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2023年全球智慧家庭支出將達1570億美元
根據研究機構Strategy Analytics調查指出,到2019年,消費者在智慧家庭相關硬體、服務和安裝費用上的支出將達到1030億美元,並且以20%的年複合成長率成長,到2023年將達到1570億美元。其中,硬體設備支出2019年的比重將達到54%,約550億美元左右,並以10%的年複合成長率成長,到2023年將達到810億美元。
在不同區域市場各有不同應用與領導廠商,美國互動安全是ADT、Comcast和Vivint;在西歐,Centrica Connected Homes、Deutsche Telekom和Verisure透過遠端自我監控、能源管理和交互式安全產品推動市場;在亞洲,韓國電信和LG U+在韓國積累了數百萬智慧家庭用戶;小米和中國電信在中國最活躍,松下和ITSCOM在日本最活躍。
截至2018年底,全球有2億多家庭擁有至少一台智慧家庭設備,到2023年,隨著寬頻網路在全球家庭的普及率達30%,預計將再增加1億個智慧家庭。到2023年底,全球將有超過64億個智慧家庭裝置,平均每個家庭智慧設備達21個。在產品類別上,電氣設備類的銷售量最高,其次是智慧燈泡。
中國自主DRAM之夢發芽 長鑫存儲量產在即
成立於2016年的中國長鑫存儲(Changxin Memory Technologies),先前稱合肥長鑫與福建晉華、長江存儲為「中國製造2025」的三大記憶體國家隊。該公司日前正式宣布,首款自主設計DRAM(動態隨機存取記憶體)晶片2019年底預計開始逐步量產,透過重新設計DRAM架構,盡量減少美國技術使用,同時首度公開談論其技術內涵,希望有效降低技術侵權疑慮。
中國長鑫存儲在合肥投資新台幣近2500億元,準備量產自主DRAM記憶體
據了解,長鑫在合肥DRAM廠已投資約80億美元,計畫在年底量產,最初每月預計生產約1萬片晶圓,相較目前全球每月生產130萬片晶圓,上述數字僅如滄海之一粟,但對還沒有本土自製DRAM晶片的中國來說,卻不啻是項重大突破。2018年全球DRAM市場規模達996.5億美元,三星電子、SK Hynix、美光等三大廠掌控了95%市場。
長鑫表示其DRAM設計來自德國晶片商英飛凌旗下2009年破產的DRAM廠奇夢達(Qimonda),長鑫存儲副總裁、未來技術評估實驗室負責人平爾萱表示,該公司已經把原本奇夢達的46奈米製程 DRAM提升到10奈米,也開始在極紫外光(EUV)、高介電常數金屬閘極(High-k Metal Gate, HKMG)和環繞閘極(Gate All Around, GAA)等新技術的研發。奇夢達曾提出埋入式電柵三極體技術,利用空間將三極體的性能提升,這種提升隨著線寬的減少越來越被需要。從堆疊式架構的發展歷史以及展望將來的發展趨勢就可以發現,現在DRAM沿用密集排布電容及埋入式電柵三極體,甚至未來3~5代DRAM應該都會延續類似架構。
DRAM是基於電容儲存電荷為原理的緊密鋪排的陣列,這個陣列透過一系列外圍電路管理以讀寫裡面儲存的資料。平爾萱說,與過往相比,今天一個面積小於指甲的DRAM晶片可容納80億儲存單元,而8個儲存單元可以代表一個字母,因此一個晶片可能儲存10億個字母。而這些數據可以6Gb/sec 的速度,在幾秒內完成讀寫。DRAM技術在發明之後的幾十年里,經歷了從早期簡單的平面結構,變化成為立體溝槽式電容及堆疊式電容的架構,為了爭取更多的電路表面積,演變出向上和向下兩種技術發展路線,而最終以堆疊式架構勝出。
原因是溝槽式架構面臨幾個技術瓶頸:其一是溝槽式只限於單面表面積,堆疊式可用雙面表面積,溝槽式架構很快就達到了刻蝕深寬比極限;其二是高介電質材料的應用受到溝槽式中高溫製程的限制。展望未來,平爾萱認為,DRAM是有極限的,透過技術改進,可以延後物理性能的限制,如導入 EUV微影技術及HKMG三極體以縮小線寬及加強外圍電路性能。EUV是繼193奈米 Immersion Scanner後又一個曝光技術革命,EUV主要是針對陣列,但外圍線路的增強及微縮也是近來DRAM技術發展的另一個機會。另外,由於DRAM製程中有電容這一段,因此HGMG製程的選擇需與電容製程匹配,透過導入HKMG,不但可以推動儲存密度進一步提高,連接埠速度也同步獲得了提升。
緊跟電氣化/智慧化趨勢 功率半導體競逐車電商機
甫於9月中落幕的德國法蘭克福車展,電動車成了最大亮點,各大車廠紛紛秀出新的概念車款,展現全面邁向電動化發展的決心。
與此同時,全球節能規範也不斷提高。歐盟計畫自2020年起推行新的法規,以確保溫室氣體排放能進一步降低。
根據歐洲環境署(The European Environment Agency, EEA)的統計資料顯示,在歐洲,94%的交通工具溫室氣體排放是來自道路交通工具,而其中73%是來自乘用車和輕型商用車(Van),27%來自卡車、巴士和貨車。
也因此,今年4月,歐盟議會和理事會通過了EU 2019/631號新法規,規定了2020年後歐盟新乘用車和輕型商用車的二氧化碳(CO2)排放新標準,以確保從2030年起,新乘用車和輕型商用車的二氧化碳平均排放量,與2021年水平相比,分別減少37.5%和31%。新的法規將於2020年1月1日開始實施,將取代現行的法規標準。
在降低二氧化碳排放量的法規日趨嚴格下,汽車電氣化與電動化的發展已是不可逆的產業趨勢,再加上車聯網、自駕車等新風潮降臨,汽車內含的電子系統數量正快速增加,包括先進駕駛輔助系統(ADAS)、各式電動車(xEV)的發展,將為半導體元件帶來可觀的市場商機;其中,攸關汽車節能與電動車續航力表現的功率半導體,更是一大成長焦點。
市場研究機構分析,一輛汽油車平均內含的半導體元件金額約330美元,而電動車約高達750美元,其中絕大多數都是用在功率元件,特別是主逆變器、車載充電器(On-board Charger)和DC-DC Converter。隨著電子產品和電動車增加,對於利用精密電力電子解決方案降低電力損耗、系統重量,以及整體擁有成本的需求,也將隨之上升,因而吸引各式功率半導體業者積極展開搶攻。
目前車用功率半導體,主要以矽基技術的MOSFET、IGBT為主,因為技術、製造、供應鏈都已非常成熟。不過,為了達到更高的節能效益與性價比,相關半導體業者也已加緊投入新的寬能隙(Wideband Gap)半導體技術,包括碳化矽(SiC)與氮化鎵(GaN)皆有不少廠商投入,其中也不乏台灣業者。
在功率半導體市場,英飛凌可說是全球龍頭,從MOSFET、IGBT到新興的SiC/GaN技術,皆已有完整布局(圖1),在汽車市場更已打下一片江山,2018年更與中國最大汽車製造商上汽集團,合資成立汽車功率半導體公司,為中國電動車市場製造功率模組;近期更積極擴建12吋晶圓廠與薄晶圓製程,期進一步鞏固市場領先地位。
圖1 從應用的電壓範圍來看,英飛凌功率半導體產品布局相當完整。中間區塊為汽車部門鎖定的範圍。
資料來源:英飛凌
儘管龍頭大哥地位難以撼動,不少功率半導體廠仍舊看好汽車市場成長前景,積極展開布局。其中,以二極體起家的達爾(Diodes Inc.)已將汽車視為未來成長的關鍵引擎。
