IoT趨勢下的PCB產品與技術發展趨勢
- DIGITIMES企劃
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從各市調破百億等級的聯網裝置數的預估，說明了下一個大事件——IoT物聯網的無窮潛力。然IoT裝置亟需低功耗、高密集度的感測器/單晶片暨RF射頻電路，且要兼顧低成本又能快速佈署/佈設的特性，ICS、HDI、F-PCB甚至是SIP系統級構裝技術，成為打造具備C/P值高效能IoT裝置的關鍵...
IoT已經是從前年到今年持續發燒的議題，據各廠商/市調機構估計，2014年嵌入式應用晶片出貨量達40億顆，且至少有60萬個嵌入式開發業者、800萬個網頁內容及900萬個行動裝置/內容開發者社群為基礎下，2015年啟動的IoT投資案高達15億美元，以及上百件群眾集資的IoT裝置的創客(Maker)開發案正要陸續出現。嵌入式處理器大廠安謀(ARM)就表示，預估在未來5年，將會出現超過200種目前想像不到的IoT聯網新興應用；預料到2020年底，IoT在智慧家庭、智慧城市與工業控制的裝置數來到16億、18億、6億的規模量，以高達58%、54%、21%的年複合成長率，超過目前火紅的智慧手機6%。
對岸大陸在2009年大陸國務院的《政府工作報告》中，已將物聯網納入國家五大新興產業之一。工信部更於2014年發佈《物聯網白皮書》，指出造就大陸物聯網科技近年來成長快速，在2013年產業規模達人民幣5,000億元，年增率達36.9%，預計2015年整體規模將超過人民幣7,000億元。全球會累積近300億個聯網裝置，IoT市場規模總值會來到3兆美元，也帶動IoT應用與相關服務市場達2,600億美元的規模。
除了少數單板電腦(Single Board Computer；SBC)仍可使用傳統硬式印刷電路板(R-PCB)之外，在IoT/智慧家庭、家電IoT應用上，IoT感測、監控與應用裝置，不僅僅只是透過手機、觸控來開關、調整或控制這麼簡單，裝置內部需要整合各種有線/無線網通模組(USB/Ethenet/Wi-Fi/802.15/Zigbee/BLE/Sub-GHz...etc)，搭配高效能嵌入式硬體運算平台，以及內嵌各種即時運算作業系統與網路連接堆疊，不僅軟體密集度高，就連電路載板複雜度也勝過以往的各種行動裝置。也由於這樣的IoT趨勢發產下，帶動新一波PCB/FPC需求，尤其是中高階高密度電路板(High Density Interconnect；HDI)、Any-layer HDI與軟式電路板(Flexible PCB；FPC)的成長力道。
物聯網網通標準與互連平台
若從智慧家庭的物聯網架構來看，由於其目的在於建構家庭控制與自動化，從防盜門禁鎖、中央恆溫空調、LED燈調光器、監控器到、感應器閘道等硬體設施，這些裝置都能將感測的各種訊息，藉由網際網路傳達到雲端服務平台，使用者再藉由平板、智慧手機、智慧手錶，登入雲端服務商提供的服務入口網站，再來監看家裡的各種即時狀況，或控制家裡的各種家電。還可設定當發生特殊狀況時，將警示訊息透過簡訊、Email或語音的方式傳送到使用者的手機或平板裝置。
做為IoT物物相連的骨幹——網路通訊技術，像USB(泛用串列匯流排)、Controller Area Network(CAN)、Ethernet/EtherCAT等有線連接網路，以及像是ANT、Sub-GHz頻段、802.15.4(Zigbee)、Z-Wave、BLE(低功耗藍牙)、NFC(近場感應通訊)、802.11(Wi-Fi)與等無線連接能力，連線距離從20cm以內、0.4Mbps到1~10公尺屬個人網路(PAN)的應用範疇；連線距離從30~300米的所謂房間內或房屋內的應用，則屬於Wi-Fi傳統無線區域網路的應用範疇。
IoT廠商在物聯網的第二層網路層與第三層應用層中間，加入一個平台層(Platform Layer)的概念。成為筆電/桌機等個人電腦平台，平板電腦、智慧手機等行動裝置(iOS/Android)平台，或新興穿戴式裝置(Wearable Devices)新產品、新應用的殺戮戰場。被安華高科技(Avago Technologies)併購的博通(Broadcom)，早於2013年推出搭配低功耗藍牙(BLE)系統單晶片的嵌入式無線網路連結裝置(WICED)平台，僅一支隨身碟大小，內建必要的通訊協定堆疊並提供Wi-Fi、BLE等無線連網能力與服務。
