技術探勘

Wi-Fi技術經過了20年的演進，為了提升其連線效率與傳輸速率，調變技術(Modulation)與無線串流數目(Spatial Steam)也有重大的改變，由於這些改變，讓整個Wi-Fi裝置的設計變得更加的複雜。舉例而言，在最新Wi-Fi 6的技術，頻率調變技術由原先的OFDM升級到ODFMA，調變也由256QAM提升到1024QAM，串流數目也從最早的1×1進階到2×2、3×3、4×4，甚至8×8，回到設計面，愈是高效率高傳輸速率的裝置也意謂著更複雜且高規格的設計，這些新的技術與變革也對前端射頻零組件帶來新的挑戰，例如更加線性的功率輸出、更低的EVM Floor、更高的效率，與更好的接收靈敏度等等。 砷化鎵Wi-Fi功率放大器優勢兼具 材料科學的突飛猛進也推進射頻零組件的進步，現今主流的獨立式Wi-Fi功率放大器製程為砷化鎵(GaAs)。由於砷化鎵有優秀高頻傳輸且具有高頻、抗輻射、耐高溫等特性，目前射頻功率放大器以砷化鎵IC所表現出的線性功率(Linearity)與使用效率(Efficiency)最為優秀，因此廣泛應用在主流的商用無線通訊設計，尤其Wi-Fi與行動通訊(3G/LTE)上，表1顯示了internal PA與external FEM的主要差異。 Power Added Efficiency(PAE)為評估無線功率放大器與設計無線傳輸系統時的一個關鍵參數，主要是針對放大器中直流電源(DC)供電能量轉換成交流(AC)射頻訊號放大的能量轉換效率。PAE不好的功率放大器，會將大部分的能量轉換為熱能，導致放大器本身的效率下降，進而影響整個通訊系統的傳輸品質。 PAE(%)的計算公式如下： 可參考Qorvo的Wi-Fi 6 2.4GHz FEM作為例子來計算PAE： 圖1　Wi-Fi前端模組示例 圖1為QPF4228在不同發射功率下所消耗的電流，其為Qorvo針對高通Wi-Fi 6企業級無線路由器平台開發的2.4GHz獨立式射頻前端模組晶片。根據技術規格書，QPF4228在3.3V供電，發射功率22dBm時的耗電流為200mA，QPF4228本身的增益為33dB，套上PAE的公式再經過一連串的單位轉換後所計算出來的結果為24%。 Power(RF_Out)：QPF4228功放輸出為22dBm=158.5mW=0.1585W Power(DC):DC Input Power=200mA×3.3V=0.66W PAE(%)=100×(0.158/0.66)=24% eFEM實現穩定連線覆蓋為較佳解方 愈大的Wi-Fi訊號覆蓋範圍帶來更好的使用者體驗，若要有好的Wi-Fi覆蓋範圍，就必須有更大的發射功率與更高的接收靈敏度，然而這代表整個Wi-Fi系統所消耗的功率也會增加，而功率增加的結果也連帶迎來系統散熱設計上的挑戰。必須承認，iPA為Wi-Fi裝置的開發商帶來最直接的好處就是成本優勢，如果iPA就能滿足客戶的規格與設計，那麼External FEM就顯得有點多餘。如果今天客戶所設計的產品對於連線的覆蓋範圍、外觀(精緻小巧的機構設計，如Wi-Fi Extender或是Wall Plug)與整體耗電功率(如PoE)有所要求，那麼如何選擇一個高效且穩定的獨立式FEM就是設計者的重要課題。 (本文作者為Qorvo高級行銷經理)

既有資料處理/解讀不易 蒐集所有可能資料並儲存在雲端，待日後再進行評估、分析以及結構化，是目前各界廣泛採納的做法，但運用在從資料中擷取價值的目標上卻不特別有效。資料產生附加價值的潛力迄今仍有待開發，導致之後的階段尋找解決方案變得更加複雜。較理想的替代作法，是儘早判斷什麼資訊和應用有關聯，以及要在資料流中擷取什麼資訊。換個方式來說，提煉資料就是從整個處理鏈的大數據萃取出智慧資料，同時判斷哪些AI演算法在個別處理步驟中有較高的成功機率，這樣的決策可以在應用層面執行，而且取決於多種邊界條件，像是可用的資料、應用類型、可用的感測器模態、以及較低階實體流程的背景資訊。 在個別處理步驟中，正確處理與解讀資料非常重要，攸關是否能從感測器訊號中擷取出真正的附加價值。依據應用的種類，可能不容易正確解讀個別感測器資料，以及擷取出所要的資訊。這方面的其中一個重點，就是暫時性行為會直接影響人們想得到的資訊。此外，必須經常考量到各感測器之間的相關性。在一些複雜任務中，光是用簡單的門檻數值以及人工判斷邏輯或規則，已不足以應付當前的需求。 AI模型凸顯資料價值 相較之下，藉由AI演算法處理資料，系統即能自動分析複雜的感測器資料。透過這樣的分析程序，可獲得希望得到的資訊，而附加價值也會在資料處理鏈中和資料一起自動浮現。 作為AI演算法一部分的模型建構，基本上分成兩種不同方法。其中一種建模法是運用公式陳述資料與所要資訊之間的關係。這類方法需要有數學式形態的物理背景資訊。這些所謂的模型方法，在結合感測器資料以及背景資訊後，就能對想獲得的資訊產生更精準的結果。最常見的例子就是卡爾曼濾波法(Kalman Filter)。 倘若以數學公式型態描述資料，但無法描述背景資訊，那麼就必須選用資料驅動(Data-driven)法。這類演算法會直接從資料擷取出所要的資訊。過程中包含所有種類的機器學習方法，例如線性回歸、類神經網路、隨機森林、以及隱藏式馬可夫(Hidden Markov)模型等。 挑選AI方法通常根據目前對應用掌握的知識。倘若已經有完備的專業知識，AI就能扮演更具支持力的角色，而演算法的功用則比較初階。但若是尚未積累專業知識，那麼AI演算法的應用就複雜許多。多數情況中，這樣的應用除了會定義硬體的內涵，還會對AI演算法形成許多限制。 演算法建置近感測器降通訊/儲存成本　 在每個步驟中需要的整體資料處理鏈，建置方式必須能產生最高的附加價值。建置一般都屬於整體層面，從內含有限運算資源的小型感測器，經過閘道器與邊緣電腦，一直到大型雲端電腦，顯然演算法不應只建置在單一層面。通常較有利的作法，是將演算法盡量建置在靠近感測器的位置，如此一來即可在早期階段對資料進行壓縮與整理，進而降低通訊與儲存的成本。 此外，早期從資料擷取出關鍵的資訊中，用到的較高層面全域演算法所涉及到的研發工作也比較簡單。在大多數情況中，串流分析(Streaming Analytic)採用的演算法也能避免不必要的資料儲存，進而省下資料傳輸和儲存的成本。這些演算法對每個資料點(Data Point)只會用到一次，因此會直接擷取出完整資訊，不需要儲存資料。 嵌入式AI結合感測器資料提升準確度/效率 例如亞德諾半導體(ADI)旗下以ARM Cortex-M4F處理器為基礎的微控制器ADuCM4050是一款省電的整合式微控制器系統，內建電源管理功能，以及類比與數位周邊裝置，支援資料擷取、處理、控制以及連結功能。這些特色讓它適合執行本地端處理，以及運用尖端智慧型AI演算法對資料進行早期的精確化處理。 EV-COG-AD4050LZ是一款低功耗開發與評估平台，可支援ADI旗下的感測器、微控制器以及HF收發器系列元件。EV-GEAR-MEMS1Z屏蔽元件則主要設計用來評估ADI的各種MEMS技術；舉例來說，如ADXL35x系列包括了ADXL355在內，運用於這種屏蔽元件中能提供震動校正功能、長期重複性、低雜訊性能、以及微型尺寸等特性。而EV-COG-AD4050LZ與EV-GEAR-MEMS1Z的組合，則能用在涉及震動/雜訊/溫度分析的結構健康與機器狀態監控。若有需要，其他感測器也能連到COG平台，藉由多種AI方法，並且運用多重感測器資料的融合，對當前情況提供更好的推測。藉由這種方法，即可在更好的細分度與更高的準確率下針對各種運作與失效狀況加以分類。藉由在COG平台上進行智慧訊號處理，大數據會就地變成智慧資料，而且只須把和應用有關聯的資料傳送到邊緣或雲端。 COG平台針對無線通訊納入額外的屏蔽機制。舉例來說，EV-COG-SMARTMESH1Z除了結合高可靠度與強固性，還藉由支援6LoWPAN與802.15.4e通訊協定帶來的低功耗，而支援種類眾多的工業應用。SmartMesh IP網路由高擴充性、自組網(Self-forming)的多跳點(Multihop)網狀拓撲無線節點構成，這些節點負責蒐集與轉傳資料。網路管理員負責監視與管理網路效能、安全、以及Host端應用的資料交換。