电子装置、电子组件及其制备方法与流程

1.本发明涉及电学领域，尤其涉及可伸缩的电子装置、可伸缩的电子组件、其制备方法及其应用。


背景技术：

2.可伸缩电子电路作为一种新兴的技术，在过去的十年中为可伸缩电子器件的应用提供了巨大的市场潜力。这些应用可能包括可穿戴电子产品和医疗电子产品。可伸缩电子装置得益于其三维顺应性，可以拉伸和收缩，以符合关节或肌肉的运动，从而确保在运动过程中感知的准确性。
3.传统技术通常至少遵循下列程序之一：(1)通过实施新材料，和(2)通过实施新结构。各种各样的材料被用于制备可拉伸电子装置或可拉伸电子器件(sed)，如弹性聚合物基板、弹性复合材料和液体导体。然而，新型材料可能会遇到一些限制。首先，专门开发的新材料可能在大批量生产中存在困难。其次，与金属互连相比，新型材料，如聚合物导电材料，由于阻抗过大和寿命较短，作为导电互连在电气和机械方面表现较差。第三，采用新材料后，基板的刚性和可伸缩区域之间的界面可能受到长期可靠性的挑战。
4.作为一种基于新结构的可拉伸技术路线，基板可以由一系列刚性“岛”组成，并通过波浪形或蛇形的可拉伸互连线图案相连。这些基于结构的可拉伸互连线图案将刚性“岛”阵列连接，形成可伸缩的电路。这样的结构可以使图案基板在特定区域，尤其是互连线所在区域上承受应变或应力。从宏观的角度来看，由于波浪形或蛇形互连，整个装置是可伸缩的。从微观上看，刚性岛上应变很低，焊点处的应力或应变理论上可以忽略，从而提高器件的寿命。然而，波浪形或蛇形图案的复杂结构可能需要复杂的制造过程，因此可能与传统的工业生产不兼容。此外，在基于新结构的sed上集成各种功能组件也可能面临挑战。
5.为了解决上述问题，需要开发新的可伸缩电子装置。


技术实现要素：

6.在下面的详细描述中公开了一种可伸缩电子装置(sed)，以及制造该sed的方法。sed的柔性基板可以按照折纸或剪纸图案进行折叠。这些类型的三维结构可以实现sed的变形或拉伸能力。所公开的制造技术可允许在常规平面基板上大规模生产此类sed。由于减少了局部应力或应变集中，这种技术延长了sed的使用寿命。
7.根据本发明的一个方面，公开了一种可伸缩电子装置或者器件。可伸缩电子装置或者器件包括柔性基板和集成在柔性基板上的多个功能组件。所述柔性基板按照折纸或剪纸图案折叠成三维结构。功能部件之间存在电气连接。
8.在某些实施例中，所述柔性基板包括多个刚性区域和至少一个柔性互连件，且所述至少一个柔性互连件连接所述多个刚性区域。功能部件安装在刚性区域上。
9.在某些实施例中，所述柔性基板的至少一部分被移除，被移除的区域包括折纸或剪纸图案的顶点，即折痕汇聚点。
10.在某些实施例中，柔性基板内嵌有连接线、集成电路和微电子电路中的至少一者。
11.在某些实施例中，柔性基板为高分子薄膜，优选聚对二甲苯(派瑞林)、聚酰亚胺和有机硅脂中的至少一者。
12.在某些实施例中，基于折叠柔性基板形成的三维结构被封装在保护层的内部，或被保护层覆盖。
13.在某些实施例中，电子装置堆叠在另一基板上。将另一基板折叠成该电子器件的相同或类似的基于折纸或剪纸图案的三维结构。
14.在本发明的另一方面，公开了一种用于制造可伸缩电子装置的方法，包括下列步骤：(1)准备柔性基板；(2)将多个功能元件集成在柔性基板上，其中所述功能元件存在电气连接；以及(3)根据剪纸图案或折纸图案将集成功能元件的柔性基板折叠成三维结构。
15.具体地，所述方法可以包括以下步骤：按照折叠图案(例如预先设计的折纸或剪纸图案)对二维的柔性基板进行图案化，将多个功能部件集成在二维的柔性基板上；根据所述折叠图案调制所述二维的柔性基板的刚度；和将二维的柔性基板折叠成三维结构。所述二维基板包括多个刚性区域和至少一个互连区域。
16.在某些实施例中，根据所述折叠图案调制所述二维的柔性基板的刚度包括对所述折叠图案的至少一个互连件施加压力。
17.在某些实施例中，根据所述折叠图案调制所述二维的柔性基板的刚度包括将多个加强件附加到所述折叠图案的刚性区域。
18.在某些实施例中根据所述折叠图案调制所述二维的柔性基板的刚度包括还包括去除所述二维的柔性基板的至少一部分。
19.在某些实施例中，在至少一个互连件的位置移除二维基板的至少一部分，并且所述方法进一步包括：在二维基板上涂覆柔性材料层，以在柔性材料层内形成新的互连件。
20.在某些实施例中，所述方法还包括：用封装材料封装折叠的三维结构。
21.在本发明的另一方面，公开了一种用于制造可伸缩电子装置的方法。该方法包括：按照折纸或者剪纸图案将二维的柔性基板进行图案化，所述图案包括多个刚性区域和至少一个互连件；根据所述图案调制所述基板的刚性；将多个功能部件集成在二维基板上，其中所述功能元件存在电气连接；和将二维基板折叠成三维结构。与前述方法相比，本方法允许在集成功能元件前调控二维基板刚度。
22.在某些实施例中，该方法还包括在将多个功能部件集成在二维的柔性基板上之后进一步调制基板的刚度。
23.在某些实施例中，根据所述图案调制所述基板的刚性包括：将多个加强件附加到折叠图案的刚性区域上。
24.在某些实施例中，所述图案为三浦折叠图案，并且与平行四边形边缘相关的基板的折痕区域被设计为比基板的刚性区域有更少的层、更少的迹线或更薄的层。
25.在某些实施例中，根据所述图案调制所述二维的柔性基板的刚性包括：除去二维的柔性基板的至少一部分。
26.在某些实施例中红，所述二维的柔性基板的被除去的部分位于基板的折痕区域，所述方法进一步包括：在所述基板上涂覆柔性材料层，以与所述柔性材料层形成新的互连件。
27.在某些实施例中红，所述方法还包括用封装材料封装折叠的三维结构。
28.本发明还公开了一种电子组件，包括彼此堆叠的上述任一电子装置。
