FHE制造替代从汽车电子开始

原文作者：立厷

导语：电子产品的演进日新月异，除了在传统的刚性基板上布局和集成各种IC，是否可以在不影响IC能力的情况下进行额外制造，实现电子产品的柔性？答案是肯定的。

柔性混合电子（FHE）通常被描述为“印刷你能印刷的，集成你不能集成的”东西的方法。它提供了一种诱人的功能组合，可以实现快速原型设计、灵活性/可拉伸性，以及用传统IC电路的卷对卷（R2R，roll-to-roll）制造。此外，这种制造方法正在从实验室转移到商业生产，新的和现有的合同制造商现在已经可以提供FHE。

  引人注目且迅速崛起的制造方法

  IDTechEx首席技术分析师Matthew Dyson博士认为，FHE提供了两种制造方法中最好的选择。IDTechEx的《柔性混合电子2024-2034》报告评估了FHE电路的现状和前景，预计到2034年，数字增材制造将推动FHE市场增长至18亿美元，如果包括相关的基础设施、软件和服务，市场规模将更大。   FHE涵盖汽车电子原型、消费品（可穿戴电子，如皮肤温度传感器）、能源、医疗保健/健康以及基础设施/建筑/工业等领域智能封装（如印刷RFID标签）应用，还有底层技术，包括导电油墨、柔性集成电路、组件连接材料/方法和R2R制造。  

什么是FHE？

FHE是在柔性基板上结合印刷功能和安装组件的电路，它需要印刷和非印刷功能的结合。例如，导电互连，薄膜电池、天线、聚合物太阳能电池甚至显示器都可以印刷在柔性基板上，而存储器和处理能力将通过光刻置于单独生产的IC（硅或金属氧化物）上，然后安装在基板上。  

FHE由其属性定义，而不是由材料或功能定义的。实现这些特性的具体途径是开放的，从而衍生出各种技术。   FHE所需的组件和支撑技术范围广泛，将印刷互连、天线和传感器与IC等组件集成相结合，可以使柔性电子产品能够满足更广泛的应用需求。FHE为包括柔性基板、印刷功能（通常为导电互连）和安装组件（通常为外部制造的IC）的电路。其他功能包括传感器、电池和能量收集能力，可以印刷或安装。  

显示原型FHE设备组件示意图，包括印刷和非印刷组件  

FHE的激励因素

  制造FHE电路需要许多对电路至关重要的当前和正在发展的新兴技术。其中包括：尺寸稳定的低成本热稳定PET基材；与柔性热脆性基板兼容的组件连接材料，如低温焊料和场对准各向异性导电粘合剂；基于薄硅和金属氧化物的柔性集成电路；基于银和铜的导电油墨；薄膜电池，尤其是可印刷的；所有类型的印刷传感器；在柔性基板上安装部件的制造方法。  

采用FHE代替传统刚性（甚至柔性）PCB的动机在于，在大多数情况下，成本降低并不是一个重要的驱动因素，相反，这些好处要么与外形尺寸有关，要么与数字增材制造有关。特别是在某些情况下，这些好处中的一些可以通过将印刷/柔性传感器与传统生产的PCB配对来实现。  

FHE的优势取决于应用  

传统和FHE的优势比较

  在成本方面，传统电子作为一种既定的方法非常具有成本效益，但由于该工艺已接近极限，进一步降低成本的空间有限。如果将作为一项新技术的研发成本计算在内，FHE目前可能更贵，但对于非常小的批量（采用数字制造）和非常大的批量（高量产R2R制造）来说，可能就会更便宜。   在功能方面，复杂的多层电路板可以以高量产常规生产，而印刷电子器件通常被限制为1层（或偶尔限制为几层），从而限制了电路的复杂性和功能性。   通常，原型制作可能既昂贵又耗时，因为PCB设计需要送到原型制作室并为单个设计制作掩模。使用喷墨或挤压的数字制造方式极大地促进了原型制作，因为不需要生产掩模，一切都可以在内部完成。   传统的铜蚀刻使用的有害化学物质，在某些地区受到严格管制，与传统的减材方法相比，增材制造的FHE意味着材料消耗减少，具有可持续性。   传统的刚性PCB外形尺寸的变化几乎无法实现，即使是蚀刻铜层压板的柔性PCB也是这样，柔性但不能印刷。柔性基板使电子器件能够弯曲，可拉伸基板使保形电子器件成为可能。  

