柔性设备的好，坏和未知

柔性混合电子产品由于其相对较轻的重量、较薄的外形以及改变设计规则的能力，开始在消费、医疗和工业应用中激增。

如今，打开任何智能手机，你都可能会发现一个或多个这样的柔性板。与标准印刷电路板不同，FHE设备的印刷使用卷对卷工艺的组合，类似于报纸的印刷方式，将微小的芯片粘在相同的衬底上。结果通常是便宜的，可以高度定制，但随着采用的增加，它也变得越来越复杂。

FHEs的关键属性是重量、成本和适应任何形式因素的能力，无论多么小或不规则。它们可以作为贴片应用到皮肤上，并且可以在各种恶劣的环境中使用，这取决于基材以及用于将芯片和墨水粘结到基材上的材料。基材本身也可以有所不同，包括塑料、纸张、箔纸，甚至柔性玻璃——一种据说可以追溯到近2000年前的材料。

根据研究和市场，2019年，FHE市场的价值为9500万美元。这家研究公司估计，到2025年，市场规模将增至2.31亿美元。但市场增长预测差异很大，而且自从全球大流行开始凸显远程诊断的价值以来，市场增长预测已经发生了变化。事实上，IDTechEx估计，对“柔性、可折叠、可拉伸、保形和轻量化”电子产品的需求将推动整个柔性电子产品市场在本十年末高达83亿美元。与简单的印刷传感器相比，FHE将占多大比例还有待观察，但无线和安全广播结果的需求表明，比简单的RFID更复杂的电子设备。

图1:曲面上的柔性混合电子器件。来源:IDTechEx

汽车是另一个目标市场，特别是随着汽车越来越电气化。对于电动汽车来说，更轻的重量意味着更长的续航里程，而线束的重量可达150磅，据公司高级总监Doug Burcicki说西门子数字工业软件．用可打印和快速定制的灵活布线方案取代线束是一个有吸引力的选择，其可靠性可被证明与现有系统一样好。

“目前，5G正在推动大量需求，”中兴通讯总裁亚伊尔•奥尔比(Yair Alcobi)表示心理契约的Orbotech PCB事业部。“需要更多的连接，以及新的电路板设计。我们看到的是，这不再是不同部件的组装。都放在一块柔性板上。我们预计它也将取代汽车中的大量线路。”

FHE with的最初用法之一5克是一个天线阵列，这对波束形成至关重要，因为5G信号比以前的无线技术更容易中断。这是FHE的一个简单应用。还有不同的材料用于安装在这些基板上的芯片，打印在它们上面的电线，以及在这些设备之间来回传输信号的电路。相比之下，传统pcb使用层数和离散数量的电路板测量，而FHE供应商每天测量米的输出。

阿尔科比说:“很多都是卷对卷的生产。“精度是正负10微米，线条/空间是10到15微米。”

相比之下,多氯联苯在美国，FHEs可以包括几十个不同的层，可用于最先进的芯片或封装，但FHEs的使用却受到了很大的限制。但他们确实扮演着重要的角色，这一点并没有被忽视。资金正在投入到这项技术中，以使其更加成为主流，包括为FHEs引入CAD工具，允许设计师在柔性衬底上布置电路和芯片，以及从设计到最终检查的端到端流程。

“由于FHE与现有技术的集成能力，它正开始实现几乎无休止的应用程序和市场的结合，”该公司新业务开发总监瑞安·莫斯(Ryan Moss)说布鲁尔科学．“其独特的能力，允许定制的形式因素，信号和鲁棒性，使其在工业物联网类型的解决方案中更加普遍和采用。”

挑战
然而，仅仅因为这些设备不是在设计的前沿，并不意味着它们很容易制造。FHEs可用于任何地方，包括恶劣的工业环境。这需要大量的材料科学专业知识，包括基材的选择、墨水和用于将小芯片粘结到基材上的材料，而这些目前都不是现成的。

Moss说:“油墨和基材的选择为每个独特的应用和解决方案带来了巨大的考虑，从功率到生存能力到分辨率。”“这需要为解决方案选择最兼容和互补的材料，以及调整和修改关键属性的能力，以实现最佳的特性和性能。”

