台积电锁定12英寸碳化硅新战场，布局AI时代散热关键材料
2025/9/26 10:32:33 材料来源：半导体材料行业分会
据科技新报消息，全球半导体产业迈入人工智能（AI）与高效能运算（HPC）驱动的新时代，散热管理正逐渐成为影响芯片设计与制程能否突破的核心瓶颈。当3D堆叠、2.5D整合等先进封装架构持续推升芯片密度与功耗，传统陶瓷基板已难以满足热通量需求。晶圆代工龙头台积电正以一项大胆的材料转向回应这一挑战，那就是全面拥抱12英寸碳化硅（SiC）单晶基板，并逐步退出氮化镓（GaN）业务。此举不仅象征台积电在材料战略recalibration，更显示散热管理已经从“辅助技术”升格为“竞争优势”的关键。
碳化硅以宽能隙半导体闻名，过去主要用于高效率电力电子器件，如电动车逆变器、工业马达控制与新能源基础设施。然而，SiC的潜力不止于此，优异热导率可达约500W/mK，远高于常见陶瓷基板如氧化铝（Al2O3）或蓝宝石（Sapphire）。
AI加速器、数据中心处理器及AR智能眼镜等高密度应用逐步落地，散热空间受限问题日益严峻。尤其是在穿戴式设备中，微型芯片组件贴近眼睛，若无精确的热控将影响安全与稳定性。这使得台积电凭借长年在12英寸晶圆制程的经验，正推动以大尺寸单晶SiC取代传统陶瓷基板。这意味着不必重建制造体系，即能在既有产线导入新材料，兼顾良率与成本优势。
虽然，用于散热管理的SiC基板不需达到功率元件那般严苛的电性缺陷标准，但晶体完整性依旧至关重要。许多外在因素不仅会干扰声子传导，削弱热导率，还可能造成局部过热，进而影响机械强度与表面平整度。对12英寸大尺寸晶圆而言，翘曲与变形更是关键课题，因其直接影响芯片贴合与先进封装的良率。因此，业界焦点已从“消除电性缺陷”转向“确保体密度均匀、低孔隙率与高表面平整度”，这些条件被视为高良率量产SiC散热基板的前提。
报导表示，SiC结合了高热导率、强机械性与抗热冲击性，在2.5D与3D封装架构中展现出独特优势。例如在2.5D整合方面，芯片并排架设于硅或有机中介层上，信号连接短且高效，散热挑战主要在水平方向上。另外，在3D整合方面，芯片透过硅通孔（TSV）或混合键合垂直堆叠，连线密度极高，但散热压力也随之倍增。因此，SiC除了能作为被动散热材料，亦可搭配钻石、液态金属等先进散热方案，构成“混合式冷却”解决方案。
此前，台积电宣布，预计于2027年前逐步退出氮化镓（GaN）业务，将资源转投SiC领域。此举显示公司对市场与材料策略的重新评估。因为相比GaN在高频应用优势，SiC在热管理的全面性与可扩展性更符合台积电的长远布局。12英寸大尺寸化，不仅可降低单位成本，还能提升制程均匀性。尽管SiC在切片、抛光与平坦化上仍面临挑战，但台积电的既有设备与封装工艺能力，使其有望克服障碍，加速量产落地。
事实上，过去SiC几乎与电动车功率元件划上等号。然而，台积电正推动SiC跨入新应用，例如导电型N型SiC作为散热基板，在高效能处理器、AI加速器中承担热扩散角色；或者半绝缘型SiC为中介层（Interposer），以在芯片分割与chiplet设计，提供电性隔离与热传导兼顾的解决方案。这些新路径，意味着SiC不再只是“电力电子的代名词”，而是将成为AI与数据中心芯片“热管理骨干”的基石材料。
高阶材料领域，钻石与石墨烯虽拥有极高热导率（钻石可达1,000~2,200W/mK，单层石墨烯更高达3,000~5,000W/mK），但其高昂成本与制程规�；�，使其难以成为主流。液态金属、导电凝胶与微流体冷却等替代方案虽有潜力，但在整合性与量产成本上亦存挑战。相较之下，SiC以“性能、机械强度与可量产性兼具”的特点，展现出最具实际性的折衷方案。
因此，台积电在12英寸晶圆制造上的深厚经验，使其有别于其他竞争者。不仅能以既有基础加速SiC平台建构，还能凭借高度制程控制能力，快速将材料优势转化为系统级散热方案。与此同时，英特尔推动背面供电（Backside Power Delivery）与热─功率协同设计，显示全球龙头厂商皆已将散热视为核心竞争力。
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