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TMS年輕領袖獎得主 吳欣潔研究用廢熱發電

劉珈均
・2015/04/01 ・1851字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 573 ・九年級

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吳欣潔(右一)與學生合照。圖中學生正以氫氧焰燒熔石英,製作合成材料時要用的石英管。圖/吳欣潔提供。

中山大學材料與光電科系助理教授吳欣潔獲得「美國礦物金屬材料學會」(The Minerals, Metals & Materials Society, TMS)2015年度的「年輕領袖獎」(Young Leader Professional Development Award)。此獎項頒發給40歲以下、學術生涯剛起步,但深具潛力成為材料與工程領域未來領袖的研究者。

吳欣潔剛到中山大學任教一年,研究專長為熱電材料、相圖計算與量測、金屬生醫材料、材料熱力學。吳欣潔大學時期主修化工,後來轉到材料領域,「當時我也還沒有很篤定自己想作什麼,就用刪去法把自己不擅長的、不想要的刪除。」吳欣潔喜歡作實驗,近來專注研究熱電材料,在實驗室合成出一些東西,讓她覺得有實際在創生些什麼的踏實感與成就感:「(實驗過程)變化很大,不會無聊!」

熱電材料基本上以半導體材料為主,可使「熱」與「電」相互轉換,「碲化鉍(Bi2Te3)」與「碲化鉛(PbTe)」是目前最常用的兩種材料。熱電材料的發電原理是利用「溫差」,P型和N型半導體上的電洞、電子都會往低溫處跑,將P型與N型半導體排列形成迴路,於兩端施加溫差,半導體上的多數載子(即電洞與電子)會往低溫處跑,如此一來,電子與電洞濃度不同便會產生電位差而出現電流;另一方面,將熱電的原理「倒過來」,通電流給它,也能讓半導體的電子與電洞往同一端跑,產生溫差,延伸製為致冷器。換言之,熱電發電與熱電致冷是一體兩面,前者是施以溫差以產生電流,後者是施以電流產生溫差。

「各種能源產生的電力只有40%真的拿來用,其餘60%皆以廢熱形式逸散到大氣中。」吳欣潔說,如此大量的能量消耗讓溫室效應加劇,其中工廠是最大宗的廢熱來源。目前熱電發電的轉換效率約在10%至15%之間,跟太陽能差不多,回收工廠與汽機車引擎的廢熱是熱電材料最具潛力的應用,未來克服轉換效率低的瓶頸後就大有可為,若能抓回一半以上的廢熱,就能大幅減緩能源消耗與環境負擔。

太空任務也是熱電材料應用場域,當探測器離太陽太遠,無法靠太陽能發電時,就換熱電材料上場。目前在火星上「場勘」、執行任務的漫遊車「好奇號」(Curiosity)就採用「放射性同位素熱電式發電機」(radioisotope thermoelectric generator, RTG ),在核反應器周圍貼上熱電元件,藉以供應電力,廢熱還能為漫遊車的一些部位保暖。吳欣潔說,熱電材料是全固態,相當安全,不會像鋰電池充放電循環後,容易產生體積膨脹問題。

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好奇號在火星上的模擬圖,好奇號最後端的黑色柱狀物即為RTG。photo credit:wiki。

熱電材料也已進入民生用途,有手錶安裝熱電元件,利用人體體溫與環境的溫差發電,驅動手錶;若以熱電材料作為致冷器,因為不需要壓縮機,所以產品體積可大幅縮小,用於車上的小冰箱或紅酒櫃。

熱電材料深具前瞻性,但在台灣,相對於太陽能或電子材料,熱電材料是較少人投入的領域,除了吳欣潔,研究者主要集中於清華大學、工研院與中研院。吳欣潔解釋:「因為熱電材料知識範圍跨得很廣。」分析電與熱的傳導性質,需要結合固態物理、化學、材料學門的知識,而大型研究機構較有能力讓跨領域的人才聚在一起。歐洲因再生能源發展得早,所以熱電材料相關研究相當盛行;亞洲則近十年才開始投入熱電材料研發。

