隨著電子產品性能需求的快速提升，高功率元件在各種應用中的使用日益廣泛，涵蓋電動車、5G基地台、高效能計算（HPC）以及再生能源系統等領域。這些元件需要處理大量的電能並在高密度的工作環境中運行，這對於封裝技術和熱管理解決方案產生了更高的需求。

高功率元件封裝需求

圖一 : 英飛凌開發的300mm氮化鎵功率半導體技術

高功率元件的核心挑戰在於如何在有限的空間內有效散熱，同時保持元件的穩定性和可靠性。為應對這些挑戰，封裝技術的創新集中於提升散熱能力、縮小封裝尺寸及增強電氣和機械性能。這些元件通常具有以下特性：

1.高功率密度：需要在小型化封裝中整合更多的功能，提升功率轉換效率。

2.高熱量產生：高頻運作及高功率處理過程會導致熱量累積，進一步影響元件性能。

3.電氣性能需求：封裝需提供低阻抗、低損耗的電氣連接，確保訊號完整性。

4.機械穩定性：封裝需能應對熱膨脹、震動及其他環境應力。

高密度封裝的最新進展

圖二 : 西門子與聯華電子合作開發 3D IC hybrid-bonding 流程

高功率元件的小型化和高密度封裝需求，推動了多項技術的快速發展，其中包括：

異質整合技術

異質整合將不同材料和功能模組（如功率元件、邏輯晶片、記憶體）整合在單一封裝內。這種技術不僅減少了連接損耗，還能顯著提升系統性能。例如，Foveros 3D封裝技術採用垂直堆疊設計，有效縮小系統占用空間，適合高效能應用。

先進封裝材料

為了提升散熱效率，許多封裝技術採用了高導熱材料，例如氮化鋁（AlN）、氮化矽（SiN）以及金屬陶瓷基板。這些材料具備高熱導性和良好的機械穩定性，能顯著降低工作溫度。

內嵌式功率元件

內嵌式設計將功率元件直接嵌入基板中，縮短了熱量傳遞路徑並減少熱阻。這種技術特別適合於需要極高功率密度的應用，例如數位電源管理模組（DPM）。

矽中介層技術

矽中介層技術（Silicon Interposer）利用矽中介層進行高頻與高密度的訊號連接，這種技術常見於2.5D封裝中，能有效降低訊號延遲並提升系統性能。

晶圓級封裝

晶圓級封裝（Wafer-Level Packaging；WLP）透過直接在晶圓上進行封裝製程，WLP技術可進一步縮小封裝體積，適用於需要極小化尺寸的元件，例如智慧手機中的高功率元件。

嵌入式多晶粒技術

嵌入式多晶粒技術（Embedded Multi-Die Interconnect Bridge；EMIB）能以成本效益的方式實現高性能異質整合，適合於多功能模組的應用，例如高效能運算及AI處理。

CoWoS技術

台積電的Chip-on-Wafer-on-Substrate（CoWoS）技術是目前最先進的2.5D封裝方案之一，專為高效能運算和AI應用設計。該技術透過在矽中介層上整合多個晶片，提供高頻寬、低延遲的互連能力，並支援更大的封裝尺寸，適合整合HBM（高頻寬記憶體）模組。最新進展顯示，台積電的CoWoS技術已成功應用於NVIDIA最新的AI加速器，提升資料處理效率，並解決高效能運算中的散熱挑戰。

熱管理技術的優化與突破

隨著功率密度的提高，熱管理成為元件性能與可靠性的關鍵。最新的熱管理技術主要集中在以下幾個方面：

1.高效散熱結構設計：主要展現於封裝內部與外部的多層設計，例如引入微型散熱通道、液態冷卻和蒸氣腔（Vapor Chamber）技術。這些方法可顯著提升散熱效率，減少局部過熱。

2.主動散熱技術：結合智能溫控技術與主動冷卻設備，如電子熱泵和微型風扇系統，可以動態調節元件溫度，延長使用壽命。

3.熱電材料與模組：透過使用熱電轉換模組，將多餘的熱量轉化為電能，不僅能有效管理熱量，還可以提升能源使用效率。

4.AI輔助熱管理：人工智慧技術正在熱管理領域展現出潛力。透過AI模型，可以預測元件熱分布並優化散熱設計，實現更高效的冷卻方案。

高功率元件廠商動態

圖三 : 在高功率元件領域，主要廠商正積極投入技術研發與市場布局。

在高功率元件領域，主要廠商正積極投入技術研發與市場布局，以下為幾個重要廠商動態：

1.台積電（TSMC）： 台積電作為全球最大的半導體代工廠，持續推動先進封裝技術，如CoWoS和InFO，專注於高效能計算和AI應用領域。此外，台積電在氮化鎵（GaN）功率元件的量產上也取得重要進展，滿足電動車和消費電子的高效能需求。

2.英特爾（Intel）： 英特爾加速其Foveros 3D封裝技術的部署，並在IDM 2.0戰略下加強其先進封裝解決方案，尤其在HPC與伺服器處理器市場中獲得顯著成果。

3.安森美（onsemi）： 安森美專注於電動車與再生能源領域的高功率元件，推出了基於碳化矽（SiC）的先進產品組合，並投資擴大SiC晶圓產能，確保供應鏈穩定。

4.羅姆（ROHM）： 羅姆在汽車和工業應用領域的功率元件創新表現出色，尤其是在SiC技術上的深耕。羅姆的最新產品系列提供更高效率和更小體積，適用於充電樁和高壓電源。

5.意法半導體（STMicroelectronics）： 意法半導體強化其氮化鎵和碳化矽元件的產品線，並推出針對快充應用的高效能解決方案。此外，其整合性封裝技術應用於工業自動化和智慧家庭領域。

6.日月光（ASE）： 作為領先的封裝與測試服務供應商，日月光大力投入異質整合與晶圓級封裝技術，並與主要晶圓代工廠合作，提供高功率元件的全方位解決方案。

結語

高功率元件的創新封裝技術與熱管理解決方案正在為電子產品的未來發展鋪路。隨著高密度封裝和熱管理技術的不斷進步，我們將看到更高效、更可靠的高功率元件應用於各不同產業，推動技術的持續演進。在這個挑戰與機遇並存的時代，持續的研發投入與技術創新將成為決勝關鍵。