我也知道 但從沒人真正試過－專訪線上即時熱能分析儀團隊

本文由 Amway 委託，泛科學企劃執行。

到底怎樣才算是「乾淨」？這不是什麼靈魂拷問，而是一個價值上億的商業命題。

在半導體產業的無塵室中，「乾淨」的定義極其殘酷：一粒肉眼看不見的灰塵，就足以讓造價數百萬美元的晶圓直接報廢。空氣品質的好壞，甚至能成為台積電（TSMC）決定是否在當地設廠的關鍵性指標。回到你的家中，雖然不需要生產精密晶片，但我們呼吸系統中的肺泡同樣精密，卻長期暴露在充滿 PM2.5、病毒以及各種揮發性氣體的環境中。為了守護健康，你可能還要付費購買「乾淨的空氣」來用。

因此，空氣議題早已超越單純的環保範疇，成為同時影響國家經濟與個人健康的重要問題。

很多人可能沒想到，無論是家用的空氣清淨機，還是造價動輒百億的頂尖晶圓廠，它們對抗污染的核心武器並非什麼複雜的雷射防護罩，而是同一件看起來平凡無奇的東西：一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網。但你真的相信，就憑這層厚度不到幾公分的板子，能擋住那些足以毀滅精密晶片、滲透人體細胞的「奈米級刺客」嗎？

這片大家都聽過的 HEPA 濾網，裡面到底是什麼？

首先，我們必須打破一個直覺上的誤解：HEPA 濾網（High Efficiency Particulate Air filter）在本質上其實並不是一張「網」。

細懸浮微粒 PM2.5，是指粒徑在 2.5 微米以下的污染物，它們能穿過呼吸道直達肺泡，並穿過血管引發全身性發炎。但這只是基本，在工廠與汽車尾氣中，還存在粒徑僅有 1 微米的 PM1，甚至是小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」（UFP，即 PM0.1）。 UFP 不僅能輕易進入血液，甚至能繞過血腦屏障（BBB），進入大腦與胎盤，其破壞力十分可怕。

如果 HEPA 濾網像水槽濾網或麵粉篩一樣，單靠孔目大小來「過濾」粒子，那麼為了攔截奈米微粒，濾網的孔目只能無限縮小到幾乎不透氣的程度。更別說在台積電或 Intel 的製程工程師眼裡，一般人認為的「乾淨」，在工程師眼裡簡直像沙塵暴一樣。對於線寬僅有 2 奈米或 3 奈米（相當於頭髮直徑萬分之一）的晶片而言，空氣中一顆微小的塵埃，就是一顆足以毀滅世界的隕石。

因此，傳統的過濾思維並非治本之道，我們需要的是原理截然不同的過濾方案。這套技術的雛形，最早可追溯至二戰時期的「曼哈頓計畫」。

HEPA 的前身，誕生於曼哈頓計畫！

1940 年代，製造濃縮鈾是發展原子彈的關鍵。然而，若將排氣直接排向大氣，會導致致命的放射性微粒擴散。負責解決這問題的是 1932 年諾貝爾化學獎得主歐文·朗繆爾（Irving Langmuir），他是薄膜和表面吸附現象的專家。他開發了「絕對過濾器」（Absolute Filter），其內部並非有孔的篩網，而是石綿纖維。

有趣的來了，如果把過濾器放到顯微鏡下，你會發現纖維之間的空隙，其實比某些被攔截的粒子還要大。那為什麼粒子穿不過去呢？這是因為在奈米尺度下，物理規則與宏觀世界完全不同。極微小的粒子在空氣中飛行時，並非走直線，而是會受到空氣分子撞擊，而產生「布朗運動」（Brownian Motion），像個醉漢一樣東倒西歪。

當粒子通過由緻密纖維構成的混亂迷宮時，布朗運動會迫使它們不斷轉彎、移動，最終撞擊到帶有靜電的纖維上。這時，靜電的吸附力會讓纖維就像蜘蛛網般死死黏住微粒。那些狂亂移動的奈米刺客，就這樣被永久禁錮迷宮中。

現在最常見的 HEPA 材料，是硼矽酸鹽玻璃纖維。

現代 HEPA 濾網最常見的核心材料為硼矽酸鹽玻璃纖維。這些玻璃纖維的直徑通常介於 0.5 至 2 微米之間，它們在濾網內隨機交織，像是一座茂密「黑森林」。微粒進入這片森林後，並非僅僅面對一層薄紙，而是得穿越一個具有厚度且排列混亂的纖維層，微粒極有可能在布朗運動的影響下撞擊並黏附在某根玻璃絲上。

