綠色行動整裝待發
Jeffrey L. Small/快捷半導體公司應用工程師
作為近十年來最流行的術語之一，「企業社會責任」(corporate social responsibility)向各個企業提出了挑戰，需要以更具社會和環保責任的方式運作。在電子產業方面，最重要的回應方式之一是在產品製造過程中增強環保意識。因此，「綠色」的政策、產品和封裝在業內廣泛流行，紛紛見於網站上、包裝上和行內展會及研討會中。
本文探討了電子企業因應環保要求所採用的三種特別措施。首先，我們將看看大勢所趨的無鉛封裝，以及各個企業在遵循RoHS指令中遇到的諸多機遇和挑戰。接下來，我們將研究功率因數校正(PFC)技術迅速普及的原因，最後，會闡述如何在開關電源中使用集成開關來降低功耗。
企業責任絕對是這個時代的時髦術語，也是大多數企業致力於爭取的東西，電子產業也不例外。企業責任乃是隨著各個企業認識到他們是整個社會的組成部分，並意識到他們對周圍環境的影響而開始出現。
許多人以為企業社會責任是在私營領域中，將經濟、社會和環境的問題結合到企業的日常商業活動中。此外，企業社會責任還涉及針對社會和環境問題建立創新及主動性的解決方案，並與對外和內的合作夥伴協作，透過具社會責任的方式在予以實現。
綠色行動意味著無鉛化
電子產業執行社會責任的途徑之一，是採納對環境更好的標準。過去幾年，生產環保產品的需求已從消費導向轉向法令的強制要求。歐盟便率先為此立法，要求產品通過綠色監管。
這種「綠色」趨勢以幾種方式出現，其中最明顯的是向無鉛封裝轉移。被廣泛被宣揚為環保工作榜樣的半導體產業，現正準備應付無鉛製造的挑戰。因此，大部分半導體公司都是接受而非抵制現已生效的歐盟RoHS法令。不過，無鉛化和符合RoHS法令兩者之間有一個差異。RoHS指有毒物質的使用減少，鉛僅是其中之一。當廢棄的電子產品被拋入垃圾場時，鉛及其它有毒物料如鎘、汞、六價鉻、聚溴聯苯和聚溴二苯醚等會滲到地下的供水系統。因此，現在全球許多地區都已以立法，要求生產商在其產品中去除可能有害的材料。
儘管並非所有國家都已立法或即將立法管制，歐盟對於無鉛規範執行的期限經已逼近，而許多美國公司也以此作為他們的限期。事實上，許多業內領袖都視RoHS指令僅為他們成為環保和「綠色」元件生產商目標道路上的一個基礎。
供應鏈是綠色 您才能綠色
這種超前思維不僅從環保角度看是正確的，而且也有利於商業運作，因為供應鏈正是目前面對的主要問題。例如，假如晶片製造商沒有遵守相關法令，那麼其客戶的產品也不能完全符合有關指令。再者，若原設備製造商(OEM)的產品在入境時遭扣查，有關執法機構將沿供應鏈追溯非相容部件的來源及其下一步目的地。因此，生產零部件的企業，如半導體生產商，如果想留住現有客戶及開拓新的客源，就必須儘早符合有關法令。正如快捷半導體全球質量和可靠性副總裁Mark Rioux所言：「提早符合RoHS的指令要求再次落實了我們的承諾，讓客戶可以更輕鬆地與快捷半導體進行業務及提倡綠色產品的應用。」
綠色未必意味著錫鬚問題
隨著無鉛產品的轉向，許多半導體公司都關注焊接中因純錫電鍍產生的錫鬚(tin whisker)問題，這是不難理解的。在半導體產業內，鉛主要作為封裝/焊接製程的添加劑。在這個過程中，鉛和錫結合在一起。錫鉛(Sn/Pb)焊料一般用作引腳鍍層(lead finish)材料，通過焊料電鍍或焊料塗敷沉積。鉛歷來都是用作添加劑，因為它比其他特別添加的雜質便宜，能提供更牢固的焊接，而且融點較低，對腐蝕和損害的抵抗力也較強。
此外，鉛加到錫中有助於延緩/防止錫鬚的生長。錫鬚是錫的長型突起物(類似於一根髮鬚)，有可能變長至足以使電連接短路並造成集成電路失效。若無鉛存在，錫鬚的長度和寬度會隨澱積製程和產品經歷的條件而變化。幸運的是，許多電子/半導體機構已開發出替代的電鍍策略，如電鍍方法和電鍍製程的嚴格控制，使它們的產品能夠通過美國電子製造業聯合會(NEMI)建議的錫鬚測試的要求。
去除鉛及其它歐盟法令禁用的有害材料，雖然對電子產業是個挑戰，卻有利於環境保護。隨著市面的消費電子產品越來越多，而且當中很多是丟棄性的，垃圾場裏的鉛含量(也即地下水供應)已達到空前水平。故此，電子元件市場上的客戶必須明智地在尋找朝著無鉛標準努力的供應商之外，還應挑選那些真正綠色的產品。
綠色行動意味著使用功率因數校正
業內另一個迅速發展的環保標準是在電子元件的電源中使用功率因數校正。功率因數校正(PFC)已使用超過數十年，但直到90年代才開始在電子業內流行。在過去20多年，電腦和家用電子產品數量的增加，以及它們日益增長的功率要求都加重了全球能源傳輸系統的壓力。為此，在2001年初，歐洲的IEC(國際電工委員會)頒佈了61000-3-2標準，規定75W以上的電源必須採用功率因數校正。自此，越來越多的國家也採納類似的標準，使到功率因數需求變得愈來愈迫切。
