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盛美新推三款晶圓製程濕法清洗設備
盛美半導體設備近日發布三款用於晶圓正、背面清洗製程的濕法清洗設備系列。這一系列設備包括晶圓背面清洗設備Ultra C b,自動槽式濕法清洗設備Ultra C wb,和刷洗設備Ultra C s,它們將盛美創新的濕法製程技術擴展到更廣泛的應用領域。
圖 盛美半導體設備近日發布三款用於晶圓正、背面清洗製程的濕法清洗設備系列。來源:盛美
這三款Ultra C系列新產品的目標市場是先進集成電路、功率半導體和晶圓級封裝(WLP)領域。其中Ultra C b具有良好的顆粒管控能力和刻蝕均勻性控制能力,該設備三大關鍵應用分別為晶圓背面清洗製程,如金屬去除或RCA清洗;晶圓背面濕法矽刻蝕製程,如晶圓背面濕法減薄或濕法矽通孔露出(TSV reveal);以及晶圓回收製程中的多晶矽層、氧化層和氮化層等膜層剝離去除。該設備可處理高翹曲度晶圓,適用於處理200毫米或300毫米超薄晶圓和鍵合晶圓。
進行晶圓背面清洗時,使用傳統的夾具有可能對晶圓正面會帶來損傷,該設備的晶圓夾具與傳統的夾持方式不同,它利用伯努利效應,使晶圓懸浮於晶圓夾具上,而晶圓正面與夾具間無物理接觸。當清洗化學藥液噴淋到晶圓背面進行製程的時候,晶圓帶器件的正面就會由夾具噴出的氮氣(N2)對其進行保護。
自動槽式清洗設備Ultra C wb,由盛美研發的槽式與單片清洗集成設備Ultra C Tahoe的槽式技術基礎開發,可以進行多達50片晶圓的批量清洗。自動槽式清洗設備的關鍵應用為爐管前清洗、RCA清洗、光阻去除、氧化層刻蝕、氮化矽去除,以及晶圓回收製程中前段FEOL多晶矽/氧化矽層剝離去除,和後段BEOL金屬層剝離去除。該設備可針對不同的應用配置不同的化學藥液槽。晶圓依次在化學藥液槽中浸泡,經去離子水(DI)沖洗,最後在ATOMO乾燥模組中以汽化的異丙醇(IPA)進行乾燥,乾燥後無水痕。該設備的模組化設計和較小的占地面積,使其可靈活配置。槽式清洗設備Ultra C wb可高效地回收使用化學藥水,節能減排。該設備可運用於200毫米或者300毫米的晶圓清洗應用。
新型刷洗設備Ultra C s以原先的刷洗技術為基礎,延伸應用於集成電路製造領域。其配備的軟刷可以用精準的壓力控制來清洗晶圓邊緣及背面的顆粒。該設備配有先進的二流體(氣體和液體)噴淋清洗技術,還可選配盛美獨有的空間交變相位移(SAPS)兆聲波技術以滿足客戶更高的需求─更強勁的小顆粒去除能力。模組化系統可配置8個腔體,用於集成電路製造領域300毫米的晶圓清洗,其中四個腔體用於正面清洗製程,四個腔體用於背面清洗製程。
5G考驗晶片封裝可靠度 模擬工具協力解難題
對於這些應用場景來說,5G基礎設施以及雲端運算、邊緣運算,AI等關鍵技術,搭配為不同應用場景設計的終端設備,可實現極其豐富的功能和體驗。但各式各樣的5G設備,都面臨著類似的技術挑戰,比如5G智慧手機、網路設備所使用的系統單晶片(SoC)、射頻積體電路(RFIC)等,一方面必須符合溫度和功耗限制,另一方面仍須具備強大的資料處理能力。
因此,5G晶片的可靠性,是工程師在設計相關晶片產品時,必須重點考慮的面向,且必須從晶片、封裝、系統等不同層次考慮其熱可靠性以及結構可靠性。本文將重點討論電子產品結構可靠性設計方面的典型問題,及如何用模擬工具來解決這些問題的方法。
電子產品對結構可靠性的要求
據美國空軍航空電子整體研究專案(US Air Force Avionics Integrity Program)發現,電子產品失效主要是由溫度、振動、潮濕和粉塵引起(圖1)。
圖1 電子產品失效原因分析
5G電子產品的性能和指標要求將更加苛刻,以最典型的終端產品--手機來說,其5G功能工作在更高的頻段,物理尺寸更加緊湊,電磁損耗更集中,其性能卻更容易受到溫度的影響,以及受到長時間外部使用環境的影響。因此,5G設備對結構可靠性要求將更為嚴格。
要對電子產品的結構可靠性進行分析,可從部件、系統兩個面向來著手;當然,電子產品可靠性也是一個複雜的多物理場分析過程。比如對5G晶片來說,先進封裝技術是保障5G晶片發揮極限性能,且滿足低功耗要求的關鍵技術;高可靠度的封裝,則是5G晶片能長時間安全運行的保證。
時下先進的2.5D IC/3D IC封裝技術,包括通過矽通孔(TSV)實現晶片堆疊、系統封裝(SiP),層疊封裝(PoP),高級晶圓級封裝(WLP),將成為5G晶片封裝設計的主流選擇。堆疊晶片所使用的TSV不僅縮短互連路徑,提高I/O速度,還可有效降低功耗,因為堆疊了多個裸晶(Die),因此減小了電容並減小了尺寸。儘管2.5D或3D IC是非常有前途的封裝技術,但由於其複雜性,仍充滿了挑戰。
