本文属于类型a，即单一原创研究的技术报告。

本文的研究团队来自比利时根特大学（Ghent University）微系统技术中心（CMST – Centre for Microsystems Technology）与欧洲微电子研究中心（imec），主要作者为Jan Vanfleteren、Frederick Bossuyt和Bart Plovie。该研究发表于2016年第十二届国际模塑互连器件大会（2016 12th International Congress Molded Interconnect Devices, MID），会议论文编号为978-1-5090-5428-2/16/$31.00，由IEEE出版。研究得到了欧盟第七框架计划（FP7）合作项目TERASEL的资助，项目授权编号为611439。

从学术背景来看，该研究属于三维电子电路制造与可拉伸电子学交叉领域。传统电子电路通常在平坦刚性印刷电路板（Printed Circuit Board, PCB）上制造，通过多层图形化铜导体互连元件，并采用无铅焊料进行元件组装。然而，随着电子系统在三维物体中集成需求的增长，电路需要贴合物体表面形状，以实现减重、减少材料用量、提高舒适性以及更美观的设计。解决这一需求的第一类方案是使用柔性电路，例如以PET、PEN或聚酰亚胺（Polyimide, PI）为基材的柔性聚合物薄膜电路。但这类电路仍然是在平坦状态下加工，只能实现圆柱形或圆锥形等可展开曲面，无法实现不规则三维形状。第二类方案是柔性-刚性混合板技术，通过柔性电路连接多个刚性子板。该方案虽然实用，但连接器会降低整体可靠性，而免连接器的柔性-刚性技术成本高昂，且在设计和形状自由度上仍存在明显限制。第三类方案是三维模塑互连器件（3D-MID）技术，通过激光结构化与铜电镀等工艺在三维塑料载体上直接制造电路。但3D-MID仍面临诸多挑战：多层导体电路制造困难；非平坦基板上的元件组装速度远低于平面贴装；无铅焊接所需的约250°C高温限制了可用聚合物材料的选择。针对上述问题，本文提出了一种基于热塑性变形的新技术，以平面标准PCB类型电路为基础，通过热成型（thermoforming）实现刚性三维自由曲面电子电路，作为3D-MID技术的补充方案。

该研究的工作流程建立在“PCB启发的可拉伸电路”技术之上。其核心特点包括：互连导线采用厚度为17μm或35μm的铜导体，与标准PCB工艺一致；互连的可拉伸性通过将导线设计为蛇形（meander）结构实现，即由相连圆弧段组成，而不是直线；电路采用常规封装、市售元件，并通过无铅SAC（锡-银-铜）焊料回流焊接组装；采用“聚合物后置”（polymer last）策略，即先在耐高温、化学惰性的临时载体上完成所有标准PCB制造步骤，包括高温焊接，再将电路转移至最终聚合物载体中。基于上述技术，本文提出了“可拉伸模塑互连”（Stretchable Mould Interconnect, SMI）工艺流程，包括三个主要阶段：临时载体上的可拉伸电路制造、电路从临时载体转移至热塑性聚合物载体、以及通过热成型将平坦载体变形为最终三维形状。

具体工艺流程如图3所示，包含八个步骤。第一步，在耐高温、化学惰性的临时载体（如环氧树脂板）上均匀涂覆压敏胶（如硅酮基压敏胶）。第二步，并行地制备传统覆铜聚酰亚胺柔性电路，通过图形化与蚀刻形成电路，其中可拉伸互连被设计为蛇形。第三步，通过辊压或真空层压将柔性电路贴附至临时载体。第四步，激光切割柔性电路，将功能部分与多余部分分离，并剥离去除多余部分。第五步，使用常规SAC焊料回流工艺组装电子元件。第六步，在电路顶部应用最终聚合物载体层或层叠结构，例如通过层压方式。第七步，移除临时载体及其压敏胶。第八步，在电路底部应用第二层聚合物载体层或层叠结构。最终得到具有嵌入式可拉伸电子电路的平坦聚合物叠层。该电路随后进行热成型工艺，如图4所示：首先将电路夹紧并加热至聚合物玻璃化转变温度以上、熔点以下，使热塑性聚合物软化；然后将决定三维电路最终形状的热成型模具压向软化聚合物叠层及嵌入式电路；接着在模具下方施加真空（真空成型）或在电路上方施加高压（高压成型），或两者并用，使软化聚合物与嵌入式电路紧密贴合模具形状；最后聚合物冷却恢复刚性，移除模具。图5展示了蛇形互连在热成型中的作用。热成型前，平坦基板上的所有互连均为蛇形；热成型后，在拉伸区域，蛇形互连发生伸长，尤其在半球形模具底部变形最大的区域，蛇形几乎被拉直，但仍保持互连功能。

研究通过多个演示器验证了该工艺的可行性和可靠性。图6展示了一个包含10个LED和5个电阻的热塑性电路，分别给出了嵌入热塑性聚合物后的平坦状态和热成型后的三维形状。结果显示，元件和互连在热成型过程中能够承受高温和机械力的作用而不失效。图7（文中以图6标注）给出了简单的LED电路在热成型前后的对比，进一步确认了工艺可行性。

在结论部分，作者明确指出，该技术已被成功开发用于生产三维自由曲面电子电路，可作为3D-MID技术的替代方案，尤其适用于表面元件密度较低的场合。由于该技术主要由标准PCB工艺步骤和聚合物加工步骤组成，因此有望在较短时期内实现工业化。该技术的科学价值在于：提出了一种将平面PCB制造的可拉伸蛇形互连与热塑性聚合物热成型相结合的新方法，实现了从平面电路到不规则三维形状的转变，同时避免了传统3D-MID的多层制造困难、非平面组装效率低和高温材料限制等问题。应用价值在于：该技术可广泛应用于需要电子电路贴合三维表面的领域，例如汽车内饰、可穿戴设备、智能包装、医疗器械外壳和消费电子产品外观设计等，有助于实现减重、省材、提升舒适性和设计自由度。

本研究的亮点主要体现在以下几个方面。第一，技术路线新颖，将成熟的PCB制造工艺与热塑性聚合物加工工艺相结合，降低了三维电子制造的技术门槛。第二，通过蛇形互连设计解决了三维变形过程中的导电连续性难题，在拉伸过程中蛇形结构逐步展开，避免了导线断裂。第三，采用“聚合物后置”策略，使所有高温和化学苛刻工艺均在临时载体上完成，最终聚合物材料只需经历较低温度的热成型过程，从而扩展了可用聚合物材料范围。第四，与3D-MID相比，该技术在平面状态下完成元件组装，可沿用高速贴装设备，提高了组装效率。第五，该工艺支持多层电路结构，因为电路在平面柔性基板上制造，可以继承多层柔性电路的设计能力。此外，该技术与现有PCB供应链兼容，有助于快速工业化推广。