推進SiC基板策略　台積電為AI與3D封裝擴展熱性能 – 柏騰科技股份有限公司

隨著AI與3D晶片架構推升熱管理挑戰，台積電正以12吋SiC基板為核心，打造新一代高熱效封裝平台，重新定義半導體散熱與高效能運算的競爭格局…

碳化矽(SiC)最廣為人知的應用是作為寬能隙(wide bandgap，WBG)材料，推動高效率功率電子元件，進一步推動全球綠能轉型。然而，它的潛力早已超越功率電子領域。隨著人工智慧(AI)運算與3D晶片架構帶來的熱管理需求急遽攀升，SiC憑藉其卓越的熱與機械特性，正為先進封裝開啟新一波創新契機。

隨著AI加速器與2.5D/3D晶片堆疊密度不斷提升，散熱問題已成為系統效能提升的最大限制。全球領先的晶圓代工廠台積電(TSMC)正積極推動12吋單晶SiC基板的開發。此類基板的熱導率可達約500W·m-1·K-1，遠遠超越如氧化鋁(Al2O2)與藍寶石(Sapphire)等傳統陶瓷材料。

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這項計畫由台積電與合作夥伴及設備供應商共同展開，旨在以SiC取代現有陶瓷基板，應用於多元領域——從擴增實境(AR)智慧鏡片到超大規模資料中心處理器皆然。例如在穿戴式AR鏡片中，高密度電子元件需在緊密封裝的微型空間內運作，熱量控制直接關係到使用者安全與裝置穩定性。

台積電選擇退出氮化鎵(GaN)市場，轉而專注SiC新應用的決策，不僅反映市場競爭壓力，更展現其材料策略的再平衡思維。憑藉SiC卓越的熱機特性，台積電正致力於打造一個具可擴展性的次世代封裝平台。

雖然12吋SiC基板用於熱管理時並不需達到功率元件(MOSFET、二極體等)要求的極低缺陷密度，但晶體完整性依然是品質關鍵。

微管(micropipes)、氣孔(voids)與位錯(dislocations)等結構缺陷，會破壞熱流路徑、削弱機械強度，並影響研磨與化學機械拋光(CMP)時的表面平整度。隨著晶圓直徑增加，晶圓翹曲與變形問題更加顯著，直接影響晶片貼合品質與先進封裝良率。

由於SiC中的熱傳導主要依賴量子化晶格振動，任何散射或阻礙聲子傳遞的晶體缺陷——例如微管、氣孔或位錯——都會降低熱導率並造成局部熱聚集。因此，開發重點從「消除電性活性缺陷」轉向「確保整體密度均勻、孔隙率極低與表面高度平整」——這些皆是SiC熱基板實現高產能與穩定量產的關鍵條件。

SiC兼具高熱導率、強機械結構、優異抗熱應力能力與化學穩定性，使其成為2.5D與3D晶片設計中因應高熱通量的理想材料。

在2.5D整合架構中，晶片並列安裝於矽或有機中介層(interposer)上，訊號連線距離短、速度快且能效高。而在3D整合中，晶片以垂直堆疊方式組合，透過矽穿孔(TSV)或混合鍵合(Hybrid Bonding)實現極高互連密度。

除了被動散熱，SiC亦能支援混合式冷卻方案，可結合傳統基板與高導熱材料，如鑽石或液態金屬，以大幅提升整體熱管理效率。

台積電計畫於2027年前全面退出GaN市場，並將資源重新聚焦於SiC技術發展。擴展至12吋晶圓量產可望帶來成本效益，並改善製程均勻性(每單位面積的製程誘發缺陷減少)。不過，晶體缺陷密度、切割(slicing)、平坦化(planarization)與晶圓平整度仍是SiC製造技術須突破的核心挑戰。

長期以來，SiC幾乎與功率元件畫上等號；如今，它正跨入以熱管理為關鍵瓶頸的新領域。台積電正積極評估：

．導電型N型SiC作為高導熱基板材料；

．半絕緣型SiC作為基於chiplet設計架構中潛在的中介層。

這些技術路線可能重塑AI加速器與資料中心晶片的熱設計架構，為未來運算平台奠定新基礎。

在先進半導體設計中，有效熱散已成為差異化的關鍵競爭力。高純度鑽石的熱導率約為1,000~2,200W·m1·K1，單層石墨烯甚至可達3,000~5,000W·m1·K1；但兩者成本高昂、製程複雜且難以規模化生產。

其他替代方案，如液態金屬、導電膠與微流體冷卻(microfluidic cooling)，雖具潛力，仍面臨成本、製造性與整合性間的權衡。

相形之下，SiC提供了一項務實且平衡的方案：具備優良熱性能、強韌機械結構，並可支援可擴展的大量製造，成為兼具性能與成本的理想材料選擇。

台積電擁有深厚的12吋晶圓製造經驗，其完善的生產基礎、嚴謹的製程控制與封裝技術，使其得以將SiC納入整體平台戰略，而非僅視為材料升級。這項策略讓台積電能在不重構製造體系的前提下，快速推進AI與高效能運算(HPC)晶片的商業部署，鞏固其在全球半導體供應鏈中的領先地位。

台積電的SiC技術藍圖與英特爾(Intel)在背面供電(Backside Power Delivery，BPD)，以及熱電協同設計(Thermal-Power Co-Design)等路線同步演進。這顯示產業正迎來一場轉變：熱管理已不再是輔助技術，而是半導體創新的核心。

台積電不僅致力於改善散熱效能，更在構築一個針對AI與高效能運算的差異化封裝平台，讓SiC成為未來晶片封裝生態系的關鍵基石。