系統層面,組裝在一起的5G終端產品,還需考慮整機設備的變形、振動、跌落碰撞、散熱等問題。而這些問題,都是典型的結構可靠性和熱可靠性方面的問題。
PCB/封裝的結構可靠性
如前所述,先進封裝是5G晶片設備的關鍵技術,而日益增長的性能要求和嚴苛的使用環境,對先進封裝的結構可靠性也提出了很大的挑戰。典型的問題有如下幾個方面,後面的分析也將在這幾個方面展開。
・PCB/封裝在迴圈溫度作用下的翹曲分層
・PCB/封裝在潮濕環境下吸濕膨脹(爆米花效應)
・封裝器件在振動衝擊作用下失效等
・封裝焊球在溫度迴圈下產生疲勞裂紋和失效
PCB/封裝在Flip Chip製程+迴圈溫度作用下的翹曲變形
在半導體產業,Flip Chip製程廣泛用於PCB/封裝等元件連接,在此製程下,封裝就會有殘餘變形和應力的產生,也有塑性應變的存在。當PCB/封裝連接後,還會對其進行相應的溫度迴圈測試。使用Ansys Mechanical工具對整個流程進行模擬,可以瞭解Flip Chip製程產生的塑性狀態對後續溫循模擬的影響(圖2)。
圖2 模擬模型和溫度條件
對於PCB/封裝模擬而言,想要得到準確模擬結果,PCB和封裝的材料屬性是關鍵。但對於PCB和封裝的結構過於複雜,且特徵尺寸小,如果按傳統分網格的方法,網格量會巨大,操作起來也不現實;如果考慮計算效率,對每層PCB板賦予相同材料屬性,那計算精度就會大打折扣。
那有沒有一種既考慮精度又能兼顧效率的方法?答案是肯定的。Ansys專利技術“Trace Mapping”正好可以解決PCB模擬的材料模型計算的難題。
通過SCDM導入EDA軟體裡建立的PCB板模型,考慮每一層每個位置的含銅率,計算每一層PCB每個位置的熱物參數(各向異性),比如密度、導熱係數、熱膨脹率、泊松比等。然後通過trace import將計算的詳細熱物參數導入到Mechanical中,Map到多層矩形板上,Map後的矩形板雖然不具有原來PCB板的幾何結構和特徵,但是具有原來PCB板的詳細熱物參數(圖3)。
圖3 PCB熱物理模擬執行程序
因為進行熱力計算時,影響熱力模擬準確性的主要是PCB板自身的熱物參數準確性,所以即使矩形板沒有詳細幾何特徵,也可以進行準確的熱力計算。
使用Trace Mapping方法準確計算PCB各處的材料屬性,再結合生死單元、子模型方法,就可以對Flip Chip+溫循製程進行多尺度精確分析,得到PCB/封裝結構的受力和變形(圖4、圖5)。
圖4 對PCB/封裝結構進行應力分析後得到的視覺化結果
圖5 封裝中金屬和介質材料等效應力
PCB/封裝在潮濕環境下吸濕膨脹
塑封是廣泛應用的電子封裝技術之一。其封裝的基板和塑封料主要成分是樹脂,具有親水性和多孔性。當水分進入封裝中,會使得塑封的電子元器件發生由於吸濕引起的介面層破裂和電子元器件的整體失效破壞,甚至發生爆米花式的斷裂。所以,如美國空軍航空電子完整性專案發現的,濕度也是引起電子產品失效的重要因素。
對吸濕分析而言,最主要是依據濕度的擴散機理,獲取封裝中濕度分佈,最後分析濕度應力。在Ansys中採用菲克第二定律(Fick's second law)來預測隨著時間變化,擴散對濃度分布的影響:
同時為了求解濕度應力,需要熱-結構-擴散直接耦合單元22X系列求解計算(該方法已開發成ACT,整合在workbench中)。
通過以上濕度擴散和耦合單元,可以獲得封裝結構濕度分佈和濕應力狀態,用於找出封裝結構薄弱區域(圖6、圖7)。參考GB2423.3-93等行業標準,可以對封裝在濕度環境下進行試驗,採用Ansys解決方案可以再現該濕度測試試驗。
圖6 封裝中濕度濃度分布
圖7 封裝中濕應力引起的應變
PCB/封裝元件在振動衝擊作用下失效
在某些情況下,振動衝擊所引起的部件失效也會成為封裝結構主要的失效原因,同時封裝結構在受到衝擊的同時,也會受到熱應力的影響。如何同時評估熱應力和振動的影響,得到封裝結構的損傷,最終得到封裝使用壽命是一個需要重點考慮的方向。
對於振動分析,材料屬性也非常關鍵。類似於溫度迴圈分析,同樣可以採用Ansys Trace Mapping來等效計算封裝的材料屬性,對於封裝結構在有熱應力作用下分析,可以在Ansys Workbench採用以下流程進行計算:
