直至今日，晶片的設計與製造都在講究矽晶圓的土地利用效率，稱之為矽房地產（silicon real estate）開發。傳統的晶片製造是將結構從做為基板（substrate）的矽晶圓上一步一步堆疊上去的，乃至於後段製程（Back End Of Line；BEOL）的金屬連線。一開始做為IC的基礎元件電晶體只做一層，像以前的平房，雖然房屋可以櫛比林立，但是整體的建築景觀是平整的2D街景。然後是地下室了。在DRAM發展製程的過程中，電容建構在過往方式之一是向下挖深溝，稱為深溝電容（deep trench capacitor）。電容存在於電晶體的水平面之下，算是地下室吧！這是積極爭取建築容積率的第一步。以上的平房、地下室的想法在人類史前文化就有，要不，到良渚文化遺址去瞧瞧。從電晶體乃至於金屬連線都建構於晶圓的一面，這一面叫前面（front side）。電晶體積體整合程度變高之後，整個晶片就像鄉村變成都市，公共設施如供電網、下水道、交通等就得納入都市計畫。晶片上最重要的公共設施至少包括有電源、信號和熱耗散。電源和信號由最上面的金屬連線層處理，而熱耗散猶如廢水，處理不好晶片便無法持續運作。很久以前處理熱耗散問題，腦筋動到晶圓背面（back side）。功率元件雖然不算是IC，但是由於功率元件高壓、大電流所產生的焦耳熱（joule heat）會讓晶片發燙，勢必要有快速排除廢熱的管道，於是有了BGBM（Back Grounding Back Metalization）的製程—將晶圓底部磨薄，然後鍍上金屬，讓電晶體的散熱快些。這個也可以用城市的基建打個比方：廢熱的下水道。再來是蓋樓了。3D NAND的製程驚才絕艷，只使用4、5個光罩便能做成32層的結構，大幅增加可能儲存的資訊數量。蓋高樓層的自由度一旦打開，建築物的容積率隨樓層數的增加而倍數大幅成長，減輕2D時代晶片地基必須持續微縮的壓力。再下來是處理信號的問題。晶片中傳統的信號大致以電子傳送，管道是製程中的各層金屬連線，至今仍是如此，但是這只是內部的信號傳遞形式。現在的晶片多才多藝，也可以從外界汲取資訊—譬如光，然後再轉成電信號，CIS （CMOS Image Sensor）就是最好的例子，其後也引領著半導體製程創造性的變革。傳統CIS架構與CMOS的建構過程相彷，先做光二極體（photo diode），這算是某種類型的CMOS，其功能是把接收到的光信號轉成電信號，以便後續處理。其上也有一般晶片的幾層金屬連線，更上面有光線進入後的微鏡頭（micro lens）和濾色片（color filters）。微鏡頭這端叫前端（front side），是晶片的正面（face）。這整個製程就依循CMOS製程的傳統的智慧。但是光進來後先要穿越正面幾層滿布金屬線的縫隙，以及晶片的中層結構，才能抵達對光敏感的光二極體。光的吸收效率很差。從工程設計的角度來看，光經微鏡頭、濾光片後應該先抵達光二極體，直接讓它吸收，轉化成電信號，然後經金屬連線把信號送出去，這才是合理的設計。之所以會變成如此彆扭的結構，乃因半導體CMOS製程在演化過程中，就是將CMOS先置於底部，再將線路逐漸長上去的。無獨有偶，大部分的生物的眼睛也有如此因演化過程產生的工程謬誤。人類眼睛的盲點就是在光敏細胞的演化過程中，視神經先長到視網模前，這個演化的遺跡殘留到以後更複雜的眼球結構之中，視神經阻擋視網膜對光線的部分吸收，以致於接近視界的中心點兩側都有對影像無感的盲點。演化無法重來，但是工程可以重新設計。CIS如此彆扭結構，解決的方法就是從晶片背面著手：光的進入孔道微鏡頭、濾光片從比較接近光二極體（視網膜）的方向進來—就是晶圓的背面，在光二極體處轉化成電信號後再由上層的金屬線路（視神經）送出去處理。這樣的結構不會讓光被金屬連線阻擋干擾，結構合理多了。如此的CIS結構叫背面照明（BI；Back-side Illumination），而老一代的CIS則叫前面照明（FI：Front-side Illumination）。光是一種信號，比之於建築中的線路屬於弱電系統，現在晶片中的部分弱電線路也地下化了，像是光纖或電纜。CIS的結構本來就由多種效能的晶片功能模組拼湊起來，至少包括像素陣列（pixel arrays）、類比線路（Analog to Digital Converters；ADC）、邏輯線路（Image Signal Processors；ISP）等組成，而這些模組在半導體製程看來就是異質（heterogeneous）。因此在異質整合（heterogeneous integration）的年代開始後，CIS的結構創新引領許多矽房地產變革的生發。