除此之外，HEPA 濾網在外觀上還有一個極具辨識度的特徵，那就是像手風琴般的摺紙結構。濾材會被反覆摺疊、摺成手風琴的形狀，中間則用鋁箔或特殊的防潮紙進行結構支撐，目的是增加表面積。這不僅為了捕獲更多微粒，而是要「降低過濾風速」。這聽起來可能有點反直覺：過濾不是越快越好嗎？

其實，這與物理學中的流速控制有關。想像一條水管，如果你捏住出口，水流會變得湍急；若將出口放開並擴大，雖然總出水量不變，但出水處的流速會變得緩慢。對於 HEPA 濾網而言，當表面積越大，單位面積所需承載的空氣量就越少，空氣穿透濾網的速度也就越低。

低流速代表微粒停留在濾網內的時間也更久，增加被捕捉的機會。此外，越大的表面積也為 HEPA 濾網帶來了高「容塵量」，延長了使用壽命，這正是它能夠稱霸空氣清淨領域多年的主因。

然而，即便都叫做 HEPA 高效率空氣微粒子過濾網 (High Efficiency Particulate Air filter)，但每個 HEPA 的成分與結構還是會不一樣。例如 安麗逸新空氣清淨機 SKY ，其標榜「可過濾粒徑最小至 0.0024 微米」的污染物，去除率高達 99.99%。

0.0024 微米是什麼概念？塵蟎、花粉、皮屑或黴菌孢子，大小約在 2 至 200 微米；細懸浮微粒  PM2.5 大小約 2.5 微米，細菌也大概這麼大。最小的其實是粒徑小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」，大多數的病毒（如流感、新冠病毒）都落在此區間。對安麗逸新 的HEPA濾網來說，基本上通通都是可被攔截的榜上名單。

在過敏防護上，它更獲得英國過敏協會（Allergy UK）認證，能有效處理 19 大類、102 種過敏原，濾除空氣中超過 300 種氣態與固態污染物。

然而，同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室，就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷，就是「硼 (Boron)」。

在半導體製程中，硼是常見的 P 型摻雜物，用來精準改變矽晶圓的電性。如果濾網有任何微小的破損、老化或化學侵蝕，進而釋放出極微量的硼離子，就可能直接污染晶圓，改變其導電特性，導致晶片報廢。

此外，無塵室要求的是比 HEPA 更極致的 ULPA（超低穿透率空氣濾網） 等級的潔淨度。ULPA 的標準通常要求對 0.12 微米 的粒子達到 99.999% 甚至 99.9999% 的超高攔截率。在奈米級的競爭中，任何多穿透的一顆微塵，都代表著一筆不小的經濟損失。

為了解決「硼」的問題並追求極限的過濾效率，材料學家搬出了塑膠界的王者，PTFE 也鐵氟龍。鐵氟龍不僅耐酸鹼、耐腐蝕，還能透過拉伸製成直徑僅 0.05 至 0.1 微米 的極細纖維，其細度遠勝玻璃纖維。雖然 PTFE 耐化學腐蝕，但它既昂貴且物理上也很脆弱，安裝時若不小心稍微觸碰，數萬元的濾網就可能報銷。因此，你只會在晶圓廠而非一般家庭環境看到它。

即便如此，在空氣濾淨系統中，還有一樣是無塵室和你家空氣清淨器上面都有的另一張濾網，就是活性碳濾網。

活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附？

好不容易將微塵擋在門外時，危機卻還沒有解除。因為空氣中還隱藏著另一類更難纏的大魔王：AMC（氣態分子污染物）。

HEPA 或 ULPA 這類物理濾網雖然能攔截固體微粒，但面對氣態分子時，就像是用網球拍想撈起水一樣徒勞。這些氣態分子如同「幽靈」一般，能輕易穿過物理濾網的縫隙，其中包括氮氧化物、二氧化硫，以及來自人體的氨氣與各種揮發性有機物（VOCs）。

為了對付這些幽靈，我們必須在物理防線之外，加裝一道「化學濾網」。

這道防線的核心就是我們熟知的活性碳。但這與烤肉用的木炭不同，這裡使用的是經過特殊改造的「浸漬處理（Impregnation）」活性碳。材料科學家會根據敵人的不同性質，在活性碳上添加不同的化學藥劑：

