KR20160135164A - 봉지형 컨포멀 전자 시스템 및 디바이스, 및 이의 제조 및 사용 방법 - Google Patents

봉지형 컨포멀 전자 시스템 및 디바이스, 및 이의 제조 및 사용 방법 Download PDF

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KR20160135164A
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니콜라스 맥마혼
시안얀 왕
브라이안 엘올람피
브라이안 디. 킨
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엠씨10, 인크
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Abstract

봉지형 컨포멀 전자 디바이스, 봉지형 컨포멀 집적 회로(IC) 센서 시스템, 및 봉지형 컨포멀 전자 디바이스의 제조 및 사용 방법이 이에 제시된다. 전자 회로가 부착되어 있는 유연성 기판을 포함하는 컨포멀 집적 회로 디바이스가 개시된다. 유연성 봉지층이 유연성 기판에 부착된다. 유연성 봉지층은 유연성 기판과 봉지층 사이에 전자 회로를 수용한다. 일부 구성들에 대해, 봉지층 및 유연성 기판은 신축성 및 절곡성의 비전도성 폴리머로 제조된다. 전자 회로는 복수의 신축성 전기 배선을 통해 전기적으로 및 물리적으로 연결되는 다수의 디바이스 아일랜드를 구비한 집적 회로 센서 시스템을 포함할 수 있다.

Description

봉지형 컨포멀 전자 시스템 및 디바이스, 및 이의 제조 및 사용 방법{ENCAPSULATED CONFORMAL ELECTRONIC SYSTEMS AND DEVICES, AND METHODS OF MAKIGN AND USING THE SAME}
관련 특허 출원에 대한 상호 참조 및 우선권 주장
본 출원은 2014년 1월 6일에 출원된 미국 가출원번호 제61/924,111호 및 2014년 3월 4일에 출원된 미국 가출원번호 제61/947,709호에 대한 우선권의 이익을 주장하고, 이들 각각의 전체가 모든 목적을 위해 이에 참조로 포함된다.
본 개시의 양태들은 전반적으로 유연성 및 신축성 집적 회로(IC) 전자 기기에 관한 것이다. 특히, 본 개시의 양태들은 봉지형 IC 디바이스 아일랜드들을 구비한 컨포멀 전자 시스템에 관한 것이다.
집적 회로(IC)는 정보화 시대의 초석이며 오늘날 정보 기술 산업의 토대이다. "마이크로칩"으로도 알려진 집적 회로는, 규소 또는 게르마늄과 같은 반도체 재료의 아주 작은 웨이퍼 상에 임프린팅되거나 식각되는, 트랜지스터, 커패시터, 및 레지스터와 같은 상호연결된 전자 부품들의 세트이다. 집적 회로는 일부 비제한적 예들로 마이크로프로세서, 증폭기, 플래시 메모리, 주문형 집적 회로(ASIC), 정적 랜덤 액세스 메모리(SRAM), 디지털 신호 프로세서(DSP), 동적 랜덤 액세스 메모리(DRAM), 전기적 프로그램 가능 판독 전용 메모리(EPROM), 및 프로그램 가능 로직을 비롯한 다양한 형태들을 취할 수 있다. 집적 회로는 개인용 컴퓨터, 랩톱 및 태블릿 컴퓨터, 스마트폰, 평면-스크린 텔레비전, 의료 기기, 통신 및 네트워킹 장비, 항공기, 선박, 및 자동차를 비롯한 무수히 많은 제품들에 사용된다.
집적 회로 기술 및 마이크로칩 제조에서의 발전은 칩 크기의 지속적인 감소 및 회로 밀도와 회로 성능의 증가로 이어졌다. 반도체 집적의 규모는 단일 반도체 칩이 미국 페니보다 작은 공간에 수천만 내지 10억 이상의 디바이스를 유지할 수 있는 지점까지 발전했다. 아울러, 현대 마이크로칩 내의 각각의 전도선의 폭은 나노미터의 일부만큼 작게 제조될 수 있다. 반도체 칩의 동작 속도 및 전체 성능(예컨대, 클럭 속도 및 신호 네트 스위칭 속도)은 집적의 수준과 함께 동시에 증가하였다. 온-칩 회로 스위칭 주파수 및 회로 밀도의 증가와 보조를 맞추기 위해, 반도체 패키지는 현재 불과 몇 년 전의 패키지보다 더 높은 핀 카운트, 더 큰 전력 분산, 더 많은 보호, 및 더 높은 속도를 제공한다.
종래의 마이크로칩은 일반적으로 정상 동작 조건 중에 신장되거나 절곡되지 않도록 설계되는 강성 구조이다. 마찬가지로, 대부분의 마이크로칩들 및 다른 IC 모듈들은 유사하게 강성인 인쇄 회로 기판(PCB) 상에 장착된다. 강성 IC 및 강성 PCB를 이용한 공정은 일반적으로 신축성 또는 절곡성 전자 기기를 요구하는 응용에 적합하지 않다. 그 결과, 유연성 폴리머 기판 상에 또는 내에 마이크로칩을 내장하기 위해 많은 스킴들이 제안되었다. 이는 결국 강성 실리콘계 전자 디바이스로 가능하지 않았을 다수의 유용한 디바이스 구성을 가능하게 한다. 그러나, 이러한 스킴들 중 다수는 유연성 인쇄 회로 기판 조립체(FPCBA)를 구성하는 유연성 폴리머의 개별 층들보다 두꺼운 내장형 칩을 사용한다. 이와 같은 스킴들은 "박형 칩" 구성에 적합하지 않다. 또한, 유연성 회로를 제조하기 위한 유효한 공정은 종종 다수의 고가의 재료층을 요구하고, 이는 재료 및 제조 비용을 증가시킬 뿐만 아니라, 바람직하지 않게 두꺼운 복합 구조를 초래한다.
봉지형 집적 회로(IC) 디바이스 아일랜드들을 구비한 봉지형 컨포멀 전자 IC 디바이스 및 컨포멀 전자 시스템, 및 이의 제조 방법 및 사용 방법이 본원에 개시된다. 예로서, 컨포멀 전자 센서 조립체와 같은 컨포멀 전자 디바이스를 봉지하는 시스템 및 방법이 설명된다. 상기 센서 조립체는 예컨대 포유류 대상의 적어도 하나의 신체 부위의 움직임 및/또는 근육 활성도를 비롯한 움직임을 감지하거나, 측정하거나, 달리 정량화하기 위해 사용될 수 있다. 일부 예들에서, 이와 같은 컨포멀 전자 센서 조립체는 인간 신체 부위에 직접 부착되고, 인간 신체 부위에 놓이며, 인간 신체 부위의 움직임을 감시하도록 구성될 수 있다. 개시된 봉지 방법은 예컨대 본원에 설명된 컨포멀 전자 디바이스의 내구성, 편안함, 및/또는 심미적 매력을 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라, 예컨대 다기능성, 비용 절감, 및 스케일-업 성능을 제공할 수 있다.
또한, 연성 엘라스토머 재료와 같은 유연성 및/또는 신축성 재료 내에 컨포멀 전자 기기의 적어도 일부를 봉지하는 공정이 개시된다. 기계적 및/또는 환경적 손상으로부터 보호되는 더 견고한 디바이스를 형성하기 위해, 유연성 인쇄 회로 기판 조립체(FPCBA)와 같은 상대적으로 취성의 컨포멀 전자 기기를 봉지하는 방법이 개시된다. 본 개시의 발명의 양태들은 또한 전체 컨포멀 전자 디바이스를 둘러싸는 봉지 하우징을 포함하는 컨포멀 전자 디바이스에 관한 것이다. 봉지 하우징은 컨포멀 전자 디바이스의 나머지 부분과 별개로 스탬핑되거나, 성형되거나, 달리 제조될 수 있다. 봉지 하우징은 컨포멀 전자 디바이스의 일부에 걸쳐 배치되는 단일-부품 일체형 구조로서 성형되거나 달리 형성되고, 이에 적층되거나 달리 부착될 수 있다. 대안적으로, 봉지 하우징은, 봉지형 컨포멀 전자 디바이스를 제공하기 위해, 예시적인 컨포멀 전자 디바이스에 결합되거나, 조립되거나, 달리 연결될 수 있는 2개 이상의 별개의 하우징 부품으로 성형되거나 달리 형성될 수 있다.
본 개시의 양태들은 컨포멀 집적 회로(IC) 디바이스에 관한 것이다. 일 구현예에서, 컨포멀 IC 디바이스는 전자 회로가 부착되어 있는 유연성 기판을 포함한다. 유연성 봉지층이 유연성 기판에 부착된다. 유연성 봉지층은 유연성 기판과 봉지층 사이에 전자 회로를 수용한다. 일부 구성들에 대해, 봉지층 및 유연성 기판은 신축성 및 절곡성의 비전도성 폴리머로 제조된다. 폴리머는 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 실리콘, 또는 폴리우레탄, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 전자 회로는 적어도 하나의 감지 디바이스 및 적어도 하나의 제어 디바이스를 구비한 집적 회로 센서 시스템을 포함할 수 있다. 전자 회로는 복수의 신축성 전기 배선을 통해 전기적으로 및 물리적으로 연결되는 다수의 이격된 디바이스 아일랜드를 포함할 수 있다.
본 개시의 다른 양태들에 따르면, 컨포멀 전자 디바이스가 개시된다. 일 구현예에서, 컨포멀 전자 디바이스는 세장형 유연성 폴리머 기판, 및 유연성 폴리머 기판에 부착되는 디바이스 아일랜드들로서 구성되는 복수의 표면-실장 기술(SMT) 부품을 포함한다. 복수의 신축성 배선이 SMT 부품들을 전기적으로 연결한다. 컨포멀 전자 디바이스는 또한 유연성 폴리머 기판에 부착되는 유연성 폴리머 봉지층을 포함한다. 유연성 폴리머 봉지층은 유연성 기판과 봉지층 사이에 SMT 부품들 및 신축성 배선들을 수용한다.
본 개시의 다른 양태들은 유연성 집적 회로의 제조 방법 및 사용 방법에 관한 것이다. 일 양태에서, 컨포멀 전자 디바이스를 봉지하는 방법이 개시된다. 방법은: 제1 실리콘 시트를 마련하거나 준비하는 단계; 제2 실리콘 시트를 마련하거나 준비하는 단계; 조립체 픽스처에 제1 실리콘 시트를 넣는 단계; 제1 실리콘 시트 상에 제1 접착제 샷을 도포하는 단계; 조립체 픽스처 내의 제1 접착제 샷 위에 유연성 인쇄 회로 기판 조립체(FPCBA)를 놓는 단계; 유연성 인쇄 회로 기판 조립체 상에 제2 접착제 샷을 도포하는 단계; 조립체 픽스처 내의 제2 접착제 샷 위에 제2 실리콘 시트를 놓아서 스택을 형성하는 단계; 및 롤 라미네이터를 통해 제1 및 제2 실리콘 시트와 유연성 인쇄 회로 기판 조립체를 구비한 조립체 픽스처를 이송하는 단계를 포함한다.
방법은, 단독으로 또는 임의의 조합으로: 제2 접착제 샷 위에 제2 실리콘 시트를 놓기 전에 실리콘 시트들의 결합면들을 세정하는 단계; 결합면들을 세정하기 전에 실리콘 시트들을 검사하는 단계; 제1 접착제 샷 위에 유연성 인쇄 회로 기판 조립체를 놓기 전에 FPCBA의 양 측면을 세정하는 단계; FPCBA의 양 측면을 세정하기 전에 FPCBA를 검사하는 단계; 롤 라미네이터를 통해 조립체 픽스처를 이송하기 전에 조립체 픽스처 상에 보호용 적층 시트를 놓는 단계; 롤 라미네이터로부터 조립체 픽스처를 분리하고 접착제 샷들을 경화되게 하는 단계; 및/또는 경화된 스택으로부터 복수의 봉지형 컨포멀 전자 디바이스를 다이-커팅하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
상기 내용은 본 개시의 모든 구현예 또는 모든 양태를 나타내기 위한 것이 아니다. 오히려, 전술한 내용은 본원에 기술된 신규의 양태들 및 특징들 중 일부의 예시를 제공하는 것에 불과하다. 본 개시의 상기 특징들 및 이점들과 다른 특징들 및 이점들은, 첨부 도면 및 첨부된 청구범위와 관련하여 고려될 때, 본 발명을 실시하기 위한 대표적인 구현예들 및 방식들의 후술하는 상세한 설명으로부터 즉시 명확해질 것이다.
도 1은 본 개시의 양태들에 따른 봉지층을 구비한 컨포멀 전자 디바이스의 일례의 측면도이다.
도 2는 본 개시의 양태들에 따른 다수의 봉지층을 구비한 컨포멀 전자 디바이스의 일례의 측면도이다.
도 3a 및 도 3b는 각각 본 개시의 양태들에 따른 봉지형 컨포멀 전자 디바이스의 평면도 및 사시도이다.
도 4는 도 3a의 4-4선을 따른 도 3a 및 도 3b에 제시된 컨포멀 전자 디바이스의 일부의 단면 사시도이다.
도 5는 본 개시의 양태들에 따른 오버몰딩 공정을 사용하여 컨포멀 전자 디바이스를 봉지하는 예시적인 방법을 도시한 공정 흐름도이다.
도 6은 본 개시의 양태들에 따른 적층 공정을 사용하여 컨포멀 전자 디바이스를 봉지하는 대표적인 방법을 도시한 공정 흐름도이다.
도 7a 내지 도 7f는 본 개시의 양태들에 따른 오버몰딩 공정을 사용하여 전자 센서 디바이스를 봉지하는 대표적인 플레이트-성형 공구들을 제시한다.
도 8a 내지 도 8d는 본 개시의 양태들에 따른 다양한 봉지형 컨포멀 전자 디바이스들의 사시도이다.
도 9a 및 도 9b는 각각 본 개시의 양태들에 따른 봉지형 컨포멀 전자 디바이스의 평면도 및 하부 사시도이다.
도 10a 및 도 10b는 각각 본 개시의 양태들에 따른 다른 봉지형 컨포멀 전자 디바이스의 상부 및 하부 사시도이다.
