市場話題
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專訪達爾全球離散元件產品副總裁唐逸鵬 功率離散元件尤重基本功
有鑑於此,除了少數擁有特殊設計或製程know-how的業者外,許多國際大廠已漸漸從這個領域淡出,改推整合式產品,例如結合控制器跟MOSFET的電源管理晶片(PMIC)。但達爾(Diodes)全球離散元件產品副總裁唐逸鵬認為,只要掌握核心技術,而且基本功夠紮實的團隊,在這個紅海市場上還是大有可為。
電路抄襲沒用 離散元件差異化全靠基本功
出身類比晶片名門國家半導體(National Semiconductor; NS)的唐逸鵬回憶說,早年NS都會定期出版一份教科書等級的刊物,詳盡介紹自家產品的設計架構跟工作原理。NS之所以如此大方,是因為該公司根本不怕其他競爭同業抄襲。
他解釋,類比產品有一個特性:即便電路設計一模一樣,搭配不一樣的製程參數跟材料,就會有天差地遠的性能表現。所有的魔鬼都藏在細節裡,如果設計團隊沒有對製程、材料、物理學有很深的理解,就會掉入這些陷阱中。而這正是國家半導體之所以在類比元件市場得以成為一方之霸,最後被德州儀器(TI)高價收購的原因。
而在各式各樣的類比產品中,二極體跟MOSFET這類離散元件,又是最考驗研發團隊基本功的產品。因為這類元件的功能相對單純,不像其他類比產品還有很多花樣可以玩,因此,要把二極體跟MOSFET做好,除了把馬步紮穩,把材料、製程徹底摸熟之外,別無他途。當然,隨著技術進步,現在的二極體跟MOSFET產品也開始整合一些周邊,例如靜電放電(ESD)等保護功能,但核心的二極體或MOSFET本體,拚的還是基本功。
也因為如此,即便各家離散元件供應商的產品乍看之下都差不多,有些小廠甚至還有電路設計抄襲的疑慮,但領導廠牌的產品,就是會有一些特殊的功能或規格,是抄不來的。有些很特別的產品,甚至還有專為某些客戶族群的需求而設計,沒寫在規格書上的隱藏規格。
有核心技術的團隊,在紅海市場上還是能創造藍海。如果是連BCD製程特性都還沒完全掌握的業者,光靠抄襲電路設計,是沒辦法進入這類特殊市場的。
其實,這也是台灣電子工程教育的一個大問題,BCD製程是類比元件的核心,由Bipolar、CMOS與DMOS組成,台灣的IC工程師大多只熟悉CMOS,對Bipolar則是一知半解,有花心思去深入研究DMOS的,就更屈指可數了。但Bipolar是製造高性能類比元件不可或缺的製程,因為它的線性度非常優異,類比元件的輸入端跟輸出端都得靠Bipolar;至於DMOS,則是MOSFET這類離散元件的核心製程之一。
打造高C/P產品 敏銳商業嗅覺不可少
不過,除了技術實力之外,離散元件終究是個成熟市場,因此業者之間的競爭,除了技術力之外,商業經營的能力也很重要。唐逸鵬認為,有好的技術,搭配對市場跟客戶需求的預估,才能推出恰到好處的高性價比產品,進而讓客戶買單。如果只有好技術,固然能生產出規格優異的產品,但如果成本不符合客戶期待,客戶還是不會買單的。
換言之,在離散元件這個產業,好的團隊要做大,比小的團隊要做大來得容易。市場經營、研究客戶需求跟培養研發團隊,都有一定的規模門檻存在。達爾過去幾年就看到一些擁有潛力技術,但規模不夠的團隊。
達爾藉由購併、投資將這些團隊納入旗下,跨過規模門檻後,讓這些技術得以從實驗室走向量產,並不斷改進,以滿足未來的客戶需求。這對創業團隊跟達爾來說,是雙贏的局面,也是達爾近幾年能快速成長,躋身全球主要離散元件供應商的原因之一。
整體來說,功率離散元件是一個非常分散的市場,僅以二極體來說,達爾的市占率排名在全球前五,其他大廠分別為威世(Vishay)、羅姆(Rohm)、安森美半導體(On Semiconductor)、英飛凌(Infineon)。但排名第一的威世,也僅擁有一成左右的市占率。如果是以整個功率離散元件(包含二極體、MOSFET、IGBT等)來看,英飛凌是全球最大供應商,達爾排名約在十名上下。但就如同二極體市場,排名最高的英飛凌也僅有一成多市占率。這顯示功率離散元件是一個供應商林立,競爭相當激烈的市場。想在這個市場的競爭中脫穎而出,不僅要有紮實的技術,也要有正確的產品定位。
Credo執行長Bill Brennan表示,HiWire AEC讓系統供應商能更快速地邁入400G,並且維持支出與收益的平衡。
新品開發/應用測試/場域驗證 車聯網三大穿雲箭齊發
於DSRC產業,關鍵廠商扮演推動DSRC車聯網應用之重要角色,藉由觀察近一年大廠之動態,可掌握DSRC通訊技術之產業發展態勢與大廠布局方向,以下由產業鏈角度論述。
上游通訊晶片/模組端主攻新品開發
上游通訊晶片/模組端,現時晶片大廠主要以晶片之「新品開發」為主,而以「技術開發」為輔。於晶片新品開發部分,如2018年8月恩智浦(NXP)與日本豐田(Toyota)汽車、美國通用汽車等車廠合作,協助車廠打造搭載DSRC車載設備的汽車;另如2018年6月Qorvo與高通(Qualcomm)合作,提供可同時支援DSRC與C-V2X兩種通訊技術之RF模組,共同開發車聯網晶片模組;又如2019年3月恩智浦發布新型SAF5400晶片,該晶片具備DSRC數據機,且特殊之可擴展架構、新的安全功能與先進的RF組件和軟體自定義無線電(SDR)技術,協助車載/路側設備OEM大廠可以快速部署安全且實現跨區域升級之車聯網環境。
另於技術開發部分,如2019年3月瑞薩電子(Renesas)完成與美國通訊晶片業者IDT的購併,透過整合自身與IDT在車用晶片市場上的技術,加速布局自駕車晶片市場。
中上游業者著重新品/應用發展
中上游車載設備與路側設備端的設備大廠主要以「應用發展」與「新品開發」為主,並以「場域驗證」為輔。於應用發展部分,如2018年6月電裝與日本豐田汽車合作,提供其Crown與Prius兩款車系所需的DSRC車載設備。