對於PCB/封裝的熱分析,可以採用Ansys Mechanical中的熱模組計算,得到PCB/封裝結構的溫度分布。溫度分布結果可以無縫傳遞到結構分析模組,計算得到溫度所引起的熱應力分布。預應力結果同樣可以無縫傳遞到模態分析中,改變結構的剛度,從而改變PCB/封裝的整體振動特性(圖8)。
圖8 考慮熱應力的振動模擬流程
通過以上流程,我們可以儘量考慮溫度對振動特性的影響。如果要分析隨機振動疲勞,在該流程中也能實現(圖9)。
圖9 隨機振動疲勞模擬
在隨機振動後處理中,插入疲勞模組,就可以進行隨機振動計算。預設使用電子行業主流的Steinberg隨機振動疲勞模型。這樣就可以在統一平台上,完成帶預應力(熱應力)的隨機振動分析及振動疲勞分析(圖10)。
圖10 隨機振動疲勞壽命分布
封裝焊球在溫度迴圈下產生疲勞裂紋和失效
電子封裝中廣泛採用SMT及新型的晶片尺寸封裝(CSP)、閘球陣列(BGA)等封裝技術,均要求通過焊點直接實現電氣及剛性結構連接。焊球和非金屬材料的熱膨脹係數差異巨大,工作在高溫下會引起熱應力,造成焊球的熱應變。同時電子元件頻繁開關,讓焊點在高低溫下經受往復應力作用。因此焊球容易在高低溫迴圈下產生裂紋及擴展。因此焊球的可靠性將在很大程度上決定系統的可靠性。
Ansys採用電子封裝行業主流的Anand粘塑性模型表徵焊球材料特性,Darveaux模型來進行焊球壽命預測,並且在Ansys...
專訪Arm應用工程總監徐達勇 AI與資訊安全共構AIoT願景
5G時代各類裝置的效能要求大幅提高,AI將協助裝置提升智慧化的能力,Arm應用工程總監徐達勇表示,以手機來說,85%的機器學習應用仍在CPU、或者CPU+GPU的處理。雖然市場上有NPU或者APU的選項,但較為少數。以IoT裝置來說,很多機器學習的推論功能也都在Cortex-M4或者Cortex-M7上處理。另外,隨著機器學習(Machine Learning, ML)應用越來越多,未來也將運用到神經網路處理器(Neural Network Processor),比起加速器更為通用。
Arm應用工程總監徐達勇表示,5G時代各類裝置的效能要求大幅提高,AI將協助裝置提升智慧化的能力
Arm近年積極發展AI能力,相關IP都能進行AI運算,徐達勇指出,與Cortex A系列搭配的,會有Ethos-N77、N-57與N-37,以針對不同應用、不同效能的需求。而與Cortex M系列搭配、為低耗能應用的Ethos-U55 NPU。因應未來5G時代在機器學習的需求,Arm提供從CPU底層微架構上的加強,到在CPU上層的軟體框架,包含Arm Neural Network(NN)以及為Cortex M的CMSIS NN。
而裝置聯網的數量呈現爆發性成長,讓許多裝置暴露在資安風險下,Arm當然也意識到這樣的問題,徐達勇認為,先要做威脅分析,釐清是物理攻擊或是軟體攻擊,針對網路攻擊,Arm TrustZone主要防護軟體攻擊,將SoC設計分為Normal World與Secure World,可以保護一些需要高安全防護的應用。Arm Cyptocell/Crptoisland防護物理攻擊,如有人惡意去量CPU或SoC與Memory之間的讀寫然後去破解,就需要更高階的防護等級。Platform Security Architecture(PSA)則是防護架構,從分析、制定架構、實施、最後到裝置認證,PSA提供確認清單,協助用戶檢查其裝置安全要求是否到位。
軍工/電信市場左右逢源 GaN RF出貨成長可期
雖然GaN目前最受關注的應用領域為電力電子,特別是各種中低功率的電源供應器、USB快速充電器等應用,但GaN在射頻(RF)領域的應用也在快速成長。研究機構Yole Developpement預估,全球GaN RF元件市場規模將從2019年的7.4億美元成長到2025年的20億美元,複合年增率(CAGR)為12%。
GaN RF最大的應用市場將是軍用雷達,但5G所創造出的需求也不容小覷。Yole預期,在5G領域,GaN RF將與LDMOS技術出現激烈競爭,基於GaN的功率放大器(PA)將因為具有更小的外觀尺寸與更好的效能,而受到原始設備製造商(OEM)的青睞。
5G網路擁抱開放架構 台灣資通廠搶食新商機
5G不僅為行動通訊技術帶來革命,同時也改變了電信設備與電信服務產業的遊戲規則。為節省5G網路建設的資本支出,電信業者無不擁抱開放網路架構,打破設備大廠一手統包的局面。行動網路基礎建設的白牌化,已成擋不住的趨勢,對於以往純做硬體代工的台灣資通訊業者來說,這是進一步切入中階電信設備市場的天賜良機。有鑑於此,台灣區電子電機同業公會(電電公會)日前號召台灣資通訊、網通硬體業者、電信業者及工研院、資策會等研究法人,共同成立5G產業創新發展聯盟,盼藉由串連產業鏈中的各方成員,讓台灣的資通訊產業能抓住5G開放網路架構所帶來的商機。
