随着半导体终端产品朝向轻薄短小、数位化和整合多功能三大趋势发展下,无论在影音讯号的输入与输出、电子产品电源供应、管理或是通讯信号的传输与媒介,类比讯号的处理已成为不可或缺的要角,90年代中后期类比技术势力更是快速掘起。
在高度数位化趋势下,数位IC技术在制程微缩后对于电压的变化、电流容忍和保护日益重要,不同的IC需要不同的供应电压,因而促成更多电源管理IC需求的兴起;不仅如此,终端产品如手机由于整合的功能愈多,随之而来的电力需求和电池寿命长也成必备要素,因此占类比IC市场比重约两成比重的电源管理IC便成为半导体业者争相竞逐的主战场。
全球类比IC市场简介
类比IC包括标准类比IC (Standard Linear)和特殊应用标准类比IC (Application Specific Analog)两大类,涵盖范围相当广泛。再就细项区分,标准类比IC 涵盖放大器(Amplifier)、电压调整/电压参考(Voltage Regulators/References)、讯号界面(Interface)、资料转换器(Data Conversion)和比较器(Comparators)五大类;至于特殊应用标准类比IC则包括电脑及周边、消费性、电信、汽车以及工业用/其他共五类。
由于类比IC应用普及,其技术的建立需要长时间累积,再加上类比IC无法像数位IC一样有大量的电子设计自动化(EDA)工具和IP可重复使用,所以类比IC的设计相当需要经验的累积,新进业者不易在短期跨入造成杀价竞争,因而类比IC价格不易大起大落。例如2003年上半年类比IC平均售价为0.57美元,与2002年的平均售价(0.59美元)几乎无差异,即使与景气高点2000年(平均售价0.74美元)相比差距亦属有限;不仅如此,类比IC市场成长性亦相对其他记忆体、逻辑和微元件等半导体元件稳定许多,WSTS(World Semiconductor Trade Statistics)估计,2002年至2006年类比IC市场年复合成长率预估将达10.5 %,占全球半导体市场比重约在16%~17%之间。以2003年的市场来看,WSTS统计2003年上半年全球类比IC市场规模为125.5亿美元,全年预估将达 260亿美元,较前一年成长8.8%。
《图一 1998年至2003年全球模拟IC市场规模》 |
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全球电源管理IC市场及业者概况
电源管理IC简介
电源管理可简单定义成:电源管理为控制一个系统中电压和电流随时间变化的状况,一个好的电源管理必须能提供足够的电力供系统正常运作,且能充分发挥系统之功能和符合成本效益。
电源管理可约略分为可携式系统(Portable System)、稳定系统(Stable System)、动态系统(Dynamic System)和自动化系统(Automatic System)等四大类应用市场,关于上述应用之特点和代表性产品请参照(表一)。其中手机、主机板、笔记型电脑、数位相机和LCD显示器等可说是广为看好的电源管理应用市场。再就电源管理半导体市场规模来看,电源管理IC和功率分离式元件(Power Discretes)各占三成五和六成五的市场比重,2003年电源管理IC市场规模约略在50亿至60亿美元之间,本文以下将以电源管理IC为讨论重点。
(表一) 电源管理四大主要应用范围
种类 |
Portable
System |
Stable
System |
Dynamic
System |
Automatic
System |
特点 |
长时期使用 |
较低的接取费用&
稳定品质 |
兼具效能与成本效益
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便利性 |
代表应用产品 |
Mobile Phone
Notebook
PDA
Hearing aids
Video Camcorder
Digital Camer
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Server
Base Station
Security System
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PC
Automobile
Microwave ovens
Fax Machine/Printer
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TV
Remote keyless entry for cars
Automotive air bag
light-sensitive lighting
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尽管SoC(系统单晶片)设计概念日益普及,但市面上号称SoC晶片者却因制程、成本和效能之故,使SoC晶片中仍未将电源管理功能整合在内,因此,外加的电源管理IC便得负起启动(Power)和保护(Protect)上述敏感甚至昂贵SoC晶片的任务。尤其,强调运算速度的微处理器至今已堂堂迈入GHz等级,更需要更多的电源管理IC辅助散热和电源管理功能,Intel于2003年三月推出之Centrino行动运算平台标榜不仅是内建Wi -Fi无线通讯模组,省电功能和更长的电池寿命更是诉求重点,因此电源管理IC之重要性更可见一斑。
电源管理IC分类
电源管理IC可粗分为电压调整/参考(Voltage Regular/Reference)、电池充电/量测(Battery Charging/Measurement)、热插拔(Hot Swap/Plug)、电压监控(Voltage Supervisor/Monitors)和电源管理单元(Power management unit)等几大类,其中电压调整/参考电源管理IC还包括线性调整器(Linear Regulator)、交换式调整器(Switching Regulator)、交流电压产品(AC Voltage Product)、交换式电容充放器(Switched Capacitor Charge Pumps)和电压参考(Voltage Reference)等次类别。(图二)为市场调查机构Gartner Dataquest 在2001年针对电源管理IC设计数目所作成之各类产品分布比重;交换式电压调整器(24.9%)、线性调整器(17.2%)和电压监控器IC (12.8%)依序为占比重最高的前三大产品,由此亦可看出电压调整/参考器在电源管理IC所占比重之高!
