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手機銷量大受疫情衝擊 NAND成長趨緩
在新冠肺炎疫情蔓延的前幾個月內,智慧型手機的銷量下降,而智慧型手機的NAND Flash占整體NAND Flash用量的35~40%,因此手機銷量連帶拉低NAND Flash的成長率。
示意圖 手機銷量拉低NAND Flash的成長率。來源:Unsplash
分析師認為,智慧型手機的銷量受到疫情影響,消費者不能或者不願意前往零售商店購買新的行動裝置,加上許多亞洲的零組件工廠被迫停工,因此手機銷售在2020年第一季出現了相比往年同期的新低。富國銀行(Wells Fargo)分析師Aaron Rakers在報告中指出,5月的經濟成長比去年同期下降8%,下降幅度小於4月的12%及今年第一季的49%。Rakers表示,盡管對供需法則抱持樂觀態度,但是智慧型手機的銷售成長趨緩,可能反映了疫情後期持續對手機銷量造成的影響。
就季度而言,NAND Flash整體的成長率提升22%,但是與2月的64%、3月的49%及4月的34%比較,數字並不亮眼。截至2020年5月,智慧型手機的售價較去年同期增加28.5%,4月為13%,而今年第一季的定價下降7.5%。
DRAM的銷量同步下滑,但與NAND Flash的趨勢不盡相同。5月的出貨量比去年同期增加20%,2、3、4月則分別為55%、43%及45.5%。2020年5月,DRAM綜合平均售價下滑,2月下降40%、3月減少33%,4月則降低20%。但是就Rakers而言,價格將會趨向穩定。
5G商用起跑 愛立信上調全球用戶數預估
武漢肺炎(COVID-19)改變人們工作暨生活型態,部分地區的5G用戶發展因而遞延,但大多數市場並未受到影響,因此電信設備商愛立信(Ericsson)日前上調其預估的2020年底全球5G用戶數。而面對5G開台加上商用網路起跑,愛立信於日前發布行動趨勢報告表示,5G可望成為史上部署最快的行動通訊技術;企業及垂直領域導入獨立組網(Standalone, SA),也將邁出第一步。
愛立信技術長姚旦表示,動態頻譜分享是加速5G覆蓋的一大關鍵
5G的覆蓋可分為於6Hz以下的新頻段、現有的LTE頻段,以及毫米波頻段進行部署,同時預估於2025年時將覆蓋全球65%的人口。台灣愛立信技術長姚旦表示,若顧及用戶需求及傳輸量的增加而欲加速5G覆蓋,需採用動態頻譜分享(Dynamic Spectrum Sharing, DSS),讓4G及5G共用動態的頻譜,並因應頻寬變化調整。如愛立信的4G/5G頻譜共享技術(Ericsson Spectrum Sharing)及主動式天線的上行訊號強化演算器功能(Uplink Booster)可協助電信業者加速部署5G網路,增加5G容量及覆蓋率,並優化網路上行傳輸效率,以因應不同場景所需的無線資源即時動態分配,提供彈性網路架構並滿足消費者與企業的不同需求。
進一步回顧國內近況,各大電信業者紛紛啟用商用5G,而根據愛立信的趨勢報告指出,5G商用化趨勢仍不容小覷—疫情即便將於中短期內影響5G裝置銷售量及網路建設,但整體的發展趨勢將不會有所變動,因此5G全面商用化的進程也不會有所遞延。如愛立信目前已與電信營運商簽署了超過95項5G商用協定或合約,包含中華電信在內,其中有40個5G商用網路已經上線。
同時,有鑑於5G SA組網難度及成本兼具,核心網路架構漸由NSA轉往SA雖為全球企業用戶及垂直領域的趨勢,姚旦則表示,目前台灣尚未布建5G SA基地台,且尚處於實驗及測試階段,其中關鍵不只在科技的成熟度及終端覆蓋率,消費市場的需求及成熟度也至關重要。他預期5G開台後將帶領話務量從4G往5G移動,待4G頻譜壓力減輕時,才較能考量SA架構的採用;同時,他也認為一般消費者對於5G的需求量也是決定SA架構採用時間點的關鍵,有賴市場未來持續反映5G資料傳輸的需求量。