電電公會理事長李詩欽表示,網路功能虛擬化技術帶起了開放網路架構,對電信營運商來說,提高了營運效率、網路彈性、以及降低布建成本,且近期因疫情影響,部分電信業者考量在縮減支出下,更積極評估採用開放網路架構的可能性。我國伺服器產業在設計與生產製造標準化、客製化都有優異的能力與技術,將有機會擴大相關商機。
思科(Cisco)資深電信策略顧問劉志鴻則分享了日本樂天行動(Rakuten Mobile)與思科在過去幾年利用網路開放架構布建5G網路所累積的經驗。劉志鴻指出,開放架構最吸引電信商的優勢,在於網路建置的成本非常有競爭力,可以節省約50%的成本。但相對的,電信業者必須投入很多研發資源,才能讓整個行動網路穩定地運作。樂天行動技術長Tareq Amin就曾指出,該公司花費數年時間,經過上百次軟體版本迭代,才讓整個系統能夠穩定運行。這是一個非常辛苦的過程,電信業者必須要有所堅持,拒絕電信設備大廠提供的獨門技術、規格進入到自己的網路裡,才有可能實現5G開放網路。
目前台灣的資通訊跟網通業者,雖然已經有能力代工生產微型基地台、RRH等邊緣網路設備硬體,但在軟體方面,就只能仰賴國外原廠。到了DU(Distribution Unit)甚至CU(Central Unit)設備,則盡是傳統電信設備業者的天下,因為這類設備需要軟硬體高度整合才能穩定運作,供應商若只能提供硬體或軟體,是不夠的。因此,開放網路架構對台灣廠商來說,是一個切入的契機。開放網路架構打破了軟硬體緊密綑綁的局面,讓專門發展軟體或硬體的廠商,也有機會切入電信設備市場。目前台灣廠商已經有跟樂天行動合作的成功經驗,樂天行動的網路採用Open RAN架構,DU採用虛擬化,使用廣達x86伺服器及Altiostar的軟體化RAN,在行動核心網路部份,則使用紅帽(Redhat)的OpenStack及思科的NFVI和VNF,底層硬體使用廣達的伺服器。
李詩欽總結說,未來台灣的5G產業戰略思維,應更著重生態系的建立,以過去發展4G所累積的經驗,強化開放網路架構、系統零組件供應鏈,以及垂直應用解決方案能量的整備,並進一步藉由上述重點次領域間的彼此串聯和合作,由垂直創新應用引領零組件和開放網路供應鏈的創新,才能提升我國5G產業鏈競爭力,推升我國成為國際5G重要且可信賴的供應鏈。
英特爾著手研究通用API 無痛跨平台移植加速軟體發展
異質運算蓬勃發展,但軟體要跨不同的硬體平台執行,卻是相當困難的工程挑戰。近期英特爾(Intel)委託高德顧問公司(J.Gold Associate)研究軟體轉移到不同硬體運作的可能性,並提出oneAPI跨架構模型的概念。
圖 英特爾委託高德顧問公司研發oneAPI。來源:英特爾
高德顧問公司Jack Gold表示:「各式各樣的加速處理器進入市場,並且更多的應用程式工作負載可以應用這些處理器的功能,但前提是應用程式必須具備最高的兼容與彈性。像是oneAPI跨架構模型的技術進展,將有助於確保應用程式移植到新興的加速平台,開發人員不需要重寫。」
針對oneAPI的研究報告中透過一個典型的軟體開發流程,以及隨後移植軟體來使用新的加速器硬體,為企業和開發人員提供參考案例。報告同時詳細說明為何現在需要使用加速器,因而為統一軟體開發流程創造適合的時機,並分析道,如果編寫可以針對多種運算設備使用的軟體,將能避免架構受限於特定的供應商,而難以控制時間與成本。
oneAPI的研究包含三大重點:
1. 以數據為中心的工作負載,以及以最佳流程處理它們的架構將持續多樣化。
2. 當需要跨架構移植進行模型開發,若是每次都能將軟體轉移到新的運算平台,便能省下大量的金錢與時間。報告中的範例花費了五個月的時間,總共節省了30萬美元。
3. oneAPI計畫是開源且跨產業的方法,用於下一代的軟體研發,幫助開發人員的工作效率提高,同時不需要在軟體性能上妥協。
隨著英特爾著手進行統一API的研究,未來可望產生互通於CPU/GPU/FPGA/AI加速器之間,不同硬體皆通用的軟體開發體驗,不只協助軟體無痛移植加速平台,在節省時間與金錢成本的同時,活絡生態系中的協作發展。
Luminar降低成本 Volvo預計2022推光達自駕車
儘管現階段光達因為其高昂成本而被許多廠商拒於門外,而許多自駕車系統開發廠商如Tesla與高通都沒有投入光達研發的打算。但是也有傳統汽車業者看好其效能而反其道而行,例如Volvo宣布即將於2022年推出搭載光達的自駕車,試圖以不同的技術面切入,吸引消費者的青睞。
