PCB
釐清翹曲程度 IC SMT早夭異常迎刃而解
先進製程零件材料堆疊複雜為翹曲主因
為什麼翹曲導致後續可靠度問題,近期發生頻率這麼高呢?主要原因來自於越來越多廠商,在開發先進製程的晶片;而先進製程晶片,是由非常多不同材質、不同功能的晶片堆疊起來。例如MCM多晶片模組、系統級封裝與Fan-in/Fan-out等,這樣的元件使用的材料相當複雜且多元,堆疊在一起時,因材質本身熱膨脹係數不同(CTE)就會產生翹曲(圖1)。
圖1 先進製程晶片元件或多或少都會有翹曲現象,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。
資料來源:左圖為iST;右圖為Akrometrix
除了晶片元件本身會發生翹曲外,晶片透過表面黏著技術(SMT)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。也因此,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。
在5~10年前,翹曲幅度控制在6~8mil以內,都還不至於影響後續SMT等製程;然而這幾年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年前的樣品來的嚴重。根據宜特板階可靠度實驗室發現,隨著未來接腳數越來越多,晶片上板時,使錫膏(Solder Paste)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(圖2),繼續維持在6~8mil的翹曲幅度,是否能夠像早期不至於影響SMT製程品質,令人堪憂。
圖2 左圖為傳統PCB,鋼板因接腳數較少,錫球用的不多,相對鋼板不需要太薄;右圖表示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。
資料來源:iST
PCB翹曲過大易導致空焊與短路
當然,也不能將所有的問題放在零件身上,因為PCB也會有翹曲的狀況。原先以為PCB厚度只要超過1.6mm,PCB本身發生翹曲的機率會較小,但實則不然。宜特板階可靠度實驗室曾經有個經典案例,IC上板至PCB時,以為只是IC零件有翹曲問題(圖3),但做了一連串的SMT製程參數調整之後,依舊發現空焊與短路問題,最終發現原因,不只是IC有翹曲,PCB也有翹曲,且翹曲變形量過大造成SMT異常。
圖3 左圖為哭臉變形元件使用哭臉鋼板;右圖為笑臉變形元件使用笑臉鋼板
資料來源:iST
除此之外,空焊短路還不是最嚴重的問題。更嚴重的是翹曲後的焊點,將會呈現拉伸與擠壓的形狀,完美的焊點應該是接近「球型」,而翹曲將導致焊點呈現「瘦高」或「矮胖」形狀,這些「非球型」的焊點,容易產生應力集中而斷裂,使得後續在可靠度驗證中,出現早夭現象的機率提高。
透過SMT解決翹曲方式,一是透過修改鋼板治具開孔大小,針對間距較大的地方給予較多的錫膏;二是透過鋼板治具抑制零件的變形。
修改SMT鋼板治具開孔大小治標不治本
然而這兩種解法必須多次驗證才能找出SMT最佳條件,若無法有效解決翹曲問題,可能得退回設計階段找尋其他材料來取代,曠日廢時。因此,若能在SMT前,取得晶片與PCB翹曲相關資訊。將可事半功倍。宜特板階可靠度實驗室使用相關量測翹曲的設備,可以針對元件與PCB來模擬翹曲的程度,再去調整SMT的參數設定,確保SMT過程中有良好的焊接品質;如此可避免因不良焊接品質導致影響可靠度驗證以及不必要的成本開銷。
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。而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會達到最大的變形量, 並能在測試中思考如何改善與預防。
總結來說,在宜特板階可靠度實驗室觀察中,翹曲的問題勢必會持續存在,我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,我們認為這不僅不會降低可靠度的壽命,也能協助IC設計業者找到完美翹曲比例,達到1+1>2的價值。