特斯拉銷售超乎預期 傳樂金化學將補足電池產能
據路透社報導,在美國電動車製造商特斯拉(Tesla)的訂單增加後,樂金化學(LG Chem)計畫今年在韓國為特斯拉生產電池。報導指出,樂金化學(LG Chem)部分的南韓產線正在轉換為特斯拉電池的生產線,同時該公司位在中國南京的工廠,已開始為特斯拉生產電池。
圖 未來LG可能為特斯拉生產電池。來源:Tesla
路透社報導,LG Chem韓國廠計畫今年生產特斯拉電池。對此官方並未表態,但報導中提及因美國受到新冠肺炎(COVID-19)疫情衝擊,導致產能不足,加上美國電動車製造商的訂單增多,特斯拉需要額外擴增電池產能。
特斯拉上週發布4~6月間的全球汽車銷售數字,結果超乎預期,並因為疫情美國產能減少而受影響。面對疫情對美國供應鏈的衝擊,分析師一度預估此情況可能重振中國的銷售。整體而言,報導中說明特斯拉的銷售量持續上升,增加對電動車電池的需求,因此LG Chem開始在韓國與中國等地生產特斯拉電池,補足特斯拉的電池產能。
滿足消費應用需求 GaN快充市場潛力不容小覷
手機/平板/筆電的螢幕尺寸、應用程式等功能快速成長,每人擁有的電子設備與穿戴裝置增加,導致電源需求同步提升,多接孔且充電快速的充電器順勢成為市場熱門的應用之一。同時面對矽材料在能量密度等方面的理論極限,為提升電源的轉換效率與功率密度,氮化鎵(GaN)逐漸成為受到製造商關注的功率半導體應用。投入GaN產品研發的廠商中,部分製造商專攻200V以下的消費電子市場,而GaN快充便是消費電子產品中商品化最為快速的應用。本文將整理GaN在消費性電子市場的應用分析與發展挑戰,探究GaN在消費電子市場的潛能,以及未來應用方向。
GaN快充應用看漲
今年GaN快充應用的熱潮,從1月CES 2020的參展狀況可略知一二。GaN System台灣區業務總經理林志彥(圖1)描述,CES 2020中,約有50-60家的台灣及中國的消費電子配件品牌參展,並推出超過100件採用GaN的產品。納微半導體(Navitas)銷售和市場副總裁Stephen Oliver(圖2)認為,2020年即是GaN在智慧型手機/平板/筆電快充產品的應用快速發展的一年。過去幾年間,從統計數據中可以發現,螢幕與電池的尺寸持續增加(圖3),同時Oppo、Vivo、聯想(Lenovo)、小米已推出手機搭載65W以上的充電器,代表使用者需要快充滿足逐漸增加的電源需求。除了先前主攻售後市場的AUKEY、Anker、RAVpower及Belkin,其他製造商如聯想、三星(Samsung)、Oppo與小米採用GaN快充作為售後的手機配件,甚至可能將其提升為原廠標配(圖4)。
圖1 GaN Systems台灣區業務總經理林志彥
圖2 納微半導體銷售和市場副總裁Stephen Oliver
圖3 2017-2020年智慧型手機及電池尺寸變化 資料來源:Navitas
圖4 2020年Q2 OEM廠商充電器分布 資料來源:Navitas
除了GaN快充產品在消費端需求顯著,製造商同時看好GaN高效率、低導通損耗、外型小巧且適用於高頻率的材料特性。Yole化合物半導體/新興材料技術與市場分析師Ezgi Dogmus解釋(圖5),技術上,GaN在系統整合方面有兩大主要趨勢:系統單晶片(SoC)、系統級封裝(SiP)。針對技術平台,有兩種為了GaN部署的半導體基板:採用藍寶石基板的GaN-on-sapphire、使用矽基板的GaN-on-Silicon。兩種技術都發展良好,可望在明年成為熱門應用。整體而言,GaN快充系統的成本、尺寸及效能,將會創造比其他充電產品更大的市占率。