示意圖 Volvo自駕車。來源:Volvo
光電協進會指出,目前市售新車都包括許多感測器(相機與雷達),以輔助自動緊急剎車系統與車道偏移系統等安全裝置。不過現在少有汽車製造商推出搭載光達(LIDAR)的車種,因為大多數光達的價格都高得離譜,主要供應商的價格都在75,000美元左右。
最近Volvo宣布,該公司投資的光達廠商Luminar已經可以降低成本,生產出足夠便宜的感測器,若該公司以所預期的時程將光達安裝在一般市售汽車上,不僅有助於行車安全,也讓自駕車的實用化能有大幅的進展。Volvo希望透過量產大幅降低光達的成本,協助該公司在競爭對手中脫穎而出。Volvo認為,如果將自動駕駛功能限制在高速公路上使用,不僅可分攤LIDAR的成本,而且還可攤提實現自動駕駛汽車所需的高效能運算能力。
Volvo表示,將場域隔離到可以控制和驗證的高速公路環境中,將是讓用戶安全進入自駕技術與自主體驗的安全途徑。因此,該公司的自動駕駛高速公路功能,將在2022年與下一代XC90 SUV一同推出。根據Volvo的描述,Highway Pilot類似特斯拉的Autopilot或凱迪拉克的Super Cruise等駕駛輔助系統(ADAS)的加強版本。不過最大的差異在於,這些系統要求駕駛員隨時將手放在方向盤上,或者在需要控制的情況下關心路況,而Volvo的方案可以完全自動駕駛,無需任何人工干預。
光達成本方面,Luminar表示其目標是將ADAS系統的成本降低至每台裝置500美元,將自駕系統的成本降低至每台裝置1,000美元左右。以該公司所開發的LIDAR來說,其重量不到2磅,射程為250米,較大物體的射程可達500米。當然光達有其不利因素,比如Tesla的執行長Elon Musk就偏好以視覺系統來輔助該公司的自駕系統提供動力。不過Volvo表示,基於相機和雷達的系統缺乏光達的準確性和遠距離功能,也缺少在不同天氣和光照條件進行觀察的能力,而光達則可以建構並增加系統的準確性和可靠性。
隔離層偏置供電設計靈活並簡化 DC/DC電源四架構大整併
穿過隔離層移動訊號和電源對設計工程師而言是一項常見的挑戰。為了提高安全性和抗噪,或產生較大的電位元差時,可能需要在不同系統領域間進行隔離。如手機充電器透過內部隔離,可以在連接器短路時防止用戶觸電。而在工廠機器人等其他應用中,敏感控制電路單獨接地,並與產生較大直流電流、噪音和接地反彈的馬達進行隔離。
通訊和感應通常在隔離層中進行。具有控制器區域網路(CAN)或CAN靈活資料傳輸速率(FD)通訊協定的汽車應用,透過整合隔離和收發器元件的隔離式CAN收發器,可以將這些訊號和汽車的高壓側隔離。工業應用也可以使用CAN協定和RS-485協定進行遠距離序列通訊。與隔離CAN和CANFD訊號雷同,設計工程師可以使用專門為RS-485協定設計的隔離式收發器。保護繼電器使用隔離式電流和電壓感測器來感測電網中的電力輸送。牽引逆變器和馬達驅動器接收馬達控制器發出的脈衝寬度調變訊號,然後訊號經過隔離器向閘極驅動器發出開啟或關閉絕緣柵雙極電晶體的指令。
隔離偏置轉換器可透過從隔離層一側提供另一側偏置電源,實現隔離通訊和感應。電流和電壓感測器、數位隔離器和閘極驅動器通常需15W以下甚至低至幾十毫瓦的電源。圖1為上述每個應用的範例。
圖1 隔離式偏置應用
隔離式DC/DC偏置電源應用多
無論是具有外部電源開關的控制器、集結了多個電源開關和控制器的轉換器,或是整合控制器、電源開關和變壓器為一體的電源模組,都有許多可提供隔離式偏置電源的解決方案。因為偏置電源解決方案的種類廣泛,涉及的應用也五花八門,為了以最低成本符合各類規格,全面瞭解應用需求至關重要。設計人員至少應該瞭解偏置電源的輸入電壓範圍、輸出電壓和輸出功率需求。
有些應用需要多個偏置電壓,因此確定每個輸出的可接受調節範圍為關鍵。隔離等級、操作環境溫度範圍、電磁干擾(EMI)和電磁相容性(EMC)等系統要求會進一步影響設計決策。表1從較廣泛的角度展示隔離式偏置轉換器的四種規格範例。
接下來介紹隔離式偏置電源拓撲的一些範例。
返馳式架構靈活調節/隔離/輸出
返馳式轉換器是一種眾所皆知的拓撲架構,數十年來被廣泛應用。這種電源轉換器因擁有靈活性和低成本等特點,可用於多種應用。透過整合場效電晶體(FET)和一次側控制等增強功能,這種拓撲結構更受矚目。
相較順向、推挽和半橋型等降壓拓撲,返馳式拓撲僅需要一個初級開關、一個整流器和一個類似變壓器的耦合電感器,如圖2為轉換器的簡化電路圖。當初級開關打開時,輸入電壓會施加在初級線圈上,在變壓器的氣隙內儲存能量。在這種情況下,僅有輸出電容器能給輸出負載供電。初級開關關閉時,儲存在變壓器中的能量通過整流器輸送到次級側,為負載和輸出電容器供電。