在以電池供電的無線狀態監視系統中，嵌入式AI特別能實現完整的附加價值。嵌入在ADuCM4050的AI演算法能在元件內將感測器資料轉換成智慧資料，因此相較於感測器資料直接傳送到邊緣或雲端的模式，傳送的資料流以及耗電都會減少。 COG開始平台內含為此平台開發的各種演算法，已涵蓋許多種類的應用，包括監視機器、系統、結構以及流程，從簡單的偵測異常狀況到複雜的故障診斷皆能應付，同時整合包括加速計、麥克風以及溫度感測器等元件，這樣的組合還能用來監視各種工業機器和系統的震動以及噪音。流程狀態、軸承或定子損壞、電子控制元件失效、甚至電子元件損毀導致系統行為出現未知的變化，都可透過嵌入式AI偵測出來。若業界已針對特定損壞發展出預測模型，那麼這些損壞甚至能靠本地端的元件就能預測出來。藉由這種方法，便能在早期階段執行各種維護措施，防範因出現不必要的元件損壞導致系統失效。倘若尚未建立預測模型，COG平台也能協助領域專家學習機器的行為，長期下來即可推演出機器的模型，作為預測維護的參考依據。 AI演算法尚須判斷資料品質能力 理想的狀況下，透過相對應的本地端資料分析，嵌入式AI演算法應能判斷哪些感測器和特定應用有關聯，以及最適合採用的演算法，以展現平台的智慧擴充性。然而即使人類現已廣泛運用各種AI演算法，僅須簡單的建置流程就能用在不同的應用中，並執行機器狀態監控，不過目前仍須由相關領域技術專家為目標應用找出最佳演算法。 此外，嵌入式AI還具備判斷資料品質的能力，或是針對感測器以及整個訊號處理程序找出與執行最佳化的設定。若是融合多種不同型態的感測器，還可運用AI演算法來彌補某些感測器與方法的優點。如此一來，資料品質以及系統的可靠度都能獲得提升。倘若AI演算法判定感測器的分類和應用完全無關或沒有太多關聯性，系統就會截斷資料流。 例如ADI的COG開放平台內含免費軟體開發套件以及範例專案檔，協助加快硬體與軟體的原型製作、促成開發以及實現原創設計理念。透過多重感測器資料融合(以及嵌入式AI(EV-COG-AD4050LZ)，可進而建構出連結智慧型感測器的強固且良好之無線網狀拓撲(SMARTMESH1Z)網路。 (本文作者Dzianis Lukashevich為ADI平台及方案總監；Felix Sawo為Knowtion執行長)

確保產品滿足電源線瞬變的可靠性是設計的關鍵，這在產品設計過程中通常不會引起適當的關注。雖然由於高壓瞬變而導致的產品故障是外部事件，但該故障是由於設計不足以保護產品的內部電路而引起的。因此，電源線浪湧保護是確保堅固耐用的交流電源設備必不可少的要素。 浪湧保護設計防止電源產生高壓瞬變 高壓瞬變的潛在來源是天氣條件。雷電會在電源線上引起高壓和浪湧電流。由施工錯誤或交通事故引起的電源線損壞也可能導致較大的瞬變。即使沒有問題，由於高負載例如大電流負載(例如大型電動機)的掉電或斷電而引起的di/dt電流減小，也會在電源線上產生瞬變。瞬態峰值也可能是流過零線上高於正常阻抗的電流，或三相電力系統上的單相故障引起。 高壓瞬變會損壞產品，進而導致保修期內的維修失敗和客戶的不滿意。對客戶來說，解決問題可能將招致昂貴的花費；而製造商則可能會因客戶的失望導致未來業務的潛在損失。 浪湧保護是保護產品免受高壓瞬變損害的方法。瞬變可能會導致資料傳輸中的間歇性錯誤或產品永久損壞。幸運的是，有可用的元件可提供針對高壓瞬變的保護。 電源線浪湧保護設計有多種選擇，設計工程師應瞭解每種選擇的優缺點。包括過電壓保護元件，例如金屬氧化物電阻(MOV)、瞬態電壓抑制(TVS)二極體、氣體放電管(GDT)以及用於交流電的保護晶閘管或矽二極體(SIDAC)。電路保護元件製造商如Littelfuse，便生產一款產品SIDACtor。TVS二極體和MOV是鉗位型元件，而GDT和保護晶閘管是泄流型元件。在此應用中，鉗位定義為當超過元件的過電壓臨界值時，將元件兩端的電壓保持在基本穩定的水準；泄流是指超過元件的過電壓臨界值時，將電壓限制在較小的數值。泄流元件像數位開關一樣，可有效回應過壓而導通。 鉗位型元件具有更快的回應時間，但其電流處理能力有限。這些元件還具有與傳導電流有關的鉗位元電壓。當兩個元件都處於過電壓保護狀態時，由於鉗位元電壓高於泄流保護元件的保持電壓，因此對於高壓瞬變，鉗位元件的導通峰值電流較低。 泄流半導體元件降低電壓 泄流型元件可以處理更高的浪湧電流，因為當元件切換到導通狀態時，鉗位元電壓非常低。接近短路的條件將瞬態能量從產品電路中分流出去。泄流元件提供產品電路的低電壓，進一步降低了產品的壓力。 MOV和TVS元件是鉗位型保護元件，可以處理高峰值電流。MOV可以承受高達70kA的瞬態電流峰值。它們是低成本的保護元件，但它們確實具有較高截止漏電流的缺點。TVS元件不具有MOV的峰值電流容量，但具有較低的通態鉗位元電壓；而TVS元件的使用壽命比MOV元件更長，因為MOV元件會由於持續的過電壓條件而退化，進而導致元件的過度散熱。與泄流型元件相比，MOV和TVS元件均具有更高的寄生電容，當遭受高dv/dt或高di/dt瞬變時，將產生高過衝電壓。 至於GDT和SIDACtor這兩個鉗位型元件有很大的不同。當達到臨界值電壓時，GDT依靠氣體分解(Breakdown)並傳導電流；而SIDACtor是半導體元件。與MOV相似，GDT的壽命有限，這取決於氣體被電離和傳導的次數。在氣體被離子化後，會被吸附在電極上。GDT可以承受較大的峰值電流，但回應時間比SIDACtor慢得多，且無法阻止較窄的高壓瞬態脈衝到產品。 在以上四種浪湧保護元件中，SIDACtor具有交流電源線保護較佳的特性組合。它具有較長的壽命，而不受元件承受的高壓瞬變次數的影響，同時具低導通狀態泄流電壓電平和快速導通的特性。對於高dv/dt或高di/dt浪湧，它的過衝電壓最小，和低截止漏電流。表1則針對四種保護元件進行比較。 圖1顯示了SIDACtor的特性曲線。在低於最大截止狀態電壓VDRM時，其具有低漏電流IDRM。漏電流約為幾微安培。當電壓達到元件的峰值擊穿電壓VS時，元件打開並切換到低保持電壓VT。由於元件上的電壓在低電壓下短路，可以支援較大的瞬態電流，能處理5000A峰值浪湧電流的該元件被封裝在一個標準的TO-218封裝中，便於印刷電路板的布局。 圖1　SIDACtor I-V曲線，為具有關閉狀態和開啟狀態的雙極型元件 幸運的是，元件被完全保護而不受高壓瞬變的影響，僅需幾個元件。圖2顯示了用於保護產品電源電路的三元件解決方案。將SIDACtor與電源電路並聯，以提供針對交流電源線上瞬變的保護。由於與電源電路並聯，因此當交流線上沒有高壓瞬變時，該元件對產品的性能沒有影響；其具有低漏電流，在額定交流電源線電壓下僅消耗毫瓦的功率，而與其串聯的保險絲保護元件，使其免於一個或多個完整交流週期的電流浪湧影響。串聯保險絲為電源電路提供傳統的過電流保護；串聯保險絲放置在該元件電路後面，以保護保險絲免受高壓瞬變的影響。這個三元件網路為電源電路提供了過壓和過流保護。 圖2　保護網路使用一個用於高壓瞬變保護的SIDACtor、一個用於保護其免受持續過電壓狀態影響的保險絲，以及一個用於保護電源電路，免受過電流狀態影響的保險絲 圖3顯示SIDACtor對交流線路瞬變的快速回應。黑色曲線是電壓瞬變產生的高電流波形。灰線表示該元件如何快速回應短路導通，使電源達到安全的低電壓。 圖3　SIDACtor對高壓瞬變引起的電流浪湧(黑色軌跡)的回應(灰色軌跡) 結合MOV護逆變器　降低高壓瞬變影響 此外，也可以將元件與MOV結合使用，為可能被高鉗位元電壓損壞的電路提供低電壓鉗位元保護(圖4)。MOV的阻抗將瞬變後的最大電流降低至少五分之一，這會降低該元件吸收的總暫態能量，並確保其受到保護(圖5)；該組合的第二個重要優點是漏電流低於MOV自身的漏電流。對於必須滿足低功耗標準的產品，在設備處於關閉狀態或待機狀態時，如何將其產生的漏電流降至最低，對於電源效率最大化至關重要。 圖4　保護網路與MOV串聯，保險絲則提供過電流保護 圖5 SIDACtor-MOV系列組合將3kA浪湧的瞬變限制為僅43.2A(灰色軌跡)；黑色軌跡顯示MOV鉗位元的瞬態電壓 逆變器(圖6)是可以將SIDACtor-MOV組合用於交流電源線浪湧保護的應用。該組合可保護逆變器驅動電路，使其免受差分高壓瞬變的影響。當交流電源對零線具有相對較高的阻抗時，並聯MOV可防止零線到地線連接中的浪湧。針對由三相交流線路供電的逆變器，建議對三相交流線路的每相使用SIDACtor-MOV組合。這種保護拓撲結構也推薦用於電動汽車、混合動力汽車以及光伏逆變器。 圖6　電源逆變器電路的推薦保護網路包括用於線對線保護的串聯MOV和SIDACtor以及用於線對地保護的MOV對 有許多不同的元件可提供針對高壓瞬變的保護級別。對於交流電源線的保護，SIDACtor是較具成本效益的元件，它具有低導通泄流電壓、對瞬態事件的快速回應、壽命長，以及可承受高浪湧電流的特點。若將該元件或SIDACtor-MOV的串聯組合與保險絲結合使用，以提供過流保護，將可為產品的電源電路提供良好且簡單的保護網路。 (本文作者皆任職於Littelfuse，Teddy To為資深技術行銷經理；Walt Tian為技術支援經理；Andy Xu為資深技術支援工程師)  

