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半導體廠奈米級的奇「積」!科學家挑戰突破電晶體大小的極限

活躍星系核_96
・2021/03/20 ・2940字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 546 ・八年級

文/麥軒誠、林執晰、曾介勇 | 台灣大學物理學系、電機工程學系學生

自從 19 世紀第一台電腦出現1開始,科學家們對電子科技的改良便從未停歇過,短短的 100 多年間,便從原本整間房間大小的電腦,變成現在能一手掌握的智慧型手機,這其中,電晶體和數位積體電路的出現功不可沒。

立大功的小小小小兵:積體電路

究竟為甚麼我們可以將萬千資訊、各種龐大功能濃縮成一隻小小的手機或是電腦呢?若是拆開各位的電腦或手機,一定可以看見有一塊黑黑方方的東西,這塊號稱電腦與手機的「大腦」,便是所謂的積體電路。

積體電路如細胞構造人體,是由許多小小的電晶體所組成的。圖/pexels

積體電路的構造就像細胞建構人體一樣,是由許多小小的電晶體所組成的,最大的好處即是能在小面積下裝入大量元件,具體到底有多大量呢?日前台積電公布的 3 奈米製程,每平方公釐就能裝載約 2.5 億個電晶體2,也就是說,光是一個指尖大小的積體電路,便能裝入十幾億個電晶體。 

其中,「場效電晶體」(field-effect transistor, FET)是現今積體電路中最常使用的核心元件之一,隨著技術的進步,它的尺寸也不斷縮小,使相同面積的電子晶片上能有更多電晶體和其他元件,並讓資訊科技更快速的發展。

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場效電晶體的功能是「控制電流的開關與大小」,當我們透過訊號施加不同電壓在閘極(gate electrode,中上)時,就可以改變汲極(drain,右)與源極(source,左)之間通道(channel)的狀態,並進而改變電流。

那麼一般科學家是如何讓電晶體越來越小呢?讓電晶體更迷你的重點就在於:讓汲極與源極之間的電流通道(channel)變小。

傳統場效電晶體示意圖。圖/作者繪製

開關失靈、耗電與漏電的技術挑戰

但隨著電晶體的尺寸越來越小,科學家在技術的研發上遇到了三大難題。

首先,傳統電晶體的通道是以矽作為原料,而「閘極」作為電晶體的「工作開關」,當它的尺寸越來越小時,控制通道電位的能力也會下降,也就是說,電晶體作為開關的能力會喪失,就好比一個關不起來的水龍頭。

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第二個困境,雖然尺寸變小,但科學家已經難以降低積體電路中所需要的工作電壓了,當工作電壓無法降低時,就會帶來比較高的功率消耗,產生不必要的耗電註1。

第三個問題,即使傳統場效電晶體已經關閉,當尺寸變小時,會更難完全阻擋電子在通道之間流動,並產生漏電流。在通道變小的情況下,僅是源極與汲極之間的電場便能使電流通過,產生漏電流的問題。

尤其當電子產品的尺寸、臨界電壓都越來越小的情況下,漏電流將造成更嚴重、更明顯的影響!在電晶體未切換開、關狀態時的穩定狀態時,這些漏電流會順著周遭的電壓差亂跑,造成額外的能量消耗,產生不必要的耗電。

同時,這些能量消耗所產出的廢熱也會進一步的影響路徑附近電晶體的工作表現,影響其他電晶體的性能,並出現「過熱」的現象。

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新興材料與穿隧式電晶體幫助突破瓶頸!

為了解決這三大難題,近期科學家3研發出了新一代的電晶體——ATLAS – TFET (atomically thin and layered semiconducting-channel tunnel-FET) 。

ATLAS – TFET 是來自新興材料「平面材料過渡金屬硫屬化合物」(Transition metal dichalcogenide, TMD) 與「穿隧式場效電晶體」(tunnel field-effect transistor, TFET) 的結合,改善了過往電晶體因為小尺寸而帶來的各種缺點。

首先,相比傳統電晶體常用的矽、鍺或三、五族元素作為通道,ATLAS – TFET 的通道原料是平面材料過渡金屬硫屬化合物,而平面材料過渡金屬硫屬化合物可以做到非常、非常的薄,藉此縮減電晶體通道的大小,滿足電晶體尺寸縮減的需求。最棒的是,已經有許多實驗證實,當科學家使用這種材料製作電晶體的電流通道時,就算通道變小、變短,閘極對於通道的控制能力也不會因此而下降!

