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ST为何看好工业半导体?它有哪些新技术赋能工业智能?

时间:2020-12-28 作者:关丽 阅读:
由于ST对工业市场的战略关注和长期承诺,继去年以“新工业,新智造”为主题的首届工业峰会后,近期又以“激发智能 赋能创新”为主题,聚焦电机控制,电源和能源及自动化三大领域举办了第二届工业峰会。本次峰会,ST共准备了40多个展台,超过130个产品演示。除了当天上午的主会场的主题演讲,电机控制,电源和能源及自动化三个分会场还有51场专题技术演讲,可谓是ST给业界朋友准备的一场技术盛宴。
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由于意法半导体(以下简称“ST”)对工业市场的战略关注和长期承诺,继去年以“新工业,新智造”为主题的首届工业峰会后,近期又以“激发智能 赋能创新”为主题,聚焦电机控制,电源和能源及自动化三大领域在深圳福田香格里拉大酒店举办了第二届工业峰会。

工业市场目前已经成为ST亚太区发展战略中的重中之重,而中国的工业市场是创新的核心所在,尽管在这非常特殊的2020年面临不少挑战,这也是ST决定继续在中国深圳继续举办第二届工业峰会的重要原因。

工业半导体的市场前景

为什么ST近年一直看好工业半导体市场?一份来自OMDIA. ST SAM perimeter的数据,工业半导体市场规模将从今年(2020年)的410亿美元增至2023年的480亿美元,具体细分市场增长的相对比例见下图:

工业半导体的市场前景

致力于成为工业半导体供应领先者,ST凭什么有这样的底气?其销售、市场、传播及战略发展总裁Marco Cassis先生通过视频向观众们宣布:ST有非常广泛的客户基础,为全球10万个客户进行服务,而其中很大一部分客户来自于中国。目前,ST在全球工业半导体市场处在什么样的竞争地位呢?

首先,有目共睹的是其STM32产品组合已经在32位MCU的嵌入式处理领域处于领先地位,而且去年又进入到一个新的市场领域,推出了首款STM32微处理器,目前已经看到这些产品对现有客户和未来可能的心客户有非常强大的吸引力。

其次,在功率器件领域,ST排名第三,而且由于新产品的推出而快速增长,比如其碳化硅器件的推出。

而在模拟IC领域排名第五,在智能电表和电机控制等重点领域有不错的成绩。

目前ST正在建立其在传感器和致动器方面的地位,借鉴在个人电子设备方面的成功经验,为工业应用提供合适的器件。

ST在应用方面特别是MCU和MPU表现非常出色,在集成连接、安全和人工智能也同样出色。ST掌握了各项产品所需要的电源解决方案,无论是分立还是集成,大功率还是低功耗;ST还掌握了捕捉现实世界信号并将其转化为数据所需的传感器;另外还掌握了处理信号所需的模拟部件,并提供所需的各种类型的连接。这使得ST不仅可以为客户提供单个器件,而且可以为客户提供完整的系统解决方案,在这些方案中,ST已经优化了各个部件的协同工作,并可以提供软件和参考设计以支持快速开发。

为何ST把亚洲市场作为首要的工业市场?

ST亚太区的员工占总员工人数的1/3以上;在新加坡设有1个晶圆制造厂,在中国、马来西亚、菲律宾各设有1个封测厂。为重点关注亚洲主要市场,建立了7个技术创新中心,其中电机控制、物联网、智能手机、电源与能源及新能源汽车这五大技术创新中心已经建成,另外AI和自动化创新中心还在建设中,今年已完成第一阶段的建设。这些技术创新中心的宗旨是近距离地为客户提供本地支持和产品经验。

为什么ST重点关注亚洲这个主要市场?ST亚太区销售及市场执行副总裁Jerome Roux 像在场的观众隆重介绍道,因为ST认为亚洲是工业设计的心脏。众所周知,亚洲是发展最快的一块市场,无论在制造还是设计创新方面都是处于领先。经过市场调研得知,在2020年,亚太市场的研发总量占全球市场的三分之一,这证明亚太区不只是全球制造基地,还是全球设计中心,而且有越来越多的设计项目来自于亚太区的客户和实验室。设计项目覆盖许多应用领域,包括家电、无线充电、计量、智能功率、工业创新等。

ST亚太区销售及市场执行副总裁Jerome Roux

亚太区工业市场规模达到56亿美元,ST致力于开拓这个市场,目前,ST在工业市场有数千家客户,而且现有5000余款产品服务于工业市场,包括汽车、MEMS、功率、能源、微控制器等等。

ST在工业市场有哪些特定的战略目标?

