軟性可塑型元件技術於下世代穿戴式產品之應用

 

刊登日期:2018/7/5
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因應未來高齡化社會對智慧化生活之要求,期透過智慧化科技輔助運動休閒與健康管理,有效養成國人健康管理習慣,帶動國內發展更多元的健康服務和生活服務。智慧化科技電子系統產品樣式除了輕薄之外,也要求量測準確及穿戴舒適。未來商品要求舒適性與長時間配戴,對於使用在裝置內之系統級封裝(SiP)元件在軟性化及可塑型化的需求為必然之趨勢。

本文將從以下大綱,介紹工研院電光系統所近年來致力開發與驗證面板級高精細度多層線路製程及軟性系統級封裝技術,未來將整合相關技術應用於可塑型穿戴式產品上。
‧穿戴式產業發展蓬勃
‧穿戴式產品技術市場規模
‧穿戴式產品技術的需求與挑戰
 1. 高信賴可彎曲或拉伸材料開發
 2. 可服貼性結構設計
 3. 系統補償調整設計
‧下世代穿戴式產品應用–軟性可塑型產品
‧結論

【內文精選】
穿戴式產業發展蓬勃
為加速台灣產業轉型與升級,政府近年致力於打造五大創新研發產業,其中,「亞洲·矽谷推動方案」的主軸包含了建構物聯網生態體系及推廣物聯網應用。根據麥肯錫報告指出,預估至2025年,因物聯網帶動的健康照護、智慧家庭、智慧管理、智慧製造等九大領域,整體年總產值將上看11兆美元,如圖一。根據Yole Développment的統計資料看來,由於智慧化行動裝置的普及與物聯網技術的發展,直接帶動了醫療及健康照護產品朝醫療物聯網(Internet of Medical Things; IoMT)的方向開發,相關裝置將超過2.3億組以上,如圖二。

圖一 2025年物聯網相關之應用規模及產值預估
圖一、2025年物聯網相關之應用規模及產值預估

穿戴式產品技術市場規模
觀察全球智慧化穿戴式裝置市場近年發展趨勢(圖五),預估2018年全球市場銷售量將達2億台,相較2017年預估成長24%。主要的成長驅動因素為:更多廠商加入、市場關注度與接受度提升、產品使用情境逐漸明朗(如運動、通話、支付、精品定位)。2021年的全球整體市場銷售量預估將達3億7千萬台,年複合成長率超過20%。雖然目前穿戴式裝置類別仍以手錶、手環等應用為主,不過已漸漸擴及智慧衣、鞋、眼鏡、頭盔,甚至是助聽器等其他形式的設備,穿戴式設備演進模式多元,且往後的發展不再純粹以娛樂性質為主,各式的穿戴式裝置會漸漸地朝健康監測、居家看護等方面靠攏。

穿戴式產品技術的需求與挑戰
然而,目前常見穿戴式裝置之材質選擇缺乏彈性,無法避免厚重及裝置不穩定的問題,造成穿戴不適而讓使用者拒絕長時間配戴。為免除其配戴不舒適及穩定性不佳的問題(圖九),下世代的技術已朝向可貼附而且柔軟可撓的方向進行開發,以求產品更高靈敏度、準確性及信賴度(如圖十)。
1. 高信賴可彎曲或拉伸材料開發
可拉伸電極及高分子材料的技術開發,提供穿戴式裝置市場更多的選擇和競爭。可拉伸之高分子材料(如基板或封裝材料)因開發早,故市場選擇性多且可穩定供貨,如矽膠材料及聚氨酯材料等。然而,IDTechEx發現,材料使用的多樣性和體驗正在蔓延,特別是市場上正在使用的導電油墨數量增加,如圖十一所示,現今,市場上有三分之二的電子紡織品製造商使用或具有使用導電油墨的經驗。導電油墨的開發廠商如Fujikura、Henkel、DuPont、Panasonic、Jujo Chemical及T-ink等皆把握機會如火如荼開發及推廣可拉伸銀膠油墨。除導電油墨外,可拉伸導電織物的設計亦是另一可行性選項。其設計上利用微細線路纏繞可拉伸纖維方式,當線路伸縮時,僅纖維伸縮但電線的總長度保持不變,意味著拉伸不會導致電阻的變化。上述兩者材料設計目前正主導著可拉伸線路市場的方向(圖十二)。

2. 可服貼性結構設計
於可服貼性結構設計上,歷年來已有許多的參考文獻資料,相關技術比較如表一。工研院的設計則採利用基材局部區域可拉伸率差異之設計,開發其受力時於特定區域具低變形特性的結構及其製程方法,與目前相關開發中之技術比較,本技術製程簡單且可直接製作於可拉伸之基材上,且元件強度較佳具可多次使用的高信賴性,更具市場競爭性。

下世代穿戴式產品應用–軟性可塑型產品
工研院電光系統所近年推動面板級扇出型封裝技術(Fan-out Panel Level Packaging),並著手下世代高性價比、高整合度IC封裝技術。藉由現有之面板級高精細度多層線路製程及FlexUP™技術的能量,已成功開發出軟性多層高密度之金屬線路,後續可整合軟性薄型化晶片技術與軟性薄層化封裝技術成為軟性系統級封裝技術(Flexible System in Package; Flexible SiP),將可應用於可塑型穿戴式產品上。圖十四(a)為G2.5面板(370 mm × 470 mm)上製作微線寬導線的製程能力驗證,以2 μm/5 μm/10 μm電鍍光阻進行測試,整區面板(5區)各線寬的線寬均勻度皆可達95%以上,且經電性檢測後線路無開路/斷路等缺陷。圖十四(b)為軟性可塑型技術所製作之雛型品應用於腹部肌電流檢測結果,藉由…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

圖十四、(a)為3層的RDL製作驗證,其最小線寬/距為2/2 μm,經電性檢測後線路無開路/斷路等缺陷;(b)軟性可塑型技術所製作之EMG雛型品
圖十四、(a)為3層的RDL製作驗證,其最小線寬/距為2/2 μm,經電性檢測後線路無開路/斷路等缺陷;(b)軟性可塑型技術所製作之EMG雛型品

作者:楊明桓/工研院電光系統所
★本文節錄自「工業材料雜誌」379期,更多資料請見下方附檔。


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