創新是疫後轉型的關鍵字，素有「工研院奧斯卡」之稱的工研菁英獎，2021年4項金牌得主，涵蓋臺灣優勢的半導體科技、電路板產業應用，以及深具潛力的植物新藥技術，都是跨領域創新的結晶，為臺灣下世代產業科技提前布局！
創新平台突破植物藥研發瓶頸
非類固醇乾癬植物新藥
長年有皮膚病困擾的朋友，必定對類固醇不陌生，儘管類固醇對皮膚問題有速效，但副作用也令人望之卻步，部分病友甚至因此拒絕用藥。工研院以植物藥技術平台開發出乾癬用植物新藥PTB323X，突破植物藥研發瓶頸，同時解決類固醇高副作用問題，造福廣大病友，也榮獲工研院傑出研究獎金牌的肯定。
紅、癢、痛，皮膚出現大面積潮紅丘疹，嚴重會產生膿疱潰爛等症狀，這種俗稱「銀屑病」的乾癬症，困擾著全球1.25億位病患，其中臺灣每年亦有8萬名病患因症就診，由於症狀會反復發作，是相當令人頭痛的慢性皮膚病。
由於乾癬為一種自體免疫疾病，現今並無有效根治方式，因此患者需接受長期治療。臨床治療方式包括光照治療、注射生物製劑、口服藥以及外用藥等，目前最普遍的治療方式，以使用含有類固醇的外用藥為主，占乾癬用藥的68%。
但長期使用類固醇易產生強烈副作用，造成患者皮膚萎縮、微血管擴張、毛囊炎等症狀，嚴重者會引發免疫系統失調，導致水牛肩、月亮臉、免疫力下降等問題。而目前常與類固醇合併使用，以降低副作用的維生素D藥物，也有造成患者皮膚增厚、血鈣等副作用。
學研合作 驗證未被滿足的市場缺口
「因此當皮膚科醫師聽到我們在開發不含類固醇的乾癬新藥時，都表示很感興趣，」工研院生醫與醫材研究所天然醫藥與保健技術組組長潘一紅表示，這項計畫邀請到包括臺北醫學大學附設醫院、臺大醫院、高雄榮總、高雄長庚等專業皮膚科醫師加入團隊，協助PTB323X進行學研型臨床試驗與科學探討，醫師們都非常有研究精神，也提供了相當多寶貴的建議，讓團隊順利抓準研發與市場方向，「醫師的正面回饋讓我們大為振奮，也證實不含類固醇的乾癬外用藥，是尚未被滿足的市場缺口，極具商業發展性！」
「乾癬需長期治療，類固醇雖具顯著療效，但無法連續使用超過2週，考量到藥物的安全性及有效性，需要其他藥物作為輔助或替換，」潘一紅表示，為了提供乾癬患者更安全的治療方案，工研院團隊以4年時間，萃取杭菊的黃酮類活性成分群組，研發出可長時間使用、具高療效性、低副作用，並可取代傳統類固醇，或與類固醇併用的植物新藥「PTB323X」。
千種藥材大車拼 杭菊成乾癬救星
怎麼知道杭菊對乾癬有療效？潘一紅打趣，「這過程好比大型選秀，」團隊先從在技術處支持下，累積10餘年的「藥材萃取物資源庫」，超過2,000種本土藥用植物中，進行搜尋與篩選，再針對此次研究目的做實驗，「我們嘗試過幾百種植物，做了上千次實驗，選出10種較具潛力者；再比較這10種植物的易栽植性、產出品質掌握性、製程上專利價值，甚至成本競爭力等，杭菊最終脫穎而出。」
儘管人類使用天然植物草藥的歷史可追溯至千年前，也累積了無數人體使用經驗及文獻，但現今主流醫學為西醫體系，藥物市場以化學合成藥物或生物製劑為主，以天然物為藥物成分來源的植物新藥，因成分多元複雜，且易因栽種培育、保存運輸等因素，造成品質差異，進而影響藥物的安全性與有效性。近20年來，植物新藥在國內外獲核准上市的比例並不高，仍有待進一步的研究與開發。
「但也正因為植物成分複雜，具備多靶點特色，更有機會解決錯綜複雜的疾病，補足化學生物藥無法滿足的市場，」工研院生醫所經理溫淑芳補充。面對植物藥的挑戰，潘一紅所帶領的團隊沒有退怯，發揮工研院跨領域整合的優勢，建置植物藥技術平台，為植物新藥開發打造精準化的一條龍式解決方案。
三大創新技術 助植物藥合規
如何讓難以穩定掌控原料特性的植物藥符合藥物開發之法規規範，是植物新藥開發需突破的瓶頸。工研院的植物藥技術平台為全國唯一整合型技術研發平台，涵括料源培育、功效試驗、毒理試驗、作用機制研究、製程放大、化學成分分析確效、藥品優良製造作業規範（Good Manufacturing Practice；GMP）生產等核心技術，串聯植物藥前端培育栽種、中端生產品管，以及後端功效安全驗證、法規查驗登記等流程。
