電子元件都硬邦邦沒彈性？輕如羽毛又可揉捏的電子感測器在這裡啦

本文由 高柏科技 合作，泛科學撰文

林唯耕剛回台灣任教時，曾在清華大學的實驗室裡用一立方公分的「氨」做實驗。沒想到氨氣意外洩漏，那股刺鼻的氣味瞬間瀰漫整棟大樓，引來眾多師生抗議。

「從此以後，我再也不敢在實驗室裡用氨了。」他在《思想實驗室》的訪談中，帶著笑意回憶這段往事。

這段插曲聽來像是一則工程師的寓言：在理論模型中，氨是太空熱控系統的理想介質；但在現實的辦公大樓裡，它首先是逼人逃竄的臭味。公式本身沒有錯，但現實世界永遠比公式更複雜——它包含了人、成本、風險，以及必須為後果負責的工程師。

高柏科技技術專家、清華大學榮譽退休教授林唯耕 ，曾任職於美國 OAO 工程部熱流組，深耕電子構裝散熱與熱管技術多年。隨著 AI 浪潮席捲全球，他鑽研一輩子的老問題再次被推向科技產業的核心：當晶片運算速度無止境攀升，那股伴隨而生的熱，究竟該往哪裡去？

熱不會讀新品發表會

科技巨頭在發表會上熱衷於談論大型語言模型、GPU 規格與驚人的算力。這些詞彙在投影片上光鮮亮麗，彷彿進步毫無邊界。然而，每一次數位運算都紮實地發生在實體晶片上。晶片會發熱、材料會疲勞老化，一旦設備過熱，系統便會降頻保護。在物理現實面前，再動聽的發表會敘事也必須低頭。

回顧個人電腦發展早期，晶片幾乎不需專屬散熱元件。隨後，鋁製鰭片、風扇、熱管到均溫板逐一登場。這段歷程常被視為技術升級，其實更像是對空間的極限勒索：晶片功率翻倍，發熱源的面積卻沒變大，機箱空間也不可能無限擴張。

林唯耕指出，散熱設計的核心只有三要素：功率、熱源面積與空間限制。他舉例，在標準的 1U 機箱中，若發熱面積約為三十乘三十毫米，氣冷系統在達到八百瓦時就會面臨瓶頸。這並非固定的物理常數，而是取決於空間、面積與氣流的動態平衡。最現實的代價在於，風扇轉速提升的背後，是噪音、電力損耗與空間占用。

因此，「液冷技術」的興起並非單純為了追求酷炫，而是算力密度提升後的必然選擇。它能更精準地帶走晶片廢熱，卻也將新的挑戰帶入機房：漏液風險、流道堵塞、材料相容性，以及維運時的難度。工程的進步，本質上鮮少是徹底消滅問題，更多時候是選擇一組「比較值得承擔」的新問題。

太空教他的，不是把答案搬回地面

太空熱控工程之所以迷人，是因為它剝奪了地球上最常見的散熱工具。在真空宇宙中，沒有空氣能讓風扇製造對流；受光面溫度破百度，陰影處卻極度嚴寒。工程師必須純粹仰賴熱傳導、熱輻射，以及熱管與環路型熱管（LHP）來搬移熱能。

熱管運作的關鍵在於「相變」——液體蒸發時吸收大量潛熱，冷凝後重回循環。林唯耕比較了銅與水的熱傳導能力：在他設定的特定條件下，實心銅塊約能傳導 120 瓦的熱能；但若每秒有一立方公分的水發生蒸發相變，移熱量可瞬間拉升至 2.4 千瓦（kW）。他強調「每秒」的觀念，因為散熱談的是動態流動速率，而非靜態的冷卻魔法。

儘管如此，太空科技並不能直接套用到地面。太空元件因考量重量、功耗與維修難度，偏好無馬達幫浦的被動式設計；但地面 AI 伺服器面臨更高的熱負載與環境溫度，往往仍需幫浦驅動流量。當年那場「氨氣洩漏」事故正是最好的提醒：技術是否「先進」，與它是否「適合」當下的場景，始終是兩回事。

好論文，為什麼仍可能造不出好產品

學術研究致力於證明「可行性」，而工業現場則要求「可重複性」——不僅要能運作，還得確保每台出廠的設備都不漏水。林唯耕將此定義為「從 0 到 1」與「從 1 到 100」的差別。後者涉及良率、成本、公差與客戶信任。論文中那次最完美的實驗數據，在產線上往往未必管用。