Qualcomm主導並於2014年成立的AllSeen聯盟，採用高通的開放源碼平台AllJoyn為基礎。透過 Wi-Fi、電力線或乙太網路聯結，並運作在Linux、Android、iOS或微軟Windows 10 IoT Core等平台，Qualcomm也宣布與LED燈泡廠LIFX合作開發可藉由網路連動的智慧LED燈泡。
Dell、Intel、Samsung、Broadcom、Atmel、Wind River等業者聯合成立開放互聯聯盟(Open Interconnect Consortium；OIC)，鎖定對家庭恆溫空調控制器、智慧燈泡等智慧家庭設備間的通訊建立一套標準通訊模式。與Qualcomm領軍的AllSeen標準聯盟對峙的意味濃厚。
谷歌(Google)則由2014年2月花32億美元併購Nest Labs，並提出專門鎖定智慧家庭式的Thread連網平台概念。Thread採用802.15.4規範並以6LoWPAN為其網路層架構，最多一個節點250個裝置，且不受任何軟/硬體平台或各種無線實體層技術的限制。
隨後安謀(ARM)於也推出適用於所有ARM Cortex架構的處理器的mbed物聯網平台，其mbed OS支援了Sub-GHz Z-Wave與Thread，以及ZigBee、6LoWPAN、Bluetooth Smart、Wi-Fi、3G、LTE等網路通訊協定，並且免費於mbed官網，提供客戶裝置查詢，以及供廠商/軟體開發商免費下載、開發軟體、相關SDK與應用函式庫。mbed使任何具備ARM Cortex架構的處理器/微控制器設計的單板電腦、IoT聯網裝置或智慧家庭裝置，能一開機就具備馬上可使用的作業系統/應用平台環境，並且不受任何軟體、網路標準與互通協定的羈絆。
蘋果在2014年也公開自己的HomeKit——IoT裝置Apps SDK。供數位家居廠商開發出透過觸控或Siri的語音控制方式，藉由iPhone、iPad等iOS裝置來無線操控家中各種家電設備。
IoT技術/產品與相關PCB應用
眾所皆知IoT物聯網從整體架構可以區分出：1.感知層(Sensor Layer)：負責傳遞感測資料，由各種RFID標籤、有線及無線感測器(Wired & Wireless Sensor)所組成；2.網路層(Network Layer)：由USB、CAN、Ethernet，以及802.15.4、6LoWPAN、ANT、WirelessHART、ZigBee、MiWi、WIA-PA、ISA100、802.11 Wi-Fi等低功耗有線/無線網路規範協定，甚至是3G CDMA/3.5G WCDMA/4G LTE等行動通訊協定，將各種感測器的資料上傳到雲端伺服器。3.應用層(Application Layer)：這部份從環境監測、無線感測網路(Wireless Sensor Network；WSN)、智慧電網(Smart Grid)與能源管理、醫療照護(Health Care)、食品管制系統、產品供應鏈，以及從智慧家庭(Smart Home)、智慧建築(Building Management)、智慧工廠(Smart Factory)，以至於延伸到智慧交通運輸/物流、甚至智慧都市的大範圍的應用，涵蓋到應用領域相當廣泛。
感知層、網路層這兩部份的硬體/平台產品，從內嵌的MCU/SoC微控制器單晶片所使用的ICS，到集結網路/射頻晶片模組的FPC、HDI甚至是SIP系統級構裝等，都使用到中高階PCB甚至先進的構裝技術。至於應用層這部份，除了強調創意外型、小巧體積等特性的穿戴式裝置，需要高密集度的HDI/Any-Layer HDI與軟板技術之外，體積較大的分享器/閘道器、智慧聯網電視、AIO/桌機，以及偏工業監控/自動化應用的產品，則仍可使用傳統的4~8層硬式電路板(RPCB)。
倒是IoT產品具備少量、多樣化的特性，對於大規模既定模子、一條鞭量產化的PCB設備/生產線，對彈性化供貨與壓低生產成本的天平權衡，形成了嚴酷的考驗。原本以純半導體基板生產線，製造IoT與穿戴式裝置等基板的南韓PCB商大德電子(Daeduck Electronics)，於2015年2月在京畿道始華工廠廠區，打造一條適合多樣少量生產的高級專用產線，專門生產用於射頻(RF)模組、感測器模組的PCB專用產線；以等同生產半導體基板水準的無塵室組成，搭配曝光、列印、檢測等高級設備，具備多樣少量生產的品質水準與價格競爭力。另外也從既有的總公司研發部門，調出十幾位研發人員，成立負責物聯網、穿戴式裝置與感測器的專責數位模組開發小組，近配置於專用產線，以進攻物聯網(IoT)與穿戴式裝置市場。