(本文作者為宜特科技零組件暨板階工程部經理)
儒卓力提供醫療應用Recom 2W DC/DC轉換器
新的Recom REM2系列包括具有完備醫療認證的模組化2W DC/DC轉換器。因為這些轉換器採用緊湊的SIP8封裝(23.0×8.0×12.2mm)和提供多種型款,讓開發人員在進行PCB佈局設計時,擁有很大的自由度。儒卓力在電子商務平臺www.Rutronik24.com 上提供REM2產品系列,具有多種輸入電壓範圍,所有常見的輸出電壓,以及單輸出或雙輸出選項。
這些板載2W DC/DC轉換器具有每分鐘5.2kVDC增強隔離性能,以及在250VAC、5.000m下的2MOPP(病患保護措施)。輸入電壓範圍為3.3~24VDC時,輸出電壓可達到±3.3~±12VDC之間。在20MHz頻寬下,輸出電壓最大波動值為150mVp-p。
在-40°C~+ 80°C工作溫度範圍內,這些模組在無需降額的情況下,其效率可高達85%。 最大負載為50%時,它們可以在高達+ 95°C工作溫度下使用。在+ 25°C時,REM2系列的平均故障間隔時間(MTBF)為12900×103小時,+ 80°C時為5300×103小時。
REM2系列使用簡單的外部LC濾波器,即可符合A/B類EMC 和60601-1-2(第四版本)醫療EMC標準,並且它還通過CB、IEC/EN和ANSI/AAMI 60601-1(第三版本)醫療安全標準認證。REM2系列提供五年保固。
島津製作所選用Mentor Xpedition PCB建立電子設計流程
Mentor宣布島津製作所(Shimadzu Corporation)已選用Mentor的Xpedition設計流程軟體作為公司的標準。島津製作所在全世界分析儀器界中規模第二大,全球員工人數近員工人數近1萬2千人。島津選用Xpedition工具套件來建立公司的整體電子設計流程,包括從概念設計到電路圖設計,以及印刷電路板(PCB)的設計到製造(Design-through-manufacturing)流程。
島津製作所選擇Mentor的Xpedition技術套件,包括Valor NPI軟體和Valor MSS套件,以及用於高速設計分析的HyperLynx軟體。島津選用Mentor的Xpedition技術,透過利用Xpedition EDM數據管理技術的共享數據,可提升島津製作所各部門的設計品質和IP設計重複使用。Xpedition技術能消除或減少團隊特定的客製化流程及協助降低重製風險,可建立強大的設計和製造團隊協同運作,高效率的整合並實現最佳化設計。同時透過與Xpedition流程整合的HyperLynx工具,直接開啟其驗證功能。HyperLynx解決方案可提高設計品質,及早修正在設計階段通常難以偵測的電性問題。
島津製作所企業產品設計中心總經理Taro Osumi表示,島津製作所致力於開發領導市場的分析儀器和醫療設備,期望透過Mentor Xpedition的標準化流程來改善優化島津製作所的設計流程。特別是此套件提供能與製造流程協同運作的功能獲得了同仁的高度讚賞,並得到我們管理團隊的支持。使用Mentor技術取得的生產力提升,將讓島津製作所有高度信心持續開發創新和先進的技術。
島津製作所為其設計流程採用了廣泛的Mentor產品,包括訊號和電源完整性分析工具、電路圖設計分析、FPGA設計最佳化、設計規則檢查、資料庫和數據管理、PCB製造、以及Mentor Questa軟體和ModelSim軟體的功能驗證。
Mentor EDA電路板系統資深副總裁A.J. Incorvaia 表示,身為業界領先的PCB電子設計軟體公司之一,Mentor很榮幸島津製作所對EDA工具組進行了標準化化作業。Mentor與島津等業界指標客戶的夥伴關係充分證明了我們的解決方案以及技術能夠真正達到客戶們期待加速產品上市的時程和更低風險及成本的開發出新的創新產品。