2023年5月21日中國國家互聯網資訊辦公室發布消息稱，美光（Micron）在中國銷售的產品未通過網路安全審查。按照中國《網路安全法》等法律法規，中國境内關鍵資訊基礎設施的營運者，應停止採購美光產品。針對這件事，南華早報在2023年5月29日已做評論。在中美科技對峙的氛圍下，美國的科技公司遭逢此種裁定是意料中事，美光成為箭靶是因為「美光是美國對中國不僅提起多次智慧財產權訴訟，還經常遊說美國反對中國的大型晶片產業公司」。南華早報這一部分的陳述離事實並不太遠，美光是全世界記憶體廠商中最常使用非商業競爭手段打擊同業的。專利侵權、反傾銷（anti-dumping）、反補貼（counter-veiling）等手段使用得淋漓盡至，充分利用美國在國際政治的力量，以及過去是世界重要半導體市場的主場優勢。世界上沒有任何一家記憶體公司能倖免於此困擾。即使其本身亦有涉案在DRAM反壟斷案中，美光也以其較熟悉的反壟斷局寬大處理計畫（Leniency Program）最後安然脫身。美光如此常態行為，的確較容易成為反制的對象，但是中國政府是否真正以此因素為主要考量而下此決定，就不得而知。中國官方宣布的根據或理由令人費解，主要是因為DRAM的產品特性，它是「大宗商品（commodity）」。DRAM產品有世界統一的規格，像DDR4、DDR5、LP DDR4等介面規格，同一規格的產品，其電壓、傳輸速度、訊號次序等規格是完全一樣，都是由JEDEC這個組織統一制定的。理論上，一家公司某一特定介面的產品完全可以被另一家公司相同介面的產品直接插拔替代。如果美光的產品要刻意增加其他公司沒有的「功能」，這些增加的線路勢必在產品的成本上重懲美光。所以說這個根據或理由，業內人士很難理解。如此措施會引發哪些市場反應呢？當前的記憶體市場由於PC和手機市場的低迷，處於極端的不景氣狀態之中，這是整個產業現在共同感受。這個裁定對於美光的短期衝擊雪上加霜是顯而易見的。但有幾個理由會讓這個裁定的影響可能沒有想像中的嚴峻。第一，是美光的前置準備。這幾年中美科技的對峙已經持續多時，特別是美光在與晉華進入訴訟程序之後，美光不可能沒有應變計畫，否則就是經營得太漫不經心了。第二，是美光傳統的市場策略。美光在很長一段時間內的市場策略是極大化利潤，而不是保持客戶的黏著度，理由是前述的DRAM是大宗商品這一原因。由於記憶體是大宗商品，很難由產品的差異化來提升顧客的忠誠度，利潤極大化是合理的市場策略。基於此一市場策略，美光銷售體制使產品銷售對象轉換的彈性即相對較高。第三，還是大宗商品的特性所導致的。DRAM由於可相互替代，對於系統公司零件轉換成本較低，只要有價格差距就有轉換誘因。所以此措施淨效應就是記憶體各寡佔公司與顧客的重新議價與配對洗牌。顧客與供應商重新接頭、議價需要交易成本，也需要時間，所以將延緩整個產業的復甦時間。對於個別廠而言，當然會有所損失，但是還不致於窒息。大宗商品嘛，如水銀瀉地，無孔不入的。要不，俄國石油被那麼多國家抵制，不也賣得好好的？

混合鍵合技術的新應用中，最引人注目的當屬高效能計算（High Performance Computing；HPC）。HPC在晶圓代工的產能中佔據最顯著的份量。HPC架構主體主要含處理器和記憶體。處理器通常以最先進的邏輯製程製造，但是記憶體（DRAM）的製程進展較邏輯製程緩慢，這個就產生落差。兩者之間溝通落差限制整體表現，而且製程也截然不同，屬於「異質」。延伸報導先進封裝技術競逐略有起伏　HPC導入熱度高於手機AP解決兩者之間效能落差的方法之一是利用平行處理。現在的處理器多具有雙位數數量的核（cores），每個個核需要支援其運作的個別記憶體。數量如此多的核-記憶體之間的連線需要多個I/O接點以及高頻寛，這就是十年前開始出現高頻寛記憶體（High Bandwidth Memory；HBM）需求的驅動原因。HBM是用2.5D封裝技術將CPU與至多8個DRAM堆疊封裝，其處理器與記憶體之間的連接是透過晶片的微鍵（microbond）連接底下中介層的金屬線至另外的晶片，如此一來I/O與連線的密度都可以大幅增加。