软通孔可以改善柔性 PCB 吗？

面板通常具有通孔（连接板侧面和各层的电镀通孔），以限度地提高密度和布局灵活性（图 1）。多层板可能具有各种类型的通孔，虽然这些是设计、制造、测试和维修的挑战，但它们被广泛使用。

图 1简单的术语“过孔”可以指多层 PCB 中的三种主要类型之一（通孔、盲孔和埋孔）及其变体。资料来源：塞拉电路

除了刚性 PCB 之外，还有使用夹在两个“塑料”层（通常是聚酰亚胺 (PI)）之间的铜导体图案的柔性电路。这些柔性电路用于满足严格或特殊的封装限制、连接其他板或解决困难的封装问题。

许多柔性PCB是单层电路，但多层电路也是可能的。问题是柔性 PCB 的过孔与刚性板的过孔完全不同。在多层柔性PCB中，需要插入镀通孔（PTH）以在不同导电层之间建立电气连接。

现在，弗吉尼亚理工学院（Virginia Tech）的一个团队设计了一种新技术，利用液态金属微滴创建阶梯状结构，形成充当过孔的小型导电通道。这些通孔可在电路层之间建立电连接，无需在材料中钻孔。

为什么还要担心柔性电路中的这些通孔呢？有几个原因。由于柔性基板的力学特性，通孔可能成为应力集中点，从而引发结构缺陷。可拉伸基板中的刚性金属通孔可能由于基板和通孔之间的模量不匹配而导致机械故障。

此外，当前用于创建通孔的制造技术通常涉及耗时的多步骤过程，例如环氧树脂、铜复合材料填充或化学镀。，柔性电子产品中的传统通孔制造仍然需要对每个单独的通孔进行二维手动钻孔程序。

新工艺涉及液态金属液滴在光树脂内的定向分层。通过利用紫外线照射过程中出现的不规则性，研究人员创建了一种阶梯状结构，使液滴能够在 3D 中可控地组装（图 2）。他们使用液态金属（LM），它兼具流动性和高导热性和导电性，因此可以在各种柔性和可拉伸电子产品中用作导电材料。他们将类似楼梯的过孔称为 LM-STAIRS 过孔。

图 2 LM 软互连和通孔的 LM-STAIR 制造 (a) 显示了 LM-STAIR 通孔的重建 microCT 扫描（左）以及包含无缝连接顶部和底部平面互连的 LM-STAIR 通孔的电路原理图（右）。两个不同平面之间的代表性电气连接方法图（b）。图像（左）和示意图（右）显示了 LM 液滴的定向分层过程 (c)。功能电路，包括通过 LM-STAIR 工艺 (d) 创建的过孔结以及交叉顶层和底层平面互连。 10 个平面电极中具有 200 个 LM-STAIR 通孔的样品照片以及聚合物基质中的 LM 液滴图 (e)。资料来源：ResearchGate

为此，他们使用了一种众所周知的工程策略：将“错误”转化为有用的功能。在制造与微米和纳米技术相关的电子产品时，在紫外线照射期间可能会出现称为掩模边缘异常或底切的缺陷；这些通常会给标准制造带来挑战。

然而，研究人员利用了这一缺陷，因为紫外线暴露区域的边缘导致液态金属滴以阶梯状垂直图案沉降和分层。这种定向组装允许液滴形成穿过光树脂的连续路径，连接顶层和底层，然后完全固化以将结构锁定到位。这个过程同时发生，并且液滴的沉降很快，因此制作多个通孔的过程只需不到一分钟。

为了验证其柔性电路和 LM-STAIR 过孔，他们构建了一个带有 LED 和磁力触发霍尔效应器件的普通电路。即使柔性基板扭曲变形，它也能正常工作（图 3和图 4）。

图 3通过 LM-STAIR 方法制作的磁体传感和指示柔性电路照片演示了多层磁传感和指示柔性电路 (a)。显示磁感应和指示柔性电路的电路图 (b)。该图突出显示了霍尔效应传感器的工作机制 (d)。霍尔效应传感器的输出取决于磁铁与霍尔效应传感器的距离 (e)。通过改变柔性电路后面磁铁的位置来照亮 LED 的照片 (f)。