高整合PMIC新功能發威 高密度運算應用小巧省電
虛擬實境系統
虛擬實境(VR)頭盔電路框圖如圖1所示。VR頭盔屬於高密度運算應用環境。圖像顯示要求專用的圖形處理器(GPU)和影像處理器(IPU)來增強用戶體驗。音訊處理部分則要求高速數位訊號處理器(DSP),而整個系統由中央處理器(CPU)協調。
圖1 VR頭盔電路框圖
VR系統需要經過優化的電源管理方案,以支援資料處理、通訊和感測器功能。負載是動態的,並趨向於使用更低的供電電壓,這對負載瞬態電壓的跌落要求將更加嚴格。由於處理器所在設備會包裹在頭部周圍,散熱成為選擇電源管理IC的另一個關鍵指標。
AP電源管理方案
圖2所示為典型的VR電源管理方案,以及系統運行所必需的協助工具。須要多路電壓輸出為CPU、記憶體及其他功能電路供電。即時時脈(RTC)和32kHz晶振(XTAL)支持高精確度計時。GPIO擴展器提高通斷控制靈活性以及模組和感測器管理。
圖2 典型AP電源管理
如果使用分離IC實現這些複雜功能,將面臨多方面巨大挑戰:
1.AP系統要求嚴格的上電順序,以便在電壓和溫度變化條件下成功啟動。這一要求很容易造成系統被過度保護、體積龐大。
2.如果在正常工作期間遭遇系統或穩壓器故障,系統必須能夠發出處理器報警並確定下一步操作。這種優先順序和順序檢測至關重要。
3.較大的方案面積、較長的PCB走線將對穩壓器效率產生不利影響,縮短設備的執行時間,增加系統發熱程度。
4.分離式設計方案增加了電路板的元件數量,事實證明這種情況會因為裝配問題造成較高故障率,以及較差的訊號完整性。
5.分離式方案中使用IC非常多,占用更多的I2C匯流排資源,造成額外的處理器資訊讀取延遲。
整合方案
全整合方案能夠克服分離式電源配置所面臨的挑戰。圖3所示為單晶片整合PMIC為AP供電的示意圖,可有效減小PCB尺寸、重量和體積,且不會犧牲效能。
圖3 全整合式AP電源管理
MAX77714為完備的電源管理IC,特別適合運用於系統單晶片(SoC)應用處理器功能。兩路大電流降壓調節器(SD0和SD1)優化用於AP的CPU和GPU供電,且輸出電壓支援動態電壓調節(DVS),範圍為0.26V~1.52V。輸出級MOSFET的RDS(ON)經過優化,提供優異的轉換效率,如圖4靜態分析所示。這些調節器也支援強制脈寬調變技術,大幅降低輕載條件下的紋波。另外兩路調節器(SD2和SD3)具有較寬的輸出範圍,通用性更強。全部四路開關穩壓器均具有內部補償,將外部元件需求降至最低。
圖4 效率優勢
MAX77714還提供9路可靈活配置的低壓差(LDO)線性穩壓器,電流範圍為150mA~450mA,適用於系統的雜訊敏感電路供電。全部LDO都具有兩種軟啟動速率,以限制啟動期間的浪湧電流,支援較寬的輸出電壓範圍。8個GPIO接腳可靈活配置。其中4個GPIO接腳可配置用作電源排序(FPS)控制,3個GPIO接腳可配置為32kHz時脈輸出,用於同步外部系統。最後,第8個GPIO接腳則可配置為系統喚醒接腳。
即時時脈配合外部晶振工作,提供計時和喚醒功能。如果不使用該功能,則可使用內部矽振盪器,以節省BOM成本。可靠的開/關控制狀態機驅動FPS實現上電/斷電、故障處理和電源模式控制,最大程度減少AP的介入。此外,整合看門狗計時器用於系統監測,避免AP操作掛起狀態。
PMIC採用70焊球、4.1mm×3.25mm
×0.7mm、0.4mm焊距晶圓級封裝(WLP),是空間受限應用的理想選擇;此外,較高的工作頻率允許使用小尺寸被動元件,最終獲得PCB面積僅為230mm2的總體方案(圖5)。
圖5 PCB 230mm2
PMIC具有多個可配置暫存器,可以透過I2C進行自訂,實現眾多產品的量身定制。
虛擬實境應用中的AP供電在靈活性、效率和尺寸方面都帶來了諸多設計挑戰。高度整合的PMIC方案提供靈活配置,非常適合各種空間受限的應用處理器供電。低RDS(ON) FET提供優異的轉換效率,同時高頻工作允許使用小尺寸被動元件,進一步降低PCB尺寸和成本。
(本文作者為Maxim半導體工程師)
