能源是發(fā)展人類文明的重要起源，而這把火炬，顯現(xiàn)在電子元件領(lǐng)域，便是電源元件。電源不僅是啟動任何電子元件的根本，更是決定元件系統(tǒng)是否能夠達到最佳效能與發(fā)揮最大應(yīng)用潛能的決勝關(guān)鍵。

　　也因此，電力電子元件設(shè)計與制造領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)要角，必須在開發(fā)設(shè)計、性能模擬與應(yīng)用選擇上進行多方考量，電源元件供應(yīng)大廠也各自提出相對復(fù)雜且多樣的產(chǎn)品規(guī)劃與市場布局，以滿足高壓、高頻、大電流、高溫等在不同電源應(yīng)用中承受各式工作狀態(tài)的產(chǎn)品性能需求。

　　就電源系統(tǒng)的整體設(shè)計而言，電流、電壓與系統(tǒng)控制為影響元件性能的主要因素。隨著人工智能、5G、物聯(lián)網(wǎng)等需要高速或大量資料傳輸?shù)臒o線通訊或智能元件擴大在日常中的應(yīng)用范疇，整合電壓控制、電流控制與電源管理的整合式元件，其開發(fā)需求也灼灼轉(zhuǎn)為顯性。

　　根據(jù)市調(diào)機構(gòu)Yole Developpement（Yole）于2019年底發(fā)表的市場報告，電源管理芯片的整體市場規(guī)模將以1.9%的年復(fù)合成長率，自2018年的191億美元成長至2024年的213億美元。其中，消費性與通訊為最主要應(yīng)用，占近50%；第二大應(yīng)用則是工業(yè)，緊追在后的則是車用與交通應(yīng)用。

　　今（2020）年更是彰顯電源元件在電子產(chǎn)業(yè)獨特性的重要一年，疫情驅(qū)動的數(shù)位轉(zhuǎn)型急勢，進階牽引了消費性電子產(chǎn)品的市場需求，商用5G服務(wù)、智能交通與制造應(yīng)用更為深廣的觸角，也加速納入各大垂直產(chǎn)業(yè)的未來進程，總歸反映在電源元件的供不應(yīng)求，以及相關(guān)廠商的擴大投資與布局。

　　就電源元件類型而言，Yole報告也分析，電源管理芯片（power management IC；PMIC）主要可分為傳統(tǒng)PMIC與特定PMIC，前者以低成本為導(dǎo)向，后者則更強調(diào)高效能與低功耗。

　　Yole電力電子與化合物半導(dǎo)體技術(shù)與市場分析師Ana Villamor指出，社會改變以及策略性決策是驅(qū)動未來電源管理芯片市場的兩大要素。

　　換句話說，由于電源芯片在電子元件功能中顯著的根本地位，加上驅(qū)動該市場發(fā)展動向的要素，受到諸如跨國商業(yè)布局與各國政府政策等大規(guī)模局勢變動影響甚巨，不論在降低成本或提升性能上，任何的產(chǎn)品優(yōu)化或升級必是耗費不貲且歷時長遠。

　　因此，為了在這塊戰(zhàn)略影響深遠的電源芯片之戰(zhàn)占有一席之地，身為全球供應(yīng)鏈中的產(chǎn)業(yè)要角，勢必采取相對嚴謹且全面性的產(chǎn)品開發(fā)計劃。

　　Villamor進一步說明：「電源管理芯片的各大制造商，但凡在財務(wù)允許的情況下，便會以戰(zhàn)略性決策的格局，投入300mm晶圓制造的開發(fā)選項，以增加產(chǎn)品利潤與企業(yè)營收，而不需并購其他公司?！?/p>

　　本期CTIMES封面故事就電源芯片在電子元件市場的戰(zhàn)略地位重要性，以及長期發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)趨勢，整理出CTIMES讀者們針對供應(yīng)品牌、采購因素與2020年新品三大面向的現(xiàn)況觀點，近身感受驅(qū)動元件在系統(tǒng)整合、效能革命與應(yīng)用拓展上發(fā)散光熱的電源技術(shù)發(fā)展核心。