為確保植物藥原料品質的一致性，歐盟、世界衛生組織皆有依據「藥用及香藥草植物的優良農業種植與採收規範準則」（Guidelines for Good Agricultural and Collection Practice of Medicinal and Aromatic Plants），作為植物藥原料的種植指引。工研院於臺南六甲院區建立符合GACP規範的植物藥原料栽培基地，包括組培苗室、節能科技溫室等，從育苗、栽種、收成、保存等流程一應俱全，並針對植物成分、提取製程、醫藥配方研發三大創新技術，以確保植物藥原料的品質與成分。
工研院生醫所經理陳玟吟以「植物化學工廠」來描述植物成分優化的創新技術運作模式。首先在原料培育的部分，以植物組織培養技術選拔出性狀優良的組培苗，並藉由科技溫室及「藥用成分倍增調控技術」，調控環境、氣溫、光配方以及營養源設計等細節，提高關鍵基因轉換效率，使植物原料有效活性成分含量增加40倍。
當植物原料收成後，則進入到中段製程部分，以「藥用成分生物轉化及純化技術」將杭菊中多種黃酮類成分再轉化成有效活性成分，同時去除非藥效活性成分，使有效活性成分增加10倍、純度提高72倍，可大幅減少分離純化所需時間與成本。然後再透過「藥用成分群組最佳活性配比技術」，針對藥物活性成分調配出最佳比例，訂定臨床用藥規格。
研究成果產出後，需完成前臨床研究工作如製程標準化、試量產、功效與安全評估等，於法規單位查驗登記審查通過後始能進入人體臨床試驗階段。工研院為國內法人機構中唯一建置符合國際醫藥法規協和會（ICH）標準，以及衛福部GMP認證的植物藥工廠，具備相關軟硬體設備與技術，所製備之試驗物質也可提供進行優良實驗室操作規範（Good laboratory practice；GLP）之動物毒理試驗等作業，提供產業臨床用藥製備的場域需求。
「新藥開發需要承擔許多風險，為了支援國內生技醫藥產業之臨床推動，工研院建置GMP植物藥工廠，以符合國際法規的標準進行試量產，完備新藥安全性及功效性驗證需求，期待能與國際接軌，快速推進新藥開發的腳步，」工研院生醫所副組長呂居勳表示。
「化學、製造與管制」（Chemistry, Manufact uring and Control；CMC）是新藥產出的關鍵，新藥進入臨床人體試驗階段前，需備齊符合法律規範的CMC文件，而GMP工廠將相關流程數據化、文件化確保法規適格性，再與其他前臨床研究資料匯集後即可向衛生褔利部食品藥物管理署（TFDA）提出藥品臨床試驗查驗登記的審核。
「藥用成分生物轉化及純化技術」將杭菊中多種黃酮類成分再轉化成有效活性成分，同時去除非藥效活性成分，可大幅減少分離純化所需時間與成本。
戰略布局 打造新藥開發一條龍服務
新藥研發的過程漫長，動輒耗費10數年的時間。PTB323X自2017年開始研發，已在2020年通過TFDA進行人體臨床試驗（Investigational Drug；IND）的許可。研究成果數據證明其具療效，安全無刺激性、可長期使用，且功效較競爭藥物維生素D更佳。
相對於一般新藥開發，PTB323X因為有了工研院植物藥技術平台的助力，在時程進展上較為迅速，加上導入專業醫師進行學研型臨床試驗，在有充足數據資料佐證安全性的支持下，TFDA允許PTB323X合併臨床一期與二期試驗，直接進行乾癬患者人體試驗，加速新藥開發腳步。
潘一紅表示，透過植物藥技術平台，團隊成功突破過往植物藥開發瓶頸，以更精準化、科學化、國際化的方式，研發出治療乾癬的植物新藥PTB323X，並已與4家廠商針對技轉事宜進行洽談，堅實的創新技術已獲得2020年國家新創獎的肯定。此外，平台所衍生的三大創新技術，均已申請多國專利布局保護，並提供產業技術應用，累計超過20件合作案，也創造出豐厚的授權回饋。
