阅读说明：本技术 3d可挠曲的印刷电路板具有冗余互连 (3D flexible printed circuit board with redundant interconnects ) 是由 R.K.威廉斯 F-H.林 于 2016-10-21 设计创作，主要内容包括：软硬结合印刷电路板包括由软性印刷电路板与硬性印刷电路板的“岛”阵列互连,形成软性连接器。软性印刷电路板的导电层和绝缘层延伸到硬性印刷电路板中,从而与硬性印刷电路板的电连接增加了抗断裂性能,因为刚软性印刷电路板通过弯曲和扭转力反复受到应力。此外,通过使电源和信号线驱动硬性印刷电路板成为冗余,从而增强了软硬结合印刷电路板的耐用性,从而使线路断裂并不一定会影响其所连接的硬性印刷电路板的操作。软硬结合印刷电路板特别适用于光疗中使用的光疗衬垫,其中安装在硬性印刷电路板上的LED通过软性印刷电路板中的冗余线供电和控制。(The rigid-flex printed circuit board includes a flexible connector formed by interconnection of a "island" array of rigid printed circuit boards with a flexible printed circuit board. The conductive layer and the insulating layer of the flexible printed circuit board extend into the rigid printed circuit board, so that the electrical connection with the rigid printed circuit board increases the fracture resistance because the rigid printed circuit board is repeatedly stressed by bending and twisting force. In addition, the power supply and the signal wire drive the rigid printed circuit board to be redundant, so that the durability of the rigid printed circuit board is enhanced, and the operation of the rigid printed circuit board connected with the rigid printed circuit board is not influenced by the broken circuit. Rigid-flex printed circuit boards are particularly useful as phototherapy pads for use in phototherapy, where the LEDs mounted on the rigid printed circuit board are powered and controlled by redundant wires in the flexible printed circuit board.)

3D可挠曲的印刷电路板具有冗余互连

本申请为申请号为201680075262.1，申请日为2016年10月21日，题为“3D可挠曲的印刷电路板具有冗余互连”的专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及使用包括设计用于其制造和应用的方法和装置其中可挠曲的具有低故障率的印刷电路板。

背景技术

印刷电路板(PCB)包括一层或多层导体，通常为铜，将电子元件物理安装在其上，藉由绝缘层诸如玻璃，环氧树脂或聚酰亚胺等来隔离，作为电子电路提供机械支撑。通过组件的引线焊接到印刷电路板的导电线路，电子器件如集成电路，晶体管，二极管，电阻器，电容器，电感器和变压器相互电连接，以形成电子电路。印刷电路板的应用包括几乎所有类型的电子产品，其包括手机，相机，锂离子电池，平板计电脑，笔记型电脑，桌上型电脑，伺服器，网络设备，无线电设备，消费电子设备，电视机，机顶盒，工业电子，汽车电子，航空电子设备的，等更多。图1展示了各种印刷电路板的实例，反映了它们在配合，形式和功能方面的多样性。在医疗，体育和精选消费电子设备中，印刷电路板也可能用于“可穿戴”电子设备，这些设备需要符合人体曲面。

在电子学中，印刷电路板是双重角色的，一方面是机械的，通过作为元件基板提供对电子元件的支持，无论是安装在印刷电路板的顶部还是在印刷电路板的顶部和底部，其次是电气，提供这些元件和电连接器之间的多层互连。与集成电路不同，在集成电路中，矽基板同时用作机械支撑和用于制造和形成元件集成半导体器件的材料，印刷电路板基板是“被动”作用仅作为绝缘体。如图2所示，绝缘印刷电路板基板(也称为基板层压板)可以是硬性的，软性的或软硬结合的。硬性印刷电路板10包括所有部件和连接器附接到的非软性基板。相反，软性印刷电路板11包括软性电路板，组件和连接器附接到该软性电路板。软硬结合印刷电路板将硬性印刷电路板部分12和软性印刷电路板部分13组合在一起形成一个印刷电路板。元件和连接器可根据需要安装在硬性或软性部分上。每种类型的印刷电路板都提供了具体的优点和缺点，如以下各节所述。线上讨论硬性，软性和软硬结合印刷电路板的一般概述在https://en.wikipedia.org/wiki/flexible_electronics。

硬性印刷电路板-硬性印刷电路板是受到机械应力时不会弯曲，变形或挠曲的印刷电路板。硬性印刷电路板技术是迄今为止最流行的印刷电路板技术，常用于包括手机，平板电脑，电脑，电视甚至厨房电器在内的任何平板或外壳包装产品。硬性印刷电路板的一个优点是基板吸收机械应力，从而抑制组件及其焊点的损坏。硬性印刷电路板的一个缺点是它们本身是平面的，不能弯曲以适应曲面。因此，对于可挠曲或可穿戴应用来说，它们不是一个好的解决方案。(注：如本文所用，术语“硬性”不是绝对意义上的使用，而是意味着所讨论的物体(通常为印刷电路板)在受到弯曲力时不会显著或永久弯曲，并且将返回到其原始形状，特别是应用于印刷电路板的术语“硬性”在相对意义上用于表示印刷电路板比硬性印刷电路板连接到的软性印刷电路板更具硬性。)

硬性印刷电路板基底通常包括酚醛树脂，聚酰亚胺，塑料或其他硬的非导电材料。在硬性印刷电路板制造中使用的一种常见的材料是FR4，为“阻燃”的物质，包括编织的玻璃纤维布预浸渍有环氧树脂的缩写。这种基材也可以被称为“预浸料”片材，预浸渍粘合片材的缩写。在称为“层压”的制造过程中，铜箔片被涂覆，即“层压”到预浸料片上。在制造过程中，压力和热量的结合激活了预浸片中的环氧树脂，使其在箔和预浸片之间保形地流动，将它们粘合在一起。在此上下文中，术语层压板意味着通过粘合或其他手段将材料层结合成可以是硬性或软性的平板或夹层。该过程可以重复多次以创建多层印刷电路板。在文献中线描述了众所周知的层压印刷电路板制造工艺的更详细描述，如:http://www.4pcb.com/media/presentation-how-to-build-pcb.pdf。

为了实现电气互连，硬性印刷电路板的范围从仅具有一个导电层的单层印刷电路板到包含实现复杂系统所需的四个，六个或什至十个铜箔“导电层”的多层三明治。在“单层”印刷电路板中，铜层仅在绝缘基板的一侧进行层压或电镀，所有元件都安装在印刷电路板的同一侧。在“双层”印刷电路板中，相同的基础绝缘层压板两面都镀铜，电子元件可以安装在印刷电路板的任一面或两面。多层印刷电路板包括两层以上的铜箔，它们被覆盖在中间绝缘材料层上以形成多层夹层。层数指的是印刷电路板中导电铜层的数量，例如，“四层”印刷电路板具有四个铜层，三个中间绝缘层一起包括七层的夹层夹层。外部铜层也可以涂覆有保护层以防刮擦和腐蚀，但是这样的保护层不被认为是层压过程的一部分。

取决于其预期的应用，铜的厚度随着在印刷电路板中形成每个导电层所需的铜量而变化。为了方便起见，印刷电路板行业通常根据其“重量”描述层压铜厚度，其中层厚度与该重量成线性比例，而不是通过其精确的层厚来描述每一层。由于历史原因，印刷电路板行业白话指的是以1平方英尺为单位测量到英制单位盎司的铜重量。例如，一块0.5盎司铜的印刷电路板，具有 0.7密耳或17.5μm的铜厚度；1.0盎司铜的印刷电路板，具有1.4密耳或35.0μm的铜厚度；2盎司铜的的印刷电路板，具有2.8密耳或70μm的铜厚度，等等。

由20盎司到30盎司产生的极端铜厚度可用于高电流和电力电子。厚铜变得非常刚硬，并且由于不同材料的TCE差异，即不同材料的温度膨胀系数的差异而导致铜和印刷电路板之间产生高应力。极端压力会导致印刷电路板中的各种故障模式，包括电路板开裂，导电层分层和焊点开裂。

在印刷电路板制造中，通常通过“显影蚀刻”工艺将铜层图案化以形成电路。图案化逐层地进行，开始于在绝缘基板的整个平坦表面上包覆均匀的未图案化的铜层压板。在显影蚀刻法中，首先用被称为“光阻剂”的光敏乳剂涂覆待图案化的铜层，所述光敏乳剂通常使用热和压力施加在“干膜”片中。为了将图像转印到抗蚀剂上，使用光学面罩或“光罩”来控制干阻剂片材的哪些部分暴露于光下而哪些不曝光。首先使用市售的CAD软件创建光罩，产生定义光罩制造所需光罩图案的“Gerber文件”。将得到的光罩可以在相同大小的那些中包含的功能在印刷电路板上被定义，或者可以或进行光学放大向下使用已知为用于将投影光罩图像对齐到任何其他特征已经“光罩对准器”的光学仪器出现在印刷电路板上。

接下来，通过图案化光罩将光阻剂曝光，从而转印图像。光阻剂对短波长光(例如紫外光)的曝光敏感，但对较长波长的可见光(例如，诸如黄色或红色的颜色。在曝光光阻剂之后，抗蚀剂被“显影”，导致光阻剂在一些区域被洗掉并保留在其它区域，如光阻剂曝光部分所限定的那样，这些是光罩的阴影。在显影光阻剂之后，有机光阻剂层模仿它所暴露的光罩的图案，在一些区域覆盖铜金属而不在其他区域。

被光阻剂保护的金属部分和暴露于蚀刻的金属部分取决于是采用“正”还是“负”光阻剂。正和负光阻剂以相反或互补的方式对光进行反应。具体而言，对于正性光阻剂而言，任何暴露于光的光阻剂区域导致暴露的化学键断裂，在显影过程中洗掉光阻剂的该部分。由于在曝光区域中去除了光阻剂，所以仅在光罩特征的阴影中保留了光阻剂，这意味着剩余的光阻剂图案与光罩特征完全重叠，即暗区域被保护免受蚀刻。其他地方的金属将被蚀刻掉。

在负性光阻剂的情况下，任何暴露于光的光阻剂区域导致暴露的化学键在显影过程期间交联，不断裂，仅保留光阻剂的暴露部分，并洗去光罩阴影中的光阻剂。由于显影蚀刻胶仅保留在曝光区域，因此光罩中的所有黑色区域都会导致未受保护的金属被蚀刻掉。因此得到的印刷电路板特征完全相反，即光罩的负像。

因此光罩极性，即光罩的黑暗部分和清晰部分必须对应于在光罩操作中采用的任何显影蚀刻胶。曝光后，显影蚀刻胶在高温下被“硬烘烤”以强化其承受长时间暴露于酸蚀刻的能力。因为光阻剂包含有机化合物，所以对暴露于酸相对不敏感，特别是在硬烘烤之后。然后用酸对金属进行蚀刻，然后去除光罩。铜蚀刻通常采用纯净形式，用水稀释或混合过氧化氢或其他化合物的硝酸，硫酸或氢氟酸。也可以使用氯化铁或氢氧化铵。各种铜蚀刻的组成可以在网上找到，例如在http://www.cleanroom.byu.edu/wet_etch.phtml。

必须重复使用每个铜层的显影蚀刻工艺。例如，在双面印刷电路板中，将铜互连层叠在中间绝缘体的两侧并使用显影蚀刻法，每一侧必须使用与特定电路层不同的不同光罩分别图案化。通过绝缘层的两侧的互连通过导电通路来促进。导电通孔是机械钻孔，衬有或填充有诸如电镀金属的导体金属。简单地通过重复层压，显影蚀刻图案化和通孔形成的过程，双层印刷电路板的概念可以扩展到3、4、6或8层印刷电路板。导电通孔可以互连任何两个导电层，或者完全穿过印刷电路板的每一层。

虽然整个电子系统可以集成到单个硬性印刷电路板上，但在许多情况下，由此产生的印刷电路板太大或形状不正确以适应可用空间。在这种情况下，必须将系统分成两个或两个以上印刷电路板，在印刷电路板之间采用电线或电缆，以促进各种组成印刷电路板的电气互连。例如，图3示出了需要许多硬性印刷电路板21的应用，其容纳在软性聚合物衬垫22中以形成装置20， LED光療衬垫用于医学光疗应用中并且被设计成沿一个方向弯曲以符合各种身体形状，例如手臂，腿等。

如图所示，硬性印刷电路板21通过带状电缆27和相关的带状电缆连接器28彼此互连。使用插头和插座型带状电缆连接器，理想情况下，板间连接的电性能与两个组件之间的板上连接安装并连接在一个普通的印刷电路板上。但实际上，板对板引线会引入寄生电阻，电容和电感，这些寄生电阻，电容和电感可能会使敏感模拟信号失真，干扰射频(RF)通信，发射电磁干扰(EMI)以及限制数据通信和时钟率低频率操作。这些寄生元件也会对功率分配产生不利影响并影响电压调节精度或稳定性。而且，由于软性护衬垫位于患者身体的各个位置，因此产品的正常使用会使电缆反复移动，扭转和拉动。

重复运动将机械应力施加在导线和印刷电路板线路之间的焊接点上，最终导致例如在将分立导线24连接到硬性印刷电路板21上并且需要连接硬性印刷电路板21的焊接点上的断开的导线或破裂的焊点印刷电路板21连接到电缆23。为了减小电线和印刷电路板之间的焊点上的应力，应变消除部26 和增加的支撑部25已被包括以防止在使用设备20期间由于拉线而造成损坏。尽管有这些预防措施，经受反复挠曲，弯曲和拉丝表现出较差的长期生存能力并遭受频繁的可靠性故障。

如图4B所示，印刷电路板互连故障的例子包括图4A中所示的损耗导线35和断线36以及导电线路升高40，裂纹焊料41和裂纹焊点42。图4C 所示的制造过程中焊接点的自然变化会进一步加剧这些连接故障，包括焊料润湿不良43，45和46；冷焊点44以及控制不良的焊点体积47和48。结果，这些有缺陷或弱焊点比不良焊点50具有不成比例的较高的故障率，特别是当受到拉线时。

用插头和连接器代替分立导线可以减少焊点失效的发生率，但是引入了几种新的故障模式，包括从图5A所示的连接器故障53和54中的插头拔出导线。消除使用单独导线的替代互连方法采用如图5B所示的由插头和插座连接端接的多导体带状电缆。

在这样的解决方案中，插座5A和5B直接焊接到印刷电路板上，并且插头58A和58B机械和电连接到带状电缆57。为了携带所需的电流，可能需要多于一个的导体用于电源连接，例如接地或+V(功率)，如图5B所示。在制造中，连接器插座与其他组件同时连接到印刷电路板上，通常使用表面贴装技术(SMT)生产线将所有组件同时焊接到印刷电路板上。将插头连接到带状电缆通常不会使用焊料，而是采用机械技术，迫使金属刀片穿透带状电缆的导线绝缘层，将电缆中的每根导线连接到其自身专用插头中。在最终组装期间，将插头推入插座以完成连接。

在反复移动和弯曲的应用中，插头和插座连接会遭受多种故障模式- 最常见的故障包括插头从插座松脱并且不再使插头引脚和插座导线之间可靠连接的情况。利用一个夹紧插座-一个使用张力的插座或一个弹簧夹将插头牢固地固定到位，可以很大程度上避免插座断开故障。不幸的是，夹紧插座消除了一种故障模式，但在电缆中引入了新的故障模式。具体而言，如果插头牢牢固定就位，在移动，扭转或拉动时，带状电缆和插头之间的连接将失败。

无论反复移动或弯曲是否导致拔出连接器或断开电缆，印刷电路板之间的互连都将失败并导致开路。在包含大量硬性印刷电路板的系统中，例如在用于覆盖大面积的一系列印刷电路板中，互连的数量进一步加剧了每个连接器在统计上增加系统故障概率的问题。

虽然带状电缆及其相关插头和连接器的使用降低了由于有线连接故障 (如拉线或焊点开裂)导致系统故障的风险，但带状电缆仍然会受到单点系统故障的影响，即单线断路导致部分或全部系统故障。例如，如果控制线断开，系统将无法接收命令。在需要两根导线来承载所需电流的情况下，任一导线的断裂都会导致单根导线承载过多的电流，导致过度的电压下降，过热，瞬时导线熔断或离子迁移失效。

确保印刷电路板连接可靠性在受到反复弯曲循环的应用中尤其成问题。例如，在如图6所示的医学光疗中使用的可挠曲聚合物衬垫73中，集成电路包括具有集成电路71和LED 72的印刷电路板70，其中组件被容纳在硬性塑料封装中。在光治疗处理期间，来自LED72的可见光75的红外线和 (选择波长)穿过穿透组织76的透明卫生屏障77。为确保组织76的一致穿透深度，聚合物衬垫73和软性印刷电路板70必须弯曲以匹配身体部位被治疗。

每个软性聚合物衬垫是包括图7A所示的一组三个衬垫80a，80b和80c 的较大系统的一部分。焊盘80a通过插头81和具有应变消除和电缆连接83 的电缆82连接到电子驱动器电路(未示出)，并通过连接器电缆85a和85b 以及插座84连接到焊盘80b和80c。焊盘连接到粘合在Velcro带子88上通过来自Velcro带87的压力弯曲成形。图7B示出了在医疗应用90中处理膝盖和腿91以及在马术兽医应用95中处理腿96时在实际使用中产生的弯曲。在这种情况下，软性聚合物衬垫80a，80b和80c以及它们的部件连同维可牢尼龙搭扣带88在每次将衬垫重新施加到新患者或治疗区域时都在重复弯曲循环的治疗期间经历显著的弯曲应力和变形。

在使用硬性印刷电路板的情况下，如图8A所示的印刷电路板变形对变形的损害可以包括印刷电路板100中破裂的印刷电路板涂层101或破裂的基底103和印刷电路板102中的断裂线路104。另一种失效模式是导电通孔105 如图8B所示。尽管水平发纹106的尺寸较小，但通孔105是开路的。为了避免硬性印刷电路板断裂，可以使用软性印刷电路板来实现接下来描述的软性电路。

软性印刷电路板-实现包括一系列相互连接的硬性印刷电路板的系统的另一种解决方案是使用如图9所示的软性印刷电路板。与硬性印刷电路板相比，软性印刷电路板是扭矩弯曲，弯曲或扭转的印刷电路板。软性印刷电路板在三个轴上弯曲，根据其应用提供二维或全三维运动。软性印刷电路板通常用作带状电缆连接器的替代品，或用于取代受限空间内的硬性印刷电路板和紧密装配的电子设备。采用软性印刷电路板作为互连的应用包括喷墨打印机，翻盖式手机，计算机键盘和其他移动装置，例如硬盘驱动器数据存储器中的移动臂。

大多数软性印刷电路板仅包含用于互连的元件电路。在某些情况下，软性印刷电路板还可能包括安装在软性印刷电路板一面或两面的组件，主要用于安装到汽车，工业和医疗设备模块等小型外壳中。带附件的软性印刷电路板也被称为软性电路。软性印刷电路板通常比硬性印刷电路板使用更薄的铜层和更薄的绝缘基板。基材可能涉及聚酯，丝绸，聚酰亚胺，半结晶热塑性塑料(也称为PEEK聚合物)或软性塑料和聚合物材料。像硬性印刷电路板一样，软性印刷电路板可以包括通常具有导电通孔的单层，双层或多层结构。

软性印刷电路板的构造取决于其预期用途。纯粹作为“软性连接器”操作的软性印刷电路板通常包括一至四层，并且不包含安装在软性印刷电路板表面两侧的任何部件。在使用中，这种基于软性的连接器可以“频繁”挠曲，即以规则的间隔在弯曲(弯曲)和非弯曲(直线)状态之间交替地重复；偶尔弯曲“在弯曲状态和非弯曲状态之间很少变化，并且”很少“弯曲，这意味着印刷电路板的形状在制造期间弯曲到位并且此后保持不变。在本申请的上下文中，术语“弯曲”并不意味着仅仅处于弯曲状态，但在举重的比喻中意味着重复地处于笔直状态和弯曲状态之间交替，一般以交替重复的周期。

挠曲频繁应用的一个常见例子包括软性连接器连接到喷墨打印机中的打印头上。软性偶尔使用的应用包括软性连接器，将笔记本电脑的显示器安装在铰接上盖中，将其连接到装有键盘和主板印刷电路板的计算机主体上。在这个例子中，每个挠曲周期偶尔重复，即每次笔记本电脑打开然后再次关闭。

相比之下，软性印刷电路板的软性不经常应用，无论是用于实现软性印刷电路板连接器还是用于软性电路，都最适合作为制造工艺的一部分适应小型，挠曲或奇怪形状外壳的能力，并且不打算用于用于反复挠曲循环的应用中。极少挠曲的印刷电路板的应用包括软性连接器在条型手机或数字照相机中，其中挠曲仅经常发生，即当设备被制造或修理时。图9示出了软性印刷电路板在软性电路中的使用的若干示例，包括软性印刷电路板112，其具有安装在印刷电路板顶部的许多IC和元件，如插图111所示。软性电路的另一示例集成了包括微控制器湿度传感器以及使用印刷电路板导电线路作为天线113。

作为软性电路工作的软性印刷电路板通常包括2至6层，并且包含安装在软性印刷电路板的一侧或可能两侧的部件。如上所述，由于软性印刷电路板和安装在其上的硬性组件之间的不匹配，软性印刷电路板被限制于“很少挠曲”的应用。软性电路，即具有安装部件的软性印刷电路板在具有反复挠曲循环，损坏和破损的应用中存在问题，因为即使印刷电路板确实部件本身也不挠曲。在图10A中示出了组件安装失败的示例，其中安装在印刷电路板 115上的LED包括将LED连接到印刷电路板线路的电焊接点116。显示通过焊料123附接到印刷电路板的铜引线框架121的横截面显微照片120Z清楚地显示经受反复挠曲和变形的焊料裂缝122Z。

如图10B所示，取决于挠曲应力的程度和挠曲循环的频率，裂纹的大小变化很大。例如，与横截面120A(其中焊料123没有表现出开裂)相反，横截面120B表现出裂纹122B，损坏焊料与引线框架121的连接宽度的约20 ％。通过使印刷电路板承受更大的应力或额外的挠曲循环，的裂缝会变大。例如，横截面120C中的裂纹122C表示对焊点的33％以上的损伤，横截面 120D中的裂纹122D表示大约50％的裂纹损伤，并且横截面120E中的裂纹 122E表示裂纹70的长度的70％焊接触点到印刷电路板。在横截面120F所示的极端情况下，裂缝122F完全延伸穿过焊接触点，引线框架121的引线完全将引线与印刷电路板分离，导致电路断开。

在安装诸如电阻器和电容器之类的被动元件的焊点上也会发生裂纹。例如在图10C中，横截面125示出了在通过焊料123重复地施加与印刷电路板连接的部件126之后，显示出焊料裂纹122X的横截面。在横截面130所示的极端情况下，软性印刷电路板132和导电线路133导致塑料封装131的破裂134。来自反复挠曲的其它潜在缺陷包括截面135所示的鸥翼有引脚封装138的弯曲引线137的开裂138以及在图10D中以剖面图140示意性地示出的将BGA或芯片级封装141连接至印刷电路板146的印刷电路板线路 142的焊球143的焊球破裂144。

硬性印刷电路板和软性印刷电路板的组合因为需要两者之间的连接，进一步加剧了这个问题。这种连接受到与前述带状电缆相同的插座故障。

软硬结合印刷电路板-软性印刷电路板的另一种变体，软硬结合印刷电路板是将软性和硬性印刷电路板层压到单个印刷电路板中的混合体，软性部分在大硬性印刷电路板之间提供互连。图11A和图11B展示了软硬结合结合印刷电路板的例子。如图所示，***式软性印刷电路板将一个硬性印刷电路板连接到另一个硬性印刷电路板。例如，笔记本电脑主板使用软性印刷电路板作为笔记本电脑铰接显示模块的互连。

如今所使用的，软硬结合电路板的主要优点是不需要插头和插座来促进硬性印制电路板之间的电连接。每个软性印刷电路板都以与任何多层印刷电路板相同的方式合并到硬性印刷电路板中。通过使用多层通孔连接来实现与软性印刷电路板的互连，根据需要使硬性印刷电路板层短路以软性印刷电路板层。主要缺点是由于硬性层和软性层之间的机械性能不匹配，所以很容易通过垂直于印刷电路板在棒状互连区域附近产生的平面施加任何力来撕裂软性印刷电路板，如图12A的图170之z方向上所示，其中硬性印刷电路板 171沿横截面173中的薄条延伸至共享交叉点连接到软性印刷电路板173。任何实质性力可能导致软性印刷电路板173在硬性印刷电路板附近撕裂。

图12B中的软性印刷电路板的示意图和照片说明了这种独特的软硬结合印刷电路板故障模式。如图所示，在反复弯曲之后，将硬性印刷电路板181 连接到硬性印刷电路板182的软性印刷电路板183失效，导致邻近硬性印刷电路板181之撕裂的软性印刷电路板184。

多印刷电路板系统故障-在多印刷电路板电子系统中使用硬性，软性和软硬结合印刷电路板或其组合可以使电子设备符合任意形状，极大地扩展了电子设备的应用范围。例如，通过3D折叠，印刷电路板可以被挤压到封装中，否则太小以至于不能容纳所需的印刷电路板表面区域。通过符合曲面，印刷电路板可以安装在电机外壳，手表外壳，小型监控摄像机等等。通过调整以更好地适应人体轮廓，用于运动应用的可穿戴电子设备以及用于医疗应用的监视器和治疗设备可以得益于提高的传感器准确度和改进的治疗功效。

然而，从电子系统的角度来看，这样的分布式电路，即其中部分电路被实现在不同印刷电路板上的分布式电路遭受与各种部件之间的通信相关的大量系统可靠性风险。例如，图13A示出跨三个硬性印刷电路板190A，190B 和190C实现并通过软性印刷电路板191A和191B连接的分布式电子系统 189A，软性印刷电路板191A和191B包括用于电源193A，地193C和模拟或数字信号193B的连接192，如图所示插图扩大连接的放大倍数192。如图所示，每个硬性印刷电路板在整个系统中包含不同的电路或独特的功能。例如，印刷电路板190A集成电路1，印刷电路板190B集成电路2，电路3集成在印刷电路板190C上。电路1、2和3代表不同的功能，没有这些功能，系统将会使性能下降或导致灾难性的系统故障。在所示出的示例中，分布式系统或可穿戴电子设备中的软性印刷电路板191A和191B相对于互连的印刷电路板的尺寸可以表现出较大的尺寸，因此所需的互连加剧了故障风险。在这样的分布式系统中，软性印刷电路板191B的撕裂193可能不仅仅从系统的其余部分切断硬性印刷电路板190C，而且可能会导致整个系统发生故障或软件崩溃。这种分布式系统对单点故障非常敏感，并且几乎不提供对多个硬性印刷电路板之间互连的机械损坏的保护。

例如，在图13B所示的分布式电子系统189B中，软性印刷电路板中的撕裂194B导致承载功率的导体193A中的开路，导致临时或永久的功率中断，导致整个系统故障。相反，在图13B的分布式电子系统189C中，软性印刷电路板中的撕裂194C导致一个或多个承载控制信号193B的导体中的开路导致系统故障，影响正常操作并且取决于中断信号的功能，可能导致整个系统故障。

湿度和腐蚀失效-另一种可能导致即时或逐渐系统故障的物理机制是湿气引起的电气故障。如果印刷电路板浸入或受到任何导电或微导电的液体，可能会导致短路，从而损害或潜在地损坏电路或系统。流体的常见例子包括饮料，淡水和盐水。例如，在图14A的照片中，水损害导致局部缺陷197C， 197D和197E使电路短路并损害或禁用系统操作。在可穿戴电子产品中，电路和印刷电路板也可能遭受雨淋和身体出汗。汗水特别成问题，因为它含有盐和其他电解质使其更具导电性。连续暴露于咸水或酸性水可能会在印刷电路板顶部沉积盐或导致印刷电路板表面腐蚀，如印刷电路板表面197B和电引线和焊点197A的损坏所示。故障可能包括电气短路或由于腐蚀也可能导致电路断路。电子系统在流体，湿气或高湿度条件下的操作也可能导致导电锡丝的生长，如图14B中的照片197G所示，或者如197F所示损坏印刷电路板边缘连接器。

用保护层涂布软性印刷电路板是有问题的，因为涂层总是会随着反复弯曲而破裂。硬性印刷电路板的涂层是有益的，但不支持可挠曲或可穿戴的印刷电路板应用。

结论-所需要的是能够可靠地互连大面积上的各种印刷电路板的技术，所述印刷电路板可挠曲以适应任何形状，轮廓或外形因素，而不会受到与湿气相关或机械引起的互连故障的敏感。这种系统应适用于大面积分布式系统，超紧凑系统，以及适合贴合任何人的身体或符合任何形状，固定或适应运动而不破损或电气故障的医疗和可穿戴电子设备。理想情况下，即使发生了一些破损事件，系统仍然能够承受损坏并继续运行，即使在破损之后也是如此。

发明内容

根据本发明，在连接在一起的一组硬性印刷电路板(PCB)中克服了上述问题。每块硬性印刷电路板至少连接一条线路，可能是电源线或信号线。在大多数实施例中，每个硬性印刷电路板连接到至少两条电源线，例如电源电压线和地线以及多条信号线。

阵列中的至少一个硬性印刷电路板连接至少两条线路，每条线路携带相同的电源电压或信号。因此，如果其中一条线路断开，硬性印刷电路板仍将接收由虚线承载的电源电压或信号，因此将继续正常工作。在许多实施例中，连接到硬性印刷电路板的至少两条线被容纳在软性印刷电路板中。

该至少两条线可以包括第一线和第二线。第一线可以电连接在硬性印刷电路板和阵列中的第二硬性印刷电路板之间。第二条线可以连接在硬性印刷电路板和阵列中的第三硬性印刷电路板之间。

所述至少两条线路可以包括第一电力线路和第二电力线路，第一电力线路和第二电力线路中的每一个承载相同的电力电压。第一电源线电连接在硬性印刷电路板和阵列中的第二硬性印刷电路板之间。第二电源线连接在硬性印刷电路板和阵列中的第三硬性印刷电路板之间。

所述至少两条线可以包括第一信号线和第二信号线，第一信号线和第二信号线中的每一条承载相同的信号。第一信号线电连接在硬性印刷电路板和阵列中的第二硬性印刷电路板之间。第二信号线连接在硬性印刷电路板和阵列中的第三硬性印刷电路板之间。

在一些实施例中，阵列中的硬性印刷电路板中的一个连接到至少第一电力线和第二电力线，第一电力线和第二电力线中的每一个承载相同的电力电压，并且连接到至少第一信号线和第二信号线，第一和第二信号线中的每一个承载相同的信号。第一电源线和第一信号线电连接到阵列中的第二硬性印刷电路板，并且第二电源线和第二信号电连接到阵列中的第三硬性印刷电路板。

在上面的示例中，硬性印刷电路板的冗余系数(RF)为1，这意味着硬性印刷电路板连接到一条传输信号的额外线路和一条传输电源电压的额外线路。硬性印刷电路板也可以通过承载电源电压的第三电源线和承载信号的第三信号线连接到阵列中的第四硬性印刷电路板，由此给它一个RF或两个 RF。同样，硬性印刷电路板可以连接到任何数量的带有电源电压的附加电源线以及任何数量的附加信号线，从而为硬性印刷电路板提供任何所需的RF。此外，承载多个电源电压(例如，V₁，V₂...V_n)(其中一个可以是接地电压) 的附加电力线以及承载多个信号(S₁，S₂...S_n)的附加信号线可以连接到硬性印刷电路板，并且电力线和信号线中的每一个可以相乘以给它期望的RF。各种电力线和信号线可能具有不同的RF。例如，硬性印刷电路板无法操作的关键线路可能会被赋予高RF；不重要的线路可能会被赋予更低的RF或无冗余。

一些实施例包括硬性印刷电路板阵列，阵列中的每个硬性印刷电路板通过软性印刷电路板(有时称为“软硬结合印刷电路板”的结构)连接到阵列中的某些其他硬性印刷电路板，软性印刷电路板包括足够数量的电源线和信号线，以为每个硬性印刷电路板提供所使用的每个电源电压和信号的期望RF。各种组件可以安装在硬性印刷电路板上。