도 11a 내지 도 11h는 본 개시의 양태들에 따른 다양한 다른 봉지형 컨포멀 전자 디바이스들의 상부 및 하부 사시도이다.
도 12a 내지 도 12d는 본 개시의 양태들에 따른 선택적인 직물 특징부를 구비한 봉지형 컨포멀 전자 디바이스를 도시한다.
도 13a 내지 도 13c는 각각 본 개시의 양태들에 따른 "와플" 봉지 아키텍처를 구비한 컨포멀 전자 디바이스의 일례의 사시도, 평면도, 및 측면도이다.
도 14는 본 개시의 양태들에 따른 컨포멀 전자 디바이스를 봉지하는 또 다른 대표적인 방법의 개략도이다.
본 개시는 다양한 수정들 및 대안적인 형태들에 영향을 받기 쉬우며, 일부 대표적인 구현예들은 도면에 예로서 도시되었고 본원에 상세히 설명될 것이다. 그러나, 발명의 양태들은 도면에 도시된 특정한 형태들에 제한되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 오히려, 본 개시는 첨부된 청구범위에 의해 정의된 바와 같은 본 발명의 정신 및 범주에 속하는 모든 수정들, 균등물들, 및 대안들을 포괄하기 위한 것이다.
본 개시는 많은 다른 형태의 구현예를 허용한다. 본 개시는 본 개시의 원리의 예시로서 고려되어야 하며, 본 개시의 광범위한 양태들을 도시된 구현예들에 제한하도록 의도된 것아 아니라는 이해 하에, 대표적인 구현예들이 도면에 도시되고 본원에 상세히 설명될 것이다. 그런 정도로, 예컨대 요약서, 발명의 내용, 및 상세한 설명 부분에 개시되지만 청구범위에 명확히 기술되지 않은 요소들 및 한계들은 함축, 추론, 또는 다른 방식에 의해 단독으로든 집합적으로든 청구범위에 포함되지 않아야 한다. 본 상세한 설명을 위해, 구체적으로 거부되거나 논리적으로 금지되지 않는 한: 단수는 복수를 포함하고 그 반대도 마찬가지이며; "구비한" 또는 "포함하는" 또는 "가지는"과 같은 단어들은 "제한 없이 포함하는"을 의미한다. 아울러, "약", "거의", "실질적으로", "대략" 등과 같은 근사의 단어들은 예컨대 "~에, ~의 가까이에, 또는 ~의 거의 가까이에", 또는 "~의 3 내지 5% 내에", 또는 "용인 가능한 제조 공차 내에", 또는 이들의 임의의 논리적 조합의 의미로 본원에 사용될 수 있다.
본원에 상세히 논의되는 특징들, 기능들, 및 개념들의 임의의 및 모든 조합은 (이와 같은 개념들이 서로 상반되지 않는다는 전제 하에) 발명의 요지의 일부로 고려된다는 것을 이해해야 한다. 예컨대, 외관이 상이할지라도, 본원에 묘사되고 논의되는 개별 시스템들 및 디바이스들 및 기능성 부품들은, 명확히 거부되거나 달리 논리적으로 금지되지 않는 한, 다른 개시된 구현예들에 관하여 상기 및 하기에 설명되는 다양한 형태들, 선택적인 구성들, 및 기능적인 대안들 중 임의의 것을 각각 취할 수 있다. 상기에 도입되고 하기에 보다 상세히 논의되는 다양한 개념들은 임의의 특정한 실시 방식에 제한되지 않으므로, 개시된 개념들이 다수의 방식들 중 임의의 것으로 실시될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 특정한 실시 및 응용의 예들이 주로 예시의 목적으로 제공된다.
본원의 원리의 다양한 예들과 관련하여 상세한 설명에 설명되는 부품들, 기판들, 층들, 또는 다른 표면들에 관하여, "상면" 및 "하면"에 대한 임의의 공간적 참조는 다양한 요소들/부품들의, 부품 또는 기판 및 서로에 대한 상대 위치, 배열, 및/또는 배향을 나타내기 위해 주로 사용된다. 명확히 명시되지 않는 한, 이 용어들이 반드시 특정 기준계(예컨대, 중력 기준계)에 제한되지는 않는다. 그러므로, 부품, 기판, 또는 층의 "하면"에 대한 참조는 반드시 지시된 부품, 기판, 또는 층이 지표면에 대향하는 것을 요구하지는 않는다. 마찬가지로, "상에", "하에", "상부에", "하부에" 등과 같은 다른 공간적 참조 용어들은 반드시 중력 기준계와 같은 특정 기준계에 제한되는 것이 아니라, 다양한 요소들/부품들의, 기판(또는 다른 표면)에 대한 및 서로에 대한 상대 위치, 배열, 및/또는 배향을 나타내기 위해 주로 사용된다. 아울러, 상세한 설명에서 "~상에 배치되는" 및 "~에 걸쳐 배치되는"이라는 용어들의 사용은 "~에 내장되는" 및 "~에 부분적으로 내장되는"의 의미를 포괄하며, 그 반대도 마찬가지이다. 또한, 상세한 설명에서 특징부 A가 "특징부 B 상에 배치되는", "특징부 B와의 사이에 배치되는", 또는 "특징부 B에 걸쳐 배치되는" 것에 대한 참조는, 특징부 A가 특징부 B와 접촉하는 예뿐만 아니라, 다른 층 및/또는 다른 부품이 특징부 A와 특징부 B 사이에 위치하는 예를 포괄한다.
"유연성" 및 "신축성" 및 "절곡성"이라는 용어들은, 그 어근 및 파생어를 비롯하여, 전기 회로, 전기 시스템, 및 전기 디바이스 또는 장치를 수식하는 형용사로 사용될 때, 전기적 특성을 파괴하거나 차단하거나 절충하지 않으면서, 회로가 각각 수축되고, 신장되고, 및/또는 절곡될 수 있도록, 유연성 또는 탄성 특성을 가진 적어도 일부 부품을 포함하는 전자 기기를 포괄하기 위한 것이다. 이러한 용어들은 또한 (부품들 자체가 개별적으로 신축성, 유연성, 또는 절곡성이든 아니든), 신축성, 절곡성, 팽창성, 또는 다른 유연성 표면에 적용될 때 기능적으로 유지되고 수용되도록 구성되는 부품들을 구비한 회로를 포괄하기 위한 것이다. "극도로 신축성인 것"으로 간주되는 구성에서, 회로는 파열 또는 파괴 없이 -100% 내지 100%, -1000% 내지 1000%, 및 일부 구현예들에서 최대 -100,000% 내지 +100,000%의 범위와 같은 높은 병진 스트레인 및/또는 180도 이상의 범위와 같은 높은 회전 스트레인을 견디며, 비스트레인 상태에서 발견되는 전기적 성능을 실질적으로 유지하는 한편, 신장되고/신장되거나 압축되고/압축되거나 절곡될 수 있다.
본원에 언급된 봉지형 이산 "아일랜드들" 또는 "패키지들"은 예컨대 "디바이스 아일랜드" 배치로 배치되는 이산 동작 디바이스들이며, 이들 자체가 본원에 설명된 기능 또는 그 일부를 수행할 수 있다. 동작 디바이스들의 이와 같은 기능은 예컨대 집적 회로, 물리 센서(예컨대, 온도, pH, 광, 방사선 등), 바이오 센서, 화학 센서, 증폭기, A/D 및 D/A 컨버터, 광학 포집기, 전자기 트랜스듀서, 압전 액추에이터, 발광 전자 기기(예컨대, LED), 및 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 하나 이상의 표준 IC(예컨대, 단결정 실리콘 상의 CMOS)를 사용하는 목적 및 이점은, 주지의 공정으로 대량 생산되며 즉시 액세스 가능한 고품질, 고성능, 및 고기능 회로 부품을 사용하는 데에 있고, 이는 수동 수단에 의해 이루어지는 것보다 훨씬 뛰어난 데이터의 생성 및 다양한 기능을 제공한다. 이산 아일랜드들은 직경에 의해 또는 가장자리에서 측정되는 크기가 약 10 내지 100 마이크로미터(㎛) 범위일 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
본원에 설명된 예들은 일반적으로, 예컨대 적어도 하나의 신체 부위의 움직임 및/또는 근육 활성도를 비롯한 움직임을 감지하거나, 측정하거나, 달리 정량화하기 위한 컨포멀 센서와 같은, 컨포멀 전자 기술을 봉지하는 시스템 및 장치에 관한 것이다. 일부 예들에서, 이와 같은 컨포멀 센서는 신체 부위 또는 다른 객체의 움직임을 검출하고/검출하거나 정량화하도록 구성될 수 있다. 이와 같은 방법은 본원에 설명된 컨포멀 전자 디바이스의 내구성, 편안함, 및/또는 심미적 매력을 증가시키는 것뿐만 아니라, 예컨대 다기능성, 비용, 및 스케일-업 성능을 제공하는 데에 도움이 될 수 있다.
본원에 설명된 대표적인 시스템, 방법, 및 장치의 적어도 일부에 따르면, 예시적인 컨포멀 센서는 신체의 생체 정보 또는 적어도 하나의 객체와 연관된 다른 정보의 측정 및/또는 분석을 개선하기 위해 (피부 또는 신체의 다른 부분 또는 객체의 표면과 같은) 표면과의 기계적으로 투명한 긴밀한 접촉을 제공하면서, 컨포멀 감지 성능을 제공한다. 본원에 설명된 예시적인 시스템, 방법, 및 디바이스의 컨포멀 센서는 패치로서 형성될 수 있다. 이러한 패치는 유연성이며 신축성일 수 있고, 유연성 및/또는 신축성 기판 내에 또는 상에 배치되는 컨포멀 전자 기기 및 컨포멀 전극으로 형성될 수 있다. 다양한 예들에서, 컨포멀 전극은 컨포멀 센서와 일체로 형성될 수 있거나, 컨포멀 센서와 별개로 제조될 수 있다.
본원에 설명된 예시적인 시스템, 방법, 및 장치는 인간인 대상 또는 인간 이외의 동물인 대상과 함께 사용될 수 있다. 컨포멀 센서는 예컨대 인간 또는 인간 이외의 동물의 피부 또는 신체의 다른 부분, 또는 객체의 표면의 일부에 장착되고 이에 정합될 수 있다.
개시된 컨포멀 센서 시스템 및 디바이스는 신체 또는 다른 객체의 일부와 연관된 적어도 하나의 파라미터를 감지하고, 측정하고, 및/또는 달리 정량화하기 위해 사용될 수 있다. 다른 예에서, 본원에 설명된 시스템, 방법, 및 장치는 의료 진단, 의료용 치료, 물리적 활동, 스포츠, 물리 치료, 및/또는 임상 목적과 같은 응용을 위해 신체 또는 다른 객체의 일부와 연관된 적어도 하나의 파라미터를 나타내는 데이터의 분석의 결과를 사용하도록 구성될 수 있다. 신체 또는 다른 객체의 일부와 연관된 적어도 하나의 파라미터의 감지에 기초하여 개시된 컨포멀 센서들 중 적어도 일부를 사용하여 수집되는 데이터는, 신체의 다른 생체 측정의 감지에 기초하여 수집되는 데이터와 함께, 의료 진단, 의료용 치료, 물리적 상태, 물리적 활동, 스포츠, 물리 치료, 및/또는 임상 목적에 관한 유용한 정보를 제공하기 위해 분석될 수 있다. 감지가 본원에 설명된 박형 컨포멀 착용형 센서 또는 이와 같은 센서를 구비한 측정 디바이스를 사용하여 수행될 때, 이러한 측정 및 메트릭은 측정 디바이스의 크기, 중량, 또는 배치에 의해 방해 받지 않을 수 있다.
본원에 설명된 예시적인 시스템, 방법, 및 장치는 신체의 내부 및 외부 모두에서 다양한 응용들에 유용한 박형 컨포멀 전자 기기를 형성하고, 구축하고, 전개하는 것을 제공한다. 예시적인 컨포멀 센서는 매우 박형의 컨포멀 디바이스의 형성을 가능하게 하는 새로운 폼 팩터의 실리콘계 전자 기기 및 다른 전자 기기를 포함한다.
컨포멀 센서를 비롯한 본원에 설명된 예시적인 시스템, 방법, 및 장치는 신체 움직임 및/또는 근육 활성도를 감시하고, 감시를 나타내는 측정된 데이터값을 수집하도록 구성될 수 있다. 감시는 실시간으로, 지속적으로, 체계적으로, 상이한 시간 간격으로, 및/또는 요청 시에 수행될 수 있다. 또한, 본원에 설명된 시스템, 방법, 및 장치의 적어도 일부는 측정된 데이터값을 시스템의 메모리에 저장하고/저장하거나, 측정된 데이터값을 외부 메모리 또는 다른 저장 디바이스, 네트워크, 및/또는 오프-보드 컴퓨팅 디바이스에 전달(전송)하도록 구성될 수 있다. 본원의 임의의 예에서, 외부 저장 디바이스는 데이터 센터 내의 서버를 비롯한 서버일 수 있다. 본원의 원리에 따른 구현예들 중 임의의 것에 적용 가능한 컴퓨팅 디바이스의 비제한적 예들은 스마트폰, 태블릿, 랩톱, 슬레이트, e-리더 또는 다른 전자 리더, 또는 휴대용 또는 착용형 컴퓨팅 디바이스, Xbox®, Wii®, 또는 다른 게임 시스템(들)을 포함한다.
이러한 예시적인 시스템, 방법, 및 장치는 신체 또는 다른 객체의 일부와 연관된 적어도 하나의 파라미터의 측정과 결합될 때를 비롯하여, 대상의 감시 및 진단을 용이하게 하는 초박형 컨포멀 전극을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 약제와 결합하여, 이러한 정보는 치료 체제의 준수 및/또는 효과를 비롯한 주요 사안을 감시하고/감시하거나 판단하기 위해 사용될 수 있다.
예시적인 컨포멀 센서는 다양한 감지 형식들(modalities)을 제공하도록 구성될 수 있다. 예시적인 컨포멀 센서는 원격측정, 전력, 전력 관리, 처리뿐만 아니라 구축 및 재료와 같은 서브-시스템을 구비하여 구성될 수 있다. 유사한 설계 및 배치를 공유하는 다양한 멀티-형식 감지 시스템들이 예시적인 컨포멀 전자 기기에 기초하여 제조될 수 있다.