挾強固/可靠/性價比 達爾力拓車用MOSFET市場
看好汽車電子發展潛力,達爾自2011年即開始投入,並於2013年正式成立汽車產品部門。達爾全球離散元件產品副總裁唐逸鵬(圖2)表示,要發展汽車電子方面的業務,除了須有堅強的產品陣容外,更要有良好的組織體質、財務能力與支援架構。特別是車廠的零部件需求量很大,太多供應商會導致管理成本變高,因此對功率離散元件供應商來說,產品組合要愈完備愈好,才能提供一站購足式的服務。
圖2 達爾全球離散元件產品副總裁唐逸鵬指出,汽車應用對穩定性、可靠度及強固性要求甚高,是產品開發時的首要考量。
唐逸鵬進一步指出,2008年達爾收購了英國離散元件開發商Zetex,當時這家公司約有30~40%的產品都是賣給汽車客戶,雖然產品不錯,但因公司小、缺乏組織架構,經營得很辛苦,規模很難壯大,所以達爾在收購後決定建立更完善的組織架構,成立了汽車電子部門,從2013年成立之初,汽車產品僅占公司總營收3%,如今已經成長至10%的比重,接下來將朝20%占比的目標前進。
唐逸鵬強調,功率離散元件的基本技術是一樣的,但隨著終端應用不同,功率離散元件要提供的價值也不同。以汽車應用來說,車用功率離散元件方案必須要很堅固,要以長期可靠性為賣點,而不是一味追求超高效能,而要達到此一目標,須從晶圓的設計、製程、到生產製造,每個環節都要好好掌控、費心調製,才能創造最大的價值。
舉例來說,達爾在幾年前所投資的新MOSFET技術:IntelliFET,便可大幅提升MOSFET的強固性,滿足汽車電子對可靠性的要求。這種自我防護型MOSFET將功率MOSFET與完整的保護電路陣列整合,有效防護靜電放電(ESD)、過電流、過電壓和過溫的情況。只要「智慧型」MOSFET感測到發生以上任一種可能造成災難的狀況,就會同時保護自己和與其相連的負載。整合這些保護功能,就能提高整體的系統可靠性。此外,狀態標示等新的功能,則透過提供診斷的能力,協助偵測並修正車輛內的故障,進而提高整體系統效能。
唐逸鵬解釋,車子使用的環境,很容易讓MOSFET受到損壞;IntelliFET是將控制器和MOSFET做在一起,並整合所有的保護功能。很多高檔車就用這種MOSFET來驅動,比起使用機械式繼電器,這種方案不會損壞,因而可省下大筆維修成本,所以頗獲車廠青睞。目前全球只有英飛凌、意法半導體、安森美、恩智浦和達爾這幾家,擁有這樣的產品技術。
唐逸鵬強調,MOSFET市場競爭非常激烈,要脫穎而出,一定要紮好馬步、練好基本功,將技術、製程做到最好,再者生產製造到封裝也要有整體的競爭力,如此才能打造出性價比最好的產品,從而站穩要求最嚴格的汽車電子市場。
延攬人才/厚植研發能量 強茂全力搶進車用MOSFET
另一方面,已在全球二極體與離散元件市場占有一席之地的台灣廠商強茂,近年來也積極轉進汽車市場,並從組織架構、產品研發、生產製造,以及業務拓展等層面,規畫了縝密的長期布局計畫;今年8月宣布投資6,800萬美元於八吋晶圓產品設備的重大訊息,即是強攻汽車電子市場的一連串動作之一。
強茂大中華區營業事業體副總經理陳佐銘(圖3)談到,強茂已是33年的老字號,在大中華區的消費性電子市場已奠定深厚基石。不過,公司這兩年組織大調整,從銷售、研發到製造,全都展現新的氣象,除延攬許多一線大廠的資深專業人才加入,更成立創新事業體(Innovation Business Unit, IBU),並於新竹、矽谷設置研發中心,厚植產品研發能量,為的就是搭上汽車電子成長契機。
圖3 強茂大中華區營業事業體副總經理陳佐銘談到,強茂自3年前即開始布局汽車電子市場,如今已逐步展現成果。
強茂集團策略長李學寒進一步指出,創新事業體主要將鎖定MOSFET、IGBT及SiC三大產品進行研發;其中,MOSFET會最先發展,將採用遮罩閘(Shielded Gate)技術,開發60~200V的產品,與溝槽式(Trench)、分離式閘極(Split Gate)技術的MOSFET進行區隔,以確保產品毛利,避免陷入價格戰泥淖。預計2020年第一季,強茂會先推出100V Trench MOSFET,第四季則可以提供Shielded Gate Trench MOSFET樣品,包括汽車、工業、消費性市場皆是可應用的範疇。
過去,強茂在業界主要以二極體為產品主力,但這幾年積極朝MOSFET布局,2018年一百多億總營收裡,MOSFET占比已將近15%;為進一步提升MOSFET產品競爭力,因此決定投入技術門檻相對較高的Shielded Gate Trench技術,並投資8吋晶圓設備,建立MOSFET晶圓設計及關鍵的核心製程能力。李學寒強調,未來該公司將以國際大廠做為標竿,藉由5年的發展計畫,在MOSFET市場深根發芽,期能躋身全球前五大廠之列。
除了積極研發新產品外,過去幾年,強茂也已陸續先讓原本消費性解決方案通過車規驗證,預計到2019年底有八成產品可以成為車規等級方案。換言之,強茂三萬顆料號中,80%的料號是符合AEC-Q101標準,能夠直接提供給車電領域的客戶。預計至2021年,所有產品都要通過車規要求。
陳佐銘透露,2018年汽車電子占強茂總營收比重已到8%,2019年預計可達一成,但目前貢獻營收的主力產品仍為二極體;未來,隨著創新事業體研發的新產品陸續上市,MOSFET產品線的比重將可日益攀高。
在生產製造方面,強茂也已導入MES製造執行系統,設立汽車產品製造專線及高效能製造產線,樹立汽車產品製造管理系統觀念。目前該公司已取得AEC-Q101、IATF 16949:2016等重要汽車行業品質規範的審核認證。除此之外,自2017~2019年,強茂也已陸續通過多家車電廠評審合格。陳佐銘談到,近期強茂正緊鑼密鼓的與新的一級車電製造商展開工廠稽核作業。有車電廠甚至承諾,只要強茂產品通過驗證,它就直接導入量產機種,將是明年很重要的成長機會。
陳佐銘分析,受到全球車市低迷,以及中美貿易戰影響,車廠面臨極大的經營壓力,許多中國與歐美汽車大廠紛紛開始尋求新的供應商,一來增加供應鏈應變彈性,二來可降低成本,因而為強茂開啟進入車電市場的大門。而強茂也已做好準備並已有一隻腳跨入;未來,隨著新產品問市,以及在一次次與車廠驗證過程中學習後,該公司體質將可更加脫胎換骨,真正站穩汽車電子市場。
電動車成長可期 車用IGBT前景看俏
相較於MOSFET可被廣泛應用,IGBT在汽車領域的用武之地,主要是以電動車馬達驅動、車載充電器為主。由於電動車出貨量將持續攀升,以及在工業方面的應用也大有可為,加上IGBT的價格較高,吸引不少業者投入,如台灣的茂矽、強茂近來都已展開布局。
IGBT主要分為離散式(Discrete)IGBT和IGBT模組兩種方式,各有適合的運用情境,以市場規模來看,後者相對較大,約達26億美元規模。然而,目前IGBT市場主要由英飛凌所把持,無論在離散式IGBT或IGBT模組領域都擁有30%以上的市占,遙遙領先其他業者(圖4)。
圖4 英飛凌在IGBT晶片和模組市場市占率皆超過3成。
資料來源:IHS Markit、英飛凌
對後進廠商來說,能否掌握IGBT晶片來源,是最大的成敗關鍵,因為晶圓占IGBT的成本結構很高,若只能仰賴外部採購,獲利空間有限。以強茂為例,即打算在未來2~3年內先投入場截止型(Field...
