技術頻道

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)

近年來，異構運算(Heterogeneous Computing)逐漸興起，進而拓展了後摩爾定律時代在加速運算密集型工作負載方面的創新。當前資料中心產業中，普遍採用異構運算進行加速的工作負載種類繁多，包括人工智慧、即時視訊轉碼和基因組分析，而這些僅僅是其中的一部分。FPGA元件則為現代資料中心工作負載提供了靈活應變能力和運算加速能力。 然而，在很長的一段時間內，DDR記憶體架構的演進並不足以跟上運算加速領域的創新步伐。在過去十年中，雖然平行記憶體介面的頻寬性能得到改善，但進展依然緩慢；現在的FPGA支援的最大DDR4資料速率仍然只有2008年DDR3的兩倍左右。相比之下，自2008年以來，FPGA的運算能力卻提高了近八倍，而且隨著配備AI運算單元的元件推出，預計未來兩年內還會有更大的成長空間(圖1)。因此，在資料中心領域，記憶體頻寬與容量將成為眾多運算和記憶體頻寬密集型工作負載發展的主要限制因素。 圖1　FPGA運算性能成長與DDR頻寬提升比較   HBM2提升AI運算效能 HBM(High Bandwidth Memory)是一種高速的系統級封裝(SiP)記憶體技術，它使用垂直互聯的DRAM晶片堆疊和一個寬(1024位元)介面，與採用傳統打線接合封裝的記憶體產品相比，可實現更大的儲存容量和更高的資料頻寬。聯合電子裝置工程委員會(Joint Electron Device Engineering Council, JEDEC)在2013年開始啟用初代HBM標準，2016年1月，第二代HBM2版本成為業界標準(圖2)。 圖2　HBM和2.5D結構 HBM2標準支援4個或8個8Gb DRAM裸晶逐個堆疊在一起，由一個2.5D矽中介層(Interposer)提供支援，該中介層可將記憶體堆疊與底層電路板連接起來。堆疊一些裸晶(通常是記憶體)而不是其他裸晶(通常是處理器)的多晶片封裝被稱為2.5D元件。 可以將多個堆疊整合在同一個封裝中。與傳統的多晶片DRAM產品相比，透過在一個電路板上堆疊多個裸晶並將其堆疊得更緊密，可以大大減少HBM記憶體封裝的占板面積。由於縮短了訊號在設備之間的傳輸距離，HBM技術還可以提高系統性能。此外，較短的傳輸距離可以減少傳輸定量資料所需的能量(圖3)。 圖3　HBM裸晶堆疊技術 HBM具備先進的矽穿孔(Through Silicon Via, TSV)技術、微尺度互聯和突破極限的I/O數量，可以增加記憶體頻寬，與競爭對手相比，在用於繪圖卡的圖形雙數據速率(GDDR)記憶體方面，HBM無疑能提供更高性能。在元件級別，單個三星HBM堆疊可以提供高達307GB/s的資料頻寬，實現比GDDR5晶片快近10倍的資料傳輸速度。而在系統級別，與使用於GDDR的解決方案相比，HBM則能提供近3倍的輸送量，並且能將功耗降低80%，同時還可以節省寶貴的電路空間(圖4)。 圖4　HBM與GDDR頻寬比較 支援HBM的Virtex UltraScale+ FPGA提高了記憶體頻寬，例如，兩個三星HBM2記憶體堆疊可提供高達460GB/s的速度。將一個或兩個HBM2堆疊與各種尺寸的FPGA邏輯和DSP進行配對，為使用者應用選擇較佳的運算能力與記憶體頻寬/容量組合。如賽靈思(Xilinx) Alveo U280網路加速卡基於16nm UltraScale+架構，採用8GB三星HBM2，可為資料庫搜索與分析、機器學習推論及其他記憶體限制應用提供較高等級的加速功能。本文以深度神經網路與資料庫加速方面的研究為例，展示了支援HBM的元件優勢。 加速語言翻譯準確性 各種雲端應用正在提供自動即時語言翻譯服務，這種服務可以使用基於神經網路的機器學習方法在兩種語言之間翻譯語句。編碼器－解碼器架構推動了當今的商業自動化翻譯服務。在使用機器執行翻譯任務時，兩種語言的單詞經由一個稱為單詞嵌入的過程，以高維向量的形式呈現；因此，單詞之間的關係可以通過向量進行量化建模和反映。遞迴神經網路(Recurrent Neural Networks, RNN)、卷積神經網路(Convolution Neural Network, CNN)和基於注意力的模型等結構通常用於執行編碼和解碼功能。 近期研究表明，在語言翻譯中，只有採用基於注意力的網路才能達到業界一流的準確性。研究論文中所描述的注意力機制，即縮放點積注意力，是由兩個矩陣乘法和其他函數(Scale、Mask和Softmax)構成的。多頭注意力結構通常由多個並行的縮放點積注意力與不同的輸入投影構成。該結構與前饋網路共同用於構建整個語言翻譯模型的解碼器和編碼器(圖5)。 圖5　基於注意力的神經網路語言翻譯模型 如圖5所示，基於注意力的語言翻譯模型的主要運算強度來自於對縮放點積注意力和前饋網路的點積計算。這些點積通常被組合到矩陣乘法計算，以實現更高效的運算。然而，與傳統在整個空間中大量重複使用權重參數以減少資料移動痕跡的卷積神經網路不同，這種基於注意力的模型幾乎不重複使用輸入空間參數，導致對矩陣乘法計算的記憶體頻寬要求要高得多。 透過建立一個轉換器分析模型，其是用於語言翻譯的注意力神經網路，並且已經完成了構建與映射以便在UltraScale+元件上實現。FPGA實現方案的架構採用DSP脈動陣列來執行矩陣乘法。中間的啟動資料儲存在晶片的URAM中，可以消除啟動造成處理器和晶片外記憶體之間的資料移動。HBM或DDR用於儲存所有嵌入字典的單詞嵌入與權重參數。 針對具有不同句子長度(L)和句子數量的英德翻譯任務，也稱為批次處理大小(B)，對其進行分析就可以瞭解附加DDR的元件和支援HBM的元件的時間延遲(Time...