另如2018年9月Cohda Wireless設計智慧街燈試驗產品,憑藉DSRC通訊技術,利用車載設備向距離事故車輛最近的智慧街燈發送通知訊息,藉以提高道路用路安全。該智慧街燈的亮度可從20%增至100%,用於提醒駕駛員在臨近的智慧街燈附近存在一輛故障車輛。
於新品開發部分,如2018年1月Commsignia推出ITS-RS4的智慧路側設備和ITS-OB4 DSCR/Cellular V2X的車載設備連接平台,提供客戶靈活的DSRC技術解決方案;另如2019年1月德國大陸集團研發混合式V2X平台解決方案,整合DSRC和C-V2X兩通訊技術之車載設備,藉以提供客戶可依據不同需求彈性配置車載設備。
另於場域驗證部分,2018年1月西門子與Brandmotion、Commsignia合作,在拉斯維加斯市賭城中心大道,進行V2I與V2V之DSRC系統測試。
下游終端汽車端,現時品牌車廠以「應用發展」和「新品開發」為主。於應用發展部分,如2018年5月福斯集團宣示採用DSRC通訊技術用於發展智慧型運輸系統相關應用;另如2018年10月美國本田汽車結合V2X與DSRC技術推出「US 33 Smart Mobility Corridor」計畫,試驗打造智慧路口(Smart Intersection),減少路口交通事故機率。
另於新品開發部分,如2018年4月美國豐田汽車公司公布DSRC開發計畫,將於2021年開始販售搭載V2V技術的車款;另如2018年6月美國通用汽車旗下品牌凱迪拉克(Cadillac)宣布將搭載於CT6房車上的Super Cruise高速公路自動駕駛DSRC技術擴及 Cadillac全車系,並在2020年後導入GM集團其他品牌當中。
新品開發為DSRC產業關鍵動態
綜觀近一年DSRC產業中關鍵廠商之動態,顯見新品開發是整個DSRC產業鏈關鍵廠商的發展重點,包含上游通訊晶片/模組端、中上游車載設備與路側設備端與下游終端汽車端,皆致力於新產品的開發。不同的是,中上游車載設備與路側設備廠商與下游終端汽車廠,除新品開發外,亦聚焦產品之應用發展。
C-V2X放眼應用測試領域
C-V2蜂巢式車聯網通訊,為一種無線通訊技術,專門用於車輛間之通訊,負責在「車與路」與「車與車」之間建立訊息的雙向傳輸,可即時傳輸圖像、語音和數據等訊息。
蜂巢式網路係為現時行動通訊之硬體架構(如4G),而C-V2X既為此架構下之V2X通訊技術,其標準係由國際標準組織「第三代合作夥伴計劃(3rd Generation Partnership Project, 3GPP)」所制定,始於2015年以LTE D2D(Device to Device)近端服務作為基礎,開始進行相關技術需求與標準制定之研究,而整體發展規劃分為三個階段,第一階段聚焦以現時LTE行動網路為基礎之V2X,第二階段則聚焦優化安全為主要之eV2X(enhanced V2X),而最後第三階段則為以5G為基礎之NR-V2X。
於C-V2X產業方面,關鍵廠商扮演推動C-V2X車聯網應用之重要角色,藉由觀察近一年大廠之動態,可掌握C-V2X產業之發展態勢與大廠布局方向,以下由產業鏈角度論述。
上游通訊晶片/模組端,現時晶片大廠主要以晶片之「應用測試」為主,而以「技術開發」、「新品開發」為輔。於晶片應用測試部分,如2018年8月,高通與5G汽車通訊技術聯盟(5G Automotive Association, 5GAA),在歐洲完成首個C-V2X技術測試。
另又如2018年底,高通與啟碁科技共同合作,以高通9150 C-V2X蜂巢式車聯網晶片組所設計之C-V2X模組與mPCle網卡,用於開發車載設備UMV-9150LGA並進行實地測試;又如2019年1月,高通與德國奧迪汽車(Audi)、美國福特汽車(Ford)、義大利杜卡迪(Ducati Corse)機車合作,以高通9150...
專訪Credo執行長Bill Brennan 標準/AEC雙管齊下推動400G
隨著人工智慧(AI)、機器學習(ML)和影片工作負載的不斷擴展,資料中心的頻寬需求引發部署400G的緊迫性。為滿足此需求,Credo積極加速HiWire AEC系列產品的研發與生產。
Credo執行長Bill Brennan表示,HiWire AEC為計畫部署400G的業者提供了新選擇,其具備主動光纜(AOC)的優點,但成本、功耗更低。特色包括高速率、高訊號完整性(低BER)、高性能(低功耗)、高品質/可靠度、高工作溫度、高彈性等。且還可以隨插即用,並提供系統級、線纜內速度轉換方案,實現50G PAM4交換機埠與廣泛使用的25G NRZ伺服器無縫連接。
Brennan進一步說明,此一AEC連接解決方案正廣泛地部署在雲端、服務提供商和企業網路中。HiWire AEC讓系統供應商在尋找資本支出和營運成本之平衡解決方案的同時,亦能更快速地邁入400G。目前該產品已在12.8TB交換機上使用,並實現CLOS資本支出降低50%、功耗降低40%及光埠數量降低75%等目標。
另一方面,Credo也成立HiWire Consortium聯盟,致力於建立和持續開發AEC標準。該標準定義了眾多業界多源協議(Multi-source Agreements, MSAs)的具體建置方法和正式認證過程,將為超大規模資料中心、電信和企業市場提供多源且可靠的隨插即用AEC生態系統。
Brennan指出,HiWire Consortium目標在於引領業界推出隨插即用的AEC、依據現有標準制定HiWire AEC規範、核准認證測試規範等。目前聯盟成員已包括台達電、英特爾(Intel)、是德科技(Keysight)、Innovium等,未來還會尋求更多合作夥伴加入,集結各方資源實現可靠電纜解決方案。