機器手臂管理系統(Robot Management System, RMS)結合聯網技術，是上述問題的解答。RMS是一套安裝在工業電腦或伺服器上的應用程式，搭配手臂控制器上的韌體，就能讓自動化工程師在遠端存取機器手臂的操作紀錄，或是修改某些設定。 從企業IT的角度來看，這類遠端存取或修改設定，甚至軟體更新等功能，已經是習以為常，甚至是天天會用到的功能，目前大多數的IT設備也都已經支援。但要在工業應用場景中實做這些遠端管理功能，有些面向是必須審慎考慮的，特別是跟設備的安全性及穩定性有關的功能。 以愛普生(Epson)近期發表的RMS方案(圖1)為例，在正式推出前，Epson就花了很長的時間在研究手臂實際應用的需求，以及如何在確保設備安全、穩定運作的前提下，讓自動化工程師能夠更有效率地管理大量機器手臂。 圖1　以RMS系統來遠端管理大量機器手臂，可有效減少自動化工程師的工作負擔 管理第一步：掌握設備狀況 要管理設備，最基本的需求是掌握設備的運作狀況。以機器手臂來說，可以進一步細分為正常運作狀態下的設備狀態監控，以及異常狀態發生時的警報功能。當設備正常運作時，自動化工程師需要定時蒐集設備的狀態資訊，包含控制器的運作狀況，以及手臂本體上的電池、馬達、減速機、皮帶、潤滑油等重要零部件的健康資訊。 不過，在設備正常運作的情況下，管理者其實不太需要這些參數的即時資料。只需定時更新數據，讓工程師掌握上述參數的變化趨勢，就已經足夠，還可以節省通訊頻寬跟資料儲存空間。只有當設備出現異常時，才需要即時的警報功能。 掌握上述實際應用需求後，Epson的RMS在狀態監控跟故障警報方面，採取兩套不同的做法。當機器手臂跟控制器正常運作時，系統的資料更新頻率為每個小一次，減少手臂與伺服器間頻繁通訊造成系統不必要的負擔，但當手臂出現異常狀況時，系統會發出即時警報，通知管理者著手處理。 另一方面，隨著設備監診跟預防性維護的觀念，開始變得越來越普及，因此Epson在設計RMS時，也已經實作重要零部件壽命預估的功能。如前面提到的馬達、皮帶、潤滑油跟減速機等零部件，透過長期累積資料跟不斷修改演算法，現在RMS系統已經可以根據機器手臂的實際運作狀況，推估出這些零部件的剩餘預期壽命(圖2)，供管理者作為維修排程的參考。 圖2 RMS可以預估機器手臂內重要零部件的預期壽命，讓管理者在進行維修排程時，有更多參考資料 為了方便管理者一目了然地掌握眾多機器手臂的狀態，在RMS中，用戶可依照不同管理需求，自行替每一台手臂跟控制器定義各種群組，例如按照產線別、廠區別建立不同群組。而為了簡化RMS與現有戰情資訊系統的整合作業，RMS可支援網頁架構，以便與使用者廠區內既有的戰情系統串聯。 批次採購造成韌體版本紛雜遠端更新解難題 另一個在已經大量導入機器手臂的產線上經常出現的問題，是手臂韌體版本不一。機器手臂就像很多IT設備一樣，隨著新功能的增加，會需要更新新版韌體，但因為機器手臂屬於產線設備，製造業者在導入手臂時，通常不會一次大量採購，全面部署，而是分批採購，一個個工站逐漸導入。 這使得一條產線上常會有好幾個不同梯次採購的手臂共存，不同時期採購的機器手臂，所搭載的韌體版本也不一樣，對自動化工程師的管理、維護造成許多麻煩。特別是在產線分布在多個不同廠區的時候，在沒有遠端更新功能的情況下，工程團隊需花費更多的時間與精力管理手臂，且只能舟車勞頓地到現場一台台更新，才能維持手臂韌體版本統一，十分不便。 因此，韌體版本的遠端更新，對於已經擁有大量手臂設備的使用者而言，是一個迫切需要的功能。但從設備安全跟穩定運作的角度來看，越是方便的功能，所引入的潛在風險也越高，因此在開放這類遠端更新功能時，必須十分審慎。 以Epson的RMS為例，目前開放的遠端功能主要是韌體更新、控制器備份/設定與SPEL+專案傳送等功能，但不允許使用者透過網路直接修改設備上的SPEL+檔案內容。SPEL+是機器手臂的動作腳本，機器手臂的動作會按照此腳本的設定來進行，倘若腳本內容修改，導致產線上的手臂與其他物件，例如鄰近的手臂或夾治具發生碰撞，會有安全上的疑慮。如果工程師要修改SPEL+，通常都要先進行測試，確認安全、正確才能傳到手臂的控制器上。 安全考量不容妥協　RMS功能設計須慎重 從IT領域的角度來看，機器手臂的遠端管理功能或許很基本，甚至有些陽春。單以Epson的RMS來看，很多遠端管理功能，都是IT設備早已具備的。但機器手臂畢竟是OT(Operational Technology)設備，而非IT (Information Technology)設備，因此在開放遠端管理功能之際，如何確保機器手臂的安全(包含資訊安全及硬體安全)跟穩定運作，還是要用十分審慎的態度來應對。 但無論如何，由於產線上的手臂數量持續成長，供應商勢必要提供更有效率的管理工具給用戶，否則自動化工程師將難以應付暴增的工作量。在這個兩難情況下，Epson將會繼續努力，在確保安全無虞的前提下，在RMS上提供更多功能，簡化管理大量機器手臂所帶來的工作負擔。 (本文作者任職於Epson)

乙太網路供電(PoE)經現有乙太網路基礎設施提供靈活、可靠且安全的電源來解決這些問題，且自從2003年由IEEE首次發布以來已取得飛躍性的發展。最新的IEEE 802.3bt批准則使其成為市場上的佼佼者，透過Cat5/Cat6電纜提供10G-BASE-T和60W至90W的功率。 電源功率不斷提升　推進聯網設備規格更新 最初，Type1電源設備或PSE只能提供最高15.4W的功率，Type2增加一倍達到30W。2018年9月發布的Type3和Type4的功率分別達到60W和90W，打開啟用聯網設備世界的大門，這些設備包括無線和蜂巢式基地台、平移傾斜變焦(PZT)和監視器、電視、互動式顯示器和資訊站。單根低壓電纜同時配以專用高速通訊，使布線更少，是物聯網(IoT)和工業物聯網(IIoT)的智慧樓宇維護和安裝的理想選擇。 乙太網路供電是有線通訊和供電系統，使用現有的乙太網路為端點設備供電。在這些系統中，電源設備(PSE)經由八根電線提供電源，這些電線布置成四對雙絞線(Cat5/Cat5e/Cat6/Cat6a)電纜，採用RJ45型連接器連接到受電設備(PD)。PSE向端點提供高達57V的電壓。由於該電壓小於60V，因此符合安全特低電壓指令(SELV)，使電氣安全並且不需要有資質的電工或掩埋電纜，進而簡化了安裝和維護流程。該標準將每個埠的功率限制為90W，成為乙太網路電纜傳輸的最大功率。 該標準最初定於2017年發布，在正式發布之前不斷更新，以確保與以前的版本相容。PoE最新規範的更新IEEE 802.3bt導入Type3和Type4電源設備和受電設備。為了提供更高的電流，新標準允許同時使用兩種功率模式(模式A和模式B)，通常稱為四對或4PPOE，經由四對而不是Type1和Type2供電。添加的三類，即五至八類，具有改進的相互識別過程和自動分類功能。此更新還帶來更低的待機功耗，並支援10G-BASE-T和PoE。 PoE設計確保設備電源要素 設計受電設備時，要考慮許多功能，包括運作模式、PD檢測和分類。為了避免損壞非PoE的設備，PSE必須在提供電源之前檢測是否已連接受電設備。使用有效特徵檢測PD模式，並在受電設備中使用25kΩ電阻去實施。