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模塑電子技術為白色家電實現差異化設計

上網時間: 2016年01月11日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:模塑電子技術  IME  白色家電  PCB  介面 

作者:Joel Martin,Teardown.com資深副總裁兼總經理

白色家電(white goods)的未來與嵌入式材料以及觸控功能密不可分。在我們最近拆解琳瑯滿目的白色家電和智慧家電過程,從一系列產品整合許多與個人通訊和穿戴式裝置有關的特色中,明顯可看到有越來越多的機會浮現。

在teardown.com,我們每年拆解超過400款以上的裝置,並分析它們如何製造以及深入探索將其導入市場的技術選擇和成本考慮。我們把蘋果(Apple)、三星(Samsung)、Honeywell和Nest等品牌的產品拆解後放在顯微鏡下仔細檢視,期望能夠更加瞭解技術的演進以及掌握用戶所需要的功能。

在當今的電子產品中,最古老的元件之一就是印刷電路板(PCB)。從1943年開始,這個歷久不衰的PCB一直是電子產品的基礎。圖1顯示目前最複雜的多層PCB。


Apple iPad Air 2採用10層堆疊PCB的橫截面圖

由於所有的電子產品經常需要某種材料,因此PCB具有幾大優勢,包括能夠連接較不笨重的獨立元件、勞力密集型佈線、將契合的電路整合於更小尺寸中、具有更高的可靠性以及提高高速訊號的完整性等等。事實上,無論是FR4級的材料規格、金屬、陶瓷或玻璃基板,大部份的產品中都包含PCB板。儘管PCB存在各種尺寸大小,但由於其特性本質經常對於製造商帶來設計上的限制,並且傳遞給客戶,甚至形成其用戶體驗。而今,在進行過無數的產品拆解分析後,我們開始看到業界開始需要一種能夠讓定量的電子元件更彈性化地存在於某種彎曲度的軟性基板中,而不再是完全由PCB限定的形式。

模塑電子技術崛起

早期沒人真的顧慮到電子產品採用四四方方的設計及其對於功能的影響。然而,隨著電子產品成為人們日常生活的一部份,這樣的期待隨之改變,例如汽車表面、家電與家用開關等任何電子產品,預計將開始出現更多創新與創意的設計。越來越多的設計人員與製造商開始挑戰傳統思維。另一方面,像杜邦(DuPont)等材料公司也開始提供可拉伸或熱成型的新材料解決方案,以滿足其設計需求。

隨著電路變得越來越小,電子元件成份迅速增加,創造新的外形與設計也有其必要性。為了實現這一目標,材料必須變得更智慧且多功能。在某種形式或射出成型的裝置中嵌入電子元件的能力催生了模塑電子(in-mold electronics;IME)技術的興起。

IME是實現先進電路設計與架構的新途徑。透過模塑兩層薄膜成為一種雙面的模塑元件,其中一面用於裝飾薄膜,另一層薄膜電路則模塑至另一面,在兩層薄膜之間通常注入模塑樹脂。這種利用雙層薄膜途徑的模塑電子提供了一種整合重要特性的方法,通常也是利用單層薄膜的應用無法實現或存在挑戰之處。

在這種結構中,包括印刷感測器、電阻以及其他所需元件的電路共同形成了一個功能完整的獨立元件,並以模塑樹脂密合封裝。這種電路與表面黏著元件的結合,產生了一種防水的元件,能夠耐受可能破壞現有使用者介面(UI)模組的嚴峻環境。

導致這種變化的主要驅動力量是用戶對於體積更小、較不笨重的裝置需求,以及傾向於採用越來越舒適的觸控表面。如今,根據新設計與技術要求建置這項IME技術的成本已經明顯降低了。


採用模塑電子(IME)技術,讓設計人員實現更先進、更舒適甚至更經濟的設計

根據杜邦表示,因應電子產品手持輕量化以及設計感潮流趨勢,電子模塑技術以印刷佈線取代傳統使用線材和連接器的佈線方式,解決了傳統方式造成的‘死角區域’,並可整合功能元件和線路,減少不必要的空間浪費,不僅大幅提升產品造型設計的靈活度和內部空間的自由度,同時也簡化了製程以及減少組裝步驟,有效地提高生產效率並降低成本。

