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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) 「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_96
776 篇文章 ・ 130 位粉絲
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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AI 可以設計散熱,但誰敢讓它出貨?林唯耕談算力背後的物理現實
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/08/20 ・2819字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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。

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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。

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 / 圖片:envato

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。

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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。

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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。/圖片:envato

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。

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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。

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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。

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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

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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車用晶片要求超嚴格!沒有工廠的IC設計公司,該怎麼讓一線車廠點頭買單?
宜特科技_96
・2026/06/26 ・3664字 ・閱讀時間約 7 分鐘

想打入熱門的車用半導體供應鏈,對沒有自家晶圓廠的 IC 設計公司來說,最大的挑戰就是:如何向一線車廠證明自家的晶片具備零缺陷(Zero Defect)的頂級品質?答案就藏在 AEC-Q004 車用零缺陷框架裡!只要掌握這套品質管理核心,沒晶圓廠也能脫穎而出,順利拿到進軍車用供應鏈的黃金門票。

本文轉載自宜特小學堂〈 IC設計如何進入車廠供應鏈?一次搞懂 AEC-Q004 車用零缺陷框架〉,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!

點此觀看宜特影片

近年來,車用半導體市場熱度持續發燒,許多 IC 設計業者(Fabless)都想搶攻這塊大餅。然而,在傳統消費型電子中,設計歸設計、製造歸製造。但在車用晶片(Automotive IC)領域,一點點微小的瑕疵(Defect)都可能導致嚴重的安全事故,跨入車規市場的門檻可說極高。

自 2018 年起,以 BMW、Volkswagen、Audi 為首的歐系車廠開始積極推動「零缺陷(Zero Defect)」理念,要求半導體供應鏈從設計、製造到測試皆須以風險思維貫穿。Tier 1 供應商與車廠OEM(Original Equipment Manufacturer,原始設備製造商)對產品可靠度與異常回覆速度的要求亦不斷提升,車用晶片不僅要能滿足長達 15 年(或約 1 萬小時以上)的壽命要求與 -40°C 至 +125°C 的極端溫度考驗,還需應對嚴格的外包供應鏈追蹤與客戶稽核。

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具備設計與製造一條龍能力的 IDM(Integrated Device Manufacturer,整合半導體元件製造商),因擁有自家晶圓廠,通常已取得IATF 16949 這張認證,也就是進入汽車供應鏈的「門票」;但對於沒有晶圓廠的 IC 設計業者(Fabless)來說,在缺乏自有製程的情況下,該如何向車廠證明自己的產品具備車規級的零缺陷品質呢?

這時候,AEC-Q004《Automotive Zero Defect Framework》(車用零缺陷框架)就是幫助大家順利通關的終極武器!它可解決「設計和製造溝通斷層」的問題,讓供應鏈上下游能用同一套邏輯說話。本文將帶大家搞懂,如何透過 AEC-Q004 的框架,在產品交付給客戶前,把所有潛在的失效因子通通攔截下來。讓 IC 設計公司能從「被動應付測試」轉向「主動品質管理」,正式從消費級晶片商升格為車規級供應商。

自 2018 年起,歐系大車廠(如 BMW、Volkswagen、Audi)開始強力推動零缺陷(Zero Defect)的品質文化。為了具體落實這個目標,AEC 在 2020 年發布了 AEC-Q004。
AEC-Q004 並非用來取代既有標準,而是作為 AEC-Q100 等車用元件可靠度驗證標準的延伸品質指南,用以補強車用半導體在量產階段(Production Phase)的 Zero Defect 管理機制。

在實務上, AEC-Q004 常與下列體系共同運作:AEC-Q100 / Q101 / Q102(元件可靠度驗證)、IATF 16949(汽車供應鏈品質管理系統)、ISO 26262(功能安全要求)(衍生閱讀:了解三大面向,順利取得IATF 16949汽車品質管理系統證書最新車規AEC-Q100改版速讀 揭示車用晶片可靠度驗證關鍵

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AEC-Q004 Zero Defect 六大管理面向。圖/宜特科技


AEC-Q004將車廠極度要求的「零缺陷」文化,具體化為好懂的「六大管理面向(industry interpretation)」,包含:設計防錯、外包製程監督、測試與良率分析、應用程度評估、持續改善,以及問題解決。這六大管理面向能對應到 IATF 16949 的核心工具(如 FMEA、SPC、PPAP 等),成功消除了「設計端」與「製造端」之間的斷層。(衍生閱讀:車規最新 探索AEC-Q004零缺陷的世界

彙整 AEC-Q004 六大管理面向與 IATF16949 核心工具之對應關係。圖/宜特科技

宜特科技指出,AEC-Q004 的「統計防錯」基礎也跨度整合了 AEC-Q001 (Part Average Testing, PAT) 與 AEC-Q002 (Statistical Yield Analysis) 兩項核心規範,用來過濾異常樣本(Outlier)與管控異常良率批次(SYL、SBL),確保隱性不良品不會流入車廠。