ST总裁兼首席执行官Jean-Marc Chery先生在当天峰会中的主题演讲中,首先为大家介绍一些电子产业的长期趋势,它引导了意法半导体投资等其他方面的选择。2020年,ST在研发设施上投资总额为5亿美元,资本开支是12亿美元,所有的开支都是由这些趋势所引导的。这样的投入对于高科技行业的发展以及支持可持续发展的未来是至关重要的。虽然有一些经济方面的挑战,但在未来还是有增长空间的,在世界各地并没有看到长期发展受到任何负面影响。

ST的战略目标主要基于以下三个方面:

1.智能出行:助力汽车制造商,使驾驶更加安全、更加环保,有更高的连接性。主要支持工业应用方面,比如电动汽车的充电设施。

2.电源&能源:使得不同行业能够提高能效,支持他们使用可再生能源。这是ST主要关注的领域,在这次峰会上所展示的一些服务都是支持这些相关应用的。

3.物联网&5G:意法半导体支持分布式智能设备连接、工业应用,以提升安全性生产的效率和效益。同时,为所有设备提供相关传感器、组织解决方案、安全、宽带等解决方案。

ST在工业领域除了主要正对广泛的工业市场外,还有一些特定的目标。首先希望能够瞄准嵌入式处理器领域,成为这一领域的领导者。目前ST已经在嵌入式处理技术上进行了大量的投资,这是ST过去一段时间取得的巨大成功。比如,在STM32产品上的成功,能够更好地服务于其它关键市场,比如个人电子产品市场。

在工业领域还有另外两个目标:不断加速模拟器件和传感器市场上的发展和进一步扩大在电源和能源管理业务。在这些领域,目前ST正在不断地扩展通用和专用解决方案的模拟产品系列,特别在关键工业技术上进行大量投资,比如像电机控制、电源、计量、电流隔离技术。ST一直在开发专门针对于工业需求量身定制的传感器产品组合,比如最近推出的高精度测斜仪。在功率分立器件方面,已经在宽带技术上进行了大量投资,包括IGBT和硅MOS,以帮助进一步拓展针对工业电源和工业控制的相关产品和应用范围。

目前,ST在整个亚洲的工业发展中占有非常有利的位置,并且在这个市场中占据82亿美元的份额。

各大创新技术重点展示

电源与能源

在今年年工业峰会上,小编有机会体验到了ST的MasterGaN——业界首个单封装集成硅驱动器和氮化镓(GaN)功率晶体管的解决方案,它是一种系统封装模块。MasterGaN能使充电器和适配器减重80%,体积缩小70%,充电速度更是普通硅基解决方案的3倍。现场展示了一款超级快充,它采用ST 65W Type-C超级快充解决方案,集成半桥驱动器和MasterGaN1晶体管。

65W Type-C超级快充解决方案

该款充电器令人最为印象深刻的是功率密度达到了每英寸立方体30瓦特(30 W/inch3),确实非常了不起。市场上大部分产品还没有办法突破每英寸立方体20瓦特(20 W/inch3 )。

在峰会现场,小编注意到“深圳市盛弘电器股份有限公司”展出一个60-160kW直流充电桩解决方案,主要用于集中式电动车快速充电站。该方案采用了ST最新的IGBT产品,可为客户提供CCS Combo2和CHAdeMO双标准充电,满足搭载大容量电池、瞄准更长续航里程的电动汽车的更快充电要求。

采用ST最新IGBT的充电桩解决方案

另外现场还有一款用于电动滑板车的无线充电解决方案,它智力解决滑板车面临的最大挑战——充电。这款解决方案来自捷佳科技股份有限公司,是一个快速无线充电器与停车架相结合的解决方案,它结合MOSFET、VIPer、Triacs、PFC控制器和栅极驱动器,解决电动滑板车在路边充电的难题。

该无线充电解决方案解决电动滑板车路边充电的难题

电机控制

在电机控制展区,ST展示了一系列针对家电和电动工具(低压和高压)的电机控制解决方案,包括风扇、真空吸尘器、跑步机演示装置等,其中大部分由ST亚太区电机控制技术创新中心自主研发。

风扇初始角度检测和顺风启动演示

ST还展示了其它电机控制解决方案,包括一个基于STSPIN32F0和Modbus总线的位置控制演示装置,以及基于STM32F7微控制器和EtherCAT通信的迷宫游戏位置控制装置。

基于STM32F7微控制器和EtherCAT通信的迷宫游戏位置控制装置图

机器人应用离开不了电机控制。本次峰会展示现场有专门的机器人解决方案演示区域。该这个展示区域有来自来ST一些重要客户的机器人解决方案及其演示。机器人机械臂解决方案展示区域演示了ST本地客户的机器人如何高速、高精度工作,减轻工业场景中人类工作负荷。

机器人机械臂解决方案展示区域

其中,有来自客户新时达电机的机械臂解决方案,现场有采用ST的MCU+MOS管的Demo演示——AS170水泵专用背负式变频器和双轴对插机器人工作站。

AS170水泵专用背负式变频器

附:AS170水泵专用背负式变频器简介(下图)