• 酸鹼中和：對付氮氧化物、二氧化硫等酸性氣體，會在活性碳上添加碳酸鉀、氫氧化鉀等鹼性藥劑，透過酸鹼中和反應將有害氣體轉化為固體鹽類。反之，如果添加了磷酸、檸檬酸等酸性藥劑，就能中和空氣中的氨氣等鹼類。
• 物理吸附與凡德瓦力：對於最麻煩的有機揮發物（VOCs，如甲醛、甲苯），因為它們不具酸鹼性，科學家會精密調控活性碳的孔徑大小，利用龐大的「比表面積」與分子間的吸引力（凡德瓦力），像海綿吸水般將特定的有機分子牢牢鎖在孔隙中。

空氣濾淨的終極邏輯：物理與化學防線的雙重合圍

在晶圓廠這種對空氣品質斤斤計較的極端環境，活性碳的運用並非「亂槍打鳥」，而是一場極其精密的對戰策略。

工程師會根據不同製程區域的空氣分析報告，像玩 RPG 遊戲時根據怪物屬性更換裝備一樣——「打火屬性怪要穿防火裝，打冰屬性則換上防寒裝」。在最關鍵的黃光微影區（Photolithography），晶圓最怕的是人體呼出的氨氣，此時便會配置經過酸性藥劑處理的活性碳進行精準中和；而在蝕刻區（Etching），若偵測到酸性廢氣，則會改用鹼性配方的濾網。這種「對症下藥」的客製化邏輯，是確保晶片良率的唯一準則。

而在你的家中，雖然我們無法像晶圓廠那樣天天進行空氣成分分析，但你的肺部同樣需要這種等級的保護。安麗逸新空氣清淨機 SKY 的設計邏輯，正是將這種工業級的精密防護帶入家庭。它不僅擁有前述的高規 HEPA 濾網，更搭載了獲得美國專利的活性碳氣味濾網。

關於活性碳，科學界有個關鍵指標：「比表面積（Specific Surface Area）」。活性碳的孔隙越多、表面積越大，其吸附能力就越強。逸新氣味濾網選用高品質椰殼製成的活性碳，並經過高溫與蒸氣的特殊活化處理，打造出多孔且極致高密度的結構。

這片濾網內的活性碳配重達 1,020 克，但其展開後的總吸附表面積竟然高達 1,260,000 平方公尺——這是一個令人難以想像的數字，相當於 10.5 個台北大巨蛋 的面積。這種超高的比表面積，是市面上常見濾網的百倍之多。更重要的是，它還添加了雙重觸媒技術，能特別針對甲醛、戴奧辛、臭氧以及各種細微的異味分子進行捕捉。這道專利塗層防線，能將你從裝潢家具散發的有機揮發氣體，或是路邊繁忙車流的廢氣中拯救出來，成為全家人的專屬空氣守護者。

總結來說，無論是造價百億的半導體無塵室，還是守護家人的空氣清淨機，其背後的科學邏輯如出一轍：「物理濾網攔截微粒，化學濾網捕捉氣體」。只有當這兩道防線同時運作，空氣才稱得上是真正的「乾淨」。

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文／劉珈均

工研院的「線上即時熱能分析儀」與「鈣迴路捕獲二氧化碳技術」雙雙獲得2014「全球百大科技研發獎（R&D 100 Awards）」，此獎項素有科技界奧斯卡獎之稱，是市場鑑定新技術的重要指標，今年邁入第52屆。「線上即時熱能分析儀」大幅提升發光二極體（Light Emitting Diode, LED）量測熱阻的速度達千倍，且可在生產線上即時量測，工研院也已與儀器業者旺矽科技合作技術轉移，實際應用於提升LED品管品質與生產效率。

深入了解這技術前，得先認識一下熱阻與LED的關係，熱阻（thermal resistance）是熱能在傳導途徑上遇到的阻抗，反映介質本身或介質與介質間的熱傳導能力，換言之，也是物體對熱能傳導的阻礙效果。

傳統光源如鎢絲燈或鹵素燈透過加熱燈絲發光，熱由光源正面以光輻射方式傳出，同時散發出的紅外光讓人感受到熱氣；LED不會讓人感受到熱，但並非不發熱，而是 LED所產生的廢熱從晶粒傳導而出，LED功率愈高，產生的廢熱愈多，加上體積要愈做愈小，散熱就成為問題。因此主要靠傳導進行的LED散熱機制，便需要以熱阻作為散熱性能好壞的指標。

LED漸成照明光源主流，但高功率LED仍與熱的問題糾纏，熱會影響LED的壽命、顏色與亮度。過熱會造成LED波長改變、發光效率下降，繼而使顏色產生變化、亮度降低，隨之影響到可靠度。對於LED封裝散熱能力的評估，就透過熱阻量測，若熱阻的數值大，表示熱不易傳遞，套件產生的溫度較高，也有損LED壽命。