I-PAT一眼看穿 汽車晶圓缺陷篩選率上層樓
在對可靠性影響幾個最大的關鍵製程步驟中,採用這種被稱為「篩選」的技術對100%的晶片和100%的晶圓進行檢測。在檢測中未通過預設缺陷率標準的晶片被「篩出」或「標記」,並將其從汽車供應鏈中濾除。濾除的標準通常是根據反覆出現的客戶退貨,並且對這些產品進行故障分析以揭示容易引起問題的製程層、晶片區域和缺陷類型。在採用8D研究對可靠性問題的來源進行辨識和表徵之後,許多領先的汽車半導體客戶將堅持讓他們的IC供應商採用有針對性的篩選作為預防措施,以確保完成零缺陷的品質目標。
缺陷檢測為汽車晶片製造挑戰
篩選所用的缺陷檢測的晶圓圖上通常有太多缺陷,這是汽車晶片製造商所面臨的挑戰。當然,並非晶片上的每個缺陷都有同等機率造成晶片致命故障。但如果不對缺陷的可靠性風險做出仔細評估,就可能造成讓人無法接受的「矯枉過正」,本來可以在整個使用壽命期間正常運行的晶片也被標記濾除。
為了實現提高品質且又不會矯枉過正的雙重目標,篩選必須成功識別在ppb級品質檢驗環境中最可能出現故障的晶片,同時允許合格晶片通過品質檢驗。一種稱為線上缺陷零件平均測試(I-PAT)的新型晶片級篩選方法由此而創建。I-PAT是一種統計方法,用於識別可靠性故障發生風險較高的晶片。
零件平均測試(PAT)由汽車電子委員會(AEC)於1997年首次認可,目前已被廣泛使用。其理念是採用電性測試,並將每個零件的性能參數與大量產品的資料分布進行比較和評估。那些符合規格但在產品正態分布之外的晶片被視為異常零件;實際結果表明,這些異常零件更容易產生可靠性故障,因此可以將其從供應鏈中濾除。參數化零件平均測試(P-PAT)的概念現已進一步發展並包括了其他幾種不同的辨識異常晶片的方法。
圖1顯示了該測試的基本概念。晶片A來自主要數值分布的中間,晶片B則遠低於零件平均測試的下限。因此,晶片B多半會被濾除以免其造成可靠性風險。
圖1 大部分零件(晶片)的資料都在狹窄的淺灰色分布範圍內,零件平均測試限度之外的任何零件儘管完全合乎規格也都將因其可靠性風險而報廢。
線上缺陷零件平均測試是將這個異常零件分析原則擴展用於線上缺陷資料。目前已經確定,給定晶片中可靠性缺陷的發生率與缺陷總數呈線性正比;如果晶片A缺陷數目是晶片B的十倍,那麼即使兩個零件在最終測試中都完全正常運行,晶片A也有著十倍可能性會發生可靠性故障。
這種簡單的關係可以用數學公式1來表示,其中P(LRD)是第i個晶片包含潛在可靠性缺陷(LRD)的概率,Ni是晶片I上的缺陷總數,m是比例常數(0<m<<1)。
公式1
在最基本的I-PAT使用中,可以將一個或多個關鍵篩選層的缺陷數目加總,以獲得晶圓上每個晶片的累積缺陷數目,並對該資料採用異常零件確定方法。由此篩選出的異常晶片中包含可靠性缺陷的統計概率是最高的。有了這些資訊,汽車製造廠可以有意識權衡並劃分異常零件的離群距離與最終良率損失,並以此確定針對該元件可以接受的品質風險。圖2顯示了晶圓上四個不同製程層的晶片累計缺陷數目。
圖2 晶圓上所有晶片的缺陷率可以用帕累托圖顯示。大多數晶片只有0~1個缺陷,但是一小部分將會是高缺陷率的異常零件。I-PAT方法允許工廠選定異常零件的限度,對於給定的元件或客戶在合適的風險和良率損失之間做出權衡。
I-PAT降低晶圓篩選難度
I-PAT是一種相對簡單的方法,可以很容易地加進大多數晶圓廠的篩選方法中。一旦到位,可以透過將特定的線上缺陷類型與工廠的可靠性經驗、探針資料、老化和最終測試資料以及客戶退貨等訊息相關聯並加以改進。這將指明那些與良率和可靠性最為相關的製程層和缺陷及其界定屬性。而這些屬性,可以讓已知的可靠性風險缺陷的識別更加便捷。
一旦確定了缺陷屬性和可靠性風險之間的相關性,就可以通過為每個缺陷類型分配權重並創建每個晶片的潛在缺陷概率指數(LDPI)以提升性能。使用LDPI時,採用了相同的I-PAT統計異常晶片的原則,但現在每個缺陷都根據其可靠性風險的相關性進行了加權。
使用加權I-PAT而不是總缺陷數有助於濾除與可靠性的相關性較弱的缺陷,並提升相關性強的缺陷訊號。雖然僅僅憑藉總缺陷數篩選異常晶片就可以顯著提高晶片可靠性,但採用加權方法可以更為有效。加權I-PAT透過減少矯枉過正和要求不嚴來提供更有效的篩選。I-PAT的線上異常晶片檢測也可以與探針和測試資料相結合,在測試決策過程中加入缺陷資訊以決定邊緣晶片的去留(圖3)。該技術顯示出那些通過探針和測試的風險晶片,並且還被更有效地用於指引區域零件平均測試,發現可能通過其他方式漏網的風險晶片(圖4)。
圖3 I-PAT異常晶片缺陷識別結合探測和最終測試資料可以完善合格/濾除的決策。
圖4 區域零件平均測試(G-PAT)能夠將那些在電性測試失敗的壞晶片附近的晶片篩選出來,儘管這些晶片本身會通過電性測試。缺陷引導的G-PAT使用I-PAT來識別具有相同缺陷源的其他缺陷異常晶片,在使用先前的方法時這些晶片可能會漏網。在這個刮痕的示例中,3表示的高風險晶片可能會進入汽車供應鏈並造成可靠性故障。
透過製程控制降低整體缺陷率仍然是在汽車零缺陷環境中提升可靠性的主要方法。偏移監控和持續改進計劃是製程控制的基礎,需要時間和紀律,但對於降低製程設備缺陷率是至關重要的。新興技術,例如I-PAT篩選,正在逐漸被推廣使用。作為傳統製程控制的補充方法,篩選是IC汽車製造廠向客戶提供優質產品的最快捷和最便宜的方式。篩選技術提供了識別和阻止個別高風險晶片進入供應鏈所需的安全網,是實現自動駕駛所需的亞ppb品質目標的下一步。
(本文作者David W. Price、Jay Rathert為KLA資深總監;Douglas Sutherland為KLA首席科學家)
降低先進製程設計成本 默克提DSA方案
人工智慧、自駕車、大數據、物聯網等科技趨勢正急速推動著電子產業的發展,未來對功能更強大的IC晶片的需求將非常可觀,為此,半導體持續朝先進製程發展;而為有效降低多重曝光的成本,默克(Merck)提出定向自組裝(DSA)解決方案,以加速半晶片微型化技術發展。