透過這種材料製作電流通道,科學家終於解決了第一個問題。

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該電晶體用了極薄的兩層二硫化鉬作為通道,電子流向由圖中紅箭頭所示,其導通機制為「帶對帶穿隧」(band-to-band-tunnelling, BTBT),如此結構能在通道縮短下保有良好表現。圖/作者重製自 Sarkar et al, 2015

此外,研究也顯示,比起傳統場效電晶體,ATLAS – TFET 的次臨界擺幅(subthreshold swing)註2縮減了許多,而隨著次臨界擺幅下降,ATLAS – TFET 的工作電壓也會變小。

從數據上來看,現代常用的電晶體工作電壓為 0.7 伏特,而 ATLAS – TFET 的工作電壓可以縮小到 0.1 伏特,由此可知,ATLAS – TFET 也完美的改善了第二個問題,讓電晶體的工作電壓變得更低,減少了不必要的功率消耗,避免多餘的耗電。

此圖縱軸為次臨界擺幅,橫軸為汲極的電流。紅線為傳統場效電晶體的次臨界擺幅所能達到的下限。可看出新研究中製造的新型電晶體,次臨界擺幅的表現比傳統場效電晶體優秀,工作電壓的問題得以改善。圖/參考文獻 3

除了電流通道的材料與眾不同,ATLAS – TFET 採用了「穿隧式場效電晶體」,在這種電晶體的結構中,來自源極的電子會藉由「量子穿隧效應」直接穿隧至通道,並產生電流,也就是說,電流傳導的方式跟傳統場效電晶體完全不同,

綜觀以上三點,ATLAS – TFET 可以說取得充分的突破!雖說目前來看,該電晶體目前仍在實驗「電晶體本身」的性質,還很難馬上被應用在數位積體電路,大家可以想像雖然他的單一「細胞」表現很好,但是還不能很好的跟其他細胞或是組織結合在一起。

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雖然 ATLAS – TFET 距離實際應用還有一段距離,但它確實提供了充滿吸引力的研究方向,以期實現理想的工程目標,科學家也表示, ATLAS – TFET 若能跟現行的其他技術整合,我們可以期待未來相關電子元件的功能可以越來越強大!

註解

  1. 積體電路所消耗功率,與積體電路中電晶體狀態切換的頻率與電晶體的工作電壓成正比。頻率更快相當於同一段時間內能做更多次操作,這樣才能在更短的時間完成更多事。而以相同頻率的基準比較,更高的工作電壓代表更高的功率消耗,因此抑制工作電壓大小可以非常有效的抑制功率消耗,也就是說,第二個問題導致了多餘功率消耗的問題難以解決,最直接的影響就是會並產生有不必要的耗電。
  2. 工作電壓被臨界電壓(threshold voltage)、次臨界擺幅(subthreshold swing)所決定,因為傳統場效電晶體的臨界電壓與次臨界擺幅受到了限制,導致工作電壓幾乎無法再更低。其中,次臨界擺幅(subthreshold swing)的定義為當汲極電流增加十倍時,所需要增加的閘極電壓,是衡量電晶體開、關狀態相互轉換的速率的一項重要性能指標。

致謝

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。

參考資料

  1. When was the first computer invented? – Computer Hope
  2. TSMC Plans to Start Production of 3nm Plus Process in 2023
  3. Deblina Sarkar, Xuejun Xie, Wei Liu, Wei Cao, Jiahao Kang, Yongji Gong, Stephan Kraemer, Pulickel M. Ajayan & Kaustav Banerjee.  A subthermionic tunnel field-effect transistor with an atomically thin channel. Nature 526, 91–95(2015).
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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不是不會髒,而是更難沾:耐污馬桶的表面科學
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/09/22 ・3364字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文與 Panasonic 合作,泛科學撰文 

●以下科學研究內容作為知識分享,不直接與Panasonic A La Uno全自動洗淨馬桶產品功能連結

在做家務的痛苦排行榜上,「刷馬桶」絕對名列前茅。明明天天都在沖水,但過不了幾天,馬桶內壁邊角總會浮現黃黃的水垢、角落發黑的霉斑,甚至是那些刷掉又長出來的粉紅色污垢(黏質沙雷氏菌)。

許多市售衛浴設備常標榜「神奇抗污」或「永久不沾」,讓人誤以為安裝後便能永保潔淨。然而從材料科學的角度來看,世上並無能使污垢憑空消失的魔法。所謂「耐污」的實質機制,並非打造完全不沾染髒污的材質,而是調整表面的物理與化學屬性,使水垢和微生物難以強力附著。一旦降低了污垢與內壁之間的附著力,透過日常水流沖刷,便能輕易地將髒污帶走。

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為什麼污垢「黏不住」? 