29.根据本发明，可伸缩电子元件中的至少一种柔性互连件可允许所述基板根据所述设计的折叠模式(如三浦折纸模式)进行折叠，从而使sed具有可变形性和可拉伸性。功能部件可以定位在刚性区域上，在折叠/展开过程中，刚性区域的变形小于互连区域。因此，应力或应变在一定程度上可能局限于互连区域而不是刚性区域。因此，尽管sed处于折叠状态，集成的功能组件可以正常工作。
30.附图简要说明
31.图1a
‑
b示出了根据某些实施例的处于展开状态的基于折纸的sed以及c
‑
d示出了基于折纸的sed 100中切割线150处的截面视图。
32.图2a
‑
2b示出了根据一些实施例使用的三浦折纸结构的参数特征。
33.图3示出了经过封装的基于三浦折纸结构的sed的一个实施例。
34.图4示出了根据某些实施例制造基于折纸结构的sed的方法。
35.图5示出根据某些实施例，用于制造基于折纸结构的sed的方法的流程图。
36.图6a
‑
6c示出根据某些实施例，弱化基板折痕区域的刚性的三个实施例。
37.图7a
‑
7e示出根据另一些实施例，用不同材料替换基板的互连区域的过程。
38.图8是用于根据实施例识别给定sed的级别和类型的图。
39.图9是组装多个折叠成三维结构的基板，形成更高级别的可伸缩电子装置的示意图。
40.图10示出根据一个实施例设计并且制造egg监测系统的流程图。
41.图11示出(a
‑
c)：没有折叠过程，即处于完全展开状态的二维基板；(d)折叠的流程以及与流程相对应的实际电子装置；(e)实施例的模具；以及(f)封装的电子装置的横截面示意图。
42.图12示出一个实施例中，电子装置(a)不折叠，(b)第一次折叠后，即稳定状态，(c)第一次展开后，即残余变形状态，和(d)深度压缩状态。
43.图13示出一个实施例中，(a
‑
c)基于折纸的可拉伸电子装置的电气性能，以及(d
‑
e)其在电子系统中的应用。
44.图14示出一个实施例中，经过弹性体封装的基于折纸的可拉伸电子装置的(a
‑
b)尺寸，(c)拉伸性能，(d)弯曲能力，和(e)扭转能力。
具体实施方式
45.下面详细描述本发明的实施方案。下面描述的实施方案是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施方案中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
46.定义和一般术语
47.应进一步认识到，本发明的某些特征，为清楚可见，在多个独立的实施方案中进行了描述，但也可以在单个实施方案中以组合形式提供。反之，本发明的各种特征，为简洁起见，在单个实施方案中进行了描述，但也可以单独或以任意适合的子组合提供。
48.除非另外说明，本发明所使用的所有科技术语具有与本发明所属领域技术人员的通常理解相同的含义。本发明涉及的所有专利和公开出版物通过引用方式整体并入本发明。
49.除非另有说明或者上下文中有明显的冲突，本文所使用的冠词“一”、“一种”和“所述”旨在包括“至少一个”或“一个或多个”。因此，本文所使用的这些冠词是指一个或多于一个(即至少一个)宾语的冠词。例如，“一种组分”指一个或多个组分，即可能有多于一个的组分被考虑在所述实施方案的实施方式中采用或使用。
50.术语“包含”或者“包括”为开放式表达，即包括本发明所指明的内容，但并不排除其他方面的内容。
[0051]“电子装置”是指利用和/或输出电信号或光信号的装置，例如，能够在不影响装置的性能或者性质的条件下能够伸缩变形的电子装置，比如可弯曲/可拉伸显示器、可弯曲/可拉伸照明装置、传感器装置、通讯装置、计算装置和衰减装置等。
[0052]“柔性基板”是指在外部负荷或应力下能够弯曲和/或拉伸而不显著损害性能的材料，包括旋涂/喷涂的柔性聚合物膜(如聚酰胺、聚醚醚酮、有机硅脂、聚氨酯等)以及真空沉积膜(如c型聚对二甲苯、d型聚对二甲苯或n型聚对二甲苯)。
[0053]“线路元件”是指将装置中的功能元件互连，从而传输电子的元件，包括导电的线路和/或电子元件。
[0054]“功能元件或者电子元件”是指在可以安装或嵌入基板的具有功能的组件，例如电阻、电容、电感、集成电路芯片、集成电路模块、互连线等。
[0055]
本发明涉及可伸缩电子装置(sed)。sed可通过将各种功能组件集成在可按照折纸图案或者剪纸图案折叠的柔性基板上来制造。所述柔性基板可包括多个刚性区域和至少一个柔性互连件。所述至少一种柔性互连件可允许所述基板根据所述设计的折叠模式(如三浦折纸模式)进行折叠，从而使sed具有可变形性和可拉伸性。功能部件可以定位在刚性区域上，在折叠/展开过程中，刚性区域的变形小于互连区域。因此，应力或应变在一定程度上可能局限于互连区域而不是刚性区域。因此，尽管sed处于折叠状态，集成的功能组件可以正常工作。
[0056]
在某些实施例中，sed的基板可以设计成具有特定图案以促进器件的折叠。例如，可以对基板的互连区域施加外力，特别设计为更少的层，对某些部分去除，或用更灵活的材料取代，以提高互连区域的灵活性。作为另一种方法，可以加强基板的刚性区域。例如，可以将多个加强件附着在基板的刚性区域以增强刚性。
[0057]
本文中所述的sed制造技术可以与常用的二维基板兼容，如电路板和集成电路，从而允许该技术的广泛应用。此外，该技术也可以与传统制造技术兼容，从而允许大规模生产。
[0058]
所制得的sed可以有一个平面的初始态。在使用过程中，可以通过自组装或施加外力将其折叠成三维结构。所得到的三维工作状态sed具有投影面积小、高的便携性、高变形性和高可拉伸性等优点。此外，由于具有反复折叠和展开的能力，基于折纸的产品可以作为用于可折叠、灵活、可拉伸或可完全的电子器件的优秀平台。此外，由于折纸三维结构中的应力或应变的重新分布，这种sed产品的寿命可能会延长。
[0059]
虽然下面的描述主要描述了与三浦公亮提出的三浦折叠图案有关的实施例，但值