吳欣潔的國際學術交流經驗豐富,自學生時期就每年赴美國參加TMS的年會,也曾於加州理工學院交換,那段經驗讓她印象深刻。她形容那是個很純粹的環境,集合了世界各地對研究抱著高度熱忱的學者,「學生與研究人員唯一的工作就是作研究!」遇到問題時,與別人討論便有很大幫助,那種切中要點又高效率的氛圍讓吳欣潔記憶猶新。曾有一次,她合成的材料總有許多孔洞,也產生奇特的微結構,不知如何解釋,那是論文最重要的部分,吳欣潔為此膠著了一陣子,結果與一位日本科學家聊天後豁然開朗,一兩週內就改善了合成材料性質、完成論文。

就吳欣潔個人觀察,近年在國際學術交流場合可明顯感受到中國崛起,「像今年我去TMS的時候,同桌的10個有8個是中國人。」她說,中國投入的龐大資源是我們難以比較的,不過,她認為台灣學生較有底子,也較聰明,「再多點努力和積極就會很厲害!」對於想要從事學術研究的學生,她也說,實驗室裡常會充滿挫折,這是研究必經之路,若真的想踏上學術之路,她的建議是:「就學著樂觀一點吧!」

註: TMS學會前身可追溯至1871年,涵蓋金屬、材料與工程領域,基礎科學研究、材料初步開發到前瞻應用各階段,都是其關注範圍。TMS學會現今擁有來自70多個國家、12000位以上的專家與學者會員。

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劉珈均
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PanSci 特約記者。大學時期主修新聞,嚮往能上山下海跑採訪,因緣際會接觸科學新聞後就不想離開了。生活總是在熬夜,不是趕稿就是在屋頂看星星,一邊想像是否有外星人也朝著地球方向看過來。

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只有女生需要?「子宮頸癌疫苗」不論性別都要打!
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2023/11/21 ・2525字 ・閱讀時間約 5 分鐘

為什麼男生也要打子宮頸癌疫苗?

你知道嗎?其實子宮頸癌疫苗應該被正名為「人類乳突病毒疫苗(HPV 疫苗)」,因為並不是只有子宮的人才要打!在過去的研究報告中,女性的子宮頸上皮細胞因感染人類乳突病毒(HPV )的高危險型別(會致癌的型別如16、18型)後,受到病毒蛋白的作用而使正常健康的子宮頸細胞會出現癌前病變,之後就有極高可能變為子宮頸癌 1,因此在這樣的認知基礎與方便宣傳下,HPV 疫苗漸漸被以「子宮頸癌疫苗」代稱,但這反而讓大眾形成「只有女性需要施打」的迷思。其實,男性也該依醫囑施打 HPV 疫苗唷!

為什麼男生也會感染 HPV?病毒感染症狀、傳播方式?

人類乳突病毒(Human Papillomavirus ,簡稱 HPV)是一種 DNA 病毒,目前已有兩百多種型別被發現,雖然被稱為「乳突」病毒,但實際上跟乳頭沒關係,千萬不要混淆了。是因為感染 HPV 病毒的病患,會造成感染部位的表皮細胞增生,在臨床病理切片下看起來像是鐘乳石般突起而有這樣的命名 3。大多數 HPV 類型會感染皮膚上皮細胞,並引起常見的皮膚疣,約有 40 種型別會感染黏膜上皮細胞。

除了上述 HPV 16、18 型會引起侵襲性子宮頸癌與其他男女生殖部位癌症外,若感染 HPV 6、11型人類乳突病毒可能會引起尖形濕疣(俗稱菜花)或其他生殖器病變,但由於致癌機率相對小,被分類為低危險型別 2, 7

依照感染部位的不同(黏膜與非黏膜部位),與感染的 HPV 類型而有不同的病徵或病變。 圖/美國疾病管制中心(CDC)

HPV 的傳染途徑主要是經由性行為的接觸傳染,極少數是經由母嬰垂直感染 (子宮內 HPV 可能是經由精液由下生殖道上升感染,或嬰兒出生時產道直接接觸感染)。在性行為過程中,病毒會透過接觸皮膚、黏膜或體液而感染。

