臺(tái)積電鎖定12英寸碳化硅新戰(zhàn)場(chǎng)，布局AI時(shí)代散熱關(guān)鍵材料

全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)邁入人工智能（AI）與高性能計(jì)算（HPC）驅(qū)動(dòng)的新時(shí)代，散熱管理正逐漸成為影響芯片設(shè)計(jì)與制程能否突破的內(nèi)核瓶頸。當(dāng)3D堆棧、2.5D集成等先進(jìn)封裝架構(gòu)持續(xù)推升芯片密度與功耗，傳統(tǒng)陶瓷基板已難以滿足熱通量需求。晶圓代工龍頭臺(tái)積電正以一項(xiàng)大膽的材料轉(zhuǎn)向回應(yīng)這一挑戰(zhàn)，那就是全面擁抱12英寸碳化硅（SiC）單晶基板，并逐步退出氮化鎵（GaN）業(yè)務(wù)。此舉不僅象征臺(tái)積電在材料戰(zhàn)略recalibration，更顯示散熱管理已經(jīng)從“輔助技術(shù)”升格為“競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)”的關(guān)鍵。

碳化硅以寬能隙半導(dǎo)體聞名，過(guò)去主要用于高效率電力電子器件，如電動(dòng)車逆變器、工業(yè)馬達(dá)控制與新能源基礎(chǔ)設(shè)施。然而，SiC的潛力不止于此，優(yōu)異熱導(dǎo)率可達(dá)約500W/mK，遠(yuǎn)高于常見(jiàn)陶瓷基板如氧化鋁（Al?O?）或藍(lán)寶石（Sapphire）。

AI加速器、數(shù)據(jù)中心處理器及AR智能眼鏡等高密度應(yīng)用逐步落地，散熱空間受限問(wèn)題日益嚴(yán)峻。尤其是在穿戴式設(shè)備中，微型芯片組件貼近眼睛，若無(wú)精確的熱控將影響安全與穩(wěn)定性。這使得臺(tái)積電憑借長(zhǎng)年在12英寸晶圓制程的經(jīng)驗(yàn)，正推動(dòng)以大尺寸單晶SiC取代傳統(tǒng)陶瓷基板。這意味著不必重建制造體系，即能在既有產(chǎn)線導(dǎo)入新材料，兼顧良率與成本優(yōu)勢(shì)。

雖然，用于散熱管理的SiC基板不需達(dá)到功率組件那般嚴(yán)苛的電性缺陷標(biāo)準(zhǔn)，但晶體完整性依舊至關(guān)重要。許多外在因素不僅會(huì)干擾聲子傳導(dǎo)，削弱熱導(dǎo)率，還可能造成局部過(guò)熱，進(jìn)而影響機(jī)械強(qiáng)度與表面平整度。對(duì)12英寸大尺寸晶圓而言，翹曲與變形更是關(guān)鍵課題，因其直接影響芯片貼合與先進(jìn)封裝的良率。因此，業(yè)界焦點(diǎn)已從“消除電性缺陷”轉(zhuǎn)向“確保體密度均勻、低孔隙率與高表面平整度”，這些條件被視為高良率量產(chǎn)SiC散熱基板的前提。

報(bào)道表示，SiC結(jié)合了高熱導(dǎo)率、強(qiáng)機(jī)械性與抗熱沖擊性，在2.5D與3D封裝架構(gòu)中展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。包括在2.5D集成方面，芯片并排架設(shè)于硅或有機(jī)中介層上，信號(hào)連接短且高效，散熱挑戰(zhàn)主要在水平方向上。另外，在3D集成方面，芯片通過(guò)硅通孔（TSV）或混合鍵合垂直堆棧，連接密度極高，但散熱壓力也隨之倍增。因此，SiC除了能作為被動(dòng)散熱材料，亦可搭配鉆石、液態(tài)金屬等先進(jìn)散熱方案，構(gòu)成“混合式冷卻”解決方案。

日前臺(tái)積電宣布，預(yù)計(jì)于2027年前逐步退出氮化鎵（GaN）業(yè)務(wù)，將資源轉(zhuǎn)投SiC領(lǐng)域。此舉顯示公司對(duì)市場(chǎng)與材料策略的重新評(píng)估。因?yàn)橄啾菺aN在高頻應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，SiC在熱管理的全面性與可擴(kuò)展性更符合臺(tái)積電的長(zhǎng)遠(yuǎn)布局。12英寸大尺寸化，不僅可降低單位成本，還能提升制程均勻性。盡管SiC在切片、拋光與平坦化上仍面臨挑戰(zhàn)，但臺(tái)積電的既有設(shè)備與封裝工藝能力，使其有望克服障礙，加速量產(chǎn)落地。

事實(shí)上，過(guò)去SiC幾乎與電動(dòng)車功率組件劃上等號(hào)。然而，臺(tái)積電正推動(dòng)SiC跨入新應(yīng)用，例如導(dǎo)電型N型SiC作為散熱基板，在高性能處理器、AI加速器中承擔(dān)熱擴(kuò)散角色。或者半絕緣型SiC為中介層（Interposer），以在芯片分割與Chiplet設(shè)計(jì)，提供電性隔離與熱傳導(dǎo)兼顧的解決方案。這些新路徑，意味著SiC不再只是“電力電子的代名詞”，而是將成為AI與數(shù)據(jù)中心“芯片熱管理骨干”的基石材料。

高端材料領(lǐng)域，鉆石與石墨烯雖擁有極高熱導(dǎo)率（鉆石可達(dá)1,000~2,200W/mK，單層石墨烯更高達(dá)3,000~5,000W/mK），但其高昂成本與制程規(guī)模化困難，使其難以成為主流。液態(tài)金屬、導(dǎo)電凝膠與微流體冷卻等替代方案雖有潛力，但在集成性與量產(chǎn)成本上亦存挑戰(zhàn)。相較之下，SiC以“性能、機(jī)械強(qiáng)度與可量產(chǎn)性兼具”的特點(diǎn)，展現(xiàn)出最具實(shí)際性的折衷方案。

因此，臺(tái)積電在12英寸晶圓制造上的深厚經(jīng)驗(yàn)，使其有別于其他競(jìng)爭(zhēng)者。不僅能以既有基礎(chǔ)加速SiC平臺(tái)建構(gòu)，還能憑借高度制程控制能力，快速將材料優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)級(jí)散熱方案。與此同時(shí)，英特爾推動(dòng)背面供電（Backside Power Delivery）與熱─功率協(xié)同設(shè)計(jì)，顯示全球龍頭廠商皆已將散熱視為內(nèi)核競(jìng)爭(zhēng)力。