技术分享 | 可伸缩电路板的行业应用

以智能手表、头戴式显示器为代表的可穿戴设备已经可以通过使用可弯曲的柔性电路板实现。然而，下一代可穿戴设备需要伸缩性和追随性，以便能灵活地追随身体的活动并收集来自身体的多种数据。这就是我们开发可伸缩电路板的目的。

可伸缩电路板需要具有能够收缩的机械特性，并且需要在伸缩时保持其电气特性。我们将对如何同时具备这些互相矛盾的特性，以及可伸缩电路板有望用于哪些场合进行解说。

什么是“可伸缩电路板”？

可伸缩电路板 是利用可伸缩的电路板和导电材料形成电路图案的电路板，它利用了 “使用印刷技术将导电材料涂敷到电路板上”的印刷电子技术 。电路板采用具有伸缩性的聚氨酯或硅等制成的弹性体，导电材料主要为银。它具有较高的伸缩性和追随性，因此可将电路安装在膝盖、肘部等关节部位以及颈部、胸部等自由曲面上（图1）。

图1、可伸缩电路板

以前的可伸缩电路板存在一些问题，例如由于伸缩导致的电阻值等电气特性发生大幅变化，在高湿环境下施加电压会导致发生迁移。

迁移，也称为迁移现象。这是一种电解的影响导致布线或电极在绝缘体或其界面上移动的现象。发生迁移后，绝缘电阻值会下降。这会导致电极之间短路，从而导致电子设备发生故障。存在迁徙风险的电子产品，随之而来的是长期可靠性下降，以及在焊接电子元件时需要采取散热措施等。

近年来，由于电路板材料和导电材料的改良改进了电气特性、实施预防迁移的对策、改进布线设计、开发可在低温下焊接的焊锡材料等，现在已经实现了可伸缩电路板的实用化。这种电路板的另一个特征是环保，因为它是将电路图案直接印刷在电路板上而形成的。

什么是“印刷电子”？

印刷电子是利用印刷技术将导电材料印刷到电路板上并形成电子元件或电路图案的技术，可以实现很薄的涂膜和高精度的布线。

在电路板制造工序中，传统上采用一种称为“光刻”的方法 ，即在电路板的整个表面上涂上导电材料，然后用药液将不需要的部分溶解掉，以形成电路图案， 而印刷电子则是将电路图案直接印刷在电路板上 。因此，不需要用药液溶解的工序，具有节省资源和能源以及允许使用多种电路板材料的优点。

使用印刷电子的电子元件

迄今为止，印刷电子已被用作实现多层陶瓷电容器（MLCC）和多层电抗器的多层结构的一种手段。例如，在多层陶瓷电容器中采用将充当电介质的薄陶瓷薄膜和金属电极交替层叠的结构（图2）。将陶瓷电介质和粘合剂制成浆料，然后将其涂在载体薄膜上并干燥以形成片材，称其为绿色片材。在其表面重复进行印刷电极的作业后，进一步进行烘烤以使其硬化。这个层数有时会达到几百层。

图2、多层陶瓷电容器（MLCC）的多层结构

印刷电子在电路板中的应用

在印刷电子中，除了采用玻璃和树脂等制成的刚性电路板外，还可以利用柔性导电材料在薄膜上形成电路图案。此外，还可以通过使用可伸缩的导电材料，在可伸缩材料上形成电路图案。

由此可以制作出可弯曲的柔性电路板（图3）以及可灵活伸缩的可伸缩电路板（图1）。

图3、柔性电路板

可伸缩电路板的潜力

可伸缩电路板具有伸缩性，因此可以追随膝盖、肘部等关节部位，以及颈部和胸部等自由曲面。此外，通过将多种电子元件安装到可伸缩电路板上，有可能开发出可佩戴在身体上以收集脑电波和心率等生命体征数据，比如心率、呼吸频率、脉搏率、体温、血压和血氧饱和度等进行适当的治疗和护理所需要的基本数据。或在手术后监测关节的器具。