對於常用於AI常用的GPU晶片，其核的功能比較專一，所以每個核的面積較小，一個晶片裡核的數目動輒上千。每個核所需要對應記憶體容量不需要很大，但是因為核與記憶體的數目有數量級的提升，連線及I/O的數目要求更高，此時銅混合鍵合就能提供其所需要的效能。這個應用也是目前多家代工廠、DRAM廠的技術及業務能力擴展方向。2022年3月Graphcore發布於台積電造的Bow IPU號稱是世界第一個3D WoW處理器，利用到的是混合鍵合的另一種優勢。2片晶圓一邊是AI處理器及其協作的記憶體，主要包括1,472個IPU（Intelligent Processor Unit，Graphcore為其處理器的命名）以及與各IPU協作的獨立900MB的分散式SRAM；另一個晶片負責提供電源。如此結構設計，Graphcore宣稱可以提升效能40%以及節省功耗16%。超微（AMD）最近的Ryzen系列也因為不同的原因採取混合鍵合技術，雖然使用的是CoW的技術，而非WoW。超微將CPU中面積較大的L3 cache單獨拿出並擴增容量、單獨生產，在不增加CPU系統面積的情況下，增加可用的SRAM容量，減少一般資訊處理必須傳送到DRAM的需求，因而提升速度、減少功耗。延伸報導銅混合鍵合的發展與應用（二）：商業化應用其他混合鍵合的應用現在可預見的還包括無線通訊、AIoT、PMIC等。在混合鍵合的製造成本下降後，應用領域還有可能延拓的更廣泛。從晶片異質整合、效能提升、減少功耗、縮小面積等的幾個優點考量，只要混合鍵合的成本下降至各優點的價值臨界點後，技術的採用將會一一浮現。學習已經商業化的、正在醞釀中的應用並且分析其得失，是尋找新應用的 必要學習過程。

混合鍵合的最大特色是晶片對外連接金屬墊（metal pad）的尺度是「半導體製程級」的。相較於之前用於中介板的微凸塊（microbump）間距40um，混合鍵合的鍵合間距可以小達1~2um，限制尺寸的原因主要來自於對齊的精確程度，還有進一步改善的空間。這樣的鍵合間距代表每平方公分晶片面積可以承擔百萬個連結，這比任何既存的封裝方式都有幾個數量級的提升。連線鍵合數目愈多意味著2個晶片之間容許更高頻寬的溝通，有利於平行運算，也容許較高電流。功能模組之間的連線也較尋常方式為短，所以速度快、噪音低、功耗也較小。另外混合鍵合本來就是異質整合、3D堆疊先進封裝中的一種方法，所以二者的優點也自然都有。商業應用混合鍵合的半導體產品，首先是 Sony的CIS。CIS有幾個組成部分：畫素陣列（pixel array）、類比數位轉換器（Analog-to-Digital Converter；ADC）、影像訊號處理器（Image Signal Processor；ISP）。畫素陣列基本上是1層多晶矽（polysilicon）與5層金屬的製程；ADC與ISP則是1層多晶矽與10層金屬的製程，二者的製程差距甚遠，符合「異質」特徵，應該分別製造。二者的3D晶片堆疊還能縮小鏡頭尺寸，所以Sony早在2016年就將分別製造的畫素陣列晶圓與ADC+ISP晶圓混合鍵合，替代原來在同一晶片的設計製造。由於混合鍵合大幅增加金屬連線密度，使得ADC可以平行處理畫素，大幅提升畫面處理的能力，譬如全域快門（global shutter）、影片的每秒幀數（frame per second）等。目前的設計趨勢是向每個畫素都有獨立的ADC方向邁進。進一步的工作是將DRAM也加入CIS的3D堆疊，做為畫素處理的緩衝記憶體（buffer memory）。Sony和三星電子（Samsung Electronics）都有此設計，只是DRAM堆疊位置不一。影像在車輛的應用，譬如用來偵測前方物件距離的時差測距（Time of Flight；ToF）的單光子雪崩探測器（Single Photon Avalanche Detector；SPAD）；或在工業的應用，譬如機器視覺（machine vision），都可能需要再加入能執行邊緣計算（edge computing）晶片。CIS啟動混合鍵合的商業應用，歷史較長，較長遠的應用規劃也漸入視野。另外一個也進入商業量產的應用是3D NAND。平面NAND的記憶體細胞陣列（memory cell array）與其他邏輯線路-包括微控制器（microcontroller）、位址寄存器（address register）等，是放在同一晶片上的。3D NAND 的記憶體細胞陣列持續往3D方向堆疊，但是邏輯線路上方卻空無一物，嚴重浪費珍貴的晶片房地產（real estate）。所以長江儲存首先以XtackingTM技術將邏輯線路部分以混合金鍵合方式置於記憶體細胞陣列之下，大幅提高晶片房地產使用效率。其他公司後來也採取類似方法。不過在此例中，金屬墊的密度不需要特別的高。