對於在自動駕駛和輔助駕駛等應用中為車輛提供眼睛的光學雷達系統而言，其需要短至數奈秒、甚至更窄的脈衝寬度來實現必要的距離解析度，而這類脈衝通常使用雷射二極體來產生。為了獲得足夠的距離測量範圍，峰值光功率必須要夠高。這意謂著雷射二極體的峰值電流將達到數十安培甚至數百安培。目前要產生這個數量等級的電流，通常需要使用複雜的電路及昂貴的特殊半導體元件。 圖1　典型的光學雷達系統概述   脈衝寬度/能量大幅影響距離解析度及量測範圍 ToF光學雷達通常使用近紅外(NIR)雷射二極體，即側面發射外延雷射器或垂直腔面發射雷射器(VCSEL)來實現。雷射二極體在電氣上的表現與整流器類似，當正向偏置高於某個下限電流時，它會發射出光功率與正向電流成比例的雷射輻射線。因此，如果採用脈衝電流驅動，則可以獲得雷射脈衝。雷射脈衝主要有脈衝寬度和脈衝能量等兩個關鍵選項，其分別對距離解析度和距離量程範圍造成顯著的差異。傳輸中光訊號的脈寬對光學雷達系統的距離分辨率有很大的影響(圖2)，如同圖2的上圖描述從光學雷達發出的窄脈衝光訊號的情況，其中光脈衝必須傳播距離d後，才能到達目標，並被反射向後傳播至光學雷達，側脈衝發送和接收之間的時間td為td=2d/c，其中c是光在空氣中的速度，約30cm/ns。通過傳播時間td，便可以確定目標距離。圖2的下圖描述當發送更大脈寬(足夠大)的脈衝光訊號時，反射的脈衝開始重疊，此時很難區分環境中的特徵。 圖2　脈寬對光學雷達距離解析度的影響(上圖：窄脈衝使反射易於區分。下圖：寬脈衝在反射中可能會重疊，難以區分並降低距離解析度) 假設以脈寬1奈秒的脈衝電流驅動雷射二極體，此時對應脈寬30cm的光脈衝。當目標特徵接近15cm或更小脈寬時，此時接收到的脈衝訊號開始重疊，並變得難以區分。儘管各種訊號處理技術可以提高給定的脈寬的分辨率，但窄脈衝可以提供更好的固有精度，並且在實際上，人類尺度的分辨率大約要求訊號的脈寬為數奈秒或更短。 脈衝能量是確定光學雷達系統測量距離範圍的主要因素之一。對更高解析度的需求使設計朝著更窄脈衝方向發展。此時，必須增大二極體的電流，才能保持足夠的脈衝能量。典型的脈衝電流幅值在數安培到數百安培。多款雷射二極體的額定脈衝電流在數十安培的範圍內，可以在窄脈寬、大電流下運作這些雷射二極體，並獲得較高的峰值光功率。總而言之，光學雷達系統應用對雷射二極體的典型要求導致現有商用雷射二極體的峰值脈衝電流範圍從幾安培到數百安培皆有，且脈寬為1奈秒至10奈秒。 GaN挾高性能/低寄生電感雙優勢成就雷達驅動器 用於光學雷達系統的典型脈衝雷射驅動器通常使用與雷射器和電源串聯的半導體功率開關元件，其性能受寄生電感和半導體功率元件的速度所限制。在過去的十年中，極具成本效益的GaN功率FET和IC已商業化，其寄生電感明顯降低、且開關品質因數(FOM)優於等效Si MOSFET元件10倍以上。 隨著eGaN FET和IC的問世，進而能夠以簡單、小巧的電路、低成本地實現所需性能。若在給定的峰值電流能力下互相比較，eGaN FET的性能大大優於傳統Si MOSFET元件，可實現更快的開關速度，GaN技術則能夠支援短距離和遠距離光學雷達感測器的設計(圖3)。對於遠距離系統而言，GaN元件可在數奈秒內提供高達500A的大電流脈衝；GaN元件還可以為電流要求較低但仍需要窄脈衝(小於1奈秒)的短距離系統提供解決方案。GaN元件的高性能及其晶片級封裝的低寄生電感使eGaN FET成為脈衝雷射驅動器較理想的功率開關元件。 圖3　GaN元件可支援短距離和遠距離光學雷達系統 最簡單也最常見的雷射驅動器方案是共振電容放電驅動器。如圖4所示，FET Q1透過寄生電感L1和雷射器DL使電容C1共振放電。為了消除寄生電感L1帶來的影響並實現所需要的快速電流上升時間，C1需充電至相對較高的電壓(通常為25~150V)，FET Q1必須能夠承受這個電壓和傳導峰值電流並在1奈秒或更短的時間內導通。eGaN FET是目前唯一可以滿足這些要求的現有低成本半導體功率開關元件。 圖4　簡化後的雷射驅動器及其關鍵波形 遠距光學雷達以大電流驅動 EPC9126和EPC9126HC是針對遠距離直接飛行時間(DToF)應用的大電流雷射二極體驅動器的演示系統，它在設計中採用宜普電源(EPC)所推薦的基本最佳布局原理來最小化寄生電感。