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ToF技術在智慧型手機上，已經衍生出兩大類應用，其一是用來實現人臉辨識，另一個則是取得所在場域的深度資訊，進而強化手機拍照功能。 智慧型手機是一個年出貨量超過十億支的超大規模應用市場，照理說，能應用在這個市場的技術，都已經有一定的成熟度，但截至目前為止，環繞在ToF感測周邊的生態系統，還有許多改進的空間。 除了手機之外，ToF在其他應用領域還有很大的潛力，但不同應用對ToF的需求不盡相同，配套方案的成熟度跟資源也未必如手機般完整。因此，ToF若要在其他消費性電子或工業領域複製手機上的成功經驗，最大的關鍵，仍在於如何盡速搭建出完善的生態系統。除了感應晶片供應商之外，鏡頭模組廠、軟體開發商等業者也必須共同努力，才能完成光、機、電、軟的跨界整合。 ToF雜訊抑制仍需特別注意 英飛凌(Infineon)大中華區電源與感測系統事業部主任工程師林慶宗(圖1)指出，ToF技術問世至今已經有十多年歷史，感測器本身的性能在過去十多年來，有很明顯的進步。但在實際應用上，ToF感測的精準度除了取決於感測器本身的設計之外，環繞在感測器周邊的元件，也扮演著非常重要的角色。 圖1　英飛凌大中華區電源與感測系統事業部主任工程師林慶宗 ToF技術是以紅外線作為感測介質，因此，跟紅外線有關的因素，對ToF感測的表現具有決定性的影響力。以感測器本體來說，如何因應環境中本來就存在的紅外線，抑制其對感測器的干擾，是首要的技術課題。事實上，太陽本身就是一個強大的紅外線來源，因此在設計感測器的時候，選擇正確的頻譜，避開太陽所造成的紅外線干擾，是最關鍵的。 另一方面，因為ToF必須搭配主動光源，因此在選擇感測器頻段時，還得考慮市場上是否有對應的光源元件可供選用。目前比較主流的紅外線光源有兩種，一是IR LED，另一個則是IR VCSEL，其所發射的紅外線波長，大多都屬於近紅外線(NIR)，即750奈米~1,400奈米之間。而其中又以760奈米、850奈米與940奈米最為主流。 因此，目前業界所推出的ToF感測器，多半工作在上述三個波長。以英飛凌為例，其Real3感測器就是工作在850奈米與940奈米這兩個波長。但太陽光中所含有的紅外線，在這兩個波長的能量還是相當強的，所以在設計感測器時，必須設法降低感測器過飽和的風險。 其實，ToF感測器跟一般相機所使用的CIS很類似，只是ToF感測器接收的是紅外線，一般相機接收的是可見光。相信很多人在拍照的時候，都曾經拍出過度曝光、畫面死白的照片。這個就是CIS過飽和所造成的結果。ToF感測器接收到太強的紅外線能量時，也會有一樣的狀況，只是ToF過飽和所造成的結果不是死白的畫素，而是沒有深度資訊的畫素。 因此，英飛凌在與PMD合作開發Real3 ToF感測器時，特別開發出背景照明抑制技術(Supression of Background Illumination, SBI)，以避免感測器在背景環境的紅外線能量太強時，產生過飽和現象。圖2是在照度50kLux，對距離50公分的兩張人臉進行感測所取得的ToF點雲，這個照度大約跟晴天上午10點的陽光類似。在沒開啟SBI功能時，可以看到ToF感測器出現嚴重過飽和，原本該有深度資訊的點，都變成一片死白；但開啟SBI功能時，ToF感測器就能正常取得目標物的點雲。值得一提的是，關閉SBI功能時，快門的曝光時間為0.15毫秒，開啟SBI功能時，快門時間則長達0.3毫秒，換算下來，SBI功能大概可以讓感測器的動態範圍增加20倍之多。 圖2　背景照明抑制(SBI)功能對ToF感測器的抗干擾能力有很明顯的影響，左為SBI關閉的感測結果，右為SBI開啟的感測結果。 除了自然界中本來就存在的紅外線干擾外，搭配ToF感測器的主動光源，也會對3D感測的效果造成很大的影響。目前業界所使用的主動光源，不外IR LED與IR VCSEL兩種，IR LED的成本非常有優勢，但除此之外，在體積、可調變範圍方面，都遠不如VCSEL。其中，可調變範圍這項參數會直接影響ToF的感測解析度。 由於IR LED的調變頻率最快只能做到30MHz，VCSEL則可高達150MHz，若要應用對感測精細度的要求較高，例如人臉辨識，就必須使用VCSEL光源。 完善生態系統不可或缺 亞德諾(ADI)大中華應用工程總監李財旺則認為，不同應用情境對ToF的需求也不一樣，因此ToF解決方案必須在各種指標之間取得平衡。例如汽車、工業自動化、醫療電子、新零售、智慧監控等專業級場景來說，ToF感測系統不僅需要在精度、範圍、響應時間、解析度、成本、功耗、封裝之間取得平衡，還需要針對不同情況中出現的各種不可控因素、感測系統的靈活性與抗干擾性等方面進行客製化的冗餘設計。 這些冗餘設計有時是硬體，例如加入高可靠性的濾波和抗干擾元件/模組，有時則是軟體演算法，以保證系統有足夠的能力因應不同類型的突發狀況。 ToF或者3D技術從前端到後端都需要上下游產業鏈一起配合。它需要光學、電、晶片級、電路級，以及模組廠，還有一些應用專業產業來共同開發、適配整個方案。作為一種新型的視覺感測技術，無論是針對消費性還是專業級應用領域，目前需解決的基礎性問題還很多，未來如何透過技術去真正實現成本、功耗、體積、速度、壽命、穩定性以及抗干擾能力等多方面的平衡，以達到一個相對目前來說更為優化的水準，進而實現ToF視覺感測技術實際應用中可靠性的提升。 ToF是一種複雜的技術，必須擁有深厚的光學專業技術才能讓VGA感測器發揮最高效能。光學校正、高速脈衝時序模式、溫度漂移、以及補償等因素都會影響到深度的準確度。有可能要歷經冗長的設計週期才能達到想要的效能。同時，與感測器搭配的處理器也扮演非常重要的角色，因為3D ToF需要更高的運算能力。 ADI已支援許多精簡晶片數量的設計來因應客戶拓展商機的需求。針對許多客戶仍尋求更容易、更快速、更有效率的商品化途徑，希望能擁有簡單的展示模組，讓他們能先評測技術的效能，滿意之後再展開實際專案。ADI除了已經透過與許多領域的硬體夥伴合作，聯手提供不同層級的硬體方案之外，也透過與外部軟體夥伴合作，聯手將深度處理演算法方面的專才發揮至軟體層面。 事實上，即便是智慧型手機，目前的ToF配套方案也還沒有發展到十分成熟的地步。舉例來說，因為ToF感測器其實是一種特殊的相機，照手機的系統架構來說，應該要在影像處理器(ISP)便完成ToF資料的解算，但目前市面上並沒有手機的ISP晶片內建ToF運算加速硬體，導致ToF感測器取得的資料必須耗用ISP，甚至手機應用處理器的運算資源來處理。就功耗最佳化的角度來看，最理想的方法還是要在ISP添加專用的硬體電路來解算，這是手機相關晶片業者在制定產品發展藍圖時，可以思考的發展方向。 但如果是手機以外的應用產品，因為在系統的硬體架構中，不一定有ISP的存在，這時就得考慮外掛數位訊號處理器(DSP)，或是採用整合DSP功能的感測解決方案。例如亞德諾的ToF解決方案，因為其鎖定的目標市場是各種專業級應用，因此有一部分方案已經包含處理器功能，應用開發者不需要擔心ToF會額外占用系統主處理器的資源。 圖3　目前手機ToF的典型訊號鏈，可見大多數的運算任務都還是要靠應用處理器來執行。 開拓多元應用　模組廠配合是關鍵 由於ToF是一種特殊功能的相機模組，終端產品製造商要靠自己的力量完成光學、電子的整合設計，是非常困難的任務，因此終端產品製造商通常不會直接跟感測元件供應商採購元件，而是向模組製造商購買已經整合好的模組，據此進行系統開發。 這意味著模組供應商對於ToF能不能開拓出更多應用，有非常大的影響力。如果模組廠商投入ToF的意願不高，即便ToF能為終端產品帶來很多附加價值，產品製造商恐怕也找不到可用的模組。因此，不管是英飛凌或亞德諾，除了開發感測晶片之外，在模組廠的業務經營上，也投入不少資源。 舉例來說，如果要將ToF技術推向筆記型電腦(NB)/平板電腦這類應用產品，原本供應NB相機模組的台系模組廠，如光寶、富士康是否願意投入，就會是關鍵。至於車用相機或工業相機，也有自己的供應鏈生態，如果要將ToF推入汽車跟工業市場，也得獲得這些模組廠商的支持。 由於生態系的建立跟經營需要一段時間，因此ToF技術雖然可以在許多應用場合找到發揮的空間，但個別產業導入的時間，仍會有快慢之別。按照生態系統發展的成熟度來看，在智慧型手機之後，掃地機器人會是最快將ToF感測功能列為標準配備的消費性電子產品。 至於NB跟平板電腦，因為供應鏈業者跟手機有若干重疊，導入的速度應該也不會太慢，特別是蘋果(Apple)在iPad Pro上內建光達功能後，許多品牌商為了跟蘋果抗衡，應該會加快導入的進程。