要搞懂為什麼某些特殊表面能做到「耐污」,我們得先像偵探一樣,拆解馬桶裡的髒污究竟是怎麼「抓緊」材料表面的。馬桶內壁的污垢主要有兩大難纏的元兇:

  1. 水垢與礦物沉積*1:我們日常使用的自來水中含有鈣、鎂等金屬離子。當水滴在表面經歷反覆的濕潤與蒸發乾燥循環時,這些離子會逐漸結晶析出,變成硬度極高、緊緊「卡」在微觀縫隙裡的礦物質水垢。
  2. 生物膜與有機物*2:包含尿液中的無機鹽、油脂殘留,以及細菌入侵後分泌出像超強膠水一般的聚合物,所組成的黏滑防禦大本營。
關鍵不是沖水,而是「這些污垢如何抓住表面」

這兩大類污垢想要在材料上「落腳」,前提是它們必須能在表面找到足夠的附著點與黏合力。那麼,材料科學家是如何讓這些髒污「站不穩」的呢?答案就藏在「表面能(Surface Energy)」與「濕潤性(Wettability)」這兩個核心概念中。

當我們把水滴在某個表面上時,水滴會聚成一顆圓滾滾的水珠,還是迅速攤平開來?這取決於表面的特性:

  • 疏水路線(Hydrophobic)*1:具備低表面能的疏水表面,能顯著減少水分子或污染物與表面之間的極性作用力與氫鍵。水滴在這種表面上會因為表面張力而收縮成水珠,當水珠滾動滑落時,就能順便把表面的灰塵與礦物質顆粒帶走,這就是著名的「自清潔效應」。
  • 親水路線(Hydrophilic / Superhydrophilic)*2:相反地,極度親水的超親水表面則會強烈地吸引水分子,在材料最外層形成一層薄薄的「水化層(Hydration Layer)」。這層水化層就像是實體的液體盾牌,讓油污、蛋白質或細菌無法直接接觸到材料基底,只能漂浮在水膜上方。

如果要用攀岩來比喻:傳統粗糙的表面就像是有許多凹槽的攀岩牆,髒污就像攀岩者,需要找到落腳點並用力撐住才能攀附;而我們做的是抽掉把手點,或是在把手上塗上潤滑油,讓髒污找不到施力點,自然難以停留。

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材料科學的核心:想辦法讓污垢「抓不住」

不給細菌「握手」的機會

解決了水垢,下一個更棘手的對手是「細菌」。

馬桶內壁那些黑黑粉粉、摸起來滑滑的污垢,在微生物學中被稱為「生物膜(Biofilm)」。細菌並不是孤立生長的,當單顆細菌落在表面後,如果覺得環境舒適,它就會開始分泌胞外聚合物(EPS),這是一種天然的超強膠水。細菌們用這種膠水把自己與同伴緊緊黏在一起,並築起堅固的防禦堡壘,這時一般的沖水就很難把它們沖洗乾淨了。

根據《Nature Communications》與《Microsystems & Nanoengineering》的學術期刊研究指出,要阻止生物膜形成,除了化學上的抗菌,材料的「表面微幾何結構」扮演了至關重要的角色。

材料科學領域中有一個著名的「附著點理論(Attachment Point Theory)」:

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  1. 粗糙與微孔洞表面:如果材料表面存在許多微小的裂縫、氣孔或微米級凹洞,細菌(體積通常約 1 到 3 微米)就會興高采烈地鑽進這些小凹槽裡。這些凹槽不僅提供了極佳的機械咬合支點,還能幫細菌擋掉水流的沖刷。
  2. 極致平滑與微結構表面:相反地,如果材料表面做到極致平滑,完全沒有微米級的缺陷;或者反過來設計出尺寸遠小於細菌的奈米結構,細菌的足跡構造(如鞭毛或纖毛)就無法在表面找到穩固的「接觸附著點(Contact Points)」。

當細菌發現自己在這個表面上連「手都握不緊」、隨時會被水流吹走時,它就無法順利定殖並分泌膠水築巢。此外,現代衛浴結構在設計時,也越來越強調「一體成形」與「無接縫工藝」。消除接縫與死角,等於直接拔除了細菌與水垢最喜歡的避風港。

阻止細菌、生物膜找不到「落腳點」

當材料、結構與流體科技組隊聯防 

了解了材料化學與微觀幾何,我們就能勾勒出一座現代耐污馬桶的完整防禦體系:【材料層(低附著力)】+【結構層(無縫平滑)】+【動態流體層(泡沫與水流剪切力)】= 高效清潔!