圖2 返馳式轉換器
返馳式轉換器完全可作為偏置轉換器,原因為返馳式轉換器能在一個轉換階段內實現調節和隔離,也可靈活用於多個輸出。因此讀者可選擇輸出繞組的數量,隨後在變壓器上纏繞線圈,借此支援自身選擇的配置。輸出繞組上的電壓是工作週期和初級到次級繞組匝數比的函數;同時為滿足系統隔離需求,也可以將每個輸出端作為不同的接地基準點。此外,返馳式轉換器的其他優勢,包括相對較低的成本和寬輸入輸出工作電壓範圍。
為實現最佳性能,正確設計返馳式變壓器非常重要。變壓器應有良好的耦合力且漏電感低,以實現最高效率和最佳調節,尤其是在多輸出的情況下。然而還必須限制初級和次級側間的寄生電感,以防止產生過多的電磁干擾(EMI)。
隔離式偏置電源拓撲實現穩定控制
如德州儀器(TI)用於搭建隔離式偏置電源的專用拓撲—Fly-Buck轉換器,其工作輸入電壓可高達100V。與返馳式轉換器相同,金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)通常整合在積體電路(IC)內,可輕鬆實現初級側控制。圖3所示為Fly-Buck轉換器。該拓撲採用同步降壓轉換器和耦合電感器來產生一個或多個隔離式輸出;當高側開關打開時,初級側則作為降壓轉換器運作,次級繞組電流為零;而當高側開關關閉且低側開關打開時,初級側則利用其儲存的能量對次級側供電。
圖3 Fly-Buck轉換器
推挽式變壓驅動器彈性又降噪
推挽式變壓驅動器是適用於低噪聲、小型隔離式電源的常用解決方案,由具有嚴格電壓調節功能的輸入軌供電,以開環模式運作,固定工作週期50%。整合MOSFET到積體電路中,可實現緊湊的電磁解決方案。
圖4所示為推挽式拓撲。推挽式拓撲是順向雙端拓撲,有兩個MOSFET作為接地基準,因此毋須外部自舉電路。與單端順向拓撲轉換器類似,FET的電壓應力是輸入電壓的兩倍。兩個MOSFET每隔半個週期切換一次,工作週期為50%,驅動變壓器裡中心抽頭的繞組。
圖4 推挽式變壓驅動器
同步降壓轉換器非常普遍,因而使得Fly-Buck轉換器拓撲備受青睞。由於回饋迴路可以在初級輸出電壓處閉合,該轉換器不需要額外的輔助繞組或光絕緣器來進行控制。同時,因耦合電感器的結構靈活,匝數比、額定絕緣等級、次級繞組數和PWM工作週期都可控制,因此適用於多種應用。
與返馳式轉換器相同,耦合電感器也必須合理設計,尤其注意要在限制初級到次級的寄生電容時控制漏電感。對於需要100V以上輸入的應用,可以使用具有外部MOSFET的Fly-Buck轉換器。
推挽式變壓驅動器是一種普遍的隔離式偏置電源解決方案,原因是其具有靈活性,能支援多路輸出;其開環配置省去回饋迴路,進而簡化設計。該變壓器具有較低的初級和次級電容,相較返馳式和Fly-Buck轉換器能降低共模噪音。此外,推挽式拓撲能更有效利用變壓器鐵芯的磁化電流,以實現比返馳式和Fly-Buck轉換器更小的磁解決方案。
即使變壓驅動器具有許多優點,但也應注意權衡利弊。不同於返馳式和Fly-Buck轉換器,變壓驅動器不支援寬輸入電壓範圍,需要嚴格調節輸入電壓;且由於沒有閉合迴路,不容易滿足輸出電壓反饋調節需求,可能需要低壓差線性穩壓器(LDO)。
電源模組常搭配隔離式偏置轉換器
電壓模組具有數十年的發展歷史。這類解決方案非常普遍,與離散式電源相比可顯著提高整合度。電源模組種類繁多,可提供輸入電壓、輸出電壓、輸出功率、輸出數量、隔離等級和調節等選項。
一般電源模組內部運作的原理,其拓撲包括變壓驅動器,與離散式拓撲雷同;某些元件可能整合成一個輸出LDO作為調節。
電源模組為大部分的隔離式偏置轉換器應用提供多種選項,因為毋須規定、設計或選擇變壓器,可以大幅簡化設計過程,只需加入輸入和輸出去耦電容就可以開始設計。同樣地,也提供同步、輸出電壓選擇、賦能和錯誤訊號等其他選項。
在使用專門配置輸出數量和變壓器匝數比的模組時,可能會降低靈活性。與額定環境溫度為125℃的模組相比,55℃和85℃選項的模組更受青睞;同樣地,採用完全增強式隔離的模組數量也不及採用功能型或基本隔離的模組。
未來偏置解決方案趨向整合
變壓器設計的創新和更高頻率的拓撲可使IC設計者將變壓器和矽整合到一個IC中,而終端用戶不需再設計變壓器或降低系統性能,便能獲得小型輕量級的隔離式DC/DC偏置電源。圖5所示為德州儀器偏置電源UCC12050的原理圖,儘管看起來與具有整合功率級和整流器的電源模組類似,但研究其運作後發現,其開關頻率比電源模組高很多。