在一组实施例中，发光二极管(LED)安装在每个硬性印刷电路板上。如2013年11月6日提交的第14/073,371号，2014年8月15日提交的第 14/460,638号和2014年8月15日提交的第14/461,147号中所描述的，这些实施例在光疗领域中特别有用，其全部内容通过引用结合于此。为了耐用和易于使用，硬性印刷电路板和软性印刷电路板可以被包封在软性(例如聚合物)衬垫中，开口形成在盖中以允许由LED发射的光到达患者身体。硬性印刷电路板阵列和软性印刷电路板的二维软性使组件可以缠绕在各种身体部位-手臂，膝盖，肩膀等。

根据本发明的一个方面，硬性印刷电路板包括硬性绝缘层，图案化导电层，软性导电层和软性绝缘层，软性导电层和软性绝缘层也包含在软性印刷电路板。在硬性印刷电路板中，图案化导电层形成在硬性绝缘层的一个表面上。硬性绝缘层的相反表面结合到软性导电层或软性绝缘层。硬性印刷电路板还可以包括由硬性绝缘层分开的多个导电层的堆叠。在许多实施例中，软性导电层包括金属层。

图案化导电层和与其连接的组件可以电连接到软性导电层。图案化导电层与软性导电层之间的这种电连接可以包括延伸穿过硬性绝缘层的导电通孔。

硬性和软性印刷电路板可以包括多个软性导电层，所述多个软性导电层通过软性绝缘层彼此分开并且与周围环境分离。通过穿过一个或多个绝缘层的导电通孔，硬性或软性导电层中的任何一个可以电连接到任何其他硬性或软性导电层。如果需要导电通孔在没有电接触的情况下穿过导电层，则导电通孔可以与其必须穿过通孔壁的绝缘层的导电层电隔离。

本发明还包括制造软硬结合印刷电路板的方法。该方法包括将软性保护帽绝缘层附接到软性导电层，将印刷电路板导电层附接到硬性绝缘层，将硬性绝缘层附接到软性保护帽绝缘层，图案化印刷电路板导电层以形成图案化导电层在将要定位硬性印刷电路板的区域中去除硬性绝缘层，其中软性印刷电路板将位于该区域中。随后可以在软性保护帽绝缘层和软性导电层之间去除硬性印刷电路板和软性印刷电路板未定位的区域，优选使用激光束，由此形成软性连接器。

该方法还可以包括以下步骤中的一个或多个：对印刷电路板导电层进行光罩和刻蚀以形成图案化导电层；对所述软性导电层进行显影蚀刻光罩和蚀刻，以形成图案化的软性导电层，并用平坦化绝缘体填充所述软性导电层中形成的开口；穿过所述硬性绝缘层和所述软性保护帽绝缘层形成通孔，以暴露所述软性导电层，并在所述通孔中沉积导电材料，以在所述图案化导电层和所述软性导电层之间形成电连接；穿过所述硬性绝缘层，所述软性保护帽绝缘层和所述软性导电层形成贯穿通孔，并在所述贯通孔中沉积导电材料；在图案化的导电层上镀覆金属层；以及在电镀金属层的部分上涂覆保护涂层。

该方法还可以包括在软性保护层上沉积界面层。对界面层进行处理以选择性地硬化硬性印刷电路板中的界面层的部分，同时使软性印刷电路板中的界面层的部分处于较不硬性的状态。界面层可以包含未固化的有机，环氧树脂或聚合物材料，并且其可以化学或光学硬化。

中间绝缘层可以被附着到软性导电层的与软性保护帽绝缘层相对的表面，并且可以在中间绝缘层上执行上述方法的“镜像”以在其上形成硬性印刷电路板可以安装哪些组件的两侧，即双面硬性印刷电路板。在这样的情况下，该方法可以包括在中间绝缘层的两侧上形成穿过软性保护帽绝缘层和软性导电层的通孔，并且在通孔中淀积导电材料，以在软性导电体之间形成电连接位于中间绝缘层两侧的层。

更一般地，硬性和软性印刷电路板可以包括任何数量的软性导电层，无论硬性印刷电路板是否是双面的。实际上，在多条线连接到硬性印刷电路板并且对于其中一些线需要两个或更多RF的情况下，一些线将需要彼此交叉，并且软性印刷电路板将包括至少两个软性导电层使交叉线不相互电接触。在交叉点附近，两个软性导电层之间的一对通孔可以用于在其他线下方布线之一，这里称为“交叉下”。当然，也可以使用通孔将其中一条线路通过另一条线路。

在在许多实施例中，执行图案化印刷电路板导电层并移除硬性绝缘层的步骤以便形成由软性导电材料围绕的印刷电路板“岛”的阵列，以及去除软性保护帽绝缘层的步骤和将执行软性导电层以便在印刷电路板“岛”之间形成软性印刷电路板的网，从而为每个印刷电路板“岛”中的每条线提供期望的RF。

在替代方法中，不使用硬性导电层或印刷电路板导电层。取而代之的是，“准印刷电路板”通过在可移动的打印头上印刷例如聚合物材料或聚酰亚胺化合物的相对厚的层到位于“准印刷电路板”的区域的软性保护盖层上而形成。开口可以留在要形成软性导电层的通孔的相对厚的层中，并且可以将相同材料的较薄层印刷到软性印刷电路板将要定位的区域上。可以校准较薄层的厚度，使得蚀刻工艺去除较薄层，同时在软性保护盖层中形成通孔，暴露软性导电层，从而消除对光罩的需要。然后可以使用可移动打印头将图案化的导电材料层印刷到相对厚的层上并填充通孔并接触软性导电层。

无论使用何种方法形成印刷电路板或准印刷电路板和软性印刷电路板，电子或其他组件都可以安装到印刷电路板或准印刷电路板上，并且电子系统可以防止机械损坏，湿气和其他环境条件。

为了更全面地理解本发明的各个方面，参考以下详细描述和附图。

附图说明

在下面列出的附图中，通常相似的元件用相同的附图标记表示。

图1包含用于电路和互连的印刷电路板的各种示例的照片。

图2是示出硬性，软性和软硬结合印刷电路板的示例的俯视图。

图3是在包含硬性印刷电路板及其电互连的医学光疗中使用的软性聚合物衬垫的透视图。

图4A是示出引起电子电路故障的断线的照片的集合。

图4B是一组说明印刷电路板焊料开裂和痕迹抬升导致电子电路故障的照片。

图4C是比较好的和有缺陷的印刷电路板焊点的照片。

图5A包含电缆连接器插头故障的照片。

图5B包含带状电缆插头和插座连接系统的连接器故障的照片。

图6是可弯曲以适应活组织医学光疗中使用之可挠曲LED衬垫的横截面示意图。

图7A是用于医学光疗及其相互连接的一组三个可挠曲LED衬垫的透视图。

图7B包含用于医学光疗的可挠曲LED衬垫照片，所述LED用于人和马的腿部。

图8A包含硬性印刷电路板开裂失效的照片。

图8B包含具有破裂通孔的硬性印刷电路板的横截面照片。

图9说明软性印刷电路板的照相例子。

图10A包含组件和引线框的焊接连接失败的照片。

图10B包含具有不同程度的焊料裂化的引线框到印刷电路板焊料连接的照片，

图10C包含印刷电路板上的元件安装照片，显示焊料和塑料开裂。

图10D包含了元件安装在印刷电路板上的照片，这些照片具有铅裂纹和焊球裂纹。

图10E是安装在具有焊球破裂的印刷电路板上的部件的横截面示意图。

图11A包含软硬结合印刷电路板的照相实例。

图11B包含刚柔印刷电路板的附加照相实例。

图12A是软硬结合印刷电路板的示意性横截面图。

图12B包含刚柔印刷电路板中软性印刷电路板撕裂的照相实例。

图13A是在其软性印刷电路板互连之一中具有撕裂的分布式电路的示意图。

图13B是使用挠曲硬性印刷电路板的分布式电路的示意图，损坏导致功率和信号中断。

图14A包含印刷电路板中水分相关和水分引起的腐蚀失效的照片实例。

图14B包含印刷电路板中水分相关和水分引起的腐蚀失效的照相实例。

图15是硬性印刷电路板和互连软性印刷电路板阵列的示意图。

图16A是突显由单个软性印刷电路板促成的信号互连的最短导电路径的硬性印刷电路板阵列的示意图。

图16B是硬性印刷电路板阵列的示意图，突出了由两个硬性印刷电路板和三个软性印刷电路板促成的信号互连的冗余导电路径。

图16C是硬性印刷电路板阵列的示意图，突出了由四个硬性印刷电路板和五个软性印刷电路板促成的信号互连的另一冗余导电路径。

图16D是硬性印刷电路板阵列的示意图，突出了由六个硬性印刷电路板和七个软性印刷电路板促成的信号互连的又一冗余导电路径。

图16E是示出多个冗余信号互连的硬性印刷电路板阵列的替代示意图。

图16F是示出硬性印刷电路板之间的最短信号路径的示意图。

图16G是示出通过两个硬性印刷电路板绕过最短信号路径中的中断的冗余信号路径的示意图。

图16H是示出通过四个硬性印刷电路板绕过两个信号路径中断的冗余信号路径的示意图。

图16I是示出经由六个硬性印刷电路板绕过两个信号路径中断的备用冗余信号路径的示意图。

图16J是示出绕过六个硬性印刷电路板的两个信号路径中断的另一替代冗余信号路径的示意图。

图16K是示出绕过经六个硬性印刷电路板的两个信号路径中断的又一替代冗余信号路径的示意图。

图16L是示出通过四个硬性印刷电路板绕过两个信号路径中断的冗余信号路径的示意图。

图16M是示出通过六个硬性印刷电路板绕过两个信号路径中断的冗余信号路径的示意图。

图16N是示出经由六个硬性印刷电路板绕过两个信号路径中断的备选冗余信号路径的示意图。

图16O是示出绕过经由六个硬性印刷电路板的两个信号路径中断的又一替代冗余信号路径的示意图。

图16P是示出硬性印刷电路板阵列中的两个信号路径中断导致系统致命互连失败的示意图。

图17A是硬性印刷电路板阵列的示意图，突出显示了由单个软性印刷电路板促成的电源总线互连的最短导电路径。

图17B是硬性印刷电路板阵列的示意图，突出了由两个硬性印刷电路板和三个软性印刷电路板促成的电源总线互连的冗余导电路径。

图17C是示出多个冗余电力总线互连的硬性印刷电路板阵列的替代示意图。

图17D是示出硬性印刷电路板之间的最短电力总线的示意图。

图17E是示出经由两个硬性印刷电路板旁路旁路单个电力总线中断的冗余电力总线的示意图。

图17F是示出通过四个硬性印刷电路板绕过两个电源总线中断的冗余电源总线的示意图。

图17G是示出通过六个硬性印刷电路板绕过两个电源总线中断的备用冗余电源总线的示意图。

图17H是示出通过六个硬性印刷电路板绕过两个电源总线中断的另一个备用冗余电源总线的示意图。

图17I是示出通过六个硬性印刷电路板绕过两个电源总线中断的另一个备用冗余电源总线的示意图。

图17J是示出经由四个硬性印刷电路板旁路旁路两个电力母线中断的冗余电力母线的示意图。

图17K是示出通过六个硬性印刷电路板旁路两个电源总线中断的冗余电源总线的示意图。

图17L是示出经由六个硬性印刷电路板旁路旁路两个电力母线中断的备用冗余电力母线的示意图。

图17M是示出通过六个硬性印刷电路板旁路旁路两个电力母线中断的又一备用冗余电力总线的示意图。

图17N是示出硬性印刷电路板阵列中的两个关键电源总线断开的示意图，导致系统致命的电源总线故障。

图18A是缺乏冗余功率或信号分布的光疗系统的示意图。

图18B是包括冗余电力总线和冗余信号分布的光疗系统的示意图。

图18C是正常操作和连接故障期间的非冗余和冗余电气系统的示意图。

图18D是导致RF＝2互连冗余的多个冗余电连接的示意图。

图19表示是通过电路或硬性印刷电路板上的冗余互连的数量定义冗余因数(RF)的示意图。

图20包括表示RF＝0和RF＝1的2-硬性印刷电路板系统的电性拓扑和示例性物理布局的方块图。

图21A包括表示具有RF＝0和RF＝1的3-硬性印刷电路板系统的电性拓扑和示例性物理布局的方块图。

图21B是表示其中RF≥1的3-硬性印刷电路板系统的电性拓扑和示例性物理布局的方块图。

图22A是表示其中RF＝1的4-硬性印刷电路板系统的电性拓扑和示例性物理布局的方块图。

图22B是表示其中RF≥1的备选4硬性印刷电路板系统的电性拓扑和示例性物理布局的方块图。

图22C是表示其中RF＝2的4-硬性印刷电路板系统的电性拓扑和示例性物理布局的方块图。

图22D是表示其中RF＝2的替代4-硬性印刷电路板系统的电性拓扑和示例性物理布局的方块图。

图23A是表示其中RF≥1的5硬性印刷电路板系统的电性拓扑和示例性物理布局的方块图。

图23B是表示其中RF≥1的备选5硬性印刷电路板系统的电性拓扑和示例性物理布局的方块图。

图23C是表示其中RF≥2的备选5硬性印刷电路板系统的电性拓扑和示例性物理布局的方块图。

图24A是表示其中RF≥1的6硬性印刷电路板系统的电性拓扑和示例性物理布局的方块图。

图24B是表示其中RF≥1的备选6硬性印刷电路板系统的电性拓扑和示例性物理布局的方块图。

图24C是表示其中RF＝2的6硬性印刷电路板系统的电性拓扑和示例性物理布局的方块图。

图25A是表示其中RF≥1的9硬性印刷电路板系统的电性拓扑和示例性物理布局的方块图。

图25B是表示其中RF≥2的9硬性印刷电路板系统的电性拓扑和示例性物理布局的方块图。

图26A是表示其中RF≥1的12硬性印刷电路板系统的电性拓扑和示例性物理布局的方块图。

图26B是表示RF≥1的12硬性印刷电路板系统的电性拓扑结构的简化方块图。

图26C是表示其中RF≥2的12硬性印刷电路板系统的电性拓扑结构的简化方块图。

图26D是表示包括其中RF≥2的对角互连的替代12硬性印刷电路板系统的电拓扑的简化方块图。

图27A是表示其中RF≥1的20硬性印刷电路板系统的电性拓扑结构的简化方块图。

图27B是表示其中RF≥2的20硬性印刷电路板系统的电性拓扑结构的简化方块图。

图27C是表示包括其中RF≥2的对角互连的20硬性印刷电路板系统的电拓扑的简化方块图。

图27D是表示包括其中RF≥2的对角互连的替代20硬性印刷电路板系统的电拓扑的简化方块图。

图27E是表示其中RF≥2的具有对角线互连的另一个20硬性印刷电路板系统的电拓扑的简化方块图。

图27F是表示具有对角线互连的另一个20硬性印刷电路板系统的电性拓扑结构的简化方块图，其中RF≥2。

图27G是表示具有对角线互连和垂直端盖的20硬性印刷电路板系统的电性拓扑的简化方块图，其中RF≥3。

图27H是表示具有对角线互连的20硬性印刷电路板系统的电性拓扑结构的简化方块图，其中具有无效拐角印刷电路板，其中RF≥4。

图27I是表示具有对角互连和RF≥4的垂直和水平端盖的20硬性印刷电路板系统的电性拓扑结构的简化方块图。

图28A是表示广义矩形电网络拓扑的简化方块图。

图28B是表示包括垂直端盖互连的通用矩形电网拓扑的简化方块图。

图28C是表示包括对角互连和垂直端盖的广义矩形电网拓扑的简化方块图。

图28D是表示包括“x形”对角线互连和具有垂直端盖的联结链路的广义矩形电网络拓扑的简化方块图。

图28E是表示包括“x形”对角线互连和具有垂直端盖和水平端盖的联结链路的广义矩形电网拓扑的简化方块图。

图29A包括RF≤1，RF≤2和RD≤3的冗余互连印刷电路板块单元。

图29B包括用于RF≤4，RF≤5，RF≤6和RD≤7的冗余互连印刷电路板块单元。

图30A是示出作为12个电路和17个软性连接的冗余系统的互连失败概率和冗余因子的函数的系统故障概率的图。

图30B是示出作为用于20个电路和31个软性连接的冗余系统的互连故障概率和冗余因子的函数的系统故障概率的图。

图31是比较具有不同老化失效分布的非冗余电气系统的累积时间失效 (FIT)与机械弯曲周期的图。

图32是比较具有不同冗余因数(RF)等级的电路的累积时间失效(FIT) 与机械弯曲周期的图。

图33是将各种电路功能划分为各种冗余因子的电路组件的对照表。

图34A包括保护电路连接的电路的示意例子。

图34B是具有线性电压调节的保护电路连接的示意例。

图34C是具有降压切换电压调节的受保护电路连接的示意例。

图34D是具有降压切换电压调节的高压保护电路连接的示意例。

图34E是具有高压升压开关电压调节和线性电压调节的保护电路连接的示意例。

图34F是电池和电池充电器电路的示意例。

图35A是数字编程控制电路的示意例子。

图35B是模拟和数字信号处理电路的示意例子。

图35C是模拟和数字控制电路的示意例子。

图35D是RF通信电路的示意例。

图36A包括重要级别的功率传感器电路的示意例。

图36B是重要级LED驱动电路的示意图。

图36C是具有I²C接口的可编程LED驱动电路的示意例。

图36D是具有I²C接口的便笺式存储器电路的示意例。

图36E是次级保护外部连接电路的示意例。

图37A包括基本级供电的传感器电路的示意例。

图37B是与本地传感器接口电路互连的分布式传感器阵列的示意例。

图37C是互连的传感器接口电路的示意例。

图37D是用于分布式传感器系统的冗余电力总线的示意例。

图38A是线路或过热保护电路的示意例。

图38B是连接到具有I²C连通性的本地传感器接口的多个过温保护电路的线或或互连的示意例。

图38C是与I²C连接的互连至传感器接口电路的并联分布式二极管温度传感器的示意图。

图39A是具有I²C连接的数字化二极管温度传感器电路的示意例。

图39B是与I²C连接的数字化接口电路互连的并联分布式二极管温度传感器的示意图。

图39C是与I²C连接的数字化接口电路互连的多路复用分布式二极管温度传感器的示意图。

图39D是与I²C连接的数字化接口电路互连的示例性分立二极管温度传感器。

图40A是基础级LED驱动电路的示意例子。

图40B是LED驱动电路的分布均匀阵列的示意例。

图40C是具有I²C连接的LED驱动电路的分布式均匀阵列的示意例。

图40D是LED驱动电路的辅助电平(RF＝1)分布式异构阵列的示意例。

图40E是LED驱动电路的基本级(RF＝2)分布式异构阵列的示意例。

图40F是LED驱动电路的替代基本级(RF＝2)分布式异构阵列的示意例。

图41是POL调节器和若干局部电负载的示意例。

图42是本地能量存储电路和分配电路的示意例。

图43包括使用电容器和超级电容器的本地能量存储电路的示意例。

图44包括各种形状的连接连杆和下面的非连接十字的示意例。

图45是分布式电子系统的示意例。

图46A是配电电路的示意例。

图46B是示出未经调节的电力互连的配电电路的示意例。

图46C是说明稳压电源互连的配电电路的示意图。

图47是分布式电子系统中的信号分布的示意例。

图48是承载相同模拟信号的分布式系统中三个信号路径的理想表示。

图49是分布式系统中三个不同信号互连路径上的发送和接收模拟波形的比较。

图50A是分布式系统中三个不同信号互连路径上信号的模拟总和的示意图。

图50B是在分布式系统中过滤三个不同信号互连路径上的信号的模拟总和的示意表示。

图50C是用于混合来自分布式系统中三个不同信号互连路径的模拟信号的模拟求和节点的示意图。

图50D是用于从分布式系统中的三个不同信号互连路径选择代表信号的模拟多路复用信号选择器的示意图。

图50E是用于混合来自分布式系统中三个不同信号互连路径的模拟信号的滤波“采样和保持”功能的示意图。

图51A是用于在分布式系统中数字混合来自三个不同信号互连路径的数字信号的布林逻辑“或”门的示意图。

图51B是用于数字混合和过滤来自分布式系统中三个不同信号互连路径的数字信号的时钟控制逻辑“或”门的示意图。

图52是时钟选择电路的示意图。

图53A是使用串行通信的传统主-从系统架构的示意图。

图53B是使用串行通信的冗余主-从系统架构的示意图。

图54A是读取模式下的冗余串行总线接口的示意图。

图54B是写入模式下的冗余串行总线接口的示意图。

图54C是用于冗余串行总线通信的串行数据包。

图55A是具有2个自由度的软硬结合印刷电路板的平面图。

图55B是具有2个自由度的改进的强度软硬结合印刷电路板的平面图。

图56A是具有1个自由度的软硬结合印刷电路板的平面图。

图56B是具有1个自由度的改进的强度软硬结合印刷电路板的平面图。

图57是具有0自由度的两个软硬结合印刷电路板的平面图。

图58是各种软硬结合印刷电路板设计的抗损伤强度对自由度的图。

图59是软硬结合印刷电路板中软性印刷电路板连接的抗损伤强度对抗弯强度的曲线图。

图60A是在相对面上具有互连的方形阵列和六边形单元软硬结合印刷电路板的平面图。

图60B是具有直线和对角线互连的两个交替的方形阵列软硬结合印刷电路板的平面图。

图60C是具有直线和X形互连的方形阵列和矩形软硬结合印刷电路板的平面图。

图60D是具有不规则中心硬性印刷电路板的两个方形阵列软硬结合印刷电路板的平面图。

图60E是具有多个不规则中心硬性印刷电路板的两个方形阵列软硬结合印刷电路板的平面图。

图61是具有四个导电层的软硬结合印刷电路板的截面图。

图62是具有四个导电层的可选软硬结合印刷电路板的横截面图。

图63是具有两个导电层和导电通路的软性印刷电路板的横截面图。

图64是软性印刷电路板交叉下的横截面图。

图65A是T形软性连接件的平面图。

图65B是+形软性连接件的平面图。

图65C是弯曲交叉的平面图。

图66A是具有通板通孔的软硬结合印刷电路板的横截面图。

图66B是具有部分过孔的软硬结合印刷电路板的横截面图。

图67是硬性印刷电路板配电总线的平面图。

图68是堆叠信号分布的横截面图。

图69A是具有对应于图69B中的横截面A-A'的三个软性嵌入式导电层的软硬结合印刷电路板的横截面图。

图69B是应力消除导电网的平面图。

图69C是对应于图69B中的截面B-B'的通孔锚定应变消除导电网格的横截面。

图69D是具有对应于图69B中的截面C-C'的三个软性嵌入式导电层的软硬结合印刷电路板的截面图。

图69E是具有三层导电层硬性印刷电路板的软硬结合印刷电路板的横截面。

图70是制造3D可软性印刷电路板的流程图。

图71是能够制造3D可软性印刷电路板的弯曲部分的流程图。

图72A包括在3D可软性印刷电路板中使用的双层金属软性印刷电路板制造步骤的横截面。

图72B包括在3D可软性印刷电路板制造中使用的软性金属图案化步骤的横截面。

图72C包括在3D可软性印刷电路板制造中使用的附加软性金属构图步骤的横截面。

图72D包括在3D可软性印刷电路板制造中使用的另外的附加软性金属图案化步骤的横截面。

图72E包括在3D可软性印刷电路板制造中使用的软性平面化步骤的横截面。

图72F包括在3D可软性印刷电路板制造中使用的弯曲帽制造步骤的横截面。

图73A包括在3D可软性印刷电路板制造中使用的盲孔制造步骤的横截面。

图73B包括在3D可软性印刷电路板制造中使用的附加盲孔制造步骤的横截面。

图73C包括在3D可软性印刷电路板制造中使用的各种制造盲孔的横截面。

图74是3D可软性印刷电路板的软硬结合结构制造的一部分流程图。

图75A包括用于3D可软性印刷电路板的顶部硬性到软性层压步骤的横截面。

图75B包括用于3D可软性印刷电路板的底部硬性到软性层压步骤的横截面。

图76A包括3D可软性印刷电路板的顶部金属构图步骤的横截面。

图76B包括3D可软性印刷电路板的底部金属构图步骤的横截面。

图76C是具有四个导电层的软硬结合印刷电路板的横截面。

图77是3D可软性印刷电路板的软硬结合结构制造的另一部分流程图。

图78A包括3D可软性印刷电路板的顶部通孔制造步骤的横截面。

图78B包括3D可软性印刷电路板的附加顶部通孔制造步骤的横截面。

图78C包括用于3D可软性印刷电路板的附加顶部通孔制造步骤的横截面。

图79A包括3D可软性印刷电路板的通孔制造步骤的横截面。

图79B包括3D可软性印刷电路板的附加通孔制造步骤的横截面。

图79C包括3D可软性印刷电路板的附加通孔制造步骤的横截面。

图80A包括3D可软性印刷电路板的底部通孔制造步骤的横截面。

图80B包括3D可软性印刷电路板的附加底部通孔制造步骤的横截面。

图80C包括用于3D可软性印刷电路板的另外的底部制造步骤的横截面。

图81是厚电镀金属之后的软硬结合印刷电路板的截面图。

图82A是软硬结合印刷电路板的截面图，示出了顶部硬性印刷电路板部分的选择性激光去除。

图82B是软硬结合印刷电路板部分的选择性去除之后的横截面图。

图82C是软硬结合印刷电路板的截面图，示出了底部硬性印刷电路板部分的选择性激光去除。

图82D是在选择性去除底部硬性印刷电路板部分之后示出的软硬结合印刷电路板的截面图。

图82E是在硬性印刷电路板部分的顶部和底部图案化封装之后的软硬结合印刷电路板的截面图。

图82F是显示激光去除软性材料的软硬结合印刷电路板的截面图。

图82G是在去除软性材料之后软硬结合印刷电路板的横截面。

图82H是在激光弯曲去除之后软硬结合印刷电路板的未受影响部分的横截面。

图83A包括用于显影蚀刻定义蚀刻的工艺步骤的横截面。

图83B包括用于丝网印刷和涂漆定义的蚀刻的工艺步骤的横截面。

图84包括用于丝网印刷和涂漆限定涂层的工艺步骤的横截面。

图85A示出在硬性印刷电路板去除过程中软硬结合印刷电路板的截面，在界面层沉积之后示出。

图85B示出了在选择性硬化界面层之后示出的硬性印刷电路板去除过程中的刚柔结合印刷电路板的附加横截面。

图85C示出了在厚金属电镀之后示出的硬性印刷电路板移除过程中的软硬结合印刷电路板的横截面。

图85D示出硬性印刷电路板移除过程中的软硬结合印刷电路板的横截面，显示硬性材料移除之后。

图86A示出了使用未硬化的界面层的硬性印刷电路板去除过程的横截面。

图86B示出了使用气隙的硬性印刷电路板去除过程的横截面。

图87A包括硬性印刷电路板移除过程中软硬结合印刷电路板的平面图，显示硬性材料移除之前和期间。

图87B包括在去除硬性材料之后示出的硬性印刷电路板移除过程中的软硬结合印刷电路板的平面图。

图88包括硬性印刷电路板移除过程中交替设计的软硬结合印刷电路板的平面图，示出硬性材料移除之前和期间。

图89A包括准硬性印刷电路板制造的横截面，包括软性基底和顶部QR 聚合物印刷。

图89B包括准硬性印刷电路板制造的横截面，包括底部QR聚合物印刷和挠曲帽蚀刻。

图89C包括准硬性印刷电路板制造的横截面，包括顶部和底部焊膏印刷。

图89D是厚金属电镀后的准硬性印刷电路板的横截面。

图89E是封装后的准硬性印刷电路板的截面图。

图90是表面安装组件之后的准硬性印刷电路板的横截面。

图91是表面安装组装期间的准硬性印刷电路板的横截面。

图92是在施加防潮涂层期间的准硬性印刷电路板的横截面。

图93是在施加防潮涂层之后的准硬性印刷电路板的截面图。

图94是安装在聚合物盖中之后的准硬性印刷电路板的截面图。

图95A包括带状设计之光疗聚合物衬垫的透视图。

图95B包括带状设计之光疗聚合物衬垫的顶视图，尾视图和边缘视图。

图95C是带状设计之光疗聚合物衬垫的透视***图。

图95D是带状设计之光疗聚合物衬垫的底面透视图。

图95E包括带状设计之光疗聚合物衬垫中的顶盖和底盖。

图95F示出了带状设计之光疗聚合物衬垫中的分布式软硬结合印刷电路板的各种视图。

图96示出了用于组装带状之光疗聚合物衬垫的处理流程。

图97包括带状之光疗聚合物衬垫的透视图。

图98包括带状之光疗聚合物衬垫的分布式软硬结合印刷电路板的照片。

图99是带状之光疗聚合物衬垫和相关电缆的透视图。

图100包括分布式软硬结合印刷电路板设计中的金属层的顶视图。

图101A包括可重新配置的光疗聚合物衬垫的透视图。

图101B包括可重构光疗聚合物衬垫的顶视图，底视图和侧视图。

图102是可重新配置的光疗聚合物衬垫设计的透视图和***图。

图103A包括可重新配置的光疗聚合物衬垫设计中的分布式软硬结合印刷电路板的各种透视图。

图103B包括可重新配置的光疗聚合物衬垫设计中的分布式软硬结合印刷电路板的各种边缘视图。

图104包括可重新配置的光疗聚合物衬垫设计中的顶盖和底盖。

图105包括用于可重新配置的光疗聚合物衬垫设计的聚合物可调节带。

图106A包括可重新配置的光疗聚合物衬垫设计的分布式软硬结合印刷电路板的顶视图照片。

图106B包括可重新配置的光疗聚合物衬垫设计的分布式软硬结合印刷电路板的仰视照片。

图107包括透视图中的可重构光疗聚合物衬垫的照片。

图108包括可重新配置的光疗聚合物衬垫和相关电缆的透视照片。

图109包括头盖光疗聚合物衬垫盖的各种透视图。

图110包括面罩光疗聚合物衬垫罩的各种透视图。

图111包括护膝杯形光疗聚合物衬垫罩的各种透视图。

具体实施方式

如前所述，实现电子电路和系统通常涉及在印刷电路板或印刷电路板上安装和互连电子元件。这种印刷电路板包括不能弯曲或改变形状的硬性印刷电路板，可挠曲或扭曲的软性印刷电路板或其组合。在诸如用于光疗或用于诸如可穿戴电子设备或“可穿戴设备”的运动应用中的LED光衬垫的医疗设备中，所有上述技术都具有许多缺点。如果弯曲，硬性印刷电路板会折断或裂开，反复弯曲循环后，安装在软性印刷电路板上的组件会从焊料开裂脱落，而混合软硬结合印刷电路板会撕裂或撕裂软性印刷电路板连接到硬性印刷电路板的位置。使用导线或连接器连接硬性印刷电路板的其他方法同样会导致在印刷电路板和它们的互连反复弯曲之后电子系统的部分或全部电气故障。在许多情况下，甚至单根导线，印刷电路板走线或焊点的破损或湿气腐蚀都会阻碍或完全禁用电路的操作。

在本发明中，公开了一种耐受损坏和使用的新颖且有创造性的印刷电路板技术，包括其设计和制造方法。新的印刷电路板技术和相应的系统设计方法提供了许多当今设计或印刷电路板无法提供的优势，包括以下功能的组合：

·实现三维可挠曲电子器件，能够承受大量弯曲循环而不会降级或发生系统故障

·能够实现可挠曲或适合任何形状或尺寸，固定或可移动的三维可挠曲电子设备，并且适用于体育用作可穿戴电子设备以及用于保形医疗设备(如监视或光线疗法)。

·实现一系列硬性印刷电路板，能够形成任何3D形状，并在不需要电线，电缆或连接器的情况下进行电气互连。

·冗余连接硬性印刷电路板阵列，从而导致一个或多个电气互连可能断开，即作为开路故障，而不会导致电子电路故障或系统故障。

·实现可挠曲的电子器件，以防止弯曲，扭曲或撕裂造成的机械损伤。

·实现对潮湿或腐蚀损伤不敏感的可挠曲电子器件。

根据上述目的，公开了一种具有冗余互连的3D可软性印刷电路板。

冗余分布式网络-如果电网分布在包含不同组件，电路和功能的多个印刷电路板上，则组件之间的互连故障不仅会危及到两个互连的印刷电路板，还有可能危及整个系统。在图11A和图11B所示的现有技术刚柔结合印刷电路板中，显然每个软性和硬性印制电路板都是独特的。在可靠和高可靠性系统的设计中，独特的电路不是“好”的，因为它们代表着单点故障的风险。