全球政經負面因素多 PCB產業景氣保守以待
隨著未來5G、車用、物聯網、人工智慧等新應用蓬勃發展,迎來更多市場機會與挑戰,將是影響PCB版圖發展的關鍵。
台灣電路板協會(TPCA)近日舉辦「展望2019 PCB產業關鍵趨勢研討會」,會中邀請Garmin亞太區行銷協理林孟垣、工研院產科國際所研究員林松耀和資深研究員董鍾明進行專題演講。
PCB景氣走緩 2018產值仍創歷史紀錄
觀察2018年第4季全球PCB產業表現,林松耀指出,2018年第4季台商兩岸PCB產值為新台幣1,810億元,比上季衰退0.9%,亦較2017年同期下跌3.2%。全年來看,2018年台商兩岸PCB產值為新台幣6,514億元,創下歷史新高紀錄,相較2017年成長5.2%。
在海外部分,日本2018年第四季境內硬板產量年增5.1%,產值年增10.2%;軟板產量年減17.6%,產值年減23.9%;載板產量年減0.2%,產值年減11.1%。北美地區2018年第四季接單與出貨比(B/B ratio)貼近1.0,反映2018年底美國電路板市場需求趨緩。
林松耀引用IMF於1月21日所公布的最新世界經濟展望,預估2019年全球經濟成長率為3.5%,略低於2018年的3.7%,也比2018年10月所公布的預估值下調0.2個百分點。IMF對2020年全球經濟成長率也同步下修至3.6%。由於經歷連續兩年的穩定擴張之後,全球經濟成長腳步放緩的速度比預期為快,包括美國、日本、歐元及中國等,加上歐洲政治紛擾、美中貿易戰等因素干擾,全球風險正在升高,不可不慎。
伴隨著全球經濟成長趨緩,造成銅等原物料價格下跌;而全球政治風險提高,帶動近期金價上揚。原物料價格波動,不僅增加全球經濟展望的不確定因素,也將拉高產業界潛在風險。
展望2019年,受到美中貿易協議不明,中國經濟降溫,英法政治紛擾等大環境影響,以及手機等終端產品市場成長趨緩,林松耀預估2019年台商兩岸PCB產值將較去年微幅成長1.5%左右。
針對2018年全球PCB產業表現,董鍾明說,其實就是2017年經濟復甦帶來高度成長的延續,成長率雖然降為6.31%,但產值達到691億美元,再度創下歷史新高紀錄。他表示,產值持續創高,主要受到「三個趨勢」及「三個意外」影響,三個趨勢包括高階PCB(Advanced PCB)、大數據(Big-data)和汽車(Car)等需求興起支撐;三個意外分別為PC出貨量緩跌、IC載板供不應求、蘋果(Apple)智慧手表與藍牙耳機等週邊成長爆發所帶動。
台灣仍為全球PCB龍頭中國急起直追
就各國在PCB產業排名變化分析,2018年台灣廠商仍以31.3%的市占率穩居全球龍頭地位;中國廠商則已擠下日本,躍升為全球第二大,2018年市占率為23%。董鍾明說:「(中國)本來看不到(台灣)車尾燈的,現在快要撞上來了。」以此形容中國廠商逐步進逼台灣全球PCB龍頭地位,台廠後續仍宜審慎觀察。至於位居第三的日本市占率則降至為19%;韓國則為14%,排名第四。
2018年全球PCB產品約有51.7%在中國生產,而在中國生產的PCB產值中,陸資PCB廠占有36.1%,2014年僅為28.6%。董鍾明認為,陸資PCB廠營收成長動能仍強勁,且幾乎全部都在中國本土生產;加上美中貿易戰、環保法規等因素,外資PCB廠開始考慮移往其他生產基地。在上述情況一來一往下,他預估陸資PCB廠所占比重仍有可能持續上升。
董鍾明指出,陸資PCB廠因成長動能強勁,仍積極擴廠。在此同時,併購案頻傳,藉此擴大產能、增加產品線,這是成長最快途徑(表1、表2)。
被中國擠下為第三的日本,受到全球PCB製造重心在台灣和中國,日本PCB製造的產值持續遭到壓縮,日廠思考結構轉型,抱持訂單寧缺勿濫的心態,將擴張重點放在材料和設備,因而相關廠商擴產動作頻頻(表3)。
韓系終端電子品牌仍具市場影響力,具有引導未來產品開發走向的話語權,國內產業鏈穩固不易打破,因此,包括PCB在內的零組件廠商皆須依靠品牌大廠帶領,進行打群架策略模式。