圖5 Yole développement化合物半導體技術與市場分析師Ahmed Ben Slimane(左)、Yole développement化合物半導體/新興材料技術與市場分析師Ezgi Dogmus(右)
廠商競爭刺激產量
面對新應用如GaN快充,產品成功最重要的關鍵在於開創市場,讓技術被市場接受並且獲利。Stephen Oliver提到,相較於使用矽,採用納微GaNFast功率晶片的充電器,在整合GaNFET/驅動器/邏輯與數位電路的前提下,可以達到充電速度加快三倍,同時體積減少一半,兼顧性能與價格的優勢。例如廠商AUKEY使用GaNFast晶片製造61W的快充,其體積比蘋果充電器小65%。
如果著重觀察消費市場對新技術/產品的接受度,價格便是驅動需求的主因。林志彥舉例,小米已推出的GaN快充電源售價約台幣700元,成為市場高度接受的產品之一。此外,長期而言,小體積的GaN所需材料少於矽充電器,因此若產量提高甚至進入自動化生產階段,價格將更有明顯的競爭優勢。
生產方面,消費電子產品通常由製造商設定價格、效能與外型規格標準,快充也是如此。Yole分析師說明,GaN作為一項新技術,主要的挑戰在於價格與採用率,而這些又都受限於OEM廠商的嚴格要求與市場布局。截至2020年第二季的GaN市場持續波動(圖6),GaN仍具突破與成長動能。Yole分析師預估,接下來的18個月內,市場會維持相似的浮動狀態,因此國際大廠如三星、華為在產品標配中採用GaN快充的規畫中激烈競爭,蘋果(Apple)可能也會加入戰局,廠商間的競爭將會大力刺激市場銷量,同時導致GaN快充產量上升且價格快速下降。
圖6 功率GaN裝置市場營收趨勢 資料來源:Yole
現階段的GaN快充功率以65W為主流,Stephen Oliver表示,接下來三至五年間,GaN快充的研發必然朝著功率密度更高、充電更快的方向前進,例如聯想預計在今年九至十月左右推出搭載90W電池的手機。新型態的消費者更依賴電子設備提供的工作與娛樂功能,但生活節奏加快、設備的電池容量增加,無法等待漫長時間的來完成充電,因此不斷增長的充電速度即是因應市場需求,Stephen Oliver認為未來功率GaN晶片的市場規模可達10億美元。此外,多接孔的USB-C充電器也會在產業中掀起風潮,滿足現在常見同時持有多個電子設備的消費者的充電需求。
2025年GaN市場上看七億
隨著三星、華為、小米等手機製造商規畫將GaN快充放入標配,Yole分析師觀察到GaN快充高度的市場潛力。GaN已經開始部署在超過45W的快充中,仰賴其小尺寸且高度整合的電源系統,形成高功率密度的應用。接下來三年內趨勢將指向系統單晶片及系統級封裝技術,驅動GaN在消費市場的進展,且GaN充電器的尺寸會持續縮小並伴隨成本下降。
整體而言,Yole分析師預測GaN市場在2025年會超過七億美元,2019~2025年的年均複合成長率(CAGR)則為76%,代表2025年在GaN的整體市場中,將有超過80%的占比來自消費市場(圖7)。林志彥進一步說明,GaN System在市場布局上關注的消費電子、儲能系統、資料中心、工業控制與電動車五大領域中,其中進展最快的即是消費電子市場,能在成本降低次激需求提升的前提下,快速達到量產。2021年下半年,各家廠商高階的手機/筆電型號,極有可能會將GaN充電器/變壓器納入標配規格。
圖7 功率GaN裝置市場規模分析(按應用區分) 資料來源:Yole
除了手機配件,GaN還有其他具有商機的應用場景。Yole分析師表示,GaN的性能表現與外型尺寸帶來優勢可應用在以下幾個領域:
‧ LED驅動器:GaN架構的成本才是受到採用的主因,其裝置GaN有機會用在大於50W的高階、高功率LED驅動器中。
‧ D類音效功率放大器:國際廠商如EPC、英飛凌、GaN...
