SiP技術解決微型、穿戴裝置整合功能需求

使用SiP技術將大量功能晶片整合，與MCU整合設計，因應小型化設計電子產品整合需求。InvenSense

穿戴裝置產品極度講求產品的重量、體積與使用體驗，傳統的電子產品開發設計方法已無法因應穿戴產品設計需求，必須採用更積極微縮產品體積、減輕終端設計重量同時又能維持運行效能、良好使用體驗的設計方案…

觀察新穎的穿戴智慧應用市場，在產品設計上有幾個重點，如重量、體積與使用體驗等，都是終端用戶評鑑產品特性表現優劣的觀察重點，而穿戴裝置不僅外形多變，也多朝外觀極度小型化設計趨向，這與穿戴裝置產品需同時整合大量感測元件、甚至是健康數據的進階脈搏指數讀取設計功能，產品難免會變得厚重的結果有點後背道而馳。

穿戴應用體積小  SiP封裝技術可優化產品設計

而為因應穿戴裝置多變外型與小型化設計，傳統的PCB(Printed circuit board)電路板需要平整空間設置的條件相對較無法滿足，因此開發業者被迫採行利用積體電路整合封裝與內部連線的SiP(System in Package)封裝設計，處理大量感測器整合與電路連接需求設計，一方面精簡電路板設計與多IC的佔位空間設計問題，同時簡化外部連線僅需使用可撓性的軟式電路板或電子線路，僅連接關鍵功能模組、開關或是電池元件，即可做出如手鐲狀、手錶、眼鏡狀態外型，甚至是腕帶可撓狀態的穿戴式智能運算裝置。同時，以半導體科技還可達到降低總體物料清單(Bill Of Material；BOM)成本優點，有助製造商打造出更便宜、功能性更高的產品。

其實穿戴電子產品並不是新東西，Google Glass智能眼鏡、Fitbit體感記錄器等熱門電子產品，相關技術在電子製造產業早有相關基礎整合技術，透過新的IC整合技術才能讓智能設備大幅微縮體積與重量，並可搭配在各種以往不可能裝載智能運算功能的穿戴產品上，由於應用新穎、加上智慧整合，也讓這類智慧整合穿戴應用成為目前最熱門的應用。觀察現有穿戴式智能電子產品，甚至是一些還在開發中的熱門項目，在功能設計應用模式上都存在一些共同的設計脈絡可供開發新產品時的參照。

穿戴電子熱門  設計趨勢驅動模組朝SiP方案整合

例如，目前主流穿戴式裝置都設計能與一部常規電腦主機進行資料交換，例如桌上型電腦、筆記型電腦或是智慧手機、平板電腦等產品進行產品連接配對，對於隱私要求較高的個人健康資訊，還可選擇透過硬體機碼綁定裝置與雲端資料應用帳號，避免不同裝置遭破解登入影響原穿戴硬體記錄的資料真實性，而連接端的主機設備可以提供穿戴設備較缺乏的大型顯示屏幕顯示內存資訊，或是透過整合操作介面為穿戴裝置做更深入的功能調校。

在硬體設計方面，穿戴式設備可以說是最接近身體的電子裝置，可以配戴於手腕、或以首飾型態掛於頸部、或是採眼鏡設計方式配戴，因此裝置本身外部若與人體接觸，在外部機殼的材料選擇就相當重要，一般以運動用途的穿戴裝置會選高耐汗、抗菌、富較佳觸感彈性的矽膠材料，若是飾品設計則會採用航太鋁材或是醫療級不鏽鋼材料經成形拋光處理，例如多款智能手錶多半選用鋁材或是不鏽鋼金屬製作機殼，但機殼選定後還需考量天線設置與實際運行效能問題，才能達到兼具設計與成本的使用效益。

因應應用生態系整合  穿戴設計才能發揮綜效

除了前述摸得到、看得到的穿戴應用設計外，潛藏產品外觀底下的系統設計，才是這類穿戴式應用能否發揮綜效的重要關鍵！首先，智能穿戴裝置需要與智能終端協同運作才能發揮效益，目前業界以Apple iOS、Google Android作業系統為兩大主流，對應其應用生態系，穿戴裝置就必須更注意其銜接應用生態系的整合應用，才能有效達到搭配整合的實質效益。