觀察2018年全球PCB應用分布,由於智慧型手機週邊像是無線藍牙耳機及智慧手表成長帶動,仍以通訊30%占最大宗;其次為PC的20%,2018全球PC出貨量雖然衰退幅度縮小,甚至一度出現單季出貨量成長的情形,但PC市場逐漸萎縮的態勢仍未改變。
董鍾明認為,未來新產品及新應用或將改變PCB版圖。2018年高階電腦處理器對於ABF載板需求大幅增加,加上人工智慧運算和伺服器處理器搭配的記憶體需求增加,整體IC載板市場擺脫前二年市場衰退的陰影,產值比重提升至12%左右。至於伺服器,受惠於網路應用多樣化,仍具成長性。除此之外,雖然全球汽車市場成長放緩,但仍有3%左右的銷售量成長率,使汽車應用於PCB市場占比可望提高至12%。
智慧穿戴式裝置可以說是未來受到關注的電子產品新應用之一。Garmin亞太區行銷協理林孟垣指出,智慧穿戴在醫療方面的應用,將會是革命性的突破,相較於一次性數據的健康檢查,智慧穿戴數據的累積,更有助於在醫療上更深度的追蹤與觀察。
林孟垣點出智慧穿戴裝置六個未來可能會發生的趨勢,包括活動追蹤、生理量測、運動訓練、行動支付、智慧物聯。再者,因智慧穿戴裝置屬於個人用品,如能著重個性穿搭的特色,會更容易被消費者接受。惟在這個方向下,對於相關供應鏈將存在著庫存管理、生產彈性等多項挑戰。
為了迎合上述正在發生或未來可能發生的趨勢,林孟垣認為,智慧穿戴裝置將會跨界整合賦予智慧穿戴裝置更多的想像空間。
HOLTEK發布HT66FM5340 BLDC SoC MCU新品
Holtek針對無刷直流(BLDC)馬達控制領域推出專用SoC Flash MCU HT66FM5340。將無刷直流馬達控制器所需的MCU、LDO及Pre-driver整合進一顆IC中,適用於6V~12V的三相/單相無刷直流馬達產品。
HT66FM5340在MCU資源上具備4K×16 Flash Program ROM、256 Byte Data RAM、系統頻率20MHz由內建精準振盪器(HIRC)提供、擁有6+2個通道12-bit ADC、2個10-bit與2個16-bit PTM Timer、內建3個比較器可選擇Hall Element或Sensorless模式使用。
由BLDC Motor Control Circuit、OCP與16-Bit Capture Timer搭配出最完整的馬達保護機制,讓使用者可輕易地做到電流、電壓監控,當有堵轉、過電流等緊急事件發生可直接關閉PWM切斷對外的驅動信號,以達到馬達驅動系統穩定、安全。
此外,內建的Pre-driver提供2種模式:其一作為Pre-driver用於驅動外部P/N MOSFET推動更高瓦數之三相無刷直流馬達。其二是作為Driver可直推12V/3W以下三相無刷直流馬達之應用。可完整支援有Hall Sensor弦波/方波控制與方波Sensorless控制所需的靈活度。
HT66FM5340整合度高具有縮小PCB尺寸、減少採購備料號、提高生產效率及一致性之優點,提供24SSOP封裝,適合小體積需求之產品使用。
ADI安全隔離式CAN FD收發器新品滿足12Mbps需求
為因應工業和智慧建築、能源系統、軍用/航空網路對速度、功能、隔離和性能的需求,Analog Devices(ADI)近日宣布擴充其用於彈性資料速率控制器區域網路(CAN FD)之收發器產品線。電流隔離iCoupler數位隔離ADM3055E IC系列不僅符合且遠遠超越5Mbps的業界標準,可提供12Mbps性能以支援未來需求,同時保持與現有CAN和CAN FD設計完全向後相容。增強型ADM3055E具備新型低輻射isoPower隔離式DC/DC轉換器及增強的穩健性,使CAN節點的設計導入更容易,以加速產品上市時間並實現充分安全隔離。
ADM3055E系列產品特色在於雙層PCB符合EN 55022/CISPR 22 B類輻射標準,以及IEC61000-4-2 4級ESD額定值。另外,CAN匯流排接腳提供±40V匯流排故障保護、±25V共模範圍,以及5V邏輯側VCC和隔離側VIO選項,支援1.8V、2.5V、3.3V和5.0V電源。
