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材料In-Mold Electronics 技术为白色家电实现差异化

2017-08-31  669

白色家电(white goods)的未来主要体现在使用的材料和触控功能的发展和变化。在我们最近拆解的各种白色家电和智能家电中,可以发现白色家电与个人通讯产品及穿戴式装置有越来越多的整合趋势。

在teardown我们每年拆解超过400款以上的产品和装置,分析其制程,探索将其导入市场的技术选择和成本考虑。我们把苹果(Apple)、三星(Samsung)、Honeywell和Nest等品牌的产品拆解后在显微镜下仔细检视,期望能够更加了解技术的演进以及掌握用户所需要的功能。

在当今的电子产品中,最古老的元件之一就是印刷电路板(PCB)。从1943年开始,这个历久不衰的PCB一直是电子产品的基础。下图显示目前最复杂的多层PCB。

Apple iPad Air 2采用10层堆叠PCB的横截面图

PCB固然具有很多优点,比如可以连接较不笨重的独立元件,能将契合的电路整合于更小尺寸中,具有更高的可靠性,能提高高速讯号的完整性,是劳力密集型产业。

事实上,无论是FR4级的材料规格、金属、陶瓷或玻璃基,板,大部份的产品中都包含PCB板。尽管PCB存在各种尺寸大小,但由于其特性本质经常对于制造商带来设计上的限制,甚至形成其用户体验。而今在进行过无数的产品拆解分析后,我们开始看到业界开始需要一种能够让定量的电子元件更弹性化地存在于具有一定弯折度的软性基板中,而不再是完全由PCB限定的形式。

模内电子技术(In-Mold Electronics)崛起

早些年,由于材料和科技的限制,没人真的在乎电子产品采用四四方方的设计及其对于功能的影响。然而,随著电子产品成为人们日常生活的一部份,这样的期待随之改变,例如汽车表面、家电与家用开关等电子产品,开始出现更多创新设计,越来越多的设计人员与制造商开始挑战传统思维。另一方面,材料公司也开始提供可拉伸或热成型的新材料解决方案,以满足其设计需求。

随著电路变得越来越小,电子元件成份迅速增加,创造新的外形与设计也有其必要性。为了实现这一目标,材料必须变得更智能且具有更多功能。在注塑成型的装置中嵌入电子元件的能力催生了模内电子(In-Mold Electronics, IME)技术的兴起。

IME是实现先进电路设计与架构的新途径。透过两层薄膜成为一种双面的注塑产品,其中一面是装饰薄膜,另一层薄膜是印刷电路,在两层薄膜之间通常注入树脂。这种利用双层薄膜整合装饰性和电子功能性的新技术---模内电子(In-Mold Electronics,IME)为设计师提供了一种整合重要特性的方法,也是采用单层薄膜无法实现的。

在这种结构中,包括印刷感测器、电阻以及其他所需元件的电路共同形成了一个功能完整的独立元件,并以模塑树脂密合封装。这种电路与表面黏著元件的结合,产生了一种防水的元件,能够耐受可能破坏现有使用者介面(UI)模组的严峻环境。

导致这种变化的主要驱动力量是用户对于体积更小,具有更多功能的装置需求,以及倾向于採用越来越舒适的触控表面。如今,根据新设计与技术要求建置这项IME技术的成本已经明显降低了。

模内电子(In-Mold Electronics,IME)产品样品

随着电子产品轻量化以及设计感潮流趋势,模内电子技术以印刷布线取代传统使用线材和连接器的布线方式,解决了传统方式造成的‘死角区域’,并可整合功能元件和线路,减少不必要的空间浪费,不仅大幅提升产品造型设计的灵活度和内部空间的自由度,同时也简化了制程以及减少组装步骤,有效地提高生产效率并降低成本。

相较于传统布线方式,模内电子技术的优点在于轻量化、使设计最佳化以及节省成本。透过减少线材与连接器可减少高达70%的重量;无死角的设计使其得以实现3D塑形;此外,单接头装配简单可简化设计,从而节省30%的成本。模内电子技术目前已可应用于汽车、家电、智慧装置与消费性电子等,使电子产品更轻薄、设计时尚且性能更优异。

而在teardown,我们最近比较了家电市场中的模内电子(IME)解决方案,以及传统的旧式PCB设计。相较于IME的设计变化,虽然家电传统上带有旋钮、按键以及连接到大型电容器、电阻器和8位元处理器的开关,但很显然地,现代平板电脑、手机与电脑的特性与功能,已经能够更容易地层叠于越来越普及但重要的电子产品中。

包括冰箱、洗衣机、乾衣机和家庭控制面板等这些一直被我们视为理所当然的家电装置,现在已经能够经过进一步的设计融入我们的生活方式,而不再只是放在家中角落的白色大箱子。再者,从厨房到汽车甚至是浴室,设计人员重新塑造普通物品的能力,已经能为我们的整个生活空间带来更多的创造力。

IME+IC=白色家电

很自然地,我们会看到许多公司正积极创造这些材料,因为这是我们的产业本质,但坦白说令人感到好奇的是看到IC公司也同样投资于此领域。例如Cypress Semiconductor的CapSense电容式触控感测控制器系列,以及具有CapSense功能的可编程系统单晶片(PSoC)元件产品组合。

白色家电、汽车和消费电子产业目前普遍可看到採用电容式触控的产品。随著这项技术的成本降低、快速增加更多优点,预计未来在进一步结合模内电子技术后,这些产业领域将会持续在更多的产品中导入这项新兴的人机介面(HMI)技术,充份利用它提供的特性与优点。

此外,针对低量生产高价值产品的应用,预计也能从中受益。这包括医疗、军事、工业控制、泳池与水疗控制、照明、安全、HVAC、销售点与贩卖机应用以及玩具制造商等,都将发现IME能够解决产品所面临的挑战,并进一步实现差异化设计。

由于计算电子与材料的成本是我们在Teardown的重要任务,因此,值得注意的是IME技术虽然可能在未来发挥更大的作用,但却不一定是较便宜的选择。随著电子元件进一步整合于实际的材料中,更换这些电子元件也意味著取代掉板上的整个次系统。然而,这与发生在电脑或冰箱故障时的情况毕竟是不一样的。PCB十分易于瞭解与值得信赖,因此我们预计它将继续作为一个提供多种服务的平台。

但是,如果製造商致力于寻求整合触控功能,以期实现一种高效率且符合人体工程学的设计方式,他们很可能将会越来越著眼于这项技术。透过适形的电子元件改善外观、功能与整体用户经验,从而实现产品的差异化。

在一些应用中,模塑电子将兼具设计与潜在的成本效益。由于具有在热成型与射出成型等製造过程中直接进行创造的能力,意味著可能在家电控制台后存在单个连接点而无任何导线。其优势在于为更基本与功能性的设计减轻重量以及增加自由度。免除单独的按键可望降低成本,而移除传统的实体电子元件则可进一步节省更多成本与空间。

结语

长久以来,电容式触控介面已经成为我们日常生活的一部份了,它广泛用于白色家电、智慧家电、照明开关以及iPad或智慧型手机上的触控萤幕。模塑电子则是一项较新且在近年来才成为现实的技术。

随著消费者越来越希望白色家电能够像他们的个人装置一样,提供相同的功能与用户体验;预计在接下来的几年,可拉伸的软性模内电子技术将会蓬勃发展,持续导入更多新产品设计并製造出外型新颖且坚固耐用的电子产品,而我们也将在更多具时尚感的白色家电与消费应用中发现更友善用户的介面体验。


作者:Joel Martin,Teardown资深副总裁兼总经理






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