有時,若外部生殖器接觸帶有 HPV 的物品,也可能造成 HPV 感染。根據統計資料,不論男女生,每個人一生中約有 5-8 成的機會感染到 HPV。儘管大多數感染 HPV 的情況,是無症狀且可透過身體的免疫系統而自行消退,但若是持續感染的情況,則會發展為肛門生殖器疣、癌前病變以及子宮頸癌、肛門生殖器癌或頭頸部位癌症。因此,如果是伴侶的性經驗較複雜、自身有長期免疫力低落等情況,都可能增加 HPV 的感染風險。

最新研究指出,全球三分之一的男性感染 HPV

過去許多有關 HPV 的研究,皆主要探討「如何預防女性因感染 HPV 而罹患子宮頸癌」,但 2023 年 9 月國際頂尖期刊 Lancet 系列的 Lancet Global Health 中發表的論文帶來了新的視角。

研究團隊回顧 1995 年到至 2022 年間發表的 65 份研究報告中,評估一般男性族群生殖器 HPV 感染的盛行率,發現在 15 歲以上的男性中,每3名就有1名感染至少一種 HPV 類型,每 5 名就有 1 名感染一種或多種高致癌型別的 HPV,導致男性罹患生殖器疣以及口腔癌、陰莖癌和肛門癌等疾病。研究團隊認為不管是在哪個年齡層的男性,又或特別是性行為較活躍的男性,其生殖器官就是「 HPV 病毒重要的儲存庫」4

世界衛生組織(WHO)也針對研究內容表示:「男性生殖器 HPV 感染盛行率的全球研究證實了 HPV 感染的廣泛性。高危險 HPV 類型的感染可導致男性頭頸部位的癌症(如口腔癌、口咽癌)、陰莖癌和肛門癌。我們必須繼續尋找機會預防 HPV 感染,並降低男性和女性 HPV 相關疾病的發生率 5。」

另外,根據台灣2020癌症登記資料中,頭頸癌是台灣男性發生率第3名的癌症,而在頭頸癌中的口咽癌,被發現有 30% 是與 HPV 感染相關 6。從這樣的數據資料來看,若要全面性預防 HPV,更需要兩性一起施打疫苗。

男性也會感染 HPV 病毒。圖/wikimedia

全球跟進,台灣不可置身事外。世界男性的施打情況為何?

全世界已有 126 個國家將 HPV 疫苗納入國家疫苗接種計畫,其中已有 58 個國家提供男女共同施打 HPV 疫苗,其中包括美國、英國、德國、澳洲等國家。以美國為例,從 2019 年統計的 HPV 疫苗覆蓋率來看,男性中約有 69.8% 的人至少接種過 1 劑 HPV 疫苗 7

反觀台灣目前只提供國中「女生」公費接種 HPV 疫苗,雖然已經有地方政府自行編列預算讓轄區內國中「男生」同樣享有公費接種疫苗服務,但以台灣現階段的公衛政策而言,還是將 HPV 疫苗接種的主要目標放在 9 至 14 歲、未開始有性行為的女生上,不只未跟上國際趨勢,兩性健康平權也尚有努力空間。

HPV 疫苗種類及補助

國內目前提供三種為食品藥物管理署核准的 HPV 疫苗,不論施打哪一種疫苗,皆可預防最重要的第 16 型及第 18 型所引起的高致癌風險,保護力約 8 年,分別為下列種類 9, 10

種類保蓓 Cervarix(二價)嘉喜 Gardasil 4(四價)嘉喜 Gardasil 9(九價)
適用對象9-14 歲女性 (2 劑)
15 歲以上女性 (3 劑)
9-13 歲女性 (2劑)
14-45 歲女性 (3劑)
9-26 歲男性 (3劑)
9-14 歲男女性 (2 劑)
15-45 歲男女性 (3 劑)
預防型別16、18 型6、11、16、18 型6、11、16、18、31、33、45、52、58 型
價位每劑疫苗市價約 3000-7000 元
*補助:國民健康署自 107 年 12 月底開始,全面推動國中女生免費接種 HPV 疫苗服務。
表格資料來源:台北市政府衛生局、衛福部健康署