透過總結上個世紀的經驗，汽車製造商對會干擾運作、造成損壞的電子狀況和瞬變進行分類。國際標準組織(ISO)對業界知識進行編譯，並制定出適用於道路車輛的ISO 16750-2和ISO 7367-2規範。汽車電子控制單元(ECU)使用的電源至少應該能夠承受這些狀況，且不造成損壞。至於關鍵系統，則必須保持功能性和容差。這需要電源透過瞬變調節輸出電壓，以保持ECU運作。在理想的情況下，完整的電源解決方案毋需使用保險絲，而可以最大限度地降低功耗，且採用低靜態電流，在不耗盡電池電量的情況下保持支援系統開啟。 ISO 16750-2合併多方案解決汽車電子系統挑戰 在最近的反覆運算中，ISO 7367-2電磁相容規範主要介紹來自相對較高的阻抗源(2Ω至50Ω)的大幅度(>100V)、短時持續(150ns至2ms)瞬變。這些電壓峰值通常可以使用被動元件消除。圖1顯示定義的ISO 7367-2脈衝1，以及增加的330μF旁路電容。電容將尖峰幅度從-150V降低至-16V，完全在反向電池保護電路支援的範圍內。ISO 7367-2脈衝2a、3a和3b的能耗遠低於脈衝1，所需的抑制電容也更少。 圖1　ISO 7367-2：具備和不具備330μF旁路電容的脈衝1 ISO 16750-2主要介紹來自低阻抗源的長脈衝。這些瞬變無法輕鬆過濾，通常需要使用基於穩壓器的主動式解決方案。一些更具挑戰性的測試包括：負載突降(測試4.6.4)、電池反接(測試4.7)、疊加交變電壓測試(測試4.4)，以及引擎啟動工況(測試4.6.3)。圖2顯示了這些測試脈衝的視圖。ISO 16750-2中所示條件的差異性，加上ECU對電壓和電流的要求，通常需要合併使用這些方案，以滿足所有要求。 圖2　更嚴格的ISO 16750-2測試概述 TVS/降壓穩壓器慎防負載突降 負載突降(Load Dump)(ISO 16750-2：測試4.6.4)屬於嚴重的瞬態過壓，其模擬電池斷開，但交流發電機提供大量電流的情況。負載突降期間的峰值電壓被分為受抑制電壓或未受抑制電壓，由三相交流發電機的輸出是否使用雪崩二極體來決定。受抑制的負載突降脈衝限制在35V，不受抑制的脈衝峰值範圍則為79V至101V。無論是處於哪種情況，因為交流發電器定子繞組中儲存了大量的電磁能量，所以可能需要400ms進行恢復。雖然大部分汽車製造商使用雪崩二極體，但隨著人們對可靠性的要求不斷增高，使得一些製造商要求ECU的峰值負載突降電壓必須接近未受抑制情況下的電壓。 解決負載突降問題的方法之一，就是添加瞬變電壓抑制器(TVS)二極體，從局部箝位ECU電源。更精小、容差更嚴格的方法則是使用主動湧浪抑制器，例如LTC4364，該抑制器以線性方式控制串接的N通道MOSFET，將最大輸出電壓箝位至使用者配置的水準(例如27V)。湧浪抑制器可以幫助斷開輸出，支援可配置限流值和欠壓鎖定，且可使用背靠背NFET提供通常需要的反向電池保護。 對於線性穩壓功率元件，例如湧浪抑制器來說，其所存在的隱患在於，在負載突降期間限制輸出電壓，或者在短路輸出期間限制電流時，N通道MOSFET可能功耗較大。功率MOSFET的安全工作區域(SOA)限制最終會限制湧浪抑制器能夠提供的最大電流。它還提出了在N通道MOSFET必須關閉，以避免造成損壞之前，必須保持穩壓的時長限制(通常使用可配置計時器針腳設置)。這些SOA導致的限制隨著工作電壓升高變得更加嚴重，而增加了湧浪抑制器在24V和48V系統中使用的難度。 更具擴展性的方法是使用降壓穩壓器，該穩壓器可在42V輸入下運作。切換開關穩壓器與線性穩壓器不同，其並無MOSFET SOA限制，但顯然它更加複雜。降壓穩壓器的效率支援實施大電流操作，其頂部切換開關則允許輸出斷開，並支援電流限制。至於降壓穩壓器靜態電流問題，已由最新一代元件解決，這些元件僅消耗幾微安培電流，在無負載條件下也能保持穩壓。透過使用Silent Switcher技術和展頻技術，切換開關雜訊問題也得到大幅的改善。 此外，有些降壓穩壓器能按100%工作週期運作，保證頂部切換開關持續開啟，透過電感將輸入電壓傳輸到輸出。在過電壓或過電流條件下，會觸發切換開關操作，以分別限制輸出電壓或電流。這些降壓穩壓器作為切換開關湧浪抑制器使用，實現低雜訊、低損耗操作，同時保持切換開關模式電源的可靠性。 理想二極體控制器驅動降反向電壓功耗 當電池終端或跳線因為操作員故障反向連接時，會發生反向電壓條件(也稱為反向電池條件)。相關的ISO 16750-2脈衝(測試4.7)反覆對DUT施加-14V電壓，每次60秒。關於此測試，有些製造商增加了自己的動態版本，在突然施加反向偏置(4V)之前，先起始地為此元件供電(例如VIN=10.8V)。 快速研究資料手冊後發現，很少有IC設計可以接受反向偏置，其中IC的絕對最小針腳電壓一般限制在-0.3V。低於地的電壓如果超過一個二極體的電壓，會導致額外電流流過內部接面，例如ESD保護元件和功率MOSFET的二極體。在反向電池條件下，極化旁路電容(例如鋁電解電容)也可能受到損壞。 肖特基二極體可以防止反向電流，但在正常運行期間，正向電流更高時，這種方法會導致更大功耗。圖3所示為基於串接P通道MOSFET的簡單保護方案，這種方案可以降低功耗損失，但在低輸入電壓下(例如發動機啟動)，因為元件門檻電壓的原因，這種方案可能無法順暢運行。更加有效的方法是使用理想二極體控制器，以驅動串列N通道MOSFET，該MOSFET在負電壓時切斷輸入電壓。正常運作期間，理想二極體控制器調節N通道MOSFET的源漏電壓降低到30mV或更低，將正向壓降和功耗降低超過一個數量級(相較於肖特基二極體)。 主動整流器高頻輸入電壓護下游電路 疊加交變電壓測試(ISO 16750-2：測試4.4)模擬汽車的交流發電器的交流輸出的影響。正如其名，正弦訊號在電池軌道上疊加，峰值幅度為1V、2V或4V，具體由嚴重程度分類決定。對於所有嚴重性等級，最大輸入電壓為16V。正弦頻率以對數方式排列，範圍為50Hz至25kHz，然後在120秒內回到50Hz，總共重複5次。 本測試會導致在任何的互連濾波器網路內產生大幅度諧振低於25kHz的電流和電壓擺幅，它也會使切換開關穩壓器出現問題，其迴路頻寬限制使其難以透過高頻率輸入訊號進行調節。解決方案就像是中間整流元件，例如功率肖特基二極體，但對於反向電壓保護，這並不是一種解決問題的好方法。 在這種情況下，理想的二極體控制器無法像在反向電壓保護應用中一樣發揮作用，因為它無法足夠快速地切換開關N通道MOSFET，以和輸入保持同步。閘極上拉強度是其中一個限制因素，一般因為內部電荷泵限制在20μA左右。