准备好模内电子产品

想象一下，在不使用印刷电路板、模块甚至系统封装的情况下，将电子设备插入到产品中。这就是模内电子技术(IME)的前景，这项技术已经存在多年，但才刚刚开始广泛采用。

该技术涉及导电油墨和透明导电薄膜。据称，IME制造工艺比使用pcb或柔性印刷电缆产生的废物更少，对环境非常友好，从长远来看成本更低。

电子元件被制造在一个“智能皮肤”上，它是灵活的，可成形的，可拉伸的。然后通过注射成型或标准热成型工艺将电子元件与塑料结合。这种“智能塑料”可以用来制造更轻、更小的产品，比如用于汽车电子产品或消费电器的人机界面。

欧洲研发组织霍尔斯特中心(Holst Centre)与杜邦(DuPont)和其他行业供应商合作，开发了一种IME演示器，可作为车辆的中控台。该项目使用杜邦的热成形电子油墨和浆料生产厚度仅为1.5毫米的3D塑料表面。

图1:模内电子封装。来源:杜邦

模内电子技术使结构电子技术的发展成为可能，其中电子技术被集成到结构中，而不是附着在结构上或用电线连接。

IDTechEx的研究总监Khasha Ghaffarzadeh研究了多年的IME，他说，IME不应该与模压互连设备(MIDs)混淆。他指出，IME和MID的制造工艺是不同的。

“IME过程仍然相对不成熟，”Ghaffarzadeh说。“该行业在很大程度上是由材料供应商推动的，他们在寻找新的市场渠道，尤其是导电浆料制造商。价值链的制造步骤仍然薄弱，直到最近，大多数进展都是在中小型公司的试验设施上取得的。现在这种情况正在改变，因为我们见证了大型合同制造商的强劲参与。加工技术也在不断积累，该行业正在学习如何优化从试点设计到批量生产的简化过程中所涉及的许多权衡。

生产成本仍然高于现有的解决方案。因此，IME产品必须创造额外的价值，例如更好的美学或更薄的设计。然而，这种状态很可能是暂时的。

Ghaffarzadeh说:“从长远来看，我们预计IME将比现有的解决方案更具成本竞争力。”“模内电子技术是一种可以结合两种高通量工艺的技术。一种是印刷，另一种是热成型和成型。事实上，类似的技术已经在使用，称为模内装饰，你打印图形墨水，然后你形成他们，塑造他们，有时模具他们。这项技术的首次应用出现在大约四五年前。这几乎是一个巨大的商业成功。这是一个头顶控制，在汽车的控制台。我们的想法是，通过使用模内电子元件，可以简化设计，使电路成为结构的一部分，因此可以省去很多连接控制台的线路，这样可以节省空间。这个产品实际上是合格的，被采用并在汽车上推广。很快，一些技术问题显现出来，产品被召回。 It had a kind of false success, false starts in the past. Now, the industry is progressing along the standing trend, developing touch controllers for the automotive switches, such as lights, air conditioning, wipers, and so on.”

包装冒险
半导体行业正在开发许多新的封装方法，从无封装设计到全新类型的封装。随着在前沿工艺节点上开发芯片变得越来越困难，成本也越来越高，封装已成为研究和创新的主要领域。

包装可以影响整个PPA设计中的光谱。一个2.5 d包和HBM2比单芯片解决方案和DDR4动态随机存取记忆体它可以在更小的外形尺寸下以更低的功率运行。扇出可以使在不同工艺节点上开发的组件比在PCB上更紧密地封装在一起，从而大大降低成本。

但这仅仅是个开始。加州大学洛杉矶分校的电气工程系一直在开发一种SoC的无封装版本例如。此外，英特尔和三星都开发了用于并排芯片配置的桥接技术。在几次会议上，英特尔展示了用于连接并排芯片的外部桥接幻灯片。三星的方法是将桥嵌入再分配层。

与扇出晶圆级封装，同样有许多不同的方法将芯片放入封装中，包括芯片先，芯片后，以及涉及不同类型封装的多种变体。这可以解决所有问题，从翘曲和热问题到封装中各种芯片的厚度，以及整个设备的热和电特性。

”包装已成为芯片设计人员的主要担忧。”新科金朋．“通过封装，您可以改变电气特性、寄生和电阻/电容，这些都是您在系统级别上进行系统集成时需要考虑的事情。如果你改变了层次，材料的寄生就会改变。”

简单地说，如果在设计过程的早期就考虑到包装，它可以改变设备的性能，而且这越来越成为整个问题的关键。在许多情况下，它是初始架构的一部分。

这已经是软包装的一些消费和医疗应用的情况。DARPA一直在开发一些独特的封装电路用于人体内部。在上个月的热芯片大会上，封装是许多关于如何加快芯片速度或降低功耗的讨论的重要组成部分。

而且还不止于此。一些公司采用暗灰色或黑色的包装进行交易，包装要诱人得多，就像增压汽车发动机上的镀铬标题和歧管一样。不同的是，在大多数情况下，这些设备永远不会被打开来炫耀它的包装。

“我们看到一些客户对化妆品的规格要求严格得多，”欧丽(Ou Li)表示日月光半导体．“在过去，你必须担心是否有缺口或划痕，或者更大的缺陷，这些缺陷可能会导致系统层面的问题。如今，客户甚至不希望金属变色，即使它不会在功能上造成问题。在过去，他们只关心包装尺寸和瓦数。现在，我们要看所有的六个面，而不仅仅是顶部。传统上你有一个黑色的盒子。我们有客户想要闪光片或其他带有天色外壳的芯片。”