工研院電光所元件測試驗證部專案副理王建評比喻：「熱就像內傷一樣，若只從一般的光電檢測是看不出來，但長期影響很大。」不論設計、檢測或可靠度分析，都需要知道熱阻，只要能掌握LED熱阻數據，就能推估產品的壽命、效率及光品質。

王建評是主導此技術的研發人員，他解釋，早期熱阻量測程序複雜，要把LED擺在爐子裡利用空氣加熱以達到控溫目的，一顆LED要經過幾個溫度測試，以求出溫度與LED電壓的關係式；後來改以熱電制冷器，控溫速度較快；熱電控制器出現後，過程由半天縮短到10~20分鐘，一小時測六顆，但這樣的時間仍太久──對比LED光學量測，一顆只要0.1秒即能完成光度或電壓量測！生產線上一個機台一天產量可能是數萬顆以上，熱測與其他量測的速度差異非常大，所以熱測始終無法成為廠商品管時的依據，基於生產效率考量，業者多只在產品設計階段時於實驗室進行熱阻量測。

工研院技術的突破點在於解析「固晶層」，在生產線上，固晶的製程是影響LED熱阻最大的參數，王建評說：「我們發現，其實我們不需要從頭到尾將整個元件分析完畢，只要分析那層固晶層，就能知道這顆元件好不好。」以前要等整顆LED達到熱平衡，現在只要等熱能傳到固晶層，分析資訊就足夠了，量測時間因此大幅縮短。

固晶製程難以達到品質完全均勻，一批產品有好有壞，但一顆熱阻量測的時間太久了，廠商都採抽樣，一批樣品可能只抽一顆測試，因此原有的技術限制之下，難以得知那批產品好壞比例，無法準確掌握LED產品可靠度。

而今工研院研發的「線上即時熱能分析儀」已能成功與LED自動化光電分類機台整合，在生產線上即時測量，組成全球首套自動化LED熱阻測試設備。兩相結合下，整套設備每小時的量測速度可達12000顆元件，相當於量測一顆元件只要0.3秒，比起以往在實驗室一小時量測六顆，速度快了整整2000倍。

「我們有些人畢業後就直接在工研院工作，我們也跟廠商學了很多業界的東西、機台開發的技巧。」王建評說，現階段量測光學與熱阻的機台分開，但可互相支援，一台光電量測機台可搭配數台熱能分析儀，如此便能應付生產線上大量的LED，這是廠商覺得可行的方法，未來團隊也會繼續研究將測試熱阻的功能整合到既有機台上。

文／劉珈均

「很多事情都是從很不偉大的事情開始作啦！」此次受訪的周佩廷與王建評是工研院電子與光電研究所、元件測試驗證部的經理與專案副理，周佩廷口中開端並不起眼的線上即時熱能分析儀奪下了百大科技研發獎，背後也是一群工程師長時間摸索，不斷研究與改良的心血。

任務指示：「品質可靠度。That’s all。」

周佩廷回憶研發歷程，難以界定這專案投入研發的時間有幾年，因為一位工程師身上常常同時扛了幾件或大或小的專案，有許多構想都在「檯面下」進行，漸漸成熟後才「正式列管」。

周佩廷與王建評所在的「光電元件與系統應用組」在工研院約已20幾年歷史，主題始終專注於LED。七八年前，元件測試驗證部剛成立不久，組長朱慕道認為LED的品質可靠度是個重要議題，該部門的技術主軸分為LED的品質可靠度與標準。市面上有宣稱LED可用兩萬五千小時或更多，但消費者可能拿到不良品，LED燈泡一下子就損壞，這便是LED可靠度的範疇，也牽涉到統計學、田口式品質工程[註1]等。

周佩廷說：「當時我們接到的指示就是品質可靠度五個字，大家自己去想要作什麼事情。」可靠度並不是一項技術，而是許多技術的集合、相互支撐出來的。成員構思著如何針對可靠度作技術開發，前幾年一直處於摸索期，試圖抓到主軸，大約四年前開始研究熱阻主題，挑選業者可能有需求的題目，其中一個便是快速熱阻檢測。

負責「線上即時熱能分析儀」的研發成員專業領域有來自光電、物理、應用力學、機械等，都是進工研院後才開始接觸LED的。王建評是主導技術開發的負責同仁，他想到，若從加強品管著手，讓廠商能快速量測熱阻，甚至於生產線上即時量測，就能大幅提升LED的品質可靠度。