參考資料

  1. https://www.hpa.gov.tw/Pages/List.aspx?nodeid=1799#list0 國民健康署
  2. https://www.commonhealth.com.tw/article/82881 康健網站
  3. https://www.syh.mohw.gov.tw/?aid=626&pid=112&page_name=detail&iid=384 新營醫院
  4. https://www.who.int/news/item/01-09-2023-one-in-three-men-worldwide-are-infected-with-genital-human-papillomavirus WHO文章
  5. https://www.thelancet.com/journals/langlo/article/PIIS2214-109X(23)00305-4/fulltext Lancet Global Health期刊論文
  6. https://www.cna.com.tw/news/ahel/202309280241.aspx 新聞
  7. https://www.cdc.gov/vaccines/pubs/pinkbook/hpv.html 美國CDC
  8. https://www.who.int/news/item/20-12-2022-WHO-updates-recommendations-on-HPV-vaccination-schedule WHO指引
  9. https://www.hpa.gov.tw/Pages/Detail.aspx?nodeid=1752&pid=11889 國民健康署
  10. https://health.gov.taipei/cp.aspx?n=239A1E89D0295C00&s=437A8C567509EB04 台北市政府衛生局
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第三類寬能隙半導體到底在紅什麼?
宜特科技_96
・2023/10/30 ・4510字 ・閱讀時間約 9 分鐘

寬能隙半導體晶片
圖/宜特科技

半導體產業崛起,我們常聽到「能隙」這個名詞,到底能隙是什麼?能隙越寬的材料又代表什麼意義呢?
近幾年 5G、電動車、AI 蓬勃發展,新聞常說要靠第三類的「寬能隙半導體」發展,到底寬能隙半導體在紅什麼?我們一起來了解吧!

本文轉載自宜特小學堂〈第三類寬能隙半導體到底在紅什麼?〉,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!

宜特科技 第三類寬能隙半導體到底在閎什麼 影片連結
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什麼是能隙(Band Gap)?寬能隙又是「寬」在哪裡?

身為理組學生或是工程師,甚至是關心科技產業的一般人,對於「能隙」兩字一定不陌生,但你了解什麼是能隙嗎?

半導體能帶與能隙示意圖
半導體能帶與能隙示意圖。圖/宜特科技

能隙基本上要用量子物理的理論來跟大家說明,「能帶(Band)」的劃分主要為低能帶區的「價電能帶」(Valence Band,簡稱 VB),與高能帶區「導電能帶」(Conduction Band,簡稱 CB)的兩種,在 VB 與 CB 之間即是一個所謂的能帶間隙(Band Gap,簡稱 BG),簡稱「能隙」

能帶因電子流動產生導電特性
能帶因電子流動產生導電特性。圖/宜特科技

金屬材料能夠導電,主要是因為電子都位於高能的(CB)區域內,電子可自由流動;而半導體材料在常溫下,主要電子是位於低能的(VB)區域內而無法流動,當受熱或是獲得足夠大於能隙(BG)的能量時,價電能帶內電子就可克服此能障躍遷至導電能帶,就形成了導電特性。

我們都知道功率等於電流與電壓加乘的正比關係,在高功率元件(Power device)的使用上如果半導體材料的能隙越寬,元件能承受的電壓、電流和溫度都會大幅提升。大眾所熟知的第一類半導體材料——矽(Si)能隙為 1.12 eV,具有成熟的技術與低成本優勢,廣泛應用於消費性電子產品;第二類半導體材料——砷化鎵(GaAs) 能隙為 1.43eV,相比第一類擁有高頻、抗輻射的特性,因此被廣泛應於在通訊領域。

為什麼需要用到第三類寬能隙半導體(Wide Band Gap,WBG)?