當PSE提供兩個連續的電壓(V1=2.7V和V2=10.1V)用於電阻檢測時，它記錄電流值，確定PD的存在，然後啟動為設備供電。圖1為啟動期間的電阻檢測階段。 圖1　啟動階段的波形 在分類階段，確定受電設備的最大功率要求。連接到PD的PoE控制器的另一個電阻指示功率範圍。表1顯示單特徵PD的不同類別及其最大平均功率。類別與Type不同，它涉及所連接設備的特定功率。在IEEE 802.3af/at(Type1和Type2設備)中，使用單特徵PD。IEEE 802.3bt添加雙特徵PD，其中每種模式或替代方案(A和B)使用單獨的輸入橋式整流器和PD控制器。 圖3　四對PoE功率傳輸 可選的分類擴展是自動分類。在自動分類中，PSE會測量特定時間段內連接的PD的功耗，進而可以確定PD所需的最大功率。自動分類絕不會使用雙特徵PD來實現。表1及列出新類別和類型在受電設備接收到的功率以及每種類型支援的模式。一旦檢測到受電設備並確定類別，就必須保持電源特徵。對於Type1和Type2設備，所需的最小功率特徵為10mA，工作週期為20%。為使埠保持啟動狀態，浪費至少2.31mA的平均電流。50V時能夠達到115mW，在更大的部署中很快地相加。對於Type3和Type4供電設備，工作週期降低到1.875%，這使得每個設備的功率小於10mW，進而使待機功耗降低90%。在網路上存在大量設備的聯網照明應用中，嚴格要求MPS。即使對無線回傳、Wi-Fi接入點和安防攝影機等始終聯網的設備來說，它雖非關鍵但仍是必需。 三種PoE模式實現穩定電壓輸出 功率分配分為三種模式：模式A、模式B(也稱為替代A和替代B)和四對。對於10BASE-T/100BASE-TX，在模式A下，電源與資料對1-2和3-6同時傳送。模式B由備用對4-5和7-8供電。在1000BASE-T應用(四對)中，模式A和模式B的電力也同時由四對傳輸。使用標準乙太網路變壓器的中心抽頭提取共模電壓，然後DC-DC轉換器為系統提供穩定的輸出電壓。圖2為Type1和Type2應用的模式A和模式B供電，圖3則是Type3和Type4中4對模式的接線。 圖2　模式A和模式B PoE功率傳輸 設計使用PoE的設備時，須考慮互連電纜。乙太網路的電纜長度最大為100m，具有直流電阻，同時會降低電壓並因發熱而耗散功率。5類或Cat5電纜是乙太網網路中使用的雙絞線電纜，用於在PoE網路中供電，支援高達100MHz，適用於10/100/1000BASE-T。類別6或Cat6是對Cat5電纜的改進，並支援高達500MHz，適用於10GBASE-T的乙太網路速度。 一根100m的Cat5電纜直流電阻為12.5Ω；其中Cat6的電纜每100m的直流電阻為7Ω。傳輸損耗隨著差分對中電流的增加而增加。在25W PD的典型輸入電壓為50V的情況下，電流為0.5A。這在Cat5中的傳輸損耗總計為2.5W，在Cat6中的傳輸損耗總計為1.75W，這些損耗因發熱而耗散。對於90W的設備，此傳輸損耗在四對之間共用，每對為930mA，PSE至少為52V。在Cat5中為17.30W，而在Cat6中為2×6.05W，表示Cat5對於任何應用都足夠安全。 MOSFET加強封裝　解決高功率耗損　 安裝電纜時應仔細考慮布線，事先斟酌電纜長度和設備電源之間的平衡，以提高效能和降低電纜損壞的風險。受電設備控制器進行轉換，並透過附加的DC-DC轉換器調節PD側的輸入電壓。二極體橋是用於典型PoE設備的一種低成本方案，可以滿足低功率設備所需，但是隨著功率的增加，此方案開始出現問題。在25.5W，最小42.5V的情況下，估計0.6A電流流經二極體橋。每個二極體的正向電壓為0.7V，每個二極體的功率損耗為420mW。在90W的系統之中，現在的電流為3.7A，每個二極體的功率損耗為2.59W。 MOSFET方法比常規二極體橋改善導通損耗和效能。例如安森美半導體(On Semiconductor)的第一代GreenBridge系列整合雙P溝道和雙N溝道MOSFET(FDMQ8203)系列提供緊湊且熱增強的表面貼裝封裝，可以有效解決此問題(圖4)。導通損耗與MOSFET的RDS(ON)值有關。對於25W系統，在N溝道和P溝道MOSFET的RDS(ON)分別為110mΩ和190mΩ的情況下，計算出耗散功率為115mW。這是二極體電橋功耗的四分之一。在90W的示例中，3.7A的導通損耗為354mW，低至二極體方案的13%。節能的幅度看似微小，但是在使用數百個PoE感測器的大樓管理系統中，可以見到顯著的差異(圖5)。 圖4　GreenBridge方案對比二極體橋 圖5　GreenBridge FDMQ8203 Quad MOSFET方案 第二代QuadMOSFET方案(FDMQ8025A)則提供更高的額定功率、高效能的橋式整流器以及必要的門極驅動器，採用與第一代相同的小MPL 4.5×5mm封裝，和更小的RDS(ON)，N通道MOSFET僅35mΩ，P通道MOSFET僅76mΩ。 圖6 NCP1095GEVB/NCP1096GEVB評估板 安森美半導體還提供PoE-PD介面控制器，多種設備都可成為相容802.3af/at和-3bt的受電設備。NCP1095和NCP1096介面控制器含在PoE系統中運作所需的所有功能，如浪湧階段的檢測、分類、自動分類和電流限制。兩個控制器採用內/外部傳輸電晶體，支援高達90W的功率，還能指示何時可以實施簡短的維持電源特徵，而附加的輔助電源檢測支援由PoE或牆式插頭供電。此外，NCP1095GEVB和NCP1096GEVB評估板使設計工程師可以快速評估兩個控制器的運作，然後實施有助於設計過程的物理設計，包括GreenBridge2橋式整流器、RJ45連接器和局域網路(LAN)變壓器。 PoE-PD整合促乙太網路供電具競爭力 IEEE 802.3bt乙太網跨供電標準為更多耗電設備打開市場，功耗的增加帶來新的挑戰，若是採用安森美半導體的PoE-PD方案來解決，該方案整合GreenBridge橋式整流器Quad MOSFET和易於實施的PoE-PD控制器。可有效降低新產品的風險並縮短上市時間，使乙太網路供電成為物聯網領域的重要市場競爭優勢。 (本文作者為安森美行銷經理)  

PPG感測器重皮膚模擬 PPG感測器為光學式心律感測器，可分為穿透式或反射式。反射式PPG感測器之量測區域較不受限，因此可運用於手腕上量測，目前已廣泛應用於消費市場中，如：運動手環、智慧手表。反射式PPG感測器架構包含LED光源、光偵測器、擋牆與蓋板。LED光源與光偵測器放置於同側，光線由LED光源出發，入射皮膚組織與血管後，產生反射散射光，最終由光偵測器接收。 圖1　PPG感測器原理示意圖 要於光學軟體中設計PPG感測器，皮膚組織的模擬就顯得特別的重要，皮膚組織屬於生物組織的一種，生物組織具有兩項重要的光學屬性：吸收與 散射。吸收特性的模擬，通常以穿透率表達。假設光線通過厚度為Ｌ的組織，則穿透率計算遵循比爾-朗伯定律(Beer–Lambert law)： 其中ma為吸收係數，單位為mm-1 。射特性則由Henyey Greenstein散射模型描述，以下為公式： 其中q為散射角度，g為異向性係數，此係數值介於-1至+1之間，可影響散射的分布。 圖2　Henyey Greenstein散射模型之異向性係數變化 LightTools提供多種體散射材料模型，包含Henyey Greenstein散射模型，可用於生物組織之模擬。 圖3　LightTools體散射材料模型 透過Henyey Greenstein體散射模型，可自訂生物組織材料，如：皮膚。設定之係數包含：折射率、吸收率、平均自由程MFP (mm)/散射係數(μs) /傳播散射係數(μs’)、異向性係數(g)與穿透率。 圖4　LightTools之Henyey Greenstein體散射模型 LightTools提供內建之生物組織材料資料庫，這些材料使用Henyey Greenstein體散射模型進行定義，使用者可以直接選擇適當的生物組織材料進行使用。 圖5 LightTools生物組織材料資料庫 皮膚組織模型的建構可直接套用材料資料庫中內建的生物組織材料，模型各層之間的介面則可使用自動光膠功能，去除中間的空氣層，確保模擬正確性。 