生技醫藥產業不僅關係到人民健康安全，更與國防戰略息息相關，特別是新冠肺炎全球大流行後，各國紛紛將生技醫藥列為國防發展重點，臺灣亦將其列為六大核心戰略產業項目之一。
為了更進一步扶植臺灣生技醫藥產業，工研院積極鏈結新藥開發技術與場域，整合成為創新研發平台。「任何藥物的開發都有其前瞻性，端看從何種領域切入，並找出適合發展的方向。植物藥屬於正在蓬勃發展的新領域，工研院的植物藥技術平台，將以一條龍的方式，協助產業開發新藥及相關應用，積極布局植物藥市場，」潘一紅對植物藥的未來充滿期待。
不僅更節能還能更均勻
相控陣列變頻微波技術
烤披薩時，若要同時烤熟鮮蝦又不讓櫛瓜過熟，幾乎不可能。如果有一種變頻微波技術，針對不同食材給予不同頻率的微波，讓成品出爐時熟度一致，那就太棒了。工研院開發的「相控陣列變頻微波技術」，將此概念運用在半導體工業，可使晶圓品質更穩定，還能有效節能，獲工研院傑出研究獎金牌肯定。
微波加熱技術的應用已經有數10年，包括家電及工業上都廣泛應用，最基本的就是家中的微波爐，它透過磁控管發出2.45 GHz的微波，讓水分子間接產生震盪加熱烹調食物。
而在工業使用的退火製程，可改變材料微結構的一種熱處理。以半導體為例，半導體前段晶圓摻雜製程，就是透過加熱來恢復晶體的單晶結構，並活化當中的摻雜物質，但退火的溫度和速度是門大學問。
工研院機械與機電系統研究所專案經理黃昆平表示，材料種類各異，不同的材料對電磁波吸收程度都不同，「如果可以知道某個材料吸收的微波頻率是多少，那個頻率的加熱效果會是最好的，就可以大幅縮短加熱、退火的時間。」
加熱退火時間大幅減少
工研院研發的變頻微波技術，是將3.2mW低功率高頻訊號源，藉由氮化鎵（GaN）固態功率放大器，提升至100W，可做變頻輸出，也可選擇特定頻率輸出，讓不同材料獲得適合的微波頻率。
這項新技術的優勢，黃昆平表示，以碳纖維生產為例，過去多以紅外線、電阻絲式間接加熱，溫度需要攝氏2,800至3,000度，加熱時間要60分鐘才能產生相變化（Phase Change）；若改為微波加熱，溫度可以降到2,000度，幾分鐘就可以產生相變化；至於在半導體上，產生相變化的溫度可從1,000度降到500度。對產業來說，此技術最大貢獻之一就是節能，尤其在減碳永續趨勢下，可幫助製造業降低成本，大幅降低製程碳足跡。
減少高溫擴散降低缺陷
黃昆平解釋，由於退火所需溫度變低，大約可節省80%耗能；另外，因溫度低，冷卻的時間也大幅縮短，也能省下至少3成的時間，甚至可達一半。「它還附加一個好處，就是過去退火溫度可能要900～1,000度，使用微波是針對個別材料調整頻率，可以在較短時間內達到結晶結構的相變化，實際反應溫度可能只要一半，這對製程有很大幫助，特別是對前後站製程，減少了高溫熱擴散造成前後站的缺陷。」
黃昆平以烤牛排舉例，碳火直烤，在離開爐火後牛排本身溫度仍高，等於還在持續受熱，因此溫度、時間要拿捏得相當精準；如果用微波加熱，針對牛肉反應的頻率給予微波，牛排達到需要熟度的時間變短了、溫度也降低，可以降低牛排過熟的問題。再如烤披薩，披薩包括了麵皮及不同餡料，若用窯烤，能控制的只有溫度及時間，如果用微波加熱，針對不同材料使用不同微波源發出不同頻率的微波，讓各種餡料達到最佳熟度，烤披薩的時間縮短了，理論上會更美味。
調控相位加熱均勻度逾99%
而電磁波除了頻率、振幅，還有一個相位（Phase）的特性，相位是描述訊號波形變化的度量，或物體週期運動的階段，主要與退火物品的受熱均勻度有關。團隊成員之一的工研院資訊與通訊研究所資深工程師蔡岳霖指出，透過調控電磁波輸出頻率、振幅以及相位，產生建設性干涉或破壞性干涉，就能組合出最佳的加熱場型，大幅提高受熱物品的均勻度，目前該技術的加熱均勻度可達99%以上。