由於近年地球暖化與碳排放衍生的環保問題日益嚴重,世界各國都以節能減碳、綠色經濟為共同的首要發展方向,石化能源必須逐步減少並快速導入綠能節電的應用,因此不論是日常用品、交通運輸或軍事太空都逐步以高能效、低能耗為目標。

歐洲議會在 2023 年通過新法提高減碳目標,為 2030 年減碳 55% 的目標鋪路。國際能源署(IEA)也強建議各國企業在 2050 年前達到「淨零排放」,甚至有傳聞歐盟將通過燃油車禁售令,不論是考量環保或經濟,全球企業的綠色轉型勢在必行。因此在科技發展日新月異的同時,要兼顧大幅提升與改善現有的能源,已是大勢所趨。

目前半導體原料最大宗,是以第一類的矽(Si)晶圓的生產製造為主,但是以低能隙的半導體材料為基礎的產品,物理特性已到達極限,在溫度、頻率、功率皆無法突破,所以具備耐高溫高壓、高能效、低能耗的第三類寬能隙半導體(Wide Band Gap,WBG)就在此背景之下因應而生。

現在有哪些的寬能隙(WBG)材料?

那麼有哪些更佳的寬能隙材料呢?目前市場所談的第三類半導體是指碳化矽(SiC)和氮化鎵(GaN),第三類寬能隙半導體可以提升更高的操作電壓,產生更大的功率並降低能損,相較矽元件的體積也能大幅縮小。
Si 與 C 的化合物碳化矽(SiC)材料能隙可大於 3.0eV;Ga 與 N 或 O 的化合物氮化鎵(GaN)或氧化鎵(Ga2O3)能隙也分別高達 3.4eV 與 4.9eV,大家可能沒想到的是鑽石的能隙更高達 5.4eV。

特性Si 矽SiC(4H)
碳化矽
GaN
氮化鎵
Ga2O3(β)
氧化鎵
Diamond
鑽石
能隙(eV)1.13.33.44.95.4
遷移率
(cm2/Vs)
1400100012003002000
擊穿電場強度
(MV/cm)
0.32.53.3810
導熱率
(W/cmK)
1.54.91.30.1420
半導體材料的物性比較。圖/宜特科技

氮化鎵(GaN)或氧化鎵(Ga2O3),雖然分別在 LED 照明或是紫外光的濾光光源,已經應用一段時間,但受限於這類半導體材料的特性,其實生產過程充滿了挑戰。例如:要製作 SiC 的單晶晶棒,相較 Si 晶棒的生產困難且時間緩慢很多,以及 GaN 與 Si 晶圓的晶格不匹配時,容易生成差排缺陷(Dislocation Defect)等問題必須克服,導致長久以來相關的製程開發困難及花費高昂,但第三類半導體市場潛力無窮,對於各國大廠來說仍是兵家必爭之地。

寬能隙半導體運用在那些產品上?

現在知名大廠如意法半導體、英飛凌、羅姆等,對寬能隙材料的實際運用均有相當大的突破,如氮化鎵(GaN)在以 Si 或 SiC 為基板的產品已陸續發表,而我們最常接觸到的產品,就是市售的快速充電器,採用的就是 GaN on Si 材料製作的高功率產品。

除了功率提升,因為溫度與熱效應可大幅降低,元件就可以大幅縮小,充電器體積也更加玲瓏小巧,除了已商品化的快充電源領域,第三類半導體在 AI、高效能運算、電動車等等領域的應用也是未來可期。

(延伸閱讀:泛科學—快充怎麼做到又小又快? 半導體材料氮化鎵,突破工作頻率極限)

現行以矽基材料為主的高功率產品,多以絕緣閘雙極電晶體(IGBT)或金氧半場效電晶體(MOSFET)為主,下圖可以看到各種功率元件、模組與相關材料應用的範圍,傳統 IGBT 高功率模組大約能應用至一百千瓦(100Kw)以上,但速度卻無法提升至一百萬赫茲(1MHz)。而 GaN 材料雖然速度跟得上,但功率卻無法達到更高的一千瓦(1kW)以上,必須改用 SiC 的材料。

功率元件與相關材料的應用範圍
功率元件與相關材料的應用範圍。圖/英飛凌

SiC 具有比 Si 更好的三倍導熱率,使得元件體積又可以更小,這些特性使它更適合應用在電動車領域。特斯拉的 model3 也從原先的 IGBT ,改成使用意法半導體生產的 SiC 功率元件,應用在其牽引逆變器(Traction inverter)、直流電交互轉換器與充電器(DC-to-DC converter & on-board charger),能夠提高電能使用效率與降低能損。

特斯拉充電樁
多家車廠加入特斯拉充電網路。圖/特斯拉

在未來更高的電力能源需求下,車載裝置除了基本要具備高功率,還需要極高速的充電能力來因應電力補充,車用充電樁、5G 通訊基地台、交通運輸工具、甚至衛星太空站等更大的電力能源需求,相關的電流傳輸轉換,電傳速度的要求以及降低能損,就必須邁向更有效率的寬能隙材料著重進行開發,超高功率的 SiC 元件模組需求亦會水漲船高。

寬能隙半導體在開發生產階段,需進行那些驗證分析?