先進封裝大概可以分為兩大類趨勢：一個是小晶片（chiplet）。小晶片將傳統上較大型的積體線路分拆成許多較小的功能模組，先個別予以優化。再使用這些已優化的小晶片組織新的次系統。這樣可以重複使用IP，大幅加速產品設計的速度以及降低設計成本。至於各個小晶片之間的連接，倚靠底下仲介層（interposer）內的金屬連線。此連線的密度當然遠高於傳統的線路板或封裝I/O所能支援的密度，大幅增加線路運作頻寛（bandwidth）、增大平行運算的操作空間。另一個方向自然是異質整合（heterogeneous integration）。將不同製程或不同材料的晶片堆疊在一起，以整合方式提升、擴充組裝元件的功能。除了已經商業化的方法外，基本上有晶片－晶圓（Chip-on-Wafer；CoW）及晶圓－晶圓（Wafer-on-Wafer；WoW）等2種鍵合型態。二者在鍵合後都需要再切割晶粒，但是也有例外。CoW程序較複雜，所以WoW可能早些普及。晶圓間鍵合的技術又有很多種，現在已經進入商業化的技術之一是「銅－銅混合鍵合」（Cu-Cu hybrid bonding），這也是本文討論的主題。銅－銅混合鍵合技術是將2片欲鍵合在一起的晶圓，各自完成製程最後一步的金屬連線層，此層上只有2種材質：銅及介電質。介電質可以是氧化矽或高分子材料，二者各有優缺點，使用何種物質依製程需要而定。由於晶圓鍵合時牽涉到銅及介電質兩種材料介面，所以稱之為混合鍵合。2片晶圓面對面鍵合時是銅金屬對銅金屬、介電值對介電質，兩邊鍵合介面的形狀、位置完全相同，晶粒大小形狀也必須一樣。所以使用混合鍵合先進封裝技術的次系統產品各成分元件必須從產品設計、線路設計時就開始共同協作。混合鍵合製程約略如下：兩邊晶圓在完成最上層之金屬製程後，經化學機械研磨（Chemical-Mechanical Polishing；CMP）及清洗後，2片晶圓面對面對齊（alignment）。介電質先經離子活化（ion activation），兩邊介電質接觸後產生共價鍵。兩邊銅的表面原先較介電質稍低，在退火（annealing）時因膨脹係數較介電質為大而增高接合，兩邊銅離子因相互擴散（diffusion）進入對方而形成密切的永久性接合。晶圓平坦化（planarization）不足、殘留粒子、對齊誤差及金屬介面孔隙（void）等均有可能影響元件特性或失效。目前混合鍵合機台已有多家設備廠商投入量產。如EVG、SUSS MicroTech、TEL、AML等，典型機台如EVG的Gimini系列。由於現代設備廠商在銷售機台時多附有機台相關之基礎製程，混合鍵合製程的開發通常不算是嚴峻的挑戰。目前銅混合鍵合的封裝製程良率已經可以到達一般後段封裝的典型良率99%以上。一部分原因是於此技術的累積發展與已經商業化的機台設備同步，但是更重要的原因是兩邊晶片的設計團隊期前的設計溝通，在重複單元區留下適度的冗餘（redundancy），當鍵合時發生缺陷時，有足夠的空間來騰挪。

除了純粹光學的方法外，還有其他方法也可以用來定義半導體的精細圖案。奈米壓印微影（Nano Imprint Lithography；NIL）也發軔於90年代中期，至今還未進入量產，但是其解析度經驗證已可達10 nm以下。NIL的操作是先以電子束微影（electron beam lithography）在「光罩」（其實更像是模版）上寫下欲轉錄圖形的陰刻，然後壓印在已塗佈低粘度（low viscosity）的「光阻」（這物質其實與光敏無關，只是用來抵擋蝕刻）的矽晶上，讓光阻流入圖形陰刻中的溝槽後，以紫外光照射用以固化（curing），形成光阻覆蓋圖形。後續的工作就如同一般的製程一樣，開始蝕刻光阻未覆蓋的區域。NIL有能力用來製造出3D圖形。如此操作可以省卻複雜的光源及龐大的透鏡／反射鏡所組成的光學系統，而且在關鍵層（critical layer）可以只用1次操作完成，所以預期的產量較高。