SSD容量突破 三星推8TB固態硬碟
傳統機械硬碟(HDD)與固態硬碟(SSD)的競爭延續多年,HDD便宜且容量大,而SSD具有讀寫快速、小體積、低功耗等優勢,但是礙於其價格與容量限制,一直難以完全取代機械硬碟。日前三星(Samsung)推出第二代QLC SSD 870 QVO,相較於前一代產品,870 QVO的容量比上一代多兩倍,達到8TB,其定價也極具市場競爭力。
圖 三星推出第二代QLC SSD 870 QVO。來源:三星
過去使用者往往必須在高性能的SSD與高容量的HDD之間取捨,而三星新推出的870 QVO的8TB大容量解決了SSD長期以來容量的缺點,滿足主流的PC使用者與需要高效能硬碟的專業人士的需求。870 QVO除了提供SSD少見的8TB容量,以及560 MB/s的順序讀取與530 MB/s的讀寫速度,並搭配驅動器的TurboWrite技術維持其效能水準。
除了性能與容量,價格也是影響使用者購買選擇的重要因素。目前870 QVO每TB的售價是129美元,與HDD的價格已相去不遠,促使SSD的產品競爭力大幅上升。在價格與容量逐漸接近HDD的狀況下,SSD的發展出現新的契機,可望未來完全取代HDD。
聚焦AI加速器需求 格羅方德12LP+ FinFET製程準備量產
格羅方德(Globalfoundries)日前宣布,旗下最先進的FinFET解決方案「12LP+」已通過技術驗證,準備投入生產。
格羅方德的差異化「12LP+」解決方案主要針對AI訓練以及推論應用進行優化。本解決方案建立於驗證過的平台上,具有強大的製造生態系統,可為晶片設計師帶來高效能的開發體驗,及快速的上市時間。
為達到性能、功耗和面積的無懈組合,12LP+導入了若干新功能,包含更新後的標準元件庫、用於2.5D封裝的中介板,與一個低功耗的0.5V Vmin SRAM記憶單元,以支援AI處理器與記憶體之間的低延遲和低功耗數據往複,得到專為符合快速增長之AI市場的特定需所制定的半導體解決方案。
格羅方德資深副總裁兼運算暨有線基礎架構部總經理Amir Faintuch表示,AI會成為我們有生之年最具顛覆性的技術。越發明顯的是,AI系統的效能,特別是能運用一瓦的功率執行多少次運作,成為企業決定投資數據中心或頂尖AI應用的關鍵因素之一。我們的全新12LP+解決方案能夠直接處理這項挑戰,而AI正是本解決方案在進行設計以及優化時,不變的初衷。
12LP+建立在格羅方德14nm/12LP平台基礎上,早已出貨超過100萬個晶圓。許多公司包含Enflame和Tenstorrent等,都將格羅方德的12LP用於AI加速器相關應用。藉由與AI客戶緊密合作並互相學習,格羅方德開發出12LP+解決方案,為AI產業中的設計師提供更大的差異性以及更高的價值,並將開發及生產成本降至最低。
12LP+性能得以增強的特點包括:與12LP相比,將SoC級的邏輯性能提高20%,而在邏輯晶片尺寸方面則縮小10%。這些進階功能是透過12LP+的新一代標準元件庫加以達成,其中包含性能驅動的面積優化組件、單一Fin單元、新的低壓SRAM記憶單元以及改良版類比佈局設計規則。
格羅方德的AI設計參考套件及其協同開發、封裝和晶圓生產後續統包服務,增強了格羅方德12LP+專業應用解決方案的能力。在設計低功耗、經濟實惠且針對AI應用進行優化的電路時,更共同提供絕佳的整體體驗。格羅方德與生態系統夥伴間的緊密合作,亦造就了符合成本效益的開發費用,並縮短了上市時間。