當理想的二極體控制器能夠快速關閉MOSFET時，開啟速度會非常慢，不適合對極低頻率以外的情況實施整流。 更合適的方法是使用LT8672主動整流器控制器，該控制器可以快速開關N通道MOSFET，以高達100kHz的頻率整流輸入電壓。主動整流器控制器是帶有兩個重要附加元件的理想二極體控制器，一個由輸入電壓增壓的大型電荷記憶體，另一個是快速開關N通道MOSFET的強勁閘極驅動器。相較於使用肖特基二極體，這種方法可以降低功率損失達90%以上。LT8672也和理想的二極體控制器一樣，保護下游電路不受電池反接影響。 MOSFET限制切換開關解決啟動工況 發動機啟動工況(ISO 16750-2：測試4.6.3)屬於極端欠壓瞬變，有時候指代冷啟動脈衝，這是因為在更低溫度下，會發生最糟糕的電池壓降。特別是當啟動器啟動時，12V電池電壓可能立刻降低到8V、6V、4.5V或3V，具體由嚴重程度分類決定(分別為I、IV、II和III級)。 有些系統中，低壓差(LDO)線性穩壓器或開關降壓穩壓器足以支援電源電軌因應這些瞬變，只要ECU電壓低於最低的輸入電壓。例如，如果最高的ECU輸出電壓為5V，且其必須達到嚴重程度等級IV(最低輸入電壓6V)，那麼使用壓差低於1V的穩壓器即可。發動機啟動工況電壓最低的分區只能持續15ms至20ms，所以大型旁路電容之後的整流元件(肖特基二極體、理想二極體控制器、主動整流器控制器)可能可經受這部分脈衝，如果電壓淨空短暫地下降至低於穩壓器壓降差。 但是，如果ECU必須支援高於最低輸入電壓的電壓，則需要使用升壓穩壓器。升壓穩壓器可以在高電流位準上，有效保持來自低於3V輸入與12V輸出電壓。但是升壓穩壓器還存在一個問題，從輸入到輸出的二極體路徑無法斷開，所以自然地電流在啟動時或者短路時不受限。為了防止電流失控，專用的升壓穩壓器整合湧浪抑制器前端來支援輸出斷開和限流，以及在使用背靠背N通道MOSFET時提供反向電壓保護。這個解決方案可以利用單個積體電路解決負載突降、發動機啟動和電池反接，但是可用電流受湧浪抑制器MOSFET的SOA限制。 四開關的升降壓穩壓器透過共用的電感來聯合同步降壓穩壓器和同步升壓穩壓器，以消除此限制。這種方法可以滿足負載突降和發動機啟動工況測試的要求，且電流位準或脈衝持續時間不會受到MOSFET SOA限制，同時還保有斷開輸出和限流的能力。 升降壓穩壓器的開關操作由輸入和輸出電壓之間的關係決定。如果輸入遠高於輸出，升壓頂部開關持續開啟，降壓功率級則降低輸入。同樣的，如果輸入遠低於輸出，降壓頂部切換開關持續開啟，升壓功率級則增高輸出。如果輸入和輸出大致相等(在10%至25%之間)，那麼降壓和升壓功率級會以交錯方式同時開啟。如此，可以透過僅對高於、約等於或低於輸出的輸入電壓實施穩壓所需的MOSFET限制切換開關，分別最大化各個開關區域(降壓、升降壓、升壓)的效率。 圖3匯總介紹了應對負載突降、反向輸入電壓、疊加交變電壓和發動機啟動工況測試的各種解決方案，以及各種方案的優缺點。可以得出幾個關鍵結論： ˙漏極面向輸入的串接N通道MOSFET極其有用，因為它可用於限流和斷開輸出，無論是它被用作切換開關(例如在降壓功率級中)或線性控制元件(例如在湧浪抑制器中)。 ˙涉及反向輸入保護和疊加交變電壓時，使用N通道MOSFET作為整流元件(面向輸入的源極)可以大幅降低功率損失和壓降(相較於使用肖特基二極體)。 圖3　解決困難的ISO 16750-2測試採不同方法 ˙相較於線性穩壓器，使用切換開關模式電源更合適，因為它可以消除功率元件的SOA導致的可靠性問題和輸出電流限制。它可以無限調節輸入電壓極限值，而線性穩壓器和被動解決方案本身存在時間限制，這種限制會令設計更加複雜。 ˙升壓穩壓器不見得需要使用，具體由啟動工況的分類和ECU(必須提供的最高電壓是多少)的詳情決定。 如果需要升壓穩壓，那麼四開關升降壓穩壓器會將上述需要的特質融合到單個元件中。它可以在高電流位準下，有效地調節嚴重欠壓和過壓瞬變，以延長持續時間。從應用的角度來看，這使其成為最可靠和簡單的方法，但其設計複雜性也會增加。然而，典型的四開關升降壓穩壓器存在一些缺點。其一，不能自然提供反向電池保護，必須使用額外電路來解決這個問題。 四開關升降壓穩壓器存在的主要問題在於，它大部分運作壽命都消耗在效率更低、雜訊更高的升降壓-壓開關區域。當輸入電壓非常接近輸出電壓(VIN~VOUT)時，所有4個N通道MOSFET都會主動開啟，以保持穩壓。隨著開關損耗增大，以及使用最大的閘極驅動電流，效率降低。當降壓和升壓功率級熱迴路都啟用，穩壓器輸入和輸出電流出現斷續，這個區域內的輻射和導電EMI性能會受到影響。四開關升降壓穩壓器可以調節偶然出現的大幅度欠壓和瞬態過壓，但需要使用高靜態電流、降低效率，並且在更常見、常規的轉換區域產生更高雜訊。 帶通模式消開關損失/EMI達高效 LT8210是四開關升降壓DC/DC控制器，可以按照慣例使用固定輸出電壓運作，且支援新Pass-Thru工作模式(圖4)，可以透過可配置的輸入電壓視窗消除開關損失和EMI。該控制器在2.8V至100V範圍內運作，可以調節發動機啟動期間最嚴重的電池壓降，也可以調節未受抑制的負載突降的峰值幅度。它提供-40V反向電池保護，透過增加單個N通道MOSFET而實現(圖5中的DG)。 圖4　支援帶通模式的升降壓控制器解決了汽車標準測試帶來的許多問題 在帶通模式下，當輸入電壓在視窗之外時，輸出電壓被調節至電壓視窗的邊緣。視窗頂部和底部通過FB2和FB1電阻分壓器配置。當輸入電壓在此視窗之內時，頂部切換開關(A和D)持續開啟，直接將輸入電壓傳輸至輸出。在不開關狀態下，LT8210的總靜態電流降低至數十微安培。不開關意謂著沒有EMI和切換開關損失，所以效率高達99.9%以上。 對於兩方面都想實現最佳效果的使用者來說，可以使用LT8210，它可以透過切換MODE1和MODE2針腳，在不同的工作模式之間切換。換句話說，LT8210在某些情況下可以作為具有固定輸出電壓(CCM、DCM或Burst Mode)的傳統的升降壓穩壓器運作，然後，在應用條件變化時，轉而採用帶通模式。對於常開系統和啟停應用而言，這個特性非常有用。 帶通解決方案提高低電流效率 圖5所示的帶通解決方案將視窗中8V和17V的輸入傳輸至輸出。當輸入電壓高於帶通視窗時，LT8210將該電壓降低至經過調節的17V輸出。如果輸入降低至低於8V，LT8210將輸出電壓升高至8V。如果電流超過電感限流或設定的平均限流(透過IMON針腳)，便提供保護特性在帶通視窗中觸發開關操作以控制電流。 圖5　此3V至100V輸入升降壓控制器以8V至17V帶通輸出運作 圖6、圖7和圖8分別顯示LT8210電路對負載突降、反向電壓和啟動工況測試做出的反應。圖9和圖10顯示在帶通視窗下，實現的效率改善和可以實現的低電流操作(低電流時的效率令人驚訝)。圖11則顯示帶通模式和CCM操作之間的動態轉換。 圖6　對未受抑制的負載突降的帶通回應 圖7　LT8210對電池反接的回應   圖8　對發動機冷啟動的帶通回應 圖9　CCM和帶通操作的效率 圖10　在帶通模式(VIN=12V)下，無負載輸入電流 圖11　帶通和CCM操作之間的動態轉換 電池反接/帶通模式並行　 促升降電壓無開關/雜訊耗損 為汽車電子系統設計電源時，LT8210四開關升降壓DC/DC控制器透過其2.8V至100V輸入工作範圍、內建的反向電池保護和其新帶通工作模式提供良好的解決方案。帶通模式可以改善升降壓操作，實現零開關雜訊、零開關損失，以及超低的靜態電流，同時將輸出調節至使用者配置的視窗水準，而不是固定電壓。輸出電壓的最小和最大值與例如負載突降和冷開機期間的大幅度瞬變相綁定，沒有MOSFET SOA或者由線性狀況導致的電流或時間限制。 新型LT8210控制方案支援在不同的開關區域(升壓、升降壓、降壓和不開關)之間實現乾淨快速的瞬變，因此能夠調節輸入中的大訊號和高頻率交流電壓。LT8210可以在帶通操作模式和傳統的固定輸出電壓、升降壓操作模式(CCM、DCM或Burst模式)之間切換並保持運作，固定輸出可以設定為帶通視窗中的任何電壓(例如在8V至16V視窗中，VOUT=12V)。這種靈活性使得用戶能夠在帶通和常規的升降壓操作之間切換，利用帶通模式的低雜訊、低IQ和高效率操作，在CCM、DCM或Burst模式下實現更精確的穩壓和更出色的瞬態回應。 (本文作者任職於ADI)