以市面上備受矚目的 Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶為例,就是將材料科學、結構工程與流體力學發揮到極致的典型代表:

1. 材料層:有機玻璃系新素材

A La Uno 全自動洗淨馬桶採新開發的「有機玻璃系新素材」(以壓克力高分子為基礎研發的衛浴專用材料,這類高分子成形技術亦被廣泛運用於大型水族館高壓觀景窗與飛機機艙罩)。這種材料表面具備極佳的疏水性與耐水垢特性,水滴不易長時間攤平停留;材質堅固、不易破裂,耐刮、不易造成細小傷痕。通過實驗測試,這種素材配合泡沫洗淨,在沖洗後能有效沖刷掉高達 99.99% 的大腸桿菌,從源頭阻斷細菌定殖。

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2. 結構層:無接縫工藝與三重防濺防護

在宏觀結構上,A La Uno 全自動洗淨馬桶採用無水箱沖水與便器、溫水洗淨便座一體成型設計,減少傳統水箱與座體之間的結構層次及接縫,並搭配可動迴轉式排水系統完成沖洗。更貼心的是其「三重防護」設計:

  • 泡沫防護:在水面上製造一層充沛的泡沫緩衝層,有效抑制男性站立小便時的尿液與污水飛濺;
  • 外圍防護:馬桶邊界特別設計了高約 3mm 的水檔,防止液體延著外壁滴落至地板;
  • 測漏防護:便座與馬桶本體採用不外露的防護設計,避免液體從縫隙飛濺滲漏。
Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶

3. 動態流體層:雙效泡沫洗淨、漩渦水流與 nanoe™ X

當污垢降落在馬桶內壁時,A La Uno全自動洗淨馬桶 的動態流體科技便接手進行徹底打掃。其「雙效泡沫洗淨」會先釋放直徑約 5mm 的「毫米泡沫」包裹並帶走大塊髒污,再透過直徑約 60微米的「微米泡沫」深入微觀縫隙,徹底溶解殘餘的油脂與細微污垢。接著,配合高度清潔力的「漩渦型強力水流」,利用旋轉產生的流體剪切力,一口氣將附著力已被削弱的污垢剝離並沖走。此外,Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶還搭襯了 nanoe™ X 健康科技,釋放氫氧離子有效抑制異味與髒污,維持空氣與內壁的良好衛生狀態。

科技讓生活變輕鬆,但物理法則依然誠實

從材料化學的低表面能設計,到微觀幾何的附著點控制,再到流體力學的水流沖刷,一座現代抗污馬桶的演進,縮影了人類如何運用基礎科學來解決日常生活痛點的智慧。

我們習慣將衛生清潔想像成一場與細菌髒污的硬碰硬死鬥。然而,A La Uno全自動洗淨馬桶 等現代衛浴技術的突破,展示了材料科學的另一種聰明思維:不靠強酸強鹼硬打,而是透過物理與化學邏輯,將「污垢固著」的機率降到最低。

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當材料科學與現代衛浴技術結合,刷馬桶不再是一件令人頭痛的辛苦瑣事。透過這些前沿科技的加持,我們得以從繁重的家務勞動中解放,享受更加乾淨、舒適且有品質的日常生活。

*1 參考論文:A metallic anti-biofouling surface with a hierarchical topography containing nanostructures on curved micro-riblets

*2 參考論文:Brushing up functional materials

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AI 伺服器晶片大又貴,萬一焊接失敗還有救嗎?
宜特科技_96
・2026/09/18 ・3984字 ・閱讀時間約 8 分鐘

本文轉載自宜特小學堂〈CoWoS, EMIB, SoIC等先進封裝如何精準貼裝且順利重焊(Rework)?〉,如果您對半導體產業新知有興趣,歡迎按下右邊的追蹤,就不會錯過宜特科技的最新文章!

隨著 ChatGPT、生成式 AI 與大語言模型(LLM)的爆發,輝達(NVIDIA)的 Blackwell(如 B200)、Ultra系列,以及 AMD、英特爾(Intel)的高階伺服器晶片,都高度依賴 2.5D / 3D 異質整合先進封裝技術。

為了追求運算極限,晶片不再只是單一矽晶圓,而是 CPU、GPU 和好幾顆 HBM(高頻寬記憶體)用先進封裝「拼貼」在一起。這導致整個封裝完的晶片尺寸變得奇大無比,隨便就突破 90 X90 mm的尺寸,這在以前的消費性電子,例如手機晶片頂多 15 X15 mm,是難以想像的大小。