EPC9126內建通過汽車及認證的eGaN FET EPC2212，該元件可輸出高達75A且脈寬小於2奈秒的電流脈衝到雷射器中。更大電流版本的EPC9126HC則最大可以產生150A的電流脈衝、且脈寬小於3奈秒。 兩款驅動器中都內建針對關鍵波形的感測功能，並且可以相容多種雷射器封裝形式。為了獲得最佳的性能，可以針對特定雷射器優化PCB，例如採用低電感表面貼裝脈衝雷射器OSRAM SPL S1L90A_3 A01，並與德州儀器(TI)高性能閘極驅動器LMG1020配對使用。圖5的EPC9126HC演示系統在應用中產生脈寬2.51奈秒、135A的電流脈衝時所測得的波形。 圖5　EPC9126HC性能測試波形 短距光學雷達優化間接飛行時間 EPC9144雷射驅動器演示系統針對間接飛行時間(IToF)應用進行優化，能夠產生總脈寬窄至1.2奈秒、電流高達28A的脈衝來驅動雷射二極體。EPC9144內建已經接地並通過汽車級認證的eGaN FET EPC2216，同時採用TI的閘極驅動器LMG1020來驅動。PCB設計中最大程度地降低了電源環路電感，同時保持雷射二極體或其他負載的安裝靈活性，板上還包括多個用於電壓測試的被動探頭，並配備用於輸入和檢測的MMCX連接。 此外，該電路板還設置一個能夠進行亞奈秒級運作的窄脈衝發生器，用戶可以透過移除電阻直接為閘極驅動器供電。電路板出廠時設定的工作邏輯電平為3.3V，同時也配置電平邏輯轉換器和差分接收器以適應1.8V邏輯電平或低壓差分訊號(LVDS)等不同應用情景。圖6為EPC9144演示系統以及其在應用中產生脈寬1.2奈秒、8.3A的電流脈衝時所測得的性能曲線。 圖6　EPC9144性能測試波形 車規級認證產品為雷達應用範圍 針對車規級光學雷達應用系統，EPC已發布多款通過AEC-Q101認證的產品，其中包括額定電壓80V且脈衝電流能力75A的EPC2202、額定電壓100V且脈衝電流能力75A的EPC2212、額定電壓80V且脈衝電流能力17A的EPC2203，以及額定電壓15V且脈衝電流能力28A的EPC2216，並有多款針對光學雷達應用的電晶體及IC正在進行汽車級認證。 GaN為雷射驅動器性能突破關鍵 GaN功率電晶體與IC的卓越性能，使雷射驅動器的性能得到突破性的發展。在幾平方毫米的面積上產生數奈秒脈寬的大電流脈衝，進而提供數百W功率的能力，成為製造低成本、高性能的光學雷達系統的關鍵因素之一。因此GaN功率元件進一步擴展光學雷達應用的領域，並且提高至關重要的精確度，其應用領域主要包括自動駕駛車輛及人臉識別、倉庫自動化、無人機和拓撲繪圖等其他ToF應用。目前雖仍處於GaN-on-Si功率元件技術的發展初期，但是與處於技術瓶頸期的Si MOSFET相比，eGaN FET的迅速發展，將進一步擴大其效能差距。 (本文作者為宜普電源執行長暨共同創辦人)  

本文將介紹支援溫度偏差的元件類型，以及如何將其進行多種應用。 溫度偏差是指對特定裝置的支援，在高於正常溫度範圍下進行最大時間的運作。對於支援該功能的元件來說，如果無需持續在最高環境溫度下與/或最大功率下作業，使用者通常可以將最高工作溫度設置為比額定值高10℃。標準擴充元件可以持續在0℃到100℃的溫度範圍內運作超過十年。同樣地，工業級元件(一般用於室外應用)也可在-40℃到100℃的溫度範圍內持續運作超過十年。溫度偏差能支援上述元件在100℃至110℃的溫度範圍內進行短時間的運作。 表1所列元件經測試後即使在高達110℃下作業也能符合Vivado設計套件要求的時序效能水準。除了選擇適當的速度等級外，在Vivado工具內無需進行其他設置或調整。這些元件可以針對特定運作時長支援更廣的工作溫度範圍，且依然能夠確保十年的完整作業壽命。 使用溫度偏差時機力助元件散熱 有多種情況下使用溫度偏差規格都有助於改善散熱設計，以下將介紹三種情況。 室外運作易受環境影響 部署在室外的應用由於外部條件的變化，而出現較大的環境溫度波動。不同季節會有不同的日間高溫，而夜間因為溫度與太陽輻照強度降低，可以在較低溫度下運作。一般情況下，最高作業環境溫度僅出現在每年中少數幾天的幾個小時內，例如夏季最炎熱月份中的午後幾個小時。相關資訊可從多家政府機構網站得知。如加州死亡谷是美國與世界上最炎熱的地方之一，其年溫度資訊如圖1所示： 夏季至冬季的溫度變化達30℃，最炎熱月份的日間溫度變化大於15℃。