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(dòng)任何電子元件的根本，更是決定元件系統(tǒng)是否能夠達(dá)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(jì)與制造領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)要角，必須在開發(fā)設(shè)計(jì),、性能模擬與應(yīng)用選擇上進(jìn)行多方考量,，電源元件供應(yīng)大廠也各自提出相對(duì)復(fù)雜且多樣的產(chǎn)品規(guī)劃與市場(chǎng)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(jì)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(wú)線通訊或智能元件擴(kuò)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(jī)構(gòu)Yole Developpement（Yole）于2019年底發(fā)表的市場(chǎng)報(bào)告,，電源管理芯片的整體市場(chǎng)規(guī)模將以1.9%的年復(fù)合成長(zhǎng)率，自2018年的191億美元成長(zhǎng)至2024年的213億美元,。其中,，消費(fèi)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(dú)特性的重要一年,，疫情驅(qū)動(dòng)的數(shù)位轉(zhuǎn)型急勢(shì),，進(jìn)階牽引了消費(fèi)性電子產(chǎn)品的市場(chǎng)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(lái)進(jìn)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(kuò)大投資與布局,。

　　就電源元件類型而言，Yole報(bào)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(qiáng)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(chǎng)分析師Ana Villamor指出,，社會(huì)改變以及策略性決策是驅(qū)動(dòng)未來(lái)電源管理芯片市場(chǎng)的兩大要素。

　　換句話說(shuō),，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(dòng)該市場(chǎng)發(fā)展動(dòng)向的要素，受到諸如跨國(guó)商業(yè)布局與各國(guó)政府政策等大規(guī)模局勢(shì)變動(dòng)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(jí)必是耗費(fèi)不貲且歷時(shí)長(zhǎng)遠(yuǎn)。

　　因此,，為了在這塊戰(zhàn)略影響深遠(yuǎn)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(shì)必采取相對(duì)嚴(yán)謹(jǐn)且全面性的產(chǎn)品開發(fā)計(jì)劃,。

　　Villamor進(jìn)一步說(shuō)明：「電源管理芯片的各大制造商,，但凡在財(cái)務(wù)允許的情況下，便會(huì)以戰(zhàn)略性決策的格局,，投入300mm晶圓制造的開發(fā)選項(xiàng),，以增加產(chǎn)品利潤(rùn)與企業(yè)營(yíng)收，而不需并購(gòu)其他公司,?！?/p>

　　本期CTIMES封面故事就電源芯片在電子元件市場(chǎng)的戰(zhàn)略地位重要性，以及長(zhǎng)期發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)趨勢(shì),，整理出CTIMES讀者們針對(duì)供應(yīng)品牌,、采購(gòu)因素與2020年新品三大面向的現(xiàn)況觀點(diǎn)，近身感受驅(qū)動(dòng)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(shì)的成本,，是電源芯片在市場(chǎng)上展現(xiàn)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的特點(diǎn),；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(shí)是系統(tǒng)整合,，尤其在無(wú)線連接當(dāng)?shù)赖碾娮訒r(shí)代,，電池供電系統(tǒng)對(duì)于能耗、系統(tǒng)整合度的期望也更為嚴(yán)苛,。更準(zhǔn)確地來(lái)說(shuō),，電源管理技術(shù)，就是實(shí)現(xiàn)元件系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化的核心技術(shù)之一。

　　舉例而言,，最新5G手機(jī)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(shí)現(xiàn)最佳的電池供電使用體驗(yàn),。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(yuǎn),，操手自前端的晶圓制造和制程選擇,，到后端的IC設(shè)計(jì)與模擬驗(yàn)證，各大供應(yīng)品牌因此提出了相應(yīng)的指標(biāo)性制程技術(shù)或參考設(shè)計(jì),，以產(chǎn)業(yè)共生模式聚集而來(lái)的研發(fā)之力,，延續(xù)電源技術(shù)的創(chuàng)新突破。

　　這也能說(shuō)明,，此次電源元件的市場(chǎng)調(diào)查中,，在使用經(jīng)驗(yàn)與整體評(píng)價(jià)上，總計(jì)13家的供應(yīng)品牌獲得滿分評(píng)價(jià)的比例各占鰲頭,，幾乎可說(shuō)是完全競(jìng)爭(zhēng)市場(chǎng),。

　　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(jì),、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(jìn)行高性能電路模擬,、混合與數(shù)位訊號(hào)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(dòng)設(shè)計(jì),，實(shí)現(xiàn)功率元件的整體性能優(yōu)化。

　　在設(shè)計(jì)方面,，德州儀器（TI）提供相對(duì)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(hào)處理兩大領(lǐng)域的模型庫(kù),，能協(xié)助芯片設(shè)計(jì)人員全功能驗(yàn)證類比電路，縮短研發(fā)時(shí)間之外,，更能以系統(tǒng)層面進(jìn)行整體效能升級(jí),。

　　就制程而言，擴(kuò)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(biāo),，進(jìn)而以自動(dòng)化基礎(chǔ)設(shè)施達(dá)成低成本,、高量產(chǎn)的電源產(chǎn)品應(yīng)用。

　　Yole Developpement就點(diǎn)出,，其實(shí)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(guó)完工,。

