前瞻半導體 領航創新

打造先進封裝列車

異質整合封裝光罩共乘服務

隨著先進半導體製程已達2奈米水準後，電晶體微縮逼近物理極限，為了持續強化晶片性能，滿足AI高效運算需求，半導體技術突破開始看向後段製程，具有高度晶片整合能力的異質整合封裝技術，成了各方搶進焦點。

異質整合封裝簡單來說便是透過先進的封裝技術，讓不同製程、不同功能的晶片，如處理器、記憶體或感測器等整合為一個模組封裝，滿足半導體產業一直以來追求體積縮小、高效能的需求。

瞄準異質整合商機，工研院多年前便投入相關製程研發與材料、設備升級，打造先進封裝製程的專屬實驗室，強化異質整合技術的開發。如今製程產線完備，提供從設計、製造到組裝的異質整合封裝服務，不管是2.5D、3D或扇出型封裝都能滿足，其中最大突破，便是在今年提出的扇出型封裝光罩共乘服務（Shuttle Service）。

新創與學界也能參與先進封裝

工研院電子與光電系統研究所經理張香鈜指出，目前只有台積電、日月光等大廠具有先進封裝能力，但像新創公司或學界，若有先進封裝需求，可能沒有那麼多資源和大廠下訂單。於是工研院打造一個先進封裝的完整製程，之所以稱為「Shuttle」，就是取其接駁共乘的涵義，「讓新創公司和學界用有限的資源，也能搭上這班先進封裝的列車。」

這個共乘服務鎖定現在異質整合最受矚目的扇出型封裝技術，以向外佈線的扇出型方式，提升I／O接點的數量和密度，讓單一封裝能整合更多功能。工研院開出5P6M的固定結構規格，也就是5層絕緣層（Passivation）、6層金屬導線（Metal），可滿足大多新創公司的基本需求。張香鈜比喻，接駁車就是行駛固定路線，如果業者需求與5P6M的結構相符，就能直接上車；如果結構和5P6M不一樣，也可單獨與工研院洽談合作計畫。

光罩共乘的好處是可以大幅降低成本，傳統製作光罩的成本高昂，一個製程的光罩費用可能就高達上百萬。在共乘服務中，工研院將同一個光罩，切割成好幾個區域，再放上不同廠商的路線設計圖，一次曝光顯影，如此一來就能共同分擔光罩成本，就像大家一起共乘接駁車，而不是各自包車。

材料、製程到設備　全力降低翹曲

團隊投入超過3年時間，才打造出這項扇出型封裝共乘服務。張香鈜指出，其中最大挑戰就是翹曲與均勻性難題，因為封裝製程堆疊層數很多，每增加一層，翹曲度也會跟著變大，影響良率。更困難的是，每一層堆疊都有不同問題，不能一概而論，還要針對不同廠商的線路設計進行調整，「這不是一勞永逸的事，無法一次做完以後，就永遠用同樣的參數。」

為此團隊開發一個模擬軟體，可模擬每個材料的翹曲程度，優先選擇翹曲程度低的材料，再搭配熱處理方式降低翹曲；此外選擇設備時，也會考慮翹曲問題，比如黃光設備焦距特別深，不會因為晶片有一點翹曲就無法對焦。

目前這項共乘服務已促成4家業者試產、2家晶片設計公司小量驗證，除了扇出型封裝，未來也希望針對其他如2.5D、3D等先進封裝技術，提供共乘服務，滿足產業更多先進封裝的製程需求。

低溫混合鍵結等先進技術　促產業百花齊放

工研院的先進封裝實驗室具備多項重要技術，現階段技術水準可達到2微米細線寬、線距，提升訊號傳輸和頻寬；此外還包含3D直通矽穿孔（TSV）、微型凸塊（Micro Bump）、混合鍵結（Hybrid Bonding）等技術，幫助廠商開發先進封裝解決方案。

其中，工研院實現了在180℃相對低溫完成Hybrid Bonding接合的突破，同時創下最低電阻值的紀錄。過去主流封裝方式透過錫球凸塊連接晶片，Hybrid Bonding則是透過銅與氧化物鍵結，使晶片金屬墊直接接觸並提升連接密度，達到更快傳輸速度與降低耗能。

張香鈜指出，傳統銅接合需在3、400℃的高溫並超過20分鐘退火下進行，但高溫易引發晶片翹曲以及記憶體元件特性變化，對高階晶片製程不利。為解決此問題，工研院選用奈米細晶銅替代傳統的銅材料，加快加熱擴散速度，並結合晶種層沉積、電鍍調控等技術，成功在180℃以下實現Hybrid Bonding。