新一代CAN FD ADM3055E系列具有較低的迴路延遲和延展性的共模範圍,讓設計人員可實現更高的資料速率和更長的纜線長度。整合隔離式DC-DC轉換器無需為隔離匯流排側提供單獨的電源。高整合度、易於獲得輻射和ESD認證、以及整合式隔離電源的結合,使設計人員能夠將開發成本、PC板面積和整體解決方案尺寸縮減至最小,同時避開現有隔離產品和方法的侷限性。具較低隔離額定值之版本並將於近期推出。
英飛凌推200V半橋閘極驅動IC
英飛凌旗下EiceDRIVER 200V位準偏移閘極驅動器系列新增IRS2007S 200V半橋閘極驅動IC新成員,採用標準SOIC-8(DSO-8)封裝。相較於前幾代產品,新款閘極驅動器具備用於VCC與VBS的欠壓鎖定(UVLO)功能可在啟動操作中提供更佳的可靠性。IRS2007S專為電池驅動裝置中的低電壓(24V、36V及48 V)與中電壓(60V、80V、100V及120V)馬達控制應用所設計,應用範圍包括電動工具、家電、園藝設備、輕型電動車(例如電動腳踏車與電動機車),以及無人機等電子玩具。
全新IRS2007S整合死區與貫穿保護。它同時具備低靜態電流、負瞬態電壓容差,以及dV/dt抗擾性,確保裝置可靠性並降低BOM。與其他200V位準偏移閘極驅動器系列產品相同,IRS2007S運用英飛凌的先進高電壓IC技術,實現小尺寸、高效率且強大的單片結構。該系列亦提供尺寸較小的MLPQ 4x4 14L(VQFN-14)封裝選擇。
200V位準偏移閘極驅動器系列產品包括三相、半橋及高側與低側閘極驅動IC,並且皆提供矽絕緣體(SOI)與接面隔離(JI)選項。三相閘極驅動IC使用英飛凌的SOI技術,提供功能性隔離,具備領先業界的負VS穩固性及較低的位準偏移損耗。此外,SOI解決方案包含整合靴帶式二極體(BSD),進一步降低整體成本、簡化布線,並縮減PCB尺寸。
儒卓力高能效電源系列新品專為IoT設計
儒卓力(RECOM)最新的15W和20W交流/直流電源專為低功耗物聯網(IoT)和家庭應用而設計。這些新模組以占位面積緊凑的RAC10-K模組為基礎,其特色是不僅在寬負載範圍內具有高效率,而且僅需最低待機功耗。
該系列均是PCB貼裝AC/DC模組,能量損耗超低,尤其是在輕負載條件下。它們在低於75mW時沒有負載功耗,對於需要長時間運作和待機模式操作的物聯網及智慧家庭設備,它們是理想選擇。這些高效電源是整合式電源的最新研究成果,能以模組化2×1的外殼尺寸提供15W或20W功率。
這些交流/直流轉換器的通用電源輸入範圍是大於85VAC至最高264VAC,因此適用於全球各地,並通過了包括工業、音訊/視訊(AV)和IT設備以及家用電器標準的國際安全認證。RAC15-K和RAC20-K均可在-40°C至80°C溫度範圍內運作,並提供完全受保護的5VDC單輸出。它們無需任何外部元件便能夠符合電磁相容特性(EMC)B級要求,並且其電磁相容特性遠遠低於這個標準的極限值。這個全面的産品系列包括單輸出(5-48VDC)、雙輸出選項(12和15VDC)和有線型款,將於2018年秋季推出。
這些元件的目標應用包括智慧家庭和智慧辦公室、樓宇自動化、安全和通訊系統、門禁控制、遠端感測器和執行器、氣候控制、觸控式螢幕介面和車庫門開啓器等。
台廠聯手解技術難題 MicroLED蓄勢待發
在2018年各大消費性電子或顯示技術展會中,MicroLED顯示器以及MiniLED背光源的液晶(Liquid Crystal Display, LCD)螢幕無疑是鎂光燈的焦點。包括三星(Samsung)、索尼(Sony)、友達(AUO)等大廠皆展示相關的概念性產品。
MicroLED在技術壽命、對比度、能耗、反應時間與可視角等均勝過LCD和有機發光二極體(Organic Light-Emitting Diode, OLED),全球各大龍頭廠商早已積極布局,鴻海更砸重金打造MicroLED全產業鏈,皆有助推進MicroLED商業化進程。在2018年8月底登場的智慧顯示與觸控展(Touch Taiwan 2018),更首度新增了「MicroLED/MiniLED產品與解決方案」主題專區,眾台灣LED與面板大廠皆參戰展示最新技術與解決方案。根據研究單位LEDinside報告預估,至2022年MicroLED以及MiniLED的市場產值將會達到13.8億美元(圖1)。