　　該報(bào)告也圈點(diǎn)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(bǔ)金氧半—雙重?cái)U(kuò)散金氧半制程（bipolar-CMOS-DMOS,；BCD）」在12吋晶圓市場(chǎng)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(gòu)措施,，以在電源市場(chǎng)的搶占量產(chǎn)先機(jī)。安森美半導(dǎo)體（ON Semiconductor）便于2019年宣布收購(gòu)格羅方德（Global Foundries）的12吋晶圓廠,，強(qiáng)化其功率與類比產(chǎn)品在先進(jìn)CMOS制程,、45nm與65nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)的生產(chǎn)力道。

　　國(guó)際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)（SEMI）看好這項(xiàng)趨勢(shì),，據(jù)其最新報(bào)告,，受今（2020）年疫情帶動(dòng)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(jì)錄,，以13%年增長(zhǎng)率（YoY rate）成長(zhǎng),，預(yù)計(jì)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(guó)之廠房占了半數(shù),，臺(tái)灣則坐落11間。

　　垂直與水平雙向并購(gòu)加速卡位熱門市占

　　透過擴(kuò)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(duì)小尺寸和低功耗的規(guī)格要求越來(lái)越高,，輕重負(fù)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(biāo)市場(chǎng)包括消費(fèi)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(fèi)性電子為電源管理芯片市場(chǎng)最大宗的應(yīng)用,，智能型手機(jī)的電源管理解決方案更是該應(yīng)用的開發(fā)重點(diǎn)。戴樂格半導(dǎo)體（Dialog）的電源管理解決方案便于2018年由手機(jī)大廠蘋果并購(gòu),，顯現(xiàn)電源技術(shù)在行動(dòng)與智能運(yùn)算效能躍升的智能型手機(jī)中,，成為潛在的關(guān)鍵指標(biāo)。此外,，Dialog更持續(xù)擴(kuò)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(jī)、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(shí),，實(shí)現(xiàn)低功耗的電源控制與運(yùn)作,。

　　此外，在工業(yè)與車用電子等熱門市場(chǎng),，對(duì)元件內(nèi)部保護(hù)功能（包含絕緣,、散熱、溫度感測(cè),、電壓波動(dòng)的過沖抑制能力）,，以及介面或音訊功能，更有相關(guān)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目煽啃耘c安全標(biāo)準(zhǔn),。

　　針對(duì)智能工業(yè)與電網(wǎng)系統(tǒng)等大規(guī)模的電力運(yùn)作系統(tǒng),，同步運(yùn)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(gòu)網(wǎng)絡(luò)時(shí)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(biāo)準(zhǔn)包括驗(yàn)證主動(dòng)元件失效應(yīng)力的AEC-Q100，以及安全完整性最高等級(jí)ASIL-D等,。全球車用電子第一大廠恩智浦半導(dǎo)體（NXP）看準(zhǔn)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(jí)可擴(kuò)充電源管理系統(tǒng)的PMIC，能夠協(xié)助驅(qū)動(dòng)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(zhǎng),，2019年完成對(duì)美國(guó)通訊芯片廠IDT的并購(gòu)案,，延展其在無(wú)線通訊,、感測(cè)與電源管理元件的開發(fā)資源，增強(qiáng)其在ADAS與電動(dòng)車發(fā)展的市場(chǎng)地位,。

　　值得注意的是,，雖不比消費(fèi)性或車載應(yīng)用廣泛，電源管理技術(shù)在企業(yè)級(jí)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(gòu)英特爾（Intel）旗下Enpirion PowerSoC電源元件產(chǎn)品線,，藉由此次收購(gòu)，臺(tái)廠將能在企業(yè)級(jí)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(jìn)軍人工智能加速器市場(chǎng)的動(dòng)能來(lái)源。

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

　　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(yán)苛的物理環(huán)境下維持復(fù)雜,、高整合且穩(wěn)定地運(yùn)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(qiáng)勢(shì)進(jìn)占這塊市場(chǎng),。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(jìn)一步強(qiáng)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(jì),，GaN以高開關(guān)頻率展現(xiàn)元件在高頻運(yùn)作下的高效能，在系統(tǒng)整合上亦可圈可點(diǎn),。

　　SiC相較于矽基元件,，運(yùn)作頻率更高且開關(guān)切換速度快，能以低閘極電流運(yùn)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(jí)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(guó)車用電子制造大廠大陸集團(tuán)將其評(píng)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(lái)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(shí)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(shí)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(jì)優(yōu)勢(shì)。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(duì)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(wú)需散熱器的情況下,，提供高達(dá)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(yǔ)

　　族繁不及備載,，可說(shuō)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(yùn)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(chǎng)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(lái)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(chǎng)的硬件供應(yīng)品牌未來(lái)將以并購(gòu),、企業(yè)合作、擴(kuò)充國(guó)際據(jù)點(diǎn)或深化供應(yīng)鏈的縱向開發(fā)等策略性決策,，持續(xù)擴(kuò)充其產(chǎn)品組合并積累研發(fā)技術(shù)的實(shí)力,，滿足5G與智能物聯(lián)時(shí)代中，智能型手機(jī),、電動(dòng)汽車,、再生能源與智能工廠等對(duì)高速高頻。