默克全球半導體事業體負責人暨執行副總裁Anand Nambiar表示,摩爾定律逐漸走向極限,為打造更高性能的晶片,半導體製程持續走向微型化發展,然而,這些製程技術的出現,雖說可以再進一步提高晶片性能,但也代表半導體製程與結構更趨複雜,成本也會隨之上升。像是5奈米的曝光步驟就會比7奈米多,也因此所花費的時間和成本也會更高;若再搭配EUV,其成本更是可觀。也因此,為有效降低多重曝光的成本及時間,默克便提出DSA創新解決方案。
默克全球半導體事業體負責人暨執行副總裁Anand Nambiar指出,半導體製程持續走向微型化發展,卻也使晶片結構更加複雜及成本提高。
據悉,DSA 牽涉了一些不同的材料,其中最重要的是所謂的塊狀共聚合物(BCP),這是由兩股不同聚合物以端對端交聯而成。這些BCP能夠在特定條件下,沿著導電結構自行排列為一致的形狀,形成了未來電腦晶片的極精細電晶體和印刷導電體的基礎。
Nambiar指出,簡而言之,DSA材料提供合乎成本效益的圖案化解決方案,可用於製作更先進的晶片尺寸。根據比利時微電子研究中心(Imec)研究顯示,採用DSA解決方案,可有效降低約20%的成本。
Nambiar進一步說明,DSA應用非常廣泛,不僅是可用於傳統邏輯晶片的先進製程,其餘像是記憶體、感測器等也可應用此一技術。舉例來說,目前記憶體堆疊層數不斷增加,從以往的32層增加到128,甚至未來還要達到256層,這樣的製程都需要多重曝光的步驟;而DSA便可在其中扮演關鍵角色,在有效降低整體成本同時,也可助力高性能晶片的設計。
2019年台灣半導體產業表現平穩小幅下滑0.7%
全球半導體產業在歷經2017與2018年大幅成長之後,2019年面臨大幅修正,資策會MIC預期全球半導體產業將較2018年衰退8.7%,相較之下前兩年表現並不亮眼的台灣,2019年則是相對穩健,由於影響近期半導體產業發展的記憶體,在台灣半導體產業占比已經越來越低,2016年第四季華亞科正式併入美光(Micron),已不再列入台灣半導體產業產值統計,記憶體產業的榮枯對台灣半導體影響更小,也是台灣半導體產值相對平穩的主因。
全球半導體產業因記憶價格大幅滑落與全球整體經濟成長趨緩影響消費意願等因素影響,表現不佳;但預計下半年將逐漸回溫,資策會MIC研究指出,台灣記憶體產業占整體產業比重小,影響相對輕微;上半年雖仍受庫存調節等因素影響,但下半年在旺季需求的帶領之下,全年表現可望僅較去年小幅衰退0.7%,整體產值達新台幣2兆4,188億元。
從各個半導體產業的次領域來觀察,台灣也僅有IC製造的記憶體領域呈現衰退,IC設計由2018年的5,777億元預估將成長至5,998億元,晶圓代工從1兆1734億元,小幅成長到1兆1,763億元,IC封測也呈現成長,由4,692億元,成長至4,743億元。
微透鏡陣列技術安全又美觀 汽車投影照明功能大增
隨著高功率LED的出現,業界對汽車照明的品牌和效能表徵進行了一些早期嘗試,例如製作方向燈的動畫,為日間行車燈創造獨特的輪廓。但是,在大多數情況下,照明這一基本功能並沒有變。
如今,半導體廠商為使汽車OEM能夠為汽車創造具有更多功能的照明系統,正致力開發相關技術,如艾邁斯半導體(ams)開發的新照明系統,稱為微透鏡陣列(MLA)技術,該技術在照明基礎上添加了溝通和互動功能。MLA技術首次使汽車製造商能夠在離汽車較遠的路面上投影細節豐富的清晰圖像或圖案。與傳統光學投影儀相比,該陣列的占用空間和深度很小,可輕鬆整合到車身,不影響機械設計。
因此,在新車設計中實施MLA技術,給汽車製造商帶來改進汽車照明安全性、便利性、外觀、個性和功能的巨大潛力。
本文將概述MLA技術的工作原理及投影照明系統的構成。該技術對大燈的影響最大,因為微透鏡投影帶來的波束品質和波束控制改進幅度明顯。投影照明在汽車中還有許多其他潛在用途可實現安全性和舒適度。毫無疑問的是,有相當大的應用空間仍有待於具有前瞻性思維和豐富想像力的工程師。
MLA元件應用光投影技術
在今天的汽車照明中,波束一般是透過光學技術形成,而光學技術至少已經擁有幾十年的歷史。例如,在大燈中(圖1),波束控制通常透過組合一個大反射鏡和一個嵌入在大燈蓋中的透鏡來實現。光投影的物理性質要求光源和透鏡之間有一個較長的最小距離。這意味著,整個大燈元件體積大,會占用車身相當大的表面積。
圖1 低波束模式下的汽車大燈。
圖片來源:iStock.com/bizoo_n
MLA技術的採用標誌著傳統汽車照明設計方法的突破其首次透過深度和高度只有幾毫米的元件將緊密聚焦的波束甚至圖像或圖案投影到路面或人行道上。由於MLA的系統尺寸小,因此幾乎可將投影照明內置在車身的任何部件中。目前,已經有業內著名的汽車製造商在實施和評估基於MLA的各種應用。
當車輛檢測到車鑰匙靠近時,從門縫下投影的迎賓照明可顯示該車型或品牌獨有的圖案(圖2)。這一功能既方便又安全,照亮了用戶上車必須經過的路面。它還可賦予汽車個性,車燈似乎在「歡迎」駕駛員從黑暗中返回車中。投影在地面的獨特圖像也可以成為汽車品牌的標誌。
圖2 微透鏡陣列組件將燈光投影在汽車旁邊的小路上。
圖片來源:iStock.com/photostio
透過後視鏡投影在路上的轉向訊號為行人、騎士和其他路人提供了駕駛員要轉彎的高度可見指示,提高了道路安全性。
嵌入在車頂內襯或擱腳空間的車廂照明。和道路照明一樣,該功能提高了駕駛和乘客的便利性和舒適度,還可以營造專屬於該汽車品牌的光學環境。
最重要的是,MLA技術的採用引發了對大燈設計的重新思考。微型化就是一個優勢:目前已有大燈製造商開發專案可以證明,打造具有窄縫特性曲線的標準大燈具有可實施性(圖3)。該技術還顯著改進了傳統大燈和新型LED矩陣大燈的波束品質、均勻度以及可控性。將投影照明應用於大燈的優勢包括一些重要安全主題,如:
圖3 基於MLA技術的狹縫大燈概念設計。
圖片來源:iStock.com/NiseriN/AD-Ventures
.幾乎消除迎面車輛燈光刺眼的風險。
.雨霧天氣的出色性能,大幅減少了影響駕駛視線的水滴反射光線。
.動態自我調整波束,準確地指示路面需要的光線,為駕駛提供最有用的照明。