圖5 UCC12050隔離式DC/DC偏置電源
相較開關頻率較低的其他電源,該電源的高度和重量都顯著降低;若使用內部拓撲控制方案,毋需LDO或外部回饋元件即可實現閉合迴路運作,因此可為各種隔離式DC/DC偏置電源應用帶來許多優勢。其設計使用EMI最佳化變壓器,初級側至次級側之間的電容僅為3.5pF,採用雜訊控制方案。毋需鐵氧體磁珠或LDO,雙層PCB解決方案本身即符合CISPR32B類標準。該裝置性能強勁,增強型隔離額定值為5kVrms,額定工作電壓為1.2kVrms,可在125℃環境溫度下運作。該裝置系列還包括UCC12040,其基本隔離額定值為3kVrms,額定工作電壓為800Vrms。
表2則對上述各種拓撲進行比較,可藉此看出,具有外部變壓器的拓撲能帶來較大的靈活性,而電源模組和UCC12050簡便易用。
現今已有許多隔離式電源可以選擇,但仍須瞭解輸出數量、調節需求、輸出功率、隔離等級、工作溫度和輸入電壓範圍等系統級規格。
(本文作者為德州儀器業務主管)
遠距!遠距!多少忙碌假汝之名而行
人們在遠距會議裡,經常會習慣性的使用在實體會議室裡的環境語言,例如在遠距視訊會議環境裡,我經常遇到報告人經由分享功能,呈現簡報內容給所有的參與者之後,就迫不及待的啟動實體會議的報告模式「今天要說明的主題是…各位可以看到左邊的數字…」,完全不理會遠端的視訊參與者,有沒有在自己面前的視訊螢幕看到簡報內容,直到有人透過文字訊息提出質疑,報告人才想到要先確認所有視訊參與成員,在螢幕上看到的內容,是不是一致。因為以前在實體會議室裡,大家都是經由投影機,看到相同的訊息。
還有視訊會議的參與者,也會干擾或打斷會議進行的節奏,例如中途加入會議的人,疏忽使用靜音模式,結果所有人都會在耳機裡聽到,有人拖著沈重步伐,拉開椅子坐下,喝口水,點按滑鼠的聲音…此時,就會有「正義感」出現,傳送文字訊息提醒「某某,你忘了關靜音,影響到大家了…」,某某就會趕快關靜音,還忙著傳送文字訊息「啊!我忘了,謝謝提醒…」,然後「正義感」一定會很有禮貌的回覆「不客氣」的文字訊息,結果文字訊息欄的畫面,就會很像是被打開的黑盒子,突然飛出很多的「+1」、「me too」、「><」、「haha~」、「:)」、「XDD」等訊息,這些人在相互傳送文字訊息時,報告人還是一直在講,沒有停過。
甚至有時候還會聽到視訊會議參與者,一直傳送「聽不見」、「很小聲」、「有雜音」、「斷斷續續」的訊息,結果都是自己使用的設備問題,例如忘了開啟音量、家用網路頻寬不足、把耳機當做耳嘜來用,甚至是耳嘜的插孔鬆脫,此時往往會打斷會議的節奏,因為會有一堆人協作,想要解決某個人的問題。
至於遠距教學,遇到的現象就更有意思了!
因為是無遠弗屆的網路視訊軟體,使用筆記型電腦、平板電腦或行動電話,都可以Ubiquitous的連結上課,我發現有些經常晚到或不到的學生,竟然都很準時出現在網路教室裡(是因為點選連結就算有到課嗎?)。
因為看不見學生們(不是有視訊攝影機嗎?),有些學生很害羞(我不了解為什麼?),就是不願意開啟視訊鏡頭,為避免時間膠著在這樣的小問題上,我立刻宣佈不用開啟視訊鏡頭(大家都很高興),因為看不到學生們,我就要時時確認學生有沒有在遠端聽課(雖然他有連線與持續Online的紀錄),然後就會發生,老師問「某某!分享你對這個現象的看法?」,大約5秒鐘之後(這是很緊張的無聲時刻),被問到的學生就會突然回答「!老師我在…我在,嗯…我覺得…」。
我不知道為什麼我跟多數的學生視訊教學互動時,都會有「緊張的無聲時刻」,學生們的答覆是「電腦Lag」、「找不到取消靜音按鍵」(又不是第一次上遠距課)、「奇怪!我有講話啊」(可是大家就是沒有聽到啊)、「嗯…我剛剛去上廁所」(這算很有誠意的回答了)。
還有更有趣的,被我點到要發言互動的學生,就是不願意開啟麥克風講話,使用文字訊息回覆給我:「老師!不好意思,我現在不方便說話」(什麼!這不是上課時間嗎?);還有的學生很快就回應我,可是背景聲音很熟悉「老師!不好意思我在捷運上…」、「老師!我剛剛在Seven買東西…」。
不論是視訊會議或遠距教學,過往都缺少大規模的實務演練機會,多數的研究結論是來自小型的實驗成果。但是,今年因為新冠肺炎的防疫政策,許多人被強迫必須接受「遠距」使用行為,夢想中的在家工作(WFH),突然變得理所當然,對許多企業或組織內的IT工作人員來說,就像是在實施全面性的系統壓力測試,就有IT人跟我說,壓力真的很大,好像公司所有人都在幫忙測試系統,不管遇到什麼樣的問題,都被認為是IT的問題。
假設IT很穩定,那麼「遠距」這件事,還會有什麼問題?