他從不避談失敗。在高柏科技早期與學界合作時，也曾遇過實驗數據無法複製，或研究方向偏離產業需求。這未必是雙方努力不夠，而是彼此對「成功」的標準不同。為了解決這道鴻溝，高柏科技推動「柏苗啟航創新培育計畫」，每年投入逾千萬資金與成大、中山、台科大等校合作，並指派專業人才在過程中持續微調、校正，確保研發貼近產線現實。

他分享了近期一項液冷工質校正專案。團隊使用非侵入式的超音波流量計進行觀測，但由於儀器預設以「水」校正，換成其他化學流體後讀數便出現誤差。最初嘗試用幫浦壓差推算，卻發現缺乏重複性，數據甚至推導出不合理的蒸發率。最後團隊回歸基本面，改用秤重法搭配能量平衡進行交叉驗證，才讓數據成功收斂。

這個故事真正的價值不在於「產學雙贏」的口號，而在於那段不夠優雅的挫折：假設失效、數據混亂、方法砍掉重練。也正是在這種時刻，企業需要的不只是會算數的人才，而是能洞察研究何時「走鐘」，並有權力喊停、要求重來的關鍵決策者。

林唯耕坦言，過去在校園裡總認為「技術第一、成本第二」，進入商界後才驚覺行銷與信任關係往往才是關鍵。這番話雖然不如科技突破那樣動聽，卻是產品能否進入市場的殘酷真相。再卓越的散熱設計，若無法穩定生產或贏得客戶信任，也僅止於一份精美的報告。

AI 會給答案，誰來負責出貨？

訪談尾聲，主持人國威提出了一個時代難題：假設 AI 能在彈指間生成散熱架構、材料配方與流道設計，企業該選擇全面擁抱 AI 的速度，還是保留緩慢但穩定的工程驗證，以規避潛在的失效風險？

林唯耕拒絕落入二選一的框架。他的觀點是：兩者並存。AI 擅長處理資訊、生成草案；但工程師仍須實作原型，進行嚴苛的性能與可靠度測試，最終由人決定是否出貨。這並非盲目崇拜人類直覺，而是基於一項事實：AI 的資料庫裡，通常沒記載下一次「意外洩漏」或「材料疲勞」的細節，且模型永遠無法為量產結果擔負法律與商業責任。

在 AI 時代，最稀缺的未必是熟練下指令（Prompt）的人，而是具備這種能力的人：能預判答案可能在哪裡出錯、能設計實驗將問題「逼」出來，並且願意為最終的量產品質負起責任。

大眾習慣將雲端想像成輕盈、無重量的空間。但現實中，雲端是由龐大的機房架構而成，裡面裝滿了晶片、管線、泵浦與冷卻液。虛擬算力的每一次擴張，都會在實體世界留下發熱的足跡。散熱工程師的價值，就是不讓這筆物理帳單，被埋沒在光鮮亮麗的投影片背後。

在半導體技術的快速進步中，晶片的製造已經達到了前所未有的微小尺度。當今的晶片不僅需要高度集成，還要求每層薄膜的厚度縮小至僅有幾層原子厚。這樣的挑戰驅使半導體產業不斷探索新技術，如環繞式閘極、3D 封裝以及極紫外光（EUV）曝光技術等。

然而，這些技術的成功依賴於一個至關重要的基礎步驟：製作極其薄的材料層，而這正是原子層沉積（ALD）技術的核心所在。

為什麼需要如此精細的薄膜製程？

半導體製造是一個高度複雜的過程。晶片的每一層都需要精確的材料沉積，以確保其功能和性能。在半導體產業中，即便是台積電這樣的領先企業，也無法單獨完成所有製程。從晶圓到光阻劑、曝光機等材料和設備，都需要來自全球各地的供應商。這樣的龐大產業鏈反映了製造晶片的難度，正如著名科學家石神千空所言，半導體製造猶如「地獄級」的挑戰。

在半導體製程中，微影製程是核心技術之一。微影製程的基本概念是將一層層材料「蓋」在晶圓上，通過沉積、曝光和蝕刻三個步驟，逐步構建出完整的晶片。首先，工程師會在晶圓上製造一層絕緣層，然後進行沉積，添加所需材料（如絕緣體、半導體或金屬層）。接著，塗上一層光阻劑，並通過曝光技術（例如 EUV 極紫外光曝光機）刻出所需圖案。最後，進行蝕刻，去除未被保護的材料，留下圖案。這個過程會重複進行，以構建出複雜的結構。