개시된 개념들의 양태들에 따르면, 컨포멀 센서는 컨포멀 센서에 근접한 객체 또는 신체 부위의 적어도 파라미터의 측정을 수행하기 위한 전자 기기를 포함하도록 구성될 수 있다. 예시적인 컨포멀 센서 시스템은 가속도 측정 및 근육 활성화 측정 중 적어도 하나를 수행하기 위한 전자 기기를 포함할 수 있다. 다른 예들에서, 컨포멀 센서 시스템은 심박수 측정, 전기 활성도 측정, 온도 측정, 수화 수준 측정, 신경 활성도 측정, 전도도 측정, 환경 측정, 및/또는 압력 측정과 같은 그러나 이에 제한되지 않는 적어도 하나의 다른 측정을 수행하기 위한 전자 기기를 포함할 수 있다. 예컨대, 컨포멀 센서는 이러한 상이한 유형의 측정들 중 2개 이상의 임의의 조합을 수행하도록 구성될 수 있다.
이제, 몇몇 도면에 걸쳐 유사 참조 번호들이 유사 구성요소들을 가리키는 도면을 참조하면, 도 1은 전체적으로 100으로 지시된 컨포멀 전자 디바이스를 도시하는데, 이는 기판(110), 전자 회로(120), 및 봉지층(130)을 포함한다. 일부 실시예들을 위한 컨포멀 전자 디바이스(100)는 컨포멀 감지 및/또는 감시 성능을 제공하도록 구성된다. 디바이스(100)는 신체의 생체 정보 또는 적어도 하나의 객체와 연관된 다른 정보의 측정 및/또는 분석을 개선하기 위해 표면(예컨대, 피부 또는 신체의 다른 부분 또는 객체의 표면)과의 기계적으로 투명한 긴밀한 접촉을 제공할 수 있다.
기판(110)은 예컨대 컨포멀 전자 디바이스(100)가 배치되는 표면의 외형에 정합될 수 있는 비전도성 재료의 연성, 유연성, 또는 신축성 기판일 수 있다. 이와 같은 표면의 예들은 인간 또는 동물의 신체 부위 또는 임의의 다른 객체를 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 컨포멀 전자 디바이스(100)에 사용될 수 있는 적절한 기판(110)은 예컨대 폴리머 또는 폴리머 재료를 포함한다. 적용 가능한 폴리머 또는 폴리머 재료의 비제한적 예들은 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 실리콘, 또는 폴리우레탄을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 적용 가능한 폴리머 또는 폴리머 재료의 다른 비제한적 예들은 (열가소성 플라스틱, 열경화성 플라스틱, 또는 생분해성 플라스틱을 비롯한) 플라스틱, (열가소성 엘라스토머, 열경화성 엘라스토머, 또는 생분해성 엘라스토머를 비롯한) 엘라스토머, 및 (천연 직물 또는 합성 직물을 비롯한) 직물을 포함하되, 이는 아크릴레이트, 아세탈 폴리머, 셀룰로오스 폴리머, 플루오로폴리머, 나일론, 폴리아크릴로니트릴 폴리머, 폴리아미드-이미드 폴리머, 폴리아릴레이트, 폴리벤즈이미다졸, 폴리부틸렌, 폴리카보네이트, 폴리에스테르, 폴리에테르이미드, 폴리에틸렌, 폴리에텔렌 코폴리머 및 개질 폴리에틸렌, 폴리케톤, 폴리메틸 메타크릴레이트, 폴리메틸펜텐, 폴리페닐렌 산화물 및 폴리페닐렌 황화물, 폴리프탈아미드, 폴리프로필렌, 폴리우레탄, 스티렌계 수지, 술폰계 수지, 비닐계 수지, 또는 이 재료들의 임의의 조합을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 일 예에서, 본원의 폴리머 또는 폴리머 재료는 UV 경화성 실리콘과 같은 그러나 이에 제한되지 않는 UV 경화성 폴리머일 수 있다.
기판(110)은 예컨대 주조, 성형, 스탬핑을 비롯한 임의의 적절한 공정, 또는 임의의 다른 적절한 공정을 사용하여 형성될 수 있다. 게다가, 기판(110)은 다른 특징부, 예컨대 홀, 돌출부, 홈, 압입부, 비전도성 배선, 또는 임의의 다른 특징부를 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 디바이스 아일랜드 또는 배선을 위한 시트 역할을 할 수 있는 홈이 기판(110) 상에 형성될 수 있다.
전자 회로(120)는 예컨대 컨포멀 전자 디바이스(100)가 배치되는 표면 또는 대상(예컨대, 동물 또는 인간 신체 부위 또는 다른 객체)과 연관된 적어도 하나의 파라미터의 감지, 검출, 또는 정량화를 제공하도록 동작 가능한 임의의 적절한 전자 회로일 수 있다. 예컨대, 전자 회로(120)는 움직임, 근육 활성도, 온도(예컨대, 체온), 맥박, 수분, 압력 등을 측정하거나, 검출하거나, 감지하거나, 달리 정량화하도록 구성된다. 전자 회로(120)는 하나 이상의 센서 시스템(들), 및 하나 이상의 다른 부품(들)(예컨대, 배선)을 포함할 수 있다. 하나 이상의 센서 시스템 및 하나 이상의 다른 부품(들)은 하나 이상의 디바이스 아일랜드 상에 배치된다. 하나 이상의 디바이스 아일랜드는 전체 최종 컨포멀 전자 디바이스의 원하는 치수 및 정합성에 기초한 공간적 구성으로 배치된다.
전자 회로(120)에 포함되는 하나 이상의 센서 시스템은 적어도 하나의 센서 측정을 수행하는 적어도 하나의 부품을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 센서 측정의 비제한적 예들은 가속도 측정, 근육 활성화 측정, 심박수 측정, 전기 활성도 측정, 온도 측정, 수화 수준 측정, 신경 활성도 측정, 전도도 측정, 환경 측정, 및/또는 압력 측정을 포함한다. 비제한적 예들로, 센서 시스템은 (단일축 가속도계 또는 3축 가속도계와 같은 그러나 이에 제한되지 않는) 가속도계, (3축 자이로스코프와 같은 그러나 이에 제한되지 않는) 자이로스코프, 신경 전도 검사(NCS) 부품, 근전도(EMG) 부품, 뇌전도(EEG) 부품, 및/또는 심전도(ECG) 부품 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
전자 회로(120)에 포함될 수 있는 다른 부품들의 비제한적 예들은 적어도 하나의 배터리, 레귤레이터, 처리 유닛, (판독-전용 메모리, 플래시 메모리, 및/또는 랜덤-액세스 메모리와 같은 그러나 이에 제한되지 않는) 메모리, 입력 인터페이스, 출력 인터페이스, 통신 모듈, 수동 회로 부품, 능동 회로 부품 등을 포함한다. 일 예에서, 컨포멀 전자 디바이스(100)는 적어도 하나의 마이크로컨트롤러 및/또는 다른 집적 회로 부품을 포함한다. 일 예에서, 전자 회로(120)는 근거리 통신(NFC) 가능 코일과 같은 그러나 이에 제한되지 않는 적어도 하나의 코일을 포함한다. 다른 예에서, 전자 회로(120)는 무선-주파수 식별(RFID) 부품을 포함한다. 동일한 점에서, 전자 회로(120)는 이중 인터페이스 전기적 소거 및 프로그램 가능 메모리(EEPROM)를 구비한 동적 NFC/RFID 태그 집적 회로를 포함할 수 있다.
디바이스 아일랜드들의 구성은 예컨대 (센서 시스템을 비롯한) 전체 전자 회로(120)에 포함되는 부품들의 유형, 전체 컨포멀 전자 디바이스(100)의 의도된 치수, 및 전체 컨포멀 전자 디바이스(100)의 의도된 정합성 정도에 기초하여 결정될 수 있다. 비제한적 예로, 하나 이상의 디바이스 아일랜드의 구성은 구축될 전체 컨포멀 전자 디바이스(100)의 유형에 기초하여 결정될 수 있다. 예컨대, 전체 컨포멀 전자 디바이스(100)는 (중재 카테터의 팽창성 또는 확장성 표면을 비롯한) 유연성 및/또는 신축성 객체 내에 배치될 수동 또는 능동 전자 구조, 또는 착용형 컨포멀 전자 구조일 수 있다. 선택적으로, 디바이스 아일랜드(들)의 구성은 전체 컨포멀 전자 디바이스(100)의 의도된 응용에 사용될 부품들에 기초하여 결정될 수 있다. 예시적인 응용은 움직임 센서, 온도 센서, 신경-센서, 수화 센서, 심장 센서, 유동 센서, 압력 센서, 기기 모니터(예컨대, 스마트 기기), 호흡 리듬 모니터, 피부 전도도 모니터, 전기 접점, 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다. 하나 이상의 디바이스 아일랜드는 온도, 스트레인, 및/또는 전기생리학 센서, 결합형 움직임/심장/신경-센서, 결합형 심장/온도-센서 등을 비롯한 적어도 하나의 다기능 센서를 포함하도록 구성될 수 있다. 전자 회로, 및 전자 회로를 포함하는 컨포멀 전자 디바이스의 예들은 "감지 및 분석용 컨포멀 센서 시스템의 구성(Configuration of Conformal Sensor Systems for Sensing and Analysis)"이라는 명칭으로 2013년 11월 22일에 출원된 미국 가출원번호 제61/907,973호에 기재되어 있고, 그 전체가 모든 목적을 위해 이에 참조로 포함된다.
봉지층(130)이 전자 회로(120)의 적어도 일부를 둘러싸도록, 봉지층(130)은 전자 회로(120)의 적어도 일부 및 기판(110)의 적어도 일부 상에 배치된다. 도시된 바와 같은 일부 구성들에서, 봉지층(130)은 전자 회로(120) 중 기판(110)에 의해 노출되는 부분(예컨대, 표면)을 기밀하게 밀봉하는 재료로 형성된다. 선택적으로, 봉지층(130)은 컨포멀 전자 디바이스(100)의 대부분 또는 전부를 둘러쌈으로써 "봉지 하우징" 역할을 할 수 있다. 일부 실시예들에 대해, 봉지층(130)은 전자 회로(120)의 디바이스 아일랜드들 및 배선들을 기밀하게 밀봉하면서 디바이스 아일랜드들 및 배선들 상에 배치된다. 이와 같은 경우에, 전자 회로(120)에 포함되는 하나 이상의 센서가 (예컨대, 동물 또는 인간의 피부 또는 신체 부위, 또는 임의의 다른 객체와 접촉하기 위해) 노출되도록, 봉지층(130)은 홀, 구멍, 또는 개구를 포함할 수 있다. 봉지층(130)에 의해 전자 회로(120)의 적어도 일부를 기밀하게 밀봉하는 것은, 부식성 화학물질, 먼지, 수분, 산화 등에 의한 손상을 비롯한 부식성 인자들로부터 전자 회로(120)의 부품들을 보호하는 데에 도움이 될 수 있다.
도 1의 봉지층(130)은 연성, 유연성, 및 비전도성 재료로 형성될 수 있다. 일부 예들에서, 봉지층(130)은 기판(110)과 동일한 재료로 형성된다. 다른 예들에서, 상이한 재료가 봉지층(130)을 형성하기 위해 사용될 수 있다. 봉지층(130)에 사용될 수 있는 적절한 재료는 예컨대 폴리머 또는 폴리머 재료를 포함한다. 적용 가능한 폴리머 또는 폴리머 재료의 비제한적 예들은 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 실리콘, 또는 폴리우레탄을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 적용 가능한 폴리머 또는 폴리머 재료의 다른 비제한적 예들은 (열가소성 플라스틱, 열경화성 플라스틱, 또는 생분해성 플라스틱을 비롯한) 플라스틱, (열가소성 엘라스토머, 열경화성 엘라스토머, 또는 생분해성 엘라스토머를 비롯한) 엘라스토머, 및 (천연 직물 또는 합성 직물을 비롯한) 직물을 포함하되, 이는 아크릴레이트, 아세탈 폴리머, 셀룰로오스 폴리머, 플루오로폴리머, 나일론, 폴리아크릴로니트릴 폴리머, 폴리아미드-이미드 폴리머, 폴리아릴레이트, 폴리벤즈이미다졸, 폴리부틸렌, 폴리카보네이트, 폴리에스테르, 폴리에테르이미드, 폴리에틸렌, 폴리에텔렌 코폴리머 및 개질 폴리에틸렌, 폴리케톤, 폴리메틸 메타크릴레이트, 폴리메틸펜텐, 폴리페닐렌 산화물 및 폴리페닐렌 황화물, 폴리프탈아미드, 폴리프로필렌, 폴리우레탄, 스티렌계 수지, 술폰계 수지, 비닐계 수지, 또는 이 재료들의 임의의 조합을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 일 예에서, 폴리머 또는 폴리머 재료는 자외선(UV) 경화성 실리콘과 같은 UV 경화성 폴리머일 수 있다.
계속 도 1을 참조하면, 봉지층(130)은 임의의 적절한 공정, 예컨대 주조, 성형, 스탬핑, 또는 임의의 다른 주지의 또는 이하에 전개되는 제조 방법을 사용하여 형성될 수 있다. 게다가, 봉지층(130)은 홀, 돌출부, 홈, 압입부, 비전도성 배선과 같은 다양한 선택적인 특징부, 또는 임의의 다른 특징부를 포함할 수 있다. 비제한적 예로, 봉지층(130)은 오버몰딩 공정을 사용하여 형성될 수 있다. 일반적으로, 오버몰딩은 사전 제조된 부분이 사출 성형기의 몰드 공동에 삽입될 수 있게 하고, 이는 제1 부분 상에 또는 그 주위에 새로운 플라스틱 부분, 구역, 또는 층을 형성한다. 하나의 이와 같은 오버몰딩 공정은 기판(110) 상에 배치되는 전자 회로(120) 상에 봉지층(130)을 형성할 수 있는 액상 재료를 직접 주조하는 것을 포함한다. 이후, 액상 재료는 경화될 수 있다(예컨대, 냉각 및 응고). 경화는 예컨대 주조된 액상 재료 상에 압력을 인가하고, 기판을 가열하고, 및/또는 진공을 인가함으로써 임의의 적절한 조건 하에 수행될 수 있다.