讓我們先來看看「遠距」有那些應用型式?首先將「時間(Time)」、「地點(Place)」、「不同(Different)」、「相同(Same)」四個因素,區分為2x2的矩陣,就會得到四個結果,分別是「同時間-同地點(ST-SP)」、「同時間-不同地點(ST-DP)」、「不同時間-同地點(DT-SP)」、「不同時間-不同地點(DT-DP)」。在相同的時間,不論地點的異同,被統稱為同步遠距(Synchronous Distance);同樣不論地點的異同,在不相同的時間,就被統稱為非同步遠距(Asynchronous Distance)。
非同步遠距(AD)比較像「錄播」,各自在不同的時間與地點取得需要的內容,例如隨選視訊(MOD)或訂閱Youtuber的頻道;同步遠距(SD)則類似「直播」,想要看到完整的內容,就要配合固定的播出時間,如果內容被區分為多個時段,就可以選擇自己要看的時段,例如電視台的節目時刻表。
在防疫之前,因為有教室或會議室的實體環境,所以許多「遠距」的應用結論,都是來自小規模實驗成果的優劣分析,將使用者的行為模式,傾向以中性的角度分析,但是根據我個人,近兩個月來的使用經驗,人類的行為模式絕對不是中性的,在「遠距」互動的過程中,不論在職場或學校,都會找到相同的人性行為模式,例如關閉攝影機鏡頭的原因,「是因為在沒有講話的時候,感覺會一直被別人看到,怪怪的!」、或「在家工作,沒有化妝,不好意思」、或「視訊鏡頭的角度把我照得很難看」、或「家裡沒有書桌,在飯桌開會,旁邊有人不方便」、或「女朋友在旁邊,不想讓她聽到跟主管的對話……」。
目前的視訊會議軟體,團體協作的功能愈來愈完備,但是較缺乏個人使用環境的功能設計,多數設計偏重於關注使用者的視訊背景,如景深模糊、更換背景圖等功能。或許在不久的未來,我們可以看到「美肌美膚、播放背景音樂、建議視訊鏡頭角度、自動蘋果光」等個人化視訊社交功能。
美國哈佛大學教授嘉德納(Heidi K. Gardner)認為,當團隊運用「遠距」型態溝通運作時,會議主持人的領導風格是成功關鍵,她建議要避免實體會議的模式,不要一開始就切入主題與目標,而是要先花點時間,引導成員彼此了解近況及目前的工作環境,為大家建構一個「虛擬茶水間」的溝通氣氛,有助於維持遠距工作團隊精神,讓溝通內容產生人情味;而主持人鼓勵團隊成員的彼此對話,更有助於避免產生歸因謬誤(Attribution Error),與會者會不自覺的以個人的經驗,去解釋別人此時此刻的行為結果,例如誤解「不講話就是不用心參與」、「懷疑某人還掛在線上,其實已經離開座位」。
長時間的遠距工作,也容易讓人產生社交疏離感,嘉德納教授建議「安排定期開會」是最佳的解決辦法,可以增加定期開會頻率,但是要避免召開臨時會議,因為會打斷團隊成員的工作節奏,甚至會讓大家頻於在各個遠距會議室裡轉換進出,反而更容易影響工作效率。
Ansys電源雜訊簽核平台獲台積電先進製程技術認證
Ansys新一代系統單晶片(system-on-chip, SoC)電源雜訊簽核(signoff)平台獲得台積電(TSMC)所有先進製程技術的認證,將協助共同客戶驗證全球晶片的電源需求及可靠性,並應用於人工智慧(AI)、機器學習、5G行動網路和高效能運算(high-performance computing, HPC)等領域。
圖 Ansys電源雜訊簽核平台獲台積電先進製程技術認證。來源:台積電
Ansys副總裁暨總經理John Lee表示:「我們和TSMC合作所展現的深度和廣度,顯現多重物理場簽核技術在 AI、5G、HPC、機器學習、網路、汽車與更多其他應用領域的價值和需求。由於電晶體技術的進展,RedHawk-SC能滿足不斷成長的平行處理及強大運算容量的需求,支援更多 3D 積體電路(IC)封裝技術應用。」
若能讓採用先進製程的晶片在有熱點存在,且電晶體切換行為高度多樣化的情況下,仍能可靠地運作,晶片設計者就無須對配電網路(Power Distribution Network)進行過度設計(Overdesign)。但由於先進製程遇到的技術限制增加,配電網路的規模也隨之顯著成長,加上使用先進製程的晶片往往內含上百億個點子節點,使得與先進製程搭配的設計工具必須支援大規模平行化,並具備非常高的容量。
為促進TSMC領先業界的製程節點發展(包含 N16、N12、N7、N6 及 N5 製程技術),Ansys 與TSMC共同合作,完成Ansys RedHawk-SC的認證。認證項目包含擷取、電源完整性與可靠性、訊號電子遷移(electromigration, EM)、熱可靠性分析以及統計電子遷移預算(statistical EM budgeting)分析。RedHawk-SC能夠在基於大數據機器學習架構的高度平行化資料庫,以最佳化電子設計的Ansys RedHawk-SC中,執行簽核演算法來分析大量設計資訊,提供快效能並擴充容量。