根據IDC最新公布的全球平板電腦出貨量追蹤報告指出，受到武漢肺炎疫情全球爆發的影響，2020年第一季平板電腦的出貨量比2019年同期衰退了18.1%，總出貨量僅有2,460萬台。前五大品牌廠中，蘋果(Apple)與華為的出貨量均呈現衰退，三星、聯想與亞馬遜的出貨量則略有成長。 值得注意的是，雖然整體平板電腦市場的出貨量衰退，但搭配可拆卸式鍵盤的平板電腦，出貨量卻逆勢成長，年增率高達56.8%。這顯示可以當作NB來使用的平板電腦，相當受到消費者的青睞。  

Arm日前推出針對新創公司設計的Arm Flexible Access新創版計劃，此提案讓晶片新創公司以零成本的方式取得Arm的矽智財(IP)，以及全球性的支援及訓練資源，協助新創公司推出晶片產品與擴大商業規模。          圖　Arm推出針對新創公司設計的Arm Flexible Access新創版計劃。來源：Arm             根據此一計畫，符合資格的新創公司不需要預先支付任何費用，就能使用各種 Arm 矽智財，包含產品開發週期的每一個環節，都能運用各種解決方案進行實驗、設計與開發原型產品。Arm定義的創業初期是籌資不超過500萬美元的新創公司。除了IP的使用權外，符合資格的新創公司也可利用由晶片設計人員、軟體開發人員、支援、訓練與工具組成的生態系統，補強團隊內部既有的技能與經驗。 Arm在2019年推出Flexible Access計畫，讓合作夥伴們在支付年費後，可立即使用各種科技產品帶動成長動能，至今已有超過40個客戶完成註冊，涵蓋的領域包括物聯網、終端裝置AI、自駕車與穿戴式醫療裝置，已有數百家公司利用方案內的技術取得成功，包括AI晶片廠Hailo，與半導體公司美商謀思科技(Atmosic)等。 在推出Flexible Access新創版計畫的同時，Arm也宣布與育成公司Silicon Catalyst達成戰略夥伴關係。日後Silicon Catalyst的會員可以免費取用 Arm的IP、電子設計自動化(EDA)工具與原型晶片，降低會員公司的營運成本。

自從蘋果(Apple)在iPhone X中首度整合3D感測技術，實現人臉辨識功能後，3D感測技術很快就成為高階智慧型手機的標準配備。但3D感測其實是許多種技術總稱，除了蘋果用來實作臉部辨識的結構光感測之外，還有基於飛時測距(Time of Flight, ToF)原理的3D感測技術。 其中，ToF還可以分成更細的技術流派，一派是真實計算雷射光打出去到反射回感測器所需時間，藉以反推目標距離的ToF，另一派則是光源打出經過調變的光束，反射回感測器後會出現相位差，藉此來估算目標距離的相位式ToF。前者最典型的應用就是自駕車所使用的光達(Lidar)，後者則因為成本跟功耗低，可以整合在智慧型手機上，而成為目前最主流的ToF技術。 事實上，由於蘋果已為自家的結構光3D感測技術申請了超過200項專利，滴水不漏地阻斷了其他手機製造商使用類似技術的可能性，因此目前絕大多數的手機製造商，都是採用相位式ToF來實現3D感測。而手機應用所創造出的龐大市場規模，正在為相位式ToF進軍其他應用創造出更多競爭籌碼。 另一方面，蘋果在最新推出的iPad Pro上，採用了類似車用光達的技術，以便讓iPad Pro能用來掃描物件或所處的空間環境，建立對應的數位模型。這也顯示ToF技術在中長距離(公尺等級)的感測上，具有結構光感測所沒有的技術優勢。由於蘋果的產品設計向來具有引導產業趨勢的能力，未來ToF將很有機會進駐平板，甚至NB等大宗市場。 走出智慧型手機　ToF應用全面擴散 光電科技工業協進會分析師林政賢(圖1)表示，在蘋果推出iPhone X，為消費性應用使用3D感測技術立下標竿之前，聯想便已經利用ToF鏡頭作為智慧手機中的近接感測器(Proximity Sensor)和自動對焦功能，但並未引發其他手機業者跟進。直到iPhone X推出一年多後，Android陣營的手機製造商如Oppo、華為、樂金(LG)才推出搭載ToF鏡頭智慧型手機。 圖1　光電科技工業協進會分析師林政賢 但ToF鏡頭在智慧型手機市場攻下灘頭堡後，其他終端產品的開發者跟元件供應商很快地就看見這個技術的應用潛力。包含自動駕駛、機器手臂、家電產品、安全監控和虛擬實境/擴增實境(VR/AR)，都已經有搭載ToF鏡頭的應用產品。 在2020年的國際消費性電子展(CES)，香港的Hubble Connected便展示了健康護理產品的概念驗證設計。該產品採用亞德諾(Analog Devices, ADI)的3D ToF技術，為初生嬰兒須父母緊密看護照顧，提供嬰兒監控鏡頭。而在車載應用上，在2月ADI與Jungo共同開發ToF和2D IR技術的攝影機解決方案，以實現觀察頭部、身體位置以及眼睛注視情況來監測車內人員的睡意和注意力分散程度，進而提高行車安全性。業界目前正開發新的「Phase TOF」與SPAD晶片用於AR與車載Lidar應用。 整體來看，目前ToF解決方案的領導廠商是意法半導體(ST)，ADI的布局則比較偏向醫療、工業跟車載應用。英飛凌(Infineon)、德州儀器(TI)與博通(Broadcom)等知名晶片大廠，也都是ToF感測器的主要供應商。比較值得關注的是全球最大的影像感測器供應商索尼(Sony)，近期也在加快ToF感測器與VCSEL元件的研發，業界普遍認為，該公司進軍ToF感測器市場只是時間早晚的問題。 果不其然，在iPad Pro發表後，TechInsights對其Lidar模組進行拆解研究，便發現內含由索尼提供的ToF感測器，顯示索尼的ToF感測技術已悄悄走出實驗室，進入量產階段。 ToF產業應用五花八門 亞德諾大中華應用工程總監李財旺則指出，3D ToF其實沒有一個特定的應用領域局限，從工業類、消費類、汽車類看到，在各個領域裡面，只要對3D感測器有一些特定應用需求的領域，包括物流、品質檢測、導向、機器人、人臉辨識、門禁、監視、保全維安、醫療、以及駕駛監視等使用情境都會運用3D深度感測ToF技術，以解決傳統2D技術目前無法克服的許多問題。 另外，結合高解析深度資料、強效的分類演算法、以及人工智慧等技術，都使各界未來能發掘出許多嶄新應用。以汽車應用為例，目前市場上的倒車雷達只能感應是否有障礙物，但一些矮小的障礙物就達不到感應範圍的要求，如果採用ToF技術，倒車系統就可以同時偵測多個不同距離的行人或障礙物，當有行人或者障礙物靠近時，就算是視線死角車頂的樹枝，透過軟體處理後，也能以影像或聲音警示距離，以幫助駕駛人員了解車後路況。 駕駛管理系統(DMS)也是ToF可以發揮的應用。透過AI Vision結合3D ToF感測器，透過軟體演算法準確判斷駕駛者狀態，當發現眼睛閉上、頭部沒有保持正面向前或與方向盤距離過近、過遠等精神不濟時，系統會立即發出警報提醒專注行車。 