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一顆高階 AI 晶片的報價動輒幾萬美金,如果在最後打上印刷電路板(PCBA)時,才因為焊接不良(如冷焊、橋接)導致測試失敗,若要整顆報廢,所費不貲。這時,就是「返修系統」上場的時候!如何完美地拆下這顆昂貴的晶片、清理乾淨電路板,再精確地焊回去,是極高難度的維修門檻。

面對晶片巨大化的硬體挑戰,業界普遍遵循的 IPC-9701 規範(焊接性能與可靠度實驗標準)也更加嚴格。從組裝到 Rework(重工)都是重要環節;所謂 Rework,就是將已組裝的元件拆下、修復或更換後再重新組裝,尤其適用於高價值元件的修復與再利用,也是確保 AI 伺服器在高溫、高負載環境下維持可靠度的關鍵。

本文將探討在 AI 算力大爆發的時代下,如何提供一套能跨越物理限制、確保高良率與高可靠度的「大尺寸晶片貼裝與自動返修關鍵解決方案」,協助AI供應鏈上下游克服硬體演進的最後一哩路。

一、AI伺服器晶片巨大化帶來的製程痛點

近期業界最常面臨的痛點是:「現在的大尺寸晶片可能達到 150x150mm,能用什麼工具貼裝?晶片重工維修時又該如何確保品質?」

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(一) 現有設備的尺寸限制:

現行普遍的貼片設備(Pick and Place, P&P)受到物理限制,最大僅能支持邊長約 90×90 mm 的元件,面對現今尺寸動輒超過 90×90 mm 的巨型晶片,已完全無法滿足對位與貼裝的需求。

(二) 手工返修帶來的重工風險:

當大尺寸晶片需要進行重工(Rework)或維修時,若使用傳統人工或非專用設備加熱,容易導致以下缺陷:

1. PCB剝離(Peeling):因加熱不均勻或過熱,導致印刷電路板層壓結構受損。

2. 零件燒焦與冷焊(Cold Solder):溫控不精準導致元件表面燒焦,或是錫膏未完全熔化而形成冷焊,嚴重影響焊接品質。

由左至右是傳統人工除錫製程中,易因溫控不準確,導致爆版、燒焦或冷焊(焊接不良)。圖/宜特科技

3. 焊墊缺陷:傳統人工除錫製程中,容易因物理接觸刮傷或拉扯,造成電路板焊墊(Pad)損壞。

傳統手工除錫常見的缺陷:左圖造成BGA焊墊損傷,右圖為人工除錫後高度不均的現象。圖/宜特科技

二、解密「晶片手術」:高階返修與自動除錫技術

從上面的案例可以了解,在面對大型 AI 晶片的貼裝與返修,真正的挑戰不只是「拆下來再焊回去」,而是如何在不傷害晶片與電路板的前提下,精準完成拆除、除錫、對位與重焊。要完成這場高難度的晶片手術,尺寸、精度、溫控與除錫,每個環節都是關鍵。


因此,專為大型晶片開發的「高精度返修系統解決方案」誕生了!透過精準的溫控技術與光學對準功能,確保BGA元件的可靠拆裝與高效返修,避免因焊接不良導致的損毀。

(一)超大尺寸晶片的也能拆裝:

現行普遍的貼片設備(Pick and Place, P&P)受到物理限制,最大僅能支持邊長約 90×90 mm 的元件,面對現今尺寸動輒超過 90×90 mm 的巨型晶片,已完全無法滿足對位與貼裝的需求。

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(二)高精度光學對位控制更精準:

晶片拆下後,要重新對準電路板上的焊點並不容易。透過高解析彩色相機與光學影像重疊技術,可微調 Theta 角與 X/Y 軸,將對位精度控制在 ±25 μm 以內,降低貼裝偏移的風險。

(三) 複合溫控提升受熱均勻度:

大型晶片若局部溫差過大,可能造成基板翹曲甚至損傷,採用大功率紅外線(IR)結合熱風循環複合加熱,並配備即時監控系統,確保大面積基板受熱均勻,避免板材翹曲或損傷。

結合大功率底座紅外線(Dynamic IR)與頂部熱風循環(Hot Air)的精密加熱架構示意。圖/Kurtz ersa,宜特科技重製

(四) 不傷板清理殘留焊錫:

晶片移除後,電路板上仍會留下殘錫,傳統人工除錫可能增加焊墊受損的風險。自動吸錫技術則能以完全不接觸 PCBA 的方式,自動把殘錫吸取乾淨,徹底杜絕手工除錫帶來的焊墊損壞缺陷 。