Credo執行長Bill Brennan表示,HiWire AEC讓系統供應商能更快速地邁入400G,並且維持支出與收益的平衡。
讓資料動起來 領域專用架構思維不一樣
自從2017年度圖靈獎(Turning Award)得獎人John Hennessy與David Patterson在領獎演說中強調領域專用運算架構(Domain Specific Architecture)與領域專用程式語言(Domain Specific Language)的重要性後,在資訊科學與半導體領域掀起了一股討論熱潮。不同於通用運算架構,領域專用運算架構強調更高的運算效能與更低的功耗,但不像CPU或GPGPU,可以用來執行各種運算任務。目前市場上有哪種處理器比較接近兩位圖靈獎得主所描述的領域專用運算架構呢?答案是現場可編程閘陣列(FPGA)。
賽靈思(Xilinx)技術長Ivo Bolsens表示,電路微縮所能帶來的運算效能提升、功耗改善,在很多年前就已經趨緩(圖1)。為了滿足人工智慧(AI)等運算任務對效能的高度需求,半導體業界必須設法另闢蹊徑。
圖1 過去40年處理器效能演進
這也是Hennessy與Patterson之所以提出領域專用架構最主要的原因。目前業界最常見的CPU,是典型的通用(General Purpose)處理器,這類處理器在執行帶有各種決策樹的複雜演算法時很有效率,而且有各式各樣的函式庫(Library)支援,但CPU的效能成長空間已經很有限了。
至於向量處理器(Vector Processor),例如DSP與GPU,在執行可以高度平行化的特定運算任務時,有著非常高的效率,且歷經多年發展,現在這類處理器能執行的運算任務,也越來越多元。不過,因為DSP、GPU與CPU一樣,還是採用不具彈性的階層式記憶體架構,也就是大家常聽到的L1、L2甚至L3快取,因此在記憶體延遲、存取效能方面有許多瓶頸。
如FPGA這類可編程邏輯元件(PLD),則可按照使用者需求客製化特定的運算功能,擁有極低的延遲性能,特別適合強調即時性的運算任務,且其資料存取結構也跟傳統的處理器不同。但相對的,如果要修改演算法,在FPGA上往往得花好幾個小時,不像純軟體的CPU、GPU,只要花幾分鐘就能把程式重新編譯(Compile)完成。這也是為何FPGA會被視為領域專用處理器的原因--雖然FPGA一樣可以用來執行各種運算任務,但它的轉換過程遠比純軟體搭配通用處理器來得漫長。
不過,在強調運算能力跟效能/功耗比的今日,領域專用架構處理器還是有很大的發展潛力。賽靈思(Xilinx)技術長辦公室研究員Ralph Wittig認為,人工智慧(AI)等對運算效能需求極高的應用,還是需要使用領域專用架構硬體來運算,才能在運算效能、功耗跟整體成本之間取得最佳平衡。
根據賽靈思的觀點,基於FPGA的領域專用架構有三個元素,分別是適應性硬體、近記憶體運算與可支援多樣化資料傳輸模式的晶片內互連。以賽靈思的Versal適應性運算加速平台(ACAP)為例(圖2),該晶片架構內含多顆AI核心、用來直接存取外部記憶體的DMA,同時每個核心都帶有小容量的記憶體,以及扮演晶片內部互聯骨幹的Network on Chip(NOC)。
圖2 ACAP硬體架構
AI核心本身是軟體可編程的處理器,但藉由NOC,不同核心所配備記憶體是可以直接互聯的。這意味著如果使用者需要,可以把每個核心所帶有的記憶體互聯起來,視為一個容量超大的快取。不像現有CPU或GPU採用階層式的快取記憶體,當核心要存取記憶體內的資料時,視資料存放的位置,可能會遇到得等待數十到數百個循環週期(Cycle Time)才能得到資料的情況。除了存取效率外,傳統基於快取記憶體的架構,還會有不必要的資料複製、浪費記憶體容量的問題(圖3)。
圖3 傳統多核心架構的資料存取
也因為FPGA內部的互聯是非常彈性的,使用者可以依照自己的應用需求,實現各種不同的資料搬移模式,從業界最熟悉的管線式(Pipeline)結構,到一對一/一對多串流式(Stream),甚至廣播式(Broadcast)結構都能支援。這使得FPGA的使用者可以針對特定應用需求,使用效率最好的資料搬移模式來處理大量資料。
根據賽靈思的估計,這種架構讓Versal可以用存取L1快取的延遲,存取到10倍的記憶體容量。這不僅提升了運算效能,同時也降低晶片功耗。存取記憶體是非常耗電的,以典型的45奈米、0.9伏特製程來說,處理器要存取8kByte SRAM,就要消耗10pJ能量;但如果是要存取1MByte SRAM,就要消耗100pJ;但如果處理器核心要存取外部DRAM,就至少要消耗1.3~2.6nJ,能量消耗可達2,000倍。
Wittig總結說,如果設計人員非常在意處理器功耗跟運算效能,應該注意以下三個原則:首先,讓資料保持流動,只有在必要的時候才作暫存;其次,如果要做資料暫存,應該盡可能使用容量最小的記憶體;第三,盡可能把資料存放在晶片內的記憶體,不要放到外部DRAM上。
這也是一種思維的翻轉。在通用運算架構裡,是處理器下指令,把資料搬到核心來處理,但在領域專用架構裡,為了追求更好的運算效能跟降低功耗,是處理單元要盡量貼近資料。
ACAP架構因為具有「適應性硬體」、「近記憶體運算」與可支援「多樣化資料傳輸模式的晶片內互連」這三大特性,目前已經是一個相當理想的適應性資料流處理器。接下來,ACAP架構會朝強化平行運算的方向前進,利用ACAP架構的適應性互聯跟低延遲特性,讓眾多AI核心有更大的發揮空間。
滿足寬能隙元件測試 量測設備首重高電壓/電流
寬能隙功率半導體(SiC,GaN)具備更高的操作溫度、高運行電壓、高運作頻率和低功率損耗。採用寬能隙功率元件,能夠使得導通時及切換時的耗損能量降低,讓整體運作功率大幅下降,同時明顯降低設備的體積、重量及價格。為此,寬能隙解決方案備受電源供應業者青睞,且已逐步進入量產階段,終端產品亦已開始銷售。