該資料也顯示，雖然最炎熱時溫度超過47℃，但全年溫度超過43℃的時間不足5%。當使用Versal工業級元件能夠在5%使用壽命的情況下在高達110℃的環境運作，而部署在該環境下的應用，最高安全工作溫度可設計為比環境溫度低4.5℃。對於環境溫度變化更加劇烈的情況而言，允許的溫度偏差也可能達到10℃。 圖1　加州死亡谷全年平均高溫與低溫—全年溫度高於43℃的時間不到5% 因應臨時設備故障　元件可於升溫時運作 工程師可能需要針對臨時性設備低效運作或散熱風扇故障進行設計，這種情況下局部環境溫度會上升，但不會持續很長時間。在此情況下，溫度偏差可以讓元件在環境溫度升高時持續運作，直到問題解決。部分標準已將此種情況納入考量，如針對電信所設計的Telecordia NEBs GR-63標準，表2便列出部分Telecordia規格，其中需要在比典型工作環境高10℃的溫度下進行有限制的運作。借助溫度偏差規格，散熱工程設計師可以將操作規範的限制納入考量，讓產品在40℃環境溫度或110℃接面溫度(Junction Temperature)下運作。無論設計是否必須遵守特定的操作規範，採用溫度偏差都能提供額外的運作幅度，以因應如風扇故障這種不可預期或鮮少發生的狀況。 短時間內執行高強度運算 在眾多應用中，處理需求與運算需求將隨著元件上的資訊流量大小、類型與對應狀況發生變化。大多數此類應用中峰值功率只出現在極短的時段內。因此，由峰值功耗引起的溫度升高相對稀少。對於需要在短期內執行高強度運算的設計，則可使用溫度偏差來簡化散熱設計。 表3所示各種應用分析場景下，運作功耗如何隨著不同的運算強度發生改變。此外，表3還根據運作功耗算出最大環境溫度下的最大接面溫度。 然而，與上述分析關聯性最高的為每種運作場景下的運算時長。根據研究，運算強度最高的情況不會在應用生命週期內長時間發生。利用這類資訊可以對熱參數進行相應調整，借助溫度偏差提供更簡便、更低成本的散熱設計。 綜合上述分析與結合其他因素可以進一步提供改善。如在汽車功耗分析中，發現最高溫度出現在暴雪天氣。然而，也可假設這種情況不會出現最高環境溫度。對此進行深入分析，甚至能發現更高的運作幅度。此外，在汽車運作的室外環境下，部分應用場景不會保持最高環境溫度(如夜間行駛或是冬季行駛)，綜合考慮功耗與外部作業條件後，可以發現元件接面溫度出現預計最大值的情況相對少見。 使用溫度偏差調整預估功耗 在確定最高工作溫度僅發生在元件偏差限值範圍內後，應根據此判斷進行功耗調整預估與散熱設計分析。 早期功耗預估應在未使用溫度偏差時進行，但有一種情況例外：最高工作溫度應調整至預期最高接面溫度。在完整使用溫度偏差時，最高接面溫度應為110℃。為此，使用者只需要在XPE中「接面溫度」欄位選擇圖4　在溫度偏差範圍內可執行有效功耗預估「使用者改寫(User Override)」，就可以指定調整後的最高接面溫度(圖2)。 圖2　XPE中使用者改寫接面溫度設置   總功耗將根據指定的接面溫度進行調整。若XPE中的總功耗欄位變成黃色是因為該數值不在正常工作範圍內。但只要最高接面溫度不超過溫度偏差的限值範圍，就能執行有效的功耗預估(圖3)。 圖3　使用溫度偏差時的範例XPE結果 在特定溫度偏差下的功耗預估十分可靠，那麼「Total On-chip Power」值就能透過廠商如賽靈思(Xillinx)元件所提供的熱模型執行熱模擬。若熱模擬可確認接面溫度維持在最大預計偏差額定值下，並有足夠的散熱幅度，該散熱設計即已完成。 圖4　在溫度偏差範圍內可執行有效功耗預估 溫度偏差能夠在眾多設計中用於提高元件的作業溫度上限，達到簡化散熱設計的目的。透過簡單的設計分析即可判斷是否能執行溫度偏差，若可行，則可直接進行功耗調整與熱分析以確保元件的正常作業溫度。針對無法準確判斷是否能使用溫度偏差的設計，上述有利的功能也能為其提供額外的散熱幅度；而能夠完整使用溫度偏差的散熱設計便可獲得提高運作速度、降低成本與散熱設計難度等眾多優勢。 (本文由賽靈思提供)