圖6　皮膚組織架構與光膠設定 在LightTools中以平行光源入射皮膚模型的模擬結果(圖7)。 圖7　皮膚模型、光線預覽與照度分布結果 模擬/設計/分析 以下內容將介紹PPG感測器之案例，說明如何在LightTools中建立模型，並進行模擬、分析與設計。PPG感測器模型包含：LED 光源、光偵測器、擋牆、底座、外殼、封裝膠與蓋板。透過LightTools內建之物件功能與布林運算功能可建立PPG感測器之幾何模型。 圖8　運動手環主體與PPG感測器 光偵測器、擋牆、底座與外殼之表面光學材質設定為吸收，蓋板與封裝膠表面光學材質為平滑光學，設定非涅爾損耗。蓋板材料折射率為1.43，封裝膠則使用內建資料庫材料DowcorningMS_1003_Moldable_Silicone。 圖9　封裝膠使用內建之Dowcorning MS_1003 Silicone材料 光源以表面光源建構，光強度Imax為1.5 mcd。光譜之波段為綠光，中心波長為：535 nm。光形與光譜則如圖10與11。 圖10　 LED光源光形 圖11　LED光源光譜 在光偵測器物件之上表面直接建構表面接收器，偵測器之光譜響應則可以利用鍍膜功能進行設定。 圖12　接收器之光譜響應 如果希望模擬外在環境光對於PPG感測器的影響，使用內建太陽光源工具建立太陽光源。 圖13　太陽光源實用工具 圖14　太陽光譜與日曬資料 直射太陽光與漫射太陽光皆設定光源定位區域，限定光線朝向定位區域追跡，以提升光線採樣效率。 圖15　太陽光源之定位區域設定 初步的模擬結果如圖16，LED光源入射皮膚組織，經皮膚組織體散射後追跡至光偵測器，此光線路徑通常為弧狀的路線，稱之為Banana-Shaped Light。 圖16　PPG 感測器模擬之Banana-Shaped Light光線預覽 光偵測器接收的光線可能來自LED光源或外在環境光，有用的訊號為LED光源入射皮膚組織，經體散射至光偵測器的光線，其他的雜散光則可能干擾有用的訊號。雜散光的來源可能來自LED光源入射蓋板表面，反射至光偵測器，或者當蓋板未完全接觸皮膚表面時，LED光源入射皮膚表面，反射至光偵測器。除此之外，也可能由環境光間接入射光偵測器。在LightTools中使用接收器過濾器、區域分析與光線路徑功能，可區分出這些光線，協助後續分析與設計。 此案例使用的過濾器包含光源過濾器與體積介面過濾器。光源過濾器可分析LED光源或環境光的貢獻，體積介面過濾器則可分析經皮膚組織體散射的光線。 圖17　接收器過濾器設定 若要顯示過濾器過濾出的光線預覽，則可使用區域分析功能。將區域尺寸與網格範圍設定相同的大小，切換過濾器條件時，即可顯示相對應的預覽光線。 圖18　區域分析功能 為了方便分析不同的過濾器條件之狀態，可透過配置功能，在同一個模型下設定多種配置條件，使用者可快速切換至不同的配置進行模擬或分析。 圖19　配置功能 圖20　不同配置條件的結果   雜散光分析則可藉由光線路徑功能，記錄光線在系統行進的所有光學路徑，結果包含各路徑的功率、光線數與循序經過每個表面的資訊。 圖21　LED光源之雜散光分析 當系統中無擋牆設計時，LED光源光線入射蓋板之前後表面，反射至光偵測器形成雜散光，加入擋牆後，蓋板前表面之反射已阻隔，仍有蓋板後表面之反射，但能量已減弱。   圖22　加入擋牆前後的差異 藉由參數分析程式進行分析，可探討擋牆厚度變化對於蓋板後表面反射雜光的影響，此工具可掃描不同的模型條件，並自動化儲存網格數據、圖像與模型於特定資料夾中。 圖23　參數分析程式 擋牆寬度需設定為變數，接收器的入射功率則設定為評價函數進行掃描，寬度由0.1 mm到0.4 mm，每0.05mm掃描一個值，共7筆數據，最終設計中，寬度在0.35mm時，已可阻擋大部分的雜光。 圖24　掃描不同擋牆厚度的結果 光源與光偵測器間距亦會影響有效訊號與雜散光，因此第二部份我們試著改變光源與光偵測器間距，分析有效訊號與雜散光之間的能量變化，以設計出較佳的結果。利用參數控制定義LED與光偵測器之距離參數，並建立訊號與雜訊之比例運算式。 圖25　參數控制設定 再藉由參數分析程式進行分析，將光源與光偵測器的間距設定為變數，各接收器的入射功率與能量值設定為評價函數，掃描光源與光偵測器的間距，由1.5mm到2.3mm，每0.1mm掃描一個值，共9筆數據。 圖26　光源與光偵測器的間距掃描結果 由掃描結果可得知，光源與光偵測器的間距為1.5 mm時，LED光源之皮膚組織體散射能量較強，LED光源之雜散光能量較低，訊雜比為2.36。 圖27　光源與光偵測器間距為1.5mm的結果 最後，將光源數量增加為兩顆LED，LED以對稱方式排布，可提高有效訊號的能量，降低環境光的影響。 圖28　最終設計的PPG感測器模型 最終的模型，皮膚組織的體散射能量增加，訊雜比則由原本2.36提升至3.99。 圖29　雙顆LED光源的設計結果 (本文作者為思渤科技應用工程師)

OBC負責電池組充電的最後階段，它會從充電站汲取AC電源，將其轉換為DC，以用來為350V或650V電池充電。不過，有多種因素可能影響電動車電池的充電效率，而電動車電池在單位時間內從電網取得的電力越多，表示其效率越高。 若要提升OBC的效率，可以從減少充電或放電期間的功率耗損著手。OBC設計的其中一項關鍵要素，就是減少功率因數校正(PFC)等級的AC耗損。由於OBC的系統功率等級會連接至電網，導致全世界多數國家現在都要求在OBC中加入PFC等級。本文將著重於介紹一種方法，藉此分享如何減少因PFC專用升壓電感器的通量散射所導致的AC銅耗。 確保系統設計最佳化 OBC的PFC等級使用傳統的升壓拓撲，內含輸入二極體電橋、濾波器和升壓電感器(Lboost)，如圖1中的方塊圖所示。其關鍵要求之一，就是升壓電感器必須在尖峰電流時保持電感，不可飽和。如此有助於確保形成負載電流波形，且能隨輸入電壓維持相位。電感器必須保持較低的核心耗損和銅耗，以維持其效率，且不得產生過多的熱能。 圖1　系統的AC網路輸入要求，16A電源輸入PFC系統需能升至11.5kW 針對接近單位功率因數(電阻負載)的PFC，輸入電流需與輸入電壓同相，且需為低失真。圖1中的S1開關連接至控制器，用於監控輸入電壓。此開關以200kHz執行「開啟」和「關閉」(或以工作週期調頻)，瞬態輸入電壓在100Hz範圍內的變動相對較慢。 Lboost中的平均電流會在週期內追蹤相對形狀和相位的輸入電壓訊號，而電流波形失真則會因電容和電感負載而減少。從AC電源側來看，負載看起來為電阻型。Lboost中平均電流的振幅也會隨時間調整，以補償線路和負載的變動。 電感器材料攸關銅耗 這類的電感器通常使用鐵粉作為磁性材料，因製造過程中使用非磁性黏著劑，使鐵粉具有磁性材料固有的分散式氣隙，其導磁性(μ)通常介於20至200。由於電感器有嚴格的體積限制和電感要求(滿負載時大於150μH)，使用鐵粉核心的功率耗損將非常大，而且會使應用中的電感器過熱。 因此，需要採取另一種解方。為了最佳化PFC的升壓電感器，如美商柏恩(Bourns)便使用傳統的分裂核心，它是由低耗損的錳鋅(MnZn)鐵氧體材料構成。可以從中發現，MnZn鐵氧體材料相比鐵粉的耗損大幅降低，導磁性也高出許多；另外，為防止鐵氧體核心飽和，應在磁路徑中加入氣隙。 但加入氣隙也會降低材料的導磁性。經測試與模擬後發現，使用分散式多重氣隙，能將通量散射降到最低，與單一氣隙的電感器相比之下，銅耗將大幅降低。 氣隙計算確保高效率 電感器設計中的氣隙部分，是使產品達到較高效率並降低AC耗損的關鍵。其設計的原理，是假設磁性電路中的所有磁阻都產生在氣隙中。 設計的第一個階段，應先確認升壓電感器該擁有的圈數，以確保其核心不會在尖峰電流的特定電感下達到飽和。首先為計算圈數，接著再計算磁動勢(MMF)。從過程中可判定，此應用的作業通量密度必須限制在0.3T；另外，還必須找出於尖峰電流下將通量限制在0.3T所需要的磁阻量(R)。而若將核心限制在0.3T，可確保磁性核心不會飽和。在找到將通量密度限制在0.3T所需要的磁阻後，接著便能計算氣隙尺寸。可從中進一步發現，這類單一氣隙的電感器可透過縮小氣隙尺寸，以及增加電感器中央腳的氣隙數量，藉此大幅降低銅耗。