然而,寬能隙材料的功率元件,最引人矚目的優勢是建立在高頻與高電壓操作上,在終端產品相繼於市場亮相的同時,也意味著寬能隙元件的測試需求隨之增加,為此,量測儀器業者紛紛推出高效、便利的解決方案,不僅滿足高電壓、高電流測試需求,並進一步縮短產品開發時程。
滿足高電壓/電流測試儀器/探棒雙升級
太克科技(Tektronix)應用工程師陳思豪(圖1)表示,在相關的技術瓶頸逐漸被克服後,寬能隙解決方案相繼出現,像是採用GaN的變壓器、充電器等;相關產品陸續問世,也代表著寬能隙方案的量測需求也跟著增加。
圖1 太克科技應用工程師陳思豪表示,高電壓和高電流為測量寬能隙元件首先碰到的挑戰。
陳思豪指出,寬能隙元件的測量,首先碰到的挑戰便是高電壓和高電流。因為寬能隙材料耐崩潰程度高,而採用寬能隙材料打造而成的產品能承受高電壓、高電流,而為量測這項特性,測試儀器的耐受電壓/電流也須跟著提升,例如以往最高承受度是1,000V,現在可能要到2,000~3,000V。
為此,太克備有Keithley 2657A,該產品專門針對高壓電子、功率半導體元件的特徵分析與測試而設計,例如二極體、FET/IGBT、直流-直流轉換器、電池、太陽能電池、高功率材料、元件、模組等,以及其它一些需要高電壓、快速響應和精確測量電壓和電流的元件和材料等。
至於Keithley 2651A,則是專門因應高電流測試,該產品最高可達2,000W的脈衝功率(±40V、±50A),或最高可達200W的直流功率(例如±10V@±20A、±20V@±10A、±40V@±5A);可輕鬆地連接兩個單元(串列或並列方式)來建立最高可達±100A或±80V的解決方案。
另一方面,要量測寬能隙解決方案,除了儀器須符合高電壓、高電流的規格外,週邊設備如治具、探棒等性能也必須跟著提升。
以探棒為例,太克科技業務經理吳道屏(圖2)說明,寬能隙方案於量測時有許多和以往功率元件不同的地方,例如寬能隙方案的Miller Charge Qg更低,可實現快速切換速度,且所需的寄生電容、電阻和電感大大減少;因此,在量測的時候需要能夠測量極快的dv/dt、di/dt和高頻,並且減少負載、電感和電容。或是需要嚴格調節Vgs和Vth電壓,因此需要能夠準確測量高端和低端電路中所有柵極節點上的Vgs等。
圖2 太克科技業務經理吳道屏指出,不僅量測儀器須符合寬能隙元件的特性,連探棒性能/規格也須跟著提升。
吳道屏指出,這些特性以及量測需求除了使量測儀器的規格、性能改變之外,連帶推動探棒性能也跟著增加,傳統探棒由於不是為了量測寬能隙方案而設計,因此會有共模抑制(CMRR)不高、電容、電感不符,或是以及頻寬不足等問題(過往探棒頻寬多為100~200MHz,而要滿足寬能隙方案測試探棒頻寬最好達800MHz~1GHz)。
基於此一原因,太克也研發因應寬能係元件量測的碳棒「IsoVu」。該產品的特點在於為使用包括GaN和SiC技術的電源裝置設計人員提供更強的共模抑制比,讓使用者首次可查看先前隱藏在共模雜訊中的訊號。另外,該產品可以在高達100MHz的環境中提供100萬:1(120dB)的共模抑制,而在1GHz的環境中提供10000:1(80dB)的CMRR。若使用IsoVu,工程師可以在存在大型共模電壓(範圍為直流至1GHz)的情況下,準確地量測微小的差動訊號(5mV~50V)。
吳道屏表示,簡單來說,IsoVu和其他商用探棒不同,其採用電光感應器將輸入訊號轉換至光學調變,從而將待測裝置與示波器進行電器隔離;且整合了四個獨立的雷射、一個光學感應器、五條光纖和複雜的回饋和控制技術,具有電隔離的IsoVu架構在其頻率範圍可提供>2,000V峰值的共模耐壓。
當然,除了高電壓、高電流之外,寬能係元件還有其他量測重點,像是動態電阻測試。陳思豪說明,高電流、高電壓是屬於I-V特性的靜態量測,然而,要真正看出寬能隙元件的特性,另一個不能缺少的便是動態電阻測試。
陳思豪指出,動態電阻測試的目的在於,當元件瞬間遭遇大電壓時,會出現電流變小的情況,雖說這只是暫時性(約幾秒鐘),卻也會對產品產生影響;動態電阻測遂成為寬能隙元件測試的重要項目之一。
一站式方案+模擬軟體降低測試難度
是德科技(Keysight)行銷處資深專案經理郭丁豪(圖3)表示,傳統IC(邏輯IC)的要求都是低功率,因此在量測的重點多是與省電相關,像是低電流、低功耗等。但寬能隙元件的用途與傳統IC截然不同,多用於高功率的應用,因此其所需的電壓、電流是完全不同等級的,有可能是數百安培、數百/數千伏特,因此量測儀器的規格和效能也須跟著改變。
圖3 是德科技行銷處資深專案經理郭丁豪說明,寬能隙元件多用於高功率應用,因此所需的電壓、電流是和傳統IC截然不同。
是德科技應用工程部專案經理蕭舜謙(圖4)也透露,除了電壓、電流的不同之外,寬能隙元件的另一特點便是高切換速率。當切換速率越來越快,損耗越來越低,同時又要滿足大電壓、大電流,此時就必須添加動態參數量測,也就是所謂的Double Pulse Test(DPT),檢測寬能隙功率元件的切換時間、延遲等。換句話說,針對SiC、GaN這類寬能隙元件進行特性分析的時後,靜態與動態的量測都必須執行。
圖4 是德科技應用工程部專案經理蕭舜謙透露,寬能隙元件的另一特點是高切換速率,因此動態參數也是量測重點。
為此,是德科技備有一站式的量測解決方案「PD1000A」,該方案包含B1505A和B1506A功率元件分析儀可提供必要的靜態量測;而關鍵的動態參數,則是可透過「PD1500A」動態功率元件分析儀進行量測。