例如，在图13A中，硬性印刷电路板190A，190B和190C是唯一的且唯一地合并了相应的电路1、2和3。结果，软性印刷电路板191A专门在硬性印刷电路板190A和190B之间传送电力和信号。类似地，软性印刷电路板191B专门在硬性印刷电路板190B和190C之间路由功率和信号。作为一种独特且独特的连接方式，对软性印刷电路板191B的损害(如软性印刷电路板撕裂194A)将切断与电路3的唯一连接，从而通过信号中断，电源故障或两者都导致系统故障。

为了减轻单点故障，可以在印刷电路板网格上分布冗余的相同信号和电路阵列。图15所示的一种这样的冗余电路实施方式198包括由软性印刷电路板201互连的硬性印刷电路板200的网格。每个软性印刷电路板包括电力总线203，接地204和多个信号线205。每个硬性印刷电路板通过其在网格中的位置。在冗余实现198中，第一行电路包括列1中的电路块C_1,1，列2 中的电路块C_1,2以及列3中的电路块C_1,3。类似地，第二行电路包括电路块 C_2,1列1中的电路块C_2,2，2列中的电路块C_2,3和第三行电路包括列1中的电路块C_3,1，列2中的电路块C_3,2以及第3列中的电路块C_3,3。

在纯粹冗余的实施例中，所有电路块C_1,1至C_3,3是相同的。在另一个实施例中，电路块大部分是相同的，但是某些有限的电路数是唯一的，例如，电力和控制。根据本发明进行的将电子系统划分成多个子电路用于冗余操作在本申请中稍后讨论。

除了冗余电路之外，对于所公开的冗余电路实现198的容错设计，功率和信号同样以冗余方式分布。例如，如图16A所示，信号在电连接213之间穿过电路C_1,2和C_1,3之间。如图16B所示，在电连接213中断开220A的情况下，相同的信号在突破电连接216A，216B和216C横穿电路C_2,2和C_2,3。如图16C所示，在电连接216B中发生第二次中断220B的情况下，相同的信号通过电连接216A，217A，217B，217C和216C遍及电路C_2,2，C_3,2，C_3,3和C_2,3。

因为冗余电路实现198包括具有许多冗余电路和互连路径的电网，所以即使在电连接217A中发生第三断点220C的情况下，系统仍能够操作，如图16D所示。在这种情况下，电路C_1,2和C_1,3之间的信号传播通过电连接 218A，218B，219A，219B，217B，217C和216C横穿电路C_1,1，C_2,1，C_3,1， C_3,2，C_3,3和C_2,3。

图16E示出了标识电路C_1,2和C_1,3之间的各种信号路径的冗余电路实施方式198的替代表示。如图所示，突出显示的电连接213和216C是进入电路C_1,3的唯一两个信号路径。尽管阵列中有多个冗余连接，但所有信号都通过这两条导电通路进入电路C_1,3，因此它们代表了两个电路之间最薄弱的连接。详细说明，图16F说明电连接213，最直接的信号路径。在中断220A的情况下，图16G示出了包括到电路C_2,2的电连接216A，到电路C_2,3的电连接216B和最后到电路C_3,3的电连接216C的替代路径。

在图16H所示的两个中断220A和220B的情况下，信号通过电连接 216A传播至电路C_2,2，电连接217A至电路C_3,2，电连接217B至电路C_3,3，电连接217C至电路C_2,3，并且通过电连接216C连接到电路C_1,3。或者，图 16I示出包括通过包括电路C_2,2，C_2,1，C_3,1，C_3,2，C_3,3，C_2,3，最后是C_1,3的电路板连接的电连接到216A，218C，219A，219B，217B，217C以及最后216C 的路径。图16J中所示的另一冗余信号路径包括通过包括电路C_1,1，C_2,1，C_3,1， C_3,2，C_3,3，C_2,3，最后是C_1,3的硬性印刷电路板连接的电连接218A，218B， 219A，219B，217B，217C以及最后216C。图16K中所示的又一个冗余信号路径包括电路连接218A，218B，218C，217A，217B，217C和最后216C 通过硬性印刷电路板连接电路C_1,1，C_2,1，C_3,1，C_3,2，C_3,3，C_2,3，最后是C_1,3。

在图16L所示的中断220A和220C的情况下，冗余连接也能够保持信号连接，其中信号通过电连接218A，218B，218C，216B和216C被路由通过电路C_1,1，C_2,1，C_2,2，C_2,3，最后到C_1,3。围绕图16M所示的相同中断的替代信号路径包括连接218A，218B，219A，219B，217A，216B和216C穿过电路C_1,1，C_2,1，C_3,1，C_3,2，C_2,2，C_2,3和最后进C_1,3。图16N中所示的另一冗余路径包括连接218A，218B，219A，219B，217B，217C和216C，穿过电路C_1,1，C_2,1，C_3,1，C_3,2，C_3,3，C_2,3和C_1,3。图16O示出了冗余路径218A， 218B，218C，217A，217B，217C和216C穿越电路C_1,1，C_2,1，C_2,2，C_3,2， C_3,3，C_2,3和C_1,3。

图16P示出了中断220A和220D切断对应信号连接213和216C的相同网络。尽管冗余网络中有所有冗余路径可用，但是信号连接213和216C 的同时断开将电路C_1,3从电路或系统的其余部分切断。因此，尽管有冗余，分布式电路或系统只能像其最薄弱环节那样具有弹性。

在上述冗余信号分布的情况下，信号可以通过多个硬性印刷电路板电路之间的导电互连在任一方向(即双向)流动。由于这个原因，在前面的图中所示的所有通信互连都用箭头示意地表示，箭头指向两个方向，即双向。这些信号可以在整个电路网格中均匀分布。如果电路元件也是均匀的，那么它们对输入信号的使用是相同的。否则，不利用特定信号的电路可以忽略它。重要的是，无论给定电路是否使用输入信号，在冗余信号分配中，每个电路和硬性印刷电路板必须将其输入信号传递给其所有邻居-否则网络的冗余度会降低。冗余电路中的信号复制的这种实现将在本公开内容的后面进行讨论。

冗余配电与冗余信号分配不同。尽管冗余信号分布通常是均匀且双向的，但是在电路元件之间没有预定义的信号流动方向，功率分配通常是定向的，从电源流向电负载而不是反向。系统的电源是包含电源的电路或硬性印刷电路板，其例如可以包括电源

·连接到外部电源的连接器

·电源或电压调节器电路

·电池

·电容器或超级电容器

·通过电缆或连接器连接到电源的充电器电路，例如USB

·无线充电器电路

·

在电源是便携式的情况下，必须通过连接器或通过无线电或磁耦合无线方式对电池，电容器或本地能量存储元件进行充电。无论电源如何，在整个电路网格中，电源只在一个方向上流动-从电源(即包含电源电路的硬性印刷电路板)流向其他电路。因此，与可能双向流动的信号不同，电源从电源“单向”流向电气负载，在这种情况下，电路正在供电。

这样，图17A所示的冗余电路实施方式198包括包含由软性印刷电路板 203互连的电路C_1,1至C_3,3的硬性印刷电路板200，电源203和接地204一起在整个电路阵列中承载能量。假设硬性印刷电路板207中的电路C_1,2包含整个系统的电源，则电源电路C_1,3将通过电源总线223从电路C_2,2流向电路 C_1,3。如果如图17B所示，电力总线223被中断230A中断，则电力仍然可以流过其他路线，包括例如包括电力总线226A，226B和226C的路径。

图17C中所示的冗余电路实现198的替代示意性表示更好地拓扑示出包括图17D中所示的包括电力总线223的最短路径的各种电力路径。如上所述，如果电力总线223被中断230A中断，如图17E所示，则电力可以通过包括中间电路C_2,2和C_2,3的电力总线226A，226B和226C将自己重新路由。然而，如果电力总线223和226B都被对应的中断230A和230B中断，则可以通过任何数量的冗余电力路径来供电，包括以下各项：

·如图17F所示的包括电力总线226A，227A，227B，227C和226C以及***电路C_2,2，C_3,2，C_3,3和C_2,3。

·如图17G所示的包括中间电路C_2,2，C_2,1，C_3,1，C_3,2，C_3,3和C_2,3的电力总线226A，228C，229A，229B，227B，227C和226C。

·如图17H所示的包括中间电路C_1,1，C_2,1，C_3,1，C_3,2，C_3,3和C_2,3的电力总线228A，228B，229A，229B，227B，227C和226C。

·如图17I所示的包括中间电路C_1,1，C_2,1，C_2,2，C_3,2，C_3,3和C_2,3的电力总线228A，228B，228C，227A，227B，227C和226C。

如果备选电源总线223和226A都被图17J所示的相应中断230A和 230C中断，则可以类似地通过任意数量的冗余电源路径来传送电力，包括以下各项：

·如图17J所示电力总线228A，228B，228C，226B和226C以及***电路C_1,1，C_2,1，C_3,3，C_2,2和C_2,3。

·如图17K所示电力总线228A，228B，229A，229B，227A，226B和 226C以及***电路C_1,1，C_2,1，C_3,1，C_3,2，C_2,2和C_2,3。

·如图17L所示电力总线228A，228B，229A，229B，227B，227C和 226C以及***电路C_1,1，C_2,1，C_3,1，C_3,2，C_3,3和C_2,3。

·如图17M所示的电力总线228A，228B，228C，227A，227B，227C 和226C以及中间电路C_1,1，C_2,1，C_2,2，C_3,2，C_3,3和C_2,3

在事件中断230A中断电力总线223并且中断230D中断电力总线226C 的情况下，则电路C_1,3与所有电源完全断开并且系统故障结果。由于这种最薄弱的环节，冗余连接数最少的电路设置了系统的可靠性。

本文公开的分布式系统中的冗余信号路由和电力总线的方法适用于广泛的应用。一个这样的例子是它们在医疗应用中用于光疗。在图18A所示的非冗余光疗设备248中，系统包括电源和控制电路，即通过USB电缆和连接器254A和254B连接到包含数百个红色和红外LED的一个或多个聚合物衬垫的控制器251，以及驱动电路即光疗聚合物衬垫255。通过USB电缆和连接器，包含稳压直流电源252和控制电路253的控制器251向光疗聚合物衬垫255提供电力以驱动多串红色LED266A和红外LED266B，并且栅极控制信号，特别是在不同激励频率下脉动LED所需的红色LED控制信号 261和IR LED控制信号262。

如图所示，安装在包括电路C_1,2的硬性印刷电路板256上的USB连接器254B接收来自控制器251的四个电连接，即电源V+258，红色LED控制器261，IR LED控制262和接地259。ESD二极管264A和264B保护信号线红色LED控制261和IR LED控制262免受静电放电引起的损坏。电容器263提供对电源线V+258上的噪声的滤波。然后，使用焊接线或带状电缆及其相关联的连接器插座和插头，将这四条线电分布到光疗聚合物衬垫 255内的其他印刷电路板内，例如硬性印刷电路板257A。

根据红色LED控制器261和IR LED控制器262的栅极信号，在硬性印刷电路板257A中实现的电路C_2,2包括由双极型晶体管267A和267B脉冲开启和关闭的红色LED266A和IRLED267B串。在导通期间，电流在红色和红外LED灯串中由预编程的电流源265A和265B设置。由于单个连接器或带状电缆包含电路C_1,2和C_2,2之间的互连258、259、261和262的电力和信号，所以电缆或其连接器的任何中断都将导致系统故障。

相比之下，图18B中示出了冗余的光疗设备268。电路操作与非冗余光疗设备248相同，只是电路C_1,2和C_2,2之间的互连通过三条不同的冗余导电路径而不是一条。如此，使用三条平行线来示意性地表示用于电力V+278，红色LED控制器271，IR LED控制器272和地279的冗余导电路径。这些线路中的任何一条或两条线路中的中断不会不利地影响电路操作。为了对操作产生不利影响，所有三条具有相同功率或信号的线路必须断开。

在本发明的另一个实施例中，硬性印刷电路板276和硬性印刷电路板 277A之间的互连使用合并的刚软性印刷电路板技术来实现，由此将各种硬性印刷电路板岛相互连接的软性印刷电路板网格一起制造成单个印刷电路板，包括网格图案软性印刷电路板与硬性印刷电路板岛屿。本应用稍后将讨论软硬结合印刷电路板制造以促进冗余互连。

图18C比较了正常工作条件下和损坏后的非冗余和冗余系统。当由于损坏而发生开路282时，单个导电路径281的硬性印刷电路板的互连失效。相反，当损坏在路径281中引起开路282时，由多个导电路径283、284和285 形成的硬性印刷电路板的互连不会失效，因为功率，信号或信息仍然可以畅通无阻地流过导体284和285。因此，尽管损坏，系统运行仍然不受影响。由于三个连接接触硬性印刷电路板B，所以需要三次中断来中断操作。这意味着在主要连接断开之后，还有两个冗余链路可以继续运行。

因此，虽然可能存在许多其他路径来支持传导，但为了保证硬性印刷电路板B的操作，只有直接与其连接的连接的数量很重要。图18D说明虽然多个平行导电路径287可改善整个电路经受损伤的统计机会，但额外路径不会提高与特定印刷电路板(在此情况下为印刷电路板B)的连通性的存活率。例如，连接281变宽为三条平行的导电路径288，但仍然通过单个连接进入硬性印刷电路板280，具体地印刷电路板B。连接284和285在互连网络的一些部分中也包括平行路径，但是当它们连接到硬性印刷电路板280，特别是印刷电路板B时，仍然包括一个导体。实质上，只有连接到特定电路的连接的数量对确定特定电路对损坏的恢复能力，并且只有在这些连接也连接到系统中的其他冗余连接的条件下。下文将进一步考虑系统或电路对存活损伤的恢复能力。

冗余电路拓扑-冗余系统中每个组件电路的冗余取决于其与网络中其他组件电路的连接性。图19示出对于表示为元件C_r,c的任何给定电路元件 290，包括“r”行电路和“c”列数的阵列中，特定电路元件C_r,c的互连冗余取决于电气连接。在这种情况下，术语“电气互连”意味着仅连接到同一电路或系统中的其他电路的互连。

例如，如果电路组件290仅通过互连291连接到另一个电路，则第一个并且仅有的连接没有冗余，因为如果它失效，则电路组件290发生故障。为了本申请的目的，我们在此定义术语“冗余因子”或RF来表示电连接的总数“z”减1，或数学上的 RF≡(Z–1)

根据仅有一个连接的上述等式，即其中z＝1，则冗余因子RF＝0意味着不存在连接冗余并且单个故障点将肯定导致系统故障或电气故障。在包含电互连292和291的情况下，z＝2并且冗余因子RF＝1意味着一个连接将在单个故障点后存活。因此，系统故障的风险大大降低。通过添加第三电连接293，则z＝3和RF＝2进一步减小了系统故障的可能性。在更多电连接 294的情况下，即第z个连接，则冗余因子RF＝z-1。例如，如果电路具有4 个电连接，则RF＝3，意味着必须损坏多于3个连接以产生系统错误。

如上所述，不可信系统中的每个电路都有其独特的冗余因子。较高的冗余电路不易发生互连失败，因此比具有较低RF额定值的电路更可靠。然而，最低的冗余因数电路设置了系统的冗余系数。电路故障对整个系统的影响取决于电路的重要程度。如果电路不重要，则故障将导致系统整体性能下降，例如，性能可能会降低，或者分布式系统的某些区域可能会停止运行，但整个系统仍会继续运行。例如，医疗设备中的非严重故障可以包括生物传感器的一部分未能报告被监测的特定区域中的生物信息或者光疗光疗聚合物衬垫未能照亮的LED串。

相反，关键系统的故障可能涉及中央微控制器，信号处理IC或与系统断开连接的电源，导致完全系统故障。根据本发明制造的分布式系统因此包括冗余电拓扑，其中关键电路仅位于具有高冗余因子的印刷电路板上。相反，根据所公开的设计方法，具有低RF额定值的印刷电路板将仅用于有限重要性的非关键功能或用于实现局限于仅被监测或处理的小区域的功能。

为了确定电路的冗余因子与分布式网络中的连接和位置的相关性，必须考虑各种设计。

图20对比了仅包含两个硬性印刷电路板的系统的两个例子。在顶部图中，包括电路C_1,2的硬性印刷电路板301通过单个软性连接300连接到电路 C_1,1。由于仅存在连接电路的单个连接，连接中的故障将直接影响整个系统的操作。因此，该系统不显示冗余，并且两个硬性印刷电路板具有RF＝0。相反，下面的图示表示两个软性印刷电路板300连接硬性印刷电路板302的情况。在该方法中实现的所得冗余因子是RF＝1用于电路C_1,1和C_1,2。

为了命名一致性，图29A示出了硬性印刷电路板，其中两个软性互连 299被标记为印刷电路板302，并且具有三个软性互连299的那些被标记为印刷电路板303。类似地，硬性印刷电路板304连接到四个软性连接299.继续图在图29B中，印刷电路板305连接到五个软性连接，印刷电路板306连接到六个软性连接，印刷电路板307连接到七个软性连接，并且印刷电路板 308连接到八个软性连接。尽管硬性印刷电路板可以连接到任何数量的软性连接，但实际的布局考虑限制了大多数硬性印刷电路板连接到不超过四个软性连接。除了标准化命名法之外，前面的说明可以广义地被认为是广义电拓扑，即拓扑学上独特的电网络并且没有限制，也可以被认为是印刷电路板的示例性物理布局。

遵循上述命名约定，图21A对比了包含三个硬性印刷电路板的系统的两个示例。在顶部图中，包含电路C_1,2的中央硬性印刷电路板302通过弯曲部 300电连接到包含电路C_1,1和C_1,3的两个硬性印刷电路板301。但是因为电路C_1,1和C_1,3不互相连接，所以只有一个连接存在连接各个电路。因此，系统的连接性不是多余的，即所有三个电路都具有RF＝0，并且任何单点连接故障都将不利地影响整个系统的操作。相反，下面的图示表示不是一个而是两个软性印刷电路板300连接全部三个硬性印刷电路板302中的每一个的情况。对于电路C_1,1，C_1,2和C_1,3，在该方法中实现的所得冗余因子是RF＝1。图20-28D说明了各种电子系统的电性拓扑结构。尽管电拓扑看起来类似于特定的印刷电路板布局，但其实际上是两个元件的通用表示-电路301至 308(例如，使用硬性印刷电路板或如稍后公开的“准硬性”印刷电路板和软性电互连(例如，使用软性印刷电路板300示出的软性互连来实现。在该拓扑描述中，用于实现电路或软性连接的技术的选择并不特别限于一种工艺，制造方法，技术，工艺或材料，也不暗示特定形状，几何形状或物理布局，而是用于阐明互连电路的拓扑组合，其中每个电路及其互连可以被认为是图19 中所示的通用抽象电路表示的示例。因此，使用标签“硬性印刷电路板“并且对软性印刷电路板300的参考应该更宽泛地解释为连接到”较不灵活“或”较少可挠曲“电路或电路板的”软性“或”可挠曲“互连。例如，尽管图23C的冗余拓扑结构的一种可能的实现方式可以包括聚酰亚胺，软性和FR4硬性印刷电路板，但是在相同电子拓扑的另一实现中，可以通过用各种厚度的金属线路涂覆的厚而薄的丝绸层来实现，由此安装部件的厚部分充当“硬性”电路元件，并且薄部分充当软性互连。印刷电路板和软性印刷电路板的形状和物理尺寸也不一定符合它们的拓扑描述-它们可能说明了一种可能的布局，但不一定。

以类似的方式，示出与电路的电连接的拓扑表示可以包括在此描绘为各种厚度的线的各种电源线，接地线和信号线。由于不是描述特定的印刷电路板布局，所以图示是拓扑结构，应该理解的是，每个进入电路的连接都连接到连接到相同电路的每个其他相应的电压或信号线。例如在图23C所示的电路C_2,2中，四个软性连接器每个包含四个窄导体和两个粗导体。在电路内部，连接器被互连为“同类型”信号或电压，即每条地线连接到所有其他地线，其中每条+V电源线连接到所有其他+V线，其中每个信号A线连接到其各自的信号A线，信号B线连接到其他信号B线等等。由于拓扑布局不是特定的物理布局，因此接地可以被图示为连接进入的事实在电路C_2,2的左侧，当连接到电路C_2,1时，在进入电路C_2,3时在右侧，并不意味着该接地连接到除地之外的其他东西，在每个电路中，接地仅被连接而不考虑其在电拓扑图中的描述。具体的物理印刷电路板板布局(例如稍后在图60A-60E中示出)以及促进电路内的这些互连的方法，诸如图65A-65C所示图67示出了可以利用各种各样的物理实现来实现特定的电拓扑。

此外，因为在整个拓扑网络中每条信号线，地线或电源线都连接到它们各自的相同线路上，所以可用于给定线路或信号的多条路径表面上可以被认为是“并联”电连接，存在，即它们同时携带并共享电流，则并联连接可被视为“冗余”连接。

因为这些连接是电并联的，所以在正常操作中，两个电路之间的电流同时通过电路之间存在的所有可能的并联连接的某种组合来承载。理论上在理想的并联连接中，连接的电导率是完全相同的，并且电流在各种路径中均匀分配，即平衡。但是，如果一条路径的阻力与另一条路径的阻力稍有不同，电流将自动在路径中重新分配(类似于河水通过流经许多不同的河流而流向海洋的方式)。因此，在真实的物理系统中，分布在导体之间的电流模式的变化是不重要的，并且不影响系统操作或性能。实质上，当在分布式网络中的多个连接之间以及跨多个连接传送电流时，软性互连之间的电流的准确分布并不重要，并且对于所有表面目的，电路可以被认为与理想化的并联连接相同，即使它们并不完美匹配。

由于各种导电路径同时使用，因此连接代表“电冗余”连接。如果一个或多个互连失败，即变成开路，则电流自然会重新分配到可用电路路径，而不会对系统的操作产生任何明显影响。即使每个连接只有一个连接失败，即冗余连接被损坏，只要至少有一个连接持续存在，电路之间的连接就会被保留下来，系统操作仍然不受影响。

作为区别的细微之处，系统可靠性中冗余的含义描述了同时使用的多个组件，元素或连接。该定义与备份或备用的含义相反，其中另一个组件，元素或连接可用但当时未使用。当主要元素发生故障时，必须采取一些措施激活备用元件，通常会导致过程中的延迟。例如，当一辆汽车的轮胎爆胎时，汽车就会停用，直到可以从后备箱中取出备件，拆下损坏的轮胎并安装备胎。在大型卡车或半拖车挂车上，每个车桥都有四条轮胎始终运转。如果一个轮胎有一个平坦的卡车可以继续畅通无阻地运行。

在电子设备中，冗余系统或连接立即可用，而相反，备用系统可能会导致临时系统故障，并且在备用件激活之前可能会造成永久性内存损失。例如，应急备用发电机需要时间来增加和稳定。如果发生电源故障，直到发电机联机，负载电源中断。例如，在医院里，如果在严重的医疗过程中发生这种电气故障，即使由于短暂的电源故障，也可能对患者造成严重的风险。

所公开的冗余分布式系统因此比涉及备件或可更换元件的解决方案更具优势。考虑例如心脏起搏器应用中使用的可穿戴软性电子设备的关键性，或者调节患有癫痫发作的患者的大脑中的神经通路。如果在错误的时间甚至短暂地发生电力故障，例如驾驶汽车时，暂时中断操作可能会产生可怕的后果。在这种极端可靠的应用中，冗余连接至关重要。即使在不太关键的应用中，由于在此公开的使用冗余方法的性能或成本没有不利的影响或代价，所以没有理由不在分布式电子系统中采用冗余设计方法和设备。

在图21B中示出了替代的三种印刷电路板拓扑，其中包括具有三个软性连接300的电路C_1,2的中央印刷电路板303互连到两个辅助或***印刷电路板302，每个相连接两个软性印刷电路板302包含电路C_1,1和C_1,3。软性印刷电路板300A提供电路C_1,1和C_1,3之间的直接连接，并且通过连接链路295 也便于到电路C_1,2的第三连接。所得到的拓扑结构包括RF＝2的电路C_1,2和 RF＝1的电路C_1,1和C_1,3。如由其最低RF分量所确定的，整个系统的“最低冗余因子LDF”是LRF＝1，并且系统的“平均冗余因子ARF”是ARF＝(1+ 2+1)/3＝1.33。由于其较高的射频额定值，关键电路应作为电路C_1,2在拓扑集中式印刷电路板上实现。三路结点链路295的实际实现是制造特定的并且在本公开中稍后描述。

图22A示出了包括四个硬性印刷电路板的系统的拓扑示例。每个硬性印刷电路板302通过两个软性连接件300连接到两个其他硬性印刷电路板。所得到的拓扑结构导致四个电路C_1,1，C_1,2，C_2,1和C_2,2全部与RF＝1相同地冗余。图22B示出了四个印刷电路板系统的拓扑变型，其中额外的软性连接 300A将电路C_1,2至C_2,1互连。得到的拓扑包括在RF＝1的印刷电路板302 上制造的电路C_1,1和C_2,2以及在RF＝2的印刷电路板303上制造的电路C_1,2和C_2,1。整个系统冗余是LRF＝1和ARF＝1.5。由于其较高的RF额定值，关键电路应该实现为电路C_1,2和C_2,1。

图22C中所示的另一拓扑结构包括四个硬性印刷电路板303，每个具有三个连接。如图所示，电路C_2,1直接连接到其拓扑邻居C_1,1和C_3,1并通过连接链路296连接到每个电路；电路C_1,1直接连接到其拓扑邻居C_2,1和C_2,2并通过连接链路296连接到每个电路；电路C_2,2直接连接到其拓扑邻居C_1,1和C_3,1，并通过连接链路296连接到每个电路；并且电路C_3,1直接连接到其拓扑邻居 C_2,1和C_2,2并且通过连接链路296连接到每个电路。所得到的系统包括四个电路，每个电路具有相同的RF＝2冗余度和整个系统LRF＝ARF＝2。该实施方式通过使用中继链路296实现其高RF因子，当以物理形式实现时，实现其高RF区域效率，系统。4路节点链路296的实际实现是制造特定的并且在本公开中稍后描述。

在图22D中示出了与前一示例电子相同的替代互连拓扑。在这种方法中，弯曲部分300将电路C_2,1连接到其拓扑邻居C_1,2和C_3,2，而弯曲部分300A 将阵列连接电路C_2,1直接环绕到电路C_2,3。通过弯曲300，电路C_2,3也连接到其拓扑邻居C_1,2和C_3,2。除了连接到它们共享的拓扑邻居电路C_2,1和C_2,3之外，电路C_1,2和C_3,2直接相互连接。结果是具有四个电路的系统，每个电路具有RF＝2并具有LRF＝ARF＝2的总体系统冗余。虽然这种拓扑设计消除了在图22C的前述实现中使用的中继链路296的需要，但在物理实现中提供较低的面积效率。

图23A示出了包括五个硬性印刷电路板的系统的拓扑示例。除了中心电路C_2,2之外，每个硬性印刷电路板302通过两个软性连接件300连接到两个其他硬性印刷电路板上，并且因此电路C_1,1，C_1,3，C_3,1和C_3,3都具有冗余因此，中心电路C_2,2包括通过四个连接点295与其他软性连接300相连的四个互连。对于RF＝3的相应冗余系数，电路C_2,2优选用于将关键功能和电路。尽管它有一个牢固连接的中央硬性印刷电路板，但该系统的总体弹性仍然限于LRF＝1，但AVF＝1.4。AVF超过LVF的任何系统的含义是，拓扑中的选择电路具有较高的冗余度，应该用于实现关键电路。在物理布局中，此拓扑消耗的面积与任何3x3矩阵相同。

采用图23B所示的拓扑结构可以实现面积效率的提高。基于2x3矩阵，第一行包含两个电路C_1,1和C_1,3，而第二行包含三个电路，即电路C_2,1，C_2,2和C_2,3。电路C_2,2使用连接线295连接到第一排印刷电路板。利用硬性印刷电路板302的每个位于拐角的电路C_1,1，C_1,3，C_2,1和C_2,3表现出RF＝1，而只有印刷电路板303包括电路C_2,2表现出更高程度的冗余度，即RF＝2。对于RF＝2的相应冗余因子，电路C_2,2优选用于集成关键功能和电路。该系统拓扑的总体弹性限于LRF＝1且ARF＝1.2。

在图23C中示出基于3×3矩阵的另外五种印刷电路板拓扑，其中具有三个软性连接300的印刷电路板303围绕具有四个软性连接的第五印刷电路板304。在垂直列中，电路C_2,1和类似电路C_2,3连接到矩阵的第2列中的每个电路，即C_1,2，C_2,2和C_3,2。在水平列中布置，电路C_1,2和类似电路C_3,2连接到矩阵的第2行中的每个电路，即C_2,1，C_2,2和C_2,3。得到的拓扑结构产生RF＝3的电路C_2,2和RF＝2的电路C_1,2，C_2,1，C_2,3和C_3,2以及ARF＝2.2 的LRF＝2的总体系统冗余。

通过将印刷电路板302***包括电路C_1,1的拐角位置，可以修改上述拓扑矩阵以适应图24A所示的六个印刷电路板。通过在稀疏3×3矩阵中引入 RF＝1元素，尽管ARF＝2，最低系统冗余从LRF＝2降级到LRF＝1。在物理实现中，所描述的拓扑包括六个印刷电路板，分布在3×3矩阵本质上遭受了较差的面积效率。图24B示出了另一种RF＝1的拓扑结构，其提供了改善的面积效率。基于2×3网格，拐角印刷电路板302仅连接到两个弯曲 300连接，而中央印刷电路板303连接到三个。因此，电路C_1,1，C_1,3，C_2,3和C_2,3表现出冗余度RF＝1，而电路C_1,2和C_2,2表现出冗余度RF＝2。因此得到的系统冗余度被限制为LRF＝1ARF＝1.33。图24C所示的端部件300A 的添加将拐角印刷电路板转换成三连接器型印刷电路板303，并且改善了拐角印刷电路板和LRF＝ARF＝2的整体系统冗余度。

图25A示出了包括布置成3×3网格的九个硬性印刷电路板的系统的拓扑示例。如图所示，电网包括三种类型的印刷电路板：

·由四个软性300连接围绕的中心印刷电路板304产生冗余RF＝3的电路C_2,2。

·接触三个弯曲300连接的中央边缘印刷电路板303产生电路C_1,2，C_2,1， C_2,3和C_3,2，每个电路具有冗余RF＝2。

·接触两个弯曲300连接的拐角印刷电路板302产生电路C_1,1，C_1,3， C_3,1和C_3,3，每个具有冗余RF＝1。

·由于拐角印刷电路板的限制，LRF＝1的整体系统冗余度更高，但由于中心和边缘电路冗余度更高，ARF＝1.67的平均冗余度更高。

·对于RF＝3的相应冗余系数，电路C_2,2适用于集成关键功能和电路。

通过添加软性300A和连接链路295作为图25B中所示的端盖，角部元件变成三连接器印刷电路板303并且中央边缘元件变成四连接器印刷电路板304。因此，所描述的变化改善了电路C_1,1的冗余，C_1,3，C_3,1和C_3,3到RF＝2，以及电路C_1,2，C_2,1，C_2,3和C_3,2到RF＝3。整个系统冗余提高到LRF＝2，平均冗余ARF＝2.33。