薄膜技術的挑戰

在製造薄膜時，選擇合適的技術是至關重要的。薄膜製程大致分為物理和化學兩大類。物理方法包括蒸鍍、濺鍍和分子束磊晶等，而化學方法則有化學氣相沉積（CVD）和化學液相沉積等。在半導體行業中，化學氣相沉積（CVD）是一種常見的薄膜製程技術。CVD 過程中，氫氣、氬氣等載氣將原料氣體帶入反應室，經過化學反應後，材料會在基板上沉積成膜。

然而，隨著半導體技術的進步，晶片結構變得更加複雜，例如從平面電晶體到現今的 FinFET 鰭式場效電晶體，再到 GAA 環繞式閘極電晶體。這些複雜的結構對薄膜技術提出了更高要求。CVD 在處理這些結構時可能會遇到困難，尤其是在高精度和均勻度方面。這時，原子層沉積（ALD）技術便成為了解決這些問題的關鍵。

ALD 技術的原理與優勢

原子層沉積（ALD）是一種改進的化學氣相沉積技術，它將沉積過程分為兩個步驟。首先，注入第一前驅物，與基板表面反應。此階段需確保前驅物只與基板產生反應，形成一層原子厚的薄膜。當表面飽和後，注入第二前驅物，與已附著的前驅物反應，形成目標材料，完成薄膜的製程。

例如，製作氧化鋅薄膜時，第一前驅物是二乙基鋅。二乙基鋅在基板上反應後，會形成一層單分子厚的二乙基鋅。隨後，用氬氣沖洗掉多餘的前驅物，再通入水，水與二乙基鋅反應，生成氧化鋅。這樣的過程能確保薄膜的厚度均勻且精確。

ALD 技術的主要優勢在於其能夠精確控制薄膜的厚度，即使在非常複雜的結構中，也能確保每一層薄膜達到預期的厚度。這使得 ALD 在製造先進的半導體元件中具有不可替代的地位。

ALD 的未來與 ASM 的角色

ALD 技術自 1977 年由芬蘭材料學家圖奧莫．松托拉開發以來，已經歷經了近 50 年的發展。1999 年，松托拉將 ALD 技術出售給荷蘭半導體設備公司 ASM，這使得 ALD 技術得以在 ASM 的支持下持續進步。ASM 目前在 ALD 市場中擁有超過 55% 的市場份額，這反映了 ALD 技術的重要性和廣泛應用。

隨著半導體技術的不斷進步，ALD 技術也在不斷演化。除了傳統的 ALD 技術，電漿增強型 ALD（PEALD）也逐漸成為新興技術。PEALD 通過電漿技術來提高反應效率，解決了 ALD 在某些情況下反應率不足的問題。這使得 PEALD 能夠更好地應對複雜的薄膜製程需求。

原子層沉積技術（ALD）在半導體製程中扮演了至關重要的角色。隨著技術的不斷進步，ALD 技術已經能夠應對更加複雜的製程要求。ASM 作為 ALD 技術的領導者，不斷推動技術創新，以維持在半導體產業中的領先地位。面對未來，ALD 技術必將繼續發揮重要作用，推動半導體技術向更高的精度和性能邁進。

本文由 國立臺灣師範大學 委託，泛科學企劃執行。 

奇幻故事中常見的魔法石可以輸出源源不絕的能量，其實在現實生活中的 20 世紀末期，人類真的發明了魔法石！

想像一下，手機開啟視訊，可以看到遠方的景色和親友，這不就像遙視、千里眼嗎？或者問 AI 上網查資料，就像內建大賢者。連開手電筒都像是探索地底迷宮的照明法術一樣！這些譬喻讓我們意識到，許多看似理所當然的科技實際上就像魔法一樣神奇。

晶片的原理

晶片進行的是邏輯運算，就像我們做的數學計算一樣。它裡面有許多微小的電子元件，類似於樂高積木一樣，用來進行各種運算。過去的電子元件是大型真空管，後來發明了電晶體，但仍需大量使用。直到有人提出了積體電路的概念，將許多電晶體整合在一起，這才開啟了晶片時代。