「這原理我也知道！」　但從沒人真正試過

快速熱阻技術的關鍵點在於解析固晶層，「這不是什麼聽起來就讓人興奮的新發現，但卻沒有人真正把它作出來。」周佩廷說。這不是破天荒的物理發現，或是劃時代的嶄新發明，大家起初都不太看好該技術的價值，內部的人或廠商亦多持觀望態度。

「只是看似簡單，但工程實務上從沒有人真正實現過啊！」周佩廷笑說，這大概是這研究最特別的地方。工研院與各LED廠商接洽、討論此點子的技轉時，「好像很多東西說破就不值錢，所以一開始不願講太多。後來想想，我們要作到就算我跟你說破，你還是作不出來的程度，這樣的技術才有價值。」周佩廷說。

熱結構分析是即時熱能分析儀的核心技術，該技術已有國外業者開發設備，也訂下標準，「但只有他們懂得如何作這設備，大家都不知道怎麼作。」王建評說，它會畫出一條有趣的曲線，稱為「熱結構圖」，大家也只會用那設備，不清楚圖怎麼畫的。許多單位也想開發這種設備。

周佩廷便請王建評專心研究該設備，一開始王建評也沒太多心力鑽研，畢竟身上已同時背了好幾件工作，這項工作又相當耗時，「後來……也不能說是破解了儀器，而是重新開發技術出來，熱結構分析跟演算法有很密切的關係。」以往最快速度也需要十幾分鐘，王建評另設計了演算法，由原本的定點截取變成動態截取法，最快3分鐘內就能量出來，卻能達到相同的量測精度。「這也是得獎原因，否則只是跟別人一樣也沒特色。」

技術走出「車庫」　進入市場

約莫2012年底，周佩廷與當時的電光所副所長劉軍廷（現為所長）談到這點子，劉軍廷隨即認真地說，隔年三月有「台灣國際照明科技展」，就做一台原型機參展吧！周佩廷笑說：「我們就這樣慢慢在『車庫』研發了幾年，後來才被所長『列管』為正式計畫。」當時距離展覽只剩兩三月，時間緊迫，但大家還是成功趕製出原型機參展。

後來，工研院帶了三四項技術與儀器廠商旺矽科技洽談，最後決定合作熱阻檢測這技術，從合作到技轉花了約一年時間。王建評回想從合作到技轉的那一年時間：「廠商會不斷的『挑戰』工研院的能力，一直給我們『考試』。」拿了幾十顆LED給工研院的即時熱能分析儀測試，檢驗精度與誤差是否符合工業標準，一開始明測，後來也作盲測，「還好都有pass！」

「我們研發的出發點單純只是為了『解決問題』，一切順其自然，獎項是隨之而來的肯定。」周佩廷與王建評回想這段過程，敘述的口吻與神色十分沉穩淡然。團隊一路走來，並沒有像動漫《海賊王》裡的魯夫總大喊著「我要成為海賊王！」那樣，立一個雄心萬丈的目標、要發明厲害的機器、拿下發明大獎。

其實光電元件與系統應用組從2008年到現在，已經拿了三個美國百大科技獎（R&D 100 Awards）[註2]，但朱慕道組長認為真正的任務才剛開始，他們要思考如何讓技術的貢獻完全發揮。

一條生產線上，一天產出數萬顆以上的LED，現有的熱能量測技術卻只能抽樣，LED廠商不會覺得效率低落，主動想要採用這項技術嗎？周佩廷說：「很多技術的應用，其實也看時機點。」各廠商其實是需要這項技術的，但站在廠商的角度，「品管、研發」與「成本」是天秤的兩端，而LED品質採抽樣或「普查」，也關乎LED產品「良率」的數字變動。LED的競爭激烈，因此，除非客戶刻意要求，廠商較少主動投資設備，大多跟風國外大廠的作法，但一些LED國外大廠其實已經有投入快速熱阻量測這部分。

周佩廷說：「得獎只是開始，我們接下來還要努力，想著如何把技術的效應作得更大。」目前市面上類似儀器幾乎全屬國際大廠，價格亦是居高不下，國產儀器價格預計可控制成本在進口儀器價格的一半以下。若此儀器能建置於生產線上，大幅提高LED良率，就長遠來看，LED業者的投資負擔並不重。

註：

1. 品質工程（Quality Engineering）：由日本學者田口玄一所創，以統計學方式進行實驗及生產過程管控，以達產品品質改善及成本降低的目的，也應用在生物學、行銷及廣告。（資料來源：維基）
2. 工研院國際獎項紀錄：https://www.itri.org.tw/award/chi/award.htm