若採用單一氣隙時，AC電阻為5.5Ω；而當三氣隙散布在核心中央腳時，AC電阻最終可降至0.616Ω。 在找出鐵氧體材料總氣隙最適合的尺寸後，接著再根據核心中氣隙的散射通量(輻射磁場)可能使銅出現渦流等類現象，減少電感器中的耗損，進而找出最佳的設計。不過，這會使銅線圈內發生區域性的焦耳損失。至於升壓電感器中的平均電流，會在週期內追蹤相對形狀和相位的輸入電壓訊號(圖2)。 圖2　模擬圖顯示一個週期的電感和輸入電流 高密度設計大幅減少耗損 若使用帶氣隙的鐵氧體結構，可實現較高效率的高密度設計，進而使每個通道在每次的週期內，可達到最高3.6kW的處理量，於最高負載時可儲存125mJ。透過PFC模擬，證明了確實找到能儲存能量並避免飽和的最佳氣隙。此外，同時亦可確認，銅功率耗損的主要來源為AC電阻，所以結論是，針對設計的最高AC電阻規格目標應為750mΩ(在125kHz和100℃的條件下)，同時使用FEA軟體來進行升壓電感器設計的驗證、分析和最佳化。 如Bourns的升壓電感器可減少多達90%的AC耗損，但仍須視應用而定。降低耗損的關鍵，在於縮小氣隙尺寸及增加電感器中央腳的氣隙數量。本文的測試結果顯示，單一氣隙電感器的AC電阻為5.5Ω，而測試應用中的三氣隙設計則使AC電阻降到僅0.616Ω。至於AC電阻耗損的降低，是由於AC銅耗從每通道的20W大幅降到只剩1.8W。此外，由於該升壓電感器產生的熱能較少，因此散熱需求較低，同時還具減少EMI的額外優點。若結合以上優點，便有助於實現較佳的PFC等級設計，使OBC整體效率提升，進而為電動車市場的成長提供助力。 (本文出自於貿澤電子與Bourns共同出版之《車輛電動化(Electrification of the Vehicle)》電子書)

可撓式OLCD蔚為顯示市場超新星 雖然可撓式OLED現已廣泛地應用在智慧手機和手表等產品中的旗艦級款式，但直到最近，還沒有一種低成本的替代產品可以為需要大面積顯示器的其他主流應用(例如智慧家庭設備、車載顯示器和數位電子看板)提供曲面顯示器。然而，可撓式有機LCD(OLCD)技術的最新發展為更廣闊的顯示器市場開啟了一全新的設計自由度。與使用玻璃基板的LCD不同，OLCD使用有機材料而不是非晶矽(Amorphous Silicon, a-Si)電晶體。生產這些有機電晶體所需的溫度要低得多，因此可以使用薄至40微米的可撓式生物基材，例如三醋酸纖維素(Triacetyl Cellulose, TAC)。貼合且可塑的輕薄OLCD就是採用這種做法的成果，它不僅無損其光學性能，並且具有與玻璃LCD相同的延展性。 OLCD不僅提供了更好的美觀性，其可撓性可藉由向下折疊顯示器後面的邊框而實現超窄邊框的設計。對筆記型電腦和平板電腦等應用而言，這種特性很有價值，因為在這些應用中，無邊框意謂著相同尺寸的設備可具有更大的顯示螢幕。OLCD技術還能夠製造具有真正畫素級調光功能的超高對比雙單元顯示器(Dual Cell Display)，進而以低於OLED的成本提供類似OLED的性能。與玻璃顯示器相比，極薄的OLCD基板在成本、視角和模組厚度方面均具有優勢，同時還保留了表面整合式(Surface-integrated)汽車顯示螢幕等應用所需的螢幕靈活性。 這項新技術代表了顯示器產業的一大進展，OLCD在亞洲地區走向大規模生產，並且首次可在可撓式基板上生產大型和小型的顯示器(圖1)。 圖1　彎曲半徑為10mm的有機LCD 低溫製造漸為基板生產趨勢 從玻璃基板走向可撓式基板的轉變，將會帶來難以估量的巨大效益。從過去的資料來看，使用玻璃的原因有很多，包括其化學惰性、光學透明性和能夠承受建構矽基薄膜電晶體(TFT)所需的300~500℃溫度。由於矽TFT生產過程中牽涉到的許多加工步驟如退火、濺射、反應式離子蝕刻、離子注入和化學氣相沉積(CVD)等都需要大量能源，因此對於高溫製程的需求更加複雜。出於經濟和環境方面的原因，業界需要更節能的生產方法，而OLCD正是一種真正具有吸引力的替代產品，這可歸功於前所未有的低溫製程(整個OTFT製程都可以保持在100℃以下)，而採用溶液製程的有機TFT讓低溫得以實現。除了降低處理溫度之外，OTFT的製造過程還繞過了與矽相關的能源密集的步驟。例如，可以使用簡單的溶液塗布(Solution-coating)處理方式代替CVD。某些研究指出，從矽TFT轉移到蒸鍍式OTFT可以將製程能量降低10倍，而使用溶液製程的OTFT可以將能耗再進一步降低。 生物基基板節省資源/成本 實際上，OLCD製程的溫度是如此之低，以至於可以選擇採用各種薄膜來作為可撓式基板，包括生物基如非油基(Oil-based)和可生物降解的(Biodegradable)薄膜。OLCD製程使用一種稱為TAC的透明可撓式薄膜：三醋酸纖維素。顧名思義，這實際上是一種纖維素，通常是由木漿製成的，換句話說，TAC是由與紙張相同的天然原料製成的。實際上，纖維素膜可作為食品包裝中塑膠的可持續性替代品，所以它的使用已經越來越普遍。 顯示器供應鏈中使用TAC的時間已經有數十年，通常是在玻璃閱讀器兩側的偏光片中使用，如讀者正在看著的螢幕，可能就用到了TAC。人們之所以使用TAC，是因為它具有優異的光學性能，而且製造成本低，因此每年所製造的TAC薄膜可達到數億平方公尺。 在製造過程中，TAC膜會黏貼到平板顯示器的玻璃上。在這個製程結束時，可以憑藉非常簡單的「釋放」處理方式將TAC從玻璃上卸下，而毋需使用昂貴的設備。這個簡單的製程是OLCD具有低成本的關鍵部分—不僅因為良率高，而且因為平板玻璃載體可以在下一個顯示器重複使用。可撓式顯示螢幕廠商如FlexEnable所開發的TFT製程是工業化溫度較低的電晶體製程。低溫不僅意謂著節省能源，還意謂著基板選擇得以較廣泛，包括更具可持續性的基板，進而降低可撓式顯示器的成本。這項技術已經可以符合電子紙顯示器的生產要求，對於尋求以低廉成本生產大型可撓式顯示器的製造商，或者希望利用這項技術的許多其他效益的製造商而言，採用OLCD是一個很好的選擇。 高性能OTFT為技術研發關鍵 到目前為止，LCD一直僅在玻璃上使用以硬質陶瓷基材料製成的主動矩陣背板作為電晶體技術的主要基礎。而低溫製造方法則可以用柔軟的可撓式有機材料代替硬質陶瓷材料。 採用高性能、高品質的有機材料，一直是開發OTFT設備的重點。像是FlexEnable於2019年收購默克公司(Merck)，進而配製並供應用於製造OLCD的OTFT材料FlexiOM。 用於OLCD的主動矩陣背板至少使用三個FlexiOM層。第一個是FE-S500，這是一種接近非晶質的半導體聚合物，其能量失調(Energetic Disorder)的程度低；其上一層是FE-D320，這是一種低k介電材料，經過工程設計以確保與半導體介接的原始介面。最後的有機層是可交連的(Crosslinkable)介電材料FE-D048X，可用於提高電氣強度。一起進行處理時，它們已證明可以實現較先進的設備性能，包括接近0V的臨界值和大於106的開/關比。場效應移動率大於1.5cm2/Vs，這個數字高於大多數TFT-LCD玻璃顯示器中普遍使用的非晶矽TFT技術(圖2)。 圖2　顯示使用FlexiOM材料的OTFT背板橫切面 可撓式OLCD提供多種設計可能性 自從顯示器首次整合到設備中以來，LCD顯示器的普遍使用及其僅限於(幾乎)平面螢幕的特性就限制了設計人員的設計空間。產品通常是圍繞著顯示器來設計，而不是採用相反的理念來設計。由於可撓式基板容易切割，因此使用這些這些基板來取代玻璃便可消除這一設計上的限制，並提供創造具有獨特顯示形狀和曲面顯示螢幕的機會。 智慧家庭設備 不含玻璃的OLCD可以輕易加工成型為凸形螢幕或凹形螢幕，具有向下彎曲至10mm半徑的緊湊的曲線，且不會影響顯示器的穩健性。例如，高階的智慧揚聲器產品現在會配有主動顯示器，但是這些平板玻璃螢幕其實是整合顯示器和使其融入整體產品設計之間的一種折衷方案。OLCD不僅能夠實現與揚聲器形狀貼合的「環繞式」(Wrap-around)顯示螢幕，而且可以創建新的視聽使用案例。 汽車顯示器 汽車應用為可撓式OLCD提供了絕佳的機會。現代汽車的內部呈彎曲的曲線，只是因顯示表面平坦而受到影響。