与所有芯片一样，加工过程会产生热量。这就造成了基片和芯片之间热膨胀系数的潜在不匹配，类似于今天先进封装中处理的问题。由于这个市场仍处于形成阶段，并不是所有这些问题都得到了解决。

IDTechEx科技分析师马修•戴森(Matthew Dyson)表示:“目前，许多灵活的混合动力原型都使用相对简单的微处理器，因此输入/输出端口很大。”“如果你使用更复杂的芯片，拥有更小和更多的输入/输出板，那么必须有一些中间介质将芯片本身的输出连接在一起。你可以打印所有这些到非常高的分辨率，但它非常慢。这项技术仍处于新兴阶段。所以如果你想做高速打印，你的分辨率是有限的。人们已经尝试过结合的方法，他们将打印到中等分辨率，然后激光烧蚀打印的墨水，使手指最终连接到集成电路上。整个领域都是一个挑战，特别是在耐久性方面。人们可以做一个原型，它会工作，但你会把它放在你的车里吗?也许还没有。”

另一个问题涉及芯片和基板之间的层的刚性。芯片本身可以是灵活的，但使用各种电线方案将这些材料连接到基板上却不是。中间层的弹性导致了不匹配。

不匹配问题随着复杂程度的增加而增加，这又增加了其他问题。例如，制造更复杂的芯片将需要更复杂的设备，可以测试从结构完整性到灵活性的所有内容。

“如果芯片非常小，弯曲半径就无关紧要了，”戴森说。“如果你在基础上有10%或20%的补偿等级，绝对变化是非常小的。但这也限制了您只能使用相对简单的芯片。还需要很长一段时间才能将iPhone中使用的芯片安装在完全柔性的基板上。目前安装在柔性衬底上的芯片往往在某种程度上是封装的，而你所处理的不是完全柔性的东西。”

图2:FHE与传统和印刷电子产品。来源:IDTechEx

市场
尽管如此，许多公司正在探索灵活的混合电子空间，他们从不同的角度切入。因此，当一些公司专注于聚合物上的硅时，其他公司可能会使用先建立再蚀刻金属氧化物的方法。

这两种方法以及其他方法都有发展空间，因为这些设备最终可能会应用于一系列应用程序。在2016年纸，来自加州大学伯克利分校、宾汉姆顿大学、i3和ExSys的研究人员研究了用于医疗的打印传感器。结论是，尽管柔性衬底和硬电子之间存在“机械不匹配”，但由于与皮肤接触更好，柔性器件比传统传感器具有更高的信噪比。

军事/航空部门对FHE也有浓厚的兴趣。这在会员名册中很明显NextFlex它是美国国防部下属的8个“制造业创新研究所”之一。波音公司和洛克希德马丁公司是两家主要的公司成员，他们专注于航空电子设备，重量是一个关键问题。下一个较低的成员层主要关注材料。此外，还有一长串学术和非营利组织成员。

最后，在许多边缘应用和市场中都有广泛的兴趣，FHEs可以用于加快推向市场的时间，并适应最后一分钟的工程变更订单。预计这将推动FHE市场更快地发展，一旦有更多关于FHE设备随着时间的推移和在各种环境压力下的性能的历史。

Brewer Science的Moss说:“目前FHE和独特传感器的愿景是使用预校准的、环境密封的、即插即用的组件。“组件必须被加速到需要的地方，而不需要额外的服务成本或担心长期可靠性。”

Orbotech的阿尔科比对此表示赞同。“在硅和封装领域，他们正在寻找全封装解决方案，而不仅仅是不同部件的组装，”他说。“PCB的成本正在上升。需要更多的功能，pcb也更复杂。在过去，我们可以使用大扫描光学，但现在它需要多波长激光。”

图3:市场和流程。来源:IDTechEx

结论
卷对卷印刷电路和传统半导体的融合为一系列终端市场打开了广泛的可能性。这些设备最终有多先进，将取决于各个终端市场在技术和经济方面的一些复杂权衡。

但对重量更轻、相对简单、价格更低的设备的需求正在增长，特别是随着该行业的其余部分从集中处理单元和一系列更复杂、更昂贵、更重的pcb和布线方案中分离出来。随着它们获得吸引力并进一步进入主流，芯片行业将开始了解这种技术在哪里最有效，以及随着时间的推移它的表现如何。

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