图26A示出了包括布置成3×4网格的十二个硬性印刷电路板的系统的拓扑示例。如图所示，电网包括三种类型的印刷电路板：

·由四个软性300连接围绕的中央印刷电路板304产生冗余RF＝3的电路C_2,2和C_2,3。

·接触三个弯曲300连接的中央边缘印刷电路板303产生电路C_1,2，C_1,3， C_2,1，C_2,4，C_3,2和C_3,3，每个电路具有冗余RF＝2。

·角印刷电路板302接触两个软性连接300，产生电路C_1,1，C_1,4，C_3,1和C_3,4，每个电路具有冗余RF＝1。

·整个系统冗余LRF＝1，受角印刷电路板限制，平均冗余度为1.83。

·对于RF＝3的相应冗余系数，电路C_2,2和C_2,3适用于集成关键功能和电路。

为了简化更复杂拓扑网络的示意图，软性连接器300的细节由软性299 连接器取代，如图26B所示。软性印刷电路板299中缺少细节并不意味着软性印刷电路板300中的连接不存在，但为了清晰起见，仅从图形中排除。就此而言，图26A和图26B的网络在电学和拓扑学上是相同的。

通过增加弯曲部分299A和连接点(未示出)作为图26C所示的端盖，角部元件变成三连接器印刷电路板303，改善了电路C_1,1，C_1,4，C_3,1和C_3,4的冗余性，RF＝2。中心和边缘电路的冗余度没有变化。整体系统冗余提高到 LRF＝2，ARF＝2.33。

通过包括如图26D所示的软性299B的对角线连接器并包括在电路C_1,1和C_2,2，C_3,4和C_2,2，C_1,4和C_2,3，C_3,4和C_2,3之间，实现了相同3×4网络的一个替代实施例。因此，所有的边缘和转角电路都改进为RF＝2的冗余，特别是第1行中的电路C_1,1，C_1,2，C_1,3和C_1,4，第2行中的电路C2,1和C_2,4，第3行中的电路C_3,1，C_3,2，C_3,3和C_3,4将系统冗余度提高到LRF＝2和ARF ＝2.5。由于增加了对角线连接，中心电路C_2,2和C_2,3的冗余增加到RF＝5，因此非常适合实现关键电路组件。

图27A示出了包括以4x5网格布置的20个硬性印刷电路板的系统的拓扑示例。如图所示，电网包括三种类型的印刷电路板：

·由四个弯曲299连接围绕的中心印刷电路板304导致行2中的电路 C_2,2，C_2,3和C_2,4以及行3中的电路C_3,2，C_3,3和C_3,4都具有冗余RF＝3。

·接触三个弯曲299连接的中央边缘印刷电路板303产生电路C_1,2，C_1,3， C_1,4，C_2,1，C_2,5，C_3,1，C_3,5，C_4,2，C_4,3，和C_4,4，每个都有冗余RF＝2。

·角印刷电路板230接触两个软性连接299，产生电路C_1,1，C_1,5，C_4,1和C_4,5，每个具有冗余RF＝1。

·整个系统冗余LRF＝1，受角印刷电路板限制，平均ARF＝2.1。

·对于RF＝3的相应冗余系数，任何中心电路都适合集成关键功能和电路。

通过添加软性299A和连接链路(未示出)作为图27B所示的端盖，角部元件变成三连接器印刷电路板303，改善了电路C_1,1，C_1,5，C_4,1和C_4,5的冗余性，RF＝2以及增加中心边缘电路C_2,1，C_3,1，C_2,5和C_3,5到RF＝3的冗余度。总体系统冗余提高到由角落电路确定的RF＝2平均ARF＝2.5。

通过在电路C_1,1和C_2,2，C_4,1和C_3,2，C_1,5和C_2,4之间包括如图27C所示的软性299B的对角连接器，实现了相同4×5网络的一个替代实施例，以及 C_3,4和C_4,5。因此，所有的边缘和转角电路都改进为RF＝2的冗余，具体地说，行1中的电路C_1,1至C_1,5，行4中的电路C_4,1至C_4,5，电路C_1,1至C_5,1列 1以及列5中的电路C_1,5至C_4,5，类似地实现LRF＝2和ARF＝2.5的系统冗余。在物理实现中，不再需要额外的专用互连来提高系统的面积效率。由于增加了对角线连接，内部电路C_2,2，C_2,4，C_3,2和C_3,4的冗余增加到RF＝4，因此非常适合实现关键电路组件。中心电路C_2,3和C_3,3在RF＝3时保持不变，但消除了拓扑网格外部的端盖299A的需要。

如图27D所示，结合使用对角线连接299B和端盖299A改进了网络的整体平均冗余度，但是可能不会提高系统的最低冗余因子。如图所示，端帽299A的增加将列1和列5电路的冗余因子增加到RF＝3并且将平均冗余增加到ARF＝2.9，但是由于电路C_1,2到C_1,4和C_4,2到C_4,4，整个系统的冗余保持在LRF＝2。每当ARF与LRF差别很大时，就意味着系统不均匀，即与系统的最小冗余电路组件相比，某些电路具有不成比例的高冗余度。

在某些情况下，例如在关键部件或连接器或微控制器集成到分布式电路中的情况下，为包含关键电路的印刷电路板提供非凡的冗余特别有价值。图 27E所示情况就是这样，其中通过增加围绕电路C_2,3的对角线互连，到印刷电路板308的连接总数增加到8，并且电路C_2,3的相应冗余因子增加到RF＝ 7。这种方法的应用是提高电源和控制等关键电路的可靠性。尽管使用这种方法实现了选择电路的高冗余度，但整体系统冗余并未得到改善，因为角落和大部分边缘电路仍然具有LRF＝2的冗余。在ARF＝2.8时，平均冗余高，因为第3行，特别是包含高RF电路C_2,3的第2行。

为了均匀地提高矩阵中更多电路的可靠性，可以采用“x形”对角线连接点297，如图27F所示。以类似于“T形”汇合连杆295和“+形”汇合连杆296 的方式，“X形”汇合连杆297连接来自四个不同软性连接的类似电连接。使用这种拓扑结构，所有内部电路增加到八个连接印刷电路板308，具有相应的RF＝7的冗余度，并且除拐角之外的所有边缘电路增加到五个连接，包括 RF＝4的印刷电路板305。包括三个连接印刷电路板303的拐角电路仍然仍然是LRF＝2的最弱元素，但系统的平均冗余显著增加至ARF＝4.5。

因此，尽管整个系统具有较高的组件电路可靠性，但系统中最薄弱的最不可靠的元件仍然是角落碎片。根据本发明，通过最小化这些角落电路的影响来提高整个电气系统的可靠性涉及，

·如图27G所示，在拐角电路上增加边缘连接，

·在拐角电路C_1,1，C_1,5，C_4,1和C_4,5或者仅实现非关键功能

·完全消除角落印刷电路板上的任何电路功能，即将其转换为纯无源电路或互连，如图27H所示。

如图27G所示，除了矩形网格互连299和端盖299A之外，还采用了对角互连299B。由此产生的冗余度取决于电路在电网中的位置

·转角印刷电路板304使用电路C_1,1，C_1,5，C_4,1和C_4,5，冗余RF＝3。

·第一和第四行中的顶部和底部边缘印刷电路板305包括电路C_1,2，C_1,3， C_1,4和C_4,2，C_4,3，C_4,4，全部具有冗余RF＝4。

·第一和第五列中的中央侧边印刷电路板306包括电路C_2,1，C_3,1和C_2,5， C_3,5，全部具有冗余RF＝5。

·包括电路C_2,2，C_2,3，C_2,4和C_3,2，C_3,3，C_3,4的全部具有冗余RF＝7的内部印刷电路板308。

对于所有内部电路具有RF＝7，这样的拓扑对于在需要许多关键电路的系统中使用来说特别稳健。在LRF＝3时，最低的冗余电路仍包括转角电路，但平均冗余度ARF＝4.9是所公开的任何拓扑所描述的最高冗余度。

或者，如图27H所示，包括印刷电路板303A的四个转角电路可排除任何电路，仅执行互连。在这种情况下，冗余因子RF＝N/A，即不适用，并且不包括在计算系统的总体冗余度中。考虑到拐角电路，最低冗余电路组件包括LRF＝4的边缘电路。在计算平均冗余因子时，为了考虑非活动角印刷电路板，电路总数从20减少到16。得到的ARF＝5.1，甚至比使用“x形”节点链路和垂直定向端盖的拓扑(如图27G所示的拓扑)更好。

除了消除拐角之外，图27I所示增加系统冗余度的另一种方法是利用水平和垂直端盖299A和299C以及包括“x形”连接件297的对角连接件299B。在这种情况下，冗余顶部和底部行中的每个电路的因子比图27G所示的先前情况增加1。由此产生的平均冗余是ARF＝5.4，高于任何先前描述的拓扑。最低的冗余仍然发生在转角电路中，但在LRF＝4时，这种冗余度优于所有先前公开的拓扑。

为了概括先前的情况，所公开的电路的冗余互连可以被表示为具有图 28A中所示的软性299连接的矩形网格，其包括具有电路C_2,1至C_m,n的m行 n列。软性印刷电路板299连接可以细分为垂直软性299v连接和水平软性 299h连接。由于网络是拓扑结构而不是物理结构，为了说明的目的，术语水平和垂直是参照图中的正交x轴和y轴进行的。所示的方向是任意的，例如可以通过顺时针或逆时针将整个结构旋转90°而不影响网络组成连接的相对拓扑关系来构建电等效的拓扑网络。包括“m”行和“n”列电路的单平面网格拓扑中的连接数可以通过计算水平软性连接299h的数量和软性连接299v的垂直列的数量来确定。具体而言，在“n”个垂直列中，每列包含(m-1)互连299v。垂直软性互连299v的总数然后是每列中的列数和软性连接器的数量的乘积，即n·(m-1)。具体而言，在“m”个水平行中，每行包含(n-1)个互连299h。水平软性互连299h的总数然后是每行中的行数和软性连接器的数量的乘积，即m·(n-1)。系统中的互连299的总数是垂直弯曲299v和水平弯曲299h 连接的总和，或[n·(m-1)+m·(n-1)]。例如，在图27A所示的4×5网格中包括20个电路的系统中，m＝4，n＝5并且软性连接299的总数等于[5·(4-1)+4·(5-1)]＝[15+16]＝31，与图示相符。

在没有端盖连接的情况下，拐角电路C_1,1，C_l,n，C_m,l和C_m,n表现出冗余度RF＝1，并且所有中心边缘电路都表现出RF＝2，包括列1中的侧中心电路和来自行的“n”2行(m-1)，第1行第1至(n-1)行和第m行第一行的电路。在没有对角线连接的情况下，所有内部电路的冗余RF＝3。

添加图28B所示的垂直端盖299A，增加了连接到电路的弯曲数量2m，即连接总数变为[(n·(m-1))+2m+(m·(n-1))]，并且将拐角的冗余因子提高到RF＝2，并且将列1和列“n”的非拐角电路的冗余增加到冗余因子 RF＝3。

图28C中所示的广义增强互连拓扑结合了包括软性299互连的电路的矩形网格的元件以及包括软性299A的端盖和包括软性299B的对角互连。在这种组合中，拐角电路C_1,1和C_m,n的可靠性提高到RF＝3，非角边缘电路增加到RF＝4，内部电路提高到RF＝5。不幸的是，由于对角线互连是定向的，从左到右递减，然后拐角C_m,l和C_l,n不受益于对角线连接并保持限于RF ＝2。其他不规则的拓扑图案例如图27E的拓扑图案解决了角落中的问题，但展现其他边缘电路的冗余度低。

分布式电路中的RF均匀性问题最好通过使用前述的x形连接杆299X 来解决，特别是当与如图28D所示的垂直端盖299A组合时。在这种组合中，每个转角电路的可靠性提高到RF＝3，非角落边缘电路增加到RF＝5，并且内部电路都提高到RF＝7。通过增加水平端图28E中所示的帽299C，将角冗余提高到RF＝4，并且将所有非角边缘电路提高到RF＝5。

如前所述，每个电路元件的冗余可以计算连接到硬性印刷电路板的软性印刷电路板的数量。图29A和图29B总结了这些各种组合。如图所示，图 29A示出了各种几何形状(即一个直线形和一个L形)的印刷电路板302，其中每个硬性印刷电路板302具有两个软性连接299，导致冗余RF＝1。为了冗余RF＝2，印刷电路板303具有三个软性Y形(中心)的T形(顶部)299个连接，两个软性连接299和一个对角连接299B，以及E形(底部)的两个软性连接299和一个对角连接299B。包括印刷电路板304的RF＝3几何形状利用具有三个软性299连接器和对角连接器299B的+形状(顶部)和修改的T形状(底部)的四个软性299连接。类似地，图29B示出了RF＝ 4几何形状，包括具有四个软性299连接器和一个对角软性299B(顶部)的修改的“+形”几何形状印刷电路板305，以及具有两个对角线软性299B的三个软性299连接器，底部)。RF＝5几何形状包括四个软性299连接器，两个对角线软性299B，软性直径方向(顶部)或彼此垂直(底部)。所示的RF ＝6几何结构包括具有四个软性连接器299和三个对角线软性299B互连的“+形”几何结构。上级冗余元件RF＝7包括四个软性299连接器的“+形”组合，其间***四个对角线软性299B。

系统可靠性-如上所述，冗余提高了系统的可靠性，并且有利于免受如根据本发明公开的分布式可软性印刷电路板的反复弯曲循环所引起的损坏或损耗的免疫性。在以下关于系统可靠性的讨论中，或者相反地讨论组件和系统故障的可能性时，变量“p”用于表示统计概率，记号pf用于表示故障概率，下标“i”，“r”和“s”分别用于识别软性互连，硬性印刷电路板和整个系统。例如，使用这种表示法，术语p_fi意味着互连失败的失败概率，而术语p_fs表示系统失败的概率。一个系统没有失败的概率，它的失败概率的倒数，由关系(100％-p_fs)给出。

在RF＝0的情况下，系统没有电冗余。如果系统在硬性印刷电路板电路 (或其组件)或硬性印刷电路板之间的互连中发生故障，则系统将失败。实际上，软性印刷电路板互连失效“p_fi”的概率远高于硬性印刷电路板失效的概率p_fr，即p_fi>>p_fr，那么系统失效的概率p_fs等于互连失败的概率如由p_fs＝ p_fi给出的。

在这里公开的具有RF＝1的冗余系统中，必须发生两次故障才导致系统故障。考虑到正常使用，即忽略灾难性机械损坏的可能性(例如马踩在光疗聚合物衬垫上)，则在图20的拓扑中仅示出两个电路和两个互连的RF＝1 系统中，并且假设独立的故障事件系统失效的可能性是两次失败的乘法概率，即

p_fs＝p_fi·p_fi＝(p_fi)²

如图21A的RF＝1冗余拓扑所示，包括三个印刷电路板的系统也会出现相同的结果。如图所示，任何两个软性印刷电路板300故障都会将三个电路中的一个与其他电路隔离开来，系统将失败。例如，如果位于C_1,1和C_1,2之间的弯曲失败，并且独立地C_1,2和C_1,3之间的弯曲失败，则电路C_1,2将从网络切断。

在具有更多数量电路的系统中，所有不同冗余度的系统的故障率都较低，因为在电路的不同部分出现两个连续故障的可能性较高，并且不会导致系统故障。例如，在图23A所示的包括RF＝1的多个电路的系统中，即使系统冗余为RF＝1，两个故障也不会产生系统故障。例如，如果位于C_1,1与C_1,3之间的弯曲失败，且独立地C_3,1和C_3,3之间的弯曲失败，则互连冗余能够存活并且不会有电路从网络中断。然而，如果位于C_1,1和C_1,3和C_1,1和C_3,1之间的弯曲部分在电路C_1,1附近失效并且在联结部分295之前失效，则电路 C_1,1将从网络切断。这个结果可以用统计来解释。

如图所示，网络包括1个四连接印刷电路板304和4个双连接印刷电路板302。拓扑一起包括具有总共12个互连的系统。虽然任何一个软性互连失败的概率是p_fi，但是特定的软性连接失败的概率较小，即具有(p_fi/11)的概率，因为在十一次中只有一次机会发生失败具***置。概率是十一分之一，而不是十二分之一，因为第一次故障已经从电路中移除了一个软性连接。总之，第一次弯曲失效可能发生在矩阵的任何地方，因此其失效概率为p_fi。要禁用系统，第二次故障必须断开与同一印刷电路板的连接，这意味着不仅仅是任何软性印刷电路板，但是特定的软性印刷电路板必须不会导致系统故障。失败的组合概率是两个独立概率的乘积，即

p_fs＝p_fi·p_fi/11＝[(p_fi)²/11]

可以将相同的概念缩放为具有大量电路的例子，但具有最低可靠性连接仍然表现出RF＝1。例如，在图26B所示的拓扑中具有17个连接。RF＝1 分量的故障率由下式给出

p_fs＝p_fi·p_fi/16＝[(p_fi)²/16]

对于RF＝2的电路，在同一拓扑结构中，必须出现一个通用故障和两个特定故障，导致RF＝2电路出现系统故障。RF＝2分量的故障率是第一故障概率p_fi，第二故障概率p_fi/(17-1)和第三故障概率p_fi/(17-2)的乘性组合。注意第三次故障损坏特定位置比第二次故障更有可能，因为第二次故障后仅剩下(17-2)＝15个软性电路。合并的失败概率由下式给出

p_fs＝p_fi·(p_fi/16)·(p_fi/15)＝[(p_fi)³/240]

延伸的概念以克服需要四个相关故障的RF＝3会导致故障的可能性

p_fs＝p_fi·(p_fi/16)·(p_fi/15)·(p_fi/14)＝[(p_fi)⁴/3,360]

对于所描述的具有包括12电路和17弯曲连接的拓扑的系统，作为各种弯曲失效率p_fi的函数的系统故障的概率在下表中描述。术语ppm是指百万分之一，ppb是指十亿分之几。图30A中示出了曲线350,251，352和353对冗余因子RF＝0，RF＝1，RF＝2和RF＝3的电气系统故障p_fs作为所述网络的机械故障率p_fi的函数的概率。注意，尽管不存在RF＝0的电路，但RF＝0的故障率与如果电路串联连接(例如，采用蛇形互连模式。在蛇形模式下，即使电路仍以网格模式排列，每个电路只有两个连接，因此任何故障互连都会破坏整个系统。

电路#	0	4	6	2
					P<sub>fi</sub>	RF＝0	RF＝1	RF＝2	RF＝3
5％	5％	0.02％	0.52ppm	1.9ppb
					10％	10％	0.06％	4.2ppm	30ppb
20％	20％	0.25％	33ppm	480ppb
					40％	40％	1.00％	270ppm	7.6ppm
60％	60％	2.25％	900ppm	39ppm
					80％	80％	4.00％	0.21％	120ppm
98％	98％	6.00％	0.39％	270ppm

为了比较冗余系统的电气故障率与挠曲的机械故障率，可以采用机械故障率与电气故障率的比率，如下表所述。

机械	RF＝0	RF＝1	RF＝2	RF＝3
					5％	1X	320X	96,000X	26,880,000X
10％	1X	160X	24,000X	3,360,000X
					20％	1X	80X	6,000X	420,000X
40％	1X	40X	1,500X	52,500X
					60％	1X	27X	667X	15,556X
80％	1X	20X	375X	6,563X
					98％	1X	16X	250X	3,570X

上表表明，即使在软性电路的机械故障率为60％的情况下，RF＝1冗余拓扑失败的统计可能性也是没有冗余的60％故障率的1/27。对于RF＝3的冗余系统，电气故障率是RF＝2时机械故障率的1/667和正常值的1/15556。

虽然冗余的好处是一般的，但确切的统计数据取决于电路元件和互连的数量。例如，在图27A所示的拓扑中有20个电路和31个软性连接。RF＝ 1电路组件的故障率由下式给出

p_fs＝p_fi·p_fi/30＝[(p_fi)²/30]

在RF＝2拓扑结构中，必须发生一次通用故障和两次特定故障，导致 RF＝2电路出现系统故障。RF＝2分量的故障率是第一故障概率p_fi，第二故障概率p_fi/(31-1)和第三故障概率p_fi/(31-2)的乘性组合。注意第三次故障的具体破坏位置比第二次故障的可能性稍大，因为第二次故障后仅剩下 (31-2)＝29个软性电路。合并的失败概率由下式给出

p_fs＝p_fi·(p_fi/30)·(p_fi/29)＝[(p_fi)³/870]

延伸的概念以克服需要四个相关故障的RF＝3会导致故障的可能性

p_fs＝p_fi·(p_fi/30)·(p_fi/29)·(p_fi/28)＝[(p_fi)⁴/24,360]

对于所描述的具有包括20个电路和31个软性连接的拓扑的系统，其中 RF＝1的4个电路，RF＝2的10个电路以及RF＝6的6个电路，作为各种函数的系统故障的概率挠曲失败率p_fi如下：

电路#	0	4	10	6
					P<sub>fi</sub>	RF＝0	RF＝1	RF＝2	RF＝3
5％	5％	0.01％	0.14 ppm	0.26ppb
					10％	10％	0.03％	1.1ppm	4.1ppb
20％	20％	0.13％	9.2ppm	66ppb
					40％	40％	0.53％	74ppm	1.1ppm
60％	60％	1.20％	250ppm	5.3ppm
					80％	80％	2.13％	590ppm	17ppm
98％	98％	3.20％	0.108％	380ppm

在图30B中，曲线350,251表示冗余因子RF＝0，RF＝1，RF＝2和RF ＝3时，电气系统故障p_fs作为所述网络的机械故障率p_fi的函数的概率，352 和353。注意，尽管不存在RF＝0的电路，但RF＝0的故障率与如果电路串联连接(例如，采用蛇形互连模式。为了比较冗余系统的电气故障率与挠曲的机械故障率，可以采用机械故障率与电气故障率的比率，如下表所述。

机械	RF＝0	RF＝1	RF＝2	RF＝3
					5％	1X	600X	348,000X	194,880,000X
10％	1X	300X	87,000X	24,360,000X
					20％	1X	150X	21,750X	3,045,000X
40％	1X	75X	5,438X	380,625X
					60％	1X	50X	2,417X	112,778X
80％	1X	38X	1,359X	47,578X
					98％	1X	31X	906X	25,882X

上表表明，即使挠性电路的机械故障率为60％，RF＝1冗余拓扑失效的统计机会是没有冗余的60％失效率的1/50。对于RF＝3的冗余系统，电气故障率是RF＝2时的机械故障率的1/2,417和正常的1/112,778th。该故障率甚至比前面的例子更低。通常，使用冗余，冗余电路和互连数量越多-系统冗余越高，系统的电气故障率越低。

了解系统的统计故障率如何影响使用寿命取决于累积故障损耗曲线的形状。如图31所示，没有电冗余的电气系统，即RF＝0，随时间呈现机械诱导的损耗失效。通过累积FIT或“失败时间”测量具有机械运动的系统的正常生命周期，例如，扭曲，弯曲，旋转，通常包括三个区域：(i)早夭阶段 371，(ii)正常使用寿命(iii)损耗(老化)阶段。在早夭率阶段371，由于制造相关的缺陷，一部分人口将提前失败。这些出生缺陷可以通过电气测试，快速机械测试和老化测试从生产的人群中扑灭，以加速故障，识别有缺陷的系统并将其从待销售的产品中移除。

在正常使用寿命阶段370中，直到对应于时间t3的一定数量的弯曲周期，故障发生在十亿次互连的一个累积故障的非常低但非零率处。潜在故障率是由于制造过程中不可避免的缺陷影响整个产品。对于这种正常使用失败，十亿分之一甚至百万分之几的失效率一般是可以接受的，尤其是对于不涉及生命保障或安全系统的产品。

损耗失败开始后，失败率取决于产品的制造。累积故障一般以指数形式出现，导致日志或半对数纸上的直线。在故障曲线372A中，故障一旦发生就会迅速发生，代表了“快速损耗”机制，例如塑料变脆。由斜率递减的线372B， 372C和372D表示的较慢的失效率描述了逐渐发生的失效，例如，导体的逐渐腐蚀，导体的分层，焊料提升等。

冗余对工作寿命的益处在图32的对数图中示出，其中在与正常使用寿命379相关联的多个弯曲周期之后，没有电冗余的累积系统故障(即RF＝ 0)显示在曲线380中，出现作为一条直线，因为图是对数的。曲线381显示了由冗余RF＝1的新设计所带来的运行寿命的改进。更大的冗余体现了更大的改进。如图所示，曲线382表示导致RF＝2设计的工作寿命的改进，曲线383表示RF＝3的急剧增加。这支持比较表中的前一点，其中每个附加级别的冗余因子“RF“失败率不成比例地下降，例如从RF＝0时的1X(机械速率)增加到RF＝1时的50X，然后在RF＝2时提高到2,417X，并且在RF ＝3时提高到112,778X。故障率不仅随着冗余度的增加而下降，但随着RF中的每个增量下降得更快，即故障率的速率也提高。

例如，非冗余印刷电路板的寿命测试显示几千次循环后出现故障，但根据具体设计，使用所公开的具有RF＝1故障的冗余印刷电路板设计方法仅在30,000或50,000次循环后才被确认。

分层冗余-将电子系统划分为组件电路决定了系统的整体可靠性。根据本发明，将系统分成多个部分(即“划分”系统)然后在印刷电路板矩阵中的特定硬性印刷电路板上实现每个特定功能所需的冗余取决于功能的重要性以及它的功能。因此，系统可以分为从关键电路功能到辅助电路功能的多个重要层级。实际上，系统的电路功能可以分解为有限的可管理数量的重要级别，例如，四个级别，如图33所示。这些级别的定义可以通过系统损害的程度来考虑，如果特定功能失败，则会导致系统损害的程度，由以下重要级别(在由“！！！”象征性地表示的列中)：

·关键级别：“关键”级别的电路功能是指其故障会对系统中大部分或每个电路的操作产生不利影响的电路功能，可能会完全禁用系统，或可能导致安全隐患。功率损失是临界电路功能的一个例子。

·重要级别：“重要”级别的电路功能是其故障会对系统的关键全局功能特性产生负面影响的电路功能。其与其他系统通信的能力，检测重要信息或执行重要任务或操作的能力。

·基本级别：“基本”级别的电路功能是其故障会对系统的一部分或多个部分产生不利影响，但使系统的其他部分不受损坏的电路功能，例如，导致电路某些有限部分的一些传感器或LED发生故障，但不会禁用整个系统。

·辅助级别：“辅助”级别的电路功能是其故障会导致系统操作不便利的功能，例如，指示灯发生故障，或使系统更难调出历史数据或跟踪数据，但系统功能的实际运行在全球或当地都不会受到影响。

临界级电路功能的例子包括用于连接外部电源或控制到分布式电子系统的主要外部连接器，包括防静电放电(ESD)，过压，过电流，过温或执行其他安全功能。其他关键级功能包括任何主电源，例如电池及其关联的电池充电器，以及线性和开关稳压器。其他关键功能包括逻辑，数字信号处理器 (DSP)，模拟信号处理器(ASP)，时钟电路，包括D/A和A/D转换器的数据转换器，微控制器及其相关固件或操作系统，如BIOS(基本输入/输出系统)存储在非易失性存储器(NVM)(如闪存或EEPROM)中。其他关键电路包括模拟电路，如振荡器，放大器，滤波器，比较器；数字电路，如逻辑门，触发器，计数器，数字锁相环(PLL)；RF通信电路，如收音机，WiFi，蓝牙， 3G，4G；和诸如USB的接口电路。

重要级别电路功能的例子包括独特或单一实例电路，如传感器，驱动器， LED，发射器，读写数据和高速暂存存储器，辅助外部连接器以及用于RF链路的天线。基本级电路功能的例子包括传感器阵列，驱动器阵列，LED阵列，负载点(POL)稳压器，本地功能，存储电容器和互连链路。辅助电平电路功能的示例包括辅助传感器，监视器，使用跟踪功能，指示灯，便利功能和仅用于连接方便的第三连接器。

将电子应用程序调整为具有分层冗余的分布式系统的设计方法取决于产品的应用程序。对于可穿戴生物识别健康监测器等消费类应用，可采用最小程度的冗余，主要是为了降低产品退货成本。通过分层冗余设计避免现场故障，制造商能够避免保修费用并保持作为高质量消费设备制造商的更好声誉。这样的设计因此可以采用最小冗余，如图33的表格中标记为“最小”的列所示。在这种设计中，关键电路功能采用冗余RF≥2，而重要的电路功能利用RF≥1的冗余。基本和辅助电路功能没有冗余，即RF＝0。

在医疗或军事“高可靠性”应用中，可靠性至关重要，可能对生命至关重要，因此需要卓越的可靠性。所示的“优越”可靠性系统的推荐设计方法使用关键电路功能的最高可靠性，理想情况下RF≥7且RF＝5以下，而重要功能使用RF≥4，基本功能使用RF≥3以及辅助功能电路功能利用RF≥2。

在消费者和高可靠性应用之间，良好的可靠性设计方法采用了一种妥协的设计理念，其关键电路功能的设计冗余RF≥3，重要电路功能的RF≥2，重要电路功能的RF≥1以及辅助RF＝1电路功能。这种良好的设计方法适用于专业或专业消费者，例如用于人类水疗中心的LED光疗聚合物衬垫，用于小型动物的兽医诊所，用于在马厩中处理马和骆驼的便携式装置以及其他便携式应用例如专业用途的“消费者”装置。用于事故现场治疗或由医务人员执行的监测。

各种电路功能及其相应的分层冗余的例子在下面的示意图中示出，这些电路功能包括关键的，重要的，基本的和辅助的电路功能。

关键电路功能-图34A中的电路功能404A包括基本连接器401，示例性地示为四脚USB连接器，其具有用于与地403，+V(电源)402以及信号 404A和404B的冗余互连的RF≥3软性连接器。+V与地之间的滤波电容器 412A和ESD保护二极管413以及信号线404A和404B上的ESD保护二极管413A和413B分别有助于将连接器401转换成受保护的系统连接，即PSC。该电路可以通过包括保护419而被修改为受保护的PSC 400B，保护419可以包括过电流关断电路(OCSD)，该电路保护系统免于短路和高电流；包括过温关闭电路(OTSD)，保护系统免受过热的电路；和过电压保护(OVP)，即过电压输入到连接器401时关闭系统电源的电路。

图34B中的电路400C示出具有线性电压调节输出的单个输出PSC。虽然在这里公开的它们在冗余分布式系统中的使用是新的，但低压降(LOD) 线性调节器的基本操作是众所周知的，并且在许多教科书和在线 (https://en.wikipedia.org/wiki/Low-dropout_regulator)。与电容器412A和ESD 保护二极管413结合的连接器401的功率输入连接到线性电压调节器，该线性电压调节器包括具有电容器412B两端的调节输出的LDO 419。LDO 419的经调节的电压在包括冗余输出+V 402和经输出电容器412B滤波的地403 的多个电路径上被传送到系统。由于线性调节只能输出比其输入电压更低的电压，因此LDO 419的输出电压+V必然低于其输入电压。例如，5V输入可能产生3.3V，3V，2.7V或1.8V输出电压。作为关键电路组件，互连使用冗余因子RF≥3。

图34C示出了包括具有同步降压型开关电压调节器的单个输出PSC的电路400D。虽然在此公开的冗余分布式系统中它们的使用是新颖的，但是同步Buck型开关调节器的基本操作是众所周知的，并且在许多教科书和在线(https://en.wikipedia.org/wiki/Buck_converter)中进行了描述。具有电容器 412A和ESD保护二极管413的连接器401的功率输入连接到包括具有PWM 控制器421，功率MOSFET开关422B，功率MOSFET同步整流器422A的同步Buck转换器拓扑的降压型开关稳压器422A，并联二极管423A，电感器414和输出电容器412C。包括电阻器415B和415A的电阻器分压器测量输出电压并提供用于动态调制PWM脉冲宽度以将输出电压+V调整到其目标值的反馈电压VFB 431。由电感器414和输出电容器412C形成的降压转换器的低通滤波器的稳压电压在包括连接+V 402和地403的多条冗余电路径上提供给系统。由于降压开关调节器只能输出比其低的电压输入时，Buck 转换器的输出电压+V必然低于其输入电压。例如，5V输入可能会产生1.8V， 1.2V或0.9V的输出电压。作为关键电路元件，互连采用了RF≥3的冗余。