双轴对插机器人工作站

附:双轴对插机器人工作站简介(下图)

自动化

一百多年前开始的工业革命,是始于自动化的,也就是解放人类双手,用机器替代人类的双手,用机器做人用手做的工作。自动化现在无处不在,ST致力于提供更高效、更安全、可靠的家庭/楼宇自动化和工厂自动化解决方案。

在2020年工业峰会的沙龙访谈环节,自动化创新主管Allan  Lagasca分享了ST在家庭自动化方面近期完成的项目:智能家居和照明参考设计,这些高度灵活性的平台可以扩展到很多的智能家居和自动化应用里。 

ST的智能家居和照明平台

ST为持续建立一个关于智能家居的生态系统,与合作伙伴进行合作。峰会现场有一个智能家居展区,展出了相关客户采用ST的电源和电机控制芯片设计的各种智能家电,包括扫地机器人、人脸识别家庭安保监控系统、割草机、空调、冰箱、洗衣机、油烟机、电饭煲、智能梳妆镜和超音速吹风机等等,涵盖智能生活的方方面面。

智能家居整体解决方案展示

同时,ST自动化关注的另一大重点是工厂自动化,ST从2019年开始部署该方面的工作。工业自动化不仅仅是工业4.0,还要准备更多解决方案,比如IO-Link就是其中之一。

IO-Link工厂自动化解决方案

另外,在当天峰会的媒体问答环节,Allan  Lagasca还与记者们介绍了ST工业自动化的相关部署工作。目前,ST已经开始把他们在欧洲市场份额最高的产品部署到中国市场。ST主要是推出隔离和非隔离型的单片集成功率器件/开关和智能控制器的产品,例如IPS智能功率开关。当然,执行的是欧洲的标准,例如IO-Link。这些产品大多数最初是部署给欧洲客户的,但现在计划把它们拿到中国市场来。因为了解到在部署这些产品时,中国市场会有些不同之处,因此,ST还将针对工业自动化市场的需求定制产品,成为中国自动化市场的专供产品,不仅要解决与功率器件有关的应用问题,而且还要推出专门面向中国市场的功能。同时,考虑到IO-Link是针对欧洲公司的标准,ST还要吸引中国本土的合作伙伴加盟,完善其IO-Link设备开发生态系统,这是完整生态系统部署的一部分。

另外,峰会现场有一台来自ST合作伙伴汇川技术的手机生产线装置,它演示了微型智能工厂是如何运行的。整个生产线分为5个工位:AOI站(自动光学检测)、打磨站、锁附站、点胶站和贴标站。该模块化的柔性生产线可以快速响应设计要求,并具有很强的环境适应性。同时,该生产线采用MES(制造执行系统),能够利用大数据来构建“互联网+工业”的新型管理模式。

来自汇川技术的手机生产线装置

总结

本次工业峰会,ST共准备了40多个展台,超过130个产品演示。除了当天上午的主会场的主题演讲,电机控制,电源和能源及自动化三个分会场还有51场专题技术演讲,可谓是ST给业界朋友准备的一场技术盛宴。

最后,在媒体采访环节,ST亚太区功率分立和模拟产品器件部区域市场和应用副总裁沐杰励先生(Francesco Muggeri)对电子工程专辑记者提出的关于芯片采用“异构集成”问题发表了看法。“异构集成”——作为整个半导体界都在探索的后摩尔时代的出路之一,ST有各种专有技术,它整合了其内部生产的专有技术以及将不同技术整合到一个产品内的封装能力。那么如何整合大功率器件?例如,在讨论MasterGaN技术时已经提到的MOSFET或GaN MOSFET等。

另外,ST还有低功率的低压产品、BCD技术和功率技术及智能功率模块(IPM),这些产品和技术要取得高可靠性也不是一件易事,当ST迎接这些挑战时,还要解决封装级别上的复杂难题,例如SiC器件的情况。今天,ST宣布,这些器件结温可以高达100度,ST是如何做到的呢?

关于可靠性要求,必须解决技术吸热能力,以及材料在热、电、磁、辐射和连接性方面的交互能力,这带来了复杂难题。因此,当天发布的充电更快、尺寸更小的充电器芯片让ST非常兴奋,因为他们打赢了这场攻坚战,并且上市产品达到了高可靠性。因此,必须开展研发活动,在采用新材料和做概念可靠性测试方面,研发起着非常重要的作用。ST清楚地知道,测试是半导体制造工艺中的一个关键工序。

另一个问题是电隔离,这是一个系统封装中的一个重要概念,涉及到芯片电安全问题,ST可以在一个封装中把电隔离做到6 kV,这是在讨论封装集成度时需要关注的另一个问题。

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关丽
电子工程专辑(EETimes China)资深产业研究员。
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