一個微影系統的能力通常以圖形化（patterning）、疊加（overlay）以及量產能力（throughput）來評估。其中圖形化是指生成所需圖形的能力，主要是解析度；而疊加是指上下2層圖形的對齊精準度。目前的進展是對於3D NAND產品NIL的圖案化及疊加能力已達滿意程度，等待量產能力達標後，即可投入產線。對於DRAM，圖形化能力已達14 nm （1a）節點，疊加能力猶待展示；記憶體是NIL比較可能的先期應用。NIL技術主要由日本所開發，佳能（Canon）在90年代未能接受美國授權EUV技術後即轉向NIL方向發展。晶圓廠方面，東芝（Toshiba）於2000年初即投入研發。目前威騰電子（Western Digital）想收購東芝的原因除了擴大生產、研發的規模經濟外，東芝擁有NIL技術、可用於投入MRAM的生產也是吸引力之一。另外，中國也開始投入NIL的研究，這是中國半導體技術自主化中的一環。定向自組裝（DSA；Directed Self-Assembly）是與前述2種技術完全不同概念的運作，DSA也發軔於90年代中期，其時複雜系統（complex system）領域中的熱門研究題目之一是元胞自動機（cellular automata），它是指一個單元可以用簡單規則建立一套複雜系統的模型，DSA就是藉助此概念所發展出的方法。如此跨領域創新，在半導體學院可教不來。 光學微影（photolithography）與NIL都是從上而下（top-down）來定義圖形，亦即圖形先從巨觀尺度定義完成後再去處理圖形中的內容物質；而DSA則是由原分子階層由下而上（bottom-up）組成所需圖形。 DSA使用嵌段共聚物（Block CoPolymers；BCP）當成主要材料，常用的材料為聚苯乙烯嵌段聚（甲基丙烯酸甲酯）[poly（styrene-block-methyl methacrylate）；PS-b-PMMA]。DSA是2條互斥（repulsive）的高分子鏈以共價鍵銜接在一起，對於其他的化學物質有不同的親和性（affinity），這是用來操縱形成不同圖案的主要機制。DSA亦可形成3D圖形。DSA的實際運作首先要形成引導圖形（guiding pattern）—引導BCP自組裝成需要圖形的外在框架，有2種主要方法：圖形外延（graphoepitaxy）以及化學外延（Chemoepitaxy）。前者是先以微影方式定義引導圖形（guiding pattern）的3D拓樸形狀，譬條狀平行溝槽，然後在溝槽壁上或溝槽底部塗佈上特定化學品，沉積BCP於其上。2條高分子鏈中的1條對於以塗佈的化學品具有高親和性，黏附於其上，剩下的就靠高分子之間的自組裝，形成需要的圖形；化學外延則是在基板上直接塗佈較高密度的化學品，剩下的也全靠高分子之間的自組裝機制。DSA既然也需要微影技術來定義圖形，為什麼還需要DSA？原因是DSA自組裝形成圖形的密度較微影技術為高，目前DSA的解析度已達12.5 nm，而且還在繼續向下發展。DSA搭配EUV、做為增強EUV解析度的手段是目前考慮的使用方向之一。相對於NIL，DSA還需要更長的時間才會成熟量產。DSA在量產的2個預期的主要應用為線／間距（line-space）和接觸（contact）圖形，前者是記憶體金屬層的最關鍵技術，因此記憶體公司對DSA的投入較深。目前的微影技術其實離最終極的原分子尺度並不太遠，但這並不意味著對於原分子尺度的運作操控將止步於此。像NIL與DSA都跳脫傳統光學微影系統的思維，利用新的物理、化學機制與材料，更多基礎科學的投入才能容許半導體產業走更長遠的路。延伸報導先進微影技術發展(一)：既有設備路徑的延伸