相較於傳統佈線方式,電子模塑技術的優點就在於輕量化、使設計最佳化以及節省成本。透過減少線材與連接器可減少高達70%的重量;無死角的設計使其得以實現3D塑形;此外,單接頭裝配簡單可簡化設計,從而節省30%的成本。因此,電子模塑技術目前已可應用於汽車、家電、智慧裝置與消費性電子等電容式開關,實現電子產品更輕薄、設計時尚且性能更優異的夢想。

而在teardown.com,我們最近比較了家電市場中的模塑電子解決方案,以及傳統的舊式PCB設計。相較於IME的設計變化,雖然家電傳統上帶有旋鈕、按鍵以及連接到大型電容器、電阻器和8位元處理器的開關,但很顯然地,現代平板電腦、手機與電腦的特性與功能,已經能夠更容易地層疊於越來越普及但重要的電子產品中。

包括冰箱、洗衣機、乾衣機和家庭控制面板等這些一直被我們視為理所當然的家電裝置,現在已經能夠經過進一步的設計融入我們的生活方式,而不再只是躲在家中角落或地下室的白色大箱子。再者,從廚房到汽車甚至是浴室,設計人員重新塑造普通物品的能力,已經能為我們的整個生活空間帶來更多的創造力。

IME+IC=白色家電

很自然地,我們會看到許多公司正積極創造這些材料,因為這是我們的產業本質,但坦白說令人感到好奇的是看到IC公司也同樣投資於此領域。例如Cypress Semiconductor的CapSense電容式觸控感測控制器系列,以及具有CapSense功能的可編程系統單晶片(PSoC)元件產品組合。

白色家電、汽車和消費電子產業目前普遍可看到採用電容式觸控的產品。隨著這項技術的成本降低、快速增加更多優點,預計未來在進一步結合模塑電子技術後,這些產業領域將會持續在更多的產品中導入這項新興的人機介面(HMI)技術,充份利用它提供的特性與優點。

此外,針對低量生產高價值產品的應用,預計也能從中受益。這包括醫療、軍事、工業控制、泳池與水療控制、照明、安全、HVAC、銷售點與販賣機應用以及玩具製造商等,都將發現IME能夠解決產品所面臨的挑戰,並進一步實現差異化設計。

由於計算電子與材料的成本是我們在Teardown.com的重要任務,因此,值得注意的是IME技術雖然可能在未來發揮更大的作用,但卻不一定是較便宜的選擇。隨著電子元件進一步整合於實際的材料中,更換這些電子元件也意味著取代掉板上的整個次系統。然而,這與發生在電腦或冰箱故障時的情況畢竟是不一樣的。PCB十分易於瞭解與值得信賴,因此我們預計它將繼續作為一個提供多種服務的平台。

但是,如果製造商致力於尋求整合觸控功能,以期實現一種高效率且符合人體工程學的設計方式,他們很可能將會越來越著眼於這項技術。透過適形的電子元件改善外觀、功能與整體用戶經驗,從而實現產品的差異化。

在一些應用中,模塑電子將兼具設計與潛在的成本效益。由於具有在熱成型與射出成型等製造過程中直接進行創造的能力,意味著可能在家電控制台後存在單個連接點而無任何導線。其優勢在於為更基本與功能性的設計減輕重量以及增加自由度。免除單獨的按鍵可望降低成本,而移除傳統的實體電子元件則可進一步節省更多成本與空間。

結語

長久以來,電容式觸控介面已經成為我們日常生活的一部份了,它廣泛用於白色家電、智慧家電、照明開關以及iPad或智慧型手機上的觸控螢幕。模塑電子則是一項較新且在近年來才成為現實的技術。

隨著消費者越來越希望白色家電能夠像他們的個人裝置一樣,提供相同的功能與用戶體驗;預計在接下來的幾年,可拉伸的軟性模塑電子技術將會蓬勃發展,持續導入更多新產品設計並製造出外型新穎且堅固耐用的電子產品,而我們也將在更多具時尚感的白色家電與消費應用中發現更友善用戶的介面體驗。

編譯:Susan Hong

(參考原文:In-Mold Electronics (IME) are Making Their Way to White Goods,by Joel Martin,Teardown.com)





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