根據宜特的觀察,晶圓代工廠與功率 IDM 廠商正持續努力研究與開發。不過,新半導體材料在開發初期,會有許多需要進行研發驗證的狀況,近年我們已協助多家寬能隙半導體(WBG)產業的開發與生產驗證。

比如磊晶製程相關的結構或缺陷分析,就可以藉由雙束聚焦離子束(Dual beam FIB)製備剖面樣品並進行尺寸量測或成分分析(EDS),亦可搭配穿透式電子顯微鏡(TEM)進行奈米級的缺陷觀察;擴散區域的分析可經由樣品研磨製備剖面後,進行掃描式電子顯微鏡(SEM)觀察以及掛載在原子力顯微鏡 (AFM) 上的偵測模組-掃描式電容顯微鏡(SCM)判別摻雜區域的型態與尺寸量測。

下圖為 SiC 的元件分析擴散區摻雜的型態,我們可以先用 SEM 觀察井區(Well)的分布位置,再經由 SCM 判斷上層分別有 N 與 P 型 Well 以及磊晶層(EPI) 為 N 型。

SEM及SCM分析的量測圖
使用 SEM 剖面觀察 SiC 元件的結構,搭配 SCM 分析 N/P 型與擴散區的量測。圖/宜特科技

另外在摻雜元素及濃度的分析,則可透過二次離子質譜分析儀(SIMS)的技術,下圖 GaN on Si 的元件,先用雙束聚焦離子束(Dual beam FIB)進行剖面成份分析(EDS)判斷磊晶區域的主要成份之後,提供 SIMS 參考再進行摻雜元素 Mg 定量分析濃度的結果,作為電性調整的依據。

使用 DB-FIB 觀察 GaN 元件的剖面結構與 EDS 成份分析,搭配 SIMS 分析摻雜濃度
使用 DB-FIB 觀察 GaN 元件的剖面結構與 EDS 成份分析,搭配 SIMS 分析摻雜濃度。圖/宜特科技

除了上述介紹 WBG 元件結構的解析之外,其它產品也都可以透過宜特實驗室專業材料分析及電性、物性故障分析來尋求解答,包括因應安全要求更高的產品可靠度測試與評估,藉由宜特可以提供更完整與全方位的驗證服務。

希望透過本文介紹,讓大家對第三類半導體有更進一步的了解,近期被稱為第四類半導體的氧化鎵(Ga2O3)也逐漸躍上檯面,它相較於第三類半導體碳化矽(SiC)與氮化鎵(GaN),基板製作更加容易,材料也能承受更高電壓的崩潰電壓與臨界電場,半導體材料的發展絕對是日新月異,也代表未來會有更多令人期待的新發現。

本文出自 www.istgroup.com。

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讓摩爾定律又向前邁進的新技術!3D 先進封裝是什麼?又有哪些優勢和挑戰?
PanSci_96
・2023/07/15 ・3500字 ・閱讀時間約 7 分鐘

今年蘋果 WWDC 大會上發表的 Vision Pro,在市場上引起軒然大波。除此之外,蘋果新推出的 Mac Pro、Mac Studio 也都十分吸睛,他們的共同特點,就是我都買不起。他們的共同的特點,就是裏頭都搭載了 M 系列晶片。從 M2、M2 Max 到 M2 Ultra,除了強大的效能,其輕巧的設計,也讓這些裝置保持輕量。Vision Pro 的重量也可以維持維持在500g,不影響穿戴體驗。要在如此小的晶片中發揮跟電腦一樣效能,除了我們介紹過的 DUV 與 EUV 微縮顯影,一路從 7 奈米、5 奈米、3 奈米向下追尋外。在 M 系列這種系統晶片中,「先進封裝」技術,其實扮演更重要的角色,但到底「封裝」是什麼?它如何幫助 M2 達到高效能、小體積的成果?