微影技術是半導體產業用以定義精細圖案的主流手段，目前最先進的技術是極紫外光（EUV），最近的量產設備為ASML 的TWINSCAN NXE：3600D。使用的光源是由二氧化碳雷射打到錫（tin；Sn）電漿（plasma）後，產生13.5 nm的極紫外光。數值孔徑（Numerical Aperture；NA）為0.33，這個數值反比於解析度（resolution，或為Critical Dimension；CD）；微影技術中NA愈大愈好。其解析度為13 nm，生產能力（throughput）每小時可以處理160片晶圓。這機型支援7奈米、5奈米製程的量產。有一個常有的誤解，是5奈米製程其實並不代表其解析度恰好為5 nm，這數字是技術節點（technology node）的名稱。過去此數字的確是代表此一製程的臨界尺度，譬如邏輯製程的閘極長度（gate length）或者DRAM的半金屬間距（half metal pitch）。但是現在電晶體3D化、製程變得複雜，節點的命名代表的是依照摩爾定律演化曲線投射的電晶體數目、電晶體開關速度、功耗的等效名稱。微影技術的後續發展呢？據ASML最近的財報表示，改進的方向是往增大NA的方向，從目前的0.33增大為0.55，後者稱為高數值孔徑（high NA），可以進一步提高解析度。另一個方向是增加生產能力至220片，降低晶圓廠生產成本。理論上一個光源的解析度為其波長的2分之1，譬如EUV現在的光源波長為13.5 nm，理論上其單次曝光的殼達到的最佳解析度約略小於7 nm（重複曝光可以進一步改善解析度）。用較短波長的光源藉以達到更高解析度是以前理所當然的路徑，微影機的光源一路從g-line（436 nm）、h-line（405 nm）、i-line（365 nm）等可見光進展到KrF（248 nm）、ArF（193 nm）的深紫外光（DUV），主要的進展都是靠縮短光源波長來改進解析度的。但是從DUV遷移到EUV牽涉到結構上重大的變革，有2個重要因素。在光源方面，沒有自然的原分子可以被激發後釋放出EUV，所以必須以二氧化碳雷射去多次激發錫電漿。另外，EUV被幾乎所有的東西所吸收，包括空氣以及石英（以前用來做光罩的材料）、透鏡等，所以所有的EUV光學系統都得改成在真空中以鏡子反射式的呈像，這是一個顛覆式的重大變革。EUV的研究肇始於1990年代初，當時DUV的半導體量產機台還未導入量產呢！之所以要花20幾年的時間來研發，因為是對一個更精密系統的重新創造。而且目前的EUV是一步到位的研發。EUV的定義是波長落於10~210 nm之間的光，目前EUV的波長13.5 nm已在EUV定義的邊緣，波長再短就是x-ray了。到那時候又是另一套全新系統的開發。X-ray 也會被空氣吸收，而可能的光源之一是1990年代就提議過的同步輻射，那可又是一場全新的遊戲。所以沿著光學微影方向發展的下一步呢？比較大的可能是超高數值孔徑（hyper NA），NA=0.75，這可以讓解析度比目前至少再提高個2倍。配合其他常用的製程手段，譬如多重曝光、過度蝕刻等，看能否接近矽原子的天然解析度極限。這個路徑雖然是演化式的，但是研發經費仍然是天文數字。後面有沒有足夠的高階應用來分攤這前頭的龐大研發經費，這是個經濟問題。

美國能源部公布自2008年至2022年以來，電動車電池的價格下降89%。降價的2個主要原因是因為量產以及電池技術的進步。量產的驅動力來自於電動汽車量的增加，而規模經濟的效果自不待言。技術的進步值得一提，其中研究主軸自然是材料，但範圍包含廣泛的電化學、電極材料、電解液、催化劑、機構、監控等。在這統計的14年中，不僅奈米科技一日千里，容許工程人員對微小物質的操控，而且這段時間也是材料科學成長出新的研發臂膀期間，理論的新手段如第一原理計算（first principles calculation）、機器學習乃至量子運算等，紛紛被應用到電池材料的研發。這些手段在進入實驗之前，可先預測目標材料種類及特徵參數，實驗結果往往也與預測相近，這些開發手段的改變大幅縮短開發時程、降低開發的經費。掌握這些新研發方法，乃電池研發競爭的主軸之一。車用電池發展與注重企業ESG的年代也重疊，因此企業經營必須將整個生態環境計入經營考量，企業再無外部成本可言。鋰離子電池中使用較多的鋰、鎳、鈷等金屬，如果按照目前的使用效率及市場成長估算，目前已知的礦藏量可能在10年後告罄，所以分級使用以及資源回收勢在必行。譬如電動車電池在充電率降至90%之後，經廠商修整再移至再生能源當儲能設備使用，最終進入資源回收的循環。電動車電池一直存在著地緣政治的議題，主要原因是電池是電動汽車的核心，而中國掌握全世界60%電池組製造，高度集中的比例在今日地緣政治的環境下，令人擔憂電動車電池也會被用來做為戰略槓桿工具。筆者有幾個理由，認為這是過慮了。第一個原因是原材料。世界的鋰礦藏大部份在南美洲三國：玻利維亞、阿根廷、以及智利，其次是澳洲。