功率因數的定義為有功功率(real power)與視在功率(apparent power)之比。有功功率的單位為瓦特，提供實際工作所需功率。視在功率單位為伏安(volt-amp)，等於有功功率和無功分量的向量和，是產生完成實際工作所需磁場的必需功率。因此，視在功率是由畢達哥拉斯定理(Pythagoreans Theorem)建立的功率直角三角形的斜邊。圖一顯示了代表有功功率、無功功率(reactive power)和視在功率的分量。電路無功分量的單位通常是乏(volt-amps-reactive，VAR)。由於功率因數是有功功率和視在功率之比，因此等於瓦特除以伏安。有功功率是均方根電壓與同相電流的乘積。
通過定義，功率因數被描述為電壓和電流之間的相位關係。圖二和圖三分別是無功率因數校正電源和有功率因數校正電源的輸入電壓與電流之間的關係圖。注意在圖二中，只有在周期間電源大電容充電時存在一個電流尖峰 (spike)；而圖三中，電流在整個周期中都非常均勻地分佈。在開關模式電源中，功率因數校正技術還能控制線上有害的諧波。鑒於只有基頻被認為是有功功率，故由開關瞬態電流引起的任何諧波都被認為是無用功率(wasted power)，並可能對電源效率造成重大的影響。因此，降低這些諧波最終能提高功率因數。
隨著全球能源消耗正史無前例地增加，功率因數校正在環保方面的意義越來越顯著。以中國為例，中國不僅擁有全球最多的人口，而且也是全球消耗資源最多的國家(資料來自地球政策研究所Earth Policy Institute)。隨著獲通過加入世界貿易組織(WTO)，中國的經濟增長有目共睹。經濟的快速發展刺激了消費電子產品數量的增加，以及伴隨而來功耗的上升─中國目前的能源消耗正處於前所未有的水平。例如，2003年中國的能源消耗為每小時86.17千瓦，比之前一年提高15.5%。在2003年之前，中國能耗的平均增長是每年7.3% (資料來自Elert 2004年)。由於消費電子產品的擁有和使用增多，加上對中國能源資源需求的相應增加，中國許多地方都因為能源應用的限制而出現停電情況。故此，中國正努力地減小能源的消耗。
中國不是唯一需要採用功率因數校正的國家。如前所述，2001年1月，歐盟各國對功率大於75W的新電子設備採納了新的標準，要求必須滿足關於諧波內容的EN 61000-3-2規範。中國緊隨歐盟規定，自2002年5月1日起，國家政府機構所用的電子產品必需使用功率因數校正。這種3C規範(中國強制認證，China Compulsory Certificate)規定所有功耗大於75W的產品必須具有功率因數校正。日本目前正在研究新的政策以提高功率節省，並相信在可預見的將來，美國也將採納更嚴格的功率管理規範。
綠色行動意味著使用低功耗的集成開關
1997年，IEC在歐洲發佈了1瓦倡議(1-Watt initiative)，是針對減少家庭碳排放量的多種措施之一。1瓦倡議建議家居電子設備的待機功率必需降低到1瓦之下。半導體製造商對此倡議支援的主要方式之一是推出能源有效的功率管理產品。比如，一些脈寬調製(PWM)和集成離線功率開關(具備集成SenseFET的PWM)提供脈衝工作模式作為附加功能。脈衝模式的設計目的是當電源上只有很少甚至無負載時(如圖四所示)，迫使MOSFET停止開關轉換。注意MOSFET(黃色波形)只有在反饋電壓大於特定閾值時才產生脈衝。
負載減小，反饋電壓也隨之降低。當反饋電壓降至某一水平以下時，設備進入脈衝模式。電源的輸出電容開始放電，輸出電壓水平下降，反饋電壓開始上升，最終觸發設備的脈衝模式功能失效，然後MOSFET轉換又重新開始。圖五顯示了脈衝模式期間的反饋電壓工作。使用低功耗集成開關是綠色提案的主要組成部分，因為它可降低總體功耗，減小電力系統的壓力。
實現綠色產品並不容易？
儘管有人可能認為實施多個(或只一個)環保提案的代價太高或太耗費時間，但如本文所說，變成綠色並不一定會成為業界發展的絆腳石。雖然從封裝/焊接製程中去除鉛可能比某些其他環保措施更加複雜，但對於環境和人體健康的正面影響卻極巨大。此外，大量已經證實的解決方案已準備就緒。全球對於能源的消耗已達前所未有的水平，各個國家都面對能源短缺和家庭碳排放量增加的問題，然而，如本文所述，功率因數校正解決方案對於長遠地緩解這類問題很有幫助。對製造商而言，製造能降低功率的開關只是微不足道及所費不多的事情，卻對節能極為有益。企業如能採取本文提到的所有三個措施，就肯定能夠步上綠色的正軌，並進一步落實負上企業責任的目標。SST-AP/Taiwan
圖一：功率三角形。
圖二：採用功率因數校正之前。