有了這套標準,再加上 ASP 外包治理機制,即使是沒有自有工廠的 IC 設計業者(Fabless),也能無縫對接代工廠(Foundry)與封測廠(OSAT)。宜特
專家團隊認為,這不僅能確實滿足車規嚴苛的壽命與可靠度要求,更能帶領企業穩健邁向系統化的零缺陷管理。

AEC-Q004 零缺陷實施架構。圖表的左半邊(產品設計階段)做得愈紮實,右半邊(預防失效)的成效就愈顯著。圖/AEC-Q004

(一) 三層防錯架構:

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根據我們的實務驗證經驗,AEC-Q004 為了將零缺陷管理從設計端一路延伸至量產與改善階段,特別將六大管理面向(industry interpretation)橫向展開,並縱向打造了「三層防錯架構」,形成一個從實體特徵、電性行為到統計監控的全流程風險防控循環:

  1. 實體層(Physical):
    關注物理與結構上的控制,包含製程能力、SPC(統計製程管制)、OCAP(異常行動計畫)。
  2. 電性層(Electrical):
    確保電性行為符合預期,包含 EDS (Electrical Die Sort,晶圓針測) 與 Test Coverage(測試覆蓋率)。
  3. 統計層(Statistical):
    運用強大的數據分析抓出隱形瑕疵,包含 PAT、SBL、SYL 以及異常樣本管控(Outlier Control)。

為了讓大家更好理解這套立體的防護網,AEC 建立了一個清晰的交叉矩陣,確保六大管理面向(industry interpretation)在每個層次都能被徹底落實。

AEC-Q004 三層防線 × 六大管理面向(industry interpretation)交叉矩陣 (符號說明:● 主要關聯 / △ 次要關聯 / ○ 輔助關聯) 。圖/宜特科技

(二) 跨標準的「統計攔截失效機制」:

在這三層防線中,最核心且最具威力的就是「統計層」。簡單來說,就是透過統計數據來抓出潛在的不良品。AEC-Q004 為了有效防堵失效,特別跨度整合了 AEC-Q001 與 AEC-Q002 兩項核心規範,建立起強大的「統計防錯機制」,精準過濾異常批次與產品:

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  1. PAT(Part Average Test)抓出異常樣本(Outlier):
    在同一批晶片中,即使某顆晶粒的測試數據「符合規格」,但若其電性參數 明顯偏離該批次的統計分佈(statistical distribution),仍可能被判定為 Outlier 並予以篩除。透過這種 Outlier Screening(PAT),可提前攔截可能導致早期失效(Early Failure) 的潛在不良晶粒流入車廠。
  2. SYL(Statistical Yield Limit)剔除低良率批次:
    當某批次整體的測試 bin 分佈或良率表現明顯偏離長期統計趨勢(例如低於統計下限) 時,即可能觸發 SYL (Statistical Yield Limit) 機制。這代表該批產品可能存在製程、材料或設備異常,因此必須啟動調查並可能暫停出貨,以避免潛在缺陷流入車廠。
  3. SBL(Statistical Bin Limit)調查假性高良率:
    當某個測試 bin 的比例異常增加(高於統計上限)時,可能代表測試條件設定異常、測試覆蓋率不足,或潛在缺陷未被正確篩出。此時需啟動 SBL(Statistical Bin Limit)調查,以確認是否存在測試逃逸(Test Escape)或測試條件偏移的風險。透過這套結合了實體、電性與統計攔截的「防錯機制」,半導體業者就能有效拉起防線,將不良品阻絕於車廠之外。

宜特長期觀察發現,在實務上,許多車廠會要求 Fabless IC 公司建立 Automotive Service Package(ASP),以確保代工廠(Foundry)與封測廠(OSAT)的製程與品質管理符合車用品質要求。

身為 IC 設計公司,產品需要交由代工廠(Foundry)與封測廠(OSAT)生產。為了確保代工製程符合車規的穩健性,建議業者必須依循 AEC-Q004 要求,建立完善的 ASP (Automotive Service Package) 制度。

透過設計–製造–測試的「三層防線(實體層、電性層、統計層)」,IC 設計業者可以嚴格監督外包夥伴。例如:要求代工廠的製程能力指標 Cpk 必須大於等於 1.67、強制實施 OCAP(異常行動計畫)與 PAT 統計攔截,並且簽訂車用品質協議(Automotive Quality Agreement)以釐清品質責任。

車用ASP 與商用製程差異對照表。圖/宜特科技

隨著 Tier 1 與車廠對可靠度的要求越來越高,AEC-Q004 已經成為 IC 設計業者跨入車規市場、與車廠對話的關鍵橋樑。它不僅僅是一份文件,更是一個強大的協同機制。只要掌握了這套零缺陷的通用語言,沒有晶圓廠的 IC 設計公司也能以「設計防錯、製程監督、統計防錯」三位一體的方式,成功打入車用半導體供應鏈。
我們建議往零缺陷方向努力的供應商,通過 AEC-Q100 只是起點,能通過車廠對「零缺陷」的嚴苛稽核才是真正的考驗。

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本文出自 www.istgroup.com

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宜特科技_96
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