다른 예로, 전자 회로(120)는 적층 공정을 사용하여 봉지층(130)에 내장될 수 있다. 예컨대, 봉지층(130)은 시트로 사전-주조될 수 있다. 이후, 액상 접착제(예컨대, 봉지층을 형성하기 위해 사용되는 비경화 액상 재료, 또는 임의의 다른 적절한 접착제)가 전자 회로(120) 및 기판(110) 상에 배치될 수 있다. 다음으로, 봉지층(130)은 접착제 상에 배치되며, 초과 접착제를 압출하기 위해 압력 인가될 수 있다. 이후, 접착제는 전자 회로(120) 및 기판(130)의 적어도 일부에 봉지층(130)을 고정 결합하기 위해 경화되어, 도 1의 컨포멀 전자 디바이스(100)를 형성할 수 있다.
개시된 개념들의 양태들에 따르면, 접착제 재료가 봉지형 컨포멀 전자 디바이스의 구축 중에 사용될 수 있다. 상기에 논의된 옵션들에 더하여, 예시적인 적층 공정에 사용되는 비경화 액상 실리콘은 일종의 접착제로 작용하며, 표면들을 결합하기 위해 예컨대 (가교결합을 통한) 경화를 통해 경화될 수 있다. 다른 예들에서, 디바이스 아일랜드들 및 전기 배선들을 비롯한 전자 디바이스 부품들은 오버몰딩 전에 감압성 접착제를 사용하여 사전-경화된 시트에 부착될 수 있다. 감압성 접착제의 비제한적 예는 고무계 접착제이다. 일 예에서, (온도 센서 또는 (UV 센서와 같은) 전자기 방사선 센서와 같은) 센서 부품을 포함하는 패치의 구축에 있어서, 감압성 실리콘 전사 접착제 또는 액상 실리콘 접착제가 사전-경화된 시트에 도포될 수 있다. 본원에 설명된 임의의 접착제는 표면에 도포하기 위한 분무 가능 또는 브러싱 가능 접착제일 수 있다. 접착제는 후속 오버몰딩 공정 중에 시스템의 다른 부품들에 대한 군도 배치를 비롯한 명시된 위치 및 배치에서 전자 부품들을 유지하는 데에 도움이 될 수 있다.
접착제 재료는 본원의 예시적인 디바이스의 구축 중에 적층 공정의 일부로서 사용될 수 있다. 예컨대, 디바이스 아일랜드들 및/또는 배선들을 비롯한 전자 디바이스 부품들은 적층을 위해 사용되는 비경화 액상 실리콘으로 실리콘 시트의 상층을 도포하기 전에 감압성 실리콘 접착제를 사용하여 사전-경화된 베이스 층 실리콘 시트에 부착될 수 있다. 다른 예들에서, 적층은 또한 실리콘 시트들 사이에 초박형 전자 디바이스를 내장하기 위해 감압성 실리콘 접착제를 사용하여 완성될 수 있다. 적층은 경화 공정을 요구하지 않는 박막 접착제의 사용에 기초할 수 있다.
도 1의 봉지층(130) 및/또는 베이스 기판(110)은 예컨대 신장, 절곡, 압축, 비틀림, 또는 다른 변형 중에 컨포멀 전자 디바이스(100)의 일부에 야기될 수도 있는 응력 또는 스트레인의 변조를 용이하게 하도록 구성될 수 있다. 일례로, 컨포멀 전자 디바이스(100)가 변형을 겪을 때, 시스템의 더 강성인 부분(예컨대, 디바이스 아일랜드)으로부터 더 순응성인 구조(예컨대, 유연성 및/또는 신축성 부품)로의 전이부에서 응력 및/또는 스트레인의 집중이 있을 수 있다. 다른 응력 집중 영역들은 예컨대 배선의 가장자리, 또는 배선이 디바이스 아일랜드에 결합되는 경계를 포함할 수 있다. 봉지층(130)은 전자 회로의 기능성 부품에 대한 중성 역학면의 위치를 조절함으로써 전자 회로(120)의 부품들 상의 응력을 최소화하기 위해 전자 회로(120)의 일부 상에 국부적으로 배치되고/배치되거나 두께를 갖도록 구성되는 재료로 형성될 수 있다. 예컨대, 봉지층(130)을 형성하기 위해 사용되는 재료는 전자 회로(120)의 부품의 일부에 근접하는 것과 같이 전자 회로(120)의 부품의 영역에서 국부적으로 도입될 수 있다. 국부적으로 배치된 봉지층은 부품의 영역에서 국부적으로 중성 역학면의 위치를 조절함으로써 변형력이 전체 컨포멀 전자 디바이스(100)에 인가되는 경우 인가된 응력/스트레인으로부터 부품을 보호한다. 기능성 부품에 대한 중성 역학면의 제어된 배치의 결과로, 컨포멀 전자 디바이스(100)가 변형력을 겪을 때, 응력 또는 스트레인이 부품의 영역에서 전혀 또는 거의 발휘되지 않는다.
도 1에 도시된 구현예에서, 봉지층(130) 및/또는 기판(110)은 초박형 두께를 가지며 유리한 기계적 및 광학적 특성을 가질 수 있다. 선택적으로, 봉지층(130)은 약 0.05 ㎜ 내지 약 0.5 ㎜의 범위의 두께를 가질 수 있다. 아울러, 봉지층(130) 및/또는 기판(110)은 봉지층(130)/기판(110)의 비변형 길이에 대해, 약 200% 내지 약 800%의 범위, 또는 일부 구성들에 대해, 약 300%, 약 400%, 약 500%, 약 600%, 또는 약 700%의 연신율을 가질 수 있다. 일부 예들에서, 봉지층(130) 및/또는 기판(110)은 약 40 ppi(인치당 파운드) 내지 약 200 ppi, 또는 일부 구성들에 대해, 약 60 ppi, 약 80 ppi, 약 100 ppi, 약 120 ppi, 약 140 ppi, 약 160 ppi, 또는 약 180 ppi의 인열 강도를 가진다. 다른 옵션으로, 봉지층(130) 및/또는 기판(110)은 (예컨대, 쇼어 A 경도 스케일에 따른) 약 10 A 내지 약 60 A 이상, 예컨대 약 20 A, 약 30 A, 약 40 A, 약 50 A, 또는 약 60 A의 경도계에 의해 측정되는 경도를 가질 수 있다. 일부 구성들에 대해, 봉지층(130) 및/또는 기판(110)은 약 350 ㎚ 내지 약 1,000 ㎚의 광의 파장들 사이에서 약 90% 초과의 광투과도를 가질 수 있다. (예컨대, 가장 두꺼운 점에서의) 봉지형 컨포멀 전자 디바이스(100)의 총 두께는 약 0.20 ㎜ 내지 약 1.0 ㎜의 범위일 수 있다. 일부 구성들에 대해, 봉지층(130) 및/또는 기판(110)은 투명할 수 있다. 다른 예들에서, 봉지층(130) 및/또는 기판(110)은 반투명하거나 유색일 수 있다. 일부 예들에서, 컨포멀 전자 디바이스는 복수의 박형 봉지층을 사용하여 봉지될 수 있다.
다음으로 도 2를 참조하면, 본 개시의 양태들에 따른 대표적인 봉지형 컨포멀 전자 디바이스가 도시되어 있다. 도 1에 제시된 디바이스 아키텍처와 유사하게, 도 2의 컨포멀 전자 디바이스(200)는 일부 비제한적 예들로 기판(210)에 결합되는 전자 회로(220)를 포함한다. 기판(210) 및 전자 회로(220)는 각각 컨포멀 전자 디바이스(100)에 관하여 설명된 기판(110) 및 전자 회로(120)와 실질적으로 유사할 수 있다. 예컨대, 기판(210) 및 전자 회로(220)는 도 1에 도시된 대응하는 구조에 관하여 상기에 설명된 다양한 형태들, 선택적인 구성들, 및 기능적인 대안들 중 임의의 것을 각각 취할 수 있다.
일련의 봉지층들-도 2의 각각의 제1, 제2, 제3, 및 제4 봉지층(230a, 230b, 230c, 230d; 집합적으로 "봉지층들"로 지칭됨)-이 기판(210) 및 회로(220) 상에 순차적으로 배치되되, 상부 3개의 층(230b~230d)은 제1 봉지층(230a)을 강화하도록 동작한다. 각각의 봉지층(230a~230d)은 예컨대 약 0.05 ㎜ 내지 약 0.5 ㎜의 범위의 두께를 가진 초박형 층일 수 있다. 도 2의 봉지층들(230a~230d)은 도 1의 컨포멀 전자 디바이스(100)에 관하여 상기에 설명된 재료들 중 임의의 것으로 형성될 수 있다. 4개의 봉지층(230a~230d)을 가진 것으로 도시되었지만, 임의의 수의 봉지층이 디바이스(200)를 봉지하기 위해 사용될 수 있다. 아울러, 도 2는 각각의 봉지층이 디바이스(200)의 전체 폭을 덮는 것을 도시하지만, 일부 예들에서, 다양한 봉지층들(230a~230d) 중 하나 이상이 전자 회로(220) 및/또는 기판(210)의 일부 상에만 배치될 수 있다. 예컨대, 복수의 봉지층들(230a~230d) 중 하나 이상이 응력/스트레인 집중 영역(예컨대, 디바이스 아일랜드 또는 배선의 가장자리)에 근접하게 배치되어, 전자 회로의 기능성 부품에 대한 중성 역학면의 위치를 조정할 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 충전식 패치로서 구성되는 300으로 지시된 예시적인 컨포멀 전자 디바이스의 기계적 레이아웃 및 시스템-레벨 아키텍처를 도시한다. 예시적인 컨포멀 센서 시스템 전자 기술은 단기능 및 다기능 플랫폼들을 위한 다양한 기계적 및 전기적 레이아웃들로 설계되고 구현될 수 있다. 컨포멀 전자 기술을 포함하는 디바이스는 폴리머 층에 내장되는 설계를 사용하여 신축성 폼 팩터를 통합한다. 이는 스트레인으로부터 회로를 보호하고 초박형 단면에서 기계적 유연성을 달성하기 위해 공식화될 수 있다. 예컨대, 디바이스는 평균적으로 약 1 ㎜의 두께로 구성될 수 있다. 다른 예들에서, 패치는 더 얇거나 더 두꺼운 단면 치수로 구성될 수 있다. 디바이스 아키텍처는 일부 비제한적 예들로 센서 모듈(302)(예컨대, 3축 가속도계), 무선 통신(예컨대, Bluetooth®) 및 마이크로컨트롤러(MCU) 모듈(304), 및 전극 커넥터들(313)과 함께 예컨대 EMG, EEG, 및 EKG 신호들을 감지하기 위한 컨포멀 전극 어레이 모듈들(312, 314)을 비롯하여, 표면-실장 기술(SMT) 부품들을 포함하는 재사용 가능 모듈을 포함할 수 있다. 컨포멀 전극 어레이들은 일회용일 수 있다(310, 312). 예시적인 디바이스는 또한 (전력 2 mA-Hr 또는 10 mA-Hr의 LiPo 배터리와 같은) 전원(316), 레귤레이터(318), (1.5/2 밀리미터 트레이스/공간비를 가진 0.125 온스 구리(Cu) 코일과 같은 그러나 이에 제한되지 않는) 전력 전달 코일(320), 및 메모리(322)를 포함할 수 있다.
도 3a 및 도 3b의 예에 도시된 바와 같이, 예시적인 컨포멀 센서 시스템(300)의 부품들은 신축성 배선들(328)에 의해 상호연결되는 디바이스 아일랜드들로서 구성된다. 신축성 배선들(328)은 부품들 사이의 전기 통신을 용이하게 하기 위해 전기전도성일 수 있거나, 연장력, 압축력, 및/또는 비틀림력과 같은 그러나 이에 제한되지 않는 변형력을 겪는 중에 또는 후에 컨포멀 센서 디바이스의 전체 형태의 원하는 전체 폼 팩터 또는 상대 종횡비를 유지하는 데에 도움이 되기 위해 전기전도성이 아닐 수 있다. 도 3의 예는 또한 전체 시스템의 필요한 기능을 제공하기 위해 예시적인 컨포멀 센서 시스템의 부품들이 배치될 수 있거나 달리 결합될 수 있는 아일랜드 베이스들(326)의 다양한 형상 및 종횡비를 도시한다.
도 3a 및 도 3b의 컨포멀 전자 디바이스(300)는 각각 전자 회로가 결합되는 도 1 및 도 2의 유연성 기판들(110, 210)과 같은 유연성 기판(310)을 포함한다. 기판(310) 및 전자 회로는 유연성 봉지층(330)에 의해 적어도 부분적으로 봉지된다. 컨포멀 전자 디바이스(300)에 포함되는 전자 회로는 사행형 배선들(328)을 통해 서로 전자 결합되는 복수의 디바이스 아일랜드(이들 중 10개가 도면에 도시되며 이들 중 2개가 326으로 지시됨)를 포함한다. 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같은 일부 예시적인 실시예들에서, 복수의 접점이 컨포멀 전자 디바이스(300)의 양 단부 또는 각 단부에 배치될 수 있다. 다른 예시적인 실시예들에서, 컨포멀 전자 디바이스는 이와 같은 접점을 포함하지 않는다. 디바이스 아일랜드들은 컨포멀 전자 디바이스(100) 또는 본원에 설명된 임의의 다른 컨포멀 전자 디바이스에 관하여 설명된 바와 같이 임의의 수의 배선들 및 임의의 수의 부품들을 포함할 수 있다.