得注意的是，当折叠在本披露的范围内时，其他类型的折纸结构可能具有更高的空间利用率或独特的优势。所选择的折叠模式类型可根据应用量身定制。此外，其他折纸或剪纸图案，如霍夫曼网格结构、馆知宏设计的刚性可折叠四边形网格图案等，可以理解为三浦折纸结构的变型，即刚性可折叠的折纸图案均可以使用这种技术。
[0060]
图1a和b分别从功能角度和结构角度示出了初始展开状态的基于折纸的sed 100的俯视图。图1c和d表示图1a和1b中基于折纸的sed 100中切割线150处的截面视图。
[0061]
如图1a所示，基于折纸的sed 100可包括基板110和在基板110上的电连接的各种功能元件。所述功能元件可包括混合微电路115、封装功能元件120和芯片125，它们可通过连接线130连接。将封装的电子元件120和芯片125与110基板连接的标准技术可以是手工焊接、回流焊、倒装焊和金属线绑定。
[0062]
基板110不仅可以为各种功能部件提供机械支持和电气通道，而且由于根据折叠图案(折纸或者剪纸图案)专门设计的折叠结构，还可以为基于折纸的sed 100提供变形和灵活性。所述基板110可沿所述折叠图案的若干折痕线从二维平面折叠成三维结构。如图1a和b所示，基板110的左、右边缘可能是折痕线的锯齿路径。在某些实施例中，折痕线可在基板110的二维表面上形成镶嵌的平行四边形，折叠时形成一系列的峰和谷，这些峰和谷可构成三浦折叠模式。三浦折痕图案允许基板110的折叠/展开以连续的动作进行，而每个平行四边形在折叠/展开过程中基本不发生拉伸和弯曲。因此，折叠/展开引起的应力在理想状态下局限于折痕线。功能部件可以集成在三浦折痕图案的平行四边形上，以减少折叠/展开过程中功能部件的应变。另一方面，可折叠结构可以使基于折纸的sed 100具有整体的变形能力和灵活性。
[0063]
基板110可以是刚性基板、可折叠基板或柔性基板。此外，基板110可以集成使用传统工业技术制造的材料、结构、器件或类似组件。在某些实施例中，连接线130和混合微电路115可嵌入基板110中。
[0064]
每个混合微电路115可以是包含两个或更多的单一类型的微电路，或以下微电路或元件的组合：薄膜器件、单片集成微电路、分立半导体元件、无源元件、印刷或沉积形成的元件。薄膜微电路是指由完全是在绝缘基板上或基板内原位形成的薄膜的元件组成的微电路。单片集成微电路是指这样一种有源微电路，该有源微电路由仅在原位或在单个半导体基板内形成的元件以及在基板内形成的至少一个元件组成。分立半导体元件是指除微电路外的有源半导体元件，可包括但不限于晶体管、二极管或晶闸管。无源元件是指无源电子元件，如平面电阻、电容、电感、单层或多层图形化元器件组件。
[0065]
封装电子元件120可以是在用于影响电子或其相关场的电子系统中具有电子封装的任何主要分立器件或物理实体。组件可以分为无源组件、有源组件和机电组件。有源元件依赖电源，电源可以将能量注入电路。有源元件包括放大元件，如晶体管、三极管、真空管(阀)和隧道二极管。与有源元件不同，无源元件不依赖于独立的电源，也不会将净能量引入电路。因此，无源组件不能通过增加信号的功率来放大信号，但是无源组件可以增加信号的电压或电流，例如通过使用变压器或谐振电路。无源元件可以是一个双端元件，如电阻、电容、电感或变压器。机电部件可以通过使用运动部件或使用电气连接来进行电气操作。
[0066]
芯片125可以是电子系统中用于影响电子或其相关电场的任何主要分立器件或物理实体。与封装的电子元件不同，芯片125没有任何电子封装，换句话说，芯片是一个裸芯
片。裸芯片产品是无包装的晶圆。裸芯片产品可以允许系统设计师使用裸芯片的全部潜力而不招致性能劣化，如降低电气性能或引入温度限制。芯片可能是功率金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)、绝缘栅双极晶体管(igbt)、小信号分立器件，如双极结晶体管和结栅场效应晶体管(jfet)、集成电路、或薄膜无源芯片，如薄膜电阻、电容或者电感。
[0067]
连接线130可以是连接混合微电路115和预先设计的焊盘的任何类型的导体。预先设计的焊盘可用于在基板110上安装或粘接封装电子元件120和/或芯片125。
[0068]
图1b从结构角度示出了基于折纸的sed 100。基于折纸的sed 100可包括多个刚性区域135和至少一个互连件140。在折叠/展开过程中，刚性区域135可以保持为平面。与刚性区域135相比，与折痕图案的折痕线相对应的至少一个互连件140，可以进行更灵活的形变。这样，至少一个互连件140可按照预先设计的折叠模式进行折叠。在该实施例中，由折叠/展开过程引起的应力可局限于至少一个互连件140上。为了延长sed折叠/展开的寿命，可以针对性设计刚性区域135和基板110的至少一个互连区域140来的刚度，进而管理应力的分布。功能部件可定位于受折叠应力影响小于基板110其他部分的刚性区域135上。同时，在折叠/展开过程中承受较大应力的基板110部分可能被移除或增强。因此，sed的寿命可能会显著延长。本领域的技术人员将认识到刚性区域135和至少一个互连件140可能是相同的材料或不同的材料。刚性区域135可以用柔性材料或刚性材料制成。以下所述的许多技术可用于调制基板的刚性。
[0069]
在三浦折叠图案中，多个刚性区域135可能是平行四边形。每个刚性区域135可以具有多个侧边。多个刚性区域135可按预定图案排列。所述多个侧边可以限定所述预定图形中的多个折痕，且每个刚性区域135的至少一个侧边可以位于与预定图案中另一个刚性区域135的至少一个侧边相对的位置。作为连接部分的至少一个互连件140可连接到并定位于相对的刚性区域135之间。每个刚性区域135可包括一片基板。在某些实施例中，可将刚性区域135塑造成与所期望的折纸形状相对应的形状并调整其大小，而刚性区域135的侧边则与折纸折叠模式中的折痕相对应。