在智慧建築領域，以具備人臉識別的ToF 3D立體影像自動門解決方案為例，基於ToF的方案則可識別空間中的人類特徵以及人與物體相對位置距離，避免動物等非人類進入商場。 ToF技術在工業領域也能為機器人帶來視覺效應，使之能像人類一樣具有方向感。尤其是當機器人身處較為擁擠的工作環境中，它們必須能辨認人與機械的動作，並做出迅速的反應以避免受傷。 對於ToF而言，還有一個非常重要的應用領域就是體積測量，因為在體積測量的時候，我們除了2D的資訊之外，還需要多知道一個深度的資料，這樣的3D ToF技術能快速採集三維資訊並快速計算，包括應用於電梯承載容量管理，透過軟體演算法360度同步掌控電梯空間使用狀況，無論空間或重量，只要其中一項達到承載限制便立刻停止額外載客、載物服務，避免能源浪費。另外，在物流業裡面，體積對於物流產業來計算包裹費用是一個非常關鍵的因素，因此如何快速的採集包裹的體積資訊，對於物流業來講，特別是快遞人員的工作效率是非常重要的。 最後，在超商或者無人商店裡面，除了二維碼之外，還有一種支付方式叫人臉支付。3D技術在比對人臉二維資料的同時，需要一個3D技術進行活體採集，說明這是生物識別，不是一張簡單的照片，因此在支付這樣比較敏感、安全性要求比較高的應用級別裡面，3D技術是一種類似於強制性的引入技術。同樣，在機場以及大廈的安檢中，我們都可以看到人臉辨識系統的導入。 此外， 對於工業AGV應用來說，ToF也在onboard處理器執行SLAM演算法，以協助客戶擁有更安全及更乾淨的環境上扮演重要的角色。 AR/VR將成消費性ToF應用推手 雖然ToF有廣大的應用潛力，但由於每家企業採取的經營策略不同，因此在業務布局上，出現明顯的區別。從李財旺的觀察與分享，不難看出亞德諾將ToF產品的發展重心放在各種工業及汽車應用，但也有將業務重心放在消費性市場的業者，如英飛凌就是其中之一。 英飛凌大中華區電源與感測系統事業部總監麥正奇(圖2)表示，該公司從2013年開始，就與另一家德國ToF技術開發商PMD合作，共同研發ToF技術。到目前為止，除了產品已經演進到第五代，且過去幾年在智慧型手機、掃地機器人等消費性產品上，有不錯的斬獲。接下來，英飛凌會開始跟平板電腦、筆記型電腦的製造商合作，讓這些大宗消費性產品也開始搭載ToF。 圖2　英飛凌大中華區電源與感測系統事業部總監麥正奇 事實上，如果仔細觀察ToF在智慧型手機中所扮演的角色，不難看出ToF將成為AR/VR應用不可或缺的基礎。ToF最早是用來強化手機照相功能，讓手機能像單眼相機一樣，拍出漂亮的淺景深照片。換言之，手機搭載ToF最原始的目的，是為了獲得照相場景的3D資訊，而不是為了用來實現人臉識別功能。 在臉部辨識成為高階智慧型手機必備功能，結構光感測又被蘋果超過200項專利所組成的嚴密保護網包圍，Android手機廠難以導入後，ToF才開始被用在手機正面，作為Android手機實現臉部辨識功能的底層技術。這對ToF來說，算是有點意外的發展，因為ToF本來是用來偵測環境的技術，不是為人臉辨識而開發。 因此，在人臉辨識普及之後，ToF技術在行動裝置跟消費性電子的下一個主要應用，反而是回歸到它最熟悉的領域--3D場景偵測。因為這些終端產品的開發商，都開始將AR/VR功能，以及其所能帶來的全新使用者體驗，視為未來產品的主要賣點。而AR/VR要做得好，一定要有準確的3D場景資料，否則無法將虛擬的資料或圖形很自然地疊加在真實場景中。 可以預見的是，未來智慧型手機跟平板電腦除了正面會安裝ToF感測器之外，背面也得配備ToF感測器，這樣才能讓行動裝置具有感測周圍場景深度的能力。至於AR專用設備，如智慧眼鏡等頭戴式裝置，也會是ToF一個很重要的應用市場。在這類應用產品中，ToF不只讓設備得以感知其所處的3D環境，正確而自然地將圖像資訊疊加在真實場景中，同時也是手勢控制等人機介面所倚賴的底層技術(圖3)。 圖3　ToF在消費性領域的應用潛力 ToF能走多遠？生態系建置是關鍵 有心栽花花不開，無心插柳柳成蔭。ToF技術的發展過程，正好印證了這句俗諺。其實，ToF技術一開始是為了解決超音波倒車雷達死角，避免駕駛人不小心撞到障礙物或刮傷底盤而開發出來的中短距離感測技術。 麥正奇透露，ToF能成功走向消費性應用，最大的關鍵在於和CMOS製程技術結合，發展成類似CMOS影像感測器的解決方案。因為採用類似CMOS影像感測器的設計架構，ToF感測器變得很省電，體積跟成本也大幅縮小，才得以開拓出消費性電子的應用市場。 而隨著ToF感測元件的成本跟耗電量已壓低到行動裝置也能搭載的水準，未來ToF要回過頭去反攻車用、工業市場，技術上已不成問題，關鍵在於個別企業要不要投入資源，去開發不同垂直產業所需要的相關配套。 手機、平板跟筆記型電腦等行動裝置是很大的應用市場，大廠眾多，因此生態系統可以快速建構起來。但如果是工業等比較碎片化的市場，生態系統的建構就會是繁複的工程。這或許也是從汽車應用需求中誕生的ToF技術，反而在消費市場上發展得更快的原因。

智慧家庭的發展已經勢不可擋，而智慧家電在智慧家庭中的比例最高。智慧家電是將微處理器、感測器、網路通訊技術導入家電設備後形成的家電產品，具有自動感知家電自身狀態、家電服務狀態的功能，能夠自動控制及接收住宅用戶在住宅內或遠端的控制指令。例如透過智慧手機、智慧音箱指揮掃地機器人、電視機等家電的工作。 家電的智慧化需根據周圍環境的不同自動作出反應，不需要人為干預，這種自動感知周圍環境，必然少不了感測器的參與。近兩年推出的1D飛時測距感測器則漸漸獲得各大智慧家庭廠商的認可和應用。 測距技術各有所長 市面上常用的測距方案主要有紅外線對射管(Infrared Pair Tube)、接近感測器、1D飛時測距感測器和三角距離感測器，其原理以及優缺點如表1所示。 表1　主流測距技術比較 紅外線對射管和紅外線接近感測器兩種測距方案比較適用在智慧家庭的自動翻蓋和自動掀馬桶圈的衛浴，自動水龍頭等應用場景，因為這種場景對精度要求不高，但是高品質的衛浴和自動水龍頭也逐漸採用1D飛時測距解決方案。 1D飛時測距感測器應用在掃地機器人的障礙物識別和樓梯偵測較為普遍，也包括智慧電視的人體接近偵測，智慧燈的靠近點亮，投影儀的人眼保護以及自動對焦功能，3D智慧門鎖等應用場景。接下來具體介紹1D直接飛時測距感測器原理及以智慧電視為例的應用。 1D飛時測距感測器運作原理/優勢 以艾邁斯半導體(ams)發表可偵測2cm~2.5m距離的解決方案為例，其內部結構如圖1所示。 圖1　ams 1D直接飛時測距感測器內部結構圖 IR雷射發射器(使用的是VCSEL技術)經過光學元件打出光子，同時給時間數位轉換器(TDC)發出一個開始的訊號，光子遇到障礙物會反射回來，被模組的接收端單光子雪崩二極體(SPAD)所接收，並導致SPAD產生雪崩，進而給TDC一個停止的訊號；TDC透過計算開始和停止訊號之間的時間，即於光速已知的前提下即可算出物體距感測器的距離，實現真正的時間飛行測量(圖2)。 圖2　距離計算原理 輸出長條圖資料 感測器模組可以直接輸出長條圖資料(圖3)，長條圖是資料分布的精確圖形表示，透過連續採集遇到物體反射回來紅外光的訊號進行處理，反映TDC資料的分布情況，便於距離演算法的精確計算(圖4)。 圖3　玻璃蓋板和物體反射回來的資料長條圖 圖4　資料輸出演示圖 抗油污與環境光干擾 感測器模組毋需做汙漬校準，具有抗汙漬特性。因為第一個回來的反射訊號永遠都是玻璃蓋板的返回值，而汙漬和玻璃蓋板成為一整體，作為第一個反射訊號。