三、實際案例分享

宜特經常收到客戶緊急送修、搭載大型 AI晶片的高價伺服器主機板。為了兼顧「高精準貼裝」與「無損維修」,以下是我們將核心技術應用在真實案例的分享。

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案例一:大尺寸晶片(> 90 X 90 mm)光學對位貼裝

客戶研發出一款全新的超大尺寸AI晶片,常規SMT(表面黏著)產線根本無法精準貼裝,也會擔心焊接過程溫度不均,導致高價晶片損壞,而以下是我們針對大型晶片的貼裝流程建議。

大尺寸晶片(> 90mm x 90mm)貼裝流程。圖/宜特科技

1. 精密光學重疊對位(Optical Superposition):
在實機對位時,系統配置了5 MP GigE高解析彩色相機,利用光學影像重疊技術,將晶片接腳(下圖的橘點)與電路板焊墊(下圖中的綠方塊)的影像同時呈現在螢幕上。
工程師就能非常直覺地在畫面上進行Theta角度微調(旋轉修正與 X-Y 軸向微對齊,將貼裝精度控制在極精準的±25 μm以內。當對位完成,真空吸嘴便會自動放開,安全地將元件放到極其精準的座標上。

高精度光學影像重疊(Optical Superposition)對位原理,是系統利用分光鏡(Beam Splitter)與雙LED光源,同時捕捉上方晶片接腳(橘點)與下方電路板焊墊(綠方塊)的影像,將兩者即時重疊於螢幕中,協助工程師進行極其直覺且精準的對位微調。圖/Kurtz ersa,宜特科技重製
IC對位微調補償機制(Alignment Correction)。系統在影像重疊後進行兩階段修正:1. Theta軸向調整(Theta adjustment),旋轉校正晶片角度偏差;2. X-Y 軸向調整(X-Y adjustment),進行前後左右的水平線性對齊,確保晶片錫球與PCB焊墊達到精密接合。圖/Kurtz ersa,宜特科技重製

2. 即時溫控多點監控(Real-time Profile):
在焊接階段,系統採用大功率紅外線(IR)與熱風循環複合加熱。我們在電路板上拉出多達7個位置的溫度感測線(熱電偶),在螢幕上即時繪製動態溫度Profile曲線。此技術能確保這顆超大晶片的每一處受熱都完美均勻,徹底杜絕了傳統加熱不良導致的翹曲(Warpage)、零件損壞或焊接問題。

實機運作時,透過多達7組熱電偶拉線進行的Real-time Profile即時溫度曲線監控,確保巨型基板受熱完全均勻、避免板翹。圖/Kurtz ersa

案例二:高價大尺寸 BGA 元件無損重工返修(Rework)

當客戶測試完的 AI 伺服器主機板上的大尺寸晶片,因焊接不良需要更換。此時最擔心的是拆下舊晶片後,人工清理電路板殘錫可能會刮傷、扯斷脆弱的焊墊(Pad),導致整片百萬級主機板報廢。
針對此案例,我們以自動無接觸的除錫手法解除了人工除錫可能刮傷焊墊的問題,將焊墊損傷機率降為零,讓後續重新貼裝(Remount)的新晶片能夠再次擁有完美的焊接基底。

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晶片重工返修流程。圖/宜特科技

四、自動無接觸除錫技術(Auto Scavenger):

當系統自動將舊晶片安全解焊並移除後,電路板上留下了參差不齊的殘錫。此時,「Auto Scavenger 自動吸錫模組」立即啟動。這是一個完全獨立的智慧模組,不需要操作人員費時設定。吸嘴會自動下降至板材上方,在「完全不與PCBA發生物理接觸」的前提下,自動、快速地將殘留焊料吸取乾淨。

(從左到右)顯示了從開始拆拔BGA到焊料吸取,再到完全去除殘留焊料的過程。圖/宜特科技

隨著 2.5D/3D 先進封裝技術發展,AI 晶片越做越大、成本也越來越高,一旦焊接出問題,直接報廢的代價可不小。如何在不傷害晶片與電路板的情況下完成返修,並確保後續使用的穩定與可靠,也成為 AI 晶片製程中越來越重要的一環。

本文出自 www.istgroup.com

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矽光子量產在即,但20年的老規範還能測CPO嗎?
宜特科技_96
・2026/07/01 ・3467字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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本文轉載自宜特小學堂〈矽光子可靠度驗證該依循哪個規範?當老規範GR-468遇上新科技,系統如何順利Bring-up?〉,如果您對半導體產業新知有興趣,歡迎按下右邊的追蹤,就不會錯過宜特科技的最新文章!