도 4는 도 3a의 4-4선을 따른 컨포멀 전자 디바이스(300)의 일부의 단면을 도시한다. 도 4에서 알 수 있는 바와 같이, 디바이스(300)는 기판(310)을 포함하되, 이는 기판(310) 상에 배치되는 베이스 플레이트(340)를 위한 하접 지지를 제공한다. 기판(310)은 예컨대 RTV 실리콘, 또는 본원에 설명된 임의의 다른 적절한 기판 재료로 형성될 수 있다. 일부 예들에서, 기판(310)은 약 200 ㎛의 두께를 가질 수 있다. 일부 예들에서, 베이스 플레이트는 폴리이미드로 형성될 수 있고, 선택적으로 약 50 ㎛의 두께를 가질 수 있다. 하나 이상의 전기 접점(342)이 베이스 플레이트(310) 상에 배치되며 전자 부품(344)에 결합된다. 전자 부품(344)은 컨포멀 전자 디바이스(100)에 관하여 설명된 임의의 부품, 또는 본원에 설명된 임의의 다른 부품일 수 있다. 일부 구성들에 대해, 전자 부품(344)은 약 500 ㎛의 두께를 가질 수 있다. 전기 접점(들)(342)은 구리와 같은 임의의 적절한 전기전도성 재료로 형성될 수 있다. 전기 접점(들)(342)은 약 0.5 ㎛의 두께를 가질 수 있다. 전기 부품(344)과 결합되지 않은 전기 접점(342)의 선택적인 (상부 및 측면) 부분들은 절연층으로 덮여 있다.
봉지층이 전체 컨포멀 전자 디바이스(300)(또는 디바이스의 실질적으로 전부)를 완전히 봉지하도록, 봉지층(330)은 기판(310) 상에 배치된다. 일부 예들에서, 봉지층(330)은 RTV 실리콘, 또는 본원에 설명된 임의의 다른 봉지 재료로 형성될 수 있다. 컨포멀 전자 디바이스(300)가 소정의 부품들을 구비한 것으로 도시되고 설명되지만, 컨포멀 전자 디바이스(300)는 본원에 설명된 바와 같은 임의의 적절한 기능을 수행하도록 구성될 수 있는 본원에 설명된 다른 부품들 중 임의의 것을 포함할 수 있다. 일부 예시적인 아키텍처들에 대해, 전자 부품의 원위 단부로부터 측정될 때 봉지층(330)의 두께가 약 200 ㎛가 되도록, 봉지층(330)은 초박형 두께를 정의하도록 구성된다. 이와 같은 예들에서, 컨포멀 전자 디바이스는 예컨대 가장 두꺼운 점에서 약 2 ㎜ 미만 또는 일부 구현예들에서는 약1 ㎜ 미만의 최대 두께를 가진 초박형 프로파일을 가진다.
도 4에 도시된 바와 같이, 봉지층(330)은 베이스 플레이트(340), 전자 부품(344), 및/또는 배선(328)의 일부에 걸쳐 국부적으로 또는 이에 근접하게 배치될 수 있다. 예컨대, 봉지층은 하나 이상의 전자 부품, 베이스 플레이트, 및/또는 배선을 포함하는 전체 컨포멀 전자 디바이스(300) 디바이스 구조의 일부에 걸쳐 또는 이에 근접하게 배치될 수 있다. 봉지 재료는 변형력이 전체 컨포멀 디바이스에 인가되는 경우 인가된 응력/스트레인으로부터 부품을 보호하기 위해, 부품의 일부에 근접하는 것과 같이, 컨포멀 전자 디바이스(300)의 부품의 일부의 영역에서 국부적으로 도입될 수 있다. 예컨대, 봉지 재료는 부품의 영역에서 국부적으로 중성 역학면의 위치를 조절하는 데에 도움이 될 수 있다. 기능성 부품에 대한 중성 역학면의 제어된 배치의 결과로, 전체 컨포멀 전자 디바이스(300)가 변형력을 겪을 때, 응력 또는 스트레인이 부품의 영역에서 전혀 또는 거의 발휘되지 않는다.
계속 도 4를 참조하면, 베이스 플레이트 강성은 베이스 플레이트에 결합되는 배선이 변형, 예컨대 신장 시에 더 큰 양의 소성 스트레인을 겪는 결과를 초래할 수 있다. 비제한적 예로, 폴리이미드(PI) 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)로 형성되는 베이스 플레이트는 약 0.925 MPa의 C10(초탄성 재료 상수) 및 약 6.894 MPa의 계수값을 가질 수 있다. 전체 컨포멀 디바이스의 구성을 결정 시에, 베이스 플레이트의 치수 및/또는 재료 강성은 봉지 재료의 강성 특성 및/또는 배치와 함께 고려될 수 있고, 수동 부품 및/또는 배선 근처에서 이와 같은 스트레인 집중을 방지하기 위해, 중성 역학면이 전체 컨포멀 디바이스의 영역에 속하게 하도록 전략적으로 제어될 수 있다.
봉지형 컨포멀 전자 디바이스의 제조 방법 및 사용 방법이 또한 본원에 개시된다. 이러한 방법들 중 일부가 도면들 중 도 1 내지 도 4에 도시된 다양한 구성들 및 특징들을 참조하여 설명될 것이다; 이와 같은 참조는 전적으로 설명 및 명시를 통해 제공된다. 도 5, 도 6, 및 도 14에 도시된 바와 같은 일부 구현예들에서, 각각의 방법은 적어도 각각의 도면에 열거되는 단계들을 포함한다. 각각의 방법으로부터 단계를 생략하고, 각각의 방법에 추가 단계를 포함시키고, 및/또는 제시되는 순서를 수정하는 것 역시 본 개시의 범주 및 정신 내에 있다. 각각의 전술한 방법은 관련 단계들의 단일 시퀀스를 나타낼 수 있음을 추가로 주목해야 한다; 그러나, 각각의 이러한 방법은 체계적이며 반복적인 방식으로 실시될 것으로 예상된다.
도 5는 오버몰딩을 사용하여 도 1 및 도 2의 컨포멀 전자 디바이스(100, 200) 또는 본원에 설명된 임의의 다른 컨포멀 전자 디바이스와 같은 컨포멀 전자 디바이스를 봉지하는 예시적인 방법(400)을 도시한 흐름도를 제시한다. 방법(400)은 제1 몰드 내에 기판 재료를 배치하는 블록(402)에서 시작된다. 기판 재료는 예컨대 기판(110), 기판(210), 또는 본원에 설명된 임의의 다른 기판을 형성하기 위해 사용되는 재료들 중 임의의 것을 포함할 수 있다. 제1 몰드 내에 기판 재료를 배치하기 전에, 임의의 적절한 공정을 사용하여 제1 몰드를 세정할 수 있다. 일부 예들에서, 기판 재료를 추가하기 전에, 제1 몰드 상에 왁스, 오일, 비눗물과 같은 이형층 또는 임의의 다른 적절한 이형층을 배치한다. 이형층은 경화 후 제1 몰드로부터 기판의 용이한 분리를 가능하게 한다.
블록(404)에서, 기판 재료를 경화하여 연성 및 유연성 기판을 형성한다. 임의의 적절한 경화 공정이 사용될 수 있다. 예컨대, 양압이 제1 몰드 상에 인가될 수 있고, 제1 몰드가 기결정된 온도까지 가열될 수 있고, 및/또는 진공이 제1 몰드 상에 인가될 수 있다. 다음으로, 블록(406)에서, 경화된 기판 상에 전자 회로를 배치한다. 전자 회로는 예컨대 전자 회로(120), 전자 회로(220), 또는 도 3a에서 식별된 것들을 비롯하여, 본원에 설명된 임의의 다른 전자 회로를 포함할 수 있다. 도 5의 방법(400)의 블록(408)에서 제2 몰드 내에 봉지 재료를 배치한다. 봉지 재료는 예컨대 봉지층(130)이나 봉지층(230)을 형성하기 위해 사용되는 재료, 또는 본원에 설명된 임의의 다른 봉지 재료를 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 봉지 재료를 추가하기 전에, 제2 몰드 상에 왁스, 오일, 비눗물과 같은 이형층 또는 임의의 다른 적절한 이형층을 배치한다. 이형층은 경화 후 제2 몰드로부터 기판의 용이한 분리를 가능하게 한다.
계속 도 5의 예시적인 방법을 참조하면, 블록(410)은 제2 몰드 상에 역위치로(예컨대, 거꾸로) 기판 및 기판 상에 배치되는 전자 회로를 포함하는 제1 몰드를 위치시키는 단계를 포함한다. 이후, 블록(412)에서, 제1 몰드 및 제2 몰드를 경화하여 봉지형 컨포멀 전자 디바이스를 형성한다. 임의의 적절한 경화 공정이 사용될 수 있다. 예컨대, 양압이 제1 몰드 및 제2 몰드 상에 인가될 수 있고, 제1 몰드 및 제2 몰드가 기결정된 온도까지 가열될 수 있고, 및/또는 진공이 제1 몰드 및 제2 몰드 상에 인가될 수 있다. 블록(414)에서, 경화 후, 제1 몰드 및 제2 몰드로부터 봉지형 컨포멀 전자 디바이스를 분리할 수 있다.
도 6은 적층을 사용하여 컨포멀 전자 디바이스(100, 200) 또는 본원에 설명된 임의의 다른 컨포멀 전자 디바이스와 같은 컨포멀 전자 디바이스를 봉지하는 예시적인 방법(500)을 도시한 흐름도이다. 도 6의 방법(500)은 신축성 재료의 완전 경화된 시트를 기결정된 크기로 절단하여 기판을 형성하는 블록(502)에서 시작된다. 신축성 재료는 기판(110)이나 기판(210)에 관하여 설명된 재료, 또는 본원에 설명된 임의의 다른 신축성 재료 중 임의의 것을 포함할 수 있다. 이후, 블록(504)에서, 신축성 재료 상에 비경화 적층 재료를 배치한다. 적층 재료는 임의의 적절한 재료, 예컨대 본원에 설명된 기판을 형성하기 위해 사용되는 신축성 재료를 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 적층 재료는 봉지층을 형성하기 위해 사용되는 재료를 포함할 수 있다.
다음으로, 블록(506)에서, 비경화 적층 재료 상에 전자 회로를 배치한다. 전자 회로는 전자 회로(120), 전자 회로(220), 또는 본원에 설명된 임의의 다른 전자 회로를 포함할 수 있다. 이후, 예컨대 블록(508)에서, 전자 회로가 적층 재료로 완전히 덮이도록, 전자 회로 상에 초과량의 비경화 적층 재료를 배치한다. 블록(510)에서, 비경화 적층 재료 상에 완전 경화된 봉지 재료의 시트(즉, 봉지층)를 배치한다. 봉지층은 봉지층(130)을 참조하여 설명된 봉지 재료, 또는 본원에 설명된 임의의 다른 봉지 재료 중 임의의 것으로 형성될 수 있다. 초과 적층 재료를 제거하기 위해 봉지층에 압력을 인가할 수 있다. 이후, 블록(512)에서, 봉지 재료를 경화하여 봉지형 컨포멀 전자 디바이스를 형성한다. 임의의 적절한 경화 공정이 사용될 수 있다. 예컨대, 양압, 열, 또는 진공이 적층 재료를 경화하기 위해 사용될 수 있다. 적층 층의 경화는 봉지형 컨포멀 전자 디바이스를 형성하도록 기판 시트, 전자 회로, 및 봉지 시트를 서로 결합한다.
다음은 본원에 설명된 원리에 따른 공정 및 방법을 사용하여 형성되는 다양한 봉지형 컨포멀 전자 디바이스들의 예를 보여주는 일부 대표적인 실시예들이다.
예1
이 예에서, 수분 센서들을 포함하는 컨포멀 전자 디바이스-이하에서는 "예1 디바이스"-가 오버몰딩 공정을 사용하여 봉지된다. 예1 디바이스는 더 큰 두께 측정을 위해 약 6 ㎜의 최종 두께를 갖거나 방수 성능 측정을 위해 약 2 ㎜의 최종 두께를 갖도록 봉지된다. 3개의 플레이트-성형 공구들-제1 플레이트(701), 제2 플레이트(702), 및 제3 플레이트(703)-이 오버몰딩 공정을 위해 사용되며 도 7a 내지 도 7f에 도시된다. 도 7a, 도 7c, 및 도 7e에 도시된 플레이트 표면들은 더 큰 두께 측정을 위해 예1 디바이스의 일부 상에 커넥터를 위한 개구용 캡을 형성하기 위해 사용되는 반면, 도 7b, 도 7d, 및 도 7f에 도시된 플레이트들은 방수 성능 측정을 위해 봉지층을 형성하기 위해 사용된다. Dake Corporation에서 입수 가능한 모델 44-226 25-Ton 5"-스트로크 셀프-레벨링 실험실 유압 프레스가 전술한 성형 공정을 위해 사용될 수 있다. 2개의 상이한 봉지 재료가 더 큰 두께 측정 및 방수 성능 측정을 위해 사용될 수 있다. 일 예에서, 더 큰 두께 측정을 위해, SMOOTH-ON™의 ECOFLEX®가 봉지층을 형성하기 위해 사용될 수 있다. 일 예에서, 방수 성능 측정을 위해, Bluestar SILBIONE® RTV4545 실리콘이 봉지층을 형성하기 위해 사용될 수 있다. 선택적으로, 다른 적절한 재료들(예컨대, Bluestar SILBIONE® LSR4325)이 봉지층을 형성하고/형성하거나 봉지층의 방수 성능을 개선하기 위해 사용될 수 있다. 사용될 수 있는 예시적인 프라이머는 Nusil Silicone Technology의 MED-142 및 MED-166이다. 이러한 프라이머는 프라이머가 도포되는 표면에 대한 봉지 재료의 접착력을 실질적으로 증가시킬 수 있다.
봉지 재료(예컨대, ECOFLEX® 또는 SILBIONE® RTV4545)의 전구체를 제조사의 설명서에 따라 혼합하고, 진공 하에 탈기하며, 사용 전에 약 4 ℃에서 보관한다. 성형된 층들의 용이한 해제를 위해 성형 플레이트들(701~703)에 희석된 비눗물 또는 알코올과 같은 세정액을 분사할 수 있다. 이후, 플레이트(702)의 성형 공동들(710)에 혼합된 봉지 재료를 주입한다. 플레이트(702) 상에 플레이트(701)를 배치하여 제1 폐쇄형 몰드 조립체를 형성하고, 약 20,000 psi의 압력 및 약 110 ℉의 온도에서 대략 30분 동안 프레스 내에 조립체를 배치한다. 30분 후, 프레스로부터 조립체를 분리한다. 플레이트(701)가 분리되고, 봉지 재료의 제1 시트가 플레이트(702) 상에 배치된 상태로 남겨진다. 제1 시트를 예1 디바이스용 기판으로 사용한다. 봉지 재료의 초과 플래시를 세정한다.
