚为主,包括在装饰品上加入可编程控制的LED灯(见图4),但人们很快意识到这项技术可以集成到电子电路中,用以完成可穿戴应用的数据处理。人们还有兴趣将这项技术用于远程健康监控身体状况较差和移动不方便的人群。

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图4:LED 和支撑性互连被织入到布料中,展示出电子织物技术的潜力(来源:Weft Labs)

电路标准:必不可少的强力胶

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多年来,我总能听到人们将行业标准比喻为“强力胶”。有了这些行业标准,行业内的各个领域就可以凝聚在一起发挥更大的作用。70多年来,IPC组织内的志愿者成员一直在不断地为电子互连技术提出标准、制定标准和发布标准。其中不仅包含材料和终端产品要求,还包含刚性和挠性印制电路的设计与测试指南。IPC持续不断地为行业输送新标准,比如为电子织物新领域制定了标准。2019年10月,IPC电子织物分委员会完成《IPC-8921编织与针织电子织物与导电布料、导电纱线和/或电线集成时的要求》标准的开发。这是IPC首次针对电子织物发布国际标准,为其他正在进行中的电子织物标准制定活动奠定了基础。

总结

希望这篇对可穿戴电子产品的简要概述能使读者进一步了解此项既古老又新颖的电子技术。IPC、Nextflex及其组织成员和商业伙伴通过演示项目、工厂设备和宣传项目来推广挠性混合电子技术,激发了当代设计师和未来新生代设计师的灵感,使他们领略到挠性电路技术在过去和未来能够发挥的无限优势。挠性电路技术的新旅程才刚刚开始。

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