　　系統(tǒng)整合是電源元件關(guān)鍵產(chǎn)業(yè)共生各占鰲頭

　　省電、輕巧、具備量產(chǎn)優(yōu)勢的成本，是電源芯片在市場上展現(xiàn)絕對優(yōu)勢的特點；然而，隱于這些耀眼規(guī)格之下電源芯片的核心技術(shù)，其實是系統(tǒng)整合，尤其在無線連接當(dāng)?shù)赖碾娮訒r代，電池供電系統(tǒng)對于能耗、系統(tǒng)整合度的期望也更為嚴苛。更準確地來說，電源管理技術(shù)，就是實現(xiàn)元件系統(tǒng)級優(yōu)化的核心技術(shù)之一。

　　舉例而言，最新5G手機為了支援高速、寬頻的網(wǎng)絡(luò)傳輸工作，在電源管理芯片上也必須采用多顆芯片，以實現(xiàn)最佳的電池供電使用體驗。而要最佳化電源元件的系統(tǒng)性能，開發(fā)人員可謂任重道遠，操手自前端的晶圓制造和制程選擇，到后端的IC設(shè)計與模擬驗證，各大供應(yīng)品牌因此提出了相應(yīng)的指標性制程技術(shù)或參考設(shè)計，以產(chǎn)業(yè)共生模式聚集而來的研發(fā)之力，延續(xù)電源技術(shù)的創(chuàng)新突破。

　　這也能說明，此次電源元件的市場調(diào)查中，在使用經(jīng)驗與整體評價上，總計13家的供應(yīng)品牌獲得滿分評價的比例各占鰲頭，幾乎可說是完全競爭市場。

　　量產(chǎn)激增的關(guān)鍵：12吋晶圓廠開枝散葉

　　占比超過10%的三大品牌：德州儀器（TI）、亞德諾半導(dǎo)體（ADI）與英飛凌（Infineon）皆掌握了從設(shè)計、模擬、制造到銷售的完整功率元件技術(shù)，從而以全面性的軟硬件資源支援開發(fā)人員，進行高性能電路模擬、混合與數(shù)位訊號處理、用于SoC、FPGA與ASIC等具備不同系統(tǒng)整合與客制化程度處理器的電力驅(qū)動設(shè)計，實現(xiàn)功率元件的整體性能優(yōu)化。

　　在設(shè)計方面，德州儀器（TI）提供相對多元的模擬軟件與開發(fā)工具，例如其借助EDA大廠益華電腦（Cadence）的高性能模擬技術(shù)，于今（2020）年最新推出之PSpice for TI模擬器，整合了TI在電源與訊號處理兩大領(lǐng)域的模型庫，能協(xié)助芯片設(shè)計人員全功能驗證類比電路，縮短研發(fā)時間之外，更能以系統(tǒng)層面進行整體效能升級。

　　就制程而言，擴充12吋（300mm）晶圓的制造產(chǎn)能，是電源芯片供應(yīng)大廠共同視為炙手可熱的發(fā)展目標，進而以自動化基礎(chǔ)設(shè)施達成低成本、高量產(chǎn)的電源產(chǎn)品應(yīng)用。

　　Yole Developpement就點出，其實不只是德州儀器，英飛凌近兩年更在其全球制造版圖加速部署12吋晶圓廠，首座廠房已于2018年在奧地利落成，第二座廠房也將于2021年在德國完工。

　　該報告也圈點制程技術(shù)之于電源芯片生產(chǎn)與性能的重要性。意法半導(dǎo)體（ST）就鎖定了「雙極—互補金氧半—雙重擴散金氧半制程（bipolar-CMOS-DMOS；BCD）」在12吋晶圓市場的布局，借此不僅可降低電源元件的功率耗損，更能大幅節(jié)省封裝成本，大大加速智能功率元件、功率MOS與IGBT等產(chǎn)品系列的開發(fā)與制造。

　　除了自建廠房，也有電源芯片供應(yīng)大廠采取收購措施，以在電源市場的搶占量產(chǎn)先機。安森美半導(dǎo)體（ON Semiconductor）便于2019年宣布收購格羅方德（Global Foundries）的12吋晶圓廠，強化其功率與類比產(chǎn)品在先進CMOS制程、45nm與65nm技術(shù)節(jié)點的生產(chǎn)力道。