該產品具備雙脈衝測試功能,提供可靠、可重複的寬能隙半導體量測方式,能縮短設計時間並且減少所需的原型數量,進而降低成本並加快上市速度;並確保測試環境安全,記錄、支援並維護現成的測試解決方案,且可在一個或多個站點上維護多個測試解決方案。同時,針對著重耐用性的量測,該產品還可迅速因應其可靠性考量(例如短路和崩瀉),簡化測試程序並加以自動化。
蕭舜謙指出,由於高功率元件、產品或應用(如電廠、汽車),都牽涉到高電壓、高電流,一旦出現問題,都容易對人身安全造成相當大的危害,因此在設計的過程中一定是要經過反覆的驗證。寬能隙功率元件設計的過程中,除了須有相對應的硬體設備進行量測外,模擬軟體也扮演相當重要的角色。
蕭舜謙進一步說明,過往的設計流程通常是先做出一個「理想模型」,接著再進行電路模擬、量測,發現不符合的地方再逐一修改,最後可能要經過好幾個版本的調整後才能夠製作出完善的產品,而這樣的方式相當耗費時間和成本。因此,透過模擬軟體可改善此一困境,實現有效的優化電路設計,且節省開發時間及成本。
為此,是德科技也備有積體電路特性化及分析程式(IC-CAP)元件建模軟體。該軟體能夠萃取用於高速/數位、類比和功率射頻電路設計應用的精確且簡易的模型,對矽晶CMOS、Bipolar、化合物砷化鎵(GaAs)、GaN和許多其他元件技術進行建模。
IC-CAP優勢還包括:開放軟體架構確保最佳的準確度,並提供最大靈活性,能建立和自動執行量測、萃取和驗證程序;適用於BSIM3/BSIM4、PSP和HiSIM等產業標準CMOS模型的統包式萃取解決方案,可顯著縮短學習過程,提高模型準確度;還可直接連接商業模擬器,確保萃取的模型與電路設計工程師所使用的模擬器之間的一致性。
郭丁豪指出,簡而言之,寬能隙元件和以往邏輯IC量測重點可說是大不相同,而該公司推出一站式(Turnkey)解決方案(PD1000A),再加上模擬軟體,除了滿足目前市場的量測需求外,最主要的目的是縮短元件商/OEM業者的產品測試時程、減少複雜度,進一步加快產品上市時程。
滿足高電壓/電流後 可靠度是下個測試挑戰
羅德史瓦茲(R&S)Regional Engineering Support & Training Manager Nick Tang(圖5)則說明,基本上,寬能隙方案的量測,主要是需要滿足高頻量測和高電壓容差兩個要求,特別是高度的共模要求。然而對於生產而言,其要求是如何複製和減少這些寬能隙產品上的一些典型測試項目,而最急迫的考量仍然是產量比率,而現階段的重點在於量測方法,以確保更高的產量。
圖5 羅德史瓦茲Nick Tang指出,要量測寬能隙元件,就示波器而言,關鍵仍在於要承受高電壓和快速切換的探測需求。
至於在量測儀器方面,就示波器而言,關鍵仍在於要承受高電壓和快速切換的探測需求。這些通常需要更高的電氣類別等級,也就是需要更好的絕緣性能以保護使用者和設備。通常在這樣的等級下,頻寬效能是有限的。透過更好的導通電阻,將這些元件特性化的典型量測也需要更好的靈敏度。另一個關鍵問題是電磁干擾(EMI)雜訊,快速的邊緣速率和高電壓轉換將會更高並且可以耦合到量測設備中。
至於軟體要求方面,目前仍處於起步階段。當生產增加時,自動化測試系統的開發需求將隨之增加,因此也需要針對這些設備開發測試案例。另一項重大發展則是電源控制器,其運作頻率也將會提升。然而,這些方法長期以來一直運用在高速IC中,關鍵領域是開關控制、功率因數校正,以及有些可能需要在硬體拓撲(Hardware Topology)和軟體中進行的熱能控制。
另一方面,陳思豪表示,要成功將寬能隙元件商業化,除了電壓、電流和動態電阻等要素外,可靠度也是其中一項測試關鍵。目前雖說有JEDEC規範,但每家廠商對於產品的要求都不同,因此也會衍生每間公司對於產品有著不同的驗證手法和需求。所以,寬能隙方案目前在可靠度測試方面,都是曠日廢時,需要花上一段時間。為改善此一情形,目前已有學界單位研發出Step Stress的量測方式,並已獲得電源供應元件業者採用。
Nick Tang則說,從過往經驗來看,標準規範並沒有定義功率規格。絕大多數的測試案例是根據不同供應商的要求所開發出來的。這點仍然是業界常態,不同的產品主要在於適用不同的應用環境。因此,標準化的測試案例不太可能獲得廣泛採用。以JEDEC來說,因為沒有商標或標準測試機構來驗證產品,其規範可作為基本需求的參考。大多數的供應商仍會採用這些新技術並修改他們目前的測試方法,但不太可能對該解決方案進行大幅度修改。
專訪蔡司半導體製造技術業務發展總監Thomas Gregorich 全新3D X-ray方案簡化封裝量測
蔡司半導體製造技術(SMT)業務發展總監Thomas Gregorich則指出,半導體封裝技術正出現明顯的改變。過去50年來,晶圓廠已將最小的電路板尺寸從微米縮小至奈米,這個轉變部分是透過精密的檢驗與量測系統所達成。不過,現今的技術幾乎已達Dennard微縮定律與摩爾定律的極限,使得產品效能提升的關鍵從晶片轉至IC封裝。
Gregorich進一步解釋,而封裝技術的改變,也連帶影響了封裝量測技術。舉例來說,未來的記憶體與「小晶片(Chiplet)」技術預計將使封裝互連間距降至20微米或更小,使得互連密度達到每平方公厘2,500~10,000 I/O。這類封裝會需要後段製程(BEOL)般的互連密度與晶圓廠級的組裝良率。但是,近50年來IC封裝產業高度倚賴物理橫切面來檢視、量測並定義深埋在內的結構,此方式對這些先進封裝來說並不足夠,因此需要新的檢驗與量測的技術。
為此,蔡司推出全新3D非破壞性的成像解決方案620 Versa RepScan,該產品內含經驗證過的Versa 3D XRM功能,能用次微米解析度以非破壞性方法成像並量測深埋在結構內的晶片,並運用重建的3D資料集擷取出關鍵的3D資訊。