中國有70%的原材料依賴進口，但是中國對於礦藏本身可能擁有部分所有權。如果鋰離子電池一旦升級為戰略物資，各國普遍有政府可以徵用的法令，啟動槓桿戰略的可能，中國自己先反受其害。第二個理由是中國雖然電池組產量佔全世界60%，但是電動車產量亦佔50%以上，而且上升勢頭甚猛，譬如2022的出口輛數就較2021的多1倍。在自己使用供需略近平衡的狀況下—而且電池成本目前佔電動車成本近40%，本身價值不菲—將電動車電池當成戰略槓桿武器使用是不切實際的。一旦供應鏈重組，中國自己受傷害的機率很大。第三是新電池的發展仍然在持續發展之中，鋰離子電池未來是否仍然是主流產品仍在未定之天，這也是各界關注電池產業發展的焦點。近期趨勢是重回鈉離子電池。雖然鈉離子電池因為鈉的原子序較大，其比能量目前處於100~150 Wh/kg，仍然略遜於鋰離子電池的120~180 Wh/kg，但是其原材料價格便宜甚多：碳酸鈉（sodium carbonate）每噸就300美元上下，而碳酸鋰（lithium carbonate）2月價格略低於50萬美元。二者價格有上百倍的差距。鈉離子電池還有其它的功能性優點：可以在較低的溫度工作，也沒有過放電（overdischarge）的問題（鋰電池電力完全用完時負極可能受損）；鈉離子電池的導電率也較高，所以比功率、充電速度也較高。另外，鈉離子電池在短路時升溫較鋰離子電池慢，相對較安全。鋰離子電池的負極（anode）通常是石墨（graphite），正極（cathode）常用鈷酸鋰（lithium cobalt oxide）；鈉離子電池要複雜得多。負極因鈉離子較大，沒辦法嵌入石墨中，必須用硬碳（hard carbon），而硬碳價格很高，一噸在十數萬美金之譜，這降低了鈉原材料的成本優勢；而正極材料亦較鈷酸鋰要複雜得多。即便有這些工程的挑戰，預計今年（2023年）鈉離子電池會進入量產，而鋰離子電池下半年可能會產能過剩。電動車產業從鋰離子電池邁向鈉／鋰離子混合電池的過程正在發生之中。在更長遠的未來，氫燃料電池（hydrogen fuel battery）—如果可以解決工程問題的話—是更理想的電池產品：原料氫和氧都沒有儲藏量的問題，而使用後的產物是水，也無環境污染和回收的問題。因為有這些可能的技術急轉彎的新產品，以鋰離子電池當成戰略槓桿物資的機率並不高。毋怪乎有些大的傳統汽車廠能氣定神間的在一旁靜觀，沒有加入鋰離子電池的競爭。目前只是初發韌期，所以電動車電池目前還沒有統一規格，一切有待觀察。延伸報導電動車電池（一）：材料演變與應用型態

電池是將電能或其他能量先轉化成化學能用以儲存能量，使用時再將所儲存化學能轉化成電能的電化學（electrochemistry）機構。電池的主要結構有3個部分：負極（anode）、正極（cathode）以及電解液（electrolyte）。電解液的功能是分隔負極與正極，並讓帶有電荷的電子和離子於負極與正極之間穿梭流動。電池自問世至今已超過160年，其樣態歷經過4種主要的材料：鉛酸（lead acid）、鎳氫（Nickel Metal Hydride；NiMH）、斑馬（ZEBRA，Zero Emission Battery Research Activity；NaNiCl2，主要成分是鈉、鎳、氯）以及鋰離子（lithium ion）電池。鉛酸電池現在還在服役，就是常見的汽車用以點火啟動電池。但是我們要談的電動車電池（Electric Vehicle Battery；EVB）是牽引（traction）用的，基本上是輸出力、驅動馬達、拉動電動車，與點火用電池的結構和設計略有不同。鋰離子電池的大量應用則自然是從手機的行動應用開始，主要考量當然是其輕盈可攜，之後這個好處就自然的被引入電動車電池的應用。從這電池系列的演化軌跡，我們發現了一個有趣的趨勢。如果把各種電池主要的金屬材料的原子序標出的話，依序是82、28、11、3。這代表整個產業對電池金屬材料的演化是一心一意朝向輕盈的方向邁進。事實上，鋰已經是最輕的金屬，比它輕的元素只有氫和氦，全是氣體，也不是金屬，無法當成電極來導電。一個完整的電動車電池由幾千個電池單元（cell）組成。先是由3、4百個電池單元串聯和並聯的方式組成1個電池模組（module），十幾個模組再組成1個電池組（pack）。以Tesla Model 3為例，其電池組就由7、8,000個單元組成。