　　國際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會（SEMI）看好這項趨勢，據(jù)其最新報告，受今（2020）年疫情帶動的數(shù)位轉(zhuǎn)型需求影響，12吋晶圓廠的投資總額將凌駕于2018年紀錄，以13%年增長率（YoY rate）成長，預(yù)計至2024年全球?qū)⒃鲈O(shè)至少38座12吋晶圓廠，其中，設(shè)于中國之廠房占了半數(shù)，臺灣則坐落11間。

　　垂直與水平雙向并購加速卡位熱門市占

　　透過擴大晶圓產(chǎn)能，電源元件供應(yīng)大廠得以支援各式元件的大規(guī)模應(yīng)用，然而，隨著電子產(chǎn)品對小尺寸和低功耗的規(guī)格要求越來越高，輕重負載之間的功率轉(zhuǎn)換效率、開關(guān)頻率、響應(yīng)速度、功率與電流密度在電源系統(tǒng)的重要性也隨之高漲，主要目標市場包括消費性電子、車用電子（例如汽車資訊娛樂系統(tǒng)與ADAS）、工業(yè)、通訊和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。

　　其中，消費性電子為電源管理芯片市場最大宗的應(yīng)用，智能型手機的電源管理解決方案更是該應(yīng)用的開發(fā)重點。戴樂格半導(dǎo)體（Dialog）的電源管理解決方案便于2018年由手機大廠蘋果并購，顯現(xiàn)電源技術(shù)在行動與智能運算效能躍升的智能型手機中，成為潛在的關(guān)鍵指標。此外，Dialog更持續(xù)擴充其輔助電源管理系列（sub-PMIC）產(chǎn)品，以觸及更多在智能型手機、SSD、HDD、Wi-Fi模組中廣泛采用的Arm核心處理器，在芯片系統(tǒng)復(fù)雜化的同時，實現(xiàn)低功耗的電源控制與運作。

　　此外，在工業(yè)與車用電子等熱門市場，對元件內(nèi)部保護功能（包含絕緣、散熱、溫度感測、電壓波動的過沖抑制能力），以及介面或音訊功能，更有相關(guān)嚴謹?shù)目煽啃耘c安全標準。

　　針對智能工業(yè)與電網(wǎng)系統(tǒng)等大規(guī)模的電力運作系統(tǒng)，同步運作、穩(wěn)定的電力傳輸與分配至關(guān)重要。電子元件美商Microchip日前宣布收購網(wǎng)絡(luò)時間服務(wù)器（Network Time Server）與同步解決方案開發(fā)商Tekron，憑借Tekron在電力基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)同步技術(shù)，提供其在智能電網(wǎng)與工業(yè)電力系統(tǒng)更高的可靠性與穩(wěn)定度。

　　在車載電子領(lǐng)域，常見標準包括驗證主動元件失效應(yīng)力的AEC-Q100，以及安全完整性最高等級ASIL-D等。全球車用電子第一大廠恩智浦半導(dǎo)體（NXP）看準高安全敏感度的車載電源系統(tǒng)應(yīng)用，近期亦宣布推出適用于ASIL-D等級可擴充電源管理系統(tǒng)的PMIC，能夠協(xié)助驅(qū)動其MCU產(chǎn)品系列在電源安全方面所需的效能，深化自家產(chǎn)品的系統(tǒng)整合能力。

　　日商瑞薩電子（Renesas）在此也不遑多讓，奠基于自家在工業(yè)與汽車的領(lǐng)域?qū)ｉL，2019年完成對美國通訊芯片廠IDT的并購案，延展其在無線通訊、感測與電源管理元件的開發(fā)資源，增強其在ADAS與電動車發(fā)展的市場地位。

　　值得注意的是，雖不比消費性或車載應(yīng)用廣泛，電源管理技術(shù)在企業(yè)級系統(tǒng)應(yīng)用亦展現(xiàn)高度鑒別度。聯(lián)發(fā)科旗下的電源元件品牌立锜科技日前便宣布收購英特爾（Intel）旗下Enpirion PowerSoC電源元件產(chǎn)品線，藉由此次收購，臺廠將能在企業(yè)級電源管理方案中，快速導(dǎo)入高頻高效的功率技術(shù)，為聯(lián)發(fā)科ASIC產(chǎn)品配備進軍人工智能加速器市場的動能來源。