图34D示出具有高压和降压降压调节器输出的高压输入双输出PSC电路400E。具有电容器412A和ESD保护二极管413的连接器401的高压电力输入端通过肖特基二极管425连接到输出端405并连接到降压开关电压调节器电路。高电压输出+HV可用于为各种电负载供电，例如，LED串。为低电压电路供电所需的开关调节器利用包括PWM控制器421，功率MOSFET开关422B，具有集成反并联二极管423A的功率MOSFET同步整流器422A，电感器414和输出电容器412C的同步Buck转换器拓扑。包括电阻器415B和415A的电阻器分压器测量输出电压+V并提供反馈电压 VFB 431，用于动态调整PWM脉冲宽度以将输出电压+V调整到其目标值。由电感器414和输出电容器412C形成的降压转换器的低通滤波器的稳压输出电压通过包括冗余互连+V 402和地403的多个电路径提供给系统。由于降压开关调节器只能输出比其输入端，Buck转换器的输出电压+V必然低于其输入电压。例如，40.5V输入可以在输出402上产生5V，3.3V，3V， 2.7V或1.8V输出电压，并且在输出405上产生40V输出电压。作为关键电路组件，互连利用冗余因数RF≥3。

图34E示出具有高压升压升压调节器和低压线性稳压器的双输出PSC 电路400F。虽然在此公开的冗余分布式系统中它们的使用是新的，但是升压开关调节器的基本操作是众所周知的，并且在许多教科书和在线(https://en.wikipedia.org/wiki/Boost_converter)中进行了描述。连接器401的电力输入端连接到LDO 420和升压开关电压调节器，低压输入端由电容器 412A滤波并且由ESD保护二极管413保护。虽然也可以使用其他拓扑结构，但是所示的升压型开关调节器包括具有PWM控制器421，功率MOSFET开关422A，肖特基二极管425，电感器414和输出电容器412C的升压转换器拓扑结构。包括电阻器415B和415A的电阻器分压器测量输出电压+HV，并提供反馈电压VFB 431，用于动态调制PWM脉冲宽度，不断调整输出电压+HV以维持其目标值。由电感器414和输出电容器412C形成的升压转换器的低通滤波器的调节电压在包括冗余互连+HV 405和地403的多个电路径上输出。由于升压型开关调节器只能输出比其输入更高的电压，升压转换器的输出电压+HV必定高于其输入电压。例如，5V输入可以在输出端 402上产生40V的输出电压。相比之下，电容器412B上存在的并且通过冗余互连+V 405和地403输出的LDO 420的调节输出电压+V必然必须低于其输入电压。例如，5V输入可能会产生1.8V，1.2V或0.9V的输出电压。作为关键电路组件，互连使用了RF≥3的冗余因子。

图34F示出了包括电池416和线性电压调节器LDO 420的电池和电池充电器电路400G，该线性电压调节器LDO 420通过冗余连接+V 402和接地 403提供经调节的输出电压+V以由电容器412B滤波。电池的充电由受保护的电池充电器418，其确保电池416以特定于电池化学组成的方式被适当地充电，防止其来自连接器401的输入端的过充电，过放电，过电压，短负荷状况和过温条件。例如，如果电池416是锂离子或锂聚合物电池，则受保护的电池充电器418必须是特别与锂离子型电池化学成分和充电方法的正确充电条件匹配的充电器。在实际使用中，在充电期间通过连接器401向电池供电。当不充电时，电池416向系统供电，使其适用于便携式和可穿戴式应用，例如，在运动或生物特征监测中。尽管在这里公开的冗余分布式系统中它们的使用是新的，但是受保护的电池充电器的基本操作是众所周知的，并且在许多教科书，应用笔记和在线(https://en.wikipedia.org/wiki/Battery_charger) 都适用于线性充电器和基于电感的“开关”充电器。如所示，输入电容器412A 和ESD保护二极管413有助于对受保护的电池充电器418进行额外保护。作为关键电路组件，互连利用了RF≥3的冗余因数。

前述的电路和受保护的系统连接涉及提供给所公开的分布式系统的主电力，这些分布式系统定义为任何电子系统或设备的操作所需的关键组件。其他关键级电路功能涉及系统的数字控制，执行控制的关键模拟和数字电路，信号处理，诸如4G，WiFi，WiMax，蓝牙通信和有线或总线通信(例如，无线电)的射频(RF)。USB，以太网，IEEE1394，HDMI和其他。

图35A示出一个这样的关键控制功能“数字程序控制”430A，其中微控制器单元MCU440执行存储在其片上存储器或其他存储在存储器441中的软件或固件计算机代码，存储器441通常包括闪存或EEPROM，并且与例如，通过数字总线406A和406B的系统的其余部分使用I²C通信，并通过信号连接404A和404B。虽然是两个数字总线和两个信号连接，但是该示例没有限制，其中模拟和数字信号和总线连接的数量可以改变而不改变所公开的发明的范围或含义。由于MCU 440利用“时钟控制”逻辑，所以必须包括包含晶体，MEM时间参考或R-C张弛振荡器的时间源作为时钟信号442以顺序地通过其各个步骤前进程序。

在MCU 440内操作的中央控制固件还可以分配这个相同的时钟信号或者更可能分配通过使用计数器将时钟442的频率数字划分为系统中的其他电路而产生的较低频率时钟信号。这个标记为“时钟输出”的共享时钟信号通过冗余连接404C被传送到需要访问时钟数据的电路。备选地，时钟输出数据可以被传递到每个电路组件，并被不需要用于操作或同步的时间基准的那些功能忽略。数字编程控制430A由冗余连接+V 405和接地403供电。如果MCU或存储器441在低于+V的电压下工作，则可选地包括具有输入和输出滤波电容器412A和412B的专用LDO 420特别是在本地为电路供电，即作为负载点(POL)调节器工作。如果不需要，可以省去LDO 420。作为关键电路组件，互连使用了RF≥3的冗余因子。

除了利用可编程的基于软件的微控制器之外，电子系统的控制可以由图 35B所示的专用模拟或数字电路执行，包括模拟信号处理电路ASP和滤波器446，通过可编程或硬连线逻辑和数字信号处理DSP电路“信号处理”电路 405或两者。ADC/DAC电路445单向或双向地执行模拟-数字和数字- 模拟数据转换，以促进ASP和滤波器446以及DSP和逻辑444之间的通信和协调。如图所示，ASP和滤波器446与其他电路在分布式系统中经由多个冗余模拟信号线404E和404F。类似地，DSP和逻辑444使用例如I²C协议经由多个冗余数字信号线404C和404D和/或通过数字总线通信线406B和 406C与分布式系统中的其他电路通信。数字电路还可以利用通过冗余数字连接404C连接到电路的同步时钟信号“时钟输入”。信号处理电路功能430B 由冗余连接+V 405和接地403供电。如果模拟和数字电路在低于+V的电压上操作，则具有输入和输出滤波电容器412A和412B的专用LDO 420可以是可选地包括专门为本地供电的电路，即作为负载点(POL)调节器工作。如果不需要，可以省去LDO 420。作为关键电路组件，互连使用了RF≥3的冗余因子。

在分布式电子系统的一些潜在应用中，模拟和数字信号处理可以由如图 35C所示的专用模拟，数字或混合信号IC代替，而不是执行信号处理，包括模拟IC448集成了包括模拟电路，信号多路复用和混合信号功能。逻辑和数字控制IC 447执行专用数字功能。或者，分布式系统可以将这种专用模拟和数字功能与前面图中所示的各种信号处理IC和微控制器组合。作为关键电路组件，互连使用了RF≥3的冗余因子。

最后，可以使用图35D中所示的射频“RF通信”电路功能430D将信息无线地传送到同一系统内的其他系统或其他电路功能。RF通信通常包括三个元件：调制IC 450，其根据一些通信协议执行信号处理，诸如OFDM，4G 和WiFi通信中使用的“正交频分多路复用”；RF功率级451，包括无线或微波频率功率放大发射和接收信道以及开关和RF/微波天线阵列452.这种射频通信的操作理论超出了本公开的范围，并且在此被包括为可以被集成的通信功能的示例应用进入所公开的冗余分布式系统。作为关键电路组件，互连使用了RF≥3的冗余因子。

重要的电路功能-重要的电路功能是执行所需操作的电路，例如传感， LED驱动，监控，数据采集等。这些重要的电路功能基本上定义了产品的功能和用途。一个这样的重要电路是图36A所示的供电传感器电路460A，其包括由冗余连接+V 462和接地463供电的传感器468A，并输出传感器输出信号464A和464B以供分布式系统中的其他电路解释。传感器可以包括将传感器与信号处理，缓冲器，传感器偏置，自校准功能和其他专用信号处理组合的单个组件或整个电路。传感器包括

·使用半导体二极管或热敏电阻检测温度

·使用霍尔效应传感器的磁性检测

·使用可见光或红外光检测化学或生物有机体

·使用微型机器或纳米机器进行张力检测

·使用红外探测器进行热成像

·化学pH传感器

·脑电图，心电图，肌肉收缩等的电位检测

对于离散传感器，输出信号表示传感器的实时数据作为数字或模拟值，而不是数据总线兼容信息或双向数据流。替代动力传感器的更高功能是也在图36A中示出的智能传感器阵列460B。在该电路功能中，两个传感器468A 和468B直接向传感器接口469发送信号。传感器接口将数据转换处理成更复杂的一组处理信号。这些信号可以包括通过冗余连接464D和464E中继到其他电路功能的多路复用模拟信号，数字编码信号或总线数据通信。传感器接口469由冗余连接+V 462和接地463传送的功率供电。作为重要的电路组件，互连使用RF≥2的冗余因子。

其他重要的电路功能包括能量发射器件的驱动器。能量发射装置可用于医学治疗，成像，生物测量和疾病检测的开发中，包括

·LED和激光(光学，紫外和红外能量)

·微电流(电气)

·射频/微波发射器(长波电磁)

·超声波(振动/声能)

·热(振动/热能)

能量发射装置可以包括分布在大面积上的单点源或多个源。在治疗中，目标区域有意受到刺激生物化学或生物光子反应的能量，例如，光疗，以刺激存在或引入器官或组织中的化学物质的增强的活性，例如，光动力治疗或刺激肌肉活动，例如，微电流或热疗。当与上述传感器配合使用时，血氧的灵敏检测和某些蛋白质，抗原和微生物的检测成为可能。

包括LED驱动器460C的重要电路功能的一个示例在图36B中示出，其包括串联连接的LED串471A到471N，电流控制器件470和晶体管464C，用于在受控频率和占空因数下脉冲LED。通过冗余连接+HV465和接地462 提供LED串的电源，并且通过驱动连接到晶体管475的基极的冗余连接464C 的控制信号控制LED串的电源。示出为双极晶体管的晶体管475也可以包括MOSFET。作为一个重要的电路元件，互连使用RF≥2的冗余系数。这种重要的LED驱动电路包括在一个区域上不重复多次的功能，但是很少发生或者每个系统发生一次，例如一次。在使用红外线LED进行氧气检测的血氧监测器中。

图36C所示的可编程LED驱动器460D示出了能够通过I²C接口476响应总线控制以确定LED 471至471N的接通和断开时间并且使用可编程电流源动态调整LED电流ILED的更高级形式的LED驱动器通过冗余连接464D 和464E的I²C通信实现I²C接口476的总线控制。除非还向电路提供低电压电源，否则LDO 420通过冗余连接+HV 465和接地462将电力输送到可编程LED驱动器460D。LDO 420利用输入和输出滤波电容器478A从+HV 电源为I²C接口476导出电力和478B。作为一个重要的电路组件，互连采用了RF≥2的冗余因子。

另一个重要的电路功能是图36D所示的“便笺式存储器”电路462。该电路的目的是暂时将测量数据以数字形式保存在本地，直到它可以传送到中央微控制器或通过有线总线(如I²C)或使用RF通信无线传输到系统的外部设备。如图所示，通过冗余I²C连接464D和464E连接到内部串行总线的I²C 接口电路476将其接收的数据存储在可包括SRAM或DRAM的存储器479 中。与程序存储器存储器不同，“便笺式”存储器479通常是易失性的，这意味着只有在存储器上存在电源时才暂时保存数据值。一旦电源中断，数据将不可挽回地丢失。这种存储器通常在低于系统电源+V的低电压下工作。除非还向电路提供适当的低电压电源，否则LDO 420需要为存储器479和可选地为I²C接口476提供适当的电压。该电压从通过冗余连接+V 462提供的+V电源和接地463与相应的输入和输出滤波电容器478A和478B。作为一个重要的电路组件，互连采用了RF≥2的冗余因子。

重要的电路功能的另一个例子是辅助PSC 460F，即保护系统连接，除了主连接器之外，还使用图36E中描述的辅助连接器401S，以便于互连方便。例如，在LED光疗聚合物衬垫中，可以从一个公共控制信号和电源驱动多达三个光疗聚合物衬垫。当主光疗聚合物衬垫如图36A所述直接连接到控制器设备时，另外两个辅助光疗聚合物衬垫通过USB跳线连接到主板上，连接到焊盘之间的辅助保护系统连接464F，而不直接连接到控制器。作为一个重要的电路组件，互连采用了RF≥2的冗余因子。

基本电路功能-在所公开的分布式系统中，“基本”功能表示不是唯一的电子电路，并且事实上可以在单个系统内的多个实例中重复。例如，用于光疗的LED光疗聚合物衬垫包括覆盖大面积的许多瓦片或LED串。任何单个 LED串中的开路故障都会使LED在一个小区域内无法工作，从而使该部分“变黑”，但不会妨碍整个产品的操作。基本电路功能的互连故障因此不是全系统的，而是“局部”表现仅影响分布式系统的一部分。

通常在分布式系统的大面积上重复的两个基本电路功能是传感器阵列或者诸如LED的能量发射装置。图37A中所示的传感器阵列元件490A和智能传感器阵列元件490B是基本电路功能的两个实例，基本上与图36A中所示的其对应电路460A和460B相同，除了这些电路包括阵列或矩阵中的组成“元件”。每个电路元件代表通常以规则模式重复的“一个多个”相同组件或跨印刷电路板基础或网格的固定周期。在包括具有相同基本电路功能的“n”个克隆的分布式系统中，每个电路可以被称为“1的n”电路元件。

例如，在包括32个传感器电路元件的矩阵的传感器阵列中，每个传感器元件包括“1中的32”电路元件。这些元件可以使用序号例如顺序地识别。 32个元素中的第1个元素，32个元素中的第5个元素，32个元素中的第29 个元素，或者通过使用前面描述的唯一的C_r,c行列矩阵数字来表示直线网格图案，其中C_1,2标识位于在矩阵的第1行和第2列电路中，C_4,4标识位于矩阵的第4行和第4列电路中的传感器等。因为这些传感器元件在分布式系统的许多“实例”中重复电网中的任何一个都不会损害整个系统的运行。

在图37B中示出了以网格图案分布的这种传感器矩阵的示例，其中传感器元件498分布在包括连接到三个软性299连接器即印刷电路板303的印刷电路板的矩阵中的每个硬性印刷电路板上的区域上；四个软性连接的印刷电路板304和五个软性连接的印刷电路板305。如图所示，在16个硬性印刷电路板的矩阵中，传感器元件498被包括在矩阵中的每个硬性印刷电路板中，即从电路C_1,1到电路C_4,4。前两行C_1,1至C_1,4和C_2,1至C_2,4中的所有传感器元件498通过信号总线387A连接至传感器接口499A。传感器接口499A位于电路C_2,2的矩阵中。传感器总线387A向电路C_1,1，C_1,4，C_2,1和C_2,4中的传感器元件498提供两个连接，即RF＝1，并且将三个RF＝2连接到电路C_1,2， C1,3和C_2,3。电路C_2,2中的传感器元件不依赖于任何软性连接，因为它与传感器接口499A共享相同的硬性印刷电路板。尽管具有三个软性连接的硬性印刷电路板303能够支持RF＝2冗余水平，但是对于传感器总线387A，位于电路C_1,1，C_1,4，C_2,1和C_2,4中的传感器元件仅实现冗余水平RF＝1。由于传感器总线387A仅包括到矩阵的第一列和第四列中的传感器元件的两个连接，所以出现该有限冗余。传感器接口499A通过三个连接与传感器总线 387A连接，并因此实现关于其与传感器元件498的连接性的冗余RF＝2。

类似地，第三和第四行C_3,1至C_3,4和C_4,1至C_4,4中的传感器元件498通过信号总线387B连接至传感器接口499B。传感器接口499B位于电路C_4,2的矩阵中。与传感器总线387A不同并且电隔离的传感器总线387B向电路 C_3,1，C_3,4，C241和C_4,4中的传感器元件498提供两个连接，即RF＝1，并且三个连接具有RF＝2至电路C_3,2，C_3,3和C_4,3中的传感器元件。电路C_4,2中的传感器元件不依赖于任何软性连接，因为它与传感器接口499B共享相同的硬性印刷电路板。尽管具有三个软性连接的硬性印刷电路板303能够支持RF＝2冗余水平，但是对于传感器总线387B，位于电路C_3,1，C_3,4，C_4,1和 C_4,4中的传感器元件仅实现冗余水平RF＝1。由于传感器总线387B仅包括到矩阵的第一列和第四列中的传感器元件的两个连接，所以出现该有限冗余。

传感器总线387A和387B的连接性例证了分层冗余的概念-仅仅因为硬性印刷电路板矩阵的软性互连能够支持更高水平的冗余，完全冗余互连的应用并不一定是有保证的或利用。如图所示，传感器元件的连通性使用范围从RF＝1到RF＝2的冗余度，表现出总体冗余LRF＝1和ARF＝1.5。作为多个非唯一电路功能，传感器元件阵列可被视为基本电平电路功能。根据图 33所示的表格，RF≥1符合“良好”级别的冗余设计方法。

尽管分布式传感器元件498是相同的，但是传感器总线387A和387B 彼此电隔离并且彼此独立。为了整合用于控制或通信目的的信息，传感器接口499A和499B必须相互通信并且具有中央微控制器或信号处理电路功能。这种级别的通信层级上高于基本级别一级，因为互连失败影响大型传感器阵列的报告会使分布式系统的大面积区域无法运行。查看与所描述的相同的分布式传感器阵列系统，图37C中示出了“重要”水平的电路功能的示例，其中位于电路C_2,2上的传感器接口电路499A和位于电路C_4,2上的电路499B与一个另一个以及传感器控制总线388A上系统中的其他电路功能。以类似的方式，其他传感器接口电路(未示出)可以通过其他总线连接进行通信，例如，传感器控制总线388B。如图所示，每个传感器接口电路499A和499B 通过四条不同的总线连接到传感器控制总线388A。除了RF＝4的电路C_2,2之外，传感器控制级中的每个组件都表现出冗余因子RF＝3，从系统角度来看，传感器控制级具有LRF＝3和ARF＝3。考虑块级控制和信号处理可能被认为是一个重要的级别，那么根据图33所示的表格，RF≥2被认为是“好”的冗余设计方法。

考虑到相同的系统示例，图37D示出了相应的配电网络。从功率的角度来看，无论是传感器还是传感器接口电路，每个电路功能都只是一个电气负载390。通过在包括弯曲部299的每个连接器上的电力总线389上分配电力，在电力总线中实现最大冗余水平。如所示，矩阵的第一行和第一列表现出RF ＝2，而电路C_2,2除外，矩阵的其余部分表现出RF唯一地具有冗余RF＝4。由于没有示出的供电电路包括关键电路功能，那么按照图33所示的表格， RF≥2被认为是“好”的冗余设计方法。

下表中所示的系统层次冗余摘要。除了设计中不存在的关键电路功能外，电路功能的冗余因子满足“良好”冗余设计方法的标准。

传感器元件的实现取决于被感测或监测的变量的性质。尽管可以监视任何物理参数，但是为了说明而没有限制，下面描述各种温度检测传感器。图 38A图示了用于防止过热的超温检测电路的示例，这是医疗设备和消费电子产品中重要的特征。过温检测电路500A包括由固定电流501A偏置的正向偏置的P-N结二极管502A。如上面的曲线图所示，在固定的工作电流下，正向偏置二极管两端的电压V_f(T)与温度成正比地下降，如曲线520所示。该V_f(T)520电压被输入比较器504A并与具有温度无关电压V_ref 521A的固定电压基准503A。

如图所示，固定参考电压V_ref 521A连接到比较器的正输入端，而温度检测二极管502A两端的电压520连接到比较器的负输入端。只要二极管的电压大于V_ref 521A，比较器504A的负输入超过正输入并且比较器504A的输出电压V_out被驱动到地，即到0伏。在V_out＝0V的情况下，双极晶体管 506的基极被偏置到关断状态，由此线或连接510保持悬空。随着温度的升高，矽P-N二极管的V_f(T)下降约2.2mV/℃的线性斜率。在温度T1处，曲线V_f(T)520与V_ref 521A交叉并且输出电压V_out从地面转变为522B至 +Vcc 522C。当比较器的输出上升到Vcc时，双极506的基极上的电压增加到0.7V，双极集电极导通并拉线或连接510。Vcc和双极基极电压之间的过电压在电阻507A上下降。线或线510的状态改变表明发生了温度过高状况。这些信息可用于调整系统的运行条件或关闭整个系统。

在过热的原因被消除的情况下，二极管电压V_f(T)520上升，直到其在温度T2处跨过电压(V_ref+ΔV)521B。在T2处，比温度稍低于T1的温度，比较器504A的输出电压V_out返回522D到地522A，并且双极506关断并释放线或线510.比较器的阈值被设计为具有两个跳闸点，加热期间的V_ref 521A和冷却期间的(V_ref+ΔV)521B。这些电压被设计为故意不同，在比较器中引入滞后以避免不受控制的振荡，即在转换点处的“抖动”。

在系统中，如图38B所示，过温度检测500A和相同的电路500B，500C 等通过“或”线510相互连接。原因线510被称为线或逻辑是因为其执行与逻辑“或”门相同的布林运算，即，如果电路500A，500B，500C和其他(未示出)中的双极晶体管中的任何一个转向它将线路510拉到地，否则上拉电阻器512将线路510拉到Vcc。当线510处于高电平时，传感器接口511中的反相器门513反转使得反相器的输出为低(即接地)的信号，并且无论何时布线“或”线510被脉冲接通时，即每当任何一个或多于一个过温检测电路检测到过热故障。I²C接口514将故障信号转换为串行通信，以便于系统内的通信和处理。

作为wired-OR方法的替代方案，另一种监视分布式系统内过热状态可能性的方法是平行多个正向偏置二极管，如图38C所示。在该方法中，每个温度感测二极管502D，502E，502F和502G以及其他(未示出)位于包括传感器500D，500E，500f，550G和其他(未示出)的不同印刷电路板上。每个正向偏置二极管承载一部分电流501Z。二极管并联组合两端的电压等于二极管具有最低电压，即电压V_fd(T)，V_fe(T)，V_ff(T)，V_fg(T)或其他电压(未示出)。通过比较器504Z将该最低电压与固定参考503Z进行比较，并且通过I²C接口514将输出转换成串行总线通信。为了提高准确度，可以在制造期间校准二极管传感器。

尽管温度检测电路测量模拟参数，例如正向偏置的PN半导体二极管两端的电压，热敏电阻两端的电阻或珀尔帖结等热电装置的电位，使用比较器可将模拟温度信息转换为简单的“数字”是/否评估-电路是否太热？超温检测电路的目的是通过它的同名电路来评估过温条件是否已经发生或即将发生。如果有，可采取措施关闭全部或部分电路以降低功耗，直至其恢复到安全操作。如果过温条件涉及关闭电路，则保护功能可被称为过温关闭或OTSD 电路。在电路的其他变型中，使用两个比较器-一个用于检测过热状况，另一个用于检测系统变热但尚未过热，即提供潜在问题的警告。

或者，如果需要定量监测温度，例如在温度计功能中，温度传感器的模拟测量可以通过利用如图39A所示的模拟-数字(A/D)转换器来进行。例如，通过电流源501H以固定偏压操作的诸如正向偏置的PN结502的温度传感器两端的电压V_f(T)由A/D转换器515监测，并通过I²C接口514转换成串行数据以便与其他系统中的电路。如果来自传感器和输入到A/D转换器的信号对于数据转换器的分辨率或灵敏度来说太小，则可以使用运算放大器来提升信号。

由于I²C接口514或任何其他串行总线通信方法利用“串行信息”，串行总线上的温度报告不是连续的。相反，所测量的数据是“采样”的，即以规则的间隔以突发发送，或者根据中央控制电路或微处理器的请求发送。在温度监测的情况下，不需要使用连续数据，因为任何物体的温度在几毫秒，几秒或几分钟内缓慢变化，而电子元件在几微秒内起反应，基本上立即与温度变化相比较。换句话说，温度监测似乎是即时和即时的，即使它不是。

为了对大面积的传感器进行定量监测，可以采用几种方法

·并联传感器，仅检测和数字化最低电压传感器组件，将其转换为串行数据，然后通过串行总线将数据传送到中央控制电路或微处理器，如图39B 所示。

·复用每个传感器的模拟数据，数字化每个传感器的电压数据并将其转换为串行数据，然后通过串行总线将数据传送到中央控制电路或微处理器，如图39C所示。

·将每个传感器的数据数字化并将其转换为串行数据，然后通过串行总线将每个传感器的数据传送到中央控制电路或微处理器，如图39D所示。

参照图39B，包括由共享电流源502I驱动的诸如502I，502J，502K， 502L和其他(未示出)的正向偏置PN二极管的并联温度传感器500I，500J， 500K，500L和其他(未示出)产生V_fi(T)，V_fj(T)，V_fk(T)，V_fl(T)或其他(未示出)的基本上包括最低电压二极管的电压的单个模拟值。该最低电压值由传感器接口511I中的A/D转换器515数字化并通过I²C接口514 转换成串行数据。假如二极管良好匹配或校准，最低电压二极管将代表最热传感器，即最热的部分系统。

在图39C中，分布在电路500M，500N，500O，500P和其他(未示出) 上的温度感测二极管502M，502N，5020，502P和其他(未示出)被电流源 501M分别监控和驱动，使用模拟多路复用器MUX 516包含在传感器接口 511M中。在多路复用期间，数据由A/D转换器515顺序数字化，并通过诸如I²C 514的串行接口传送到系统。多路复用传感器的优点是每个传感器可以被单独监视以知道数据是什么以及在哪里它来自于。多路复用的一个缺点是它需要将多个印刷电路板连接到每个单独的传感器，从而使完全冗余的实施具有挑战性。

另一种方法是为每个传感器复制传感器电路500Z，并使用I²C总线519 将来自每个传感器的信息中继到系统的MCU。如图39D所示，每个传感器电路500Q，500R，500S和其他(未示出)每个以规则的间隔或者通过数字总线请求发送数据。本应用稍后会公开MCU如何通过输入数据进行分类以区分冗余数据和独特测量。

以类似于传感器的方式，用于诸如LED的能量发射装置的分布式驱动器可以包括在系统中的单个实例中唯一地发生的“重要”电路功能，或者可以包括阵列中的组成“元件”的“基本”功能，或者矩阵。每个电路元件代表通常以规则模式重复的“一个多个”相同的组件，或者在印刷电路板的基质或网格上固定的周期性重复。在包括具有相同基本电路功能的“n”个克隆的分布式系统中，每个驱动器电路可被称为“1中的n”电路元件。一个独特的驱动程序的例子包括用于执行光学化学分析如血氧检测的LED驱动器。相反，基本电路功能LED驱动器包括用于照亮大面积的LED元件矩阵，例如在用作光疗系统一部分的光疗聚合物衬垫中。

图40A中示出的具有冗余RF≥1的LED驱动器550A代表LED驱动器中的一个这样的基本电路功能-在功能上等同于先前在图36B中示出的重要水平LED驱动器460C，除了其较低的冗余因数互连性之外。如图所示，LED 驱动器550A包括串联连接的LED串571A到571N，电流控制装置570和晶体管574C，用于以受控的频率和占空因数对LED进行脉冲。通过冗余连接+HV 555和接地552提供LED串的电源，并且通过驱动连接到晶体管 575的基极的冗余连接554C的控制信号来控制LED串的电源。示出为双极晶体管的晶体管575也可以包括MOSFET。

包括LED，用于LED驱动器550A的电路可以重复为网格或阵列图案以覆盖大面积。例如，在图40B所示的LED阵列中，16个LED驱动器电路元件的矩阵分布在由软性299电连接的硬性印刷电路板的矩阵上。每个LED 驱动器550元件包括“1中的16”LED驱动电路元件。这些元件可以使用序号例如顺序地识别。16个元素中的第16个元素，16个元素中的第5个元素， 316个元素中的第15个元素，或者通过使用先前描述的唯一的C_r,c行列矩阵数字用于直线网格图案，其中C_1,2标识位于LED驱动电路在矩阵的第1行和第2列电路中，C_3,2标识位于矩阵第3行和第2列电路中的LED驱动电路，C_4,4标识位于右下方的LED驱动器即矩阵的第4行和第4列的电路等。由于这些LED驱动器在分布式系统的电网中的许多“实例”中重复出现，所以它们中的任何一个都不会损害整个系统的操作。如所示，角印刷电路板302 仅具有两个软性连接。除拐角之外，列1和列1(即整个最左列和最上列) 均包括每个具有3个软性连接的印刷电路板303。LED矩阵的其余部分利用具有四个软性连接的印刷电路板304。

由于分布式LED的基本电路功能仅需要有限的冗余因子RF≥1，因此与 LED驱动器的信号电平通信不能充分利用可用的冗余。如图40B所示，LED 信号总线580包括每行印刷电路板的单条线，即在行1至4中，但仅包括两列中的连接，具体地在列1和列3中。所产生的信号分布传送三个LED信号总线580与RF＝2连接到电路C_1,3和连接到(非角落)列1电路C_2,1，C_3,1和C_4,1，并将RF＝3的四个LED信号总线连接传送到第3列电路C_2,3，C_3,3和C_4,3，但是仅向其余的电路元件(包括拐角处的电路元件，即电路C_1,1)和偶数列(例如包括电路C_1,2的列2)提供RF＝1的冗余级别，C_2,2，C_3,2和 C_4,2，第4列包括电路C_1,4，C_2,4，C_3,4和C_4,4等等。总之，对于图40B所示的 LED信号总线元件，除了第一行和第一列之外，网络包括RF＝1和RF＝3 的交替列，其中LRF＝1且ARF≥1.63，从而满足RF≥1的要求用于具有“良好”冗余的设计中的基本电路功能。如果阵列变大，则第一行和第一列对平均冗余因子的影响较小，因此在极限情况下，ARF应接近RF＝2的值。

为了便于数字总线通信来控制LED，可以包括I²C接口514以驱动LED 信号总线580，如图40C所示。在这个例子中，总线接口连接到RF＝3的网络中，但是许多被驱动的元件具有较低的冗余度，即RF＝2或RF＝1，其中 LRF＝1且AVRF≥1.8，精确值取决于数组的大小。

这种LED驱动器设计方法的局限性在于，每个LED驱动器中的LED被限制在与其驱动电子器件相同的印刷电路板上，即为了保持期望的冗余水平， LED，电流源和晶体管被限制在同一硬性印刷电路板内。从一块印刷电路板上分离LED并将它们分布到多块印刷电路板上会自动降低冗余度。这个问题在图40D中示出，其中虽然它们串联电连接，但电流源570和LED 571A 和571B位于电路C_1,1内，LED 571C，571D，571E和571F位于电路C_1,1内，并且LED571G和571H以及晶体管575位于电路C_3,1内。因此，即使通过与印刷电路板302上的电流源570的电力连接具有冗余RF＝1，LED 571B 的阴极与印刷电路板303中的LED 571C的阳极之间的连接也仅具有一个电路径579A，并且因此没有冗余，即RF＝0。同样的问题存在于LED571F 的阴极和571G的阳极之间的连接-连接579B中的单个中断使所有LED中的导通失效，导致所有三个电路C_1,1，C2，1和C_3,1。由此产生的系统冗余为LRF＝0，不符合基本级电路功能的“良好”冗余设计标准。