至於微波中有電場及磁場，使用在半導體晶圓製程中，會不會對晶圓上的線路產生干擾？黃昆平表示，在晶圓前段製程中，它的線路都還是雛形，不太有影響，理論上會影響到線路是在後段的封裝，「我們做過多次實驗，並未發現明顯的干擾，主要是因為晶片裡面的銅導線夠細，未來該技術也有機會應用在封裝上。」
2017年，由國立交通大學、工研院、國家奈米元件實驗室三方機構合力研究的微波退火技術，入圍當年度全球百大科技研發獎（R&D 100 Awards），這次就是以先前的技術為基礎做精進。
「相較於2017年的技術，這次最大的精進就是可以做頻率的選擇及相位的調控，」黃昆平說，因為當時微波頻率是固定的，要做多重模態，就只能放置多個磁控管，因此腔體很大；現在可以做頻率選擇與及相位調控，無須用到這麼多磁控管，腔體體積縮小一半，「另外，因可調整受熱物的頻率，退火時間也可以縮短，整體成本也降低了。」
從「定頻」到「變頻」，再到相位可自由調控，研究過程中碰到許多困難與瓶頸。團隊之一的工研院電子與光電系統研究所經理陳昌昇指出，不同材質吸收微波的頻率不同，要量測團隊不熟悉的材質並確認其吸收頻率，是一開始的挑戰。「我們必須重新設計一個量測架構，再模擬、驗證我們的量測架構是否正確，光是驗證過程就花了很多時間，」陳昌昇說，「甚至還得設計治具（Jig），以避免治具造成量測的雜訊。」
黃昆平補充，「量測這段工作可以說是這個計畫的眼睛，他告訴我們多少頻率，我們就往這方向去發展，當然，最後還是要靠物理運算去雙重認證，用數學去校正。」
求助高速電腦篩選排列組合
蔡岳霖也指出，這個技術是透過頻率與相位的調控，來達到均勻加熱的目的，「但頻率從2×109到4×109赫茲，相位從0到360度，形成的排列組合非常多，怎麼做選擇？」
「最後是靠超級電腦！」蔡岳霖透露，團隊把條件都輸入電腦，由電腦去篩選出最佳化的排列組合，再從這些排列組合去執行。黃昆平回憶，一般電腦運算，光是一個數值就要1到2週，後來求助高速電腦中心，以及同仁支援的數值模擬分析方法，採用高速電腦運算大約1到2天，速度加快很多。
退火製程的應用很廣，半導體、太陽能、化工業，甚至未來在食品業都用得到。黃昆平舉例，「像是穀物、水果的乾燥，可以說任何東西在製程中需要加熱、退火、乾燥的部分都用得上。」
食品業使用這麼尖端的技術，在成本效益上會不會不划算？黃昆平說：「其實是非常划算！」他以烹調食物為例，使用電鍋可能需要半小時，用微波爐可能只需要3分鐘。根據這原理，過去製作果乾，用傳統烘乾可能需要7～8個小時，「我們實驗結果，用微波烘乾不到1小時就可以辦到。」
這項新的微波技術，不管在食品業、工業上，可以達到省時、省工、節能，還有一項就是均勻度。黃昆平表示，微波加熱的應用雖然已經很久，但最大的挑戰就是均勻度。主要是過去對微波加熱的模態掌控不夠好，加熱後有些有乾、又些沒乾。拿食品來舉例，蔓越莓乾、芒果乾一次可能烘乾幾千顆，如果乾燥程度不一致，最後可能整批都報廢掉。「現在這個相控陣列變頻微波技術，均勻度比過去好很多，加熱物換成晶圓、太陽能電池、光電元件等，依舊有很好的均勻效果。」
新技術臺灣第一領先國際
這項技術的成果，目前在選擇性加熱的能力上，已經領先許多國家。黃昆平說明，「儘管微波變頻加熱並不是新技術，但我們同時具備變頻加熱、相位調控與數值分析，被加熱物的均勻性可以做得比別人好，不僅領先，也是這項技術的特色。」他充滿信心的表示，該技術未來技轉，將是第一個國產化的同類型技術，即使放到國際上都屬於領先群。
產業或許會關心，新設備投資的回收問題。黃昆平指出，加熱退火製程往往攸關能源與成本，採用此技術可大幅節能，估計在食品業約1至2年可回收設備成本；若是廢棄物處理事業回收則更快，估計半年就可達到，像是科技廠製程中酸液回收濃縮的汙泥，要交給外部處理廠處理，用微波加熱乾燥縮小體積，速度就很快，也很節能。