.可將環境相關資訊(如警告標誌)投影到駕駛前方道路。
MLA技術帶來了重新思考汽車照明設計的機會。基於MLA的投影照明系統尺寸小,光學性能出色,且MLA模組中的光程具有特殊構造。
MLA元件由LED光源/準直透鏡/微透鏡陣列組成
基於MLA的投影照明元件由LED光源、準直透鏡和微透鏡陣列組成。該陣列為定制設計的模組;典型MLA的尺寸為11.4mm×10.7mm×3.0mm(圖4)。
圖4 艾邁斯半導體製造的典型10mm×10mm微透鏡陣列。
圖片來源:艾邁斯半導體
該陣列是一組精密製造的微型透鏡或微透鏡。由於透鏡陣列是透過與半導體產業共用的製程製造的,因此MLA技術具有與矽晶片相同的成本和品質優勢。奈米級製造也意味著,微透鏡可精確成型並定位,而將單個銳聚焦圖像投射到離投影儀一定距離的表面。該表面可以是平坦、彎曲或任意形狀的表面,既可垂直於投影儀,也可傾斜。
透過微透鏡陣列投影圖像,可顯著減小光源和透鏡之間的焦距。這種投影儀的尺寸遠小於傳統單透鏡投影儀(圖5)。
圖5 微透鏡陣列的焦距比同等單透鏡投影儀短得多。
圖片來源:艾邁斯半導體
MLA的工作原理是將多個版本的圖像投影在螢幕(查看圖像的表面)的同一位置。例如在由64個微透鏡組成的MLA中,所查看的圖像實際上是64個重疊的投影圖像。
此工作原理帶來了相當大的技術挑戰。即使是投影到平坦垂直的螢幕上,陣列內每個微透鏡從單個光源的折射角度都會略有不同。因此,微透鏡需要彼此微微偏置(圖6、7)。艾邁斯半導體使用專業軟體工具來計算每個微透鏡的光參數。但是,很重要的是,典型MLA的透鏡直徑約為0.8mm,焦距約為2mm,透鏡凹陷約為80µm,很明顯,在創建陣列特性時需要極高的精度。
圖6 在沒有偏置的情況下,透過透鏡陣列投影的圖像很模糊。
圖片來源:艾邁斯半導體
圖7 偏置圖像"幻燈片"在目標平面上精確重疊銳聚焦圖像。
圖片來源:艾邁斯半導體
利用該技術,可使用傳統半導體製造設備對光學陣列進行晶圓上製造。這反過來又允許大批量、經濟地製造光學元件。
微透鏡陣列需要精確設計並製造。但實施高效投影儀還需要仔細制訂整個元件的規範。例如,來自LED光源的光就需要小心控制,而由感測元件供應商所提供的專家指導可說明客戶正確指定引導光線進入陣列的準直透鏡。正確的準直能抑制透鏡中的光串擾,由此防止中央圖像周圍的重像投影。
為使基於MLA的投影儀開發汽車照片解決方案更完善,最好瞭解物理定律如何控制任何給定陣列都能投影的圖像的大小、解析度和亮度。例如,通量和可分辨點的數量要平衡;增加焦距會減小通量,但會增加最大圖元計數,反之亦然。在汽車設計中,空間有限,而增加投影儀的焦距會使整個組件更深,更難整合。
這就是為什麼汽車應用中MLA技術的解析度通常限制為300圖元×300圖元(QVGA),例如,可投影公司標誌(圖8)。
圖8 基於MLA的投影儀在腳部空間呈現的標誌。
圖片來源:iStock.com/kenneth-cheung/ams AG
任何給定MLA元件和圖像的照明區大小也有限制。照明區可透過並行安裝多個基於MLA的投影儀來擴展,即一個投影圖像的邊緣與另一個投影圖像相交。在這種情況下,必須為各投影儀的透鏡陣列創建單獨的滑動掩模,增加了投影儀系統的總成本。
這種多掩模投影儀系統可用於創建3D效果,其中不同部分的投影圖案在不同的觀察距離聚焦。
MLA技術應用潛力大
如今,此項MLA技術正批量投入道路照明應用,主要針對高級汽車。與此同時,汽車製造商目前正在探索微型投影儀系統的各種其他潛在應用。
此項MLA技術最吸引人的應用就是安全照明功能:透過後視鏡投影的轉向訊號或指導線,向人員說明駕駛即將進行轉向。
如上所述,MLA技術為小型化大燈帶來了可能性,同時顯著改進了波束控制和品質。艾邁斯半導體的投影照明路線圖也預測了新的功能,將大燈轉變成智慧、動態自我調整的照明源。例如,這可能意味著改變波束的形狀和範圍以回應車速和路況的變化。 在舒適度、便利性和品牌塑造方面,投影照明也將改變今天傳統的道路照明。圖8顯示了車廂內部照明的可能性,還可以看到微型投影儀嵌入在車頂內襯。在外部,光投影可能在行李箱底部的道路上顯示虛擬「按鈕」,使使用者能夠用腳「踩下」光按鈕來打開行李箱。
未來,汽車製造商期望在全新應用中實施投影照明技術,例如為自動駕駛汽車的外部提供照明。自動級別達到5級的車輛雖無需外部照明,但必須能夠被其他道路使用者和行人看到。這為獨特照明設計提供了發展空間,不僅可實現安全目標(清晰可見),而且可形成獨特光學輪廓和圖案,增強汽車個性和獨特性。
MLA技術可能還可透過投影圖示,實現車輛到駕駛員、車輛到車輛以及車輛到行人的通訊。例如,支援MLA技術的大燈可在道路上投影斑馬線符號,表示駕駛給行人讓路。大燈被車輛的交通安全資訊系統觸發時,也可在駕駛前方的道路上顯示警告訊號。
MLA技術在車輛中的這些實際用例提供了新的照明應用,不僅用作照明,還用於通信、品牌塑造和個性化。儘管應用還不為人所熟知,但光學技術本身已經得到了驗證。艾邁斯半導體批量生產晶圓級光學元件和提供全封裝元件的能力在消費者設備上得到了證明,在汽車產業的微透鏡陣列中得到了證明。
汽車設計人員現在可以自信地為微型光投影儀開發已知應用和新應用,借助這項技術施展抱負。
透過感知道路、車輛和駕駛,這一些半導體廠商的感測器解決方案可以實現更高水準的電氣化、舒適度和自動駕駛,以獲得更安全、更智慧、更環保的駕駛體驗。
(本文作者為ams汽車部門PLS產品經理)
落實製造業數位轉型 業主抓緊兩個I
也因為要做的工作實在太多,對於以中小企業型態為主,資源相對有限的台灣製造業而言,要畢其功於一役,可說是不可能的任務。因此,大多數台灣製造業者都必須針對自身的營運需求,排出數位轉型計畫的導入優先順序,然後才能一步步落實,達成數位轉型目標。這也意味著企業主事者有責任為自己的公司排出最佳化的「轉型課表」,因為只有管理高層才有綜觀全局的資源跟能力,而且國際大廠推出的解決方案「套餐」,未必真的符合自家公司的需求。