除了12LP現有的IP產品組合之外,格羅方德亦將擴展12LP+的驗證範圍,藉此將PCIe 3/4/5和USB 2/3併進主機處理器。此外,也將HBM2/2e、DDR/LPDDR4/4x和GDDR6納入外部記憶體和晶片間互連技術,使設計師和客戶往小晶片架構發展。
格羅方德的12LP+解決方案已通過技術驗證,目前已準備在紐約州馬爾他的Fab 8進行生產,預計在2020下半年進行試產。格羅方德先前已宣布,將使Fab 8符合美國國際武器貿易條例(ITAR)標準和出口管制條例(EAR)於今年底生效的管制措施,透過這項舉措為Fab 8所生產的國防相關應用、裝置或組件提供機密性和完整保護。
美國半導體需求一枝獨秀 市場規模暴增近13%
據WSTS預估,美國將成為2020年全球半導體銷售金額成長速度最快的區域市場,預估銷售金額將達到886.94億美元,比2019年成長12.8%;歐洲、日本的半導體銷售金額,則衰退4.1%與4.4%。作為全球最大的半導體區域市場,亞太區的半導體銷售金額將成長2.6%,勉力保持正成長。
一般認為,美國半導體市場之所以能在COVID-19疫情下,繳出爆發成長的成績單,跟2019年基期較低,以及疫情帶動雲端服務、遠距工作等應用蓬勃發展,導致伺服器需求大增有關。跟伺服器有關的微處理器、記憶體元件銷售金額,都比2019年成長,特別是記憶體。
由於伺服器記憶體單價較高,在市場需求熱絡的情況下,一定程度上抵銷了手機記憶體需求不振的負面影響。WSTS預估,2020年全球記憶體市場規模將比2019年成長15%,遠高於全球半導體市場規模的成長速度。
寬能隙材料觸發電源革命 量測軟體角色更吃重
高效能、低損耗的開關元件,對於馬達控制電路跟切換式電源供應器而言,是不可或缺的核心元件,以往這類開關元件都是以矽為基礎的MOSFET跟絕緣柵雙極電晶體(IGBT),但氮化鎵(GaN)與碳化矽(SiC)這兩種寬能隙(WBG)材料的出現,正在逐漸改變這個市場的樣貌。
與矽相比,GaN跟SiC具有更低的導通電阻、更高的切換頻率,同時也能承受更高的電壓。這使得基於寬能隙材料的電源供應器跟馬達驅動設備,外觀尺寸將變得更小巧,但輸出功率卻比基於矽開關的設備還要更高。對電源產業來說,這些特性不只讓既有的產品性能更優異,同時還為相關業者開拓了新的應用市場。
量測儀器業者也從這波新材料導入所觸發的電源產業革命中,看到的新的機會與新的挑戰。由於應用更多元化,原本提供切換式電源產品,主力應用在PC、伺服器與消費性電源市場的業者,開始接觸到電動車、能源等新的垂直產業,但這些產業都有自己行之有年的產業標準跟規範,且還在與時俱進當中。如何讓工程師快速熟悉相關規範、簡化量測作業,甚至縮短產品開發時程,也成為儀器供應商的責任。
新應用、新挑戰與新機會
是德科技應用工程部專案經理蕭舜謙(圖1)指出,對電源量測來說,寬能隙元件的出現,最直接的影響就是其開關頻率比矽要高出一大截。以往以矽為基礎的MOSFET或IGBT,開關頻率往往只有數百KHz,最高也不過在1~2MHz之間,但寬能隙元件的開關頻率可以達到數十MHz,以後還有可能會拉得更高。
圖1 是德科技應用工程部專案經理蕭舜謙