例如，針對iOS裝置協調整合應用的智能穿戴設備，就必須搭配iOS對健康資訊整合的SDK(Software Development Kit)進行對應App功能開發與裝置銜接驅動，才能有效將穿戴裝置記錄的健康資訊匯入iOS的健康資料生態系中，進行搭配整合。至於Android系統的部分，除穿戴裝置本身若SiP整合的MCU(Microcontroller Unit)與運算資源硬體條件允許，其實可以直接選用Android Ware嵌入式系統直接整合應用支援，與Android智能裝置搭配銜接更順暢，裝置端的方展方向與整合型式，也會直接影響穿戴裝置的產品市場價值與使用便利條件。

至於穿戴裝置的功能特性，例如更小的尺寸、更精密的生理資料擷取與分析，或是針對iOS或是Android嵌入式作業系統最佳化穿戴設計，都會影響不同用戶選用對應穿戴應用的決策因素，同時這些附加賣點也會影響整個穿戴裝置的設計複雜度，而在功能設計部分，例如心跳、血壓、血氧濃度，甚至是穿戴者的情緒監控、睡眠品質監控等，都是由穿戴裝置藉由定時感測用戶生理與行動動態資訊進行的數據分析產生的關鍵資訊，甚至是穿戴裝置針對用戶周遭環境的戶外紫外線強度、空氣品質進行進階感測，只要整合技術夠完整都是有可能達到的設計功能。目前要達到多感測器整合，同時又要兼顧體積必須微縮、電路功耗必須積極優化等設計條件，僅有SiP積體電路封裝等級的功能整合，才能辦得到這些感測功能結合。

Always-on、進階MEMs整合  穿戴裝置產品功能升級關鍵

以早期穿戴式電子應用產品觀察，以Nike FuelBand或是Jawbone UP這類功能簡易的智能手環產品，基本上僅需整合加速度計搭配嵌入式MCU與部分儲存元件就能透過生物的動態表現分析導出如重量訓練、戶外運動、奔跑或是打球等運動狀態資訊，但實際上這種間接分析推導的活動資訊與運動量的轉換，多半與現實狀況仍存在極大誤差。

而關鍵感測器如ECG(Electrocardiography)生理監控模組、各式MEMs(Micro Electro Mechanical Systems)感測元件以SiP積體電路的封裝技術進行整合，如光感測器、多軸陀螺儀、生理資訊擷取模組等感測技術，穿戴裝置就能有更多環境與生物體的運動特徵資料來源進行處理與分析，系統運算分析的生理運動狀態與生理體徵資訊也會更加完善精確。

穿戴式電子產品若推到醫療應用體制中，甚至能為一些慢性病、需長時間觀察生理動態體徵的醫療行為，提供更完整的診療資訊參照，例如對糖尿病病患進行24小時？365天永不斷線(Always-on)的血糖精密量測，或是針對骨骼或關節退化患者進行植入人工關節或外體活動動態監測，讓醫患之間可以利用更完善的病徵檢測、分析，進而提出更精準的醫囑或是進一步重點治療，不僅可以提升醫患關係、強化診療效果，也能利用更精確的醫療服務機制避免病症惡化，提升醫療品質。

產品功耗優化  提升穿戴應用使用體驗

但穿戴電子設備要導入醫療用途，最大的門檻在於電子電路的設計方案，必須達到醫療級的高穩定性要求，例如，電子電路需要滿足抗震高穩定性要求，一般電子電路若是PCB設計，容易因機構的外部應力導致關鍵元器件焊點剝離使得電路功能失效；而用SiP製作而成的積體電路功能模組，因為相關電子線路都以封裝體縝密包裝，結構上即具備高材料強度、抗化學腐蝕等特性，為穿戴式電子導入醫療用途勢必需導入的關鍵技術方案，另醫療用途重視的不間斷持續量測應用，SiP技術也能提供功能模塊更優異的電力續航表現，讓產品可以長時間待機運行而不用頻繁更換電池，影響使用體驗。

另一重要關鍵是醫療應用中，對於電子產品的無線傳輸、電磁波要求更高，因為電磁波無有效管制可能會導致其他醫療電子設備出現功能失效或是記錄數據失誤問題，因此，即便是穿戴裝置也必須注意電磁干擾問題。

在穿戴應用導入SiP製程，可以將電子電路限縮在晶片尺寸的大小，功能晶片可以在極小範圍進行電磁干擾改善設計，加上穿戴電子的電力供應相當小，也進一步減少其電磁干擾影響問題，同時，穿戴電子多使用近距離低功耗的藍牙無線傳輸技術，不僅傳輸能量小、範圍有限，也能對整體功能電路的電磁干擾問題降到最低。