医疗领域应用事例

可伸缩电路板有望应用于多种领域，这里介绍在医疗领域的事例。

迄今为止医疗器械中存在以下问题：

患者不能持续佩戴

长时间佩戴会限制身体活动。此外，佩戴设备本身也存在损伤皮肤的风险。

无法获取满足要求精度的数据

传统医疗器具在获取生命体征数据时，由于受到外部噪声和身体活动噪声的影响，无法获得满足要求精度的数据。

使用很麻烦

穿戴需要花费时间。只能由专门的医务人员来使用。

下面，我们介绍使用可伸缩电路板解决这些问题的事例。

脑电波检测（EEG）设备

脑电波是大脑皮层不断发出的微弱电信号。电信号的频率根据精神状态和大脑的活动而变化，通过测量频率可以了解大脑的状态。通过在头皮上放置10到20个电极来测量脑电波（图4）。

图4、传统的脑电波检测(EEG：Electroencephalogram)设备

监测脑电波时，需要将电极安装到准确的位置。安装电极非常麻烦，存在专业医生之外的人员很难使用的问题。

但是，近年来，人们开发出了使用可伸缩电路板的带型和帽型EEG电极阵列设备。通过使用可伸缩电路板可以适应患者头部的形状和大小，或者将可伸缩电路板本身嵌入帽子中。连接电极的电缆可以隐藏在设备内部，降低了布线在安装设备或患者移动时脱落的风险。此外，通过在EEG电极附近嵌入放大器或滤波器等，可以获得消除噪声后的高精度数据（图5）。

图5、可伸缩电路板的EEG电极阵列设备

人工关节置换手术后的关节部位监测

人工关节置换手术是一种用人工关节替换因变形性关节炎、类风湿性关节炎或外伤而变形的关节的手术。该手术针对肩膀、大腿和膝盖等关节进行，对关节是一种恢复“不痛”“能动”“能支撑人体”等重要功能的治疗。进行人工关节置换手术后，需要进行康复治疗以恢复关节部位的功能。此外，除了康复之外，手术后还需要进行疼痛管理和检查是否发生骨折、脱臼和感染等并发症等医疗。

目前，医护人员陪同患者康复并对患处进行观察和诊断，提供多种类型的护理。此外，目前正在开发的关节部位可穿戴设备有望用于对日常生活和康复过程中的动作进行检测和记录，并将结果传达给医护人员和患者，有助于确定术后康复方针，并维持和提高持续康复的动力。此外，还有望用于尽早发现感染和脱臼等并发症的发生。

关节是人体当中活动范围非常大的部位，需要较高的机械耐久性。人们认为，通过在可伸缩电路板上配备多种传感器，付与对关节的活动范围和活动状态等进行的机械监测功能以及对手术部位的状态（温度、肿胀等）等进行的生理学监测功能，能够尽早掌握人工关节置换手术后患者的状态及其状态变化，有助于改良患者的生活质量（图6）。

图6、可伸缩电路板的关节部位监测

新生儿重症监护用生命体征监测

早产或低出生体重的新生儿身体脆弱，因此需要不断监测他们的生命体征，以便及时采取适当的措施。然而，由于传感器本身的硬度、连接传感器的导线以及用于固定传感器的粘合剂，目前的设备并不太适合新生儿。例如，导线可能会影响袋鼠式护理（父母直接进行的护理）以及新生儿的活动。此外，传感器的硬度和粘合剂也有造成皮肤损伤的风险。

因此，通过在可伸缩电路板上安装传感器、电池、微型控制器和BLE（Bluetooth Low Energy），可以实现不会妨碍袋鼠式护理或新生儿活动的无线设备。此外，利用电路板本身的柔软性，即使是娇嫩的皮肤也能在贴合后保持很好的追随性，从而可以实现降低上述风险的监测设备（图7）。

图7、可以在不妨碍活动的情况下获取生命体征数据

总  结

印刷电子是多层陶瓷电容器（MLCC）等村田制作所产品中采用的技术。通过将该技术与具备伸缩性的材料和导电材料进行组合，制成了可伸缩电路板。

可伸缩电路板是将现有的电子元件制造技术与可伸缩材料的开发技术相结合的“柔性技术”。目前，在医疗领域，人们希望这些设备能够具有追随性、佩戴舒适、传感器精度提高、可长时间佩戴等效果。此外，预计该技术将不仅用于医学领域，还将应用于工业机器人、智能纺织品等许多领域。