技術分享 | 可伸縮電路板的行業應用

以智能手表、頭戴式顯示器為代表的可穿戴設備已經可以通過使用可彎曲的柔性電路板實現。然而，下一代可穿戴設備需要伸縮性和追隨性，以便能靈活地追隨身體的活動并收集來自身體的多種數據。這就是我們開發可伸縮電路板的目的。

可伸縮電路板需要具有能夠收縮的機械特性，并且需要在伸縮時保持其電氣特性。我們將對如何同時具備這些互相矛盾的特性，以及可伸縮電路板有望用于哪些場合進行解說。

什么是“可伸縮電路板”？

可伸縮電路板 是利用可伸縮的電路板和導電材料形成電路圖案的電路板，它利用了 “使用印刷技術將導電材料涂敷到電路板上”的印刷電子技術 。電路板采用具有伸縮性的聚氨酯或硅等制成的彈性體，導電材料主要為銀。它具有較高的伸縮性和追隨性，因此可將電路安裝在膝蓋、肘部等關節部位以及頸部、胸部等自由曲面上（圖1）。

圖1、可伸縮電路板

以前的可伸縮電路板存在一些問題，例如由于伸縮導致的電阻值等電氣特性發生大幅變化，在高濕環境下施加電壓會導致發生遷移。

遷移，也稱為遷移現象。這是一種電解的影響導致布線或電極在絕緣體或其界面上移動的現象。發生遷移后，絕緣電阻值會下降。這會導致電極之間短路，從而導致電子設備發生故障。存在遷徙風險的電子產品，隨之而來的是長期可靠性下降，以及在焊接電子元件時需要采取散熱措施等。

近年來，由于電路板材料和導電材料的改良改進了電氣特性、實施預防遷移的對策、改進布線設計、開發可在低溫下焊接的焊錫材料等，現在已經實現了可伸縮電路板的實用化。這種電路板的另一個特征是環保，因為它是將電路圖案直接印刷在電路板上而形成的。

什么是“印刷電子”？

印刷電子是利用印刷技術將導電材料印刷到電路板上并形成電子元件或電路圖案的技術，可以實現很薄的涂膜和高精度的布線。

在電路板制造工序中，傳統上采用一種稱為“光刻”的方法 ，即在電路板的整個表面上涂上導電材料，然后用藥液將不需要的部分溶解掉，以形成電路圖案， 而印刷電子則是將電路圖案直接印刷在電路板上 。因此，不需要用藥液溶解的工序，具有節省資源和能源以及允許使用多種電路板材料的優點。

使用印刷電子的電子元件

迄今為止，印刷電子已被用作實現多層陶瓷電容器（MLCC）和多層電抗器的多層結構的一種手段。例如，在多層陶瓷電容器中采用將充當電介質的薄陶瓷薄膜和金屬電極交替層疊的結構（圖2）。將陶瓷電介質和粘合劑制成漿料，然后將其涂在載體薄膜上并干燥以形成片材，稱其為綠色片材。在其表面重復進行印刷電極的作業后，進一步進行烘烤以使其硬化。這個層數有時會達到幾百層。

圖2、多層陶瓷電容器（MLCC）的多層結構

印刷電子在電路板中的應用

在印刷電子中，除了采用玻璃和樹脂等制成的剛性電路板外，還可以利用柔性導電材料在薄膜上形成電路圖案。此外，還可以通過使用可伸縮的導電材料，在可伸縮材料上形成電路圖案。

由此可以制作出可彎曲的柔性電路板（圖3）以及可靈活伸縮的可伸縮電路板（圖1）。

圖3、柔性電路板

可伸縮電路板的潛力

可伸縮電路板具有伸縮性，因此可以追隨膝蓋、肘部等關節部位，以及頸部和胸部等自由曲面。此外，通過將多種電子元件安裝到可伸縮電路板上，有可能開發出可佩戴在身體上以收集腦電波和心率等生命體征數據，比如心率、呼吸頻率、脈搏率、體溫、血壓和血氧飽和度等進行適當的治療和護理所需要的基本數據。或在手術后監測關節的器具。

