應用TSV內部連線技術 SiP整合功能更完整小巧
- DIGITIMES企劃
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行動產品產品在功能性、效能要求增加，對於左右產品體積、功能表現的電路載板也要求越小越好，因此能讓電路載板體積大幅縮小的SiP技術重要性在新一代電子產品設計中的重要性逐漸增加，甚至成為產品創新、功能升級的重要關鍵設計…
這幾年電子科技產品要求越來越高，尤其是智慧型手機的設計方案，不僅要更薄、更輕更小，還需要維持豐富的功能整合與更長的電池使用續航能力，這些產品設計要求已不是傳統的電子電路優化整合就能應付，需搭配新一代的功能晶片整合技術才能達成其設計目標。
例如電子產品大量整合的感測元件，像是陀螺儀、加速度感測器、氣壓計、高度計等感測元件，已在電子電路設計成為重要的功能項目，早期使用離散設計將各關鍵元件布局於電路載板上，部分感測元件有方向性的要求，也導致電路載板設計上的限制，讓相關功能線路尺寸相對要求較大、同時因為線路複雜在開發設計與驗證成本相對較高。
隨著產品體積微縮設計要求提升，感測器廠商也推出類似Sensor Hub的整合方案，應用整合功能控制微控制器(Machine Control Unit；MCU)、搭配系統級封裝(System in package；SiP)甚至3D IC的矽穿孔(Through-Silicon Via，TSV)整合技術，讓微控制器、被動元件、電子電路與重點感測元件、多軸微機電(Micro Electro Mechanical Systems；MEMs)感測器系統可以微縮整合在單一SiP晶片中封裝所有關鍵功能，以尺寸更小的Sensor Hub方案解決智慧型產品所需的設計要求。
MEMs應用功能 透過SiP技術整合微縮
透過微控制器進行整合多種MEMs感測器的感測模組方案，已經成為Sensor Hub重要設計趨勢，目前在中、低階智慧型手機、平板電腦的Sensor Hub整合感測功能模組，大多採用微控制器和多元MEMs感測器分離設計架構，但智慧手機業者在產品功能要求持續提升下，印刷電路板(Printed circuit board；PCB)的電路載板空間越來越有限，而能在整合電路、微縮多功能晶片特性達到極優異的SiP和TSV整合構裝技術漸受重視，同時開始被應用於結合微控制器與MEMs微機電感測器的應用範疇，整合設計效用也漸受市場重視。
以運用SiP技術整合微控制器與多軸MEMs感測模組，同時整合如加速度計、陀螺儀、磁力計等重點感測模組的Sensor Hub方案，已可將功能模組微縮至僅需要4mm × 4mm水準，甚至以SiP技術搭配TSV構裝方案，還可將整合微控制器與多軸MEMS感測器以更小的終端元件尺寸完成相關功能實踐，體積更小、功能卻絲毫不打折，由於利用SiP技術整合MEMs功能模組的效益極佳，主流感測元件供應商如STMicroelectronics、Freescale、Atmel等也有針對這類需求推出高整合度的感測模組解決方案。
這類高整合度的感測模組方案，一般會以ARM微控制器如Cortex-M0+或Cortex-M4微控制器搭配MEMs功能方案進行整合，透過SiP封裝技術目前主流方案已可做到整合九軸MEMs方案與關鍵微控制器整合功能，原有佔位空間較大的等效設計現在使用一個SiP構裝的感測模組IC元件就能實現，對優化智慧手機的尺寸、功耗與功能等設計要求，具相當實用且顯著的整合效益。
健康監測應用模組 也可透過SiP技術優化