[0070]
连接线130、混合微电路115、封装电子元件120和芯片125可置于刚性区域135上。连接线130可以连接独立刚性区域135上的两个功能部件。在这些实施例中，连接线130的至少一部分可能位于互连件140上。在折叠/展开过程中，互连件140上的连接线130部分可能会变形。
[0071]
对于本文描述的互连件140，至少一个连接部分可以连接到并定位于相对刚性区域135之间。在一个方面中，每个互连件140可能处于固定位置，在这个位置上，不允许连接的刚性区域135之间有相对运动。在另一方面，每个互连件140可以是可移动的和可弯曲的，以允许连接的刚性区域之间的相对运动135。至少一个互连件140可能比连接的刚性区域135相对更灵活，因此多个刚性区域135中的每一个都可以折叠或展开，并且基于折纸的整体sed 100可以变形和可拉伸。
[0072]
可通过采用以下两种策略中的至少一种来调制基板110的刚度：(1)加强刚性区域135的刚度，以及(2)增强至少一个互连件140的柔性。每种策略都可能涉及两个层次的考虑。其中一个考虑可能是在设计层面上解决平面器件被折叠成三维结构的要求。例如，可以考虑对三浦折叠图案的设计进行改进，以实现将给定的平面板折叠成基于三浦折叠的可伸缩电路板(scb)。可实施不同的增强技术，这取决于应用、功能组件集成、基片材料和其他要
求。另一个需要考虑的问题是在制造水平上选择一种合适的折叠平面基板的技术。正如下文将详细描述的那样，在制造过程中可以采用直接折叠和更换互连材料等工艺。通常，产品的质量是制造过程的复杂性的权衡。选择合适的制造技术可能取决于产品的质量要求、成本、开发时间和其他一些因素。
[0073]
为了更好地理解基于折纸的sed 100，本文将描述三浦图案作为示例。其他“折纸”或“剪纸”图案也可以用于本技术，以实现sed。
[0074]
图1c和1d分别从功能角度和结构角度示出了沿sed 100的切割线150的剖面结构。如图1c所示，基板110的一部分出现在切割线150的截面上。基板110内嵌两个混合微电路115，基板110上安装封装电子元件120，基板110上线接芯片125，通过连接线130建立电连接。在某些实施例中，基板110可包含多层。例如，基板110可以是印刷电路板(pcb)，它可以包含一个或多个用于导电的铜片层。如图1d所示，混合微电路115、封装电子元件120、芯片125和部分连接线130位于刚性区域135上。在横截面中，多个刚性区域135之间是互连区域140。连接在独立刚性区域135上的功能部件的连接线130部分连接在互连件140上。例如，连接最右边的混合微电路115和芯片125的连接线130可能位于多个刚性区域135和互连件140的多个部分上。具体来说，连接线130的一部分可能横跨整个刚性区域135。在折叠/展开过程中，互连件140上的连接线130部分可能随着互连件140的变形而变形。
[0075]
上述基于折纸的sed可以作为具有平面初始状态的sed进行制备。当使用时，平面初始态的sed可以按照基于折纸的折叠图案形成三维结构。sed的三维折叠结构可以通过自组装或外力压制来实现。所得到的三维工作状态的sed可以提供更小的投影面积、更高的便携性、更高的变形能力和更高的拉伸能力。此外，由于具有反复折叠和展开的能力，基于折纸的产品可以提供可折叠、灵活、可拉伸或曲面的平台，由于应力或应变的重新分布，可以延长此类产品的使用寿命。此外，基于折纸的sed折叠结构可以根据折叠图案进行参数化表征。
[0076]
图2a示出符合某些实施例的三浦折叠图案的基本单元200的参数化特征。基本单元200可以定义为三浦折叠图案的单位。基本单元200可以呈现在由x轴、y轴、z轴和原点202定义的三维空间中。点211、212、213、214、215、216、217、218、219是三浦折叠图案中单元200的顶点，可以用来描述其他物体。单元200可以包括四个相同的平行四边形204、206、208和210。平行四边形204可以由点211、212、215和214来定义。平行四边形206可以用点214、215、218和217来定义。平行四边形208可以由点212、213、216和215来定义。平行四边形210可以由点215、216、219和218来定义。
[0077]
单元200的展开模式可以完全由3个参数确定：边长220和222分别表示为参数a和b，扇形角224表示为参数β。参数a为平行四边形的一条边的长度，平行四边形可以投影到由x轴和y轴定义的平面上。参数b是平行四边形的另一条边的长度，也可以投影到x轴和y轴所定义的平面上。参数β是平行四边形两边之间的夹角。例如，两边可以是由点214和215定义的一条线，以及由点214和217定义的平行四边形206的另一条线。参数β可以是锐角也可以是直角。单元200的折叠结构可由折叠角度φ确定，其范围从0度到2β。单元200展开时，折叠角度为0度。当单元200完全折叠时，其折叠角度为2β。点213和216定义的线与点219和216定义的线之间的角度226可能有一个值(β
‑
2φ)。在已知参数a、b、β和φ的情况下，可以在任何折叠结构中确定单元的所有其他变量。
[0078]
长方体空间230可以定义为一个三维空间区域，其可以完全覆盖三浦折叠图案的单元200。满足要求的最小的长方体空间230的每个顶点的三个侧边可能平行于三个坐标轴。在本实施例中，最小的长方体空间230的宽度可以沿x轴，最小的长方体空间230的长度可以沿y轴，最小的长方体空间230的高度可以沿z轴。最小的长方体空间230的长度记为l，可以用下式计算：
[0079][0080]
最小的长方体空间230的宽度用w表示，可以用下式表示：
[0081][0082]
最小的长方体空间230的高度记为h，可以用下式表示：
[0083][0084]