換言之,企業主必須先盤點現有產線的狀況,找出瓶頸所在,然後評估相關改善的投資成本與回收時間。通常,產線最大的瓶頸所在,也就是最需要優先改善的項目,但考量到相關投資的費用、人力投入成本與回收時間,該項目就未必是當下最需要優先執行的項目。反之,有些回收很快的改善項目,未必能解決當下產線所遭遇的問題,例如能源管理與節能相關的改善,通常無助於解決生產瓶頸的問題,但卻能在成本撙節上帶來很明顯的效果。
緊抓KPI與ROI
由關鍵績效指標(KPI)與投資報酬率(ROI)這兩個I所組成的矩陣,是企業主在制定數位轉型課表時,非常有效的輔助思考工具。KPI與產線本身的改良有直接關係,通常是指個別改善項目所能帶來的量化效益,例如整體設備效率(OEE)的提升、生產效率的提升或設備維護成本的降低;ROI則是個別改善項目所需投入成本的回收時間,一般來說是以年為單位來衡量,回收時間越短越好。
圖1是由KPI與ROI所組成的座標系,第一象限是改善的量化效益高,投資回收期短,最適合優先進行的項目,第二象限則是改善量化效益高,但投資金額巨大,或是回收時間長的改善項目。第三象限則是產線改善效益不明顯,投資回收期也長的項目,通常企業主會避免在數位轉型的初始階段就進行這類型的改善計畫,第四象限則是產線改善效益不明顯,但可以很快回收的改善項目。
圖1 KPI與ROI座標系
對企業主來說,落在第一象限跟第四象限的數位轉型工作項目,通常是比較容易排在高優先事項的投資,因為其所帶來的經濟效益巨大,風險也低。第二象限則屬於「攻堅型」的數位轉型項目,這類項目雖然能帶來不錯的改善效益,但因為投資的回收期長,通常也意味著更大的營運風險。
之所以用相對籠統的方式概述,主要是因為對個別企業而言,即便是類似的改善項目,KPI跟ROI也可能有很大的落差。舉例來說,能源管理方案投資的ROI好壞,就跟個別企業的能源使用狀況有密切關係。
對耗電量大、電力需求波動卻相對小的連續製程產業,例如鋼鐵、石化來說,投資能源管理方案最大的好處大概只有找出不必要的能源浪費,省下一些費用;但對於耗電量中等,電力需求波動幅度卻很大的一般組裝製造業來說,導入能源管理不只是省電費,還有可能衍生出虛擬電廠這類新業務,把節能變成可以創造現金流的生意。如果是耗電量本來就不大的小工廠,在節能方面進行投資,ROI就會變得不那麼吸引人。
工業物聯網/資料可視化必須優先推動
雖然數位轉型的專案項目能帶來多大效果,絕大多數都得看個別廠商的情況而定,但由於數位轉型的終極目標之一,是實現由資料驅動的數位決策,因此跟取得資料、分析資料有關的基礎建設,可說是製造業追求數位轉型的過程中,無法迴避的基礎建設。
據工業電腦大廠研華針對其客戶群所進行的效益分析,很多製造業只要完成工業物聯網建置,並加上資料可視化工具,就能讓OEE提高20%。而且,沒有工業物聯網提供的資料,加上可視化工具對資料進行初步爬梳,數位轉型根本無從推動。因此,這兩項相輔相成的投資,實為製造業展開數位轉型的原點。
事實上,許多大廠正在帶頭推動的「關燈工廠」、「AI輔助決策系統」等專案項目,對中小企業來說都還太過遙遠。如果中小企業沒有先釐清自身的真正需求,把底層需要的基礎建設做好,貿然導入無人工廠或AI系統,恐怕會是一場災難。
無人工廠是工業自動化的極致,但自動化跟製造業數位轉型不宜直接畫上等號。而且,現有的自動化技術還是比較適合少樣多量、大規模生產的運作型態,對多數講求靈活接單、彈性生產的中小型製造業者來說並不適合。即便是研華、凌華、新漢等營收已有相當規模,又是智慧製造解決方案重要供應商,對工業4.0、數位轉型理解較深的業者,其產線也沒打算朝無人工廠邁進。相反的,這些工業電腦業者的計畫,是藉由導入各種智慧化技術,讓員工的人均產值得以向上翻升。
至於AI輔助決策系統,則是數位轉型成功的結果,而不是數位轉型成功的原因。撇開強化學習(Reinforcement Learning)、生成對抗網路(GAN)等還在發展中的機器學習(ML)模式不談,目前比較成熟的機器學習技術,仍是監督式學習(Supervised Learning)。這種機器學習模式需使用大量經過標籤的資料集進行訓練,方可得出相對準確的推論模型。如果沒有資料,空有機器學習所需的軟硬體,也無用武之地。
正如同台灣清大清華講座教授簡禎富在其《工業3.5--台灣企業邁向智慧製造與數位決策的戰略》一書中所提及,未來的製造業面貌,是在自動化的基礎上,結合人工智慧、大數據、雲端、物聯網等快速應用的科技,精進至彈性決策、聰明生產的智慧製造……台灣當務之急,特別是中小企業,應該發展「工業3.5」,作為目前的「工業3.0」和未來的「工業4.0」之間的混合策略。工業3.5的概念,就像人和智慧機器合作,配合數位決策大腦的鋼鐵人。
完全用機器或AI取代人的投資項目,對大多數台灣的中小企業來說,其實是落在ROI與KPI座標系第三象限的項目,除了需要大量投資之外,現階段所能取得的效益其實也有限。混和了人與智慧機器的工業3.5,才能讓中小型製造業穩健地朝數位轉型的目標邁進。
當心路徑依存陷阱
中小企業主事者在為自家公司制定數位轉型計畫時,除了要隨時緊抓KPI與ROI之外,還必須為日後的發展路徑做好準備,以免在不同階段完成的轉型項目,最後在進行整合時,出現難以相容甚至彼此衝突的棘手狀況。簡言之,計畫制定者就像下一盤大棋的棋手,必須具備設想三到五手後棋盤上的局勢,並預先做好對應的安排。
要培養這個能力,首先必須要具備路徑依存的概念。事實上,就像下棋一樣,決策者每做出一個決定,同時也會限制未來能選擇的發展路徑,這就是所謂的路徑依存。
用比較容易理解的情況來解釋,當某家製造業者選擇某種網路技術來搭建廠區的工業物聯網時,日後新增的節點設備就必須要支援同一種網路技術,不然新舊設備可能會出現難以相容的問題,除非是刻意要打造多個網路,並且讓不同網路保持獨立運作狀態。
同樣的,當業者選定了某一個雲端平台後,就會被該平台的應用生態系綁死,除非不同平台之間有規劃完善的轉換機制,否則要把原本建立在某一平台上的應用搬遷到另一個平台上,會是一個大工程。
雖然目前各家解決方案供應商都高舉開放大旗,但開放跟封閉是相對的觀念。過去工業設備跟相關軟體解決方案產業是極度封閉的,許多大廠牌都有自己的資料傳輸、控制命令協定,只能跟自家的其他產品互通。現在的情況則稍有轉變,從單一品牌通包變成各品牌彼此結盟,共建生態圈。