《图二 电源管理IC次类别占2001年度设计数量之比重》 |
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主要电源管理IC业者
近年来多家半导体业者争相进入电源管理等类比IC领域的理由不外乎:类比市场成长稳定、不似其他产品大起大落、以及资本市场对于专擅类比IC业者如Linear和Maxim高产品毛利率给予正面评价等理由;除此之外,类比IC技术应用范围广泛,更可与公司既有之核心技术结合产生综效也是重要考量因素,最具代表性的例子莫过于美商TI结合其在DSP技术和电源管理IC技术,至今成功地在手机晶片组和电源管理IC打下江山。
以电源管理IC公司数量的区域分布来看,美国公司以七成比例位居第一,其次为两成比例的日本公司,亚太和欧洲公司各占一成比重。再就电源管理IC公司的性质区分,七成为自有晶圆厂的整合元件制造商(IDM),仅有三成属于IC设计公司,美国、日本和欧洲类比IC业者多属于自有晶圆厂的IDM,至于iWatt、Linear Dimension、O2Micro和Volterra这类IC设计公司在国外仍属少数;而台湾业者则绝大多数为IC设计公司,采取和晶圆代工厂合作模式取得竞争利基;参考(表二)。
(表二) 全球代表性电源管理IC业者区域分布情形 *代表IC设计公司
区域业者 |
美国 |
日本 |
欧洲 |
亚太 |
代表性公司 |
Analog Device |
Fujits |
Infineo
|
ADD*
|
Fairchild |
Hitach |
Melexis |
Analog
Interation |
Intersil |
Matsushit |
O2Micro* |
Anachip |
Internationl |
Mitsubish |
Philip |
Anpec* |
Rectifier |
NEC |
STMicroelectroni |
Aimtron |
iWatt* |
Ricoh |
CS |
Fortune
Semiconductor |
Liner Technology |
Sanke |
Zetex |
GMT* |
Liner Dimension |
Seiko Epson |
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RichTek |
Maxim |
Sany |
|
System
General |
Motorola |
Sharp |
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AAT* |
Ns |
Toshib |
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On Semiconductor |
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|
|
TI |
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|
Vishay |
|
|
|
Volterra |
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全球前十大电压调整/参考IC业者
电压调整/参考IC占电源管理IC市场比重高达五成,可说是相当具代表性的产品。 (表三)列出全球前十大电压调整/参考IC业者,美国业者独占鳌头在前十大名单中即囊括八名,前三大业者分别为TI、Fairchild和NS。再就各区域业者占有率来看,美国业者以七成市场占有率领先群伦,日本业者以22%比例排行第二,欧洲(5.6%)和亚太业者(1.1%)则各居第三和第四名。