本文將探討是什麼吸引眾多的系統架構師和機械設計工程師來使用盲插光學互連系統，以及相應的設計要求、光纖密度的推動因素、維護作業、產業動態及人們對於未來需求和挑戰的看法。 與前面板光學連接作業一樣，板載光學(OBO)模組可以透過標準的多光纖圓形護套光纜、帶狀光纖或者附著到OBO模組上的帶狀預成型光纖技術，方便地連接到光學背板連接器上。 光學的FlexPlane還可以結合FlexPlane端上於光學背板的連接元件以及另一端上附著的OBO來使用。透過這種方式，可以在系統元件內部實現密度較高、極其複雜的光纖埠映射。在很多方面，硬體設計師和系統架構師都被這類介面技術所吸引。 ・釋放前面板空間，進而增加氣流以及用戶端介面或網路介面。 ・不再需要為前面板的布線連接進行手動安裝，進而加快系統部署、升級與維修的速度。 ・提高互連系統的密度並簡化光纜的管理，遠遠超越傳統的前面板光學連接器和光端機。 ・通過特定於系統的內置連接配置，例如光學重排，可以實現線卡和抽屜的標準化，進而使用機殼外部的標準結構化布線，這樣就允許系統元件達到更高程度的模組化。 圖1　共面、正交和標準光學背板連接器的配置 光學背板連接器類型 在幾十年前，首先上市的是分門別類陶瓷插芯的光學背板連接器，在很大程度上該型連接器都以用戶端的產業標準連接器為基礎，例如MU、SC和LC，以及適合特定供應商應用與定制端的版本。陶瓷單光纖插芯互連系統在介面的每一側都採用圓柱型的套管，套管在陶瓷對開套管內部對準，而該對開套管則固定在一個通常安裝在背板上的配對外殼當中。介面的電路板側是一種定制的外殼，安裝在印刷電路板上，印刷電路板對套管起固定作用，套管的設計可以正確插入對準至背板外殼中。 光學性能和光密度模仿了基於標準的連接器，在尺寸上提供了額外的淨空，供閉鎖和安裝功能使用。埠的數量範圍通常在2到8個連接器之間，採用了1.25或2.50毫米的套管。由於廣泛採用標準的連接器，清潔和檢測作業更加標準化，可以獲得良好的支援。當今的LC盲插介面最常在2、4和8埠的配置中使用，支援多模和單模光纖。 基於多光纖MT套管的光學背板介面最為常見，透過在每個套管上整合多條光纖並且在每個連接器上整合多個套管埠，與陶瓷單光纖套管相比，實現的光纖密度要高得多。埠的數量範圍通常在1到8個MT型套管之間，使用48個光纖套管時，在16×55毫米的面積上可為每個連接器啟用多達384條光纖。這類介面可從多家製造商處供貨，提供眾多的配置與安裝形式，滿足對於卡籠樣式的需求以及特定於系統的機械和封裝上的需求。 MT型套管採用精密成型的聚酯套管，在公端/母端配置中透過金屬導銷對準。內部結合了光學背板連接器外殼，這就需要詳細考慮機械調準和密封問題，以實現正確操作。 圖2　BLC，2、4、8 個LC埠 光學背板連接器機械性能概覽 系統架構師與光學背板連接器工程師之間早期溝通具有至關重要的作用，因為系統架構、機械外殼、連接器介面和系統光纖連接方案的需求都緊密聯繫。整個系統中連接器的光纖可以達到較高的數量，過千的數量才能滿足機械、光學元件、光纜管理、熱能及使用上的一系列複雜的需求。如果要在事後向系統設計中添加光學背板連接器，或者甚至由於機械安裝、卡間距以及機殼設計上的要求而對各種不同類型的介面進行更改，那樣幾乎不可能。較為靈活的方面則在於每個連接器上的光纖數量，由於多光纖MT套管，以及為多個MT套管埠提供支援的光學連接器，皆提供眾多可用的選項。光學性能則成為其中的權衡因素，因為隨著每個套管上光纖數量的增加，以及在光纖管理的過程中，一個單獨的光學背板連接器可以實現數百處的光纖連接，光學性能也會隨之降低。 由於配對時幾何外型以及連接器類型的關係、所需的閉鎖力和夾持力上的細微差別，光學背板連接器的機械設計與安裝要求，會很大程度地影響機殼的設計。顧及套管都是單獨承受彈簧載荷，在光學背板連接器或者在卡的前面板插鎖上就必須考慮這些力。每個MT套管上的彈簧力範圍從12光纖套管上的10牛頓起，一直延伸到每個套管上24條以上光纖情況下的20牛頓，對於連接器上的每個套管埠來說彈簧力將倍數成長。考量帶有8個24光纖MT套管埠的光學背板連接器，以及每個卡上4個連接器的情況，則每個卡上所需的夾持力將增加至640牛頓。光學背板連接器提供兩種類型，即自鎖式和非閉鎖式，對於後者來說，卡插鎖和機殼/背板結構必須將套管彈簧壓縮，並將各個卡和連接器保持在插入狀態。 自鎖式光學背板連接器提供了額外的Z軸行程，或者根據背板的設計公差提供浮動式的緩動卡。兩種版本之間的權衡因素在一定程度上取決於每種連接器的設計，並且插鎖會增加額外的尺寸、提高設計上的複雜性與元件數量，因而影響到密度、連接器的複雜程度及成本。