放眼未來商機，以半導體產業來說，若著眼於替換傳統退火設備，全球相關市場估計約數10億美元；就食品業而言，光是在果乾製作市場，臺灣每年至少也有新臺幣幾10億元的設備市場。該技術目前正積極導入產業，開始為企業設計微波加熱生產線，預計明、後年可以進行量產。
延續摩爾定律新解方
高深寬比玻璃基板電鍍填孔及檢測技術
玻璃中介層（Glass Interposer）技術提供2D到3D先進封裝，更穩定的良率與更具競爭力的成本。隨著半導體製程持續演進，串接各層間的導線深寬比不斷增加，工研院的「高深寬比玻璃基板電鍍填孔及檢測技術」，可有效增加電極密度、改善晶片堆疊，助臺灣半導體產業持續引領風騷，因而獲工研院傑出研究獎金牌。
5G時代來臨，人工智慧、物聯網、車聯網等應用相繼崛起，為提升晶片效能，半導體持續發展晶片微縮製程，從7、5奈米（nm）走向3、2奈米，逼近摩爾定律的極限，亟需另闢蹊徑來推動技術演進。其中，透過2.5D或3D設計，將不同電子元件堆疊，整合在一顆晶片的「異質整合」技術應運而生，成為半導體產業持續前進的突破點。
技術領先 達全球最高深寬比
傳統2D封裝是將晶片並排安裝在單一平面上，隨著晶片走向輕薄短小，還要具備高運算、低功耗等高階應用能力，2D封裝已不足支撐產業需求；3D封裝突破了水平框架限制，透過異質整合將不同功能的晶片垂直堆疊整合，使得晶片模組運算能力更強。
中介層技術是異質整合的關鍵之一，玻璃中介層擁有低翹曲、訊號傳遞更快、用電效率更佳等優勢，加上符合輕薄需求，近年有後來居上的趨勢。中介層需要內接金屬導線作為上下訊號傳遞的通道，因此會針對玻璃進行穿孔加工，隨著半導體製程的不斷演進，導線孔洞的「深寬比」（Aspect Ratio；AR）持續增加。
所謂「深寬比」又稱縱深比，指的是導線孔洞深度與直徑的比例。工研院機械與機電系統研究所先進機械技術組副組長黃萌祺說明，3D晶片堆疊層數越多，孔洞就要打得越深，晶片尺寸變小，線寬線距越來越短，孔洞直徑也就跟著縮減，因此製作小孔徑、高深寬比的方向是必然趨勢。然而深寬比愈高也代表製程愈難，成為產業亟待克服的技術挑戰。
「就像是蓋大樓，一層又一層構築起外觀與骨架，玻璃基板就如樓層間的地板，必須將樓板鑽孔打通，串接上下層的電路、水管等管線，讓水電正常供應，各樓層機能無虞，」黃萌祺提出生動比喻。
工研院耗費5年，領先全球研發「高深寬比玻璃基板電鍍填孔及檢測技術」，透過玻璃基板通孔（TGV），連通上下層金屬導線，傳輸電力與訊號，使晶片效能最佳化。「工研院的技術就是要讓大樓蓋得再高，也能保證電訊與電力的傳輸品質！」黃萌祺說。
濕式金屬鍍層沉積技術 成就最高深寬比
國際上對高深寬比的研發不在少數，但AR最多只到10，遠不及工研院的解決方案。而工研院領跑全球的關鍵，有賴三大亮點技術：首先是開發全新填孔電鍍製程，以玻璃通孔基板為中介層，再將銅電鍍上基板填充孔洞，讓電路上下連通。為增加金屬與玻璃的接合度，填孔前玻璃表面需要製作一層100至200奈米的複合式氧化物導電薄膜，以此作接合的橋樑。
業界是以乾式結合濕式製程來製作導電薄膜：利用真空電漿鍍膜設備（PVD）把金屬打成離子狀態飛入孔洞，但晶片堆疊越多層、孔洞位置就越高，要精準入洞的難度也增加，以致良率下降；工研院開發出低成本、適合高深寬比的「複合式氧化物導電薄膜」，採全濕式製程，透過浸泡無機氧化物與無電鍍銅藥液流經深孔，使其表面產生氧化物薄膜，再經低溫共燒技術，讓金屬氧化物薄膜與玻璃基材產生介金屬化合物，即可克服玻璃與金屬附著力不佳的瓶頸。
「若採傳統製程，深寬比15已是極限，」黃萌祺指出，全濕式製程的AR可達15至30，晶種層沉積率高於7成，覆蓋率佳；且PVD機台身價不斐，「從乾濕搭配改成全濕式設備，可節省成本約5成，為業者減輕不少壓力。」
單劑雙功能電鍍添加劑 完美無縫填洞