通过为LED提供冗余路径可以解决这个问题。图40E中示出了一种这样的方法，其中除了电路C_1,1和C_2,1之间的串联连接579A之外，LED 571B 的阴极和LED 571C的阳极之间的第二冗余连接579C物理地路由通过电路 C_1,2和C_2,2。虽然通过包含电路C_1,2和C_2,2的印刷电路板的连接路径，但导体不与中间印刷电路板上的任何其他电路电连接。类似地，除了电路C_2,1和C_3,1之间的串联连接579B之外，LED 571F的阴极和LED 571G的阳极之间的第二冗余连接579D通过电路C_2,2和C_3,2物理布线。虽然通过包含电路C_2,2和 C_3,2的印刷电路板的连接路径，但是导体不与中间印刷电路板上的任何其他电路电连接。在这种冗余设计中，冗余路由通过相邻列发生，在这种情况下，发生在位于LED串本身右侧的印刷电路板列上。虽然这适用于大面积，但对于最右边的列而言，这会成为问题-失去冗余。为了满足系统所需的冗余级别，最后一列不能包含有源电路。

在图40F中示出了优良的冗余设计方法，其中在列1中除了电路C_1,1和 C_2,1之间的串联连接579A之外，LED 571B的阴极和LED 571C的阳极之间的第二冗余连接579C物理地路由通过电路C_1,2和C_2,2，并且除了电路C_1,2和 C_2,2之间的串联连接579E之外，在列2中，LED572B的阴极和LED 572C 的阳极之间的第二冗余连接579G是物理地路由通过电路C_1,1和C_2,1。尽管冗余连接579C经过电路C_1,2和C_2,2以向第一列LED驱动电路的连接579A 提供冗余，并且虽然冗余连接579G经过电路C_1,1和C_2,1以向第二列LED驱动电路的连接提供冗余579E中，冗余互连与位于它们穿过的印刷电路板上的电路没有电气相互作用。用于实现第一和第二行电路之间的冗余的相同方法类似地用于第二和第三行。由于这种冗余连接579D横穿但不电连接到电路C_2,2和C_3,2提供串联LED连接579B的冗余，并且类似的冗余连接579H 横穿但不电连接到电路C_2,1和C_3,1提供串联LED的冗余连接579F。以这种方式，LED驱动电路保持RF＝1的冗余度，即每个LED串中的两个连接路径，即使LED被分开并分布在不同的印刷电路板上。通过保持LFR≥1，分布式LED驱动系统中的基础电平电路可获得“良好”的冗余性能等级。

在图41中示出了用于驱动图42中所示的局部电力负载582和局部电力储能器583的负载点调压器581的具有RF≥1的基本级电路功能的另一示例。局部储能对于减少跨分布式系统传输高电流的需求，并通过在短距离内本地提供瞬态浪涌来避免软性互连中的电流尖峰。如图43所示，能量存储装置 583A可以包括高电容值常规电容器412H或者如电路583B所示可以包括超级电容器584。与常规电容器不同，超级电容器的独特化学性质需要充电电路584和小滤波电容器412G。

冗余电路中使用的另一个重要元素是硬性印刷电路板作为电路互连的作用。如图44所示，这些互连链路可以包括L形连接，包括电力462，一个或多个信号线464以及用于互连两个软性连接的接地460。可选地，在T形连接件586中，导体连接到三个软性连接件，并且在“+形”交叉点连接件587 中连接四个单独的软性连接件，以确保电源462，接地件460和信号线464 仅连接到它们类似的类型连接。在588下交叉，包括两组电路的四个软性连接器在不连接的情况下彼此交叉，即电力462A连接到两个软性连接器但不电连接到电力462B，接地460A连接到两个软性连接器但不电连接到地线 460B，并且信号线464A连接到两个软性连接器上的它们对应的信号线，但不电连接到任何464B信号线。

辅助电路功能-辅助电路功能的作用主要是提供信息和便于使用设备。辅助电路功能故障不会影响设备的操作。

分级冗余分布式电子系统-在根据本发明制造的分级冗余分布式电子系统中，将关键的，重要的，基本的和辅助的级别功能组合在一起，可以实现具有高互连可靠性的3D可挠曲的大面积或可穿戴设备。

图45中示出了分层设计的示例，其将传感器阵列498，电压调节器400D，电池和充电器与受保护系统连接400A，本地能量存储器583，传感器接口 499，信号处理DSP 430B，中央控制MCU 430A，和WiFi无线电链路430D 组合成单个可穿戴3D可挠曲电子系统。所示的系统连接包括拐角电路C_1,1中的单个双连接器印刷电路板302，第一行和第一列电路C_1,2，C_1,3，C_1,4， C_2,1，C_3,1中的三个连接器印刷电路板303，C_4,1和四个连接器印刷电路板304 遍及系统的其余部分。该系统可以分成几个功能层，包括图46A中所示的配电系统和图47中所示的信号分布。如图46A所示，配电系统的概述包括

·电路C_2,3-包含受保护系统连接，电池充电器和电池的电源PSC 400A

·电路C_3,3-电压调节器400D

·电路C_4,1-包括电容器或超级电容器和充电器的本地能量存储器583

·用于电路C_1,4，C_2,1和C_4,1的T形链路

·其余电路元件的电气负载

配电系统包括两条电力母线。具体而言，未经调节的电力总线590从未调节的电压源传导电力，而电力总线592分配低电压调节电压。一些系统还可以分配高压总线，例如，40V。图46B示出了使用冗余RF＝3将PSC(电池)400A连接到电压调节器400D的未调节电力总线590的配电网络。图 46C示出了电压调节器400D使用冗余RF＝3连接到调节电压总线592。因此，配电系统具有LRF＝3的冗余。

对各种电气负载的电力供应取决于供电电路的重要性。电路C_3,2，C_3,4和 C_4,3中的临界电负载使用具有冗余RF＝3的电压总线592连接来接收功率。电压总线592将功率输送到具有RF＝2的存储电容器583以及非关键电气负载591具有从RF＝1变化到RF＝3的冗余。图47中示出的信号分布图示出信号总线594连接到具有冗余RF＝3的关键电路DSP 430B，MCU 430A 和传感器接口499到重要的电路功能，例如具有冗余RF＝2的WiFi无线电 430D以及具有从RF＝1到RF＝3的冗余范围的诸如传感器阵列元件498之类的基本电路。下表中示出了在该系统中使用的冗余的概要：

从上表可以看出，每个关键功能的冗余RF≥3，每个重要功能的冗余RF≥3，每个基本功能的RF≥1。因此，设计方法体现了分布式系统的“良好”冗余水平。

冗余信号通信和协议-各种印刷电路板和电路之间发送信号的通信协议取决于产品或系统的性质以及系统的工作频率。由于分布式系统的许多应用涉及在音频频谱中以固有频率工作或以较低频率(即低于20kHz)运行的生物测量监视或医疗应用，因此分布式系统中的电路之间的通信所需的速度由于电子标准而相对较慢。通信数据速率在几百千赫的范围内，类似于1²L 标准化总线协议的频率，通常适用于分布式系统的模拟和数字信号分配。分布式系统所特有的主要考虑因素是分布式网络如何影响定时，波形形状以及跨准准并行路由的相同信号(即冗余信号路径)的同步，而不是速度问题。流动部分讨论实施电子系统对大面积区域的影响以及如何解决实际冗余物理系统中出现的问题。在其他情况下，为了达到同步的目的，必须在整个分布式系统中分配一个公共时钟频率。时钟重建也在本节中讨论，但作为一个单独的主题。

图48示出了作为标记为对应波形603A，603B和603C的三个单独信号Φ_A，Φ_B和Φ_C发送的相同信号的理想化分布，其中来自信号源600的信号通过三个不同且分离的单元发送到信号接收器601冗余互连路径602A，602B 和602C。所示的信号源和信号接收器可以代表前面描述的任何电路，代表关键的，重要的，基本的或辅助的电平功能。理想地，如果冗余路径602A， 602B和602C的长度相等并且具有相同的寄生电阻，电容和电感，则由接收器601接收的三个信号将与由信号源600最初发送的三个信号相同。除了完美的可能性匹配的传导路径，下一个最理想的条件将表示波形602A，602B 和602C全部以完全相同的方式被延迟或失真的情况，使得它们到达接收器 601将代表单个一致的模拟波形，尽管不同于原始“发送”波形。

不幸的是，如图49所示，这种理想状况是不太可能的，并且每个波形都可能随时间而改变，即延迟或改变形状，即由传播的携带信号的电网造成的失真。如图所示，原始信号603A经历相移延迟，导致波形603A′相比于没有经历这样的延迟并且与其原始波形603B接近匹配的波形603B′。更糟糕的是，如图所示的波形603C′遭受失真，改变了波形本身的模拟内容，这意味着振幅随时间的变化。

如图50A所示，当这三个信号到达它们的目的地电路时，将三个连接 602A，602B和602C硬接线到中继链路601中的单个节点中导致产生包括所得到的信号Φ_X的新波形603X，传入的信号与原始信号不同。该信号失真表示时间，幅度和谐波频率内容的变化。接收电路是否能够利用这种噪声和失真波形取决于电路是什么以及它对高频成分的敏感程度，即信号Φ_X中的快速动态扰动。例如，如果接收电路只能对缓慢变化做出反应，例如对于人体心电信号(心脏脉冲)的平均电路，它可能完全忽略高频噪声。如果接收电路能够对高频作出反应，例如，无线电发射机中的RF调制器，额外的噪声可能会干扰通信，降低无线电的信噪比性能，缩短其可用广播范围，并可能导致不必要甚至非法电磁干扰(EMI)的发射。

从信号传播中去除不需要的噪声和失真的一个简单方法是采用低通滤波器作为如图50B所示的任何电路的输入，其中携带信号Φ_X与时域波形 603X的连接602X具有对应的频域分布606X。频域谐波含量606X是信号 |Φ_X(f)|的大小的曲线图在每个频率f。该图形的横坐标从左侧的低频到右侧的高频。尽管频率分布606X的频率含量低于低频率，但它仍然具有显著的高频成分-这意味着在制造高频成分的麻烦中存在大量能量。通过滤波器电路605，低通滤波器包络607切割导致图中右上角的曲线图所示的较低频率谐波606Y含量的高频分量。输出602Y因此携带对应于时域波形603Y 的输出信号Φ_Y，比输入波形603X更平滑和更好地表现。

如图所示，中继节点601的另一个问题是，三个输入互连602A，602B 和602C在一个点上连接在一起，即它们在电路的输入处一起短路。尽管这种连接不受开路故障的影响，但如果发生任何事情导致其中一条线路短路，整个电路将失效。尽管这是用于软性连接的不太可能的故障模式，但是提供对来自短路信号线的故障的免疫性的一种方式是通过使用如图50C所示的模拟求和节点610来实现信号链路601。模拟求和节点610的实现包括多输入运算放大器611，在所示的示例中，三个反相输入连接到承载通过对应的输入电阻器612A，612B和612C连接的信号Φ_A，Φ_B和Φ_C的输入，每个输入电阻器具有匹配的电阻R_in。为了稳定，每个输入使用分别使用电阻器613A， 613B和613C从输出连接602X到运算放大器的负输入的负反馈全部匹配到相同的电阻值R_fb。以这种方式，信号被相加，即平均，并且如果一个信号失败开路或短路，则它不妨碍放大器重新产生信号以支持正常的电路操作。

避免冗余电路连接的相位延迟问题的另一种方法是仅使用如图50D所示使用模拟多路复用器615或“多路复用器”选择的输入信号中的一个。如图所示，模拟多路复用器615包括三位一进模拟多路复用器或“SP3T”电子开关。 SP3T是开关命名约定，意思是“单刀三掷”开关-其中单个连接可以被路由到三个开关位置之一，在这种情况下，在输入602A上选择信号Φ_A，Φ_B和Φ_C中的一个，602B或602C并将其路由到其输出602X，即产生信号输出Φ_X。关键问题是链路601如何知道选择哪个开关。

这个问题通过活动监控电路616的功能来解决，该电路是一个电子电路，用于检测当时具有随时间变化的信号的两个或多个输入，即“活动输入”。活动监视器616然后通过使用多路复用控制信号617选择模拟多路复用器615 的开关位置，选择这些输入中的一个作为链路601的输出。在大多数情况下，断开的软性连接将导致链路615的一个输入不显示活动，这两种情况中的任何一种都可以被选择。如果在不太可能的情况下两个软性电路受损并且两个输入(例如，602A和602B都是死的，那么只有输入602C显示活动并且它将被选择。在没有任何输入活动的情况下，多路复用器保留其最后的选择。通过指示发送电路偶尔发送ping消息来让系统知道它仍然存在并且连接仍然完好并且可操作，可以克服无活动的风险。

图50E图示了另一种用于过滤由多个冗余输入的硬连线连接导致的噪声输入信号的手段。如图所示，链路601采用采样和保持电路620，以由具有明显高于信号Φ_X的频率的频率的时钟607设定的规则间隔，即Φ>>Φ_X来获取混合信号Φ_X的模拟样本。采样和保持电路620的结果输出信号Φ_X包括大致遵循形状原始混合波形603X的一系列模拟电压阶梯步骤603Z。通过采用固定时钟频率波形603X中的可变频率噪声内容被与时钟607相对应的已知频率噪声替代。由于噪声是定义的固定频率，因此滤波器605很容易将其去除而导致平滑表现重建信号Φ_Y的良好行为输出波形603Y。

管理分布式系统中数字信号通信的相位延迟比处理模拟信号要容易得多。如图51A所示，通过冗余路径发送数字脉冲的主要效果是任何传播延迟导致信号的相移，其中在这种情况下表示数字信号Φ_A，Φ_B和Φ_C的波形623A， 623B和623C稍微移动在时间上，即波形623B开始和结束稍微晚于波形 623A，并且其中波形623C开始和结束稍微晚于波形623C。例如，在时间 tsig之后，第一输入信号的接通时间，逻辑门驱动信号线602A切换到低状态，即切换到逻辑“0”。同时，逻辑门驱动信号线603A仍试图将信号驱动到高状态，即逻辑“1”。由于两个逻辑门不能同时将同一条线驱动为两个不同的逻辑状态，因此不能使用有线“或”逻辑连接。

为了防止逻辑门之间的争用，布林逻辑“或”门621被引入以对表示冗余数字连接的三个逻辑输入信号Φ_A，Φ_B和Φ_C进行逻辑求和。当其输入中的一个或多于一个输入为高时，或门导致输出602W产生逻辑“1”状态，即Φ_W＝ {Φ_A+Φ_B+Φ_C}。结果波形623W转变为与第一输入波形623A并行的高状态，但在持续时间tsig的时间624A之后不会降至逻辑低。相反，输出在持续时间Δt的额外时间624B保持在逻辑“高”，直到或门621的所有输入降到它们的低状态。结果是脉冲623W的宽度比输入脉冲的持续时间更长，否则保留冗余通信的信号和数字数据内容。

图51B说明，如果需要固定的持续时间，或门621的输出可被馈送到逻辑与门625的输入端。时钟或定时器607将第二输入馈送到与门625，仅在触发时开始计数626，表示或门621的输出的状态变化。在或门621的输出和时钟或定时器607的输出都为高的期间，与门625的输出623Q保持高电平。在设定的持续时间后，例如在持续时间tsig之后，时钟或定时器607的输出变低并且逻辑门625的输出也变低，导致具有固定持续时间的输出波形623Q。

冗余时钟通信与协议-以类似于处理一组冗余输入信号以避免模拟失真和数字数据争用的方式，冗余系统中时钟信号的分配和处理需要选择最佳可用时钟信号来同步任何给定电路。根据本公开，分析多个时钟信号以重构时钟信号并识别最佳来源，而不是建议两种特定方法来实现冗余电子系统中的最高时钟一致性水平。这两种方法如下：

·在采用I²C等时钟串行总线通信的情况下，用于加载数据的移位寄存器应该利用同一个软性互连上存在的时钟信号作为其相关的数据总线。换句话说，在数据总线读操作期间，应使用与特定串行数据总线配对的时钟信号来为数据提供时钟，因为该信号与传输延迟中的数据总线匹配。

·对于系统时钟同步，应将用于到达给定电路的时钟输入的第一个时钟信号和印刷电路板用于系统同步。在下一个周期开始之前，应该忽略在相同时钟周期内到达其他时钟输入线的延迟时钟信号。

在图52所示的冗余时钟发生器电路中示出了忽略迟到信号的一种手段，其中总线630A，630B和630C上的输入时钟信号

和

通过布林逻辑或门636组合以产生单个波形639以类似于图51A所示的方式变化持续时间。为了产生一致的时钟信号，脉冲的前沿触发单触发637，一个触发的电路产生具有预定义持续时间的数字脉冲640，并且在限定的时间段内忽略任何附加输入，即它不触发重新触发而它的逻辑高输出状态。以这种方式，用于驱动电路的清洁时钟脉冲由多个冗余信号导出。即使在不同的电路 635A，635B和635C中，所得到的时钟信号也将具有相同的持续时间，但是对于脉冲641A，641B和641C的前导时钟边沿将基于特定电路距离时钟源。通过这种方式，电路的时钟与其信号和本地功能一致，即使在稍后发生在分布式系统印刷电路板的后沿上的时钟与它在源处的时钟相同，以类似于时区功能的方式工作-管理信息在当地。

冗余串行总线通信和协议-另一种方便通过分布式系统进行通信的方法是使用串行总线。与模拟和数字数据相比，系统时钟的时间顺序排列并传送到每个电路，甚至不需要访问数据的电路，通过串行总线发送的数据包可以包含指示接收电路是否要处理的重要信息一个传入的数据包或忽略它，不管这些信息是否涉及特定类型的电路功能，例如，传感器数据，以及两个输入分组是否具有相同的发送者和内容，即分组是否表示唯一或冗余信息。时间信息也可以用来确保数据包的正确排序。

如图53A的示例网络所示，数据总线通信涉及两个不同的功能，即读取或接收来自总线的输入分组，并将数据写入或发送到总线上。这些串行总线可以实现只有两个设备(如USB)之间的点对点通信，或者可以连接到共享的公用总线上。当数据总线，例如总线数据640A通常以图形方式表示为单条线或线，但实际上其通常可包括1条至7条不同的线加上可选的单独时钟线。

在电气上，串行总线可以包括同时发送到网络或系统中的每个设备的单组信号，或者可以替代地仅以两个电路之间的点对点通信发送，然后复制并发送到串行网络。在共享电气总线的情况下，作为接收器操作，串行接口电路的一个功能是接收每个传入的消息或数据分组，临时存储它，决定它是否是数据分组的预期接收者之一，然后将数据包的数据内容传递到同一印刷电路板上的本地电路上以供使用，否则将其丢弃-换句话说，首先接受该消息，然后决定是否应该使用它。由于无论如何，接收到的数据包已经发送到每个网络连接电路，因此每个接收总线收发器都不负责通过串行总线转发消息。

在点对点串行通信中，每个接收数据包的电路承担将接收到的数据包的相同副本转发到数据网络中的邻居的责任，并且同时决定接收到的数据是否也打算用于其特定电路。在这种情况下，不存在由多个电路共用的公共电连接或导体。相反，每个收发器都电操作为接收器和信号中继器，由此无论所接收的数据分组是否打算供特定电路和印刷电路板使用，都会发生消息转发。

因此，无论串行总线是否通过共同连接到公共导体组(即物理总线层) 或其他方式而电连接到每个设备，互连设备仍然像它们都共享公共串行数据总线和互连一样工作。通过考虑7层OSI模型 (https://en.wikipedia.org/wiki/OSI_model)，可以最好地理解数据总线作为统一数据链路运行的原理，而不实际共享公共电气连接。在该模型中，网络的物理或PHI“层1”包括设备之间的电或硬件连接，而“第2层”数据即数据链路层确定设备是否将自己识别为网络的一部分。层1和层2的串行通信的电路示意图可以是相同的或者可以不同。

例如，在包括到每个网络连接电路的共享电连接的串行总线中，串行总线640A代表物理层1和数据链路层2等效电路。然而，在使用中继器和点对点通信实现串行总线的情况下，串行总线640A仅示出数据链路层，但不示出底层电气网络。这种“虚拟连接”类似于通过全球网络拨打电话。当用户在呼叫者之间经历唯一的连续连接时，信号的实际路由不是连续的，也不是遵循任何一个定义的电路径。因为与传输的实时数据相比，数据以高数据速率在网络上传输，在这种情况下，串行总线作为发送者和接收者之间的直接连续的连接出现，即使数据以中断方式发送多条路径上的数据爆发。

忽略层1电连接的微妙之处，作为数据链路连接，串行总线承载以串行数据包顺序通过数据总线640A发送的信息。总线数据可以包括内容，即通过分布式系统传送的信息。这样的内容可以包括表示数据，指令或代码的数字“字”，或者可以包括模拟信号或波形的数字表示，即数字化模拟数据，包括声音，EEG波形，ECG波形，从DSP输出的频率分布对实时传感器数据进行快速傅立叶变换(FFT)或其他数学运算。总线数据还可以包括路由和其他命令和控制功能，例如，已收到确认消息的ACK消息。一些但不是全部的串行通信总线包括一个单独的专用串行时钟信号，总线时钟641A，用于将数据移入和移出移位寄存器的时钟信号。数据总线时钟可能与任何系统时钟完全不同，或者从系统时钟作为其参考时基得出。

一些串行总线也采用主-从架构，其中一个特定电路是管理串行总线通信的控制，而在另一些中，各方之间的关系是与第一个传输控制总线之间的对等关系，直到它们被释放为其他“呼叫者”发送数据。图53A示出主-从串行架构的示例，其中串行总线收发器660A示出包括主发送663A，主接收 664A和握手662功能的示例性主串行总线控制器。相反，串行总线收发器 660B和660C示出了包括从发送663B和663C，从接收664B和664C以及握手662功能的从串行总线控制器。在这样的体系结构中，主收发器660A 控制串行通信，并且向连接到从收发器660B，660C和其他电路(未示出) 的电路提供操作指令。反过来，从属设备可以发送回传测量或状态数据给控制器。

串行总线通信协议避免了多个电路同时尝试通过共享总线发送信息的问题，这种情况称为“总线争用”。串行数据总线通信避免总线竞争的手段称为“握手”，即在连接到串行总线的设备之间协商的协议专用通信，包括示意性地表示为“握手”的硬件或固件实现662。

存在许多串行通信技术，每种技术都有自己特定的算法和通信协议。存在包括公共电连接的串行总线的各种PHY(层1)实现，包括I²C，SMB和 AS2C总线。包括需要集线器或中继器以在网络上传播串行数据消息的串行总线的PHY(第1层)实现的点对点串行总线协议包括SCSI，以太网， IEEE1394(火线)，MIDI和USB。通常，使用诸如I²C之类的通用电连接的分布式系统中的“无集线器”的线路间通信涉及比更复杂的点对点串行总线串行通信方法更少的开销和更低的成本。作为通信方法，包括上述国际标准协议的串行总线通信对于本领域技术人员而言是公知的。因此，基本的串行总线操作在这里将不再详述，除非它涉及在具有冗余互连的分布式系统中可靠地执行通信时适配串行总线操作。

无论是通过共享总线还是点对点PHY(第1层)实现来实现，通过冗余通信对分布式电子设备中的串行通信进行适配，都会对冗余通信带来许多独特的挑战。以下所示的串行总线接口实现旨在通过示例而非限制的方式来说明串行通信在冗余通信方法和协议中的适应性。具体来说，在接收到多个数据分组并且知道是否利用或忽略输入数据之前，接收总线接口必须解释和解决关于输入数据分组(即输入消息)的以下问题，即：

·接收到的传入消息是否代表来自多个发件人的不同且唯一的数据包，还是来自共同发件人？

·如果从公共发送方发送，传入的消息是否代表在不同时间顺序发送的唯一消息，或者由于数据序列化的延迟，发送时间有任何细微差异？

·允许串行通信延迟，如果消息是从同一个发送方同时发送的，即如果传入的消息表示冗余数据包，应选择哪个数据包供接收电路使用？

随着数据到达任何给定电路，动态解决这些问题对于实现具有冗余互连的分布式系统的可靠运行非常重要。由于多个消息可能同时到达给定电路的冗余总线输入或者在没有警告的情况下重叠，因此多路复用单个串行接口电路以捕获包括地址和数据内容的输入消息是不可能的。在多路复用期间，给定电路输入上的输入数据很容易丢失和丢失。相反，每个串行接口收发器必须准备好“同时”接收多个传入消息，即使在它有时间解释如何处理数据之前。

完成此任务的一种方法是在给定电路和硬性印刷电路板上为每个串行总线连接包含一个单独的串行总线收发器。这样的方法需要每个印刷电路板两个到八个串行接口，不论在板上的房地产还是材料成本制造费用，即高 BOM成本，都可能是昂贵的。分布式系统中的每个电路和印刷电路板上都不需要实现多个独特的串行接口，而是采用一个缓冲区来实时捕获输入数据，并与单个多路复用串行接口共享以分析和解释数据。以这种方式，作为冗余总线接口的一部分实现的缓冲器捕获数据，而不管它何时到达它的速度和速度如何，并且串行接口电路有时间分析它并在新消息到达之前决定行动的过程。

图53B示出了使用冗余串行接口，其中三个常规串行数据总线640A， 640B和640C与相应的冗余总线接口665A，665B和665C组合以实现多个冗余通信电路669A，669B和669C。如图所示，每个冗余总线接口，例如冗余总线接口669B能够直接连接到多个串行数据总线640A，640B和640C及其相应的串行总线时钟641A，641B和641C，在其到达时捕获消息，独立操作以便当串行接口电路660B解释由串行接口电路669A发送的输入数据分组。

在图54A中示出了冗余总线接口665的一个实现，其中到达串行数据总线640A的数据被复制，即，通过总线时钟641A计时到移位寄存器和RAM 存储器中的“地址缓冲器A”643A中，然后是“读取数据缓冲区A“644A。大约与此同时，到达串行数据总线640B的数据被复制，即由总线时钟641B定时到“地址缓冲器B”643B的第一个，然后是“读取数据缓冲器B”644B的移位寄存器和RAM存储器，并且同样到达的数据串行数据总线640C被复制，即由总线时钟641C时钟控制到“地址缓冲器C”643C的第一个，然后是“读取数据缓冲器C”644C的移位寄存器和RAM存储器中。然后检查每个读数据缓冲器644A，644B和644C的奇偶校验和校验和错误。损坏的数据从存储器645中移除。大小比较器然后将加载到地址缓冲器643A，643B和643C 中的地址中的每个比特与预定义的电路ID#647进行比较，并且确定地址是否匹配，即，如果该电路旨在接收消息，或不。然后将量值比较器的决定馈送到“数据控制”648，识别任何或所有用于该地址的消息。

数据控制648在确定作为目标目的地的该特定电路的消息之后，检查包括读缓冲器644A，644B和644C的存储器645中的数据内容以确定它们是否具有相同的发送时间，即它们是否是冗余的。如果消息被确认为冗余的，则数据控制648选择最早的数据分组并且将该数据加载到数据寄存器649中，在数据寄存器649中将其传递到本地印刷电路板上的电路。

如图54B所示，将数据写入冗余串行总线涉及在数据控制648的控制下将数据传送到数据寄存器653中。加载的数据包括分组的目的地地址及其内容。该数据与电路ID#647数据(即待发送的数据包的源地址)沿着时间650 合并，创建了时间数据发送“写入”数据包。一旦准备好，数据就被装入串行地址缓冲器652并写入数据缓冲器653，准备被发送到串行总线上。如时钟 651所控制，串行总线接口651A将写入数据发送到串行总线640A，串行总线接口651B将写入数据发送到串行总线640B，串行总线接口651C将写入数据发送到串行总线640C。通过这种方式，数据内容和两个冗余副本在串行总线上传输到分布式系统中的其他电路。

在图54C中示出了用于冗余串行数据分组的一种可能的数据格式，其标识数据分组的目的地地址670，用于生成数据分组的电路的源地址671，数据分组被创建的时间672以及数据分组的内容674，即其有效载荷。在OSI 模型中，地址可被视为媒体访问控制或与OSI第2层(链路层)对应的MAC 地址。实例#673是用于标记冗余数据包的可选字段。实例#＝0是数据的第一个实例，实例#＝1是同一个数据包的第一个冗余副本，实例#＝2是同一个数据包的第二个冗余副本等。

当冗余总线接口接收到新数据分组时，接口可以使用来自包含时间672，实例#673或嵌入在有效载荷574中的其他唯一分组数据的字段的数据来过滤来自给定数据源的输入分组以识别冗余。在此方式冗余的数据包可以可靠地采用，以确保分布式系统的命令和控制冗余，提供超出冗余电气互连冗余度的冗余度。

冗余机械设计-根据本发明制造的分布式电子系统的机械设计必须满足许多设计目标，即：

·覆盖分配组件所需的区域，包括传感器，LED或其他能量发射设备。

·提供足够的区域以将控制电路和电源集成到系统中。

·在整个系统中提供冗余电源和信号分配。

·促进3D可挠曲印刷电路或其他软性基板能够符合任何所需的形状，特别是在可穿戴设备和医疗设备的情况下，系统必须灵活贴合人体或动物身体或身体部位的形状。

·避免在重复的弯曲循环过程中，电路板安装部件的电气连接处发生破损或机械故障，包括防止焊料开裂，线路抬起，断线，引线断裂，焊球开裂和印刷电路板脱落的部件，部分通过减小应力以及安装有半导体和其他部件的印刷电路板的变形。

·促进软性连接能够经受成千上万次弯曲循环而不失败，包括避免挠曲破损，挠曲撕裂以及挠曲至硬性印刷电路板界面的撕裂。

·防止水分，汗水，血液或化学物质损坏元件和印刷电路板痕迹，包括但不限于水分引起的电短路，腐蚀，长丝形成，盐和离子化合物短路的可能性。

以类似于之前描述的电冗余的方式，机械冗余涉及设计冗余阵列以最小化软硬结合印刷电路板的机械损坏的风险。冗余分布式系统中硬性印刷电路板的机械强度取决于硬性印刷电路板在矩阵中的位置及其相关连接的数量。衡量冗余机械设计强度的一种方法是将每个软性印刷电路板分类为不受支持的自由度或DOF。例如，如角落印刷电路板702的图55A所示，一个自由度包括x方向应力770X，其可导致挠曲299中的撕裂应力701X。撕裂应力是一种特殊类型的弯曲应力，其中沿给定方向线(in材料的平面受到撕裂应力)，线的一侧在与材料正交的方向上被向上拉，并且在划分相同材料的线的另一侧被向下拉，即垂直于材料的方向与向上的力相反。因此，撕裂力实际上是两个弯曲力，沿着分隔两个区域的线的一个向上的和另一个向下的作用力。直观地说，撕裂力可以通过考虑撕裂一张纸来理解，或者在地质学上被理解为沿着地震断层线与地理(构造)板分离的滑移。

第二自由度包括y方向应力770Y，其可导致弯曲299中的撕裂应力 701Y。拐角印刷电路板302支撑件上的第三应力方向700W包括对角定向运动，导致撕裂应力701X和701Y上的额外扭矩。出于这个原因，角印刷电路板被描述为DOF＝2+，这意味着它在x，y和对角线方向上具有损伤风险。通过将角线299B加到导致图55B所示的角印刷电路板703A的拐角上，可以改善拐角印刷电路板702的强度。对角线软性299B的添加将x方向应力700X拉伸分开两个软性印刷电路板上的撕裂应力701X，类似地y方向应力 700Y降低撕裂应力701Y。为了澄清，虽然撕裂或可能发生撕裂的线可以随意地称为撕裂或撕裂力的方向，但是在撕裂材料(在这种情况下为软性印刷电路板层)期间施加的实际力，垂直于撕开的材料片。

对于非角落边缘印刷电路板，图56A中所示的三个连接器印刷电路板 703B主要仅在y方向上经受应力770Y，导致DOF＝1。虽然弯曲力可以在两个方向上施加，但是软性互连硬性印刷电路板阵列为结构提供机械支撑，将力分布在大面积上并使任何中心元件不可能撕裂。这个属性类似于一张塑料或圣诞节包装纸，其中泪水不会始于中心，而是始终从边缘开始，然后在纸张上传播。在这样的过程中，撕裂的传播将中心部分转换成边缘，即与撕裂相邻的材料作为边缘并且不能抵抗撕裂力以及在撕裂开始并从边缘或角部传播之前的中心部分。