實際上，顯示器通常是汽車內部唯一平坦的部分。這一類的應用對曲面顯示器的需求很高，但是目前沒有可用的顯示技術可完全符合要求。 LCD在汽車應用中已成功使用了很多年。儘管有著嚴格的要求(這已使得LCD業界訂製適用於汽車的顯示器部件品質要求)，但LCD產業已可克服這項挑戰，並已成為汽車內部顯示螢幕應用的預設選擇。可撓式OLCD的任何實施方案都可以建立在此一供應鏈上，進而使用現有部件來簡化在汽車市場上使用新型顯示器的開發工作(圖3)。 圖3　Novares於2019年將彎曲的OLCD整合到其Nova Car＃2中 筆記型電腦/平板電腦 可撓式OLCD的成本結構類似於玻璃LCD，除了玻璃以外，它在結構上使用了許多相同的低成本元件，進而使得筆記型電腦大小的顯示器的重量可減輕100g，厚度則少了0.5mm。此外，OLCD還可以實現無邊框顯示螢幕的設計，進而使得筆記型電腦和平板電腦具有更大的顯示螢幕，而不會增加重量。 電視/監視器 液晶電視的成本較低，在電視市場上獨領風騷，但無法實現OLED電視所具有的超高對比性能。玻璃LCD技術的最新發展是將兩個LCD顯示螢幕彼此堆疊：形成雙單元LCD來提高LCD對比度。儘管這種方法可顯著提高顯示螢幕的對比度，但由於需要四塊玻璃板，顯示器變得厚多了，這也增加了模組的成本，並且需要更亮的背光照明，同時也無法提供真正的畫素級調光功能。 使用雙單元OLCD技術可以克服厚度增加和缺乏真正畫素級局部調光的問題。建構OLCD的TAC膜比玻璃薄了十倍，意謂著這兩個顯示單元的聚集間距能夠比電視的畫素間距小得多。另外，顯示螢幕架構變得更薄，並且能夠以更簡便的方式(與雙單元玻璃LCD或OLED相比)和較低的成本製造，並且具有更高的光學性能。 數位電子看板 當顯示器由玻璃製成時，重量就成為大型顯示器的重要考慮因素，使得大型顯示器通常需要堅固的支撐架或框架，這將會限制在建築物和物體內部和頂部安裝玻璃顯示器的位置和方式。OLCD技術在亮度、色彩性能、視訊傳輸率的能力和成本方面具備了廣告用LCD技術的效益，而其顯著的優勢則是毋需玻璃、輕薄且貼合；而該技術可以擴展到大尺寸顯示螢幕，甚至可以使大型數位電子看板顯示器與支柱、街道擺設、車輛外部和零售店內部融為一體。 OLCD與OLED互補特性分頭開拓不同市場 過去幾年，特別是在亞洲地區，業界已經對可撓式OLED技術投入了大量的資金，這引起了業界是否需要OLCD和OLED並存來滿足可撓式顯示應用需求的問題。仔細研究每種技術的製造和性能屬性，便可以發現實際上它們針對的市場領域不同。 可撓式OLED顯示器在對比度、顏色和反應速度方面提供了出色的螢幕性能，但在使用壽命、成本和尺寸可擴展性方面則有所限制；OLED螢幕的壽命與亮度成反比，因此不太適合同時需要高亮度和長壽命的應用。OLED還具有複雜的生產製程，進而導致較高的資本支出需求和材料成本，而讓整體的製造成本變得很高。最重要的是，其中數個處理步驟使得可撓式OLED難以擴展到大尺寸，因此它們的應用目前幾乎完全聚焦在智慧手機和智慧手表的旗艦型機種。 另一方面，OLCD的生產過程較簡單，其複雜性與非晶矽LCD相似，並且可以擴展到相同的大型尺寸。因此可以使用現有的TFT/LCD生產線來製造OLCD，進而生產出畫素密度、對比度、顏色和反應速度均與同類玻璃產品相同的塑膠LCD。OLCD的製造成本也接近玻璃LCD，因為OLCD可以使用現有供應鏈中的許多元件，例如偏光片和背光模組。最後，與其他LCD一樣，OLCD可以做得非常亮，但卻不會影響使用壽命。 綜合起來，這些特性使得合格的OLCD非常適合需要較大面積或較長使用壽命的應用，例如智慧家電和消費電子產品、汽車、筆記型電腦和平板電腦，甚至電視和數位電子看板。因此，OLCD和可撓式OLED是互補的技術，兩者相輔相成，可以為顯示市場的所有主要與次要市場帶來靈活性。 利用現有的LCD製造技術，讓現有的工廠能夠迅速地導入OLCD的生產。更好的美學效果一直是早期採用者的主要驅動力，許多設計人員正在充分把握從平面螢幕轉向新顯示器的大好機會，以實現新穎的形狀和設計。 從顯示器製造商的角度來看，隨著越來越多的10.5代生產線投入使用，關閉或重新調整老舊小型LCD生產設備用途的壓力將會越來越大。OLCD經過專門設計，可以利用舊有的顯示螢幕生產線，以便可以快速轉向製造可撓式OLCD，同時保留大部分成本已最佳化的現有供應鏈。 (本文作者為FlexEnable策略總監)

例如格羅方德先前已由晶圓級測試展示0Mb 22nm FD-SOI eMRAM巨集功能，突顯出sub-ppm BER、數據保留以及從1Mb收集的早期可靠性結果。但是為了保證eMRAM產品的可製造性，最重要的是驗證具有高良率的封裝水準產品的功能性與可靠性。本研究使用先進的磁性穿遂接面(MTJ)堆疊、整合和蝕刻製程，藉由在寬廣的工作溫度範圍(-40至125℃)和ECC-off模式下的封裝水準所取得的產品功能性和可靠性，證明22nm FD-SOI eMRAM的可製造性。 格羅方德的eMRAM產品能夠通過標準的可靠性測試，例如LTOL(168小時)，HTOL(500小時)，1M的耐久週期和5x回流焊接測試，故障率小於1ppm。此外40Mb eMRAM巨集能夠滿足備用和主動模式下的磁抗擾性要求。 eMRAM技術實現高良率 40Mb 22nm FD-SOI eMRAM巨集，其中顯示MTJ陣列的橫截面TEM(圖1)。該晶片配備內部偏壓、時序控制系統和ECC。內部電壓以tick為單位，由登入設定進行管控。MTJ堆疊、整合和蝕刻製程已進行優化，以符合蝕刻製程和HPD2後續退火製程，但仍符合晶片級的所有MTJ性能表現。 圖1　(a)40Mb 22nm FD-SOI eMRAM巨集，(b) MTJ陣列的橫截面TEM 藉由達成高穿隧磁阻效應(TMR)，其中Rp為並聯(P)或是狀態為0電阻，而Rap為反並聯(AP)狀態為1電阻和減少MTJ電阻分布，進一步改良MTJ堆疊和蝕刻製程，爭取20%的讀取裕量，以確保在125℃量產時能保持穩定的良率。圖2(a)和(b)分別顯示，拜先進的MTJ堆疊和蝕刻製程所賜，TMR和電阻分布的改進，達成TMR/的(Rp)~24(一般SA需求>20)，以確保在125℃的情況下能獲得高良率。 圖2　為了獲得最佳MTJ性能，隨著時間進展的製程改善趨勢：(a)適用於不同製程的TMR(2)Rp sigma。TMR和Rp sigma都獲得顯著改善，以在125℃時獲得足夠的讀取裕量。TMR/σ(Rp)∼24at125℃(SA極限∼20) 藉由提升自旋轉移矩效率，符合5x回流焊接後，再提高寫入裕量。實際的1Mb位單元MTJ電阻分布，描繪了σ(Rp)~28的較寬分隔(圖3)。良率隨時間推移出現諸多指標性的變化，最終製程實現了穩定且高良率(圖4)。而5x回流後不同MTJ和蝕刻製程的BER趨勢(圖5)。透過優化的製程，整個晶圓獲得穩定的回流性能(中位數BER<1E-7)。 圖3　實際1Mb單元陣列的Rp和Rap狀態的位單元電阻分布 圖4　40Mb eMRAM t0 BER(<6E-6)隨時間進展的良率改善趨勢 圖5　不同MTJ製程5x回流後BER改善趨勢，顯示了對於10ppm BER標準，整個晶圓達到100％之5x回流性能 不同MTJ堆疊的標準化開關電壓(Vc)與矯頑磁場(Hc)之間的關係(圖6)，所有這些堆疊都通過5x回流焊接，良率為100% (BER<1ppm)。陰影區域中的數據點顯示出最佳的寫入裕量，並且選擇了產品認證堆疊來獲得最佳的耐久裕量，同時滿足5x回流焊接的要求。 圖6　(a)左圖為針對不同堆疊拆分的歸一化MTJ Vc與Hc之對比。(b)右圖為MTTF與電壓之間的關係，顯示不同製程拆分的固有TDDB有所改善 為了進一步提高耐久裕量，須調整氧化鎂(MgO)阻障和蝕刻製程。來自位元陣列的TDDB特徵(圖6b)顯示，在工作電壓下以製程3(用於品質鑑定)，TDBB的固有改良>2。在晶圓級進行最終鑑定過程中，所測量的MTJ電氣測試(ET)參數的分布(圖7)，描述整個晶圓的常態分布。此後，出現了從大量封裝零件中收集到的40Mb eMRAM產品性能表現資料。選擇工作電壓(Vop)偏置條件來過度驅動晶片，以包含晶片到晶片和晶圓到晶圓t0...