這就是造成擴束和備用套管介面產生吸引力的原因之一，因為它們可以在很大程度上降低使套管保持接觸所需的彈簧力，在獨立於光纖數的情況下，往往可將所需的力減少5到10倍。 光學背板連接器通常安裝在後面板上，後面板上設有開孔，可使連接器安裝在內部，進而使光纖通過，抵達機殼的背部。就像電氣背板連接器一樣，光學背板連接器也提供多個版本，可以支援共面、正交和標準的卡籠設計，以及更新型的機架式抽屜/滑道架構，這些版本的安裝方法與機械要求各不相同(圖1)。安裝方法包括螺絲安裝、鉚釘安裝、固定夾安裝及滑入配合，要求連接器外殼進行機械懸浮，進而在卡或抽屜元件放入到背板/機殼中時滿足插入公差的要求。 如果卡籠或機架的機械公差超出了連接器支援的範圍，則通常會利用導銷來提高配對精度。由於光學連接器通常較長一些，或者首先要按照配對順序來插入，因而不能使用電氣連接器來發揮引導的功能。此外，板上安裝的電氣連接器不會浮動，因此光學連接器必須提供浮動功能以避免多個介面之間結合。機械設計人員必須仔細考慮這些事項，並且在連接器的選擇過程中也必須加以考量。 機械和環境性能的測試與資格標準，根據涉及的多光纖連接器的TelcordiaGR-1435-CORE標準確定。這類連接器的耐久性和性能主要由套管的性能來決定，其中的最佳光學性能可以超過已確定的50次插拔的要求。特定於系統的機械管理和光纜管理驗證作業在整個開發過程中都相當關鍵。 圖3　HBMT─4個MT埠 光學背板連接器的一個獨一無二的特點在於，推動著各家供應商之間進行協調或者促進互通性發展的行業標準少之又少。主要是在VITA和ARINC的組織當中，標準化方面的工作開展極其有限，重點關注的還是苛刻條件的環境及航太應用，在這些應用中只有少數幾家供應商可以實現交互操作，而在設計上還沒有完全協調。在光學背板連接器製造商當中，用於保護和固定光纜上的套管以及連接器外殼內部的套管的設計方法存在著很大的不同，各家製造商都嘗試在密度、魯棒性和易用性之間達到一定的折衷。一些低密度的版本將工業標準的MPO/MTP連接器作為配對介面，而大多數的版本都採用專利的固定夾和連接器，使得供應商的互通性根本無法實現。對於系統設計人員及使用者來說，重要的一點在於要充分瞭解光學套管在安裝夾中的固定方式、製造和維護過程中在主連接器外殼上的安裝與拆卸流程，以及在計畫使用的系統中開展可能的檢測或清潔作業的方法。 圖4　Vita 66.1─2個MT埠 替代用的多光纖套管解決方案正在開發過程中，可以解決終端使用者在魯棒性和易用性上的問題，目標則是降低總購置成本。這類套管具有的其他優勢還包括降低了對灰塵/碎屑的靈敏度、減小了彈簧力、採用不同的機械配對方式，同時具備對準方面的優勢。就像任何物理配對介面一樣，在套管表面保持一定的潔淨度，進而使光纖到光纖的接觸不發生減弱，對於光學性能以及防止光纖表面發生損壞來說至關重要。在光學背板連接器中，這一點尤其重要，因為在操作套管介面以進行清潔和檢測時會更加困難。套管和光纖的碎片引起了業界對不需要光纖到光纖物理配對套管介面的興趣，這類套管包括擴束套管和光纖間隙套管。當替代用的多光纖套管在體積上是以工業標準的MT套管為基礎時，它們就可以在任何基於MT套管的背板連接器中實施，進而拓寬連接器的應用領域並降低總購置成本。 圖5　VFI 產品族─2、4、6、8個MT埠 光纖介面清潔與檢測至關重要 由於光學背板連接器往往安放在機殼或者機架，或者間距較窄的卡內部較深位置處，對介面的操作會受到限制，因而光纖介面的檢測和清潔工作會受到極大的影響。此外，安全活門也是光學背板連接器上經常採用的一種方法，用於為套管介面提供保護，同時有助於確保眼部安全，因此完全的防塵往往並不可行，使清潔和檢測用品成為一種必需的條件，在工廠和現場使用時需要考慮在內。在系統的待機卡針對具體的機殼和光學背板連接器的實施作業而正確安裝並定位後，可以透過這些待機卡上特定於連接器的固定裝置來實施工業供應商提供的清潔和檢測設備。由於其中存在著極大的複雜性，在運送含有出廠前已檢測、清潔過並獲得良好保護的介面的系統元件時，需要非常小心，這樣才能使首次裝機的系統啟動速度達到較高的水準，否則長期的維修和檢驗作業需要付出更多的人工。這些挑戰都起了強大的推動作用，使業界增加對擴束套管和替代套管技術(例如氣隙套管)的興趣，因為在檢測、清潔和終端使用者的購置成本中，這些技術可以為其中的許多方面減輕負擔。 