工業4.0(Industry 4.0)為工業市場「創造」許多新穎的應用概念,如工業物聯網(IIoT)、工廠自動化、智慧製造…等。這些新的應用也促使工業市場出現新的趨勢與需求,例如更多智慧、更高效、更多連接與更安全…等,而要滿足這些要求,半導體業者認為,半導體技術的進步,是實現工業4.0概念重要的關鍵之一。

亞德諾(ADI)產業市場資深經理陸磊表示,工業4.0或工業物聯網的發展,目標是為了進一步提高生產效率。為了實現這個目標,需要工業自動化和工業資訊化。在這個過程中,需要用到多種多樣複雜的感測器、高效可靠的傳輸和高性能的運算。以工廠裡的無人車或協作機器人為例,就需要用到高性能的避障感測器和導航元件。

除了感測器及導航元件外,工業4.0整體架構中還需要其他包括微控制器、電源管理、馬達驅動…等半導體元件。意法半導體(STMicroelectronics)亞太區行銷和應用資深總監Francesco Muggeri表示,工業4.0這個廣大的市場上,有數百種不同的特定應用,如何讓半導體晶片能夠滿足應用需求,這需要半導體廠商與產品設計工程師、軟體設計專家密切合作,開發更多適用的新產品。另一方面,半導體晶片供應商能否為客戶帶來附加值,取決於客戶能否很快、很好地將「超越摩爾定律(more than Moore)」整合到工業4.0、工業物聯網產品開發計畫中。

20180907NT31P1 在工業4.0智慧工廠架構中,需要各種半導體元件才能讓此架構順利實現。(來源:意法半導體)

看好工業4.0市場前景,半導體業者也發佈相對應的產品,並融合更新的半導體技術,以期可協助相關廠商盡快開發出符合工業4.0市場需求的裝置。

在感測器方面,ADI提供全系列的工業級MEMS感測器,包括加速度計、陀螺儀和慣性測量單元(IMU)等,被廣泛應用於各種工業應用,例如機器人、傾角檢測、物品追蹤,以及機器設備健康檢測。陸磊指出,所有的這些應用,都需要很高的性能和可靠性,ADI MEMS在零偏穩定性、溫度回置特性、長時間穩定性,以及震動條件下的性能都超過消費級MEMS產品,因此已獲得工業客戶的青睞。

在避障方面,如何將射頻雷達、光達(LiDAR)、光閘技術等應用在工廠中,使機器更安全、更高效、更智慧,仍是一個不小的挑戰。ADI的光漸近感測器可用低成本的方式實現安全區避障,另外,ADI在提供高性能射頻雷達晶片的同時,也在研發光達產品。

在電源方面,德州儀器(TI)以工業4.0市場對於電源傳輸系統的需求為出發點,透過新的半導體材料與製程技術,協助工業客戶在工廠電源架構上能獲得更省能源、更高效率、更小尺寸…等優勢。

德州儀器工業系統解決方案應用經理孔令梅舉例,工業4.0市場對於電源傳輸系統的要求之一是符合各國嚴格能源規範,促使電源系統需要走向高電壓,因此推動氮化鎵(GaN)與碳化矽(SiC)兩種新半導體材料的功率元件開始取代傳統MOSFET。

另一方面,工業4.0應用中也需求能夠具備更高功率密度、更小尺寸及可靠性與穩健型的電源產品。此時,創新的封裝技術、脈衝寬度調變(PWM)控制器和隔離元件,是半導體業者能為客戶產品及市場增添的優勢。

孔令梅強調,德州儀器擁有豐富、創新的工業電源產品組合,該公司也積極在碳化矽與氮化鎵上發展技術突破,持續推出創新參考設計,為設計人員在工廠電源傳輸設備、不斷電系統(UPS)、通訊與伺服器電源、DC/DC設備等應用,開發高能效、高功率密度且具競爭性的電源解決方案。

意法半導體針對工業4.0,有涵蓋感測、控制/電源與連結三大類產品線,並透過半導體封裝技術,規劃工業應用產品的發展方向——系統級封裝(SiP)和系統單晶片(SoC)。Muggeri說明,高整合度的解決方案,將可協助客戶簡化開發設計,因此意法半導體SiP的目標是為客戶提供整合系統級功能的高附加值解決方案,例如,PowerSTep SiP整合STM32微控制器、電氣隔離、功率電晶體和STSPIN電機控制,以及更多的功率電晶體。下一步就是開發SoC或模組,如從客戶的需求出發,設計整合現有感測器的專用模組,包括用於連接主資料處理單元共用資料的IO-Link模組。