PMIC缺货涨价，电源芯片厂商如何破圈？
2020-12-03
14:00:56
来源: 半导体行业观察
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能源是发展人类文明的重要起源，而这把火炬，显现在电子元件领域，便是电源元件。电源不仅是启动任何电子元件的根本，更是决定元件系统是否能够达到最佳效能与发挥最大应用潜能的决胜关键。
也因此，电力电子元件设计与制造领域的产业要角，必须在开发设计、性能模拟与应用选择上进行多方考量，电源元件供应大厂也各自提出相对复杂且多样的产品规划与市场布局，以满足高压、高频、大电流、高温等在不同电源应用中承受各式工作状态的产品性能需求。
就电源系统的整体设计而言，电流、电压与系统控制为影响元件性能的主要因素。随着人工智能、5G、物联网等需要高速或大量资料传输的无线通讯或智能元件扩大在日常中的应用范畴，整合电压控制、电流控制与电源管理的整合式元件，其开发需求也灼灼转为显性。
根据市调机构Yole Developpement（Yole）于2019年底发表的市场报告，电源管理芯片的整体市场规模将以1.9%的年复合成长率，自2018年的191亿美元成长至2024年的213亿美元。其中，消费性与通讯为最主要应用，占近50%；第二大应用则是工业，紧追在后的则是车用与交通应用。
今（2020）年更是彰显电源元件在电子产业独特性的重要一年，疫情驱动的数位转型急势，进阶牵引了消费性电子产品的市场需求，商用5G服务、智能交通与制造应用更为深广的触角，也加速纳入各大垂直产业的未来进程，总归反映在电源元件的供不应求，以及相关厂商的扩大投资与布局。
就电源元件类型而言，Yole报告也分析，电源管理芯片（power management IC；PMIC）主要可分为传统PMIC与特定PMIC，前者以低成本为导向，后者则更强调高效能与低功耗。
Yole电力电子与化合物半导体技术与市场分析师Ana Villamor指出，社会改变以及策略性决策是驱动未来电源管理芯片市场的两大要素。
换句话说，由于电源芯片在电子元件功能中显著的根本地位，加上驱动该市场发展动向的要素，受到诸如跨国商业布局与各国政府政策等大规模局势变动影响甚巨，不论在降低成本或提升性能上，任何的产品优化或升级必是耗费不赀且历时长远。
因此，为了在这块战略影响深远的电源芯片之战占有一席之地，身为全球供应链中的产业要角，势必采取相对严谨且全面性的产品开发计划。
Villamor进一步说明：「电源管理芯片的各大制造商，但凡在财务允许的情况下，便会以战略性决策的格局，投入300mm晶圆制造的开发选项，以增加产品利润与企业营收，而不需并购其他公司。」
本期CTIMES封面故事就电源芯片在电子元件市场的战略地位重要性，以及长期发展的关键技术趋势，整理出CTIMES读者们针对供应品牌、采购因素与2020年新品三大面向的现况观点，近身感受驱动元件在系统整合、效能革命与应用拓展上发散光热的电源技术发展核心。
省电、轻巧、具备量产优势的成本，是电源芯片在市场上展现绝对优势的特点；然而，隐于这些耀眼规格之下电源芯片的核心技术，其实是系统整合，尤其在无线连接当道的电子时代，电池供电系统对于能耗、系统整合度的期望也更为严苛。更准确地来说，电源管理技术，就是实现元件系统级优化的核心技术之一。
举例而言，最新5G手机为了支援高速、宽频的网络传输工作，在电源管理芯片上也必须采用多颗芯片，以实现最佳的电池供电使用体验。而要最佳化电源元件的系统性能，开发人员可谓任重道远，操手自前端的晶圆制造和制程选择，到后端的IC设计与模拟验证，各大供应品牌因此提出了相应的指标性制程技术或参考设计，以产业共生模式聚集而来的研发之力，延续电源技术的创新突破。
这也能说明，此次电源元件的市场调查中，在使用经验与整体评价上，总计13家的供应品牌获得满分评价的比例各占鳌头，几乎可说是完全竞争市场。