晶片又更小了,摩爾定律依舊存在?

M2 晶片的效能已被消費者認可,一顆小小的晶片中,就同時包含了 8 核心 CPU、10 核心 GPU、16 核心的神經網路晶片以及記憶體,麻雀雖小,五臟俱全。這可說又是摩爾定律向前邁進的一步。

在 M2 一顆小小的晶片中,就同時包含了 8 核心 CPU、10 核心 GPU、16 核心的神經網路晶片以及記憶體。圖/Apple

今年 3 月 24 日,Intel 共同創辦人戈登.摩爾,逝世於夏威夷的家中,享耆壽 94 歲。他生前提出的摩爾定律,在引領半導體產業發展近 60 年之後,也逐漸走向極限。摩爾定律預測,積體電路上的電晶體數目,在相同面積下,每隔約 18 個月數量就會增加一倍,晶片效能也會持續提升。

隨著晶片尺寸越來越小,似乎小到無法再小,「摩爾定律已死」的聲音越來越大。然而事實是,業界的領頭羊們如台積電、英特爾和三星等公司,依然認為摩爾定律可以延續下去,並且仍積極投入大量金錢、人力及資源,期盼能夠打贏這場奈米尺度的晶片戰爭。

打贏戰爭的方法,包含研發各式各樣的電晶體,例如鰭式場效電晶體(FinFET)環繞式閘極(GAAFET)電晶體互補式場效電晶體(CFET);或是大手筆引進艾司摩爾開發的極紫外光(EUV)曝光機,在微縮顯影上做突破,這部分可以回去複習我們的這一集;除此之外,從材料下手也同步進行中,新興的半導體材料,像是過渡金屬二硫族化合物奈米碳管。這些持續挑戰物理極限的方式稱為「深度摩爾定律(More Moore)」。

然而這條路可不是康莊大道,而是佈滿了荊棘,或是亂丟的樂高積木,先進製程開發的複雜度和投入資金呈指數型增加,且投資與回報往往不成正比。我們都知道「不要把雞蛋都放在同一個籃子裡」,同理,半導體巨擘們也開始找尋新解方,思索如何躺平,在不用縮小電晶體的情況下,提升晶片整體效能。

先進製程開發的複雜度和投入資金呈指數型增加,且投資與回報往往不成正比。圖/freepik

答案也並不難,既然在平面空間放不下更多電晶體了,那麼就把他們疊起來吧!如此一來,相同面積上的電晶體數量也等效的增加了。這就像是在城市裡,因為人口稠密而土地面積有限,因而公寓大廈林立,房子一棟蓋得比一棟高一樣。像這樣子不是以微縮電晶體,而是透過系統整合的方式,層層堆疊半導體電路以提升晶片效能的方法,屬於「超越摩爾定律(More than Moore)」,而其技術關鍵,就在於「封裝」。

什麼是封裝?

當一片矽晶圓經過了多重製程的加工後,我們會得到這張表面佈滿了成千上萬積體電路。別小看它,光是這一片的價值,可能就高達2萬美元!

一個矽晶圓表面佈滿成千上萬的積體電路。圖/envatoelements

然而這麼大片當然無法放進你的手機裡,還必須經過「封裝(packaging)」的步驟,才會搖身一變成為大家所熟知的半導體晶片。

簡單來說,封裝是一種技術,任務是把積體電路從晶圓上取下,放在載板上,讓積體電路可以與其他電路連接、交換訊號。整個封裝,大致可分為四步驟:切割、黏晶、打線、封膠

首先,矽晶圓會被磨得更薄,並且切割成小塊,此時的積體電路稱為裸晶(die);接著,將裸晶黏貼於載板(substrate)上,並以焊線連接裸晶及載版的金屬接點,積體電路便可跟外界傳遞或接收訊號了;最後,以環氧樹酯灌模成型,就完成我們熟知的晶片(chip),這個步驟主要在於保護裸晶及焊線,同時隔絕濕氣及幫助散熱。