只不過有汙漬後，第一個反射回來的訊號會很強，相對於第二個反射回來被測物體的訊號峰值較弱，感測器模組內置演算法測的是兩次返回訊號峰值的時間差，所以汙漬不會干擾感測器模組工作。 此外，發射的紅外線光源波長在940nm，940nm的紅外光在環境光中的成分較少，干擾相對會較小。 近距遠距分段測量 感測器模組內建演算法可以根據測量的結果，自動切換近距和遠距離模式，使近距和遠距的距離計算更加的精確。 自動校準 校準分為兩種，一種是時間校準，感測器模組主要靠紅外光雷射打出去和反射回來的時間計算距離，所以對內建時鐘精度要求很高，為了避免時鐘偏差，感測器模組會自動以系統時鐘為標定即時校準。另一種是產線一次性光學校準，無需人工參與，只需保證在暗光或是無光環境下，且40cm內無遮擋，即可軟體觸發校準。 另外，感測器模組受照明角度的限制(圖5)，可以放多顆1D時間飛行感測器，擴大偵測的角度。 圖5 飛時測距感測器晶片的接收角度和照明角度 飛時測距感測器導入電視應用趨向智慧化 2019年8月，華為發表榮耀電視「智慧屏」，將智慧電視互動功能大幅提升，酷炫的語音互動、手機與大螢幕間魔法互動、聯控智慧家庭、升降相機拍照等，如果搭載1D飛時測距感測器則可實現更多應用。 眾所周知，看電視的距離攸關眼睛健康，離電視越近，眼內的睫狀肌收縮力也愈強，也就愈容易造成視覺疲勞，尤其是小孩子，自控力不足，不自覺地就會靠近電視。如果電視裝有一個可以感測物體接近的功能，一旦有物體在一定的範圍內，就自動調暗或關閉顯示器背光並發出警告，提醒小孩子遠離電視，保護小孩的視力。現在市場上部分雷射電視，為了防止人靠近雷射發射端傷害人眼，已經加了距離類的感應感測器。 在智慧電視機上搭載多顆1D飛時測距感測器可以多角度偵測不斷靠近的活動物體的距離，進而做出相應的反應(圖6)。 圖6 多顆1D飛時測距感測器在電視上應用效果圖 除了人體接近偵測外，1D飛時測距感測器還可以搭配智慧電視的相機實現自動對焦功能。目前主流的相機對焦方案有兩種，一種是基於CCD半導體成像元件的聚焦技術，其利用物體光反射的原理，物體反射回來的光被相機上的感測器CCD接收，透過電腦處理，帶動電動對焦裝置進行對焦。隨著相機的象素數越來越高，對焦時間會越來越久。另一種是測距的對焦方案，使用1D飛時測距感測器，可以直接給出對焦距離，提高對焦速度，相對於其他對焦方案速度更快、成本更低。 智慧家庭的發展擴大了感測器的應用市場，而1D時間飛行測距感測器作為感測器家族的一員，有著更廣泛的應用場景，可以應用於許多日常的家電中，進一步升級智慧家庭產業，協助家電的智慧化。 (作者任職於ams艾邁斯半導體)

為解決包括覆晶晶片、扇入型和扇出型晶圓級封裝(WLP)等現有技術面臨的挑戰，業界已開發多種新興方案，例如高密度扇出型(HDFO)WLP、矽穿孔(TSV)和矽中介層，以及相機影像感測器(CIS)所用的TSV。新的扇出型晶圓級封裝(FOWLP)技術會利用Mega柱體(Megapillar)、細線重新布線層(RDL)、堆疊式RDL或導孔RDL和微凸塊(Microbump)等特徵，為要電鍍這些特徵，需要製程、電鍍化學以及製造設備的全面創新。例如科技廠商科林研發(Lam Research)的SABRE 3D電鍍設備，即是整合這些創新技術的平台，旨在解決與特徵內(Within-feature, WiF)均勻度、共面性、缺陷、可靠度和生產量的相關問題。 Mega柱體電鍍製程迎三大挑戰 Mega柱體是高度為50µm至200µm以上的大直徑銅柱，通常用來連接FOWLP應用中的晶片。像這樣的大型結構需要較長時間進行電鍍。但是要在高溫浴中耗費更長的時間，就需要高完整性的密封，而Lam Research透過SABRE 3D的HDFO唇型油封(Lip Seal)滿足此一需求。 Mega柱體的電鍍製程須在控制柱體形狀的同時克服高電鍍速率，以及晶粒內(WiD)不均勻度的挑戰。以下將說明SABER 3D平台中能解決此問題的重要技術。 TurboCel高特徵內對流克服金屬離子傳遞限制 依照邏輯，增加電鍍電流，應該可以提高大型結構(如Mega柱體)的沉積速率。然而在質量傳遞(Mass Transport)限制條件下，Mega柱體容易變成不符需求的圓頂形狀。因此，大多數設備都包括某種形式的攪拌器或機械槳葉，以增加特徵內(Intra-feature)對流，來克服金屬離子傳遞的限制，並同時改善電鍍速率和柱型狀況。SABRE 3D使用一種稱為TurboCell的創新技術，實現高且均勻的特徵內流動(圖1)。 圖1　TurboCell裝置(左)；兩個入口速度對四個不同特徵(右)產生的效應，特徵的深寬比從1:1到非常高的深寬比(HAR) TurboCell技術可在晶圓下方保持非常狹窄的通道，根據製程將其精確控制在1mm至5mm範圍內，並注入極高流量的電鍍液。這種橫向流動的電鍍液可在基板的鍍面上產生剪切力，而晶圓會在該剪切區內旋轉，以維持嚴格的均勻度控制。TurboCell的成功取決於實現極高的特徵內對流的能力，使金屬離子能夠深入特徵內部，達到比競爭技術高出50~100%的沉積率。 SAC/SamrtDose技術實現大量製造 要在大量製造(HVM)的環境中維持此效能還需要其他的技術。其中第一個是分隔的陽極腔(SAC)。SAC採用離子滲透膜來抑制電解質中某些成分的直接對流傳遞。例如，它可以分離有機添加劑，並允許離子傳遞。透過把陽極與添加劑隔離，SAC系統可把化學品的消耗降至最低，並防止某些會影響良率的缺陷。 另一個實現大量製造的促成技術是SmartDose系統，它主要包含以Lam Research軟體和控制系統為基礎的線上化學品監測和供給。這使SABRE 3D能夠預測電鍍條件以及需求，例如一段時間之後所需的添加劑數量，並有助於把電鍍過程保持在低缺陷範圍內(圖2)。 圖2　利用SmartDose維持穩定的電鍍化學品供給，並把陽極與添加劑和製程副產品隔離，是實現大量製造的關鍵因素 三管齊下減少不均勻度 與傳統的銅柱晶粒設計相比，Mega柱體晶粒的有效區域密度變異更大。這為電鍍帶來挑戰，因為此布局會造成非常不均勻的電流分布。另一項稱為Durendal的創新技術可克服這個挑戰。Durendal是Lam Research設備的電氧化製程。與平面化類似，該製程可同時修正Mega柱體的形狀(從圓頂形修正為平坦狀)，同時產生均勻的Mega柱體厚度分布。Durendal技術還適用於其他應用，例如銅柱和微柱(Micro-pillar)(圖3)。 圖3　Durendal技術還適用於其他應用，例如銅柱和微柱 減少不均勻度的第三種方法是透過電鍍液的設計。雖然以前的電鍍液可用來全面地處理多種應用，但現在出現了鎖定特定應用領域的化學方法。循環伏安法(Cyclic Voltammetry)和其他電化學特徵化技術正用於設計具有電導率和極化特性的電解質，以為TurboCell技術提供最佳的共面性。 最後，Lam Research基於軟體的預測性晶粒建模可用來模擬特定晶粒布局的共面性。它把電鍍條件納入考慮，包括一次、二次和三次電流分布，以預測凸塊高度分布。經過測試的模擬誤差低於1.5%，證明該軟體具備足夠的穩定性，可推動新的布局設計，以把共面性問題降至最低。 TurboCell實踐薄晶種電鍍 銅底切(Undercut)是電鍍細線RDL(重新布線層)的關鍵挑戰。由銅晶種(Seed)蝕刻製程所造成，該製程會腐蝕RDL線的底部(圖4)，同時也給微柱帶來問題。由於大多數一般的RDL會使用約1,000-2,000埃 圖4　鍍條件與晶粒工程技術的結合，有助於克服底切問題 的銅晶種，因此利用標準蝕刻製程極具挑戰性。