圖6　FlexPlane光電路 圖7　正交光學─9個MT埠 圖8　MTP-CPI─1個MTP連接器埠 背板連接器未來需求與挑戰 光學背板連接器的路線圖應包含以下幾個方面： ・版本支援機架式架構之類的新應用，整合更大的機械公差和魯棒性，進而適合大型和重型的抽屜和/或滑道使用。 ・版本在每個套管或每條光纖上降低插入力，以便實現更經濟的卡設計與背板設計。 ・整合替代用的多光纖套管技術，簡化部署和使用，同時減輕清潔和檢測上的負擔，進而降低總購置成本。 ・改善清潔和檢測技術 ・支援新的光纖類型以提高密度、縮小光纖的體積 ・在標準化潛力方面開展工作，為供應側確保安全性並通過更加廣泛的採用來增加使用數量 (圖2~8所示為莫仕(Molex)提供的光學背板互連系統，其中的一些範例。)   (本文作者任職於Molex)

以下將分享四個協作型機器人在焊接和金屬製造領域中的應用，展現協作型自動化在金屬製造業的潛力。 Vectis協作型機器人電焊機工具可以將所有硬體設備整合至一台3×6英尺的行動模組化夾具車，使金屬加工作業員可將協作型機器人投入自身工作中，或將非定點或毋須限制作業空間的工作交由協作型機器人來處理。 金屬製造商以協作型焊接機器人提升生產率/利潤 像總部位於威斯康辛州的Processed Metal Innovators(PMI)正面臨焊接人員嚴重短缺的困境。PMI營運副總裁Erik Larson表示，大量的焊接需求使得該公司在招募人力上不得不一再降低標準，依目前的工作量評估，必須要再多僱用30多名焊接工以符合生產需要。藉由一次導入簡易機械沖壓應用的機會，PMI認識Universal Robots，該應用透過雲端連結UR協作型機器人進行作業，並在系統整合商Hirebotics的協助下完成應用導入設定，並依機器人使用時數支付費用。Hirebotics和北美焊接工具租賃商Red-D-Arc Rentals、工業氣體供應商AirGas與AirLiquide等攜手合作，開發出由UR10e協作型機器人驅動的BotX Welder自動化焊接解決方案。 Larson認為此一解決方案可被視為小型焊接工作的未來，回憶導入過程時他提到，Hirebotics在短短兩個小時內即完成BotX的安裝，而PMI團隊在安裝完畢的30分鐘之後便能開始執行程式。使用者透過BotX的App端即可執行已預先編程的焊接作業，這些編寫好的程式中包含多種經過認證的焊接製程，一旦設定完畢，任何操作員都可以操作。 在BotX中運作的系統程式皆獲得專業焊接人員的知識支援，協作型機器人所使用的每一個焊接角度、方向、速度和每個零件設置都需要經認證的焊接人員協助編程設定。在設置BotX之後，協作型機器人將執行焊接作業中最容易實現自動化的環節，藉由讓焊接人員專注於亟需人力鑑別和補焊的流程，可以創造翻倍的生產效率。如今人們在PMI的工作變得更有保障，焊接人員不僅執行焊接作業，更負擔起直接管理協作型機器人的責任，而這歸功於協作型自動化帶來的產能成長，也使得該公司擁有更高的競爭力來開發更多業務。 由於PMI的批次生產量低至20個，無法使用傳統的自動化解決方案，也無法享受其所帶來的品質優勢，但憑藉BotX的簡單編程和靈活性，即使在最小產量的運作期間，也能實現自動化的高品質。Larson表示，BotX提供了人工作業無法達到的生產一致性，當設定好特定的焊接位置，協作型機器人就會在該特定位置完成作業。舉例來說，如果設定焊接點為兩英吋，那無論由誰來執行程序或擺放零件，每個焊接點都將是兩英吋。然而，若採用傳統手工焊接，焊接人員不一定能準確地理解兩英吋代表的意義，結果可能導致每個焊接點為一又四分之一英吋或一英吋半，也有可能因焊接人員的誤解，導致每個焊接點之間都相隔兩英吋或兩英吋半。協作型機器人可以排除這些不必要的猜測，以確保焊接作業在正確位置進行。 機械工廠導入協作機器人　執行去毛邊作業提高產能 而法國機械工廠BWIndustrie對於金屬零件處理和工具機方面的應用並不陌生，他們過去即曾在工廠裡導入五台協作型機器人。最近，BWIndustrie將最新的UR16e協作型機器人部署在具高負重需求的去毛邊應用中。以往這些去毛邊作業都是由人工來完成，工廠作業員每次要搬運4~14公斤的零件，日復一日地舉重負荷導致嚴重的職業傷害。