Chiplet、傳統封裝與先進封裝

隨著晶片不斷追求高效能、低成本,還要滿足不同的需求,甚至希望在一個晶片系統中,同時包含多個不同功能的積體電路。這些積體電路規格、大小都不一樣,甚至可能在不同工廠生產、使用不同製程節點或不同半導體基材製作。例如蘋果的 M2 晶片,就是同時包含 CPU、GPU 和記憶體,另外,我們過去介紹過,google 陣營的 Tensor 晶片,也是在單一晶片系統中塞入了大大小小的晶片。這些在一個晶片系統中含有多個晶片的架構,稱為 Chiplet。

要做出 Chiplet,在傳統的封裝方式中,會將初步封裝過的數個晶片再次進行整合,形成一個功能更完整的模組,稱為系統級封裝 Sip(system in package);另一個方法則是將數個裸晶透過單一載板相互連接完成封裝,這樣的作法叫做系統單晶片system on a chip (SoC),然而以這兩種方式製作需佔用較大的面積,更會因為晶片、裸晶間的金屬連線過長,造成資料傳輸延遲,不能達到高階晶片客戶如輝達、超微、蘋果等公司的需求。

為了解決問題,先進封裝就登場了,三維先進封裝以裸晶堆疊的方式,增加空間利用率並改善資料傳輸瓶頸的問題。與傳統封裝之間傳輸速度的差異,就好比是開車由台北至宜蘭,傳統封裝需行經九彎十八拐的台九線,而先進封裝則截彎取直,打通了連接兩地的雪山隧道,使得資料的來往變得更加便利且迅速。

先進封裝解決了什麼問題

先進封裝最大的優勢,就是大幅縮短了不同裸晶間的金屬連導線距離,因此傳輸速度大為提升,也減少了傳輸過程中的功率損耗。舉例來說(下圖),傳統的 2D SoC,若是 A 電路要與 C 電路傳輸資料,則必須跨越整個系統的對角線距離;然而使用三維堆疊則能夠將 C 晶片放置於 A 晶片的上方,透過矽穿孔(through silicon via, TSV)技術貫穿減薄後的矽基板,以超高密度的垂直連導線連接兩個電路,兩者的距離從此由天涯變咫尺。

圖/Pansci

另一方面,三維堆疊也減少了面積的消耗,對於體積的增加則並不明顯,因此我們能夠期待,手機、平板、或是 Vision Pro 等頭顯未來除了功能更多以外,還會變得更加輕巧。

值得一提的是,先進封裝還能夠降低生產成本喔!由於三維堆疊在單位面積上,增加了等效電晶體數量,在晶片設計上可以考慮使用較成熟、成本更低的製程技術節點,並達到與使用單層先進技術節點並駕齊驅的效能。

先進封裝的技術挑戰

雖然,先進封裝提供了許多優勢。但作為新技術,當中依舊有許多仍待克服的問題與挑戰。

首先,先進封裝對於裸晶平整度以及晶片對準的要求很高,若是堆疊時不慎有接點沒有順利連接導通,就會造成良率的損失。再者,積體電路在運算時會產生能量損耗造成溫度升高,先進封裝拉近了裸晶間的距離,熱傳導會交互影響,大家互相取暖,造成散熱更加困難,輕則降低晶片效能,嚴重則能導致產品失效。

散熱問題在先進封裝中,目前還未完全解決,但可以透過熱學模擬、使用高熱導係數材料、或設計導熱結構等方式,做出最佳化的散熱設計。建立良率測試流程也非常重要,試想,如果在堆疊前沒有做好已知合格裸晶測試(known good die testing),因而誤將合格的 A 晶片與失效的 B 晶片接合,那麼不只是做出來的 3D IC 只能拿來當裝飾品,還白白損失了前面製程所花費的人力、物力及金錢!

良率與成本間的權衡,也是須探究的問題,如果想要保證最佳的良率,最好的方式是每道環節都進行測試,然而這麼做的話生產成本以及製造時間也會相應增加,因此要怎麼測試?在什麼時候測試?要做多少測試?就是一門相當深奧的學問了。

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