儘管市場上在新材料方面出現了一些進展，但Lam Research提供的解決方案聚焦於提供薄晶種(<600A)電鍍能力、TurboCell、晶粒工程以及替代的整合方法。實現薄晶種能力的主要挑戰是終端效應(Terminal Effect)，這主要是指當晶種的電阻起主導作用時，會使晶圓中心相對於邊緣的電流分布有明顯變異，進而造成邊緣鍍層變厚。TurboCell裝置實現了薄晶種電鍍，這已在細線RDL應用中得到證明，可達到小於2%的晶圓內(WiW)均勻度測量值。 三條件整合達成BKM 傳統的RDL有正常或標稱的深寬比(1:1)，而細線RDL有較高的深寬比(4:1)和更精細的特徵。較高的深寬比特徵通常更難潤濕，因此可能會在電鍍後造成缺失金屬的缺陷。另一個挑戰是，光阻比一般的RDL圖案更脆弱，而且在電鍍之前甚至電鍍過程中很容易損壞。 SABRE 3D整合了另一項稱為先進預處理(APT)製程模組的創新技術，該模組利用柔和的噴霧，可在電鍍之前以多種液體在真空中進行潤濕製程。此製程已取得專利，能生成均勻、且無缺陷的1.5×1.5µm細線。然而由於矽、聚醯亞胺(PI)和銅之間的熱膨脹係數(CTE)不匹配，因此細線RDL還有其他的機械可靠性問題。CTE不匹配會導致在隨後的熱處理過程中破裂或剝離(Delamination)。 Lam Research聚焦於晶粒工程來解決這個問題。傳統的銅鑲嵌製程對電遷移(EM)的挑戰已透過晶粒工程和各種銅化學配方解決。Lam Research還與客戶合作，透過使用蝕刻製程和晶粒工程技術，把10×10µm RDL的底切和線消耗降至最低。 針對細線RDL，Lam Research一直在最佳化ECD裝置和電鍍化學品，以影響晶粒尺寸和分布以及沉積雜質的數量。雖然這是一種有用的方法，但Lam Research正在考慮使用奈米雙晶銅(nt-Cu)作為替代方案。 採用nt-Cu是一項具吸引力的方案，因為它有高強度、良好的導電性和較高的銅原子擴散率。這些特性使nt-Cu成為銅-銅直接鍵合的促成因素，也是異質整合的重要鍵合方法。它還開啟了另一個機會，可與Durendal製程結合使用。Durendal可以產出具有高度平滑表面的平面晶粒，而nt-Cu可用來創建高度紋理化的奈米雙晶(Nano-twinned)結構。 電沉積nt-Cu薄膜需要適當地組合化學配方和波形最佳化，以及TurboCell條件(圖5)。Lam Research已展示了此三個條件的整合，以為細線RDL、微柱以及標準柱體實現具再現性、強韌的已知最佳方法(BKM)。 圖5　利用TurboCell最佳化、波形調變、以及開發特殊的化學品，科林研發已為沉積nt-Cu建立了最佳的製程範圍 堆疊式RDL管理鍍液抗老化 堆疊式RDL應用很容易受到導孔電鍍的挑戰，亦即未填充和空隙(圖6)。導孔的未填充會導致形狀變異，並把問題向下帶到微影步驟，因為景深(DoF)限制，而使微影出現聚焦的困難。就電鍍機制而言，小導孔比大導孔更容易填充，而未填充問題通常是低深寬比(LAR)的導孔填充。對於較小的導孔，較容易在特徵的底部角落提供加速生長，而獲得良好的超級填充條件。但若導孔較大，沉積物開始堆積的角落距離較遠，因此頂部中心容易出現填充不完全的現象。 圖6　堆疊式RDL的主要電鍍挑戰與導孔的未填充以及空隙形成有關 Lam...

誰會支付蜂巢式連接額外功能的費用？目前市場早已採用這種技術，而新的商業模式可以彌補額外的成本支出，進而開啟新的市場機會。 無線連接差異化產品具競爭力 較低的開發和製造成本、更靈活的全球供應鏈以及新的銷售管道，降低了企業進入硬體裝置市場的障礙，進而使得競爭更加激烈。如果沒有針對功能差異化，那麼無論讀者是將產品賣給消費者還是製造工業產品，總會有對手的價格比自身來得低。 但好消息是，無線連接是一種可以造成差異化的因素，它以增加新功能和服務來提高產品價值。無線連接技術早已普及，並且大多數市場期望產品在未來針對無線連接的形式有所遞進。 新型蜂巢式物聯網技術因為它的可擴展性和簡易性，而將會對許多市場帶來衝擊，讓毋需擔心網路基礎架構的隨插即用產品得以實現。因此，業界有必要瞭解蜂巢式物聯網技術對於產品定義和市場定位的影響。 蜂巢式物聯網及其NB-IoT和LTE-M標準的開發，便是要作為連接物品以滿足低資料速率、低功耗、遠距離應用以及處理高密度連接的需求。它充分利用了當前的行動網路基礎架構(LTE和最近的5G)，讓終端用戶可以一直擁有網路存取的能力。除了性能和網路特性，行動網路營運商(MNO)還針對IoT提供客製化及「資料服務方案(Data Plan)」/訂閱服務。 資料成本為無線技術部署關鍵 從產品的角度來看，添加硬體以實現無線連接不僅會增加物料清單的成本，而且還會提升硬體開發成本。與其他一些無線技術相比，為產品增加「蜂巢式」無線連接會帶來額外的費用—來自MNO的訂閱/資料服務方案的額外費用，意即費用/MB資料量(每台裝置)。網路成本(部署、運作和維護成本)一直是大規模部署連接裝置的重要因素，即使對於2.4GHz或1GHz以下的非授權頻段來說也是如此。 圖1　無線連接技術資料成本如何分配為矚目焦點 但是，當使用非授權頻段或專用解決方案時，「網路」成本會被隱藏。例如對於私有的1GHz以下網路，成本會被隱藏在為專有網路元素(如閘道器和聚合器)支付的額外資本支出，以及維護它們的額外營運成本中。 而蜂巢式物聯網讓使用第三方網路的額外費用浮上台面—在每種產品中，都會有一張SIM卡(無論是傳統SIM卡、eSIM卡、softSIM卡還是iSIM卡)，並且總會有人支付資料費用給MNO。 蜂巢式聯網商業模式翻轉供應鏈布局 在享受高服務品質、穩定的網路、覆蓋範圍，以及成本的可預測性之餘，每個人都想知道誰將支付無線連接的費用—資料成本不會隨著物聯網的發展而消失(圖1)。裝置製造商、用戶或介於兩者間的一些人，必須支付這筆費用。 而增加蜂巢式連接的模式將會影響企業整體策略： ・產品定位 ・蜂巢式連接支付費用 ・確認誰將支付資料服務方案費用給MNO 儘管LTE-M/NB-IoT實現了新的功能(如資產即時監控)，進而開闢出一條邁向新商業模式(例如預測性維護服務)的道路，但反過來說，有一個情況也同樣重要：讀者可能必須考慮使用新的商業模式，將帶有蜂巢式物聯網功能的產品推出上市，並可以處理無線連接的額外費用。這要在產品定義階段的第一天就要完成，並且與公司的整體策略維持一致。 要如何處理蜂巢式物聯網連接的額外費用？本文將提出以下三種不同的商業模式，說明蜂巢式物聯網產品不同商業模式的優缺點，以及如何從中找出三種不同的商業模式。 產品預先連接販賣符合小型製造商需求 這一類產品將在整個產品生命週期中與LTE網路(NB-IoT/LTE-M)連接環環相扣。 以下探討需要定期將資訊上傳到雲端的環境感測器。 瞭解這種產品的功能和使用壽命以及需要傳輸的資料量之後，就可以很容易預測整個產品生命週期中所需的總體資料量。產品製造商可以先向MNO預先購買資料服務方案，將其與產品綁在一起銷售，以「預先連接(Pre-connected)」的形式販賣。 從產品設計和製造的角度來看，這是最直接的方法，因為製造商是與MNO協商資料服務方案的一方，並且可以在生產過程中整合適合的SIM技術。製造商可以穩定控制這款已連接的產品。 從用戶的角度來看，這種方法也算合情合理—產品隨插即用，用戶毋需考慮連接性和資料服務方案/訂閱。 不過，整合這些成本會將產品價格提升到某一水準，可能會使終端用戶認為其他產品較為方便。 對於需要購買大量裝置的終端用戶而言，這種方法可能無法擴展。通常，高級電錶就是這種情況，公用事業/DSO公司擁有足夠的議價能力可與MNO直接協商資料服務方案，而僅從電表供應商那裡購買硬體。