图2b示出了符合某些实施例的三浦折叠图案250的参数化特征。三浦折叠图案250可以包括图2a中的多个单元200，单元200可以排列为n
l
×
n
w
个平行四边形面阵列，其中n
w
为沿x轴的平行四边形个数，n
l
为沿y轴的平行四边形个数。作为一个例子，三浦折叠图案250可能包含5
×
5个单元200，因此n
l
和n
w
可以都是10。在n
l
或n
w
为奇数的情况下，三浦折叠图案250不能由整数数量的单元格200组成。
[0085]
三浦折叠图案250中的每个单元200都有图2a中描述的几何结构。因此，一个特定的三浦折叠模式配置只能由6个独立参数a、b、β、n
l
、n
w
和φ来定义。在实际应用中，前5个参数是结构常数，在折叠和展开过程中保持不变。特定的三浦折叠模式可以仅由一个变量φ确定。换句话说，三浦折叠图案只有一个自由度(dof)。
[0086]
类似于图1a中对单元200的最小的长方体空间230的定义，可以为三浦图案250定义最小的长方体空间240，使最小的长方体空间240可以完全覆盖三浦折叠图案250。最小的长方体空间240的宽度可以沿x轴，最小的长方体空间240的长度可以沿y轴，最小的框240的高度可以沿z轴。最小的长方体空间240的长度记为l，可以用下式表示：
[0087][0088]
最小的长方体空间240的宽度用w表示，可以用
[0089][0090]
最小的长方体空间240的高度记为h，可根据以下关系式计算：
[0091]
h＝h
ꢀꢀꢀ
6)
[0092]
线性形变能力可以用以下表达式来定义：
[0093]
形变能力＝最大值/最小值
‑1[0094]
沿y轴和x轴的线性变形特性可由下列表达式定义：
[0095][0096]
[0097]
其中，l
max
、w
max
为对应展开状态的l、w值，l
min
、w
min
为对应折叠状态下l、w的值。上述为图2b所示的三浦折叠图案250推导的线性形变能力可以用于表征其他类型的三浦折叠构型。上述对整体变形的推导是针对三浦折叠的一个例子。如果其他折痕图是三浦折叠的变型，则对于这些其他折痕图，动态尺寸应逐个评估。
[0098]
图3示出了符合实施例的经过封装的基于三浦折叠图案的sed 300。如果忽略厚度，sed 300的形状遵循三浦折叠图案。可伸缩结构在工作状态下的参数可能在0度和2β范围内变化。至少一个互连件320可以是柔性的，以便多个刚性结构310的每个都可以折叠或展开，整体sed 300可以变形和可拉伸。在本实施例中，sed 300由封装件330封装。在某些实施例中，封装330可由具有低杨氏模量(<500mpa)的柔性和可拉伸材料制成。在某些实施例中，封装件330可能有助于保持sed 300的理想折叠配置。此外，封装件330可以作为保护sed 300核心部件的保护层。保护层可以是聚对二甲苯、聚酰亚胺中的至少一者，优选聚对二甲苯(派瑞林)。聚对二甲苯是由乙炔桥连接的苯二基环(ch)或其他类型的柔性聚合物的统称。在其他实施方案中，sed 300可以由起到保护层作用的制造材料保护，而不限制保护层的材料。
[0099]
图4示出了用于根据某些实施例制造基于折纸的sed 100的方法400。方法400最初可以从二维基板开始。尽管方法400被描述为使用半导体制造的传统工具或设备进行，但用于制造sed 100的任何工具或工业设备的组合都在本披露的范围内。此外，方法400的步骤可以由配置为执行指令的一个或多个处理器或控制器自动化，这些指令导致工具或设备实现各种操作。指令可以包含在计算机可读介质中，如非易失性或非短暂存储器中。
[0100]
在步骤410，可根据折叠图案(折纸或者剪纸图案)对二维基板进行图案处理。在此步骤中，所述基板可定义为具有多个刚性区域和至少一个互连件。可根据所述折叠图案的折痕线限定所述至少一个互连件。在某些实施例中，所述基板可包括多个层压导电层。
[0101]
在步骤420，可以在二维基板上制造电子器件。所述基板可包括嵌入其中的混合微电路和连接线以及安装在其上的封装电子封装件和芯片。在此步骤中可以形成电子装置的各种功能部件之间的至少一部分电连接。
[0102]
在步骤430，可以对电子器件的二维基板进行调控以形成三维结构。可以通过以下方式中的至少一种来调制基板的刚度：(1)加强刚性区域的刚度，(2)弱化互连件的刚度，以及(3)用更柔性的材料替换互连件。
[0103]
在某些实施例中，可以切换步骤420和430的顺序，以便可以在调制二维基板以符合所述三维结构后，在三维基板上制造电子器件。
[0104]
在其他实施例中，可以在步骤420之前执行步骤430，在步骤420之后执行另一个步骤430。因此，在对二维基板进行调制以符合所述三维结构后，可以在三维基板上制造电子器件。所述已经具有三维结构的所述电子器件，可以进一步调制以增强其三维结构。
[0105]
图5是用于根据某些实施例制造基于折纸的sed 100的方法500的流程图，作为上述步骤的更具体说明。
[0106]
在步骤510，可以制备二维基板。可将折叠图案应用于二维基板，以限定多个刚性区域和至少一个互连件。在实施例中，将三浦折叠模式应用于二维基板，其中刚性区域可以是折叠时实质上是平坦的平板区域。可根据所述折痕图的折痕线并在折叠时变形来定义所述至少一个互连件。在此步骤中，可以在基板上制作连接线和混合微电路。在实施例中，互
补金属氧化物半导体(cmos)工艺，如光刻、沉积、注入、热处理可在此步骤中实现。在这样的实施例中，初始基板应是cmos工艺兼容的基板，例如硅片。在另一个实施例中，连接线或混合微电路的某些元件可以通过印刷、电镀或其他工艺制造。
[0107]
在步骤520，可根据预先定义的折叠图案调制基板的刚性。这一步骤可以通过采用加强刚性区域的刚度或增强折痕区域的柔性的策略来实现。可根据上述至少一种策略应用几种技术来调制基板的刚度。
[0108]