다음으로, 수분 센서들을 포함하는 예1 디바이스를 알코올로 세정한다. 전자 회로 상에 프라이머를 도포하고 대략 30분 동안 건조한다. 이후, 기판 상에 세정된 예1 디바이스를 배치한다. 플레이트(703)의 성형 공동들(712)에 혼합된 봉지 재료를 주입한다. 이후, 플레이트(703) 상에 신중히 및 천천히 플레이트(702)를 놓아서 갇힌 공기를 빠져나가게 하고 제2 폐쇄형 몰드 조립체를 형성한다. 프레스에 조립체를 넣고 약 20,000 psi의 압력 및 약 110 ℉의 온도에서 약 30분 동안 유지한다. 선택적으로, 예컨대, 더 높은 전압의 사용이 구조의 전자 디바이스 부품들 중 임의의 것을 손상시킬 수 있는 가능성이 존재할 때, 조립체가 거의 대기압에 있는 것을 비롯하여, 훨씬 더 낮은 압력을 사용할 수 있다. 오버몰딩 및 적층 중 저압 봉지 공정의 사용은 높은 수율을 달성할 수 있다. 일부 예들에서, 예시적인 디바이스의 봉지층을 형성하기 위해 약 110 ℉ 외의 온도를 사용할 수 있다. 몰드로부터 봉지형 디바이스를 분리하고, 초과 재료를 제거한다.
도 8a 내지 도 8d는 본 개시의 양태들에 따른 다양한 봉지형 컨포멀 전자 디바이스들의 사시도들이다. 도 8a 및 도 8b는 예컨대 더 높은 두께 측정을 위해 봉지되는 전체적으로 800A로 지시된 예1 디바이스의 제1 예의 평면도 및 저면도를 각각 도시한다. 도시된 바와 같이 예1 디바이스(800A)의 전체 두께는 대략 5.85 ㎜이다. 봉지층은 매끄럽고, 연성이며, 결함이 없다. 이와 달리, 도 8c 및 도 8d는 예컨대 방수 성능 측정을 위해 봉지되는 전체적으로 800B로 지시된 예1 디바이스의 제2 예의 평면도 및 저면도를 각각 도시한다. 디바이스(800B)의 전체 두께는 대략 2.2 ㎜이며, 가장 얇은 층은 약 0.21 ㎜이다. 봉지층이 더 얇은 봉지형 디바이스의 가장자리 및/또는 바닥에 인열 및 박리 구역과 같은 결함이 나타날 수 있다.
예2
오버몰딩 공정이 디바이스 아일랜드들 및 배선들을 포함하는 컨포멀 전자 디바이스-이하에서는 "예2 디바이스"-를 봉지하기 위해 사용된다. 적어도 일부 구현예들에 대해, 예2 디바이스는 도 2, 도 3a, 및 도 3b에 관하여 설명된 컨포멀 전자 디바이스(200 및/또는 300)와 유사하거나 실질적으로 동일하고, 그에 따라 이를 참조하여 논의된 해당 옵션들 및 특징들 중 임의의 것을 포함할 수 있다. 이후, 예2 디바이스는 예1 디바이스를 봉지하기 위해 사용된 것과 실질적으로 동일한 오버몰딩 공정을 사용하여 봉지된다. 이 예에서, 사용되는 봉지 재료는 Bluestar SILBIONE® RTV4545이다. 다른 예들에서, 대안적인 봉지 재료들이 예2 디바이스를 형성할 때 사용될 수 있다. 도시된 바와 같이, 봉지형 예2 디바이스는 약 1 ㎜의 총 두께를 가진다. 도 9a 및 도 9b는 봉지형 예2 디바이스의 대표적인 구현예(900)의 평면 및 저면을 도시한다. 예2 디바이스의 기능을 감소시킴 없이, 약간의 기포가 봉지층에 보일 수도 있고 약간의 박리가 디바이스 아일랜드들에 또는 이에 근접하게 일어날 수도 있다.
예3
이 예에서, 적층 공정이 수분-감지 컨포멀 전자 디바이스-이하에서는 "예3 디바이스"-를 봉지하기 위해 사용된다. 적어도 일부 구현예들에서, 예3 디바이스는 예1 디바이스와 유사하거나 실질적으로 동일하고, 그에 따라 이를 참조하여 논의된 해당 옵션들 및 특징들 중 임의의 것을 포함할 수 있다. 예3 디바이스는 방수 및 신뢰성 측정을 위해 약 1.0 ㎜ 내지 약 1.5 ㎜의 두께를 갖도록 봉지된다.
이 예에서, Dow Corning® OS-20™ 세정액 또는 다른 적절한 세정 재료를 사용하여 비봉지형 예3 디바이스의 표면들을 세정한 후 건조한다. 비제한적 예로, 린트-프리 타월을 사용하여 Dow Corning 1200® OS™ 프라이머의 박층으로 예3 디바이스의 표면들을 코팅하고, 적어도 약 1시간 동안 대기에서 경화한다. 사용되는 접착 재료는 SORTA-CLEAR 18®(SMOOTH-ONTM)과 같은 2파트(파트 A 및 B) 액상 실리콘일 수 있거나, 중간 점도를 가진 임의의 다른 균등한 폴리머도 사용될 수 있다. 예컨대 약 10:1의 비율로 액상 실리콘의 파트 A 전구체 및 파트 B 전구체를 서로 혼합하고, 진공 하에 탈기하며, 사용 전에 약 4 ℃의 온도에서 보관한다. 실리콘 고무 시트(예컨대, Rogers Corp, 약 0.25 mm의 두께를 가진 HT-6240, 또는 약 0.15 mm의 두께를 가진 GELPAK® PF-60-x4)를 약 5 cm×6 cm의 치수를 가진 조각들로 절단한다. 실리콘 고무 시트의 라이너의 일 측을 제거한다. 브러시를 사용하여 제1 실리콘 고무 시트 상에 액상 실리콘의 박층을 배치한다. 제1 실리콘 시트를 베이스 층으로 사용한다.
제1 시트 상에 예3 디바이스를 배치하고, 예3 디바이스 상에 초과량의 액상 실리콘을 증착한다. 예3 디바이스 및 제1 실리콘 시트에 걸쳐 제2 실리콘 시트를 배치하고, 그에 따라 제3 디바이스는 2개의 실리콘 시트 사이에 개재되거나 적층된다. 초과 액상 실리콘을 제거하기 위해, 롤러를 사용하여 압력을 인가할 수 있다. 적층된 예3 디바이스를 약 20 내지 30 파운드의 압력으로 유지하면서 적어도 약 5시간 동안 경화한다. 이 예에서, 액상 실리콘을 완전히 경화하기 위해 경화를 약 24시간 동안 계속한다. 다른 예에서, ECOFLEX® 5와 같은 그러나 이에 제한되지 않는 급속 경화성 실리콘을 사용함으로써, 경화 공정을 대기 온도에서 5분까지 가속할 수 있다. 스캘퍼(scalper)를 사용하여 봉지형 예3 디바이스를 개별 샘플 패치들로 절단할 수 있다. 도 10a 및 도 10b는 봉지형 예3 디바이스의 대표적인 구현예(1000)의 평면 및 저면을 각각 도시한다. 다양한 위치에서의 도시된 예3 디바이스의 두께는 0.15 mm 두께의 실리콘 시트들을 사용할 때 약 0.33 mm 내지 약 2.13 mm이거나, 0.25 mm 두께의 실리콘 시트들을 사용할 때 약 0.6 mm 내지 약 2.33 mm일 수 있다.
예4
다른 대표적인 컨포멀 전자 디바이스-이하에서는 "예4 디바이스"-가 적층 공정을 사용하여 봉지된다. 이러한 구성에서, 예4 디바이스는 내장형 근거리 통신(NFC) 마이크로칩들을 포함한다. 적층 절차를 위해 사용되는 액상 실리콘은 낮은 점도를 가진 Bluestar SILBIONE® RTV4545이다. 예4 디바이스는 예3 디바이스와 실질적으로 동일한 적층 절차를 사용하여 봉지된다. 그러므로, 도 9a 및 도 9b는 봉지형 예4 디바이스의 평면 및 저면을 각각 나타낼 수 있다. 다양한 위치에서의 예4 디바이스의 두께는 0.15 mm 두께의 실리콘 시트들을 사용할 때 약 0.7 mm 미만이며, 0.25 mm 두께의 실리콘 시트들을 사용할 때 약 1 mm 미만이다.
예5
다음으로 도 11a 내지 도 11f를 참조하면, 또 다른 컨포멀 전자 디바이스-이하에서는 "예5 디바이스"-가 적층 공정을 사용하여 봉지된다. 예5 디바이스는 본원에 설명된 예2 디바이스와 유사하거나 실질적으로 동일하고, 그에 따라 이를 참조하여 논의된 해당 옵션들 및 특징들 중 임의의 것을 포함할 수 있다. 도시된 구현예에서, 적층 절차를 위해 사용되는 액상 실리콘은 낮은 점도를 가진 Bluestar SILBIONE® RTV4545이다. 예5 디바이스는 앞서 논의된 예3 디바이스와 실질적으로 동일한 적층 절차를 사용하여 봉지된다. 봉지를 위해 사용되는 실리콘 시트들은 투명하거나 유색이거나 반투명하다. 도 11 및 도 11b는 투명하거나 반투명한(또는 실질적으로 투명한) 실리콘 시트들로 봉지되는 예5 디바이스의 제1 대표적인 구현예(1100A)의 평면도 및 저면도를 각각 도시한다. 도 11e 및 도 11f는 유색 실리콘 시트들로 봉지되는 예5 디바이스의 제3 대표적인 구현예(1100C)의 평면도 및 저면도를 각각 도시한다. 도 11c 내지 도 11h에 제시된 예5 디바이스 장치들은 투명, 반투명, 또는 유색 실리콘 시트들을 사용하여 봉지되는 군도 구조(예컨대, IC 디바이스 아일랜드들의 체인)를 가진다. 도 11a 내지 도 11h의 봉지형 예5 디바이스들(1100A, 1100B, 1100C, 1100D)의 두께는 예컨대 약 0.076 mm 두께의 실리콘 시트들을 사용할 때 약 0.20 mm 미만이며, 예컨대 0.25 mm 두께의 실리콘 시트들을 사용할 때 약 0.70 mm 미만이다.
기능성 RFID 칩들을 포함하며 각각 오버몰딩 및 적층 방법을 사용하여 형성되는 수분 감지 디바이스들, 즉 예1 및 예3 디바이스는 방수 측정을 겪는다. 3개의 예1 디바이스 및 6개의 예3 디바이스(각각 3개는 0.15 mm 적층형 디바이스, 3개는 0.25 mm 적층형 디바이스)를 수돗물 및 0.7X PBS 용액에 침지시키고, 약 7일마다 측정 조건의 주기적 변경과 함께 28일 동안 순차적으로 약 37 ℃의 온도와 약 50 ℃의 온도 사이에서 순환시킨다. 침지 깊이는 약 15 내지 20 ㎝의 범위이며, 7일마다 조 용액의 교체와 함께 약 28일 동안 지속적으로 디바이스들을 침지시킨다. 디바이스들의 생존력을 감시하기 위해, 디바이스들을 예컨대 1시간마다 1번씩 RFID 판독기로 주기적으로 측정할 수 있다. 디바이스들은 측정 주기의 종료 시에 기능을 유지한다. 각각의 디바이스의 외관 검사는 봉지형 디바이스들로의 액체의 침투 또는 손상의 뚜렷한 징후를 드러내지 않는다. 방수 측정에 이어, 모든 디바이스들을 유입 방지(Ingress Protection) 평가 절차에 따라 재테스트한다. IP 평가 절차는 디바이스 또는 제품의 환경적 성능을 평가하는 표준화 방법을 제공한다. 간략하게, 모든 디바이스들을 (30분 동안 1 m까지 완전 침지를 요구하는 IP7 절차로) 약 30분 동안 약 1 m의 깊이까지 물에 침지시킨다. 외관 검사는 오버몰딩형 및 0.25 mm 실리콘 시트 적층형 디바이스들에 대해 임의의 뚜렷한 변화를 드러내지 않는다. 약간의 박리가 0.15 mm 실리콘 시트 적층형 디바이스에서 발생할 수 있다. 디바이스는 IP7 평가 테스트를 통과한다.
예6
도 12a 내지 도 12d는 봉지형 컨포멀 전자 디바이스의 스트레인 제한, 강도 보강, 및 심미적 효과를 위한 직물의 사용의 예들을 도시한다. 이러한 예들에서, 전자 구조는 신축성 전기 배선들을 사용하여 상호연결되는 디바이스 아일랜드들 및 전자 부품들을 포함한다. 전자 구조는 다양한 심미적 효과를 위해 상이한 색상을 가질 수 있는 재료 상에 배치된다. 예컨대, 도 12a의 컨포멀 전자 디바이스(1200A)의 베이스의 일부를 형성하는 재료는 예시적인 시스템에 황색 외관을 부여하도록 황색이다. 도 12b에서, 컨포멀 전자 디바이스(1200B)의 베이스의 일부를 형성하는 재료는 예시적인 시스템에 녹색 외관을 부여하도록 녹색이다. 비교하자면, 도 12c에 대해, 컨포멀 전자 디바이스(1200C)의 베이스의 일부를 형성하는 재료는 예시적인 시스템에 연회색 외관을 부여하도록 연회색이다. 도 12d에 따르면, 도 12b의 예시적인 시스템의 반대측이 도시되어 있는데, 예시적인 시스템의 베이스를 형성하도록 포함되는 녹색 재료를 보여준다. 베이스에 통합되는 이러한 추가 직물 부분들은 추가 강도 및 보강을 제공하며, 임의의 형태의 변형과 함께 전자 구조가 겪는 스트레인을 제한하는 데에 도움이 될 수 있다.