該公司每年的批次生產量落在300至300,000個零件不等，他們希望即使各個零件的尺寸、形狀和重量有很大的差異，仍能保證複雜的去毛邊作業具一致性。 而UR16e不僅可以完成工作，且機器人從交付到正式投入生產僅需短短兩週，創下BWIndustrie歷次導入以來的最短紀錄。此外，當訂單數量達到巔峰時，一般被認為必須採用傳統自動化作業才能達成的高產能，在導入協作型機器人後也能被常態實現。 在BWIndustrie的工廠中，UR16e位於一個被表面銑頭、帶式砂磨機和多種粒度尺寸的砂輪等去毛邊工具所環繞的開放式空間，尚未完成的零件放置在簡易的進料盤中，由協作型機器人一一取出，並透過一系列的處理步驟來達成指定的表面光潔度，最後機器人會將完成的零件放入出料盤(圖2)。 BWIndustrie導入的UR16e被用於處理4~14公斤的零件，有效滿足產線負重多樣化和設計靈活性的需求。 航太業維修導入協作型機器人至熱噴塗環境 位於德州的航太業維修中心Aircraft Tooling(ATI)則曾面臨將高速氧氣燃料(HVOF)熱噴塗作業自動化的困境。熱噴塗部門主管Juan Puente便表示，傳統自動化解決方案的成本太高，該公司看過的鑄鐵機體積都太過笨重，沒辦法輕易在限定空間內移動；且傳統自動化解決方案不僅編程困難，所有作業又都需要額外的安全防護措施，無法實現於小型零件的熱噴塗作業。他們後來所選擇的UR10因成本僅為傳統機器人的一半、可以靈活拆卸並轉移至其他產線上應用，且毋需額外的圍欄或防護措施，同時解決成本和利用率等問題，成功滿足需求。 最初，嚴苛的熱噴塗環境讓ATI對於UR10的耐用性產生疑慮，因為ATI所使用的碳化鎢有可能損毀暴露在外的機器人軸承；但在導入三年以來，UR10的軸承中並沒有粉塵入侵，更毋須為此維修。此外，Puente也回憶當時的另一個顧慮，表示該公司也擔心噴槍的後座力可能使協作型機器人失去平衡或干擾其伺服功能，因此試圖用最大的壓力讓機器人反彈，結果UR10不動如山，絲毫不受影響。而該結果對控制系統整合商Olympus Controls來說並不意外，協助ATI導入此解決方案的Nick Armenta表示，很多人都認為協作型機器人非常脆弱，但事實上剛好相反，它們密封防塵且耐高溫，在特定極端環境下也能像在無塵室裡一樣穩定運作，非常耐用。 為節省廠房空間，ATI以倒立方式安裝UR10，儘管如此，這台機器人仍然能以恆定的速度進行均勻噴塗，作業人員因而可輕鬆在產線間移動而不妨礙機器人運作；此外，ATI借助Universal Robots的教學編程系統，僅花四個小時便完成安裝，現在他們正準備再添購兩台協作型機器人，導入視覺和品質檢測環節，以進行更複雜的應用(圖3)。 圖3　ATI熱噴塗部門主管打開HVOF火焰噴槍後便離開，讓UR10獨立執行噴塗作業。 金屬加工商整合舊式機械提一站式解方 至於同樣位於德州的All Axis Machining利用CNC機械、雷射刻印工具和EDM線切割機，生產大量混合物料和少量零件。像許多小型機械工廠一樣，他們面臨整個企業中產生連鎖反應的人力短缺問題。負責人Gary Kuzmin表示，人力不足導致該公司無法按時交付訂單給客戶，進而影響該公司的競爭力和利潤。儘管試圖從傳統自動化解決方案中尋求出路，結果卻不盡人意。All Axis Machining使用大量的舊式機械，然而在傳統的機器人解決方案中，單一機械只能為單一應用進行專門的編程設置，為了實現所有產線自動化而犧牲廠房空間的作法顯然並不合理。協作型機器人即為解決此一困境而生，且立竿見影，為All Axis Machining取得利潤增加60%、零件初次交付提前2到5個月、主軸正常運作時間從8小時增加到20小時等顯著成果。由於UR10的重複精度達0.1毫米，使打磨和去毛邊的品質也得以提升。操作人員能夠透過一系列訓練模組，學會操作如Universal Robot開發的直覺化編程介面，將自己對機器使用的專業知識有效應用於協作型機器人的程式優化中。此外，為了能夠每天處理20多種不同的零件，像All Axis Machining這種產線高度混合的工廠，必須能在5到10分鐘內快速轉換生產模式，而像是為Universal Robots提供終端應用套件的平台UR+，便能滿足這個需求(圖4)。 圖4　All Axis...