除了能執行各種線性及體積量測之外,該產品亦能對矽穿孔與微凸塊、銲料體積與形狀、接合線厚度、晶粒翹曲、3D空隙分析與其他的量測進行各方面的分析,且僅需準備最少的樣本。半自動化的工作流程提供可重複的量測,確保不會因橫切面誤差導致成像遺失,並將手動操作導致的量測變異性降至最低。
蔡司半導體製造技術業務發展總監Thomas Gregorich指表示,封裝技術的改變,連帶使封裝量測技術增添許多挑戰。
專訪賀利氏電子業務領域總裁Frank Stietz 5G時代EMI遮蔽解決方案登場
賀利氏電子業務領域總裁Frank Stietz指出,基於高頻寬及輕薄短小的需求,防止電磁干擾技術已成為5G發展的關鍵。賀利氏的全套解決方案,包含特製的銀油墨、3D數位列印設備和專用於特製的銀油墨的固化設備。與傳統的金屬背蓋或現有的濺鍍設備相比,賀利氏使用列印技術,除了可以達到每一面厚度相同且均勻之外,並能設定區域局部進行列印,不會有任何材料被浪費。同時此技術使用的設備僅需2.5m×1.5m的占地,大幅節省工廠空間。這項新技術能節省物料成本提高材料使用率,若依年度產能估計,此解決方案的設備投資僅約PVD濺鍍製程設備投資的15分之1,然而產能卻可以提升5倍。
Stietz進一步說明,過去將金屬背蓋直接做在PCB板上的做法已經不可能用於5G產品,因為體積和重量都會超出可以接受的範圍。而PVD濺鍍又過於浪費材料,物料使用效率低,且需要無塵室相關設備,投資成本高昂。另外,噴墨(Ink Spray)技術同樣面臨物料使用率不足的問題,而且在側面達到與上層相同均勻與厚度將是一大挑戰。若使用列印技術則不會面臨上述問題,可以達到-60dB的遮蔽效果,每面的厚薄與均勻一致,且能實現零物料浪費的目標。
Stietz表示,賀利氏的防電磁干擾全套解決方案目前已與客戶合作,在亞洲地區小量生產(Ramp-up),並計畫於2019 Q4設製原型(Prototype)產線。最重要的,上市時程是與5G發展同步的。5G預定商轉時成為2020年,賀利氏的防電磁干擾解決方案為5G而存在,因此也計畫和5G一同登場。
賀利氏電子業務領域總裁Frank Stietz表示,賀利氏的印刷技術讓EMI遮蔽以更小的尺寸達到更好的效果。
專訪K&S資深副總裁張贊彬 小間距封裝設備搞定先進製程
K&S為半導體封裝和電子裝配解決方案廠商,為市場提供包括線焊、先進封裝、光刻、電子裝配等解決方案。該公司參與2019年Semicon Taiwan,展出為工業4.0時代開發的GEN-S系列球焊機RAPID MEM自動焊線機。K&S資深副總裁張贊彬指出,該焊線機亦符合RoHS標準,其即時監控與診斷的製程能力在封裝過程中兼顧高品質和高效率,確保半導體元件的性能與可靠性。
AI、5G、物聯網(IoT)、自駕車等熱門議題將持續推動半導體產品的效能需求,K&S的一系列封裝解決方案將提供不同製程的封裝應用,張贊彬解釋,APAMA貼裝機提供更高精度、更小間距的高產能解決方案,尤其是未來幾年半導體業主要發展的3D IC與異質整合製程。適合使用在全自動的晶片-基板(C2S)和晶片-晶圓(C2W)熱壓焊接,高密度扇出晶圓級封裝(HD FOWLP)以及高精度倒裝(HA FC)等技術。
該款雙頭熱壓黏晶機,目標在帶來高產能的生產製程需求在晶片黏著和在中介層(Interposer)上進行晶片堆疊。C2S適用於記憶體晶片堆疊在基板上的應用,例如混合記憶體立方(HMC);而C2W則適用於記憶體晶片堆疊中介層上的應用,例如高頻寬記憶體(HBM)。K&S憑藉APAMA晶片對基板設備平台的設計,進一步涵蓋了能與回流焊聯合使用的新型高精度覆晶封裝(HAFC)貼片功能。
除此之外,K&S還展示其工業4.0互連軟體解決方案KNet PLUS和Auto OLP 2019(Auto Offline Programming)。透過對機台性能的管理,有效提高封裝品質和產能。
K&S資深副總裁張贊彬指出,APAMA貼裝機提供更高精度、更小間距的高產能解決方案,尤其符合3D IC與異質整合製程趨勢。
效率提升帶動新架構搶灘 48V系統翻轉車用電源設計
車輛發展超過百年,近來正逐漸由機械為主的架構轉向電氣化架構,1918年汽車首次導入蓄電池,隨著起動機的誕生,1920年蓄電池獲得了廣泛應用,當時蓄電池的電壓等級是6V,並且正極接地。由於內燃機排氣量持續增加以及高壓縮比內燃機的出現,1950年電壓等級開始向12V進化,直到現在,12V電壓系統已經使用超過60年。
1988年,美國SAE(Society of Automotive Engineers)曾提議把標準電壓提高至42V,由於當時的技術水平,以及電氣零組件替換的高昂費用,此方向未獲得車商廣泛支持。2011年,Audi、BMW、Daimler、Porsche、Volkswagen等歐系車廠聯合推出48V系統,以滿足日益成長的車載電子負載需求,更重要的是為了滿足2020年嚴格的排放法規,並在隨後發布了48V系統規範LV148。
48V系統可以應用在所有包括內燃機(Internal Combustion Engine, ICE)車、油電混合車與電動車,因為車輛電控系統越來越多,電源管理的需求提升,以基本電學公式來看,在功率不變的狀況下,電壓提升為12V的四倍,電流就會降低為1/4,電流變小整個傳輸電路安全性也因此提高,而損耗降低,傳輸產生的廢熱也變小。藉由將車電系統的電壓提高,汽車製造商得以在電力系統足以負擔的情況下將許多傳統的機械、液壓系統轉換為電子式的系統,藉此減少引擎負擔、改善排放。另一方面,48V車電系統也能夠驅動過去12V車電系統無法支援的大功率電動馬達,打造微型油電形式的混合動力系統。
48V車用電源效率大幅提高