　　另一方面，尋找新興材料以擴大支援高頻、高壓、大電流與嚴峻工作環(huán)境的電源技術(shù)，也成為了決定電源元件市場脈動的一大看點。

　　電源雙「料」冠軍：高頻GaN與高壓SiC

　　矽基元件創(chuàng)立了量產(chǎn)半導(dǎo)體的開端，然而，電子元件越常必須在嚴苛的物理環(huán)境下維持復(fù)雜、高整合且穩(wěn)定地運作，采用能夠耐高頻的氮化鎵（GaN）與耐高壓的碳化矽（SiC）等功率元件，從而如火如荼地展開研發(fā)激戰(zhàn)。

　　橫跨新興材料的功率元件開發(fā)芯片大廠英飛凌（Infineon）便以CoolSiC與CoolGaN兩大產(chǎn)品系列，強勢進占這塊市場。前者鎖定高性能與穩(wěn)健型元件的電源系統(tǒng)，并善用SiC能夠承受200℃的物理特性，進一步強化其在熱能方面的表現(xiàn)；后者則聚焦小尺寸的功率元件設(shè)計，GaN以高開關(guān)頻率展現(xiàn)元件在高頻運作下的高效能，在系統(tǒng)整合上亦可圈可點。

　　SiC相較于矽基元件，運作頻率更高且開關(guān)切換速度快，能以低閘極電流運作。羅姆半導(dǎo)體（ROHM）的電源產(chǎn)品在這方面具備深厚的技術(shù)基礎(chǔ)，包括其車載等級的高降壓比電源控制技術(shù)Nano Pulse Control、確保低耗損電流與性能穩(wěn)定的Quick Buck Booster技術(shù)等。日前ROHM便宣布德國車用電子制造大廠大陸集團將其評選為「2019年度最佳供應(yīng)商」，顯見其SiC與電源產(chǎn)品的優(yōu)異性能與專業(yè)技術(shù)，分外備受肯定。

　　此外，采用SiC的功率元件，還能透過優(yōu)化元件架構(gòu)來提升系統(tǒng)效能。東芝半導(dǎo)體（Toshiba）最新推出的第二代元件架構(gòu)，就大幅改善了SiC MOSFET在導(dǎo)通電阻增加時元件系統(tǒng)的可靠性，比前一代架構(gòu)提升了十倍以上。該架構(gòu)已用于其最新1200V SiC MOSFET，實現(xiàn)低功耗與小尺寸的高效電源系統(tǒng)。

　　GaN功率元件則展現(xiàn)了耐高壓、微型化、高度系統(tǒng)整合的設(shè)計優(yōu)勢。精于高壓功率轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體技術(shù)的元件供應(yīng)大廠Power Integrations（PI）對此著墨甚深，其2014年推出之InnoSwitch系列產(chǎn)品便是應(yīng)用其GaN快速切換開關(guān)的技術(shù)，開發(fā)至第三代產(chǎn)品，可支援最高100W的功率，甚至在無需散熱器的情況下，提供高達95%的轉(zhuǎn)換效率。PI日前更宣布該系列芯片的全球銷售量突破10億的里程碑。

　　結(jié)語

　　族繁不及備載，可說是概括電源元件一脈的最佳寫照。不同類型的轉(zhuǎn)換器除了可能以線性、交換式或返馳式等運作原理為基礎(chǔ)，用以構(gòu)建的半導(dǎo)體元件亦可采用金氧半場效電晶體（MOSFET）、絕緣柵雙極電晶體（IGBT） 、蕭特基二極體（Schottky diode）或雙極性接面電晶體（BJT）等來控制電路開關(guān)，產(chǎn)品應(yīng)用更是不可勝數(shù)。

　　可以想見，全球電源元件市場的硬件供應(yīng)品牌未來將以并購、企業(yè)合作、擴充國際據(jù)點或深化供應(yīng)鏈的縱向開發(fā)等策略性決策，持續(xù)擴充其產(chǎn)品組合并積累研發(fā)技術(shù)的實力，滿足5G與智能物聯(lián)時代中，智能型手機、電動汽車、再生能源與智能工廠等對高速高頻。