在一个实施例中，可将预先设计的加强件附加到基板的刚性区域，以便可加强刚性区域的刚度。在另一实施例中，可将特定设计应用于所述基板的折痕区域以削弱所述折痕区域的刚度。例如，所述基板可以是包含互连件的柔性印刷线路板(fpcb)。所述互连件可设计为具有更少的层、更少的迹线或至少一个更薄的层。这样，可以以更灵活的方式促进基板的互连。在另一个实施例中，可以除去互连件的至少一部分以增强互连件的灵活性。例如，在三浦折叠图案的刚性区域的顶点附近的互连部分可以被移除，其中互连部分不执行电气或机械连接功能。在另一个实施例中，可以用更灵活的材料取代基板的折痕区域，以形成更灵活的互连件。这些技术可以单独使用，也可以联合使用。本发明所披露的所有技术可应用于柔性或可弯曲基板，如柔性印刷电路板。其中一些技术可应用于刚性基片，如硅片、玻璃片和钢板。
[0109]
在步骤530，可以通过将功能部件集成在基板上来制造电子器件。功能部件，如封装的电子部件和芯片，可以安装在基板的刚性区域上。步骤510的封装的电子元件、芯片和先前集成的混合微电路之间的电连接可以在此步骤中完全建立。因此，可以在二维基板上制备包含各种功能部件的电子器件。
[0110]
在步骤540，电子装置的刚性可根据预先定义的折叠图案进行修改。与步骤520类似，可采用加强刚性区域的刚度或提高互连的灵活性的策略来调制电子装置的刚度。在此步骤中可以应用类似的技术，例如，将加强件附加到电子装置的刚性区域，移除不执行电气或机械连接功能的互连件的至少一部分，或用更柔性的材料替换互连件。此外，还可将外力直接施加于电子装置的基板上，以迫使基板按照折叠图案进行折叠。例如，力可以用模压机或用手施加。至少执行步骤520和540中的一个，以促进折叠过程。在某些实施例中，520或540步骤之一可以省略。
[0111]
在步骤550，电子装置可按照所述折叠图案折叠成三维结构，以形成sed。折叠过程可以通过自组装或施加外力来进行。
[0112]
在步骤560，sed可能被封装。在一个实施例中，封装由杨氏模量小于500mpa的柔性和可拉伸材料制成。所述封装可用于保护可伸缩结构的核心。或者，可以用起到保护层作用的材料来覆盖sed，而不限制保护层的材料。
[0113]
折纸结构中柔性互连件的变形可以为sed提供整体的变形能力和拉伸能力。此外，由于调控了刚度的分布，在折叠/展开过程中的应力可能局限于柔性互连件。这样的连接件、混合微电路、封装电子元件和刚性区域上的芯片可以在折叠/展开过程中防止大变形。
[0114]
以下实施例描述了5种可在步骤520或540中实现的调制刚性的技术。这些技术可以单独使用，也可以根据不同的应用组合使用。所有五种技术都可以与柔性或可弯曲的基板兼容，而一些技术也可以与刚性基板兼容。
[0115]
第一种技术是通过附加加强件来加强基体刚性区域的刚度。该技术可应用于步骤
520和540。在实施例中，多个加强件可连接到由步骤510的预定义折叠图案所定义的刚性区域。加强件可以具有在折叠图案中定义的刚性区域的相同形状。例如，加强件可以与图1b中刚性区域135具有相同的平行四边形形状。加强件可对基板的刚性区域提供增加的刚性，以便基板可按照设计的折叠图案进行折叠。该技术可应用于柔性或可弯曲的基板。或者，至少基板的互连件应是柔性的或可弯曲的。这种技术是柔性电路板的标准工艺，因此很容易用于生产。此外，由于该技术的自对准效应，该技术可以提供相对较高的对准精度。
[0116]
6a
‑
c示出了削弱折叠图案的折痕区刚性的三个实施方式。这三个实施方式描述了上述五种技术的第二、第三和第四种技术。
[0117]
图6a示出了与第二种技术相对应的削弱折痕区刚度的基板600。所述基板600可以为整个基板使用相同的材料制成。所述基板600可包括多个刚性区域610和连续的互连件620，以连接多个刚性区域610。第二种技术是通过直接对基板600施加相当大的压力来削弱互连件620的刚性。这种压力可以由机器或人手提供。例如，可以使用压模机通过使基板成型来施加压力。该技术可能会显著改变基板的平整度，从而影响方法500的步骤540中功能部件在基板600上的集成。因此，这种技术可能只适用于方法500的步骤550。至少在互连件620区域内的材料应是柔韧的或可弯曲的。在互连件620区域可能出现微裂纹。这种微裂纹可能会进一步增加互连件620的柔性，因为有裂纹的互连件区域的刚度减弱。然而，作为一种权衡，微裂纹可能会缩短板的寿命。第二种技术可以提供如低工艺复杂性和不需要额外处理等优点。此外，第二种技术可以很容易地与其他技术结合，以进一步调制sed基板的刚性。
[0118]
图6b示出了与第三种技术相对应的减弱折痕区刚度的基板640。所述基板640可包括多个刚性区域610和专门设计的互连件620。至少基板640的互连件620应是柔性的(即：可弯曲或折叠)。第三种技术是通过对互连件进行特定的设计来削弱互连件620的刚性。例如，当基板640是柔性电路板时，具体设计在互连区域620中可能更少的层，更少的迹线，或至少一个更薄的层。第三种技术是在设计水平上调制刚度，因此只能在方法500的步骤530中实现。该技术还具有工艺复杂性低和不需要额外处理的优点。此外，与第一和第二种技术相比，该技术可以提供更高的对准精度。
[0119]
图6c示出了与第四种技术相对应的削弱折痕区刚度的基板680。所述基片680可包括多个刚性区域610和多个互连件620，以连接所述刚性区域610。不像图6a和图6b中描述的连续互连，可移除基板的多个部分630，从而分离多个分立的互连件620。第四种技术是去除基板610上的部分630。可以通过在基板中找到没有执行必要的电气或机械连接功能的区域来确定基板610中的此类移除部分630。在三浦折叠图案的实施例中，此类区域可以是刚性区域610的顶点附近的折痕区域。该技术可能不会降低基片的平直度，因此可以在方法500的530和550两个步骤中实现。连接件620应采用柔性或可弯曲材料，作为刚性区域610之间的电气和机械连接。常规工艺，如冲孔、钻孔、蚀刻和激光切割，可以用来实现这种技术。该技术还可以提供优势，如由于上述传统制造方法的工艺复杂性低，以及相对较高的对准精度。此外，该技术可以消除顶点周围的应变和应力集中区域，这是最典型的损伤发生的地方，从而提高sed的寿命。