醫療領域應用事例

可伸縮電路板有望應用于多種領域，這里介紹在醫療領域的事例。

迄今為止醫療器械中存在以下問題：

患者不能持續佩戴

長時間佩戴會限制身體活動。此外，佩戴設備本身也存在損傷皮膚的風險。

無法獲取滿足要求精度的數據

傳統醫療器具在獲取生命體征數據時，由于受到外部噪聲和身體活動噪聲的影響，無法獲得滿足要求精度的數據。

使用很麻煩

穿戴需要花費時間。只能由專門的醫務人員來使用。

下面，我們介紹使用可伸縮電路板解決這些問題的事例。

腦電波檢測（EEG）設備

腦電波是大腦皮層不斷發出的微弱電信號。電信號的頻率根據精神狀態和大腦的活動而變化，通過測量頻率可以了解大腦的狀態。通過在頭皮上放置10到20個電極來測量腦電波（圖4）。

圖4、傳統的腦電波檢測(EEG：Electroencephalogram)設備

監測腦電波時，需要將電極安裝到準確的位置。安裝電極非常麻煩，存在專業醫生之外的人員很難使用的問題。

但是，近年來，人們開發出了使用可伸縮電路板的帶型和帽型EEG電極陣列設備。通過使用可伸縮電路板可以適應患者頭部的形狀和大小，或者將可伸縮電路板本身嵌入帽子中。連接電極的電纜可以隱藏在設備內部，降低了布線在安裝設備或患者移動時脫落的風險。此外，通過在EEG電極附近嵌入放大器或濾波器等，可以獲得消除噪聲后的高精度數據（圖5）。

圖5、可伸縮電路板的EEG電極陣列設備

人工關節置換手術后的關節部位監測

人工關節置換手術是一種用人工關節替換因變形性關節炎、類風濕性關節炎或外傷而變形的關節的手術。該手術針對肩膀、大腿和膝蓋等關節進行，對關節是一種恢復“不痛”“能動”“能支撐人體”等重要功能的治療。進行人工關節置換手術后，需要進行康復治療以恢復關節部位的功能。此外，除了康復之外，手術后還需要進行疼痛管理和檢查是否發生骨折、脫臼和感染等并發癥等醫療。

目前，醫護人員陪同患者康復并對患處進行觀察和診斷，提供多種類型的護理。此外，目前正在開發的關節部位可穿戴設備有望用于對日常生活和康復過程中的動作進行檢測和記錄，并將結果傳達給醫護人員和患者，有助于確定術后康復方針，并維持和提高持續康復的動力。此外，還有望用于盡早發現感染和脫臼等并發癥的發生。

關節是人體當中活動范圍非常大的部位，需要較高的機械耐久性。人們認為，通過在可伸縮電路板上配備多種傳感器，付與對關節的活動范圍和活動狀態等進行的機械監測功能以及對手術部位的狀態（溫度、腫脹等）等進行的生理學監測功能，能夠盡早掌握人工關節置換手術后患者的狀態及其狀態變化，有助于改良患者的生活質量（圖6）。

圖6、可伸縮電路板的關節部位監測

新生兒重癥監護用生命體征監測

早產或低出生體重的新生兒身體脆弱，因此需要不斷監測他們的生命體征，以便及時采取適當的措施。然而，由于傳感器本身的硬度、連接傳感器的導線以及用于固定傳感器的粘合劑，目前的設備并不太適合新生兒。例如，導線可能會影響袋鼠式護理（父母直接進行的護理）以及新生兒的活動。此外，傳感器的硬度和粘合劑也有造成皮膚損傷的風險。

因此，通過在可伸縮電路板上安裝傳感器、電池、微型控制器和BLE（Bluetooth Low Energy），可以實現不會妨礙袋鼠式護理或新生兒活動的無線設備。此外，利用電路板本身的柔軟性，即使是嬌嫩的皮膚也能在貼合后保持很好的追隨性，從而可以實現降低上述風險的監測設備（圖7）。

圖7、可以在不妨礙活動的情況下獲取生命體征數據

總  結

印刷電子是多層陶瓷電容器（MLCC）等村田制作所產品中采用的技術。通過將該技術與具備伸縮性的材料和導電材料進行組合，制成了可伸縮電路板。

可伸縮電路板是將現有的電子元件制造技術與可伸縮材料的開發技術相結合的“柔性技術”。目前，在醫療領域，人們希望這些設備能夠具有追隨性、佩戴舒適、傳感器精度提高、可長時間佩戴等效果。此外，預計該技術將不僅用于醫學領域，還將應用于工業機器人、智能紡織品等許多領域。