跟完全只能用單一品牌業者的情況相比,現在的情況當然是比過去開放,但這所謂的開放,其實也只存在於同一陣營或產業聯盟間,跨陣營的互通還是會很容易出現問題。
展望未來,工業領域的設備跟軟體供應商,除了少數特殊情況,將越來越難用自有標準綁客戶,因為整個產業的趨勢是越來越開放。對製造業者來說,此一趨勢固然是有利的,但製造業者還是需要對技術的路徑依存問題提高警覺,畢竟新舊設備不相容,在強調萬物互聯的物聯網時代,會造成更嚴重的問題。
當然,只要市場存在跨廠牌/跨陣營設備整合的需求,自然就會有對應的供給出現,這也是實務上很少有製造業者會整條生產線採用同一品牌設備的原因。協定轉譯、機台改造等軟硬體解決方案,都已經行之有年,也是用戶得以避免被供應商綁死的巧門鎖在。
另一方面,雲端運算是製造業數位轉型中新出現的元素,很多製造業者對此並不熟悉,因此在選擇服務供應商時,常會忽略了服務供應商轉換的隱形成本。雲端平台其實也是一個個生態系彼此競爭的市場,有些服務供應商為了挖對手的牆角,會提供對應的轉換工具,降低用戶平台轉換的成本。但不同的雲平台終究有不同的生態系統,有些應用或工具就專屬於某一平台。
當用戶還停留在資料可視化階段的時候,不同平台之間還看不太出差異,但如果用戶要發展更進階的資料分析工具,或是尋找現成可用的第三方應用時,就會有很明顯的感受。這也是為何Google的雲端服務幾乎橫掃個人用戶市場,但在工業雲上的能見度跟市占率,會遠不如微軟(Microsoft)、亞馬遜(Amazon)等其他雲端服務供應商的原因。
企業運作不能脫離基層 現場人員意見不可少
雖然數位轉型必須要由上而下推動,且主事者的意志跟計畫品質良窳攸關整間公司數位轉型的成敗,但有意推動數位轉型的企業管理高層,除了要時時刻刻從KPI與ROI兩個面向來思考問題,並小心避開路徑依存陷阱之外,也必須懂得聆聽第一線人員的聲音,方能避免錯誤的決策。
第一線人員不僅是設備的直接使用者,同時也是最熟悉製造流程中諸多細節的人。如果製造業的數位轉型計畫完全是由管理層由上而下推動,基層人員的想法或建言沒有納入,會很容易出現盲點。由下而上跟由上而下兩條路線同等重要。由上而下的推動,重點在讓全體員工了解企業數位轉型的大方向要怎麼走;由下而上的推動,則是要為了抓緊細節,避免企業的數位轉型計畫不接地氣。
也因為第一線人員的參與,對企業數位轉型的成敗十分關鍵,如何讓公司從上到下都了解數位轉型的真實面貌,進而為組織轉型做出貢獻,是非常重要的。
資料透明化是實現數位轉型必要的基礎建設,但資料透明不是人人都喜歡的事情。資料透明意味著企業的管理階層可以清楚掌握製造現場的狀況,甚至做到即時管理,這對基層員工來說是有壓力的。舉個最簡單的例子,沒有人希望自己上班時的一舉一動都被老闆盯著看。
另一方面,做產線主管的人,在資料透明化之後,自己的管理思維也得跟著改變。看到蜂擁而來的即時資料,其實管理者也不輕鬆。因為有資料,當中階主管的人會比過去更容易落入微觀管理(Micro Management)的陷阱。製造業固然是非常講求工作紀律的產業,但如果主管不分大小事都要介入,結果肯定是吃力不討好。
總結來說,企業要進行工業4.0或數位轉型,不只是導入工業物聯網或是把資料傳到雲端去做大數據分析就好。技術面的問題容易解決,組織文化跟管理風格的問題比較難解。因此,如果企業內部已經有資料驅動的文化跟機制,只是資料的取得還沒有那麼自動化,推動工業4.0會比較單純。但如果企業本身還沒有建立起重視文件記錄跟用資料做決策的文化與運作機制,導入工業4.0就會牽涉到組織文化的變動,這才是真正的挑戰所在。
以預測性維護為先鋒 ST積極布局智慧製造市場
意法半導體(ST)積極布局智慧製造市場。意法半導體MEMS和感測器事業群類比元件產品部工業與功率轉換部門總經理Domenico Arrigo表示,製造與流程自動化需求持續增加,而要使生產價值更進一步提升,預測性維護扮演關鍵角色,因此,該公司致力推動預測性維護,並將其作為發展智慧製造的一大策略。
Arrigo指出,從客戶的開案數來看,製造與流程自動化的需求可說不斷成長,然而,除了協助客戶實現自動化的目標之外,更重要的是為他們創造更大的生產價值,特別是中小型企業,而預測性維護便是關鍵。預測性維護可以提升整體設備效率,透過持續感測監控設備狀態,再以先進技術分析感測資料,進一步找出設備缺損並優化效能,可將生產影響減至最低優化成本。
Arrigo說明,預測性維護可顯著提升公司利潤,導入預測性維護,可省下12%的預定維修成本、減少30%維護成本、將機器故障時間減少50%,並使故障機率降低70%。這對中小企業而言,是十分有利的,中小企業不用再特地雇用大量的人力,或花費大量時間在設備的維護、保養上;有了預測性維護,中小企業便可透過設備監測數據,即時進行故障排除,如此一來可更有效的提升生產價值,實現智慧製造。
然而,要實現預測性維護,需要資料收集+處理+分析,換言之,資料收集為首要任務,也因此,感測器可說是至關重要。為此,ST也備有各式感測元件,像是動作感測器(加速儀、陀螺儀、6軸慣性測量單元等)、溫度感測器(類比及數位接觸式溫度感測器)、濕度感測器、壓力感測器,以及MEMS麥克風等,以滿足環境、溫度、聲學或動作監測等需求;而這些感測元件都符合工業等級並保證10年供貨。
Arrigo指出,除了預測性維護之外,該公司未來也會聚焦三大產品線,分別為電源與電力管理、馬達控制及自動化設備,進而實現提高系統自主性,並兼具智慧與感知能力、強化能源效率與利用物聯網安全連網等目標。
意法半導體MEMS和感測器事業群類比元件產品部工業與功率轉換部門總經理Domenico Arrigo表示,預測性維護可將生產影響減至最低,優化成本。
滿足持續過電壓保護要求 混合式MOV/GDT方案更可靠
我們可以從保護解決方案的可靠性和穩健性以及使解決方案適應不同要求的靈活性等角度來檢視這項問題,同時盡可能減少變數。若要實現更高密度和更高性能的設計,解決所有電路保護問題可能具有挑戰性。對此,突波保護元件標準SPD UL 1449規範了授權要求。然而,目前尚無一體適用的解決方案。