结构化的电子产品
将电子设备转化为设备结构是包装基本概念中最显著的转变之一。在这种情况下，电子功能被集成到结构本身，模内电子是嵌入电子的一种方法。

相比之下，mid更加成熟，已经在汽车系统中使用。ime的优势在于形式因素。

在这个新兴领域，杜邦并不是唯一的供应商。AlSentis, Duratech Industries, Eastprint, Sun Chemical和T+Ink也提供模内电子材料和工艺技术。

杜邦正与芬兰的TactoTek公司合作，进一步采用IME和结构电子技术。TactoTek是一家成立于2011年的风险投资公司，专注于3D注塑结构电子技术。佛伦西亚风险投资公司去年年底对该公司进行了投资，使其私人融资总额超过2000万美元。TactoTek还获得了欧盟的资助。

图2:三维注塑结构电子。来源:TactoTek

Frost & Sullivan研究分析师Ranjana Lakshmi Venkatesh Kumar表示:“TactoTek IMSE解决方案将注塑成型塑料转变为智能模塑结构——封装复杂电子功能的单个部件，同时又轻、薄、耐用。”“TactoTek IMSE的价值主张横跨不同的市场，包括汽车、家电、物联网以及可穿戴技术，使原始设备制造商能够在市场上区分他们的产品。Frost & Sullivan非常看好IMSE解决方案的市场。”

杜邦先进材料全球风险投资负责人迈克尔·巴罗斯(Michael Burrows)表示，IME的主要应用是电容开关触摸面板，通常见于汽车和家用电器。

“这真的是模内塑料部件的神经中枢。我们希望能够打开和关闭设备，打开和关闭设备，使用滑块或触摸表盘进行调节，使设备变得更热或更冷，更响亮或更安静。这真的是一个经典的触控开关控制面板，这是我们追求的主要应用。”“同样嵌入其中的还有一些灯光效果。它可以被点亮是出于审美原因，但也可以提供更好的手眼协调和反馈。”

据Burrows介绍，IME的优势包括减少零件数量，更低的外形(节省空间)和降低成本。与旧技术相比，它还提供了一个令人满意的区别。

Burrows说，人机界面(HMI)是IME的一个关键应用。他补充说，这项技术可以为用户提供更好的触觉反馈。触觉学可能会参与其中。“这无疑是输入法的一个很好的新增应用，或者是输入法中的一项新的嵌入式技术。所以这是我们正在努力的事情，即从触摸面板向用户提供物理反馈或指示。”

汽车控制台和消费电器是目前最适合使用基于输入法的触摸屏的产品。“随着汽车经历不同的设计阶段，你会看到开关在不同的汽车供应商和一级供应商中越来越受欢迎。他们中的许多人都在研究模内技术，试图更好地理解这项技术，看看他们能用它做些什么。”“目前，该领域的领导者仍在保密，尚未推出商业化产品，但他们现在正在向前迈进，为推出基于ime的汽车零部件做好生产准备。”

随着IME技术知识的传播，“我们看到越来越多的咨询和关注，”Burrows说。潜在客户想谈谈在小型手持设备和手持电器上使用IME，因为IME可以使这类产品的重量更轻。最大的兴趣来自北美，而一些咨询来自日本和世界其他地区。

这位杜邦高管表示:“我们正在将电子零件从PCB板转移到模塑塑料上。“同时，我们正在移动其他机械按钮和开关。我们实际上是把一些分离的部件从PCB上拉下来，然后把它们直接放进塑料里。围绕这项技术，我们有了一个小型产业。”

考虑到可靠性和可扩展性，输入法被认为是“人机界面和触控界面领域的颠覆性技术，”他说。“我们所追求的行业有非常严格的可靠性标准。我们需要能够满足这些可靠性标准。2017年，我们团队的重点不再是探索。我们需要证明它的可靠性和工业相关性。杜邦应对这一挑战的方法之一是，我们提供了一套完整的电子材料，用于在成型部件内创建电路。因为材料的选择，而不是试图从许多不同的供应商或内部开发拼凑在一起，你可以带着完全兼容的系统进入市场，所以它减少了潜在错误或缺陷的数量。”

据Burrows介绍，杜邦在模内电子技术方面的研究已经有大约五年的时间了。

“这是新的，”他说。“如果有价值，它很可能会发展壮大，成为一个颠覆者。在这个新的行业中，会有很多赢家，但对于那些没有意识到这一点的人来说，也可能会有一些成长的烦恼，以及它的价值所在。”

结论
无论是针对个人市场和应用，还是针对智能手机等大众市场，包装都将继续发展。在许多情况下，它们是关于如何更有效地使用有限空间的问题的延伸，为创新增加了过去不需要或不可用的新选项和机会。

什么最终最适合什么应用程序还不清楚。但越来越清楚的是，包装是一个巨大的旋钮，随着摩尔定律的持续放缓，在未来十年里，这个领域将继续进行大规模的实验。添加特性、功能和性能现在正在从更广泛的角度进行检查，而包装将在最终创建的任何解决方案中发挥关键作用。

-Ed Sperling对本文也有贡献。

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