先進封裝最大挑戰來自於異質整合晶片內含多種材質，堆疊複雜容易導致翹曲(Warpage)。此外隨著線寬/線距的縮小，翹曲的程度易導致表面黏著技術(SMT)過程異常，甚至影響後續板階可靠度(Board Level Reliability)結果(圖1)。除了晶片元件本身會發生翹曲外，晶片透過表面黏著技術結合到電路板時，因晶片與電路板CTE不同，翹曲的狀況就會加劇。而當翹曲超過一定的幅度，就會造成SMT的焊接品質不良，也影響後續的可靠度測試結果。如何妥善安排這些溫度特性不同的材料依序堆疊，在加熱與散熱時不會互相影響，是相當嚴苛的技術挑戰。 圖1　先進製程晶片元件或多或少都會有翹曲現象，若變形量符合IPC規範控制在一定程度內，都不會影響後續元件上板品質(來源：Akrometrix) 由於IC黏著在模擬PCB上的品質好壞，將直接影響到產品壽命判斷精準度，因此表面黏著製程在其中扮演重要角色。而品質好壞的關鍵因素包括錫膏特性、印刷條件設定(如脫模間距、脫模時間、印刷速度)、置件精準度、鋼板選擇。 以宜特科技可靠度驗證實驗室為例，近年來接到非常多客戶在試驗設計(Design of Experiment, DOE)等研發階段有SMT需求，希望可以在產品量產前，進行一些材料選擇、製程參數調整等少量多樣的需求。然而半導體產業工程師一定遇過自家SMT產線量產產能都已被預約額滿，根本無法支援DOE試驗設計等研發階段少量多樣的研發品。而IC設計工程師也遇過大型封裝廠無法進行研發品少量多樣協助的狀況。因此該可靠度驗證實驗室便提供少量多樣SMT服務，除了可以量身訂作測試樣品進行品質與可靠度驗證外，同時協助執行各式工程DOE及尋找最佳組合參數，協助克服在研發階段所遇到的SMT黏著問題。以下為實驗室常接到的SMT案例。 基板手動除球暨兩類植球應用 錫球成分是決定產品品質好壞的重要因素之一，若等到產品量產才發現錫球有問題，可能為時已晚。因此可靠度驗證實驗室遇到許多客戶在產品設計階段初期，嘗試不同錫球成分與封裝的匹配來選擇最佳的錫球材料，植球主要分為兩種應用。 1.錫球焊錫可靠度驗證 使用特殊設計的治工具，將所需驗證的錫球植在基板(Substrate)上。 2.錫球支撐性驗證 因零件尺寸隨著封裝技術日益變大，大尺寸零件容易因翹曲及零件本體重量造成焊接異常如短路。而實驗室的技術可將銅核球結構的錫球植上基板以增加支撐性，避免焊接短路問題發生。錫球種類包括各類錫銀銅合金錫球、不同核心錫球(如銅核球)等，根據錫球植上基板的DOE結果，導入合適錫球，將可提高產品驗證成功率。 除球作業上，因應封裝樣式的多樣性，除了植錫球外，實驗室也遇過需進行除球作業的案例，例如樣品晶背(Backside)有矽(Silicon)時，就須要進行樣品前處理，將錫球去除，以利後續的翹曲量測模擬(Shadow Moiré)能夠順利執行(圖2)。 圖2　除錫球製程 量測篩選先行克服翹曲問題 5~10年前，翹曲幅度只要控制在6~8mil以內，都不至於影響後續SMT等製程(圖3)。然而近年來，異質整合材料堆疊複雜，容易導致翹曲失控，各項先進製程的材料種類複雜且反覆堆疊，受到溫度影響後的變形量已比5~10年前的樣品來得嚴重。該可靠度實驗室發現，隨著未來接腳數(Pin Count)越來越多，晶片上板時，為使錫膏與錫球可以接合順利所使用的治具鋼板(Stencil)，厚度就會越來越薄，若繼續維持在6~8mil的翹曲幅度，便難以像早期維持SMT製程品質(圖4)。 圖3　傳統PCB，鋼板因接腳數較少，錫球用的不多，相對鋼板不需要太薄 圖4　隨著先進製程的元件接腳數變多，錫球需要較多，鋼板就需要較薄 許多提出IC設計、晶圓代工及封裝測試廠需求的客戶，希望可以先模擬確認翹曲數據，調整錫膏印刷鋼板設計及回流焊溫度，藉此減少因翹曲造成空焊及短路問題的機率。依據此方式，宜特已為多家廠商克服PCB或IC翹曲的焊接問題(圖5)。量測分析的速度非常快，約半小時就可得知元件在不同溫度的變形量，也能模擬溫度循環的環境，協助客戶與可靠度測試進行搭配，觀察產品在哪個溫度達到最大的變形量，並能在測試中思考如何改善與預防。 圖5　SMT上板前可針對元件與PCB進行模擬分析，預先了解翹曲情形(圖片來源：Akrometrix) 回顧翹曲量測的原理，是應用樣品上的參考光柵和它的影子之間的幾何干擾產生摩爾雲紋分布圖，進而計算出各圖元位置中的相對垂直位移，並可應用於模擬SMT回流焊溫度和操作環境條件，同時捕捉一個完整的歷史翹曲位移表現(圖6)。在板階可靠度實驗室觀察中，翹曲的問題勢必會持續存在，人們無法控制材料的特性，但如果透過篩選的方式，找出翹曲方向相同的零件與PCB，筆者認為這不僅不會降低可靠度的壽命，也能協助客戶找到完美翹曲比例，達到1+1>2的價值。 圖6　翹曲量測原理解析(圖片來源：Akrometrix) 上板治具對位製作 針對Package on Package(POP)類型的案例，為上下兩層PCB、中間印錫膏放置電極零件(圖7)；然而此方式容易導致電極材料黏著時在上下兩層PCB時，出現不平整或板彎的狀況。因此必須靠治具對位來解決。治具的製作，最難的地方在於必須考量錫膏厚度及開孔來符合焊接條件，且上下兩層必須精準對位。對此，實驗室進行治具的製作、上板以及後續還可串接故障分析實驗室，透過X-ray確認焊接品質。 圖7　可靠度實驗室可以協助客製化治具，進行治具對位 驗證階段同時模擬可靠度　免於費時修改 先進封裝時代來臨，異質整合成為趨勢，因此，進行IC設計時最怕IC晶片本身品質沒問題，但是當IC上板SMT後，卻過不了後續的驗證。而近期最常見的是上板後的翹曲問題，導致後續可靠度發現早夭，嚴重甚至須將產品退回到最初的IC設計階段，於耗費大量時間修正的同時，也可能趕不上預訂的交件日期。因此在驗設計階段，即可針對產品進行可靠度模擬，了解是否需調整製程參數、調整材料，將可事半功倍，有效率地讓產品快速上市。 (本文由宜特科技提供)