其次是開發具雙功能的單劑型電鍍添加劑填孔配方。一般情況下，以電鍍填充銅金屬時，孔洞表面往往最快形成金屬沉積，中間則最慢，因此容易產生空隙，實際使用時遇到較大電流，晶片會很快損壞，所以需要使用特殊的添加劑，讓孔洞口金屬沉積速度變慢，待孔洞中間填滿後再填洞口，就可減少孔隙產生。
黃萌祺解釋，要解決這個問題，業界普遍同時使用3種添加劑，但電鍍時3劑各自消耗，需要適時補充，但添加劑會彼此干擾，要補充什麼？補充多少？難以精準掌握。團隊決定甩開這個惱人問題，直接開發新型添加劑，「從一篇篇文獻研究開始，判斷哪些化學藥劑可能符合所需功能，再逐一進行篩選，」黃萌祺說。
經過一段摸索期，團隊找到幾支特定藥劑，展開配方實驗。團隊主要開發成員工研院機械所研究員張佑祥，半年來幾乎天天泡在實驗室，將實驗每個步驟一一記錄，精挑細選出一款不曾使用於電鍍的藥劑，意外的同時具備抑制與平整功能，不用再與其他劑搭配，效果就很出色。「由於是單劑型作填孔電鍍，不但能解決覆蓋率的問題，降低因不同電鍍添加劑所造成的量測干擾，更有效提升製程穩定性與良率，與目前業界配方相比，還能省下50%的成本，」黃萌祺興奮表示。
3D微孔偵測 缺陷無所遁形
第三個亮點則是開發先進的3D圓球形演算法（Sphere-Fitting），來檢測高深寬比的銅填孔狀態。黃萌祺透露，這項技術可說是研發過程中最具挑戰、也是最難掌控的部分。結構或藥劑配方，團隊還能自行調整，唯有填孔成效，從外圍到中間有沒有填好填滿？哪裡有孔隙？光憑肉眼與普通顯微鏡都無法觀察，「若忽略這道程序，不知道填充結果，就像矇著眼睛研發，根本無從精進。」
一開始團隊委託外部檢驗單位，光是檢測一片基板就得耗上半天，3D X光片也需人力逐一檢查，若同時開發多種配方，來回至少要1～2個星期，曠日費時。所幸，團隊獲得院內材料領域專家跨刀相助，開發出改良版的3D圓球形演算法，經高解析、高對比的奈米斷層掃瞄，電腦軟體針對內部結構之微孔分布與直徑加以演算，精確快速找出缺陷。黃萌祺認為，「這個演算法的最大突破，是可以同時偵測上百根TGV銅填孔，最快1到2天就能知道結果，大幅縮短檢測與校正時間。」
工研院材料與化工研究所博士林子閎表示，類似的孔隙偵測技術多用於生醫材料或原油探勘，例如牙科檢測牙本質小管細微結構、石油業者鑽油探勘油礦等。而將自動孔隙偵測演算法結合奈米斷層掃描3D檢測技術，用在電子業則是頭一遭，對材料領域也是新的嘗試。「這個檢測的挑戰在於，銅金屬照X光容易造成散射，要讓軟體剔除雜訊與散射，才能進一步建立3D立體軸，清晰呈現後，由程式自動且快速鑑別出金屬柱內的孔隙、缺陷位置與軸向定位。定義出精準座標後，電子顯微鏡才能進行精準比對確認，做更高解析度的分析，朝正確的方向調整。」林子閎說。
透過精確的檢測驗證，團隊明顯感受到成果漸入佳境，「早期技術沒那麼完善，內部會有滿大孔隙，像是球棒中間裂開一條縫，隨著技術越改越精良，後期只會出現如花生米一般、2至4微米（㎛）的洞；到了現在，連一點點孔隙都找不到了！」黃萌祺不禁露出滿意的笑容。
為半導體業超前部署 創千億產值
本技術問世，可應用在半導體先進封裝產業中的扇出型面板級封裝（FOPLP）、高密度電路板（HDI PCB）以及IC載板，滿足電子產業先進製程的需求。黃萌祺指出，該技術雖然只占封裝製程一部分，但濕式設備與單劑添加劑等重要開發，不僅縮短製程時間，也為業者省下至少3成的設備與藥劑成本，估計可創造上千億元的產值。
這項開發計畫的另一層重要意義是促成跨產業的合作，例如提供玻璃基板與鑽孔的國際知名玻璃大廠，原本將主力放在供應顯示器，藉由這次的計畫也跨足半導體領域，獲得新的產品開發方向；而與工研院搭配，設計藥劑設備的2家本土設備廠，也是首次跨入半導體先進封裝設備領域，建立次世代的國產設備能量。
黃萌祺透露，目前業界對高深寬比的量產要求AR約7～8，預計2、3年後才會提高到10至15，工研院可說是為半導體產業超前布署，目前已在各主要封測廠進行測試，且研發技術仍不斷精進中，盼能早日量產，讓創新落地，讓臺灣持續保有半導體產業的優勢與製程領先地位。