因此,要開發基於寬能隙元件的電源應用,開發者第一個要面對的,就是儀器的速度必須跟上元件的開關頻率。但開關頻率拉高,除了令既有的電源量測儀器要跟著升級之外,設計工程師還會需要使用新的儀器,例如網路分析儀、EMC測試儀等。因為頻率跟雜訊是連動的,當頻率高過一定門檻之後,電源工程師應對電磁干擾(EMI)的方法,也必須跟著轉變。此外,開關頻率提高,也會讓工程師更難用傳統量測設備取得CV特性、S曲線等電源相關的關鍵參數。因此,電源應用開發只需要示波器跟電源探棒的想法,會越來越難套用在新一代電源的開發上。
如果把電源技術應用型態的拓展也納入考量,則電源設計者面對的問題將會變得更複雜。以往在開發電源供應器時,通常只需要做靜態量測跟功能性量測,動態量測的需求不多。但如果是電動車、能源等產業,這些產業奉行多年的標準,如JEDEC、IEC等,都會要求進行靜/動態同步測試,雙脈衝測試因而成為基本需求,這會用到任意波形產生器跟對應的軟體。且不同垂直應用還會有該產業必須遵守的標準規範,產品必須通過標準合規測試,才有機會進入市場。因此,把上述種種因素加總起來,電源相關產業的產品研發人員,正面臨一個新時代,需要新的設計工具跟儀器來輔助。
是德科技行銷處資深專案經理吳哲樂(圖2)則補充,在開發新一代電源的過程中,開發軟體、模型分析工具的重要性,會比以往更加重要。因此,在是德針對電源應用所推出的PD1000A平台中,除了對應的儀器硬體外,還有大量的軟體工具。這些軟體包含建模軟體和一系列電源電路模擬工具,讓工程師能更輕鬆地建立模型。而包含曲線追蹤、S參數與雙脈衝測試儀硬體的測試套件,能夠從實際的WBG元件取得量測結果,再利用先進的建模軟體,建立是德科技獨有的尖端WBG元件模型。這些模型之後亦可用於是德提供的先進設計系統(ADS)軟體,以模擬並分析高頻元件對於設計可靠度和EMI的影響。在完成第一個原型之前,設計人員可隨時變更設計,藉由省下不必要的設計週期,節省時間與成本。
圖2 是德科技行銷處資深專案經理吳哲樂
整體來說,電源設計團隊如果要開發基於GaN或SiC的新一代電源,且產品的目標應用不是傳統的電源供應器市場,開發者會面臨許多以往不曾遇到的挑戰,儀器供應商必須提供對應的Turnkey方案,才能發揮儀器供應商的價值。而測試軟體跟分析工具,則是這整套Turnkey中,不可或缺的一環。
寬能隙商機來臨 晶圓/元件測試最先有感
太克科技(Tektronics)資深技術顧問陳思豪(圖3)則指出,寬能隙材 料的革命,影響的不只是電源設備的設計開發,更上游的半導體晶圓測試,也需要有所因應。而台灣由於有很完整的晶圓代工跟封裝產業鏈,因此相關晶圓級/封裝級測試,需求已經有所反應。
圖3 太克科技資深技術顧問陳思豪
針對功率元件的晶圓級/封裝級測試,最主要的測試儀器是精密電源量測單元(SMU),而隨著功率元件從矽逐漸轉變為WBG材料,儀器要量測的基本參數其實沒有太多改變,諸如IV曲線、CV曲線、S參數,以及反向電流特性等。但因為大功率是WBG元件一個很重要的特性,因此WBG元件測試的電壓、電流需求,普遍比以往的矽元件來得高,進而促使太克發展出支援高功率、大電流測試的Keithley 2600 PCT系列儀器。
不過,在元件測試端,就跟在系統測試端的情況類似,測試軟體所扮演的角色也越來越吃重。除了基本的測試項目外,為了確保元件可靠度能滿足特定垂直產業需求,不管是晶圓測試還是封裝測試,都需要額外加測很多測試項目,有時加測項目可以達到上百項。因此,利用軟體來實現測試自動化,甚至是用客製化軟體來幫客戶滿足特定測試驗證需求,變成儀器商一個很重要的價值所在。