占比超过10%的三大品牌：德州仪器（TI）、亚德诺半导体（ADI）与英飞凌（Infineon）皆掌握了从设计、模拟、制造到销售的完整功率元件技术，从而以全面性的软硬件资源支援开发人员，进行高性能电路模拟、混合与数位讯号处理、用于SoC、FPGA与ASIC等具备不同系统整合与客制化程度处理器的电力驱动设计，实现功率元件的整体性能优化。
在设计方面，德州仪器（TI）提供相对多元的模拟软件与开发工具，例如其借助EDA大厂益华电脑（Cadence）的高性能模拟技术，于今（2020）年最新推出之PSpice for TI模拟器，整合了TI在电源与讯号处理两大领域的模型库，能协助芯片设计人员全功能验证类比电路，缩短研发时间之外，更能以系统层面进行整体效能升级。
就制程而言，扩充12吋（300mm）晶圆的制造产能，是电源芯片供应大厂共同视为炙手可热的发展目标，进而以自动化基础设施达成低成本、高量产的电源产品应用。
Yole Developpement就点出，其实不只是德州仪器，英飞凌近两年更在其全球制造版图加速部署12吋晶圆厂，首座厂房已于2018年在奥地利落成，第二座厂房也将于2021年在德国完工。
该报告也圈点制程技术之于电源芯片生产与性能的重要性。意法半导体（ST）就锁定了「双极—互补金氧半—双重扩散金氧半制程（bipolar-CMOS-DMOS；BCD）」在12吋晶圆市场的布局，借此不仅可降低电源元件的功率耗损，更能大幅节省封装成本，大大加速智能功率元件、功率MOS与IGBT等产品系列的开发与制造。
除了自建厂房，也有电源芯片供应大厂采取收购措施，以在电源市场的抢占量产先机。安森美半导体（ON Semiconductor）便于2019年宣布收购格罗方德（Global Foundries）的12吋晶圆厂，强化其功率与类比产品在先进CMOS制程、45nm与65nm技术节点的生产力道。
国际半导体产业协会（SEMI）看好这项趋势，据其最新报告，受今（2020）年疫情带动的数位转型需求影响，12吋晶圆厂的投资总额将凌驾于2018年纪录，以13%年增长率（YoY rate）成长，预计至2024年全球将增设至少38座12吋晶圆厂，其中，设于中国之厂房占了半数，台湾则坐落11间。
透过扩大晶圆产能，电源元件供应大厂得以支援各式元件的大规模应用，然而，随着电子产品对小尺寸和低功耗的规格要求越来越高，轻重负载之间的功率转换效率、开关频率、响应速度、功率与电流密度在电源系统的重要性也随之高涨，主要目标市场包括消费性电子、车用电子（例如汽车资讯娱乐系统与ADAS）、工业、通讯和网络应用。
其中，消费性电子为电源管理芯片市场最大宗的应用，智能型手机的电源管理解决方案更是该应用的开发重点。戴乐格半导体（Dialog）的电源管理解决方案便于2018年由手机大厂苹果并购，显现电源技术在行动与智能运算效能跃升的智能型手机中，成为潜在的关键指标。此外，Dialog更持续扩充其辅助电源管理系列（sub-PMIC）产品，以触及更多在智能型手机、SSD、HDD、Wi-Fi模组中广泛采用的Arm核心处理器，在芯片系统复杂化的同时，实现低功耗的电源控制与运作。
此外，在工业与车用电子等热门市场，对元件内部保护功能（包含绝缘、散热、温度感测、电压波动的过冲抑制能力），以及介面或音讯功能，更有相关严谨的可靠性与安全标准。
针对智能工业与电网系统等大规模的电力运作系统，同步运作、稳定的电力传输与分配至关重要。电子元件美商Microchip日前宣布收购网络时间服务器（Network Time Server）与同步解决方案开发商Tekron，凭借Tekron在电力基础设施领域的网络同步技术，提供其在智能电网与工业电力系统更高的可靠性与稳定度。