三大技術助智慧製造再升級
電路板產業智慧製造服務應用平台
作為全球電路板（PCB）的龍頭，臺灣PCB產值已突破兆元。即使擁有完整的上中下游產業鏈，但PCB產業仍面臨勞動人口老化、缺經驗與檢測品質的挑戰。榮獲工研院產業化貢獻獎金牌的「電路板產業智慧製造服務應用平台」，透過三大關鍵技術加值，協助產業數位升級，助攻PCB產值邁向下一個兆元。
所有電子產品必備的基底板材「印刷電路板」（PCB），堪稱電子產品之母。臺灣PCB產業已發展超過40年，在去年正式邁入「兆元產業」，產值達1.04兆元，更連續10年搶下全球龍頭寶座，市占率達31.4%，在臺灣是僅次於半導體及顯示器的第三大產業。
在輝煌成果背後，挑戰卻悄然而至。工研院機械與機電系統研究所組長王裕銘直指，「臺灣電路板產業正面臨缺有經驗人力，以及檢測品質不均的問題。」根據統計，高達95%的臺灣電路板製造商聘請外勞抄表、操作設備，凸顯人力不足的急迫性。且電路板產線長，有多達2、30道製程，許多設備操作和參數調整，都須仰賴有經驗的員工。
此外，現有生產和檢測人力的比例約為1：2到1：4，也就是說一個生產人力要配合2到4個檢測人力。目前業界都以人力檢測，判讀品質因人而異，誤判率也會隨著工時增加、人眼疲憊而升高，影響生產效率及企業商譽。
為了解決產業迫切的挑戰，工研院早在4、5年前，便開始打造「電路板產業智慧製造服務應用平台」，以三大核心技術，協助產業朝先進技術、智慧製造升級。
領先國際 建構專屬通訊協定
邁入智慧製造的第一步，首先要建立產業專用的「PCBECI通訊協定」。工研院機械所副所長周大鑫表示，過去PCB的設備和工廠缺乏統一的通訊協定，就像沒有共通語言，設備聯網時資料格式不一，也無法統整傳輸，一直是產業智慧化的瓶頸。
目前國際上最成熟的通訊標準，是半導體業行之有年的SECS／GEM通訊協定。團隊以SECS／GEM為基礎，依照PCB產業需求，重新定義格式並制定訊息封包結構，與台灣電路板協會（TPCA）合作制定全球第一個專屬PCB產業的國際通訊協定，包含機台時間設定、事件回報、機台常數資料、遠端控制命令、終端訊息傳送等。在設備聯網時，達到資訊及生產履歷可視化，無須人力抄表。除通訊協定外，工研院也領先全球開發驅動程式，安裝後就能連結通訊，協助產業快速導入，估計縮短30%的安裝時程，降低20%的維護費用和40%的整體成本。
「能夠成為全球第一個推動PCB通訊協定的最大原因是，臺灣PCB產業夠團結！」周大鑫說。PCB產業很早就已看到半導體產業制定標準後帶來的效益，加上臺灣又執PCB產業牛耳，TPCA很早就透過產業白皮書來推動智慧製造，因此在2016年，工研院和TPCA攜手，成立「PCBECI制定小組」，也希望這個標準能適用於全球PCB產業，隔年再跟國際半導體協會（SEMI）提案，經過3次全球投票，終於在2019年9月通過。
肇因分析更聰明 AI檢測更好用
第二項關鍵技術是「整合式肇因分析模組技術」。透過整合式分析，當產品發生瑕疵時，可回推在生產過程中，造成良率下降或瑕疵的關鍵因子，提供校正建議，或是讓設備自主修正，降低對資深人力的依賴。
「傳統的肇因分析，多僅用單一模型，但是每一種模型都有其條件限制，恐讓判讀失準，」王裕銘表示，這項技術最大的特色是，同時採用多個模型分析，得出每項關鍵因子的排序和占比，讓操作人員在第一時間就能掌握調整的優先順序。
第三項關鍵技術是「AI影像重繪缺陷分類技術」。將自動光學檢測（AOI）系統拍出來的高畫質影像，經AI重繪、濾掉雜質後，直接跟原始設計圖做比對，能更快判斷缺陷，解決人眼判讀品質不均的問題。王裕銘指出，過去要判讀某種缺陷需要千百張、甚至是數萬張的資料去訓練AI模型，才能確保準確度，該技術用影像融合方式，所需資料數量可降低40%，準確率仍可達到98%。