[0120]
图7a
‑
7f说明了与第五种技术相对应的方法700。第五种技术是用不同的材料替换基板的至少一部分。与原始基板相比，替代材料可能具有不同的刚度。原始基板可以是柔性
和可弯曲的基板，如柔性电路板，也可以是刚性基板，如硅片。这个技术可以在方法500的530和550两个步骤中实现。
[0121]
该方法700可根据实施例将基板700的互连件730替换为更柔性的材料。如图7a所示，基板710最初可以是均质材料。所述基板710可按照折叠图案定义为具有多个刚性区域720并互连区域730。
[0122]
如图7b所示，基板710可固定在刚性支架740上。可在支架740和基板710之间涂上一层可溶性胶，如光刻胶。
[0123]
如图7c所示，可以去掉基板710的互连区730。基板710的剩余部分可能是刚性区域720。去除过程可以通过化学过程，如化学蚀刻，或机械过程，如冲孔，钻孔和激光烧蚀来完成。
[0124]
如图7d所示，相对的柔性材料层750可沉积在基板710的顶部。所述柔性材料可沿所述移除的互连区730的表面形成连续膜，从而可在所述互连区730中形成柔性互连，以连接所述刚性区720。在某些实施例中，气相沉积材料，如对二甲基苯，可用于覆盖互连区域730。
[0125]
如图7e所示，基板710可以从支架740上剥落。剥离过程可以借助之前应用的可溶性胶来促进。用溶剂溶解这种胶水可以将基板710剥落。
[0126]
如图7f所示，连接线760可跨越互连区730制造，以在刚性区720之间建立电连接。连接线760可由导电油墨、浆料、环氧树脂或胶水等常规工艺制成，如丝网印刷和点胶。
[0127]
第五种技术由于自对准效应和实现机器模式的过程可以提供较高的对准精度。此外，由于替代材料的材料特性，基于该技术所制备的材料不会产生微裂纹，从而可能延长材料的使用寿命。此外，该技术可应用于柔性和刚性基板，允许更广泛的应用。
[0128]
各种类型的可拉伸产品，如基于折纸的sed 100、300，可以通过实施方法400、方法500和上述五种调制基板刚性的技术来制造。
[0129]
图8是用于识别给定sed的水平和类型的图800。sed不限于图8中所列的级别和类型。
[0130]
sed的类型至少可以分为三个不同的级别：(1)芯片级810；(2)元件级820；(3)蚀刻电路板级830。当基片上没有芯片或混合电路时sed可以是蚀刻线路板830级类别中的可伸缩线路板(scb)880。当sed中安装的封装电子元件或芯片数量低于阈值水平时，sed可能是芯片级810类别中的芯片(s
‑
soc)840上的可伸缩系统。否则，sed可能属于组件级820。使用混合电路，元件级830的sed可以是封装(s
‑
sop)850上的可伸缩系统。没有任何混合电路或堆叠封装电子元件，组件级830的sed可以是可伸缩多芯片模块(s
‑
mcm)860。采用堆叠封装的电子元件，但没有任何混合电路，组件级830的sed可以是封装层(s
‑
sip)870中的可伸缩系统。
[0131]
在进一步的实施例中，多个sed可以堆叠在一起形成可伸缩的组件，称为板上可伸缩板(bob)，或板堆栈。图9示出根据实施例在不同折叠图案下的可伸缩组件900。可伸缩组件可由多个sed堆叠在一起制成。当完全折叠时，可伸缩组件可以转换为几乎平面的910结构。在不同的折叠配置下，可伸缩组件可能占据不同数量的三维空间。
[0132]
实施例
[0133]
基于本文提出的上述方法，设计并制作了一种可穿戴式心电监护电路1001用于心
电监护系统1000。作为基于三浦折叠的可伸缩线路板(mo
‑
scb)1002，如图10所示。研究发现，构件尺寸越大，三浦折叠图案中每个平行四边形的面也越大，这导致三浦折叠结构的高度增加。当scb太厚时，可能无法用于可穿戴设备和应用。为了平衡mo
‑
scb 1002的厚度和系统的功能，只在mo
‑
scb 1002上放置了心电监测模块1003；其他大型组件，如模数转换电路(adc)和无线收发模块1004和电池1005，需要一个刚性的pcb 1006放置。智能手机1007可以接收和处理采集到的数据，并在屏幕上显示从电极1008采集的心电图波形。
[0134]
三浦折叠图案是根据安装在mo
‑
scb 1002上的最大尺寸元件的大小确定的。x和y方向的边距设置为设备尺寸的50％，以确保牢固性。心电监护系统中mo
‑
scb的常数n
l
和n
w
分别设为5和6。此外，将残余折叠度设置为2
°
表征残余变形。为了便于使用计算机辅助设计软件进行电路板设计，选择[a,b,β]＝[4.5mm,3.9mm,66
°
]作为三浦折叠图案的变量；当时，理论的高度为3.13mm，沿主拉伸方向的可拉伸性为28.0％。
[0135]
scb的制造工艺例
[0136]
选择了商用fpcb 1101作为mo
‑
scb 1002的主要基板。fpcb 1101由双面ra fccl 1102(轧制退火的覆铜层压板，聚酰亚胺层1104和每个铜层1103的厚度分别是12和18μm)，两层覆盖层1105(cvl skckolonpi gf，37μm，包括粘合剂1106)和几个加强件1107(skckolonpi gd，总共180μm，包括粘合剂1106)构成。相对于电镀，轧制退火铜(ra)具有更好的机械性能。
[0137]