另一個有趣的觀察點在於,WBG元件測試設備跟軟體的需求,其實不完全來自半導體晶圓廠或封裝廠,有一部分台灣的電源OEM廠商,也開始採購原本用在半導體測試領域的解決方案,以便在採購的元件到貨時,進行進料檢驗(IQC)跟元件分級。陳思豪認為,這是台灣電源產業發展的好現象,顯示有些電源業者已經開始轉往高品質、高附加價值的產品線,而不再只是一味追求低成本。
至於在應用系統的測試方面,太克科技業務經理吳道屏(圖4)則認為,WBG元件所帶來的新技術需求,主要出現在電源探棒上,畢竟對示波器或RF測試儀器來說,量測電源應用訊號跟雜訊所需的頻寬,其實都遠低於目前最先進的高速介面跟無線通訊技術,但電源探棒的需求,是電源系統量測所特有的。
為了因應大功率發展趨勢,電源探棒的性能必須更上一層樓,否則隨著元件上的電壓越來越高,加上要做動態量測,電源設計工程師工作的危險性會隨之大增。事實上,電源量測本來就是有相當風險的工作,因為開關元件會有反向電流,當高側跟低測在切換時,萬一不慎同時導通,出現短路,不僅元件燒毀,正在量測待測物的工程師也會有人身安全的問題。
此外,由於WBG元件的切換速度很快,倘若探棒上的寄生電容沒有相對應的降低,示波器量測到的波形就會跟著失真,讓設計人員無法取得真實的波形。所以,探棒技術的革新,其實是讓WBG元件的應用研發得以開展的關鍵要素。針對WBG元件的應用測試,太克研發出IsoVu探棒系統,該探棒使用光學技術實現完全的電隔離,共模耐壓超過2000V,且寄生電容的容值遠低於傳統探棒,使其成為量測高壓、高頻切換WBG元件的理想選擇。
專訪太克Keithley部門資深技術顧問陳思豪、張志豪 脈波量測確保3D感測光源品質
以整個3D感測的市場發展而言,太克Keithley部門資深技術顧問陳思豪指出,未來幾年無論是臉部辨識或車用光達(LiDAR),年複合成長率(CAGR)都超過20~30%,VCSEL擁有較低的消耗功率和較好的圓形對稱輸出模態,能夠有高品質的單模輸出光源。在3D感測的應用中,如果要增加檢測距離或是提高解析度,高輸出功率且模態穩定的光源非常重要。
與其他雷射光源相較,VCSEL的穩定性與耐候性都較好,太克Keithley部門資深技術顧問張志豪表示,光源影響系統表現甚鉅,甚至在晶圓階段就需要進行量測,然而每片晶圓上雷射晶粒的數量眾多,無法做到普測,如何透過快速的抽樣測試準確判斷雷射晶粒的品質,以免完成系統設計之後才發現晶粒的發光出現問題,就是現階段的重大挑戰。
太克Keithley部門資深技術顧問陳思豪(左);太克Keithley部門資深技術顧問張志豪(右)
陳思豪說明,太克的脈波產生器將高電流/高速脈波產生器的功能以及傳統SMU的測量功能和全部功能整合在一台儀器,每個接腳並列測試最多擴充32個TSP連結節點。達到10μs的10A@10V脈波寬度和完整的1MS/s數位化功能提高應用的生產力,範圍從桌上型特性到高度自動化脈波I-V生產測試。可以自動產生10μs電流脈衝,無需手動調整即可進行VCSEL測試。
該脈波產生器的控制迴路系統無需手動調整高達3μH的負載變化,可確保在任何電流量(最高10安培)下輸出10μs至500μs的脈波時,張志豪強調,脈波均不會出現過沖和振盪。由於脈波上升時間<1.7μs,因此可以正確分析受測裝置或電路的特性,其高完整性脈波輸出,無需在任何電流量下調節。
高覆蓋/輕巧/低功耗 eFEM主攻通訊傳輸應用
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)