简而言之，对于在正常使用3D衬垫期间发生的力的范围，撕裂力可以撕裂软硬结合印刷电路板中软性材料的垂直边缘，水平边缘或拐角。因此，水平定向的T形软硬结合印制电路板元件只能垂直撕开，垂直定向的T形软硬结合印制电路板元件只能水平撕开，且角件可沿两轴撕开，即两度自由。可以通过增加一个对角线方向的软性连接来增强角件的额外支撑，但角落仍然会受到x和y方向的撕裂。由于这种边缘部件具有1个自由度，但角落不可避免地受到2个自由度的限制。具有+形连接(或更多)的内部件不受任何自由度的限制，因为混乱将所有内容保持在一起，即DOF＝0。

如图56B所示，通过添加对角线299B可以改善边缘印刷电路板的强度，由此5-连接印刷电路板705通过在弯曲299和299B上分布力来减小y-方向应力701Y，从而降低撕裂应力701Y。图57显示了零自由度内部印刷电路板的两种设计，即DOF＝0，这意味着角落和边缘印刷电路板中不存在撕裂力。尽管没有撕裂应力，但具有八连接印刷电路板708的分布式网络的机械强度仍然大于四连接印刷电路板704。

图58显示了各种冗余设计的分布式系统的整体损伤抵抗能力图。对于 DOF＝2+的拐角元件，三个连接器印刷电路板703A比两个连接器印刷电路板703A强，但弱于DOF＝1边缘印刷电路板设计，包括三连接器印刷电路板703B和超强度设计五连接器印刷电路板705.没有任何撕裂风险，内部印刷电路板优于DOF＝1和DOF＝0，按照四连接器印刷电路板704，六连接器印刷电路板706和八连接器印刷电路板708的强度排列。

图59显示了总体抗损伤强度对抗弯强度的要素，其中弯曲或弯曲强度的范围从硬性和不可挠曲到易于弯曲。抗撕裂性691的图表示出了低抗弯强度下的高抗撕裂性，这意味着更坚硬的软性连接器不易撕裂。在高弯曲强度下，意味着使用高度可挠曲的软性连接器，撕裂阻力显著下降。相反地，弯曲强度对抗挠曲破裂692的曲线，即抵抗挠曲连接的破裂的阻力，说明更硬性(较不可挠曲)的挠曲连接器更容易发生破裂失败。抗弯强度693与弯曲强度的总体曲线说明了两种竞争机制的折衷，其中最佳强度发生在适度的软性水平上，不太可挠曲且不太僵硬。

冗余几何设计-图60A的设计示出了方形栅格设计750上的方形硬性印刷电路板，其包括拐角，边缘和内部印刷电路板702，703和704的直线组合。基于布置在方形栅格图案上的方形印刷电路板，设计750对于方形，矩形和带状应用。硬性印刷电路板通过在直线网格上定向的软性互连线互连。

图60A所示的另一种几何设计760包括设置在包括角部印刷电路板 713A，水平边缘印刷电路板713B和715A，垂直边缘印刷电路板714以及内部印刷电路板716的六角形网格上的六角形硬性印刷电路板。基于六边形网格上的六角形印刷电路板图案，设计760可用于弯曲，圆形，杯形和不规则形状的表面。硬性印刷电路板通过在直线网格上垂直定向的软性299互连以及使用对角线299B互连水平互连。

图60B示出了方形栅格设计751上的正方形硬性印刷电路板的变体，其包括拐角三弯曲连接印刷电路板703A，四个软性连接边缘印刷电路板704A 和具有六个软性连接的内部印刷电路板706B。这种设计为拐角印刷电路板 703A提供了比之前所示的设计750更大的机械强度，并将边缘印刷电路板的机械强度从3个改进为4个软性连接器。内部印刷电路板强度从四个改进为六个软性连接器设计。在印刷电路板设计751中右侧插图中示出了印刷电路板设计751的轻微变化，其中单个x形连接299X被添加到矩阵的左上角，否则印刷电路板利用均匀图案的连接器299在正方形带对角连接器299B的网格。

图60C示出了在整个提供优良机械支撑的篮子编织图案上的两种变化。篮编织图案包括布置成方形或矩形网格的软性连接器299和在上升和下降对角线上定向的对角线软性连接器299B。作为这种转角印刷电路板703A，边缘印刷电路板705A和内部印刷电路板708分别展示来自3,5和8个挠性连接器的机械支撑。在篮式编织印刷电路板设计753中，硬性印刷电路板是方形的，而在篮式编织印刷电路板设计754中，它们是矩形的。

图60D显示了硬性印刷电路板在整个印刷电路板矩阵中的大小不需要一致，只要围绕扩大印刷电路板的印刷电路板的尺寸可以通过在其周围增加更小的印刷电路板来弥补。例如，在左侧的设计755中，内部印刷电路板 724Y制造得比图60A中所示的印刷电路板704大。为了通过这个放大的元件容纳更大面积的消费者，与均匀的印刷电路板相比，印刷电路板722,723 和724的尺寸成比例地减小。

图60D中的右侧图例示了使用不均匀大小的印刷电路板的另一印刷电路板设计756。在这种设计中，尽管增加了大面积的印刷电路板734Z，周围的印刷电路板的尺寸没有减小，但印刷电路板的角落太靠近并且阻碍弯曲的问题可以通过“夹角”来避免，从而增加了角落到角落间隔并消除硬性印刷电路板的锐利边缘。通过消除尖锐的边缘，该设计还降低了印刷电路板设计756 可能穿透并损坏在弯曲和正常使用期间组装的矽胶或软性塑料外壳的风险。在设计方法中，具有四个软性连接器的扩大印刷电路板734Z具有全部四个角，并且因此包括不规则的八角形。如图所示，面向扩大的印刷电路板734Z 的三个和四个软性连接的印刷电路板733和734具有夹住的两个角部以形成不规则的六角形，而两个，三个和四个软性连接的印刷电路板732A，733A 和734A仅具有一个夹角，由此包括不规则的五角星形。

图60E所示的设计757示出了设计中可以包括放大的角落夹持印刷电路板734Z的多于一个实例，由示例位于对角线上示出。使用这种方法，更多的印刷电路板可用于集成控制电路，而较小尺寸的均匀分布的印刷电路板元件非常适用于传感器，LED或其他能量发射设备。在设计758中，在印刷电路板矩阵的对角线上增加了窄软性连接器299X，不仅提供了额外的机械支持，而且还提供了配电电路的电气冗余机会。

在所有上述几何印刷电路板设计中，应该理解的是，根据其使用的上下文，“印刷电路板”这个词具有多种含义。首先，包括硬性印刷电路板部分和软性印刷电路板互连的整个矩阵合并成硬性印刷电路板元件，其包括单个异构印刷电路板，即软硬结合印刷电路板。在其他讨论中，术语印刷电路板仅用于指非均匀软硬结合印刷电路板的硬性部分，而不是指整个基体。在类似的上下文中，术语“弯曲”或“挠性连接器”意在指代非硬性的异质印刷电路板的那些部分。因此，根据讨论的上下文，术语印刷电路板不是指整个不均匀软硬结合印刷电路板或其硬性印刷电路板部分。

本文所公开的分布式印刷电路板的机械设计中的另一个重要点在于，术语硬性印刷电路板不限于作为包括FR4，玻璃或酚醛材料的硬性板的硬性印刷电路板的现有技术定义，而是可以包括比印刷电路板软性部分更硬性和“软性”更低的印刷电路板材料。例如，与使用玻璃或酚醛材料相比，软硬结合印刷电路板的硬性部分可以包括具有较厚的聚酰亚胺或聚酰亚胺层的区域，其包含化学组合物，所述化学组合物提供比印刷电路板的挠曲部分中使用的挠性和弯曲减小的挠性和弯曲。此处将硬性-挠曲的这种解释表示为具有软性且较不灵活的岛混合的印刷电路板，其在此被引入为“准软硬结合曲”印刷电路板或QRF印刷电路板。软硬结合和新公开的QRF印刷电路板的制造将在本公开中稍后讨论，并且在此不再详述。

印刷电路板架构-除了其几何设计的平面图外，具有冗余互连的分布式印刷电路板的机械构造可以通过印刷电路板在各个位置或“切割线”中的横截面图来说明，具体横截面示出了特定路径。图61显示了一个示例，其示出了具有未受保护的铜互连的软硬结合印刷电路板。如所示出的，软性印刷电路板包括夹在绝缘层801A中的金属层802A和802B，其通常包括图案化的铜。在所示的横截面的一些部分中以及在其他部分(在该特定横截面中未示出)中，该软性印刷电路板夹在包括绝缘层805A和805B的硬性印刷电路板的中间并与图案化的金属层806A和806B层叠。通常，软性印刷电路板金属层802A和802B比硬性印刷电路板金属层806A和806B更薄。金属层802A，802B和806A的具体横截面图示了连续的金属条纹，而金属层 806B被示出为图案化的。横截面中每层的确切图案取决于切割线的位置。

所示设计的一个局限性是所有铜层暴露在潮湿和腐蚀的风险之中。如果整个系统包括印刷电路板和安装在其上的所有部件被封装在一个涂层中，例如，塑料，矽树脂，聚合物涂层等，那么对金属层的保护是不必要的。然而，如果存在对湿气，化学物质，盐，汗液和其他流体的环境风险，则金属层需要被另一个电绝缘材料保护层涂覆或包封。在图62中示出了类似软硬结合印刷电路板的受保护版本，其中绝缘体801B保护金属层802A并且绝缘体801C保护金属层802B完全密封软性印刷电路板免受潮湿和机械引起的划伤的风险。在印刷电路板的硬性部分中，所示的绝缘层807B保护金属层806B，但绝缘层807A仅保护金属层806A的一部分。如开口809所示，金属层806A 的一些部分保持不受保护。这些开口不可避免地需要将部件焊接到软硬结合印刷电路板的硬性部分上。

在所公开的系统中，在给定的硬性印刷电路板内，硬性印刷电路板之间以及软性印刷电路板内的各种金属层的电互连可以在不需要使用导电通孔的电线，连接器或焊点的情况下完成。这些导电通孔包括垂直于各种金属层形成的金属或其它低电阻材料的导电柱，并且可以穿透两个或更多个金属层以促进多层连通性和非平面电拓扑，即导体必须彼此交叉而不变为电的电路短路。例如，图63示出了软性印刷电路板的一个可能的横截面，其中包括金属层802A和802B的导电线路被垂直取向的导电通孔811A短路。取决于其制造工艺，导电通孔811A可以包括铜，焊料，焊膏，导电环氧树脂或其他金属或导电化合物。将在本申请中稍后描述能够制造这种结构的各种制造工艺。

在许多情况下，一根导线必须跨过另一根导线，而不会将两根导线短路。这些“交叉下”连接需要至少两个金属层以便于在其下交叉。图64示出了在软性印刷电路板或软性印刷电路板的软性印刷电路板部分中实现的交叉下的横截面。如图所示，对于+V连接的导电线路822A，旁路GND连接的导电线路821F，其必须通过导电通孔811A连接到下金属层802B，在GND连接的导电线路821F下通过，然后通过第二导电层822A返回到上金属层822A通过811A。对于除去金属的金属层802A和802B的图案化部分，添加另一种绝缘材料，即绝缘体803A和803B以保持夹层的平面性。

图65A中示出了使用多个交叉连接的示例，其中软性印刷电路板中的T 形链路，其中包括导电线路821A的+V连接通过交叉下823A连接到导电线路822A，物理地通过下方但保持电气与导电线路821B至821F隔离。从交叉点823A到导电线路822A和821的连接电连接通过导电通孔824发生。对于诸如+V，GND，+HV等的电源连接，建议每个垂直互连使用多于一个的通孔确保低接触电阻，最小化通路感应电压下降，并限制通孔电流密度以避免电迁移故障。以类似的方式，在导电线路821B，821C，821D和821E上的信号汇流通过相应的交叉支架823B，823C，823D和823E连接到对应的导电线路822B，822C，822D和822E，物理地通过许多不相关的导电线路没有任何电气连接。在所示的T形连接中，GND偏置导电线路821F和822F 直接互连而不需要交叉连接。图23B图示了在冗余电拓扑中使用在软性300 中实现的T形链路295的一个示例。

T形软性印刷电路板链路中的交叉连接的这种使用可以以图65B所示的方式延伸到+形连接，其中导电线路822A和821A上的+V功率分配通过 823A，GND之下的交叉连接导电线路822F和821F上的功率分布通过823F 的交叉点连接，并且通过导线822B和823B促进导电线路822B，822C，822D和822E和821F到相应的导电线路821B，821C，821D和821E的信号分布，823C，823D和823E。功率分配连接每个链路使用两个或更多个导电过孔824，而信号连接通常每个链路只需要一个过孔。图22C示出了在冗余电拓扑中使用在软性300中实现的“+形”链路296的一个示例。

冗余互连方法也可以用于在没有电连接的情况下弯曲印刷电路板交叉。例如在图65C中，电线路822A到822F使用相应的横向支架823A到823F 在电线路821A到821F下方交叉，而两组导电线路之间没有连接。

所示的交叉下方法也可以适用于硬性印刷电路板，并且在适用于本公开中实现的软硬结合印刷电路板的硬性印刷电路板部分时变得特别通用。如图 66A所示，软硬结合印刷电路板的硬性部分的横截面可采用将所有四个金属层806A，802A，802B和806B连接在一起的通孔831。或者，可以使用部分过孔来连接两个或三个金属层而不将所有层短接在一起。例如，在图66B 的横截面中，部分通孔832将金属层806A连接到金属层802A，通孔833将金属层802A连接到金属层802B，部分通孔834将金属层806B连接到金属层802B，层通孔835将金属层806B连接到金属层802B和802A两者。

在图67的功率和信号分配总线中示出了在硬性印刷电路板中使用交叉支撑的示例。在这种情况下，总线，顶层金属线路821A至821F的并行集合围绕硬性印刷电路板828，两个或更多软性820连接。在所示的示例中，总线连接到第二组金属线路822A到822F。虽然连接821A至821F构成跨过软性电路820到连续金属线路822A至822F的硬性印刷电路板828上的连续金属线路，但是仅金属线路822F直接连接至最外面的金属线路821F。剩余的金属线路821A至821E通过相应的横向支架822A至822E互连至金属线路822A至822E。这种单层平行金属线路消耗大量的印刷电路板空间。

为了节省空间，可以如图68的顶视图和侧视图所示堆叠线路，其中线路841D包括金属层806A，线路841C包括通过导电通孔832连接的埋入金属层802A，线路841B包括埋入金属层802B通过导电通孔836连接，并且线路841A包括通过导电通孔831连接的底侧金属层807B。

可以添加额外的层来为软性连接器提供支持。例如，图69A示出了在图 69B的截面A-A'处的包括由绝缘层801A，801B和801C以及801D围绕的金属层802A，802B和802C的三层导电层软性材料。如图69B的平面图所示，金属层802C被图案化以形成金属网852，从而为软性851与硬性印刷电路板850之间的界面提供额外的机械支撑。为了增加其强度和软性，机械支撑层802C包括在其外周具有实心金属导轨的金属网852(或者可选地，篮形编织图案)。

金属层802C可以以与任何其他金属层相同的方式制造。如图69B和 69C所示，金属层802C包括横向金属条部分854，该横向金属条部分854可以通过多层支撑过孔855锚固到硬性印刷电路板850以增加强度和应力消除。通孔855可以连接到其他金属层，但是网孔852不一定被偏置到任何电路电势。网852因此可以具有浮动电位或者偏置到地，或者任何其他固定电位。如果网852被偏置到随时间变化的电势，则必须小心以防止其辐射EMI 噪声，例如，通过减缓频率或开关上升时间。然而，在许多实施例中，网孔 852是电浮动的。图69B所示的网852的具体图案仅是示例性的，并不意味着限制网或篮编织图案的密度或设计。包括在硬性印刷电路板850内示出的金属层802C的金属连接，以说明金属层802C可用于硬性印刷电路板850内的电互连，即使其在挠曲851内的作用仅仅是为了提供机械支撑。

图69C中所示的横截面B-B′示出硬性印刷电路板850与金属层802C 的机械连接如何被导电通孔855支撑，导电通孔855为了稳定性而被捆绑到上方的顶部金属层806A中并且被嵌入到掩埋金属层802A中下面。图69D 中所示的横截面C-C'示出了金属层802C的导电网格852部分的构造，由交替的金属和绝缘体片段示出。金属层802A，802B和802C不一定是电隔离的，而是可以在硬性印刷电路板850内的其他横截面中彼此互连。

为了本公开的目的，术语篮编织图案可以被认为是网格的一个几何图案示例，具体地说，具有以规则间隔(即，具有规则的周期性)隔开的元件，并且通常包括垂直且平行于软性连接的边缘的元件。作为一个可能的例子，术语网格具有更广泛的含义，描述任何图案或网格，包括形成规则或不规则间隔网格的对角定向元素，并且包括篮编织图案。其他图案可以包括鱼骨或鲱鱼骨形状，网格具有以对数方式不均匀间隔的元素或使用其他几何进度，例如，元素的间距随着密度的增加而增加到某个最大密度(最小间距)，然后在相同进程的反向密度下降。

因此，网格的广义含义是指任何重复结构或几何图案，均匀或仅半规则，用于加强软性印刷电路板及其与硬性印刷电路板的连接。在机械上，在软性和硬性印刷电路板之间使用导电网格连接(包括篮子编织图案)自然会增加弯曲和撕裂强度，因为它会将损伤力传播到多个元素上。这些相对易延展的导电元件处于能够弯曲和变形而不破裂的限制内。这种网格设计原理是聚合物，木材或玻璃纤维或碳增强材料的分子结构的二维(平面)类似物-与固体材料相比(在某些情况下甚至比钢更坚固)展现出更高的断裂强度的材料。分布力原理不仅用于网格的设计，而且还用于软性印刷电路板与硬性印刷电路板连接的设计。因此，网格到硬性印刷电路板连接不是由单个点保持，而是分布在包含多个通孔的线路或导电条上以牢固锚定机械连接。

用于形成网状或篮状织物应力消除的元件可以包括诸如铜的金属层，或者可以包括任何可挠曲的坚固材料。虽然理论上网可以包括图案化的非导电材料，但大多数可挠曲材料包括金属或半金属。采用金属来形成网格的附加好处是该层也可以用于根据这里公开的冗余互连设计方法在硬性印刷电路板之间传送信号(或功率)。

网状连接技术可应用于软性印刷电路板内的任何互连层，无论是在第一金属层，第二金属层中，还是在三层金属弯曲印刷电路板中，第三金属层中。网格的制造不需要任何额外的或特殊的处理步骤，而是使用用于定义，图案化和蚀刻该特定互连层中的金属的显影蚀刻法。如此，用于形成网格的金属层被沉积或层压到另一个软性印刷电路板夹层结构上。然后用显影蚀刻胶或干显影蚀刻胶涂布该层，并使用定义电互连和机械强化网结构的光罩进行图案化。金属被蚀刻以形成限定的图案，然后用保护性绝缘层涂覆金属。注意，在金属蚀刻工艺步骤期间，如果要被蚀刻的金属被绝缘体覆盖(例如作为先前的层压制造工艺序列的一部分)，则在蚀刻下面的金属之前必须蚀刻并去除该保护层。

该结构可以增加以在软性印刷电路板851或软硬结合印刷电路板的硬性印刷电路板850部分上添加额外的金属层。在图69E所示的一个示例中，使用附加金属层806C和绝缘层807C来促进来自硬性印刷电路板850的层。由于硬性印刷电路板850也夹着三个导电层弯曲，所以硬性印刷电路板850 本质上包括可以实现复杂的电子系统六层PCB。

分布式软硬结合印刷电路板制造-用于分布式系统的软硬结合印刷电路板的制造与本申请的背景部分中显示的现有技术的软性印刷电路板和传统的刚软性印刷电路板明显不同。在现有技术中，软性印刷电路板没有被设计用于反复弯曲和扭曲。因此，软性印刷电路板遭受撕裂，开裂，互连断开以及从印刷电路板上掉落的组件。由于局部应力，现有技术的软硬结合印刷电路板在挠性-硬性界面处发生额外的挠曲失效。根据我们自己的实验数据，在合同制造商使用传统软硬结合结合制造方法制造的刚柔结合印刷电路板上进行的重复挠曲测试已经发现在几周的挠曲测试中失败，一些印刷电路板在仅仅三天弯曲周期。这种快速损耗失败是有问题的，并且对于在医疗和可穿戴应用中需要重复弯曲的产品完全无法使用。相比之下，所公开的分布式软硬结合印刷电路板在多个月的时间内持续弯曲测试，经受30,000至 70,000次弯曲循环而没有失效或性能下降。在正常的商业使用情况下，弯曲周期的数量相当于五至十年的使用量。

除了可靠性方面的考虑，可制造性是产品质量的另一个重要考虑因素。今天现有的软性和软硬结合制造工艺也不能直接适用于覆盖大面积的印刷电路板，例如，长度和/或宽度为几百毫米的印刷电路板，但仅限于小型印刷电路板，通常为手机的尺寸和较小。硬性印刷电路板在较大区域制造，例如在计算机主板上，但是制造在坚硬的基板上，不能弯曲或弯曲而不会断裂或破裂。作为早期印刷电路板制造技术和低成本工厂在二十世纪五十年代和六十年代建造的痕迹，今天的印刷电路板制造依靠均匀的材料沉积和不失真的光学图案来保持一致性和产品质量。

这种原始方法在制造占据大面积印刷电路板的印刷电路板方面效果不佳。例如，用于HDTV的大面板LCD母玻璃制造商面临类似的挑战，需要数亿美元的投资才能在LCD面板上实现良好的一致性。由于印刷电路板制造商的毛利率低的经济限制，没有这样的印刷电路板工厂投资是合理的。因此，商用印刷电路板制造业已被降级为“低科技”制造方法和能力。考虑到这些制造限制，使用常规工艺和制造方法的当今印刷电路板工厂不能制造包括分布在大型软性互连网格上的均匀构造的硬性印刷电路板阵列的产品，即在刚柔结合系统中实现的分布式电子系统。

不需要大量的资本投资，本文公开的分布式软硬结合结构制造顺序通过最小化对工艺参数的敏感度来最小化不利的大面积效应，例如，使用调谐为仅被切割材料吸收的波长的激光，并且通过将制造约束到更小的区域，重复处理以覆盖整个印刷电路板区域。这些方法包括使用移动头和新近可用的 3D打印机制造，以及移动皮带过程，以及“分步重复”光学图案化和沈积方法。冗余设计方法补充了本文公开的鲁棒分布式软硬结合制造，共同促进了基于软硬结合分布式电子系统和电路的高可靠性产品的高质量制造。

图70示出了用于分布式软硬结合印刷电路板制造的一般工艺流程。工艺流程是示例性说明但不限于所公开的工艺框架，其中识别了分布式软硬结合印刷电路板的独特制造要求和挑战并予以解决。在所示的流程中，软性印刷电路板形成互连硬性印刷电路板“岛”的分布式网格，其中软性层穿过每个硬性印刷电路板岛作为中心层，即软性层夹在硬性印刷电路板外层内。如此，软性印刷电路板首先利用“软性印刷电路板形成”(步骤990)和可选的“盲孔形成”(步骤991)的步骤，随后是硬性印刷电路板附接(步骤992)，其中顶部硬性印刷电路板附接到一个并且随后将底部硬性印刷电路板附接到软性印刷电路板的另一侧上。

所示的工艺流程制造三层印刷电路板夹层，即硬性-硬性-硬性或 RFR夹层。每个硬性和每个软性层可以包括一个，两个或更多个导电层。所示的横截面示出了由两个单金属层硬性印刷电路板夹着的双金属软性印刷电路板，最终产生图82E所示的示例RFR夹层印刷电路板。但是，该过程可以修改为创建任意数量的软硬结合印制电路板三明治，每个印制电路板包含多个金属层。例如，每个硬性印刷电路板可以利用总共仅限于厚度考虑因素的一个到六个金属层。

如果需要“厚”金属，厚金属优选应优选地为了可制造性目的而构成最后的“最外”金属层，即顶部硬性印刷电路板的最顶层金属层或底部印刷电路板的最底层金属层，或两者。厚金属有利于接地和电源，但通常不需要信号路由。软性印刷电路板还可以包括多个层，例如，从一层到四层。但与硬性印刷电路板不同，其中只有成本和厚度决定了嵌入金属层的数量，而在软性印刷电路板中，每个附加金属层都会降低软性层的灵活性，增加由于破裂或断裂导致互连失败的风险。

如RFR三明治中所述，软性印刷电路板夹在两块硬性印刷电路板内。尽管可以利用附接到软性板一侧的单个硬性印刷电路板来形成“R-F”三明治，而不在两侧固定软性板，但软硬结合连接件的机械强度会降低。工艺流程的其他变体可能涉及重复形成多个软性互连层的步骤，例如，以形成包括散布在三个硬性印刷电路板层之间的两个软性互连层的RFRFR夹层结构。尽管这样的选择在高度冗余的系统和军事应用中可能是有利的，但在可穿戴和医疗产品中使用的普通软性电子设备中，例如超级冗余可能是昂贵且不合理的。在硬性印刷电路板附接(步骤992)之后，如标题为“金属图案化”的步骤(步骤993)所示，使用光学显影蚀刻和金属蚀刻来图案化硬性印刷电路板金属层。之后，使用“通孔结构”(步骤994)来形成从顶部硬性印刷电路板金属到软性层(即“顶部通孔”)的电连接，以创建从底部硬性印刷电路板金属到软性层的电连接，即“底部通孔”，或者贯穿RFR三明治形成通孔，即“通孔”。在“厚金属形成”(步骤995)中，将金属镀覆到暴露的金属上，金属既填充暴露的通孔，又增加最外层金属层的厚度。或者，可以在通孔形成步骤中预先填充通孔(步骤994)。在另一个实施例中，反转了厚金属形成(步骤995) 和通孔形成(步骤994)的顺序。

在金属互连完成并且通孔形成和填充之后，硬性印刷电路板可以在软硬结合印刷电路板的那些只有软性连接位于软硬结合印刷电路板的可挠曲部分中的部分被移除。如标题为“硬性印刷电路板去除”(步骤996)的步骤所示的该去除过程对于生产可靠的分布式软硬结合印刷电路板至关重要。如果执行不当，去除硬性印刷电路板层可能会损坏下面的软性层，从而导致产品损耗或正常使用期间的过早弯曲失效。执行最后一步“软性构图”(步骤997) 以去除软性绝缘体的不需要的部分，以最大化软硬结合印刷电路板弯曲性和互连软性。这些制造步骤中的每一个在下面的描述和相应的图形中进一步详述。

在图71中进一步详细描述了软性印刷电路板形成(步骤990)和盲通孔形成(步骤991)的步骤，其描述了标题为“软性制造”的一种可能的工艺流程的细节。如图所示，弯曲印刷电路板形成(步骤990)包括弯曲(步骤990A)，图案弯曲印刷电路板顶部金属(步骤900B)，图案弯曲印刷电路板底部金属 (步骤900C)上的顺序层压金属，接着是平面化和弯曲弯曲印刷电路板(步骤990D)。其后跟随盲孔形成(步骤991)。这些步骤中的每一步都涉及如图所示的几个子步骤或操作。例如，图案软性印刷电路板顶部金属(步骤990B) 涉及操作(i)涂布光阻剂(ii)用光罩曝光抗蚀剂(iii)显影和烘烤显影蚀刻胶，和(iv)蚀刻顶部金属然后剥离光阻剂。这些工艺操作在下面的截面中进行说明，以示范它们在软性制造中的应用。

图72A示出了软性印刷电路板形成(步骤990)，包括将软性绝缘层801A 和粘合层808A层压到软性金属层802A。绝缘体层801A可以包括聚醚，其包括聚醚醚酮(PEEK)，聚芳醚酮(PAEK)，聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)，聚醚酰亚胺(PEI)以及各种含氟聚合物(FEP)和共聚物，软性塑料基板或其他软性绝缘包括聚酯或丝绸的层。层厚度从10μm到150μm不等，但较薄的层是优选的，以获得优异的柔韧性。

也被称为粘合粘合剂的粘合剂层808A可以包括环氧树脂，绝缘封装化合物，丙烯酸粘合剂，聚酰亚胺粘合剂和其他粘合剂。粘合剂可以作为片材，喷雾剂，凝胶或糊剂施加。虽然粘合剂层808A被描绘为单独的层，但其也可以被浸渍到绝缘材料801A中。对于金属层802A，通常使用金属箔(通常为铜)作为软性层压板的导电元件。如图72A的中心图所示，在顶部金属层压之后，将粘合层808B施加到绝缘层801A的暴露侧，然后将绝缘层801A 结合到金属802B。然后通过在包括顶部金属802A，中间绝缘体801A和底部金属802B的夹层上在升高的温度下施加压力来完成双层金属软性印刷电路板的层压。(注意：如本文所用，诸如应用于印刷电路板结构的层的“粘结”，“附着”等的词语不要求“结合”或“附着”的层必须直接与每个但是它们可以通过一个或多个中间层“结合”或“附着”，例如，如果说绝缘层A与层B“结合”或“附着”(无论层B是否是另一绝缘层层或导电层)，可以在层A和层B之间***绝缘层C)。

层压后，软性印刷电路板已准备好用于金属图案化，用于定义信号，接地，电源的金属线路以及链接，交叉下层和编织篮应力消除金属。如图72B 所示，顶部金属层802A的图案化通过涂覆光阻剂层812A，然后通过“顶部挠性金属”光罩813A将光敏抗蚀剂暴露于光819，然后进行光阻剂812A的化学显影来执行。在显影过程中，抗蚀剂的一些部分冲走，特别是开口817A，而其他部分保留。在准备蚀刻时，烘烤然后用于硬化显影蚀刻胶812A。

如前所述，在传统的印刷电路板制造中，通常通过“显影蚀刻”工艺将铜层图案化以形成电路，从计算机生成的光学光罩或“光罩”将图像转移到显影蚀刻胶，显影，然后烘烤显影蚀刻胶通过执行金属蚀刻。相同的显影蚀刻方法可以应用于除金属之外的其他材料上，例如，玻璃，涂层，塑料等。虽然所公开的“图案化”工艺示出了包括常规干显影蚀刻显影蚀刻的金属图案定义的特定顺序，但根据本发明制造的分布式软硬结合印刷电路板不限于任何一种特定方法，而是(除大面积印刷电路板s外)，与图案化方法无关。大面积印刷电路板面临与传统显影蚀刻不兼容的独特问题。在本公开中随后公开了解决这些问题的新型和创造性解决方案。不管所采用的显影蚀刻的具体方法如何，显影蚀刻图案化工艺都将光罩图案转移到金属上。该图案定义了金属连接位置的位置，需要金属来形成多层通孔连接，并且其中将形成导电网以提高软性印刷电路板的机械强度及其与硬性印刷电路板的连接。

图83A中示出了传统和新型显影蚀刻方法的各种置换和组合。在所示的例子中，层1002代表待蚀刻的材料，层1000代表不被蚀刻的层，层1001代表中间层。第一步包括施加干燥光阻剂膜1003B或涂布粘性乳剂，在层1002 顶上涂覆抗蚀剂涂层1003A。在施加光阻剂膜1003B之后，执行低温烘烤操作或“软烘烤”以硬化抗蚀剂1003C而不退化其光敏性。接下来的光阻剂层 1003C(其代表光阻剂膜1003B或光阻剂层1003A，视情况而定)通过图案化的光罩1004暴露于光1009，由此转移图像。光阻剂层1003C对暴露于诸如蓝光或紫外光之类的短波长光敏感，但对较长波长的可见光则不敏感。诸如黄色或红色的颜色。

尽管光罩适用于传统印刷电路板，但分布式软硬结合印刷电路板的大面积使得基于光罩的显影蚀刻成像存在问题。为了克服该限制，如本文所公开的，使用激光束830A将光学光罩替换为光阻剂层1003C的直接激光写入。与通过光罩的曝光不同，在所公开的直接写入曝光中，在印刷电路板上扫描激光以曝光光阻剂1003C。可以使用扫描透镜或可移动激光头在大面积上扫描激光束830A，或者可选地通过在传送带，导轨或台上移动印刷电路板来扫描激光束830A。