实施例中的每个平行四边形面135的电路被重新排列，在折痕区域140上由4或6条平行的连接线1108相互连接(图11b)。折痕区域140只有一层金属层1103，使其作为单层fpcb处理。图11(c)示出沿切割线1115所作的剖面。此外，受剪纸概念的启发，顶点周围的材料被完全移除，使mo
‑
scb 1002上的应变重新分布，并在变形过程中提供更多的自由度。折痕区域140的厚度减少和结构弱化促进了刚度调制。
[0138]
图11(d)为mo
‑
scb 1002的制作过程。所有的部件1109都安装在线路板的顶部。可选的是，第一步1111，组件1109用保护材料密封，以避免模具压制期间损坏。接下来，通过两阶段的折叠过程将线路板折叠成三浦结构。第一阶段折叠1112使用两套模具1114，每一套包括一对顶部和底部模具(图11(e))，迫使线路板进行初始变形。第二阶段折叠1113采用热收缩膜，进一步折叠。由于fpcb 1101的回弹性能，第一阶段1112和第二阶段1113折叠后的折叠度分别为6
°
和21
°
。最后封装过程1114，mo
‑
scb 1002用由颜料(silcpig
tm
pms black)着色的弹性体(ecoflex
tm
00
‑
30)1110封装，如图11f所示。
[0139]
测试例
[0140]
折叠后，线路板会在平面内收缩。mo
‑
scb 1002沿着两个方向的可拉伸性能分别为33.3％和8.7％，示于图12(a
‑
c)。由于折叠增强技术引入了更多的自由度以及线路板的厚度，实际尺寸与理论尺寸不完全匹配。三浦折叠结构使电路板可以压缩到10
×
10mm2，即可拉伸性能超过75％，而不会损坏电路，示于图12(d)中。
[0141]
图12(a)示出没有折叠的mo
‑
scb 1002，图12(b)示出第一次折叠后，即稳定的折叠状态的mo
‑
scb 1002，图12(c)示出第一次展开后的mo
‑
scb 1002，即残余变形状态，图12(d)示出折纸结构的部分1116可以在平面上压缩到大约10
×
10mm2的正方形(即最紧凑的状态)。
[0142]
平面薄片在折痕区域140弯曲，需要评估结构的特定层上的应变量。因为柔性材料
1104允许比铜1103更多的延伸而不断裂，并且铜层1103内部的应变在理论上是可以接受的，因此线路板应该能够在折痕区域104的重复弯曲中间实现mo
‑
scb 1002的重复变形。进行了mo
‑
scb 1002中金属丝1103有限循环变形后的监测实验，验证了3000次循环后金属丝没有产生疲劳或裂纹。
[0143]
同时封装了一个折纸结构部分和三个波形结构连接的mo
‑
scb 1102。封装的器件1301尺寸为45
×
22
×
5mm，可用于可穿戴电子装置(图14(a
‑
b))。在沿长边拉伸约40％(图14(c))、扭曲(图14(d))和弯曲(图14(e))后，封装的器件1301功能正常。因为低模量封装1110除了保护外还提供了额外的拉伸能力，设备1301的总拉伸能力高于裸mo
‑
scb 1102。在以每秒3毫米的速度进行100次拉伸和恢复，延伸12毫米后，设备1301上没有可见的退化(机械或电子层面)。
[0144]
图13(a)显示了所制备的mo
‑
scb 1102在折叠前1401、折叠后1402和封装后1403的频率响应曲线1406，与官方设计工具(ad8232/ad8233 filter design tool)计算的理论值1405一致。如图13(b)所示，使用心电图信号发生器(mingsheng skx
‑
2000c，60bpm，1mv)作为输入，电路板和封装变形引起的电特性变化可以忽略不计。与人体测试相对应的波形1404显示了提取心跳的有效性。采集到的原始数据在matlab中应用低通巴特沃斯滤波器(40hz截止)进行处理，噪声主要来自工频干扰(50hz)，不影响必要信息(如心率)的提取，必要时可以进行过滤。此外，系统的上述可伸缩部分1301与刚性电路板1006连接1407，形成便携式硬件1001，并通过蓝牙与智能手机1007配对(图13(c))。智能手机1007提供了一个图形界面来控制硬件，如图13(d)所示。
[0145]
mo
‑
scb 1002可实现快速商业化，为可伸缩电子的应用奠定了基础。最基本的基板可以是商用fpcb 1101，在工业上已经发展得很好。几乎所有的高性能电子元件都是刚性的，低应变的安装面与可伸缩基板结构不兼容，高密度布线的要求与二维互连结构不兼容，而本技术提出的电子装置有希望满足这些要求。
[0146]
此外，本文的mo
‑
scb技术可用于其他受三浦折叠启发的结构。先进的封装技术，如wlcsp(晶片级芯片规模封装)是未来的趋势，可以提供更小尺寸的集成电路；更薄、更软、更可靠的fpcb 1101可以在折痕140处提供更小的弯曲半径和更高的可靠性。折纸型锂离子电池或超级电容器在理论上是可行的，并已经有一些初步进展。这些方面都可以促进基于全折纸的可伸缩系统的实现。
[0147]
应当理解的是，所附图中所示的组成部分的安排是为了说明目的，其他安排是可能的。例如，这里描述的一个或多个元素可以全部或部分地实现为电子硬件组件。其他元素可以用软件、硬件或软件和硬件的组合来实现。此外，这些其他元素中的一些或所有元素可能被组合在一起，一些可能被全部省略，并且可能在仍然实现本文所描述的功能的同时添加其他组件。因此，此处描述的主题可以体现在许多不同的变体中，所有这些变体都被考虑在权利要求的范围内。
[0148]
为了便于理解本文所描述的主题，许多方面都以动作序列的形式进行了描述。这门艺术的技术人员会认识到，各种行为可以由专门的电路或电路来执行，可以由一个或多个处理器执行程序指令，也可以由两者的组合来执行。这里对任何动作序列的描述并不意味着必须遵循执行该序列所描述的特定顺序。在此描述的所有方法可以按照任何适当的顺序执行，除非在此另有说明或与上下文有其他明确的矛盾。