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利用模塑电子技术实现白色家电差异化设计

上网日期: 2016年01月12日 ?? 作者: Joel Martin ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:模塑电子技术? 白色家电? 差异化设计?

本文作者Joel Martin为Teardown.com资深副总裁兼总经理

白色家电(white goods)的未来与嵌入式材料以及触控功能密不可分。在我们最近拆解琳琅满目的白色家电和智能家电过程,从一系列产品整合许多与个人通讯和可穿戴设备有关的特色中,明显可看到有越来越多的机会浮现。

在 teardown.com,我们每年拆解超过400款以上的设备,并分析它们如何制造以及深入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放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,最古老的组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。图1显示目前最复杂的多层PCB。

Apple iPad Air 2采用10层堆栈PCB的横截面图《电子工程专辑》
Apple iPad Air 2采用10层堆栈PCB的横截面图

由 于所有的电子产品经常需要某种材料,因此PCB具有几大优势,包括能够连接较不笨重的独立组件、劳力密集型布线、将契合的电路整合于更小尺寸中、具有更高 的可靠性以及提高高速信号的完整性等等。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,并且传递给客户,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组件更弹性化地存在于某种弯曲度的软性基板中,而不再是完全由PCB限定的形式。

模塑电子技术崛起

早期没人真的顾虑到电子产品采用四四方方的设计及其对于功能的影响。然而,随着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 与家用开关等任何电子产品,预计将开始出现更多创新与创意的设计。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,像杜邦(DuPont)等材料 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。

随着电路变得越来越小,电子组件成份迅速增加,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多功能。在某种形式或射出成型的设备中嵌入电子组件的能力催生了模塑电子(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。透过模塑两层薄膜成为一种双面的模塑组件,其中一面用于装饰薄膜,另一层薄膜电路则模塑至另一面,在两层薄膜之间通常 注入模塑树脂。这种利用双层薄膜途径的模塑电子提供了一种整合重要特性的方法,通常也是利用单层薄膜的应用无法实现或存在挑战之处。

在这种结构中,包括印刷传感器、电阻以及其他所需组件的电路共同形成了一个功能完整的独立组件,并以模塑树脂密合封装。这种电路与表面黏着组件的结合,产生了一种防水的组件,能够耐受可能破坏现有用户接口(UI)模块的严峻环境。

导致这种变化的主要驱动力量是用户对于体积更小、较不笨重的设备需求,以及倾向于采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。

采用模塑电子(IME)技术,让设计人员实现更先进、更舒适甚至更经济的设计《电子工程专辑》
采用模塑电子(IME)技术,让设计人员实现更先进、更舒适甚至更经济的设计

根据杜邦表示,因应电子产品手持轻量化以及设计感潮流趋势,电子模塑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’,并可整合功能组件和线路,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,同时也简化了工艺以及减少组装步骤,有效地 提高生产效率并降低成本。

相较于传统布线方式,电子模塑技术的优点就在于轻量化、使设计优化以及节省成本。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。因此,电子模塑技术目前已可应用于汽车、家电、智能设备与消费性电子等电容式开关,实现电子产品更轻薄、设计时尚且性能更优异的梦想。

而在 teardown.com,我们最近比较了家电市场中的模塑电子解决方案,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位处理器的开关,但很显然地,现代平板电脑、手机与计算机的特性与功能,已经能够更容易地层迭于越来越普及但重要的电子产品中。

包括冰箱、洗衣机、干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设备,现在已经能够经过进一步的设计融入我们的生活方式,而不再只是躲在家中角落或地下室的白色大箱子。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芯片(PSoC)组件产品组合。

白色家电、汽车和消费电子产业目前普遍可看到采用电容式触控的产品。随着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塑电子技术后,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接口(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.com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。随着电子组件进一步整合于实际的材料中,更换这些电子组件也意味着取代掉板上的整个次系统。然而,这与发生在计算机或冰箱故障时的情况毕竟是不一样 的。PCB十分易于了解与值得信赖,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,如果制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着眼于这项技术。透过适形的电子组件改善外观、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制造过程中直接进行创造的能力,意味着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组件则可进一步节省更多成本与空间。

结语

长久以来,电容式触控接口已经成为我们日常生活的一部份了,它广泛用于白色家电、智能家电、照明开关以及iPad或智能手机上的触控屏幕。模塑电子则是一项较新且在近年来才成为现实的技术。

随着消费者越来越希望白色家电能够像他们的个人设备一样,提供相同的功能与用户体验;预计在接下来的几年,可拉伸的软性模塑电子技术将会蓬勃发展,持续导入更多新产品设计并制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接口体验。

本文为《电子工程专辑》原创,版权所有,谢绝转载

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