圖1 MicroLED與MiniLED產值預估
資料來源:LEDinside
LED技術進展神速,如今LED燈泡的滲透率已比幾年前預期的還要快上許多。晶元光電(Epistar)營業暨市場行銷中心產品管理群資深處長鄧紹猷認為,在2005年時,業界普遍認為LED通用照明(General Lighting)市場將在2020年達到飽和,然而時至今日,市場上LED燈泡與螢光燈管的價格已經不相上下,LED通用照明市場的飽和比預期提早了2~3年發生。因此,鄧紹猷亦指出,儘管現今業界普遍認為尚需5~6年MicroLED顯示器才能量產並普及,然而依照目前的技術發展速度,MicroLED顯示器很有可能將會如同LED通用照明的發展歷程一般提早發生。
台LED產業鏈完整 精密機械市場有潛力
從映像管(Cathode Ray Tube, CRT)顯示器當道的時代,一直到近期的OLED顯示器崛起,亞洲的廠商一直都在顯示器產業鏈中扮演相當重要的角色。在台灣,更有著非常豐富的LCD、LED生產經驗,掌握了相當多關鍵技術;再加上強健的設備製造產業,在未來有望在MicroLED製程的精密機械製造領域占有一席之地。
台大光電研究所副所長黃建璋(圖2)指出,台灣是難得少見在LCD與LED產業都非常完備的區域,因此,在MicroLED顯示技術的發展過程中,台灣廠商將更有能力往終端品牌與精密機械進行布局。
圖2 台大光電研究所副所長黃建璋指出,在MicroLED顯示技術的發展過程中,台灣廠商將更有能力往終端品牌與精密機械布局。
然而,目前LCD製造所涉及的精密機械製造技術多為日本廠商掌握,儘管台灣的精密機械製造廠商生產品質優異,但多以生產工具機為主。加上目前巨量轉移技術未定,因此台灣業者多還在觀望,少有廠商開始投入資源展開研發。
不過黃建璋認為,儘管目前巨量轉移眾流派各自發展,何種轉移技術將會是未來的主流尚未出現定論,但是無論未來何種技術方法成為主流,在轉移過程中皆會需要高度精密的物理對準處理,因此精密機械的市場需求潛力將相當龐大,而台灣廠商在精密機械製造的表現優異,因此將有很大的發揮空間,也將是台廠在MicroLED產業鏈中成為關鍵製造商的重要切入點。
由於看好台灣LED人才與技術資源,許多國外大廠也開始在台投入更多資源,搶攻MicroLED製造市場。默克(Merck)全球識別與照明科技銷售處長楊貴惠(圖3)便指出,無論是由LED或是顯示器製造市場看來,亞洲都還是最重要的區域,因此默克近年來逐漸將LED與顯示相關的業務主管駐點於亞洲區域。
圖3 默克全球識別與照明科技銷售處長楊貴惠指出,無論是由LED或是顯示器製造市場看來,亞洲都還是最重要的區域市場。
楊貴惠也提到,由材料供應到量產的過程中,應用測試(Application Test)是最為重要且費時的階段。為了時時提供台灣客戶最新LED相關材料,並且讓實驗結果回饋更加即時,因此默克在台灣設立了三座實驗室。其中包含在桃園的液晶原料研發實驗室,以及2017年在高雄創立的積體電路(IC)材料應用研究與開發中心,期盼能藉此近距離與客戶合作並即時提供解決方案。
OLED經驗為助力 MicroLED驅動IC發展更快
隆達電子技術中心副總經理黃兆年指出,LED產業在台發展近50年,許多現今正熱議中的MicroLED技術發展方向以往都曾嘗試過,然而當時資源、設備、材料尚未到位,因此未具體實現相關概念,看見商用成品。但時至今日許多條件已滿足,因此過往所累積的技術能量將逐漸看到成果。
舉例而言,台灣在10年前曾經投入過OLED顯示技術開發,然而近年來該顯示技術的關鍵設備與材料由韓國廠商控制的產業狀況已底定。台灣廠商雖已難在OLED顯示器生產鏈中成為關鍵供應商,然而當初投入該顯示技術研發時所留下的研究成果將有助於MicroLED顯示技術發展,例如驅動IC的架構便是一個重要的項目。
