先進封裝/軟板騰出電池腹地 穿戴裝置兼顧輕巧續航

2022-04-22
穿戴式裝置問世以來,發展速度一日千里,短短數年來,包含針對大眾消費者的智慧手表、智慧手環和穿戴式攝影機,如雨後春筍般地蓬勃推出,根據全球研究機構IDC調查全球穿戴式裝置追蹤報告的結果顯示,2021年第四季全球穿戴式裝置市場創下新高,出貨量達1.71億台、年增10.8%。

新產品和對健康、健身追蹤產品以及聽戴設備的持續需求,幫助市場保持成長動能,2021年全年出貨量共計5.34億台、年增20%。 另一方面,輕巧、便利的穿戴裝置需求強勁,各種型式的先進封裝成為半導體發展的重要趨勢,如2D、2.5D/3D IC及SiP(System in a Package)等技術,代替傳統以金屬焊線為主的封裝技術;此外,軟性電路板成為下世代的發展目標,上述技術有效整合穿戴裝置內部空間、創造低耗能及體積微縮的優勢,將可帶領穿戴裝置開啟下一波成長動能。

加大電池/整合度為兩大關鍵

從功耗相關角度來看,穿戴式裝置整體零組件分為非電池跟電池,非電池如電路板、顯示器、感測及電源管理元件。而穿戴式裝置在輕薄短小的要求下,於固定體積下機構內的空間可說是寸土必爭,各家廠商努力朝向電池續航力與低耗能邁進。當電池體積擴大,裝置總蓄電量就得以提升,但在有限的空間下電池體積無法大幅增加,因此除了將其他元件體積縮小之外,高度整合也是發展目標。

工研院電光所副所長李正中(圖1)談到,穿戴裝置考量到體積限制,電池的總電量固定之下,需要透過減少耗電以得到更好續航力,因此廠商一開始就須選擇各類低耗電的零組件,以有效運用電池裡的每一分電力。

除了採用低耗電的元件,如何讓電子零組件省電能力更上一層樓,李正中還指出,將穿戴裝置中的電子零組件體積變小或厚度降低,再加以整合,使其占用機構內部空間縮小,有助於耗電量降低。由於內部零組件以封裝形式將其堆疊,縮短零組件之間的距離,因此傳輸路徑縮短時,耗電量即可降低。就目前來說,智慧型手機也以相同設計思維,縮小零組件且擴大電池體積,使裝置提升續航力。

系統封裝提高整合效果

過去是將同質晶粒封裝在一起,現在則是把兩個、甚至多個不同性質的電路(如邏輯晶片、感測器、記憶體等)整合進單一封裝裡。隨著先進製程的不斷發展,原先傳統的2D封裝已經無法達到相關的需求,於是晶片廠商逐漸轉向3D堆疊晶片製程技術,如WoW(Wafer-on-Wafer)、甚至CoW(Chip-on-Wafer)等的技術,利用2.5D/3D等多維度空間設計,將不同電路或裸晶堆疊、整合在一個晶片中,解決空間限制,進而達到改善功耗和效能、大幅縮小體積的效果。

李正中觀察穿戴裝置的發展,各家廠商會走向系統級封裝,由於功能日益提升,所須組成的零組件多出許多,過往傳統的封裝技術將個別晶片整合一起,使裝置體積、重量增加,因此2D技術已經無法滿足現有需求。且在多功能應用下,耗電量也隨之提高,為了達到持久續電力,透過先進封裝技術使元件高度整合,將有助於電池體積增大。

圖1 工研院電光所副所長李正中表示穿戴裝置搭備多功能應用後,耗電量也隨之提高,為了達到持久續電力,透過先進封裝技術使元件高度整合,將有助於電池體積增大。

目前市場出現不同封裝製程技術,李正中說明,由於各家廠商技術能力和專利問題,做法都不盡相同,但是業者都朝向輕薄短小的目標發展。

軟性電路板成趨勢

隨著技術不斷演進,過往常見的電路板皆為硬板,但在小型穿戴裝置備受重視後,裝置不再是方方正正的樣子,為了符合穿戴裝置的機構設計需求,軟性電路板的應用也越見普遍,導入目的是使得系統整合更加容易,目前可看見許多相關廠商也已經積極展開布局。

李正中指出,穿戴裝置產在設計上所面臨困難是,硬式電路板難以安裝於穿戴裝置當中,由於智慧型手機體積較大,因此該問題較少發生。但也正因市面上出現各類型的穿戴裝置,若未有良好的設計,組裝廠將難以將電路板安裝於裡面。穿戴裝置快速發展,連帶也促成軟性電路板技術的演進。

最後,李正中表示,現在穿戴式設計會將硬、軟板相互連結,由於目前軟板發展仍未純熟,無法具備與硬板相同特性,然而硬板很難塞進所需的外觀尺寸(Form Factor)中,正因為產品設計師的要求與空間調配,軟性電路板未來的應用比重將持續提升,同時扮演更重要的角色。

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