再就电压调整/参考IC的市场分布来看,亚太、日本、美国和欧洲依序为前四大分布市场,其中,亚太地区由于位居全球重要资讯、通讯和消费性电子产品系统厂商所在地,因而对电源管理IC的需求量也最大。综观电压调整/参考IC除了在资讯用主机板攻城掠地外,通讯(手机、WLAN)和数位消费性产品(DVD Player、数位相机)的成长性亦相当被看好。
(表三) 2002年全球前十大电压调整/参考IC业者及各区域业者市占率
排名 |
公司 |
2002年营收($M) |
2001年营收($M) |
2002 Market Share(%) |
1 |
TI |
355 |
371 |
11.3 |
2 |
Fairchil |
296 |
216 |
9.4 |
3 |
NS |
289 |
256 |
9.2 |
4 |
Linear |
249 |
378 |
7.9 |
5 |
Maxim |
231 |
264 |
7.4 |
6 |
On
Semiconductor |
191 |
156 |
6.1 |
7 |
Intersil |
167 |
104 |
5.3 |
8 |
STMicroeletronics |
134 |
163 |
4.3 |
9 |
Shaken |
125 |
89 |
4.0 |
10 |
Power
Integration |
108 |
94 |
3.4 |
|
美国公司合计 |
2,241 |
2,157 |
71.4 |
日本公司合计 |
688 |
579 |
21.9 |
欧洲公司合计 |
176 |
197 |
5.6 |
亚太公司合计 |
34 |
32 |
1.1 |
台湾电源管理IC设计业者
国内电源管理IC之应用市场可分为主机板CPU的电源管理、电源供应器所需之Pulse Width Modulator(属于Switching Regulator)和可携式产品三大应用领域,每年台湾类比IC市场规模约30亿美元。不过,我国因为以往在类比IC领域着墨不多,因此九成以上类比IC均仰赖进口。
现阶段国内标榜专注类比IC设计之公司家数仅占国内设计业总数约一成比重,就产值而言,2002年类比IC产值仅占我国设计业总产值的4.7%,足见国内国内投入类比IC设计的资源相当有限,类比IC势力远不及数位IC势力。尽管如此,由于台湾为主机板、笔记型电脑、数位相机和LCD监视器等主要系统厂商所在地,因此电源管理IC可说是国内类比IC设计公司投入的主力产品,属于电源管理IC的电压调整/参考IC营业额以46.5%占最大宗。
国内从事类比IC设计的前三大业者依序为立锜、茂达和沛亨,上述公司营业额在6.6亿至11亿台币不等,立锜是第一家营业额超过10亿台币的类比IC设计公司,而上述业者亦是国内电源管理IC的领先厂商,与外商TI、Fairchild和Intersil等同台竞逐。(图三)为我国类比IC设计业者营收和成立时间概况,1992年沛亨是国内第一家成立的类比IC设计公司,1997年以后国内类比IC设计业家数才快速成长,这些类比设计公司的资本额均在数千万至4亿多台币之间,2002年营收大于3亿元的厂商就超过八家。
电源管理IC未来发展趋势
设计趋势
综观类比IC对品质要求不外乎速度(Speed)、精准(Precision)、功率消耗(Power consumption)、电压控制能力(Voltage capability)、电流控制能力(Current capability)、可靠度(Reliability)和稳定度(Stability) 等七个评估指标,因此,有鉴于低电压、低耗电量和更长的电池寿命等可携式产品应用需求兴起,电源管理等类比IC必须符合高转换效率、省电和避免过热的问题,因此电源管理势将朝向更低的混合电压系统、低耗电量和支援许多USB 2.0等新兴标准规格设计方向进行,而更小的封装体积和功率消耗需符合环保(或称绿色能源)需求亦为未来发展趋势。
此外,虽然整合类比和数位电路的SoC设计概念日益普及,但市面上号称SoC晶片却因数位、类比制程整合不易、成本过高和效能不若预期,因而形成高整合度和高效能间的两难,因此部分类比电路如电源管理IC在短期内并不适合作整合,仍将持续独立于SoC晶片之外。