台積電在 2026 年技術論壇中明確指出,隨著製程邁入 2 奈米奈米片(Nanosheet)時代,AI 算力的延續必須仰賴《晶片版三層蛋糕論》,涵蓋運算、異質整合與 3D IC,以及最關鍵的「光子(Photonics)」。誠如台積電高層所言:「談到運算能力,電子無可匹敵;但談到訊號傳輸,光子則更勝一籌 。」

未來資料中心的傳輸勢必由電子轉向光學,而台積電的矽光子先進封裝平台 COUPE(緊湊型通用光子引擎,Compact Universal Photonic Engine) 也已搭載到基板上,並宣告今年將進入量產階段。NVIDIA、Intel、Broadcom 等大廠也爭相搶進 CPO(Co-Packaged Optics,共同封裝光學)賽道。

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然而,當光電元件從「獨立模組」轉向「高度整合」的晶片封裝時,可靠度驗證的複雜度已不可同日而語。

面對工程師最常問的:「那規範在哪裡?」


實務上,目前業界針對 CPO 或矽光子產品還沒有單一且完全專屬的標準,最權威的依據仍是經典的 Telcordia GR-468。但在高度整合的趨勢下,這套傳統驗證邏輯正迎來前所未有的挑戰。

之前我們已從矽光子元件組成與決定效能的關鍵(閱讀更多:「光」革新突破半導體極限 矽光子晶片即將上陣),進而分享對應的解決方案(閱讀更多:矽光子開發遇到什麼瓶頸?),以及如何突破矽光子量產的核心難關(閱讀更多:矽光子CPO量產見曙光!從「漏電」到「漏光」如何迎刃而解?)。

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亦針對光子積體電路(PIC)的五大關鍵部件,詳細剖析其常見故障模式(閱讀更多:為什麼 AI 晶片需要「光」?拯救超貴晶片的「矽光子眼科醫生」大解密!)。
本文將從光通訊規範 Telcordia GR-468 的角度,分享如何終端系統應用,回推到模組、元件與製程層級,矽光子系統如何順利 Bring-Up(啟動調試)與量產導入。

一、Telcordia GR-468 究竟是什麼規範?還堪用嗎?

電信級 Telcordia GR-468 是由通訊權威機構 Telcordia Technologies (前身為為美國貝爾通訊研究公司 Bellcore)於 2004 年釋出的核心規範(GR-468-CORE)。儘管它問世已久,但其嚴謹的測試架構,至今仍是全球矽光子元件進入 AI 伺服器供應鏈時,最被系統客戶採用的可靠度驗證依據。

Telcordia GR-468 這項規範的核心價值在於其「跨領域的覆蓋力」。

(一) 涵蓋完整光電鏈:包含雷射二極體(Laser Diode,簡稱 LD)、光電二極體(Photodiode,簡稱 PD)、電吸收調變器(Electro-Absorption Modulator,簡稱 EA Modulator)和 LED 等相關光電元件。

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(二) 封裝層級延伸:GR-468 依「組裝完成度」將待測物分為多個封裝層級(Assembly Level),測試對象可從晶圓到單一晶片,延伸至次模組,仍至整顆光模組,從不同層級對應不同測試條件與驗證深度。

GR-468規範示意圖,從晶圓到最終整合模組的完整生命週期,可分為五個驗證階梯。
GR-468規範示意圖,從晶圓到最終整合模組的完整生命週期,可分為五個驗證階梯。圖/宜特科技AI輔助生成製作。

(三) 環境模擬:GR-468 規範嚴格區分機房溫控環境(Central Office,簡稱 CO)與戶外無空調環境(Uncontrolled Environment,簡稱 UNC),不同環境對應不同溫度範圍與應力條件,讓驗證條件貼近真實系統場景,這正是系統端最在意、也最容易在早期被低估的風險來源。


例如,應用於資料中心機房的設備,長期處於溫控環境,溫度與濕度波動小,應力條件相對溫和,驗證重點在於長時間的穩定運作。而隨著 AI 應用場域的擴張,例如:馬斯克計畫將 AI 運算中心送入外太空,若設備處於戶外或無空調環境(Uncontrolled Environment, UNC),將面臨劇烈的溫度波動、濕熱與高環境應力,極端溫差將嚴苛考驗封裝材質與光學對位的穩定度。

(四) 定性與定量並重:Telcordia GR-468 除了可藉由「定性測試(Qualitative Tests)」判別是否符合規範(Pass 或 Fail)、是否可量產導入,亦可透過「定量測試(Quantitative Tests/ Aging Tests)」進行壽命推估(EOL)、可靠度模型建立與系統設計優化。

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GR-468 兼顧定性和定量測試,不只可判別是否可量產導入,亦可推估出系統壽命。
GR-468 兼顧定性和定量測試,不只可判別是否可量產導入,亦可推估出系統壽命。圖/宜特科技AI輔助生成製作。

以上這些 Telcordia GR-468 的設計,讓可靠度驗證能隨產品成熟度逐步展開,非常符合矽光子系統 Bring-Up 與量產導入節奏。

二、為什麼矽光子元件跑完規範,系統還是掛了?