建立平台 發揮整合優勢
周大鑫表示，過去PCB產業導入智慧製造的意願不高，主要在於電路板產業毛利相對半導體業低，投資傾向保守；其次也因為電路板生產流程長，來回修正時，用人力銜接更快。但如今少子化問題嚴重，自動化是必然的路。
「為了提高廠商導入意願，在成本控制上就要更精準，優先選擇廠商最大痛點，讓效益更快浮現，才會擴大導入。」周大鑫補充，在軟體操作上，使用方式及介面也要更友善，尤其中小企業普遍缺乏IT能量，以建構平台方式，讓廠商能快速得到軟體支援。
不過這個跨領域整合的平台，初期也面臨不少難題。周大鑫透露，為了整合PCB製程、材料、設備、資通訊的人才，「讓大家用共同的語言，的確花了很多時間。」但這個技術最大的優勢也在於「整合」，「我們提供的方案不只是解決某一特定問題，而是建立一個平台，讓不同產業的需求都可以整合輸入，更加全面！」
促成臺灣第一條跨供應鏈的軟板智造產線
完整的平台技術，就像為產業打了強心針，創造亮眼的產業化成效。在制定產業通訊協定上，不僅領先國際，也跟TPCA合作促成「PCBECI設備連網示範團隊」，成功導入聯策等15家設備廠，與嘉聯益等4家製造商，累計應用套數超過1萬套；而電路板產業的設備資訊串聯比例，也由2017年的23.5%，大幅躍升至2019年的48.3%。
該平台還促成兩大研發聯盟，首先是臺灣第一條跨供應鏈的先進軟板智造產線。以垂直產業供應鏈的概念，促成國內軟板大廠與上游材料廠、系統整合商成立研發聯盟，透過設備聯網，讓生產品質資訊跨廠區交流、校正策略分析及缺陷修補。
最終高階軟板良率從70%提升至90%以上，出貨速度則從5天縮短至0.5天。相較傳統生產流程，至少可降低40%的成本，提高企業獲利能力30%，並帶動每年約10億元的投資，與31億元的高階軟板產值。
催化國際級數位智造中心誕生
另一研發聯盟則是促成電路板打樣廠，與設備廠攜手合作。過去國外大廠下單時，會先由廠商打樣，確定設計出來的電路板符合規格再生產，產業特性屬於少量多樣。透過設備智慧化、生產資訊肇因分析、智慧排程等技術，讓打樣廠的交期準確率從50%提升至80%，進而讓打樣業者成為「國際級數位智造中心」，協助多家國際大廠試製，也帶動國產設備廠的設備智慧升級。
王裕銘指出，這兩大聯盟的意義不僅在於讓技術落地，更產生示範效果。他透露，許多廠商看到良率、交貨速度、成本節省都大幅躍進後，紛紛表達合作意願，目前已陸續有載板廠、半導體封測廠、電路板廠前來接洽。
突破日韓壟斷 切入國際供應鏈
這個平台不僅已帶動國內超過15家電路板設備廠數位升級，更讓臺廠切入國際供應鏈。傳統印刷設備廠妙印精機，導入PCBECI通訊標準和設備數位升級，不良品發生排除時間縮短6成以上，同時生產成本也降低超過6成、良率增至96%。為此，妙印更建立智慧製造新創技術部，帶動公司由傳統設備商升級為系統整合廠。
由於生產品質更好、成本更低，讓妙印成功在2020年取得泰國第二大電路板廠商的訂單，突破長期被日本及韓國大廠壟斷的困境，搶占新南向市場。未來其他廠商也有機會透過數位升級拿下國際大單。
事實上，除電路板產業外，三大核心技術中，「整合式肇因分析模組技術」與「AI影像重繪缺陷分類技術」也已實際導入半導體、光學和天線產業，帶動更多產業數位升級，進而扶植臺灣智慧機械產業聚落。
「未來這個平台還會更精進，」王裕銘說，首先，肇因分析目前是生產完了再做回饋，未來希望在生產前就能預測到可能發生的瑕疵；其次，是希望達到設備與設備間的橫向溝通、分析、校正，進一步提升良率。智慧製造是產業趨勢，在疫後5G、電動車、智慧終端產品需求大增之際，電路板產業產值可望持續增溫，有工研院紮實的技術力做後盾，產業將更具產業韌性與競爭籌碼，持續穩坐全球龍頭寶座。
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