張香鈜觀察，近年AI浪潮下，對算力與資料傳輸速度的需求不斷提升，進而推動晶片堆疊與異質整合封裝技術的發展。工研院的異質整合封裝技術與光罩共乘服務平台正是瞄準此一趨勢，盼能促成臺灣半導體技術創新百花齊放，在AI時代拔得頭籌。

減輕車重　增強續航力

碳化矽帶動電動車效能新突破

「全球電動車市場處於快速增長期，隨之而來的是充電需求，開始出現充電基礎設施不足、搶充電樁的現象；想解決駕駛們的里程焦慮，就須提高充電效率及減輕車重。」工研院電子與光電系統研究所組長張道智表示，電動車的電池模組、電動馬達及相關控制系統都很重，為安全承載電池與馬達，車體結構也需加強，一般電動車比燃油車重高出20%到50%，連帶影響續航力。」

碳化矽具高效率、高耐壓、高溫穩定性

碳化矽是種寬能隙化合物半導體材料，能在高電壓、高溫的操作環境下保持穩定，尤其適用於高功率轉換器等功率元件。碳化矽的熱導率是傳統矽基材料的2至3倍，散熱能力更佳，更能提升元件性能和可靠性。相比傳統以矽基半導體為主的功率元件，具備高效率、高耐壓、高溫穩定性等優勢，是電能轉換效率提升的關鍵。

張道智進一步解釋，「電動車的電池輸出的是直流電，而馬達使用的是交流電，傳統的絕緣閘極雙極性電晶體（IGBT）的轉換效率約為95%，損耗5%；碳化矽則可將轉換效率提升至97%，降低能量損耗，也減少對散熱裝置的需求，可減輕車重、提升續航力。」

碳化矽的優勢顯著，但其發展仍面臨挑戰。首先，其長晶較傳統矽晶體慢，且需在2,500˚C的高溫環境下，大大提高製程複雜度與成本。再者，碳化矽晶體的生長過程中，難以即時觀察其缺陷，使得缺陷控制成為一大挑戰，也進一步推高碳化矽的價格。此外，市面上碳化矽可靠性數據相對有限，需要更多實際應用和測試來驗證其長期穩定性，也是目前業界未全面採用的主因。

減輕整車重量　延長續航力

工研院專注於電動車核心技術，特別是馬達驅動、車載充電和充電樁系統，開發完整的「車載碳化矽技術解決方案」，將碳化矽技術應用於高功率模組、馬達驅動器與車載充電系統中，打造更輕量且高效的「心臟」系統。數據顯示，將馬達驅動器從傳統的矽基元件轉換為碳化矽元件裝置後，體積可縮減50%以上，降低的車重直接回饋在省電，延長續航力、降低里程焦慮。

此外，工研院採用創新的散熱技術，將傳統的散熱鰭片設計改良為水浪狀流道結構，使散熱效率提升10%至20%。不僅減少散熱裝置的面積，還縮小馬達驅動器的體積，進一步優化車內空間，實現更有效的電控系統配置，機電整合後比傳統分散式系統又可再節省10%以上的電能消耗。碳化矽的高操作頻率，也使其在高達50kHz甚至上百kHz的情況下運行，遠超過矽基材料的20kHz，系統所需被動元件減少，使整體體積進一步縮小。

「然而，高頻操作也容易產生嚴重的電磁干擾、引發電磁相容性問題」，張道智指出，為應對這些挑戰，工研院在功率模組中加入感測元件與電磁干擾抑制元件，並使用燒結銅取代傳統的燒結銀，進一步降低成本，提升產品的可靠性，延長車載電力系統的使用壽命。

技術突圍助臺灣進軍國際

2023年，歐盟聯合多家一線（Tier 1）汽車製造商和二線（Tier 2）半導體公司，組成研發聯盟，致力於提升碳化矽功率半導體的可靠性與使用壽命，目標將電動車電力系統壽命從現有的5年延長至15年。工研院在元件與功率模組壽命預測技術上擁有豐富經驗，也獲邀參與該計畫，顯示臺灣的技術實力逐漸受到國際重視。

張道智強調，雖然臺灣在車用半導體的起步較晚，但在電動電力系統關鍵零組件上有一定的技術優勢。此外，許多關鍵技術仍掌握在英飛淩、意法半導體等國際大廠手中，但憑藉創新設計，臺灣正逐步突破這些限制。例如，工研院針對電動車行駛中的震動問題，設計出創新的彈片設計，有效減少功率模組內部的應力，提升其耐用性，這項技術已申請專利並獲得多家國際廠商的肯定。

碳化矽技術的突破，讓臺灣在電動車零組件領域實力大增，未來在全球電動車市場中將占有更重要地位。工研院的「車載碳化矽技術解決方案」不僅是臺灣技術力的展現，更有機會指引未來電動車技術發展的方向。

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