看來 GR-468 規範仍然寶刀未老,但為何在實際應用中,許多跑完規範的矽光子系統仍無法順利運作呢?
宜特觀察發現,即便產品通過了 GR-468 規範中的環境應力測試,開發者在系統 Bring-up 或長期運作時,依然會頻繁遭遇莫名的訊號衰減。

這是因為在 CPO 架構下,光、電、熱、機械四者間的交互影響極其複雜。傳統「通過/不通過(Pass/Fail)」的判定邏輯,已不足以偵測高度整合後產生的深層失效模式。

以下是矽光子走向系統整合時,最令工程師頭痛的兩大硬傷:

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(一) 熱力學矛盾與 ELS(外置光源)的妥協:

負責核心運算的 GPU(圖形處理器)屬於高功耗熱源,運作溫度動輒攀升至 100°C,這與對熱極度敏感、工作溫度需壓制在 70°C 以下的光傳輸元件(雷射光源)產生了嚴重的熱力學矛盾。雷射光源受熱會導致啟動閾值電流指數型增加、波長變長(紅移),並加速元件內部缺陷擴散而縮短壽命。

為了化解這項矛盾,業界傾向 ELS(External Laser Source,外置光源),將雷射光源像電池一樣外掛。但這衍生了以下風險 :

1. 高功率運作的老化(Aging under High Power):

ELS 需供應極高光功率給多個矽光引擎,雷射在極高驅動電流下運作,內部的晶格缺陷會隨時間與高溫擴大,形成「暗線缺陷(Dark Line Defects)」,導致發光效率劇降。

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宜特建議可執行HTOL(高溫操作老化測試)。在 85°C 或更高溫下持續通電數千小時,觀察光功率衰退曲線,以推算出產品是否能支撐 10 年以上的系統壽命。

2. 連接介面的脆弱性:

ELS 增加了連接介面,保偏光纖(PM Fiber)的過度凹折,或是接頭沾染微塵、插拔產生機械微裂痕,都會導致插入損耗(IL)升高,成為系統潛在的故障點。

(二) 異質整合的「應力」拉扯(CTE Mismatch,熱膨脹係數失配):

矽光子晶片內含矽、三五族化合物、玻璃光纖與金屬,這些材料受熱後的膨脹程度(CTE)差異極大。例如矽晶片(2.6)與 PCB 板(15)甚至 UV 光學膠(50~100)之間巨大的應力差,在發熱時會產生劇烈拉扯:

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1. 次微米級的對位挑戰:

光纖陣列(FA)與矽光晶片耦合時,對位精度要求在次微米級。一旦受熱產生Warpage(翹曲)或應力拉扯,輕則光路偏移,重則導致結構 Delamination(剝離)。
宜特建議可透過 TC(溫度循環測試)。在 -40°C 到 +85°C 之間劇烈變換,確認光學膠是否裂開,並嚴格監控 IL(插入損耗)是否超標,而非僅看元件是否能通電。

2. 膠材劣化與水氣滲透:

高溫高濕環境會導致固定用的 UV Epoxy(光學膠)發生老化、膨脹或潛變,直接造成訊號損失。
宜特建議可執行 THB(溫濕度偏壓測試,即85/85測試)。在 85°C/85% RH 環境下施加電壓 1000 小時以上,確保膠材在極端環境下的結構強韌度。

隨著矽光子與 CPO 架構的快速發展,可靠度驗證不該只是為了拿一張合格證書,而是要支撐系統長期的穩定運作。


目前的 Telcordia GR-468 規範環境要求, 主要分成機房溫控環境(簡稱 CO)與戶外無空調環境(簡稱 UNC),但在光通訊業者對故障經驗實務累積下, 以及未來更嚴苛的 AI 運算環境(例如太空軌道資料中心)需求下,現有標準已漸顯不足,IPEC 協會 2025 年可靠度執行協議針對光模組納入抗硫化、鹽霧、落塵等更嚴苛的環境測試,以滿足對可靠度的極致要求,相關供應鏈必須及早做好準備。

本文出自 www.istgroup.com

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宜特科技_96
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