巨量轉移方法多 晶粒製程為重要挑戰
MicroLED顯示技術的發展備受矚目,其中巨量轉移無疑是眾廠商迫切需要突破的技術瓶頸。業界普遍認為轉移良率必須要達到99.99999%才算是及格,然而目前無論是何種轉移方法,良率皆尚未突破99.999%。不僅如此,不同的轉移方法將對應到不同的晶粒製程,在轉移後的壞點修復方法也有所差異,提升良率的挑戰不僅是在轉移過程。
鄧紹猷便指出,如何在將LED微型化的同時,依然保有一樣的效能,便是LED在磊晶、長晶製程階段的重要挑戰。
黃兆年也表示,MicroLED由LED的晶粒製程開始,便與傳統的LED製程大有不同。例如,在長晶過程中必須導入弱化結構,使晶粒易於抓取,後面的轉移過程才能夠順利進行。
另一方面,KLA-Tencor產品行銷經理Mukund Raghunathan指出,在MicroLED技術中,每個LED晶片構成一個像素,只要一個缺陷或污染粒子就可以導致像素損壞。因此,生產無缺陷的磊晶晶圓也是製程工程師面臨的重要任務。
降低巨量轉移難度 玻璃基板成MicroLED小尺寸主流
由於玻璃基板相較於PCB基板而言,較容易實現巨量轉移,因此已成為眾廠商們的技術優化方向。玻璃基板更已經成為手機、智慧手表等中小尺寸MicroLED顯示器的首選方案。
研調機構集邦科技綠能事業處研究協理儲于超(圖4)指出,在2018年比較值得留意的是,許多廠商開始展示拼接式的大型MicroLED看板。例如,索尼(Sony)在2017年便展出了「CLEDIS」(Crystal LED Integrated Structure)顯示器,並宣告即將開始開賣;三星也宣稱The Wall即將在2018年下半開賣,大型MicroLED顯示器即將量產。
圖4 研調機構集邦科技綠能事業處研究協理儲于超指出,在2018年許多廠商開始展示拼接式的大型MicroLED看板。
儲于超認為,在所有目前所展示過的產品中,以Sony的CLEDIS顯示器之技術最為成熟。由於Sony CLEDIS所使用的PCB板尺寸已是目前的極限,MicroLED的晶粒等級已小於30微米(Micrometer, μm),更採用了主動式驅動方案。以此技術架構而言,未來會遇到比較大的挑戰依然將在於MicroLED巨量轉移至PCB板的過程。
儲于超進一步說明,由於PCB板的平整度不高,因此MicroLED晶粒難以直接轉移至PCB板。以Sony小於30微米的晶粒尺寸而言,在晶粒轉移至PCB板的過程中,必須要先轉移至一個暫時的基板,才有可能再次轉移至PCB板上。而MicroLED晶粒轉移至玻璃基板的程序則相對比較容易,因此,目前眾廠商們皆在思考,未來若是MicroLED成本要降低,可能必須考慮將PCB板換成玻璃基板,再以玻璃基板去做TFT的主動式驅動方案,以此方式降低製造成本。正因如此,目前在如智慧手表的中小尺寸MicroLED顯示器開發上,玻璃基板已成為主流方案。
大型看板以PCB為主流 解析度需求逐漸提升
儘管玻璃基板能夠降低巨量轉移難度,然而,若採取玻璃基板拼接製成大型顯示螢幕,也可能會遇到許多尚未解決的技術問題。因此在大型看板(Signage)應用中,將依然以PCB基板方案為主。
目前傳統LED大型看板市場已相當成熟,並且對於RGB LED晶片的需求量非常龐大。因此短時間內,該市場將是重要的LED產能出海口。而LED的微型化趨勢,對於相關廠商而言,先將目前的市場經營妥善,再慢慢往較小的晶粒尺寸的方案前進,也無非是一個應戰的好策略。
聚積科技微發光二極體事業部經理黃炳凱(圖5)指出,對於解析度要求較高的室內大型看板市場是該公司目前的重要經營方向。現今室內大型看板的主流像素間距(Pixel Pitch)為0.9~1.5mm,而Pixel Pitch越低需要搭配越高階的驅動方案。
圖5 聚積科技微發光二極體事業部經理黃炳凱指出,對於解析度要求較高的室內大型看板市場是該公司目前的重要經營方向。
由於對大型看板顯示品質的要求逐漸提升,然而RGB...