在车载电子领域，常见标准包括验证主动元件失效应力的AEC-Q100，以及安全完整性最高等级ASIL-D等。全球车用电子第一大厂恩智浦半导体（NXP）看准高安全敏感度的车载电源系统应用，近期亦宣布推出适用于ASIL-D等级可扩充电源管理系统的PMIC，能够协助驱动其MCU产品系列在电源安全方面所需的效能，深化自家产品的系统整合能力。
日商瑞萨电子（Renesas）在此也不遑多让，奠基于自家在工业与汽车的领域专长，2019年完成对美国通讯芯片厂IDT的并购案，延展其在无线通讯、感测与电源管理元件的开发资源，增强其在ADAS与电动车发展的市场地位。
值得注意的是，虽不比消费性或车载应用广泛，电源管理技术在企业级系统应用亦展现高度鉴别度。联发科旗下的电源元件品牌立锜科技日前便宣布收购英特尔（Intel）旗下Enpirion PowerSoC电源元件产品线，藉由此次收购，台厂将能在企业级电源管理方案中，快速导入高频高效的功率技术，为联发科ASIC产品配备进军人工智能加速器市场的动能来源。
另一方面，寻找新兴材料以扩大支援高频、高压、大电流与严峻工作环境的电源技术，也成为了决定电源元件市场脉动的一大看点。
矽基元件创立了量产半导体的开端，然而，电子元件越常必须在严苛的物理环境下维持复杂、高整合且稳定地运作，采用能够耐高频的氮化镓（GaN）与耐高压的碳化矽（SiC）等功率元件，从而如火如荼地展开研发激战。
横跨新兴材料的功率元件开发芯片大厂英飞凌（Infineon）便以CoolSiC与CoolGaN两大产品系列，强势进占这块市场。前者锁定高性能与稳健型元件的电源系统，并善用SiC能够承受200℃的物理特性，进一步强化其在热能方面的表现；后者则聚焦小尺寸的功率元件设计，GaN以高开关频率展现元件在高频运作下的高效能，在系统整合上亦可圈可点。
SiC相较于矽基元件，运作频率更高且开关切换速度快，能以低闸极电流运作。罗姆半导体（ROHM）的电源产品在这方面具备深厚的技术基础，包括其车载等级的高降压比电源控制技术Nano Pulse Control、确保低耗损电流与性能稳定的Quick Buck Booster技术等。日前ROHM便宣布德国车用电子制造大厂大陆集团将其评选为「2019年度最佳供应商」，显见其SiC与电源产品的优异性能与专业技术，分外备受肯定。
此外，采用SiC的功率元件，还能透过优化元件架构来提升系统效能。东芝半导体（Toshiba）最新推出的第二代元件架构，就大幅改善了SiC MOSFET在导通电阻增加时元件系统的可靠性，比前一代架构提升了十倍以上。该架构已用于其最新1200V SiC MOSFET，实现低功耗与小尺寸的高效电源系统。
GaN功率元件则展现了耐高压、微型化、高度系统整合的设计优势。精于高压功率转换半导体技术的元件供应大厂Power Integrations（PI）对此着墨甚深，其2014年推出之InnoSwitch系列产品便是应用其GaN快速切换开关的技术，开发至第三代产品，可支援最高100W的功率，甚至在无需散热器的情况下，提供高达95%的转换效率。PI日前更宣布该系列芯片的全球销售量突破10亿的里程碑。
族繁不及备载，可说是概括电源元件一脉的最佳写照。不同类型的转换器除了可能以线性、交换式或返驰式等运作原理为基础，用以构建的半导体元件亦可采用金氧半场效电晶体（MOSFET）、绝缘栅双极电晶体（IGBT） 、萧特基二极体（Schottky diode）或双极性接面电晶体（BJT）等来控制电路开关，产品应用更是不可胜数。
可以想见，全球电源元件市场的硬件供应品牌未来将以并购、企业合作、扩充国际据点或深化供应链的纵向开发等策略性决策，持续扩充其产品组合并积累研发技术的实力，满足5G与智能物联时代中，智能型手机、电动汽车、再生能源与智能工厂等对高速高频。
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