48V相對於12V,優勢除了更大的電壓能實現更多功能之外,成本僅是高壓混合動力系統的1/3,能夠利用電氣化降低排放,卻能達到其2/3的節能效果,使整車燃油經濟性提高10%~18%。省油效果相對明顯,對現有整車結構改變不大,不會大幅度更改車輛設計或者增加重量,是一種車廠最容易上手、用戶接受度最高的混合動力方案。
整體而言,現今汽車供電有多項趨勢,Vicor應用工程師張仁程(圖1)指出,高輸入範圍與電壓、高輸出功率、高效率、高能量密度(High Power Density)、小體積、低能量/重量比(Power to Weight)、散熱效率(Thermal Dissipation)、遠端管理(Telemetry)、低雜訊等都是發展重點。以750W的供電實例而言,12V系統電流達63A,傳輸使用2AWG電源線,每公尺重量約273公克,3公尺線路損耗約13.6W;而48V系統電流降到16A,使用12AWG電源線,每公尺線路重量僅27公克,3公尺線路損耗8.6W,重量剩下1/10,損耗降低37%。
圖1 Vicor應用工程師張仁程
車輛電源48V系統的技術重點在提升電壓轉換效率。
雖然48V系統在傳輸與應用上有諸多優勢,但在技術上卻帶來許多設計挑戰,張仁程表示,過去12V要轉換到更小的系統應用,通常是降到5V,但是48V降壓到5V,降壓的幅度更大,就降壓效率來看損失必定更大,也就需要透過架構的調整盡量縮小轉換損失(Switching Loss),因此這些技術就成為接下來新興電源設計的發展重點。
新興ZVS與SAC架構設計將成明日之星
電源轉換效率其實是錙銖必較的領域,對於數位技術來說,每個不同的產品世代效能提升兩倍是家常便飯,但是在類比電源世界,1%的電源轉換效能提升就是一個新世代產品了。目前一般的電壓轉換IC效率大概97%~98%,努力的目標是提升轉換效率到99%,甚至零耗損轉換,升壓轉換又比降壓轉換困難,要做到雙向升降壓都具備高效率更是一大挑戰。
零電壓切換(Zero-Voltage Switching, ZVS)是一種將電流引導到開關中以在開關打開之前均衡任一側電壓的技術,張仁程進一步說明,這有助於減少切換損耗,使切換頻率提高四倍或更多,並縮小元件尺寸,減少大幅壓降的耗損。ZVS利用箝位開關和電路諧振,通過柔性切換有效地操作高端和同步MOSFET,避免了其在常規PWM操作和定時期間產生的損耗。
另一種正弦振幅轉換器拓撲(Sine Amplitude Converter, SAC)是一個處於BCM模組核心位置的動態、高效能引擎。基於變壓器的串聯諧振拓撲結構,在等於初級側儲能電路諧振頻率的固定頻率下工作。初級側的開關FET鎖定為初級的自然諧振頻率,在零交叉點開關,可消除開關中的功耗,提高效率,顯著減少高階雜訊諧波的產生。初級諧振迴路是純正弦曲線,可減少諧波內容,提供更乾淨的輸出雜訊頻譜。由於SAC的高工作頻率,可使用較小的變壓器來提高功率密度和效率。
採用SAC的架構因為雜訊少,張仁程提到,該架構也具有容易濾波、減少EMI、容許使用最高規格的零件、沒有開關損耗、低峰值/平均電流或電壓比例、可以進行雙向傳輸、快速瞬變響應、純電阻及低阻抗輸出、沒有能量儲存等優點。
電源晶片與處理器整合設計為趨勢
另外在電路模組的設計上,就算電源管理晶片本身的效率極佳,在系統設計上也可能因為線路的耗損導致效率降低,這俗稱為「最後一吋(Last Inch)」問題,為了解決類似問題,張仁程解釋,整合電源管理晶片的Power on Package設計越來越受重視,可以縮減90%的pin腳,不過這類設計需要與晶片電路設計整合,加上半導體封裝廠商的專業協助,同時考量電源晶片與處理器晶片互相干擾的問題,預計還要二~三年發展時間。
已經被提出的Power on Package架構有橫向(Lateral Power...
邁向工業4.0 協作機器人安全再提升
安全第一 專利安全功能掛保證
Universal Robots大中華區總經理蘇璧凱(圖1)表示,Universal Robots為協作型機器人申請了17項專利保護的安全功能,是市場上最多安全專利功能的協作型機器人,也可以說Universal Robots協作型機器人是市面上最安全的機器人。另外,針對工業用機器人可能會加裝的安全皮膚等安全裝置,蘇璧凱說明,Universal Robots協作型機器人已經內建了安全機制,所以並不須要再支出額外費用特別安裝。
圖1 Universal Robots大中華區總經理蘇璧凱表示,人機協作機器人的需求十分可觀,目前逐漸導入中小型企業。
蘇璧凱也指出,台灣名列全球前十大自動化國家,尤其在汽車零組件、LCD製造、半導體、金屬加工與塑膠射出等製造業的自動化發展動能強勁;此外,近年來如手搖飲料店等民生消費產業也能看見協作型自動化解決方案的蹤跡,而設定快速、安裝位置靈活且能在較小空間中作業的Universal Robots協作型機器人,獨具各關節正負360度旋轉能力,並在經安全評估後可免安全護欄,近距離與人協作等特性,為企業主的生產應用增添更多彈性,協助企業快速適應自動化生產流程,進而加速成本回收。
蘇璧凱進一步說明,儘管目前景氣的大環境並不友善,但是Universal Robots在協作型機器人的業務還是有成長,可見市場對於協作型機器人的需求量是很可觀的。過去Universal Robots在台灣的業務著重在工具機、3C產業等,現在也導入中小型企業。Universal Robots志在藉由協作型機器人和無人搬運車的合作,將人力從單調無聊、危險、無產能的工作崗位上解放,讓人力資源去經營更有價值的工作。
根據Interact Analysis預估,協作型機器人市場規模至2027年將成長逾10倍,達到75億美元。為協助各領域企業加速導入協作型自動化解決方案,Universal Robots藉由建立全球第一個由第三方末端夾治具(即機器手臂終端工具或EOAT解決方案)與其他協作型機器人配件製造商組成的生態系統UR+,為各領域與不同規模的企業創造附加價值。