在這種情況下，下一種商業模式將比較合適。 產品連接就緒販售適合大規模業者 產品製造商出售帶有SIM插槽或eUICC(eSIM)的LTE就緒產品，終端用戶負責選擇MNO和連接方案。 在某些情況下(如購買許多裝置時)，終端用戶可以要求製造商在生產過程中直接插入或焊接所選的SIM，或者，如果裝置配備了eUICC，則可以對它進行遠距離的程式設計。 這種模式會增加用戶端的複雜性。他們不僅需要與MNO協商資料服務方案，而且還必須仔細定義他們所要購買產品的連接規格，這將會迫使終端用戶做出超出其核心競爭力範圍的選擇： ・連接應該要是NB還是M1？ ・需要哪些節能功能、哪家MNO支援？ 在前一種情境下，製造商同時負責產品和連接，因此會將這些領域納入考量。而在這種模式中，解決方案的所有權不明確： ・若許多裝置不在覆蓋範圍內或無法正常工作，是否表示該產品未按照規格製造，或者終端用戶定義錯誤規格/選擇錯誤的MNO？ ・若裝置所需資料傳輸量超過預定數量時，怎麼辦？ 這種複雜性使得這類方法僅適用於大型、有一定規模的買家。對製造商的要求略低，省去選擇資料服務方案的需求。出於同樣的原因，由於產品已經商品化，價格很可能成為主要的購買驅動力。 在產品定義、產品設計和生產方面，這種方法可能仍然不簡單。製造商的目標是要生產一種可適用於所有用戶的標準產品，並在裝置首次連接時可以進行遠距離配置。但是為實現連接的各層面考量(如MNO和SIM)，可能會強制專案客製化。因此，要將標準產品標示「在型錄」上的可能性就會受到限制。 即使採用eUICC可以克服其中部分挑戰，但對具有大型用戶的大型專案而言，這種商業模式仍然具有價值。 連接產品即服務消除價格爭議 製造商以初始費用出售連接的硬體，並提供加值服務。 與第一種方法類似，製造商選擇MNO、協商資料服務方案，並且將聯網功能加進裝置中，在銷售產品時採用這種以服務為導向的方法，僅收取相對較低的費用作為硬體初始資本支出。而資料服務方案不包括在內，但已具備蜂巢式連接的能力，並也準備好可以啟用。除了初始費用外，製造商還將提供服務(作為經常性營運支出)，這不一定與資料服務方案的成本有關，而是與加值服務有關。用戶將不必擔心連接成本/資料服務方案，因為它們已包含在其選擇的首選等級的服務費用中，而製造商僅在用戶訂閱服務並因此使用資料時，才會將費用支付給MNO。 這種方法解決了第一種商業模式的價格/定位問題。製造商仍然可以合理價格銷售產品，並且不需要為產品生命週期內傳輸的所有資料而預先支付費用；製造商甚至可以依靠連接啟用或改善後的新營收來源來降低前期價格。 這種商業模式適合可能需要服務/維護的產品、出租的產品或在較長生產鏈上流動的產品。如利用連接工業工具(Industrial Tool)，可以預測維護情況或何時需要更換磨損的零件。借助嵌入式連接，可以為每位用戶提供客製的維修計畫。 對於大多數工業應用(以及許多消費產品)，由於具備低資本支出和可預測的營運支出，相信該模式更可能被用戶接受。除非終端用戶簽署服務協議，否則製造商也不用支付費用給MNO，因此使其也可減少支出。 整體而言，缺乏連接性(Connectivity)將導致產品過時。對於要在市場中保持活躍性，蜂巢式連接技術為關鍵。因此成本不應成為障礙，而是探索不同市場方法的機會。企業需選擇與其發展策略相符的商業模式，以在其產品中實現連接性。 (本文作者任職於Nordic)

根據TrendForce LED研究(LEDinside)最新「2020深紫外線LED應用市場與品牌策略」報告，新冠肺炎疫情蔓延全球，在防疫商機帶動下，波長小於280奈米，具備殺菌消毒效果的深紫外線(UVC) LED於農曆年後需求暴增，導致目前供應鏈出現全面缺貨的現象。由於UVC LED晶片極度短缺，若LED封裝廠商想承接UVC LED訂單，須謹慎選用晶片性能並承擔晶片缺貨的風險；市場缺貨也造成UVC LED晶片報價調整，甚至出現高價也買不到貨的狀況。 TrendForce研究經理吳盈潔指出，部分UVC LED廠商訂單已經排滿到2020年八月之後，且受惠於UVC LED訂單挹注，多數廠商今年的UVC LED營收都有機會成長一成以上，特別是過去多年持續經營UVC LED晶片與封裝的廠商，包括Seoul Viosys、Asahi Kasei(Crystal IS)、Stanley、研晶與光鋐共創品牌Bioraytron、三安光電；UVC LED晶片廠商則以三安光電、Photon Wave、光磊、光鋐等為主。 相較於過去UVC LED廠商須靠效率增加與價格競爭來獲取品牌廠商青睞，2020年在疫情影響之下，品牌與消費者對於殺菌淨化的意識大為提升，UVC LED市場需求自中國延伸至美國、歐洲與日本，造成市場需求達到爆發期，TrendForce預估2019-2024年UVC LED封裝市場產值年複合成長率(CAGR)將達到60%。 在應用方面，為呼應防疫需求增溫，廠商陸續推出UVC LED相關產品，包含殺菌包、殺菌盒、母嬰產品、殺菌手電筒以及便攜式殺菌產品。此外，UVC LED廠商耕耘家電領域多年，隨著技術穩定與品牌接受度提升，2020年可望迎來成長爆發點，主要供應商包含Seoul Viosys、Bioraytron、光寶、三安光電等。TrendForce也預估，UVC LED今年將廣泛應用在商業空調、表面殺菌與淨水領域，主要供應廠商則包含Seoul Viosys、Asahi Kasei...

Bosch Sensortec日前發表新一代大氣壓感測器BMP390，可爲智慧型手機、耳戴式及穿戴式裝置中的高度跟蹤功能提供良好的準確度。受益於分辨率提高，BMP390可測量10厘米以下的高度變化，且準確度較上一代感測器提升50%。 準確的高度偵測可在GPS訊號無法覆蓋的室內達成定位功能。透過將特定垂直位置添加至現有水平訊息中，可讓第一線的緊急電話接線人員精準掌握撥打該通電話的手機用戶，目前所處的室內樓層。據美國聯邦通訊委員會(FCC)估計，附加的準確垂直定位訊息，在美國一年將可挽救一萬人的性命。 圖　準確的高度偵測可在GPS訊號無法覆蓋的室內達成定位功能。來源：博世   博世 (Bosch) 和3D地理定位服務業者NextNav LLC 針對零組件規格和系統性能進行合作，以達成穩定的高精度室內Z軸定位。該感測器不僅在緊急情况下提供幫助，還可整體改善室內導航準確度。例如結合位置追蹤智慧型感測器BHI160BP的導航解决方案，可輔助無法在遮蔽環境中有效運作的傳統定位技術(如GPS)，進而協助用戶節省時間並避免迷路，快速在地下停車場尋找停車位置。 此外，BMP390支援進階版GPS室外導航應用和卡路里消耗估算功能。進階版大氣壓力感測功能，可識別用戶在健身訓練時進行舉重還是在斜坡或者樓梯往上走或是往下走等運動，可將追蹤卡路里的準確度最高提升15%。受益於高度測量準確度的提升，健身追蹤器還可準確地顯示用戶跑步、行走或騎車的距離。 BMP390相對精度爲+/-0.03 hPa，絕對精度可達+/-0.5 hPa。其準確度要歸功於在溫度穩定性、偏移特性和雜訊的明顯改善。此感測器在完整的工作溫度範圍0至65°C 和壓力範圍700至1100 hPa均具有理想的溫度穩定性，平均溫度係數偏移(TCO)僅爲+/-0.6 Pa/K。其雜訊僅爲0.9 Pa，比上一代的BMP380降低了25%。該裝置還具有較高的長期穩定性以及較低的短期和長期位置偏移。新款感測器體積輕巧，尺寸爲2.0 mm x 2.0 mm x 0.75 mm，便於整合至可攜式裝置中。在1 Hz(代表值)下，系統功耗保持在3.2 μA的低水平，以最大限度延長可攜式裝置的電池壽命。