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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

308期2017年06月號

出版日期:2017/06/15

正方形 Icon 產業焦點Focus

半導體異質整合 看見臺灣藍海優勢

撰文/廖珮君 攝影/陳正國 圖片提供/工研院

異質整合,是近年來半導體界的熱門議題,包括美國、日本、中國大陸等都相繼投入此領域,而臺灣擁有結構完整的半導體產業鏈,可以快速地將研發結果商業化,進而築起一道他人難以跨越的門檻,持續在未來半導體市場上保有競爭優勢。


工研院主辦的國際超大型積體電路研討會(VLSI)於會中進行ERSO Award 頒獎典禮,得獎人分別是合勤科技董事長朱順一(左三)、瑞昱半導體總經理邱順建(居中)及致茂電子董事長黃欽明(右三),表彰他們在網通、IC 設計及精密量測等產業貢獻。
工研院主辦的國際超大型積體電路研討會(VLSI)於會中進行ERSO Award 頒獎典禮,得獎人分別是合勤科技董事長朱順一(左三)、瑞昱半導體總經理邱順建(居中)及致茂電子董事長黃欽明(右三),表彰他們在網通、IC 設計及精密量測等產業貢獻。

一年一度的半導體界盛會「國際超大型積體電路技術、系統暨應用研討會(VLSI-TSA)及設計、自動化暨測試研討會(VLSI-DAT)」,聚集美國加州大學、西北大學、台灣大學、交通大學、安謀(ARM)、宏達電等國內、外學校及廠商,探討半導體未來五到十年的發展趨勢。

異質整合 擴大矽的應用範圍

VLSI-TSA 協同主席、工研院電子與光電系統研究所所長吳志毅表示,異質整合的概念,與傳統在談的系統單晶片(System on Chip;SoC)有點類似,只是做法不同。SoC 採用矽晶圓的製造方式,將通訊、中央處理器等不同功能的IC 整合在同一顆晶片上,而異質整合則是,將各種已經製作完成、不同功能的IC 晶片,藉由封裝技術或半導體製程,再整合至另外一個矽晶圓、玻璃或其他半導體材料上。

吳志毅指出,異質整合的概念,不只符合半導體產業一直以來對縮小體積的追求,還具備兩大優勢:第一,在進行IC 設計時,不需要把所有功能設計在同一個晶片上,可以提高設計開發的效率;第二,突破矽的物理限制,將矽應用到各種不同領域。

雖然,矽是現今最常見、發展也最成熟的半導體材料,但是矽在應用上還是有先天的限制,例如:雷射、發光二極體(LED)、光電等應用就不適合使用矽,所以電射晶片最常用的材料是砷化鎵,而LED 晶片則是氮化鎵,隨著異質整合技術的發展,不只可以將通訊、中央處理器等IC 晶片放在矽晶圓上,也可以將LED、電射等不是矽材質的半導體,整合在一塊矽晶圓上。

突破矽的物理限制 降低成本

「異質整合並不是新的概念,」吳志毅強調,早在十年前工研院就已經投入相關領域的研發,包括台積電的晶圓級封裝技術InFO(Integrated Fan-Out)、矽光子技術(Silicon Phonotics)、微發光二極體(Micro LED)等,都是半導體異質整合的應用之一。

近年來隨著智慧型手機、社群媒體的普及,網路上每天都有大量資料產生,連帶提高市場對大型資料中心與光纖通訊的需求,當需求量變大的時候,為了降低成本,首先想到的就是矽。

吳志毅進一步說明,由於矽不適合處理光訊號,所以光纖通訊裡面有很多不是使用矽的半導體,偏偏矽又是目前最成熟普及的半導體材料,若能應用異質整合技術,突破矽的物理限制,把所有半導體放在一個矽晶圓上,就能降低光纖通訊半導體的製作成本、加快設計速度。

也因此,近年來關於半導體異質整合的研究快速成長,包括美國、日本、大陸等都已經投入這個領域,只不過,在矽晶圓上進行異質整合,還有許多技術困難待克服,舉例來說,光纖與矽元件如何對準,不同材質元件對熱脹冷縮的反應不一樣等問題,導致目前還沒有實際應用成果出現。


提升半導體競爭力 跨域溝通是關鍵

臺灣與這些國家相比,雖然沒有比較多的研發資源或人才,卻擁有非常完整的產業鏈,可以快速地將研發結果商業化,進而為臺灣半導體業者築起一道他人難以跨越的競爭門檻。

由於政府的推動,臺灣投入高科技製造領域已有數十年的經驗,塑造出一條非常完整的半導體產業鏈,從IC設計、製造、測試、到封裝都有相對應的業者,不只結構完整且地理位置集中,造就臺灣發展半導體異質整合的獨家優勢。

吳志毅解釋,在發展半導體異質整合過程中,跨域溝通是一件非常重要的事,因為兩個不同晶片放在一起,需要處理的問題很多,包括連結方式、距離長短等,這些問題需要IC 設計、晶圓製造、封裝等業者密切配合才能解決,而完整又集中的產業鏈,才能加快跨領域溝通的速度。

然而,優勢與劣勢往往是一體兩面,跨域溝通需要的不只是完整產業鏈,更需要有人擔任居中協調的角色,才能讓溝通更順利,「所以工研院不只投入異質整合的研發,更積極推動半導體產業的合作,」吳志毅說,2016 年初,工研院投入矽光子技術的研發準備,預計2018 年正式展開由經濟部支持的矽光子專案計畫,希望二年後、也就是2020 年,市場能開始導入以矽光子技術為基礎的晶片。

吳志毅強調,工研院希望能創造更多矽的應用價值,也為臺灣半導體產業帶來更多機會,持續在未來的半導體市場上保有競爭優勢。

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