UCLA電機工程學系講座教授 張懋中 超越摩爾定律
玻璃載板與異質整合交織的半導體新賽局

隨著摩爾定律放緩，異質整合已成為半導體界顯學，把性質迥異的材料媒合在同一個封裝平台，打破單一材料物理限制。其中，最顯著的突破將發生在封裝載板上的材料變革。

目前主流的CoWoS封裝，使用矽晶圓做為中介層，但12吋晶圓的物理邊界與圓形面積，限制了單一封裝內能整合的晶片總量與布局空間，加上矽中介層受限於光罩曝光範圍極限，無法在單一矽基底上無限擴張。

未來一到兩年內，封裝載板將轉向玻璃，借鏡顯示器面板技術，玻璃載板可擴增到65吋、85吋，甚至更大，可以徹底打破12吋晶圓的限制，實現更高密度、更大規模的整合。不過，玻璃載板的關鍵，在於熱膨脹係數的匹配，必須開發出熱膨脹率能與矽晶圓、化合物半導體一致的特種玻璃，才能確保結構穩定性。

在異質整合趨勢下，矽的角色正在轉變，逐漸成為純粹的「機械支撐」角色，而非主導元件性能的唯一材料。尤其是矽無法發光，如果透過異質整合技術，將磷化銦、氮化鎵等能發光的材料嵌入矽基電路，就能讓晶片直接用光取代電，進行高速通訊。

為了實現光電整合，解決未來AI運算的能效、速度問題，磷化銦或氮化鎵等能發光的材料，將與CMOS邏輯電路進行晶圓級（wafer-level）整合，預計在兩、三年內成為主流。

然而，目前的封裝技術多將雷射光源置於晶片外部，但雷射對溫度極為敏感，溫度只要變動攝氏2~3度就會導致波長飄移，造成通訊失效，必須實現真正的「光電一體化」，將光源與數位電路直接整合才能解決，即在數位電路中嵌入微型溫度計、溫度控制器，針對局部區域精準控溫，而非依賴大環境冷卻。

在6G與次太赫茲時代，光電一體化將成為關鍵。未來資料傳輸將揮別會產生嚴重損耗與發熱的傳統銅線，轉向更輕量、高效的傳輸媒介，在晶片內利用矽光子傳輸光訊號，在系統間則透過高分子導波管傳導次太赫茲波。雖然使用的頻段材料不同，但本質都是讓資訊從「電路」走向「光路」，利用光波的高速特性，實現6G時代所需的極致頻寬與低延遲。

特別是傳統銅線體積過重，無論是機器人、電動車，內部若充滿數十磅的銅線，將嚴重限制其活動力與效能。加上銅的成本受地緣政治衝擊而日益升高，在次太赫茲通訊中，運用新型導波管取代銅線，實現系統輕量化，將是必走之路。

不過，矽晶圓仍擅長運算，因此，必須整合擅長高頻訊號的化合物半導體，和擅長運算的矽邏輯晶片，才能做出6G時代微型化且高性能通訊晶片。而6G訊號對干擾、溫度極為敏感，玻璃載板不只能提供更大空間整合這些複雜元件，其優異的電絕緣性、精準溫控能力，也是確保6G訊號不斷訊、不偏移的關鍵。

在半導體產業，如果無法維持高良率，就等同無法獲利。因此，技術領先固然十分重要，但能否在複雜的異質整合過程中保持商業化良率，才能成為企業競爭中立於不敗之地的關鍵。

建議鴻海研究院半導體研究所在適材適所（best junction for the function）的材料觀下，在感測與光源元件上，深耕並大膽整合化合物半導體與光學技術，就能憑藉領先系統設計能力建立技術護城河，將高難度挑戰轉化為高獲利的商業利基，在全球半導體價值鏈力爭上游。