令大量使用SiP技術的也不光MEMs微機電的感測模組設計方案，先進的SiP技術近來也漸受ECG(Electrocardiography；ECG或者EKG)功能的智慧型手機產品設計青睞，導入相關整合方案為產品體積大幅縮減優化而努力。ECG技術為智慧手環、智慧手錶等穿戴應用結合健康生理感測應用開始發酵，同時相關應用設計再延續整合入智慧手機的應用方案中，早期ECG感測模組功能實踐的線路、元件體積較大，為了滿足智慧穿戴應用設計需求，因此透過SiP技術整合的需求應運而生，而相同的SiP功能模組也能用於智慧手機產品之中，為新一代智慧手機提供更多應用賣點。
尤其是透過SiP積體電路水準的封裝技術，可以將原有離散設計的ECG功能模組利用多晶片與電子線路、被動元件的高度整合封裝，將關鍵功能模組極度微縮成單一晶片封裝尺寸，對於智慧產品整合ECG功能可用更簡單的方式完成線路設計與功能驗證，加速產品開發速度外，同時模組化、IC晶片化的功能模塊在成本上也會較離散元件的成本更低，對終端產品的性價比表現也會較市場其他產品更具競爭力。
智慧穿戴裝置、智能手機在整合ECG功能模組後，可以透過智能手機進行接近醫療等級的個人生理狀態感測數據擷取，例如老人可以透過ECG功能的手環或手機時時掌握個人健康狀態，甚至透過智慧手機與遠距醫療服務系統連線，創造智慧手機結合雲端醫療服務的新應用服務生態系，創造智慧手機的應用價值。
值得一提的是，未來雲端醫療的終端用戶，在使用行動端醫療裝置時，除可以將個人健康生理數據傳輸至醫院端、供醫生透過雲端資源進行醫療診療參考外，也可將相關數據先行上傳至雲端醫療資料中心，透過雲端醫療智能分析機制先進行初步診斷分析與健康提示，相關用途多元且極具市場商機。
但實際上基於醫療應用的雲端服務，不只會在醫療相關的數據資料累積量會變得十分龐大外，也考驗著終端裝置在傳輸資料的正確性與實用性，在晶片商角度必須以更縝密的軟？硬體整合進行醫療用晶片設計，同時搭配前端演算法預先排除異常資料或是提升整合效益，再由終端整合的無線傳輸功能將醫療數據上傳至雲端進行分析，可讓ECG端取得的數據可在質與量同時達到應用需求。
在ECG模組整合MCU 可優化數據採集品質
而在行動醫療應用市場需求持續增溫下，加上智慧手機競爭日趨白熱化，在智慧型手機整合醫療晶片、增加手機附加價值已成2015年產品的重要設計方向，例如Samsung的新款高階智慧手機均已整合脈搏、個人生理健康數據分析功能，而Apple的iOS除整合了健康管理監控功能，同時釋出相關生理數據監控的應用開發SDK資源外，其iPhone產品還可搭配2015年上市Apple WATCH進行個人生理數據擷取、分析與進階應用整合，這些重點醫療功能整合都需要搭配相關應用模組進行功能實踐。
以醫療用的ECG模組為例，必須納入整併的功能模組包含微控制器、無線區域網路(Wi-Fi)、低功耗藍牙(Bluetooth)傳輸、類比？數位轉換器(ADC)、類比前端模組、電源管理IC與配套使用的軟體整合等，而ECG前端模組僅是解決資料擷取與傳輸的需求，整個雲端醫療系統能積極運行、進行進階應用服務開發，還得需要提供後端銜接的資料庫、健康醫療數據自動採集機制與相對應的資料庫介面參考設計，可提供ECG數據整合與雲端醫療應用開發參考。
而透過SiP整合技術協助，可讓原本採離散設計的ECG功能電子電路體積大幅微縮，不僅能實踐原有的ECG功能，甚至透過整合微控制器的協助，為醫療數據初步在前端採集就能先排除異常資料或搭配內建資料庫比對分析，優化前端數據採集的品質，也能進一步提升整個智慧醫療系統的系統整合效益，同時，原有離散設計的功能模塊，再透過晶片化封裝的SiP整合後，甚至可以讓整體功耗再優化10%~20%、終端設計元件成本也更加低廉，也是ECG功能應用透過SiP技術整合封裝後的附帶效益。