개시된 봉지형 컨포멀 전자 디바이스 아키텍처들 중 임의의 것은: (1) 단일 방향으로 스트레인을 제한하거나(예컨대, 단축 또는 단방향 스트레인 리미터), (2) 다수 방향으로 스트레인을 제한하거나(예컨대, 다축 또는 다방향 스트레인 리미터), (3) 신장만을 제한하거나, (4) 절곡만을 제한하거나, (5) 비틀림만을 제한하거나, (6) 신장 및 절곡만, 신장 및 비틀림만, 또는 단지 절곡 및 비틀림만을 제한하는 하나 이상의 FPCBA 스트레인 리미터를 구비할 수 있다. 일부 구성들에 대해, 스트레인 리미터는 제품의 기결정된 "설계창(design window)" 내에서(예컨대, 0~85%의 신축성 파단 범위 내에서) 쉽게 신장되도록 구성된다. 이와 달리, 이후, 스트레인 리미터는 제품의 기결정된 "설계창"에서 또는 그 인근에서(예컨대, 최종 15%의 신축성 파단 범위 내에서) 스트레인 제한을 즉각적으로 증가시키도록 구성될 수 있다. 적어도 일부 구성들에 대해, 리미터/제품을 위한 궁극력 등급까지 신장 제한을 유지하는 것이 바람직하다. 신장 제한에 대해, 봉지형 컨포멀 전자 패치는 1회를 기준으로 대략 20% 전체 연신율에서 소성 변형을 경험하기 시작할 수 있다; 이 예에서의 스트레인 리미터는 15% 전체 연신율에서 신장을 완전히 제한하도록 설계된다. 이와 달리, 절곡 제한에 대해, 리미터는 패치 자체가 완전히 주름지는 것을 방지하거나 제거한다. 적어도 일부 이상적인 스트레인 리미터에 대해: 인장 강도가 약 5 lbf보다 크고; 완전 인장 전의 최대 연신율이 약 15% 미만이며; 봉지될 때 15% 연신율까지 신장력을 최소화한다.
이제 도 13a 내지 도 13c를 참조하면, 컨포멀 전자 기기를 내부에 봉지하기 위한 "와플" 타입 유연성 인쇄 회로 기판 조립체(FPCBA) 하우징(1300)이 도시되어 있다. FPCBA 하우징(1300)을 구비한 최종 봉지형 컨포멀 전자 디바이스는 액상 실리콘 재료를 사용하여 도 14를 참조하여 이하에 설명되는 바와 같은 하이브리드 성형 및 적층 공정으로 제조될 수 있다. 도시된 와플 설계 FPCBA 하우징(1300)은 유사한 비와플 설계(예컨대, 평면 설계)에 비해 신장력의 최대 23%의 감소를 가져온다. 선택된 듀로미터 등급으로 유연성 재료를 구성함으로써 신장력 비율을 조절할 수 있다는 것이 밝혀졌다. 예컨대, 실리콘 듀로미터의 50% 감소는 FPCBA 하우징(1300) 내의 신장력의 최대 50% 감소를 가져온다. 다른 이점들 중에서, 도 13 내지 도 13c에 도시된 와플 설계는 조립체가 경험할 수 있는 변형의 유형 및 양을 제한함으로써 더 작은 단면을 가진 신축성 배선들을 지지하는 데에 도움이 된다.
예시적인 와플 하우징(1300)의 다른 이점은 IC 디바이스 아일랜드들 중 하나를 내부에 안착시키지 않는 하우징의 구역으로부터 재료를 제거하거나 최소화함으로써 실현되는 재료비 절감이다. 예로서, FPCBA 하우징(1300)은 하우징의 길이를 따라 종방향으로 이격되는 복수의 컴파트먼트, 즉 제1, 제2, 제3, 및 제4 부분 중공 아치형 컴파트먼트(1302~1305)를 포함한다. 각각의 상기 컴파트먼트(1302~1305)는 하나 이상의 IC 디바이스 아일랜드 또는 다른 전자 모듈을 내부에 수용한다. 오목한 외주(1306)가 첫 3개의 컴파트먼트(1302~1304)를 둘러싸고, 그에 따라 오목한 갭들(1307~1309; 도 13c)이 4개의 컴파트먼트(1302~1305)를 분리한다. 평면 봉지 설계와 비교할 때(예컨대, 도 13c와 도 11d를 비교할 때), 컴파트먼트들(1302~1305) 사이 및 위의 초과 재료의 대부분이 제거된 것을 확인할 수 있다. 둥근 모서리들 및 챔퍼링된 가장자리들은 도시된 구현예에서 재료 비용을 추가로 감소시키는 데에 도움이 될 수 있다.
다른 주목할 만한 이점은, 와플 기하형상으로 인해, 설계자들이 변형을 바람직한 위치들에 국한시켜서, 와플 설계 FPCBA 하우징(1300)이 경험할 수 있는 변형을 제한할 수 있다는 것이다. 하우징의 대략 전체 폭에 걸쳐 연장되는 한편 종방향으로 이격되면서 횡방향으로 배향되는 세장형 컴파트먼트들을 제공함으로써, 예컨대 도 13a 내지 도 13c의 설계는 일반적으로 변형을 종방향 신장(즉, 주 중심축(AL)을 따른 하우징(1300)의 연신), 종방향 비틀림(즉, 주 중심축 주위의 비틀림), 및 횡방향 절곡(즉, 횡방향 중심축(AT) 주위의 굴곡)으로 제한한다. 모든 다른 유형의 변형이 제거된다는 것은 아니다; 오히려, 앞서 열거된 것들에 비해 다른 유형의 변형이 감소한다. 대안적인 구성들에서, 아치형 컴파트먼트들은 변형이 측방향 (단)축을 따른 신장 및 종방향 (장)축을 따른 절곡으로 제한되도록 재구성될 수 있다(예컨대, 재형상화, 재배향, 및/또는 재위치될 수 있다). 이러한 설계는 또한 조립체를 평면 성질로 복원하는 탄성력을 감소시킴으로써 사용자의 컨포멀 디바이스에 대한 인지를 감소시키는 데에 도움이 될 수 있다.
도시된 바와 같이, 와플 설계 FPCBA 하우징(1300)은 대략 66 ㎜의 길이(L), 가장 넓은 점에서 대략 34 ㎜의 장폭(W), 및 가장 좁은 점(예컨대, 도 3b의 중심)에서 대략 31 ㎜의 단폭(W)을 가진다. 와플 설계 FPCBA 하우징(1300)은 제4 컴파트먼트(1305)에 의해 정의되는 대략 3.14 ㎜의 제1 (최대) 두께(T1), 제1, 제2, 및 제3 컴파트먼트(1302~1304)에 의해 정의되는 대략 2.64 ㎜의 제2 (중간) 두께(T2), 및 요홈 외주(1306)에 의해 정의되는 대략 1.22 ㎜의 제3 (최소) 두께(T3)를 가진다. 적어도 일부 구현예들에 대해, 하우징(1300)은 인간의 신체에 정합될 정도로 충분히 부드럽고, 장기간에 걸친 지속적인 착용을 위해 편안하고, 생체적합성 및 저자극성이고, 및/또는 내부 전자 기기를 파괴하거나 손상시키지 않을 정도로 충분히 강한 재료로 제조되는 것이 바람직하다.
도 14는 하이브리드 사출 성형-적층 공정으로 컨포멀 전자 디바이스를 봉지하는 대표적인 방법(1400)을 개략적으로 도시한 흐름도이다. 앞서 나타낸 바와 같이, 적어도 일부 구현예들에 대해, 방법(1400)은 적어도 도 14에 열거된 단계들을 포함한다. 그럼에도, 방법(1400)은 도시된 단계들 중 일부를 생략하고, 추가 단계들을 포함시키고, 및/또는 제시된 순서를 수정할 수 있다. 블록(1401)에서, 방법(1400)은 예컨대 Bluestar SILBIONE® LSR4325로부터 액상 실리콘 수지(LSR) 상부 시트를 액상 사출 성형(LIM)하는 단계로 시작된다. 블록(1402)은 LSR 상부 시트(#1 LSR)를 검사하는 단계를 포함한다. LSR 상부 시트는 수동으로 또는 자동 샘플링을 통해 또는 IC 부품의 로봇 고속 외관 검사의 다른 주지의 또는 이후에 개발되는 방법에 의해 검사될 수 있다. 부분들의 이와 같은 검사는 제조사에 의한 공학 검토를 위해 개발되는 품질 승인 사양에 따라 이행될 수 있다.
일부 구현예들에 대해 바람직하지 않기 때문에 도 14에 파선으로 도시된 블록(1403)은 LSR 상부 시트의 결합면들을 이소프로필 알코올(IPA) 세정하는 단계를 포함한다. 적어도 블록(1403)이 포함되는 방법들에 대해, 예컨대 깨끗한 TEXWIPE® 상에 LSR 상부 시트를 놓되 결합측이 위를 향하게 하고, 이후 표면들에 걸쳐 자유롭게 IPA를 분사하되, 예컨대 무균실 다목적 4x4 면 TEXWIPE®를 사용하여 초과량을 제거한다. 이후, 트레이 상에 세정된 LSR 부분들을 놓고 예컨대 적어도 5분 동안 건조되게 한다. 다음으로, 블록(1404)에서, LSR 하부 시트의 결합면들을 O2 플라즈마 세정한다. 플라즈마 세정은 각각의 부분으로부터 적어도 10 ㎜ 최대 20 ㎜ 떨어져 O2 플라즈마 펜을 위치시키는 단계, 모든 표면들이 플라즈마를 향하는 것을 보장하도록 노력하면서 스위핑 모션(sweeping motion)으로 표면에 플라즈마를 도포하는 단계를 포함할 수 있다. LSR 부분들의 결합면들의 배치 플라즈마 세정은 자동 또는 수동일 수 있다.
세정 후, 블록(1405)에서, 조립체 픽스처에 LSR 상부 시트를 넣는다. 비제한적 예로, LSR 부품이 적절하게 중앙에 있고 알루미늄 조립체 픽스처와 동일 평면 상에 있도록 보장하면서 LSR 상부 시트(LSR #1)를 하부 조립체 픽스처에 넣는다. 이는 로봇 또는 작업자에 의해 다중-공동 조립체 픽스처에 LSR 상부 시트를 넣는 단계를 포함할 수 있다. 이후, 블록(1406)에서, 상부 시트 공동들에 제1 접착제 샷을 도포한다. 이는 LSR 부분(예컨대, 상부 시트 공동들)에 접착제(예컨대, DOW CORNING® 3140 실온 가황(RTV) 실리콘 접착제 코팅)를 도포하기 위해 공압 접착제 디스펜서를 사용하여 접착제(샷 #1)를 자동 또는 수동 도포하는 단계를 포함할 수 있다.
로트 페이퍼 트래블러(lot paper traveler)가 유입된 유연성 인쇄 회로 기판 조립체(FPCBA)를 받기 위해 시동되되, 유입된 FPCBA 기판은 LSR까지 운반되어 발포 삽입물 및 리드를 가진 트레이 내에 수용된다. 블록(1407)에서, 예컨대 모든 부분들이 절곡 또는 심한 손상 없이 운반되었고 수용되었다는 것을 보장하기 위해, 유입된 FPCBA를 수동으로 또는 자동 샘플링 디바이스를 통해 검사할 수 있다. 이는 모든 FPCBA 아일랜드들이 부적절하게 신장되거나, 압축되거나, 절곡됨 없이 대칭적으로 분리되는 것을 확인하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 구현예들에 대해 바람직하지 않기 때문에 도 14에 파선으로 도시된 블록(1408)은 FPCBA의 상하면들을 이소프로필 알코올(IPA) 세정하는 단계를 포함한다. 블록(1408)이 포함되는 적어도 일부 방법들에 대해, 깨끗한 TEXWIPE® 상에 FPCBA를 놓되 다이측이 위를 향하게 한다. 표면에 걸쳐 IPA를 분사하되, 예컨대 발포 브러시를 사용하여 초과량을 제거한다. 이후, FPCBA를 뒤집어, 이면 상에 IPA를 분사하되, 예컨대 4x4 TEXWIPE®를 사용하여 임의의 초과 IPA를 제거한다. 트레이 상에 세정된 FPCBA를 놓고 예컨대 적어도 5분 동안 건조되게 한다. 다음으로, 블록(1409)에서, FPCBA의 양 측면을 O2 플라즈마 세정한다. 예컨대 적어도 10 ㎜ 최대 20 ㎜ 떨어져 위치하는 O2 플라즈마 펜으로 FPCBA의 양 측면을 플라즈마 세정하는 단계는, 모든 표면들이 플라즈마에 노출되는 것을 보장하도록 노력하면서 스위핑 모션으로 표면에 플라즈마를 도포하는 단계를 포함한다. 이어서 FPCBA를 뒤집고, 이면에 대해 플라즈마 세정을 반복한다. FPCBA 표면들의 배치 플라즈마 세정은 자동 또는 수동일 수 있다.
블록(1410)에서, 조립체 픽스처에 세정된 FPCBA를 넣는다. 일 예에서, FPCBA가 적절하게 중앙에 있는 것을 보장하면서 상부 조립체 픽스처에 FPCBA를 기판면이 아래를 향하도록 넣는다. 자동으로 또는 작업자에 의해 다중-공동 조립체 픽스처 내의 접착제의 상부에 FPCBA를 놓는 것은 유효한 옵션이다. 접착제가 FPCBA와 LSR 상부 시트 사이의 가장자리에서 압출되기 시작할 때까지, 예컨대 면봉을 사용하여 약한 압력을 인가한다. 그 후, 블록(1411)에서, 조립체 픽스처에 제2 접착제 샷을 도포한다. 이는 FPCBA의 이면에 접착제(예컨대, DOW CORNING® 3140)를 도포하기 위해 공압 접착제 디스펜서를 사용하여 접착제(샷 #2)를 자동 또는 수동 도포하는 단계를 포함할 수 있다.