制程趋势
电源管理等类比电路的元件特性属于连续之操作区间,在动态响应(动态电压回转率)、更低的混合电压系统、低耗电技术发展方面要求相当严格,因此,深厚的类比IC设计功力、稳定的制程参数和各种类比制程研发经验是类比IC公司必备的要件。类比IC具备生命周期长的特性,现阶段仍集中在5、6吋厂生产,尤以6吋厂为最大宗,制程水准自1.0至0.4微米制程不等,采用制程种类包括Bipolar(双极性电晶体)、BiCMOS和CMOS等,以满足电源管理IC对不同电流和电压的需求。
类比IC最传统的制程当属Bipolar,1980年代以来类比CMOS制程技术快速进展,适用于低电压之类比IC应用以及成本优势,再加上CMOS晶圆厂产能远较Bipolar为充沛等因素使然,原本采用Bipolar制程的电源管理IC渐转向采用CMOS制程,例如台积电的6吋晶圆厂以CMOS制程生产电源管理IC已获得相当成效。尽管采用CMOS制程不免在效能和杂讯方面有疑虑,但随着CMOS制程长足进步和成本效益大的诱因下,除了一些高性能、高频类比元件仍需采用BiCMOS或SiGe BiCMOS(结合SiGe HBT与CMOS制程而成)制程外,电源管理等类比IC采用CMOS制程制造已是大势所趋。
整合并购趋势
类比IC市场特性包括成长稳定但技术变化并不大,尤其类比IC人才有限,而多家公司却又同步投入市场角逐的情况下,强弱相争使得业界洗牌或并购案层出不穷。 2002年类比IC业界仍有多起整合并购案,举凡微控制器大厂Microchip 并购PowerSmart、Fairchild 并购Signal Processing Technologies和Intersil并入Elantec等,均是业者为增加产品线纵深和扩展市场占有率的例证。
结语
随着电子产品高度数位化和轻薄短小、省电观念大行其道,电源管理相关类比IC市场发展潜力已广为外界看好。2000年以来,国内前两大纯类比IC设计业者在营收和获利均有不错的成果,连带使得国内资本市场对类比IC设计的关爱程度与日渐增,簇拥不少新兴类比IC设计公司争相设立,俨然形成一股新兴势力!然而,类比IC技术门槛高,「后进」的台湾类比IC设计业者切入此市场就得面临好手如云的情况,包括TI、Maxim、Linear、Fairchild和Intersil等老牌半导体业者都已在类比领域耕耘多年,因此台湾类比IC设计业者仍得面临不小的挑战。
首先,类比IC设计人才的取得充足与否,将国内类比IC设计业能否展翅高飞的最大罩门。类比IC设计因为需精通半导体元件物理、制程和电路设计因而技术门槛较高,再加上电子设计自动化(EDA)工具在类比IC设计所能扮演的角色相当有限,所以类比IC的设计相当需要经验的累积,类比人才养成相当不易。无疑地,以国内情况来看,优良的类比IC设计人才仍将流入联发、瑞昱等以混频技术见长的公司,其次才是前几大纯类比IC设计公司,因此国内欲提升类比IC设计水准,除了学、研界加强类比IC专才的培养外,延揽美国矽谷近期因不景气释出的类比IC设计人才,将也有助于缩短与国外类比IC设计技术的差距!
其次,国内业者多半投入于标准型类比IC产品,由于同质性高的类比IC设计业者投入易流于成本竞争,业者若不想沦为标准型类比产品之电源管理IC杀价竞争之一员,必须持续加快往技术进入障碍较高的可携式产品电源管理IC领域才行,比品质、服务、效能、交期、系统Know-how和成本优势更是缺一不可!
尽管前有技术和人才的挑战,但整体而言,台湾在电源管理IC市场应有不错的发展机会。国内类比IC设计业者因为地近资讯、通讯和消费性电子制造和代工系统业者,透过完善的技术支援和厂商在产品设计和系统端频繁互动等方式,在成本、效能和稳定度已达水准的情况下,已渐有取代进口IC的气势,未来市场发展潜力仍相当看好。再者,国内专业晶圆代工厂对类比制程技术和资源投入渐多,对国内类比IC设计业者无疑是一大助力,现阶段国内电源管理IC占全球市场比重虽不及1%,但未来将有不少的发挥空间!