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      晶圓薄化提升效能 推進電動車產業
      • 《聯合報》,本報記者簡永祥
      • 2023/7/9 上午0:00
      • 772

      電動車成為推升半導體產業一大動能,連帶使半導體功率元件擔負讓核心電池發揮更高效的轉換效率及降低功耗的責任更加重。

      功率元件除了應用在電動車、充電椿外,還包括大型風力發電機、太陽能板逆變器、資料中心、手機快充、太空衛星、行動基地台,這些領域隨著智慧化程度升高,也帶來可觀商機。

      半導體廠為了讓這些功率元件實現低功耗及低阻抗,有一項關鍵工序就是晶圓減薄,又稱晶圓薄化。

      半導體業者表示,功率元件在電路設計扮演「開關插座」的角色,因具備高開關切換速度,以及低輸入阻抗和低功率耗損特性,不僅需承受大電流、提高電路轉換效率,也耐高壓、耐高溫。為了讓功率元件發揮這項特色,其捷徑就是想辦法降低導通阻抗。

      為什麼降低導通阻抗在功率半導體那麼重要?原因是這項元件既然扮演「開關插座」,要讓產品啟動,就需要快速打開「導通阻抗」,讓電流流過。如果阻抗太高,電流就不能快速流過,產品就會延遲啟動。

      試想,如果一輛電動車能夠在十分鐘內就充完至少百分之五十電池容量,就不會耗費太多時間為電動車充電。功率元件效能的提升,能讓充電樁功能變得更強大,更適合不同電動車充電,電動車就會愈受到開車族歡迎,這也是功率元件設計及製造商一直努力的課題。

      多年來,各家功率元件廠商都以追求高效率的電力轉換、低功率耗損為目標。晶圓薄化,一直都是改善製程、使功率組件實現低功耗、低輸入阻抗最直接有效方式。除可減少後續封裝材料體積,還可因降低導通阻抗,減少熱能累積效應,增加晶片使用壽命。

      如何在薄化製程中降低晶圓厚度,又兼顧晶圓強度,避免破片率居高不下,是一門極為細膩的工藝。

      晶圓薄化製程有不同的方式,大部分薄型化製程多利用研磨方式將晶圓薄型化,但這種製程會讓晶圓在薄型化過程中,面臨破片或產能較低風險。

      第一種薄化製程需在晶圓下放置一個支撐,讓進行薄化的晶圓有一定支撐力,防止破片。另一種直接在晶圓背面研磨薄化,待薄化到第一階段設定的薄度後,透過蝕刻製程,研磨蝕刻到第二階段所需薄度。

      晶圓薄化是門細膩工藝,提供這項技術服務的公司必須有完善專利,才能在市場立足並贏得客戶信賴。

      受功率元件應用快速發展,過去垂直整合都一手包辦的整合元件大廠(IDM)看中台灣半導體生態系完整的優點,大幅提高委外晶圓代工和薄化訂單,因而掀起廠商二○一九年間侵權控訴,雖然官司以不成立收場,卻也看出半導體區域布局的浪潮:台灣在功率元件製造、晶圓薄化、後段封裝,再到功率模組的全球比重正持續拉升。

      此外,第三類化合物半導體碳化矽(SiC)及氮化鎵(GaN),雖然有生產難度及量產等諸多瓶頸,但在電動車、大型風力發電機、太陽能板逆變器、資料中心、手機快充、太空衛星、行動基地台等應用領域,因具備比矽基板更優越的耐高溫、耐大電壓、快速作動等特性,吸引各大廠商布局,同樣也為晶圓再生、晶圓薄化,帶來另一股成長動能。

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