블록(1412)에서, 도 14의 방법(1400)은 예컨대 Bluestar SILBIONE® LSR4325로부터 액상 실리콘 수지(LSR) 하부 시트를 액상 사출 성형(LIM)하는 단계로 계속된다. 이는 LSR 상부 시트의 LIM(블록(1401))과 거의 동일한 방식으로 수행될 수 있다. 블록(1413)은 LSR 하부 시트(#2 LSR)를 검사하는 단계를 포함한다. 이러한 단계는 블록(1402)에 관하여 상기에 설명된 것과 동일하거나 유사한 방식으로 수행될 수 있다. 동일한 맥락에서, 블록(1414)에 나타낸 바와 같이, LSR 하부 시트의 결합면들을 이소프로필 알코올(IPA) 세정하는 단계를 선택적으로 수행할 수 있다. 이후, 블록(1415)에서, LSR 하부 시트의 결합면들을 O2 플라즈마 세정한다. 블록들(1414, 1415)에 각각 제시된 단계들을 수행하기 위해 블록들(1403, 1404)을 참조할 수 있다. 적절하게 세정되면, 블록(1416)에서, 조립체 픽스처에 LSR 하부 시트를 넣고 제자리에 잠금한다. 이는 로봇 또는 작업자에 의해 조립체 픽스처에 LSR 하부 시트를 넣는 단계를 포함할 수 있다. 이제 대향 LSR 부분들의 상보적인 포스트들 및 슬롯들과 같은 외부 LSR 결합 특징부들을 사용하여, FPCBA 조립체 상에 #2 LSR 부분을 놓는다. 모든 포스트들 및 홀들이 적절하게 결합되는 것을 보장하면서 포스트들을 제자리에 밀어 넣는다.
블록(1417)에서, 롤 라미네이터를 통해 다중-공동 조립체 픽스처를 공급하거나, 당기거나, 달리 이송한다. 방법(1400)의 이 부분을 위해 조립체 픽스처에 걸쳐 선택적인 보호 적층 시트를 놓을 수 있다. 블록(1417)은 롤러가 원하는/기결정된 높이로 설정되는 것을 보장하기 위해 대향 측면들 상의 롤러 높이를 조절하는 단계를 포함할 수 있다. 적층 공정을 개시하기 전에, 롤러 속도를 느린 속도 또는 가장 느린 유효 속도로 설정할 수 있다. 단일 패스 동안 또는 다중 패스 동안 조립체 픽스처가 롤 라미네이터를 통과하게 할 수 있다. 전적으로 또는 부분적으로 자동화될 수 있는 대표적인 다중-패스 시나리오를 위해, 제1 런을 개시하되, 예컨대 픽스처를 제1 배향으로 롤러들을 통해 공급한다. 제2 런을 위해, 픽스처를 재위치시킨 후, 다시 롤러들을 통해 공급한다. 제2 런 전에, 롤러 높이를 재조정할 수 있다. 제2 런과 마찬가지로, 먼저 롤러 높이를 재위치시켜 조이고, 픽스처를 재위치시킨 후, 픽스처를 롤러들을 통해 공급함으로써 제3 런을 수행할 수 있다. 필요 시 또는 요청 시 하나 이상의 추가 패스를 수행할 수 있다.
도 14의 방법(1400)은 조립된 스택을 픽스처로부터 분리하고 경화되도록 내버려두는 블록(1418)으로 계속된다. 이는 조립된 스택으로부터 적층 시트를 박리하거나 달리 분리하는 단계, 및 경화 트레이 상에 조립된 스택을 놓는 단계를 포함할 수 있다. 초과 접착제가 존재하는 경우(예컨대, 스택의 이면 상으로 압출됨), 임의의 범람한 접착제를 잘라내어 조립된 스택으로부터 제거할 수 있다. 이후, 지정된 건조 트레이 상에 조립된 부분을 천천히 놓고, 예컨대 적어도 대략 24시간 동안 선반 상에 남겨둔다. 이후, 블록(1419)은 블록(1420)에서의 최종 검사와 함께 다이 커팅을 요구한다.
몰드들 중 하나 이상은 범람 채널을 구비할 수 있고, 그에 따라 적층 중에 초과 접착제가 기능성 부분의 공동을 지나 외주 상의 조각 영역 내로 "압출되거나" 달리 흐를 수 있고, 이는 조립 및 경화 후에 절단/제거될 수 있다. 이러한 범람 채널은 프레스에 삽입되기 전에 몰드에 추가되는 접착제의 양이 극도로 정밀해야 할 필요성을 감소시키는 데에 도움이 된다. 더 낮은 계수의 글루가 액상 실리콘 고무(LSR) 및 전자 부품 사이의 버퍼 역할을 할 수 있다는 것이 밝혀졌다. 또한, 층상 계수 구조가 디바이스의 신뢰성, 변형성, 및 감촉에 영향을 미치는 것이 밝혀졌다. 기판을 고정하고 조립 중에 및 후에 기판이 완화/응력 중립 상태에 있다는 것을 확실히 하기 위해, 성형된 실리콘 내의 특징부들이 제공될 수 있다.
다양한 발명의 구현예들이 본원에 설명되고 도시되었지만, 당업자들은 기능을 수행하고/수행하거나 결과 및/또는 본원에 설명된 이점들 중 하나 이상을 획득하기 위한 다양한 다른 수단들 및/또는 구조들을 쉽게 구상할 것이고, 각각의 이와 같은 변경 및/또는 수정은 본원에 설명된 발명의 구현예들의 범주 내에 있는 것으로 간주된다. 보다 일반적으로, 당업자들은 본원에 설명된 모든 파라미터들, 치수들, 재료들, 및 구성들이 예로서 의도된 것이며, 실제 파라미터들, 치수들, 재료들, 및/또는 구성들이 발명의 교시가 사용되는 특정 응용 또는 응용들에 따라 좌우될 것이라는 점을 쉽게 이해할 것이다. 당업자들은 단지 일상적인 실험을 사용하여, 본원에 설명된 특정한 발명의 구현예들에 대한 많은 등가물들을 인식하거나 확인할 수 있을 것이다. 그러므로, 전술한 구현예들은 단지 예로서 제시된 것이며, 발명의 구현예들은 구체적으로 설명된 바와 달리 실시될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 본 개시의 발명의 구현예들은 본원에 설명된 각각의 개별적인 특징, 시스템, 물품, 재료, 키트, 및/또는 방법에 관한 것이다. 또한, 2개 이상의 이와 같은 특징, 시스템, 물품, 재료, 키트, 및/또는 방법의 임의의 조합은, 이러한 특징, 시스템, 물품, 재료, 키트, 및/또는 방법이 서로 상반되지 않는 한, 본 개시의 발명의 범주 내에 포함된다.
본 발명의 전술한 구현예들은 다수의 방식들 중 임의의 것으로 구현될 수 있다. 예컨대, 일부 구현예들은 하드웨어, 소프트웨어, 또는 이들의 조합을 사용하여 구현될 수 있다. 일 구현예의 임의의 양태가 적어도 부분적으로 소프트웨어에 구현될 때, 소프트웨어 코드는 단일 디바이스 또는 컴퓨터에 제공되든지 다수의 디바이스/컴퓨터 사이에 분배되든지 간에, 임의의 적절한 프로세서 또는 일 군의 프로세서들 상에서 실행될 수 있다. 또한, 본원에 설명된 기술은 하나의 방법으로서 구현될 수 있고, 이들 중 적어도 하나의 예가 제공되었다. 방법의 일부로서 수행되는 행위들은 임의의 적절한 방식으로 순서화될 수 있다. 따라서, 행위들이 예시된 것과 상이한 순서로 수행되는 구현예들이 구성될 수 있고, 이는 일부 행위들이 예시적인 구현예들에 순차적인 행위들로서 도시되었음에도, 이들을 동시에 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
따라서, 본 개시의 특정 구현예들 및 응용들이 도시되었고 설명되었지만, 본 개시는 본원에 개시된 정확한 구성 및 조성에 제한되지 않으며, 첨부된 청구범위에 정의된 바와 같은 본 발명의 정신 및 범주를 벗어남 없이, 다양한 수정들, 변경들, 및 변형들이 전술한 설명으로부터 명확해질 수 있다는 것을 이해해야 한다.

Claims (29)

  1. 유연성 기판;
    상기 유연성 기판에 부착되는 전자 회로; 및
    상기 유연성 기판에 부착되는 유연성 폴리머 봉지층으로, 상기 유연성 기판과 상기 봉지층 사이에 상기 전자 회로를 수용하는 유연성 폴리머 봉지층을 포함하는, 컨포멀 집적 회로(IC) 디바이스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 봉지층은 신축성 및 절곡성의 비전도성 재료를 포함하는, 컨포멀 IC 디바이스.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 봉지층은 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 실리콘, 또는 폴리우레탄, 또는 이들의 임의의 조합으로 제조되는, 컨포멀 IC 디바이스.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 봉지층은 상기 전자 회로를 기밀하게 밀봉하도록 구성되는, 컨포멀 IC 디바이스.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 봉지층은 자외선(UV) 경화성 실리콘으로 제조되는, 컨포멀 IC 디바이스.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 유연성 기판은 신축성 및 절곡성의 비전도성 폴리머 재료를 포함하는, 컨포멀 IC 디바이스.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 유연성 기판은 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 실리콘, 또는 폴리우레탄, 또는 이들의 임의의 조합으로 제조되는, 컨포멀 IC 디바이스.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전자 회로는 적어도 하나의 감지 디바이스 및 적어도 하나의 제어 디바이스를 구비한 집적 회로 센서 시스템을 포함하는, 컨포멀 IC 디바이스.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 전자 회로는 복수의 신축성 전기 배선을 통해 전기적으로 및 물리적으로 연결되는 다수의 이격된 디바이스 아일랜드를 포함하는, 컨포멀 IC 디바이스.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 봉지층은 액상 실리콘 접착제 코팅을 통해 상기 유연성 기판에 접착되는, 컨포멀 IC 디바이스.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 봉지층은 상기 전자 회로의 기능성 부품에 대한 중성 역학면의 위치를 조절함으로써 상기 컨포멀 IC 디바이스의 기결정된 부분 상에서 응력 또는 스트레인 또는 둘 다의 변조를 용이하게 하도록 구성되는, 컨포멀 IC 디바이스.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 봉지층 및 상기 기판은 모두 약 200% 내지 약 800%의 범위의 연신율을 가지는, 컨포멀 IC 디바이스.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 봉지층 및 상기 기판은 약 1.0 ㎜ 내지 약 2.0 ㎜의 범위의 전체 두께(collective thickness)를 가지는, 컨포멀 IC 디바이스.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 유연성 폴리머 봉지층 위에 배치되는 일련의 유연성 폴리머 봉지층을 추가로 포함하는, 컨포멀 IC 디바이스.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 기판 상에 배치되는 베이스 플레이트, 및 상기 베이스 플레이트 상에 배치되는 전기 접점을 추가로 포함하고, 상기 전자 회로는 상기 전기 접점에 부착되는, 컨포멀 IC 디바이스.
  16. 세장형 유연성 폴리머 기판;
    상기 유연성 폴리머 기판에 부착되는 디바이스 아일랜드로서 구성되는 복수의 표면-실장 기술(SMT) 부품;
    상기 SMT 부품들을 전기적으로 연결하는 복수의 신축성 배선; 및
    상기 유연성 폴리머 기판에 부착되는 유연성 폴리머 봉지층으로, 상기 유연성 기판과 상기 봉지층 사이에 상기 SMT 부품들 및 상기 신축성 배선들을 수용하는 유연성 폴리머 봉지층을 포함하는, 컨포멀 전자 디바이스.
  17. 컨포멀 전자 디바이스를 봉지하는 방법에 있어서,
    제1 실리콘 시트를 마련하는 단계;
    제2 실리콘 시트를 마련하는 단계;
    조립체 픽스처에 상기 제1 실리콘 시트를 넣는 단계;
    상기 제1 실리콘 시트 상에 제1 접착제 샷을 도포하는 단계;
    상기 조립체 픽스처 내의 상기 제1 접착제 샷 위에 유연성 인쇄 회로 기판 조립체(FPCBA)를 놓는 단계;
    상기 유연성 인쇄 회로 기판 조립체 상에 제2 접착제 샷을 도포하는 단계;
    상기 조립체 픽스처 내의 상기 제2 접착제 샷 위에 상기 제2 실리콘 시트를 놓아서 스택을 형성하는 단계; 및
    롤 라미네이터를 통해 상기 제1 및 제2 실리콘 시트와 상기 유연성 인쇄 회로 기판 조립체를 구비한 조립체 픽스처를 이송하는 단계를 포함하는, 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제2 접착제 샷 위에 상기 제2 실리콘 시트를 놓기 전에 상기 제1 및 제2 실리콘 시트의 결합면들을 세정하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 결합면들을 세정하기 전에 상기 제1 및 제2 실리콘 시트를 검사하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 실리콘 시트를 마련하는 단계는 액상 실리콘 수지로부터 상기 시트들을 액상 사출 성형하는 단계를 포함하는, 방법.
  21. 제17항에 있어서,
    상기 제1 접착제 샷 위에 상기 FPCBA를 놓기 전에 상기 유연성 인쇄 회로 기판 조립체의 양 측면을 세정하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 FPCBA의 양 측면을 세정하기 전에 상기 FPCBA를 검사하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  23. 제17항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 실리콘 시트는 상기 실리콘 시트들이 상기 조립체 픽스처 내에 적절하게 정렬되는 것을 보장하도록 구성되는 상보적인 결합 특징부들을 포함하는, 방법.
  24. 제17항에 있어서,
    상기 롤 라미네이터를 통해 상기 조립체 픽스처를 이송하기 전에 상기 조립체 픽스처에 걸쳐 보호용 적층 시트를 놓는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  25. 제17항에 있어서,
    상기 롤 라미네이터를 통해 상기 조립체 픽스처를 이송하는 단계는 다중 패스 동안 상기 롤 라미네이터를 통해 상기 조립체 픽스처를 공급하는 단계를 포함하는, 방법.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 조립체 픽스처는 상기 롤 라미네이터를 통한 각각의 패스의 고유의 배향으로 놓이는, 방법.
  27. 제25항에 있어서,
    상기 롤 라미네이터의 롤러 높이는 상기 롤 라미네이터를 통한 각각의 패스에 대해 변화되는, 방법.
  28. 제17항에 있어서
    상기 롤 라미네이터로부터 상기 조립체 픽스처를 분리하고 상기 제1 및 제2 접착제 샷을 경화되게 하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  29. 제28항에 있어서,
    상기 경화된 스택으로부터 복수의 봉지형 컨포멀 전자 디바이스를 다이 커팅하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
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