传统和纯印刷电子的优点兼而有之

  FHE旨在将传统，主要是刚性电子产品的加工能力与印刷电子产品的灵活性和低成本相结合。这需要以前独立的制造业生态系统之间的合作，同时开发新的材料和加工方法，以弥补两者之间的差距。   

优点集于一身的FHE

做的是加法，模拟或数字兼顾

  “增材制造”是一个广泛使用的术语，通常是指固体结构的3D印刷或指印刷电子产品。它是将导电油墨沉积在需要的地方，而不是将不需要的地方去除（就像传统的PCB生产一样）。增材制造是一种“自下而上”的制造方法，减少了材料消耗，提供了更大的设计自由度。  

增材制造的减法优势   不过，增材制造并不意味着数字化制造，后者的过程由计算机控制，可以实时调整，带来快速原型设计/定制和低成本小批量生产的好处（有时也采用增材制造）。当然，制造既可以是增材，也可以是数字的（比如3D印刷机或喷墨印刷导电油墨），但它们的含义有所不同。

  FHE为供应商创造了机会

  FHE有助于管理具有不同外形尺寸（厚度、柔性）的组件。传统的拾取和放置系统适用于小型SMD组件，但通常无法处理柔性电池或光伏板等较大的组件。能够放置更大（多个cm2）的组件扩展了FHE电路的可用功能范围。   FHE可以利用R2R制造改进拾取和放置，而目前R2R生产线上的取放采用“走走停停”的方法。假设快速组件连接方法（例如，低温固化单组份环氧导电银胶（ECA）或光子焊接）拾取和放置是速率的关键。对于大体积的类似组件，如大面积LED照明，替代放置选项可能速度更快。   FHE可以实现基于快速原型/数字制造的商业模式。印刷而不是蚀刻导电迹线意味着每个电路可能不同。这有助于原型设计、高混合低批量（HMLV）制造，甚至大规模定制；还可以提供周转时间短的“待订购电路”，其方式可与CNC（计算机数字化控制精密机械加工）和3D印刷等其他数字制造技术生产的产品媲美。   可靠的高导电性连接也是FHE的一个特点。对于许多应用，FHE不会单独使用，因此将印刷FHE组件连接到传统电子设备至关重要。目前使用的为传统PCB开发的连接器并没有针对柔性（甚至可拉伸）基板进行优化。   从价值链来看，有多种材料和技术可以用于广泛的应用。  

FHE电路的导入、组装和应用  

FHE制造替代从汽车电子开始

  老牌电子产品制造商可能转向FHE制造，还有新的FHE特定公司、桌面PCB原型系统的开发人员，以及丝网印刷公司等。目前，FHE大多数商业化例子都来自丝网印刷公司，因为他们的动机是用相对较少的资本支出生产价值更高的产品。  

用于汽车应用的FHE电路面积预测   当前，印刷/柔性电子产品在汽车行业获得了巨大的吸引力，主要用于人机界面（HMI）传感，如座椅占用传感器和加热。该预测建立在现有印刷元件的基础上，FHE的应用也将包括安装元件的电路。   FHE有可能通过取代用于读出/控制的传统PCB来降低重量和复杂性。不过，由于汽车开发时间表以及与汽车电子领域的其他创新相比，FHE的价值主张相对有限，采用速度要看实际应用。这些应用包括：安装在柔性基板上的LED照明、电阻和PTC车内加热/座椅加热、座椅占用/控制面板压阻式传感、控制面板箔粘合传感、其他印刷/柔性电路。

  FHE在消费领域的应用也非常多：家电控制面板（压电式）、电器控制面板（压阻式、功能箔粘合）、智能手机生物识别传感器、电子阅读器（电泳显示器）、柔性液晶显示器（智能封装）、NFC（HkRFID）/RAIN（UHF RFID）（印刷天线）、电致发光和OLED（发光封装）、电子纺织品加热（印刷）等。   总之，印刷/柔性/混合电子产品的增长源于其能够实现新的应用，甚至商业模式，如用于远程健康监测和智能封装的电子皮肤贴片，将在未来十年推动导电油墨市场的增长。此外，许多新兴应用，如模内电子（IME）、电子纺织品和高频天线，都有特定的印刷和材料要求，这为电子产品的差异化提供了更多的机会。  

编辑：黄飞