本文將研究傳統金屬氧化物壓敏電阻(MOV)元件的使用及其在各種情況下的性能和故障模式。然後,將展示一種創新的元件混合解決方案,以解決一些MOV缺點,並在各項應用中實現更大的彈性。
MOV具高電流處理/吸收能力
MOV是一種徑向引線壓敏電阻元件,其可提供雙向保護,並防止如雷電、電源接觸和電源感應造成的過電壓瞬變。MOV具有極高的電流處理和吸收的能力,並有快速的反應時間,可防止瞬態故障達到額定極限。電源、電源系統、線路電壓、電信系統、白色家電(大型家電)和電器是通常使用MOV進行保護的各項應用。
雖然新型MOV本身就是一種出色的瞬態過電壓解決方案,但隨著時間的推移,它會因暴露於線路電壓瞬變而逐步退化。MOV退化和故障模式已有詳細記錄,UL需要進行大量測試以防止有害的故障模式。基本上,隨著元件老化,其最大連續工作電壓也會跟著降低。在經歷長期過電壓暴露的MOV中,其正常故障模式是過度洩漏導致功率耗散,並最終導致過熱情形。雷擊保護過程、時間和溫度都會導致洩漏電流增加,這會因瓦特損耗加熱而導致應用損壞。
鑑於MOV故障的熱性質,一些開發人員指定了過熱保護的MOV來防止過電壓威脅,過熱保護的MOV在交流電源保護中尤為常見。在過度洩漏和功耗開始時,過熱保護MOV中的溫度保險絲可在某些升高但安全的溫度下斷開MOV與電源的連接,以防止MOV燃燒或著火。然而,過熱保護MOV並非旨在防止驅動功耗的洩漏電流,其可用於制止非常危險的故障模式。大多數過熱保護MOV溫度保險絲僅在UL 1449限制電流異常過電壓測試中進行10A測試,此類MOV溫度保險絲可能無法實際使用在提供超過100A的交流電路。
此外,成功切斷電源線的過熱保護MOV將不再保護設備。一些過熱保護的MOV具有可用於感測斷開的指示引線。最重要的是,相關的偵測電路增加了保護方案的成本,卻沒有實際增加過壓保護。
電路設計人員亦可藉由透過簡單地選擇電壓額定值遠高於該應用正常工作電壓的MOV來降低「熱事件」發生的可能性。這確實能減輕MOV的壓力,並減緩其老化過程。然而,更高的額定電壓也表示,MOV的箝位電壓會高出許多,這可能迫使設計人員選擇額定電壓較高(和更昂貴)的產品,因其必須在突波事件中耐受較高的電壓。
GMOV解決方案提供更低漏電流
在觀察到單一MOV、過熱保護MOV和更高額定電壓MOV的缺點後,業者設計了一種有效且可靠的替代解決方案。舉例來說,美商柏恩(Bourns)為幫助減少零件數量並提供節省空間的元件,開發出可以解決這兩種問題的混合式GMOV解決方案。
GMOV元件整合了Bourns FLAT技術的氣體放電管(GDT),以及高品質的常規MOV。這兩款元件採用熟悉的標準MOV徑向封裝,因此可為類似額定值的MOV提供直接的替代選項。
MOV和GDT的創新組合可在MOV的使用期間提供更低的漏電流以及可避免高溫老化的誤導通失效模式。在正常工作條件下,線路電壓主要出現在極低洩漏的GDT上。這會將MOV與交流線路斷開,並保護MOV免受小瞬態的影響,對受保護的設備不構成威脅,否則只能使MOV 老化。在突波事件期間,GDT可快速(在不到一微秒內)接通並將MOV連接到線路上,以將突波電壓箝位抑制到可接受的水平。一旦突波結束,線路電壓就會低於MOV導通電壓,關閉GDT。當GDT關閉,就會像以前一樣將MOV從線路上斷開。GMOV元件的功能是一種非常特殊的「共生」關係。其中,GDT和MOV將一起運作,以提供長期有效的保護。
GDT讓MOV保持待命
將GDT與MOV結合並不會影響訊號或系統運作。GDT的低電容可確保GMOV元件不會干擾在交流或直流電源線上運行的高速資料。電源供應、電源系統、線路電壓、電信系統、電線通訊以及白色家電(大型家用電器)和電器等應用,均可受益於GMOV元件的更長使用壽命和可靠性。
UL 1449漏電測試證明了採用GMOV元件的混合方法有其價值。以Bourns 1251和1252系列為例,是兩個符合UL 1449的交流SPD,採用了MOV和GDT各自技術組合而成,具有快速的反應性能和低洩漏,並可提供50kA(8/20µs)的過壓保護。透過GMOV元件,將UL 1449授權的專業知識與經過驗證的元件相結合,採用標準尺寸MOV封裝,以節省寶貴的電路板空間。
使用符合UL 1449的GMOV元件有助於在產品開發的設計和認證階段節省時間和成本,其可消除尋找各自零件正確組合的猜測時間和成本。將不需要指示電路及其相關成本,因為MOV和GDT的組合不需使用溫度保險絲或斷開線路。
隨著時間的推移,線路多次暴露於不規則突波會降低電路的保護效率。部分應用無法容忍與某些保護方案相關的洩漏電流。Bourns GMOV元件的穩固性與其較低的洩漏電流和電容相結合,可提供優於其他類型保護解決方案的應用優勢。
在Energy Star的應用中,降低洩漏電流也很有吸引力,特別是在存在電壓壓力的情況下。降低洩漏電流和GDT的恆定電容可使其成為電力線通訊的最佳選擇。除此之外,使用GMOV元件實現的電容水平優勢,可讓電力線通訊獲得極高的資料速率。
選擇GMOV元件,實際上與傳統MOV的選擇過程相同。事實上,設計師們皆非常熟悉零件編號系統。最大連續工作電壓(MCOV)額定值可直接編碼為數字。此外,由MOV直徑決定的突波處理能力也與標準MOV零件編號一樣。
就實體而言,GMOV元件比傳統MOV稍厚一些(約2毫米)。在大多數通孔PCB應用中,GMOV元件可視為傳統MOV的直接替代品。
在電壓瞬變的情況下,我們需要堅固、低洩漏的前端保護解決方案。目前,許多設計都採用MOV和GDT的各別組合。其可提供更高可靠性,並具有低洩漏、節能、低電容和延長壽命等附加優勢。
各種解決方案的性能,如表1所示。275V MOV具有良好的性能,但其洩漏電流增加,且30%的電壓驟升反應可能會影響某些應用。MOV和GDT的組合,可提供出色的性能,惟須使用正確的GDT。若需在性能和成本之間妥協,則應考慮各項結果。