從真空管到奈米晶片，科技的進步無所不在。現代的魔法石就是這些晶片，它代表著工程師的智慧和創造力。科技或許是一種新型的魔法，由無數工程師代代相傳，用理性和創意塑造出來。所以，現代的魔法並非來自大自然或神秘的力量，而是來自人類的智慧和努力。

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• 作者：蕭其峯、李昊璁、張哲維

在現代生活中，我們的周圍充滿各式各樣的電子元件。根據著名的摩爾定律預測，電子元件的體積會隨著時代的進展越來越小，甚至可以微小化植入人體中。但是電子元件若要在人體上應用，除了體積之外，另外一個重要的考量就是柔軟度。若材質是軟性且無異物感，便十分適合應用於人體等生物醫學之中。而現今的技術，電子裝置不僅可以做到可彈性變形，甚至還可以嵌合到口腔內部囉！

又軟又輕薄的電子感測器

這次由東京大學工學系研究科教授染谷隆夫（Takao Someya）等人開發的有機電子薄膜感測器。上圖（a）為這項電子感測器的示意圖，是一個十分具有彈性的薄膜（塑性材料），上面包含12×12個像素的感應器。電子感測器有諸多應用，可以作為壓力（觸覺）感測、溫度感測器，現行市面上的的壓力、溫度感測器都是以堅硬材質製成。

有機電子薄膜感測器的輕薄程度甚至可以媲美羽毛，能用比羽毛更緩慢的速度降落到地面上。並同時具有最小達 2μm的極薄厚度，更早之前的技術僅能將這樣的電子感測器做到厚度 25μm，技術上有許多突破。

上圖（c）即是實際電子感測器揉捏後的照片，經過揉捏仍能正常運作，而這項以前技術中不存在的力學性質，使得利用這項技術生產出來的物件適用範圍更廣。因為具有可任意變形的特性，這個電子感測器可以貼合任意形狀的物體，甚至是貼合人體。不難想像，如果可以貼合人體皮膚，搭配上重量輕盈以及彈性舒適等等優點，這樣的裝置非常適合應用於生物醫學、運動科學等領域，進行許多監測或調控。

薄膜電晶體製造技術的突破

比起舊技術來說，新技術省略了「平坦化層」，讓這層增加厚度的兇手消失了，厚度得以從 25μm 下降到 2μm。然而，要讓電子元件做到更薄的厚度，其突破關鍵在於直接氧化部分閘極端的鋁金屬作為電介質，因為金屬氧化物會有很乾淨的平坦面，如此一來便可省略平坦化膜。

優秀的材料性質：

1. 抗折、抗揉捏，折疊半徑（bending radius）小達 5μm，韌性十足
2. 抗拉伸，承受 233% 的拉伸應變（tensile strain）
3. 可承受反覆多次的拉伸，經 200 次的拉伸，性質的改變小於 4%
4. 耐高溫，可達攝氏 170 度
5. 耐鹽，可以承受生理食鹽水的浸泡長達二週的時間

這種有機電子薄膜能耐高溫，又可承受生理食鹽水的浸泡。集合上述許多優點特性，包括對不同環境條件的適應能力（例如不同的溫度、鹽分）、超輕薄的體積和質量，且具有韌性的力學性質，還能直接黏貼於待測表面（例如直接黏貼或包裹在人體的肌膚上，進行溫度感測），使得這項電子元件能應用的範圍十分廣泛，諸如生物醫學、健康管控、機器人等等。

• 本文源自於臺灣大學物理學系電子學的課程報告，感謝朱士維教授與程暐瀅助教的協助。

• 註1：本次介紹的薄膜電晶體主要使用DNTT為形成通道（channel）的地方，其他零件的材質如下：閘極（gate）：鋁（Al）；源極（drain）、汲極（source）：金（Au）；基板substrate：PEN（一種塑膠）；閘極端的電介質：共兩層，鋁的氧化物層和SAM層（單層的磷酸分子）。

參考資料

• Martin Kaltenbrunner, Tsuyoshi Sekitani, Jonathan Reeder, Tomoyuki Yokota, Kazunori Kuribara, Takeyoshi Tokuhara, Michael Drack, Reinhard Schwödiauer, Ingrid Graz, Simona Bauer-Gogonea, Siegfried Bauer & Takao Someya.(2013), An ultra-lightweight design for imperceptible plastic electronics.
• Takao Someya, Zhenan Bao & George G. Malliaras (2016), The rise of plastic bioelectronics.