在曝光光阻剂之后，抗蚀剂被“显影”，导致光阻剂在一些区域被洗掉并保留在其它区域，如光阻剂曝光部分所限定的那样，这些是光罩的阴影。在显影光阻剂之后，有机光阻剂层模仿其所暴露的光罩的图案，在一些区域中覆盖层1002而不在其他区域中。

被光阻剂保护的层1002的部分以及暴露于蚀刻的部分取决于是使用“正”还是“负”光阻剂。正和负光阻剂以相反或互补的方式对光进行反应。具体而言，对于正性光阻剂而言，任何暴露于光的光阻剂区域导致暴露的化学键断裂，在显影过程中洗掉光阻剂的该部分。由于在曝光区域1010A中去除了光阻剂1003C，因此仅在光罩特征的阴影中保留光阻剂1003D，这意味着剩余的光阻剂图案与光罩特征完全重叠，即暗区域被保护免受蚀刻。其他地方的金属将被蚀刻掉。

在负性光阻剂的情况下，任何暴露于光的光阻剂区域导致暴露的化学键在显影过程期间交联，不断裂，仅保留光阻剂的暴露部分，并洗去光罩阴影中的光阻剂。由于光阻剂1003C仅保留在其变成光聚合光阻剂1003E的光暴露区域中，因此全部暗区将导致开口1010B被蚀刻掉。因此得到的显影显影蚀刻胶特征与光罩或黑暗区域的完全相反，即负像。

因此光罩极性，即光罩的黑暗特征和清晰部分，或它们的直接写入等价物必须对应于在掩蔽操作中采用的任何显影蚀刻胶。曝光后，显影蚀刻胶在高温下被“硬烘烤”以强化其承受长时间暴露于酸蚀刻的能力。因为光阻剂包含有机化合物，所以对暴露于酸相对不敏感，特别是在硬烘烤之后。然后在酸中蚀刻层1002，然后除去光罩。选择蚀刻剂以侵蚀层1002但不蚀刻界面层1001。同样地，保护层1000免受蚀刻，同时使用正抗蚀剂1003D在开口 1011A中去除层1002并使用正抗蚀剂1003E在开口1011B中去除层1002。根据待蚀刻材料的化学组成来选择酸。例如，铜蚀刻剂通常采用纯净形式，用水稀释或与过氧化氢或某种其他化合物混合的硝酸，硫酸或氢氟酸。也可以使用氯化铁或氢氧化铵。各种铜蚀刻的组成可以在网上找到，例如在 http://www.cleanroom.byu.edu/wet_etch.phtml。氧化物蚀刻通常含有氢氟酸 (HF)。可选的蚀刻方法包括包含等离子体的干法蚀刻和反应离子蚀刻(RIE)，其中惰性气体在电离电磁场存在下暂时产生化学反应。干蚀刻的方向性，即其各向异性可以通过引入垂直于印刷电路板表面定向的静态DC电场来控制。等离子蚀刻和RIE是昂贵的

显影蚀刻不是图案化印刷电路板的唯一方法。如图所示，图案化大面积印刷电路板也可以使用丝网印刷或使用光罩印刷来完成，如图83B所示。在丝网印刷工艺中，丝网1005用作控制涂覆有保护性乳液1006A的区域的光罩，其在烘烤后硬化成硬光罩1007。光罩保护层1002的一部分，同时允许区域1010B被去除。

作为本发明的新颖的新颖实施例，使用可移动打印头1008选择性地打印保护性乳液1006B。在烘烤之后，该乳液硬化到硬光罩1007中。为了便于将打印头定位在印刷电路板顶上，大型平板印刷机或移动带式线性打印机可适用于精确分配耐蚀刻乳液。调整平台打印机机构，将要打印的印刷电路板定位在具有二维运动的位于打印头下方的固定台上，即适配x-y打印机以分配光罩乳剂1006B。或者，可以使用与传送带或基底“供料器”组合的线性扫描器打印机，以在打印头来回扫描掩蔽乳剂1006B的前后扫描时，将印刷电路板缓慢推入打印头下方。

所描述和公开的前述方法促进了许多可以定义印刷电路板特征的手段。通常，通过蚀刻进行图案化包括(i)沉积或层压待图案化的层(ii)用由光罩，激光直写，丝网印刷或印刷形成的图案化的抗蚀刻光罩覆盖待蚀刻材料) 蚀刻材料，和(iv)去除光罩。以上总结了这些方法，并且为了简洁起见，将不会在软硬结合印刷电路板制造顺序中重复。应该理解的是，对于本文所示的所有工艺流程，虽然所示的方法包括干显影蚀刻胶的光罩曝光，但是所描述的任何方法都适用于刚柔结合印刷电路板特征的图案化和刻蚀。还应该理解，非限制性地，大面积印刷电路板的图案化特别受益于新公开的激光印刷电路板直接写入和印刷技术。

回到图72C所示的题为“蚀刻顶部弯曲金属”的图，去除位于抗蚀剂开口 217A正下方的金属802A，使用上述蚀刻方法将金属图案化成多个线路。然后重复该过程以图案化底部金属层802B，从涂布光阻剂812B开始，随后通过由光罩813B限定的光819进行显影蚀刻图案化。如图72D所示，光阻剂 812B的显影开放窗口817B，其在金属蚀刻之后去除金属802B的部分817B。蚀刻之后，去除光阻剂812B。

在图72C所示的中心图中，金属802B被光阻剂802B涂覆，然后如底部图示所示，抗蚀剂通过“底部挠性金属”光罩813B暴露于光819。在图72D 中，在显影之后，去除光阻剂812D以形成开口817B，接着蚀刻底部金属 802B并剥离光阻剂812B。在图72E中，将绝缘材料印刷，涂覆或沉积到开口817A中以在软性顶侧和底侧开口817B上形成平坦化填充物804A以形成平坦化填充物804B，由此填充间隙817A和817B以平坦化层，绝缘材料 804A和804B。这种绝缘材料，例如聚酰亚胺可作为整个乳剂沉积，然后使用软橡胶刮刀即橡皮刮板进行平面化，或者通过在所需的位置选择性地印刷平面化填料。在图72F中，包括具有粘合剂层808D的绝缘材料801B和具有粘合剂层808C的绝缘材料801C的保护帽被层压到图案化的软性印刷电路板上。在图73A的顶部横截面中示出了所得到的包括加盖软性层压板的软性印刷电路板。

为了便于软性金属层802A和802B之间的互连，需要导电通孔。由于该通孔夹在硬性印刷电路板层之间，因此这种导电通孔可以称为“盲通孔”，这意味着没有简单的方法将硬性印刷电路板特征与盲通孔可视化对齐。使用显影蚀刻法开始使用显影蚀刻胶812C涂覆软性印刷电路板的顶侧，通过光罩813C用光819曝光抗蚀剂，从而完成盲通孔形成。如图73B所示，在显影之后，使用开口817C来定义通孔蚀刻位置。之后，可以使用湿法化学即酸来蚀刻通孔形成，或者通过使用干法蚀刻方法来蚀刻。然而，在湿法化学蚀刻的情况下，必须改变化学蚀刻剂以连续去除每一层，即蚀刻帽801B，金属802A，绝缘体801A，金属802D以及可选的帽801C。在蚀刻通孔之后，使用闪蒸进行铜的可选侧壁沉积以形成侧壁金属814A。

在图73C中，蚀刻的通孔填充或部分填充有金属或其他导电材料。在蚀刻过孔充满金属811A的情况下，可以使用电镀来使金属生长以溢出填充的过孔，然后蚀刻回以平坦化金属表面。或者在导电通孔811B中，金属不完全填充开口。在多填充通孔811C中，沉积或印刷焊膏或其他导电材料以填充蚀刻的通孔。再次参考图70中的工艺流程图，在软性印刷电路板形成盲孔形成(步骤991)之后，分布式软硬结合印刷电路板现在准备用于硬性印刷电路板附着(步骤992)和金属图案化(步骤993)。从完成的软性印刷电路板层压板作为起始材料开始，包括刚柔结合部分I的步骤在图74中示出，包括“将软性顶层印刷电路板层压到软性上”(步骤992A)和“将底部硬性印刷电路板层压到软性“(步骤992B)，接着进行标题为”图案顶部金属“(步骤 993A)和”图案底部金属“(步骤993B)的操作。

如图75A所示，“软性上叠层顶部硬性印刷电路板”操作(步骤992A) 开始于制造硬性绝缘体805A开始制造顶部硬性印刷电路板层压体，硬性绝缘体805A包括涂有粘合剂808D的玻璃纤维或其他硬质聚合物，然后粘合到金属802D上，该金属通常包括铜膜片。然后将该金属层压板连接到先前制造的软性印刷电路板的顶部。在加热之后并且施加压力硬性绝缘体805A 变得结合到软性帽层801B。尽管为了清楚起见，粘合剂808D被示为单独的层，但是粘合剂可以被浸渍到硬性绝缘体805A中，即该组合形成自粘合绝缘体片或“预浸料”层。

接下来对软硬结合印刷电路板的底侧重复硬性层压工艺，如图75B所示。

题为“将底部硬性印刷电路板层压到软性上”操作(步骤992B)开始于制造硬性绝缘体805B开始的硬性绝缘体805B，硬性绝缘体805B包括涂覆有粘合剂808E的玻璃纤维或其他硬质聚合物，然后粘合到金属802E，金属 802E通常包括铜膜片。然后将该金属层压板连接到先前制造的软性印刷电路板的底部。在加热之后并且施加压力硬性绝缘体805B变得结合到软性盖层801C。尽管为了清楚起见将粘合剂808E示为单独的层，但是可以将粘合剂浸渍到硬性绝缘体805B中，即该组合形成自粘合绝缘体片或“预浸料”层。

在图76A中示出了操作“图案顶部金属”(步骤993A)，其中光阻剂812D 被施加到印刷电路板的顶侧，烘烤，通过光罩813D暴露于光819，然后被蚀刻以去除顶部金属802D的暴露部分，之后去除光阻剂812D，留下图案化的顶部金属层。在图76B中示出了操作“图案底部金属”(步骤993B)，其中光阻剂812E被施加到印刷电路板的背侧，被烘焙，通过光罩813E暴露于光 819，然后被蚀刻以去除底部金属802E的暴露部分，之后去除光阻剂812E，留下图案化的底部金属层。

图76C示出了与分布式电子系统兼容的所得到的四层金属软硬结合印刷电路板。所有四个金属层802D，802A，802B和802E的金属厚度由之前针对在软性和硬性层压过程中使用的铜片选择的厚度限定。如果需要额外的互连层，则第五金属层802C(未示出)可以被包括在处理序列中，作为软性印刷电路板的一部分或者在顶部硬性印刷电路板中。

完成了软硬结合结构的部分I之后，印刷电路板现在已经准备好用于软硬结合结合部分II的制造，如图77所示的涉及“通孔结构”(步骤994)的流程图中详细描述，包括“顶部通孔结构”(步骤994A)与“通孔形成”(步骤 994B)或者随后是“底部通孔形成”(步骤994C)结合，然后形成厚金属(步骤995)。

顶部通孔的作用是促进顶部金属802D和软性金属802A之间的电连接。顶部通孔可以单独使用或在某些情况下使用，堆叠在盲孔811A的顶部以间接促进顶部金属802D和软性金属802B之间的电连接。如图78A，图78B 和图78C中相继示出的，顶部通孔制造类似于先前用于形成掩埋通孔811A 的步骤，首先涂布显影蚀刻胶812F，通过光罩813F将显影蚀刻胶暴露于光 819，显影和烘烤暴露光阻剂812F以暴露顶部金属802D的部分以界定顶部过孔位置，接着顶部过孔将所有层从印刷电路板的顶部表面蚀刻至软性金属 802A。然而，软性印刷电路板金属802A未被移除。在剥离光阻剂812F之后，然后将金属侧壁814F沉积或蒸发到蚀刻过孔的侧面上。在此步骤中，顶部通孔可以填充金属或其他导电材料，形成顶部，底部和底部通孔是有效的，然后将它们全部填充到单个电镀操作中，而不是一次填充一个。

通孔的作用是促进顶部金属802D与包括软性金属802A和802B以及底部金属802E的每个其他金属层之间的电连接。如图79A，图79B和图79C 中相继所示，通孔制造类似于之前用于形成顶部通孔的步骤，从显影蚀刻胶 812G的涂布开始，通过光罩813G将显影蚀刻胶暴露于光819，显影和烘焙曝光的显影蚀刻胶812G以暴露顶部金属802D的部分以界定通孔过孔位置，随后经由从印刷电路板的顶部表面到下部金属802E并且包括底部金属802E 蚀刻所有层。在剥离光阻剂812G之后，然后将金属侧壁814G沉积或蒸发到蚀刻过孔的侧面上。

在此步骤中，通孔可以填充金属或其他导电材料，形成顶部，底部和底部过孔是有效的，然后将它们全部填充到单个电镀操作中，而不是一次填充一个。过孔和过孔的蚀刻也可以共享，其中首先形成通孔定义并且部分蚀刻，然后定义顶部过孔并蚀刻到其目标深度。如果顶部通孔的光罩开口在通孔通路位置上开口，则通孔在顶部通孔蚀刻过程期间将继续蚀刻以达到其最终目标深度，即穿透整个RFR夹层。

底部通孔的作用是促进底部金属802E和软性金属802B之间的电连接。底部通孔可以单独使用或者在某些情况下使用，堆叠在盲孔811A的顶部以间接促进底部金属802E和软性金属802A之间的电连接。如图80A，图80B 和图80C中相继示出的那样，底部通孔制造类似于之前用于形成顶部通孔的步骤，从涂布显影蚀刻胶812H开始，通过光罩813H将显影蚀刻胶暴露于光819，显影和烘烤曝光的显影蚀刻胶812H以暴露底部金属802E的部分以界定底部过孔位置，接着底部过孔将所有层从印刷电路板的底部表面蚀刻至软性金属802B。然而，软性印刷电路板金属802B不会被移除。在剥离光阻剂812H之后，金属侧壁814H然后沉积或蒸发到蚀刻过孔的侧面上。在此步骤中，底部通孔可填充金属或其他导电材料，形成顶部，底部和底部通孔是有效的，然后将它们全部填充到单个电镀操作中，而不是一次填充一个。

厚金属形成过程涉及在任何暴露的金属导体顶部镀铜，并填充任何未填充的过孔。图81示出了在厚金属电镀之后的分布式软硬结合印刷电路板的横截面。如图所示，金属镀层在任何暴露的薄顶部金属802D顶上沉积厚顶部金属829D，在该过程中填充顶部通孔811F和穿过通孔811G(未示出)。相同的电镀操作还将厚的底部金属829E沉积在任何暴露的薄顶部金属802E 顶上，同时填充底部通孔811H。

分布式刚柔结构制造顺序中的下一步是去除仅用于挠曲的软硬结合印刷电路板部分中的顶部和底部硬性印刷电路板，即在印刷电路板的可挠曲部分。图82A示出了仅使用由硬性绝缘体805A吸收但不由金属802A吸收的激光波长在分布式软硬结合印刷电路板的部分上选择性扫描的激光器830A 的使用。例如，具有红外光谱波长的CO2或铌–雅各激光被大多数玻璃和绝缘体吸收，但不被铜或其他黄色金属吸收。在图82B的横截面中示出了选择性顶部硬性印刷电路板移除的结果，其中硬性绝缘体805A被完全从印刷电路板的弯曲部分移除而不损坏下面的软性印刷电路板。然后使用图82C中所示的激光扫描830B来移除底部硬性绝缘体805B，从而得到图82D中所示的软硬结合印刷电路板，其中分布式印刷电路板的挠曲部分包括完全软性印刷电路板连接并且硬性部分包括RFR夹层。所有地区都包括图案化的金属和过孔。

图82E示出了在硬性印刷电路板的部分顶部上涂覆保护涂层839D和 839E之后的分布式软硬结合印刷电路板。在SMT表面安装组装期间，该保护层用作在将部件焊接到印刷电路板上时的焊接光罩。在图84总结的横截面工艺流程中示出了在印刷电路板的仅一部分上选择性地沉积材料的方法。方法包括通过图案丝网1005丝网印刷乳剂1026A或使用可移动印刷头1008 印刷乳剂1026B在选定的地点和规定的厚度。在固化之后，乳液变成保护性密封剂2027A，其既用作刮擦保护又用作SMT组装期间的焊接光罩。或者，沉积层可以被回蚀以形成与相邻金属层共面的涂层1027B。

在印刷电路板组装之前的最后一步是使用激光844去除软性印刷电路板的未使用部分，如图82F所示。在软性印刷电路板的这些未使用的部分中，不存在金属。在软性制造期间，先用金属平面化绝缘体804A和804B代替金属(参见图72E和图72F)。在图82G中示出了激光弯曲去除后的相同软性印刷电路板横截面，其中弯曲已被完全去除。在软性印刷电路板未被移除的横截面中，例如如图82H所示，激光器844对印刷电路板的构造没有影响，看起来与激光弯曲去除之前的构造相同。

使用激光从硬性-软性印刷电路板的选定部分去除硬性印刷电路板材料以及去除软性材料的不需要的剩余部分提供了不可能使用机械方法(例如锯切，切割或研磨材料)的优异的工艺控制。即使如此，在加工RFR夹层时，尤其是在去除硬性绝缘层期间，挠性层发生的任何损坏都会永久损坏挠曲并大大缩短其使用寿命以及其在重复弯曲循环中存活的能力。通过在RFR 夹层中引入硬性层和软性层之间的界面层来降低挠曲损伤风险的一种方法。从图85A开始顺序显示了该修改的工艺流程，其中包括未固化的有机，环氧或聚合物材料的界面层849Y和849Z沉积在加盖的软性层压板的顶部和底部。在图85B中，化学或光学处理界面层以硬化部分849A和849C，同时使部分849B和849D保持在较不刚硬的状态。该硬化通过仅在部分849A和 849C上使用化学反应物或催化剂的选择性沉积或印刷来产生化学键的交联和聚合来实现。或者，该效果可以通过使用先前公开的光罩或激光直接写入技术在类似于光阻剂的化合物中使用光诱导的聚合来实现。

在界面层沉积之后，附着硬性绝缘层805A和805B，之后正常的制造顺序继续，产生图85C所示的横截面。在使用激光或化学方法去除硬性印刷电路板期间，界面层849B和849D充当保护性缓冲层，防止损坏软性印刷电路板及其盖层801B和801C。硬性印刷电路板去除后，得到的横截面如图 85D所示。

图86A以简化形式示出了夹在硬性绝缘体805B和软性帽801A之间的界面层的用途，该界面层包括硬化界面层849A和非硬化界面层849B的交替区域。在激光器830A去除硬性绝缘体805B的部分之后，去除未硬化的界面层849B，留下软性印刷电路板，包括软性帽801A未损坏。或者，如图86B所示，未硬化的界面层可以由气隙849C代替。参考制造期间的软硬结合印刷电路板的俯视图，图87A示出了由激光器803A移除的全片硬性绝缘体1030A在水平和竖直条纹中扫描以形成离散的刚柔结合岛1031.在图案化的激光去除硬性绝缘体如图87B所示，下面的软性印刷电路板层1032被暴露。随后的激光图案化将挠曲部1032的暴露部分切割成包括矩形和对角线连接器1033的良好限定的挠曲连接部1033的图案。可选地，如图88所示，顶部硬性绝缘体可以用硬性绝缘体的矩阵岛1030B由薄的硬性印刷电路板带1030C的矩阵连接。在激光去除薄的硬性印刷电路板带1030C期间，下面的软性印刷电路板1032将硬性绝缘体岛1030B保持就位。之后，如在图 87B中所示的前一示例中那样，随后的激光图案化将弯曲部1032的暴露部分切割成包括矩形和对角线连接器1033的良好限定的软性连接部1033的图案。

准软硬结合板制造-所公开的分布式软硬结合印刷电路板及其制造方法的替代方案是被称为准软硬结合印刷电路板或“QRF”印刷电路板的新的印刷电路板技术。与使用金属，硬性和软性绝缘层压板的堆叠层构造的刚软性印刷电路板不同，所公开的QRF基板包括软性印刷电路板，软性印刷电路板由聚合材料或聚酰亚胺化合物的软性较小的层局部增强，沉积或印刷到由其底层软性印刷电路板。在一个示例工艺顺序中，制造从包括加盖软性层压板的软性印刷电路板开始。如图89A所示，软性印刷电路板然后通过可移动打印头1008用绝缘材料打印。

通过采用印刷，绝缘体1018A被沉积在不同区域和不同厚度处以促进准硬性支撑，从而保护弯曲区域免受蚀刻并限定通孔位置。绝缘体1018A的最厚部分印刷在准硬性印刷电路板夹层区域的顶侧上，印刷薄绝缘体1018B以保护软性印刷电路板的顶侧免受蚀刻，并且开口1019A没有沉积绝缘体。

类似地，如图89B所示，绝缘体1018C的最厚部分印刷在准硬性印刷电路板夹层区域的底侧上，印刷薄绝缘体1018D以保护软性印刷电路板的底侧免受蚀刻，并且开口1019B没有沉积绝缘子。然后使用湿化学蚀刻剂将受控时间蚀刻薄印刷绝缘体层1018B和1018D以及帽层801B和801C的暴露部分。选择薄绝缘层1018B和1018D的厚度以保护盖层801B和801C，同时蚀刻开口1019A和1019B以暴露金属层802A和802B。以这种方式，开口1019A和1019B用作通孔而不需要光罩。

在图89C中，可移动打印头1008然后打印嵌入金属颗粒的薄金属或导电焊膏的层。顶部印刷用导电材料1048A填充顶部通孔，并将导电材料薄层 1048B沉积在准硬性岛中的其他区域上。底面印刷用导电材料1048C填充底部，并在准硬性岛上的其他区域上沉积导电材料薄层1048D。在图89D中，厚金属1049A和1049B被镀覆在薄导体层1048B和1048D的顶上。在印刷保护性密封剂层1050A和1050B之后，图89E中所示的所得横截面包括在不使用光罩的情况下形成的完成的准软硬结合印刷电路板。

印刷电路板组装和防潮-在形成所描述的软硬结合印刷电路板之后，制造分布式刚柔结合系统的最后步骤涉及印刷电路板的表面安装组装，接着保护电子系统免受机械损伤，湿气和其他环境条件的影响。

如图90所示的软硬结合印刷电路板的横截面所示，通过使用表面安装组件安装电子组件，接下来通过共享软性印刷电路板1055互连的多个软硬结合印刷电路板岛的阵列被填充。为了清楚起见，没有暴露于焊接的金属层和过孔，即嵌入软性和硬性印刷电路板，从图中排除。在表面贴装技术的首字母缩略词中，包括铜引线，焊球，金凸块，无引线封装上的裸露导电焊盘，电源封装上的铜片和引线，有脚封装中的“脚”的部件的导电外部部分，或其他电气连接焊接到位，便于机械支撑和电连接。无铅焊料可以包含锡或其合金，包括银，铜，银，铋，铟，锌，锑和痕量的其他金属。无铅焊料通常具有比含铅(化学符号Pb)高5℃至20℃的熔点。焊接可能涉及波峰焊，其中焊料流过裸露的引线和印刷电路板走线。或者，可以在元件放置之前将焊料印刷到硬性印刷电路板上，接着加热以熔化焊料并永久地附接元件。这种方法被称为回流焊工艺。另一种组装方法包括安装通孔引线组件。

在图90所示的示例中，无源组件1060A，1060B和1060C，集成电路 1061和1062以及LED 1063或其他传感器或发射器(未示出)被焊接到印刷电路板金属线路1049A和1049B上。不被焊接的印刷电路板铜线路由包括封装1050A和1050B的阻焊层保护。同样，在没有暴露的金属的情况下，焊接过程不影响软性1055.尽管在硬性印刷电路板上执行的常规SMT组装在元件安装和焊接期间由印刷电路板的机械强度实现其机械支撑，但是如公开的软硬结合印刷电路板，需要额外的支撑以防止在制造过程中发生不希望的弯曲。

在图91中示出了接合期间的一种可能的支撑手段，其中框架1068使用销1069支撑分布式软硬结合印刷电路板的硬性部分。这些针在SMT工艺期间防止元件在拾取和放置期间的变形和弯曲。框架和销可以包括金属或任何强硬材料，例如玻璃纤维的增强聚合物。可以添加额外的引脚来支持更大的硬性印刷电路板尺寸。框架可以永久地作为键合设备的一部分，或者作为连接到软硬结合印刷电路板的载体的一部分。

通过将印刷电路板浸入浴1070中的防水乳液1071中，可以通过喷涂具有涂层或丙烯酸层的硬性印刷电路板或如图92所示实现防潮保护，即防水。插图1074示出了在光学传感器或LED 1063包含在SMT组装的印刷电路板中。为防止防水乳剂1071影响LED或传感器的光学特性，槽1070中的流体深度不应覆盖光学部件。干燥或固化之后，得到的防水印刷电路板在图93 中示出，其中防潮层1072覆盖大部分或全部金属引线和线路，消除或至少极大地减少印刷电路板对湿气，腐蚀性化学物质，盐水，汗液，或其他导电流体。

在防潮之后，如图94所示，将分布式软硬结合印刷电路板安装到聚合物壳体或盖1076中。因为例如LED 1063的光学部件需要开口1077以便于光传输进入或离开系统，所以盖1076不是密封并依靠防潮1072防止损坏。另一种方法是将聚合物模塑料注入封装分布式软硬结合印刷电路板的模具中。即使在那时，聚合物模具和突出的光学部件之间因重复弯曲而分层的风险也需要使用防潮层1072。

3D可挠曲分布式印刷电路板的实际应用-软硬结合印刷电路板制造，分布式印刷电路板设计和电气冗余的组合可应用于各种可穿戴电子设备和医疗设备。所公开的可软性印刷电路板设计和制造过程的灵活性为使电子设备符合人体的异常和弯曲表面提供了巨大的多功能性，同样适用于兽医和马医学。使用通过软性互连和应力释放的冗余矩阵互连的硬性或准硬性印刷电路板的正方形，矩形和六边形阵列，所支撑的形状包括平的，弯曲的，圆形的，半球形的可挠曲的衬垫，包括

·腰带和宽腰带

·领子和头带

·袖口，手臂带和手腕带

·帽子和头盔的形状

·口罩

·可重新配置的阵列

这里公开的3D可软性印刷电路板设计方法和几何形状，制造工艺以及冗余电子体系结构可适用于各种形状。这项技术的实际应用在这里被包括来举例说明，但不限于这种多功能性。

一种这样的应用是领或带形状，其包括设计成围绕颈部，腰部，头带，袖口，腕带和臂带的细长衬垫。图95A示出了包括带1100的软性带状光疗聚合物衬垫的顶部和底部外部视图。在所示的光疗聚合物衬垫中，LED通过开口1103发光，而聚合物衬垫保护可挠曲的软硬结合印刷电路板免受机械损伤和潮湿。连接器1102包括机械强化的USB连接器。带包括使用带1101 和销1104的可调节长度。如图95B所示，带状光疗聚合物衬垫以各种外观示出，包括顶部，底部，边缘和端部视图。

图95C中示出了包括具有顶盖1100W和底盖1100Y的软硬结合印刷电路板1110的带状光疗聚合物衬垫的放大图。软硬结合印刷电路板1110包括由硬性塑料护套1102B加强并***连接器开口1102A中的USB连接器 1102C。在图95D中示出了盖子110Z的下侧和包括硬性印刷电路板1110A 和软性互连1110B的软硬结合印刷电路板的特写透视图。在光疗聚合物衬垫组装期间包含由印刷硬质塑料制成的销1104。

图95E示出了顶部和底部聚合物盖的各种视图，包括顶盖外部视图 1100W，顶盖内部视图1100X，底盖内部视图1100Y和底盖内部视图1100Z。在图95F中详细描述了将软硬结合印刷电路板1110放置在底盖内部视图 1100Y中所示的聚合物衬垫中。中心展开图示出了包括保护套1102B的USB 连接器1102C。另一个扩展视图详细描述了引脚1104的位置和安装。

在图96的流程图中示出的光疗聚合物衬垫的组件和相应的透视图包括在步骤1130A中安装USB支撑护套，而框架1119在处理期间为刚柔结合印刷电路板1110Z提供额外的机械支撑。在步骤1130B中，框架1119被移除，导致在步骤1130C中组装的刚柔结合印刷电路板1110被安装到底盖1100Y 中。在此步骤中，将销1104***盖中，之后在步骤1130D中将顶盖胶合到位，从而形成最终的带状光疗聚合物衬垫1100。图97示出了突出显示LED 开口1103和USB连接器1102的顶部和底部透视图。

在图98中示出了各种制造步骤中硬性-软性印刷电路板1100的透视照片，包括SMT组装之前和移除支撑框架1119之前的印刷电路板1110Z的顶视图，刚柔-软性印刷电路板1110的下侧视图的中心图示突出显示LED 1103A的SMT组装之后，以及突出显示USB连接器1102C的SMT组装之后硬性-软性印刷电路板1110的顶侧视图的底部图示。

图99示出了最终的带状光疗聚合物衬垫及其相关电缆。图100示出了在带状光疗聚合物衬垫设计中使用的软硬结合印刷电路板的四个视图，单独示出了顶部金属1141并且结合了顶部挠性金属1144A和1144B，底部软性金属1145和底部金属1148层。如所示，顶部金属1141包括用于安装LED 的焊盘1142以及顶部金属至顶部弯曲金属通孔1143.顶部金属至顶部弯曲金属通孔1143还沿着顶部弯曲金属层出现在顶部弯曲金属层上具有金属线路1144A用于电力和信号路由以及应力消除金属篮筐1144B。

底部金属弯曲1145包括应力消除筐编织1145和底部弯曲金属到底部金属通孔1147，底部金属通孔1147也出现在用于底部金属1148的层上。以这种方式，各种金属层完成特定电路，同时提供机械应力消除。

图101A示出了包括中央光疗聚合物衬垫1115A和侧面光疗聚合物衬垫115B的三个可重新配置的光疗聚合物衬垫的顶部和底部外部视图。在如图所示的光疗聚合物衬垫中，LED通过开口1153发光，而聚合物衬垫保护可挠曲的软硬结合印刷电路板免受机械损伤和潮湿。连接器1154包括机械强化的USB连接器。中心光疗聚合物衬垫115A包括三个USB连接器1154，而每个侧面连接器1151B包括两个USB连接器1154。

可重新配置的光疗聚合物衬垫包括可调节长度的带子1152.在图101B中以各种外部视图示出了可重新配置的光疗聚合物衬垫1115A和1115B中的每一个，包括顶部，底部，边缘和端部视图。在图102的分解图中示出了安装到底盖1151Z和顶盖1151W中的软硬结合印刷电路板1159的组件。包括硬性护套1154C和板安装USB电连接器1154B的USB连接器1154D被聚合物覆盖层1154A覆盖以产生完成的USB连接器1154。在图103A中示出了扩展视图，其识别由软性印刷电路板1159B互连在冗余阵列中的硬性印刷电路板1159A。图103B示出组装到聚合物盖中的软硬结合印刷电路板的侧视图。

图104示出了顶部和底部聚合物盖的各种视图，包括顶盖外部视图1151W，顶盖内部视图1151X，底盖内部视图1151Y和底盖内部视图1151Z。用于将可重构的光疗聚合物衬垫保持在一起的聚合带包括聚合带1152和硬性塑料销1157。

在图106A中示出了软硬结合结合印刷电路板的透视照片，其包括在SMT组装之前和之后以及在移除支撑框架1160之前的硬性印刷电路板 1159A和挠曲1159B的顶视图，并且图106B包括包括LED的软硬结合结合印刷电路板11591153A。图107显示了聚合物光疗聚合物衬垫的顶部和底部照片。最终可重新配置的光疗聚合物衬垫及其相关电缆如图108所示。

其他适合作为光疗聚合物衬垫或作为使用六角形刚柔印刷电路板的传感器阵列的形状包括图109的头帽，包括下侧视图1160A和顶部透视图 1160B，图110中的面膜1161以及用于膝盖，脚踝，肩膀，肘部的杯形光疗聚合物衬垫等等，如图111中的透视图1162A到1162D所示。