現在多樣化的生產需求讓產業自動化應用情景越趨豐富,不僅促使工業機器人市場穩健成長,具備編程簡易、設置快速、部署靈活、投資回報期短、協同作業及安全無虞等六大優勢的協作型機器人,更成為許多企業評估自動化解決方案時的選向之一。
強化機器人安全性 提升工廠空間應用
除了申請專利的內建式安全功能之外,為機器加裝安全功能也是另外一種選項。過去工業機器人的危險性高,考量安全因素,多用圍籬與人員隔離,避免傷及工廠人員。而過去的協作型機器人在速度與精度又不及工業型機器人,使得工廠應用工業機器人時總是必須犧牲空間以確保安全性。但隨著自動化與科技演進,機器人安全機制的發展使得工廠機器人應用率提升,也釋放許多過去不能利用的空間。
佳世達智慧能源事業處處長黃氣寶(圖2)表示,由於安全性的提升與各種因素,機器人在台灣工業製造應用率有顯著的提升。明基/佳世達的目標就是工廠機器人的應用要超過本來的50%,希望有一半的人力可以用機器人取代,只留下一半的人力搭配機器人。
圖2 佳世達智慧能源事業處處長黃氣寶(圖左)表示,少樣多量需求趨勢推動,人機協作的彈性產線很適合現在的工廠環境,讓機器人部分取代人力。
黃氣寶指出,以目前台灣的電子業、組裝產業和傳統製造業的狀況來說,並不適合盲目地追求關燈工廠。由於現在產品少樣多量的需求趨勢推動,更適合推廣人機協作的彈性產線,保留部分人力從事特定機器人難以取代的工作,剩下的事就交由機器人完成。
外加式安全皮膚 工業機器人不危險
不過在人機協作的過程中,安全性可說是至關重要。因此明基/佳世達與策略夥伴ABB備有機器人安全協作方案,又稱安全皮膚,安裝在工業機器人上,人員靠近到一定範圍時機器人便會開始減速,當觸碰到人員時,機器人動作便會停止。安全皮膚藉由壓力感測技術,當感測到1公斤的碰觸力道時便會即刻停止機器人動作,承受1公斤的力道人體雖然還是會有感覺,但是不會致傷。另外,安全皮膚利用設置在機器人周圍的地墊感測附近人員的距離,以判斷是否須要減速。
黃氣寶說明,台灣地狹人稠,實際上可用的工業用地其實非常少,但是由於過去工業機器人的危險性很高,必須要用圍籬將工業機器人與工廠人員隔開,而被圍起來的空間就不能夠利用,使原本就不多的空間更加壓縮。透過安全皮膚,就可以提升工廠廠房空間利用率,釋出過去被圍籬圍起來的工廠空間。工廠坪效的利用率就會大幅提升,透過這樣的機制,可以在一樣的空間內設置更多設備,而不須要增添新的廠房,回收過去不得不浪費掉的空間。
另外,黃氣寶也提到,傳統機器人是在固定位置進行固定工作,而現在發展的方向就是要提升機器人的機動性與靈活性。例如機械手臂搭配AGV,可以當作移動式工站機器人,可以做不只一個工站的工作,更能夠解決人力不足的問題,和提升產線資源調配的靈活性。AGV取代無效率搬運人力,提高物料到現線的準時性,減少線邊倉提高生產線坪效使用,目前包括大型汽車物料倉庫與台灣半導體大廠,均有採用明基/佳世達AGV解決方案;而自主移動式機器人(AMR)結合機器人和AGV,採用最新SLAM的AGV搭配6軸工業機器人,使用於移動式工站使用,可以大幅節省人力與空間。
少樣多量需求驅動 機器人更智慧/靈活/模組化
為協助製造自動化,提升人機協作的安全性刻不容緩,同時,提升機器人的靈活性也是不容忽視的。
台灣人口負成長的壓力增加,加上產業對少量多樣製造的需求,驅動著製造自動化,也因此對工業機器人要求更加智慧化、靈活化與模組化。因應製造自動化需求的提升,庫卡(KUKA)備有多樣自動化智慧技術,為未來工業製造奠定轉型基礎。
KUKA亞太區銷售總監梁信裕(圖3)表示,台灣在全球製造業中扮演關鍵角色,KUKA在物聯網和工業4.0方面,打造出整合網路、雲端以及行動工作平台三大面向的技術整合優勢。KUKA提供了從輕型到高階的機械自動化設計解決方案,打造人機協同的作業環境,有效提升製造精準度與效率。
圖3 KUKA亞太區銷售總監梁信裕表示,庫卡提供從單機到系統,從獨立作業到協同整合的多樣解決方案。
台灣製造業中橫跨大型企業與中小型企業多樣化的市場型態,KUKA提供了一致性符合國際標準卻靈活多樣的組合方案,可以與企業與時俱進的步伐下,提供不同階段的智動化作業需求。
KUKA多年來一直致力於「人與機器人之間的協作」和移動性智慧機器人未來領域的開發。而KMR iiwa正是KUKA實現「機器人同事」的目標,智慧移動式單元能夠自主動作。移動平台上的機器人能夠自主運動,以高達毫米的精確度進行對準,找到目標。
針對台灣大型精密製造,像是晶圓無塵室此類的環境,KUKA推出結合自主移動式無人搬運車KMP與LBR iiwa輕型協作機器人,合稱KMR iiwa;它具有可以提供地點應用方面的極高彈性,以及適合舊工廠的布局改造,並提供了客製化組合、高度靈敏、獨立自主、智慧靈活、執行精確五大特色,協助台灣的製造業者順利邁向工業4.0。
梁信裕指出,KUKA在台灣除了經營電子產業之外,與傳統產業如汽車零組件、飲料食品產業、紡織製造業等也都有合作。台灣傳統產業在導入工業4.0的意願其實是很高的,但由於數位化轉型需要大量的數據傳輸,在這方面的轉型將會是比較大的挑戰。另外,台灣中小型製造業,在面臨人口老化以及少子化的社會現象中,找尋保有企業原有的活力快速回應市場,成為中小企業主的重大議題。
為解決上述問題,KUKA針對消費產品所設計的Conveyor Tech軟硬體整合解決方案,將可在合理的成本投資下,加速中小企業出貨或是流程再改造等企業競爭力,透過KUKA Conveyor Tech搭配Vision Solution,客戶可以較有彈性的使用機器人追蹤並取放產品,同時可使用Vision Solution同步評估與確認產品特性,以達到更彈性、更有效率的取放應用需求。