每個模組中有冷卻機制（cooling mechanism），並且用電池管理系統（Battery Management System；BMS）監控電池的健康狀況（State Of Health；SOH）：包括溫度和電壓等，以維持電池在安全的參數區間內工作，並監控充電狀況（State Of Charge；SOC）。一旦電池的溫、壓異常，電池上的保險絲會熔斷，以維護系統安全。通常電壓異常和保險絲熔斷是電池需要更換的2個主要原因。評估電動車電池對應用的妥適性時，有6個重要的指標：比能量（specific energy）、比功率（specific power）、生命週期（life span）、性能（performance）、安全性（safety）與成本（cost）。這裡的比能量指的是每公斤電池能儲存多少的能量；比功率是電池在每單位時間內能輸出多少能量。前者牽涉到電動車能走多遠，而後者則關於電動車能跑多快。生命週期指電池能充放電的次數，佐以電動車平均使用頻率，也可以粗估電池使用年限。安全性的考慮主要是在高熱、升溫的環境下，或者電池遭撞擊、刺穿的狀況下，鋰離子電池容易燃燒、爆炸。性能的考量較多樣，包括充電速度、低溫使用等特性。成本毋庸說明，目前鋰離子電池在量產日增的條件下，價格快速下降。但是未來勢必面對臨鋰礦逐漸枯竭的狀況，成本進一步繼續下降面臨挑戰。比能量是電動車能上路的基本考量，這決定一定重量的電池能讓電動車行走多遠？這是每一部能上路的電動車都要掛心的事，反過來這又決定1部電動車需要攜帶多少重量的電池？如果電池重量本身佔整部電動車重量的比例過高，能搭載的重量就很受限，畢竟電池的能量很大一部分是用來攜帶電池本身的重量。目前鋰離子電池的比能量約在120~180 Wh/kg之間，這是所有型態電池目前所能達到最好的數值。這6個因素在不同應用時需要針對應用均衡的考慮。目前對電動車電池應用工程實務的做法是稍微妥協比能量和比功率（因為稍有餘裕），以換取較快的充電速度、較長的生命週期以及較高的安全性。將鋰離子電池應用於電動車上的表現如何呢？目前進展狀況是，以Tesla Model 3為例，一部1.5噸的電動車攜帶400kg的電池大約可行駛400公里以上，30分鐘內可以充滿80%以上的電能，但是電池重量大約佔電動車總重量的3分之1！而上述的車行距離、電池重量、充電速度等資料，只能說是堪稱勉強滿足需求。鋰已經是原子序最小的金屬，輕無可輕。因此如何改進電池中的其他材料，譬如電極材料、電解液、催化劑等成分，以及電池的結構和控制等因素，以提高電池儲存電力、電化學能轉換效率，是目前電池研發重點。

半導體產業要因應汽車產業趨勢和現象所必要的變革，可從過去半導體產業的歷史中取經。車用半導體有一小部分需要用到高階製程，譬如L4、L5的自駕晶片，其中具備的機器學習功能，所用的製程自然與GPU類似，需要最先進的製程；其餘大部分的晶片則以較成熟製程對付即可。但這不表示這些晶片非屬高科技產品－高科技產業需要持續的投入資金研發，不斷創造新的經濟價值。譬如功率元件（power device）雖然毋需精細製程，但是其元件的材料和結構仍然還在持續研發當中，以求提升耐壓、高頻、可靠性等性能。現在高壓功率元件使用的是寬頻隙（Wide Band Gap；WBG）半導體如碳化矽（SiC）、氮化鎵（GaN），但是超寬帶隙（Ultra Wide Band Gap；UWBG）半導體如鑽石（diamond）、氧化鎵（Ga2O3）、氮化鋁鎵（AlGaN）、氮化鋁（AlN）等新材料，與使用這些材料設計的高壓功率元件研發已然上路，所以車用半導體零件的高科技特性仍然穩固，這一點對如何因應產業環境變化的策略制定是很重要的基礎因素。這2類汽車半導體對於汽車廠的需求與現象，也應該各自有策略性的回應。對於需要先進製程的晶片，代工模式仍然有明顯的優勢：集世界各式邏輯晶片需求之力，取得研發的規模經濟；相較之下，汽車廠的內部垂直整合半導體製造模式難以施行，因為存在利益衝突。即使客戶大如華為、Tesla，從來也只想自行設計，而非自行製造高階晶片。所以對於先進製程晶片，半導體產業所欠缺的只是區域供應鏈—Tesla計劃在台積電美國廠用先進製程生產高階自駕晶片，其中當然有源於疫情期間武漢汽車零件供應斷鏈事件，以及半導體產能不足問題取得教訓的考量。是故，這類車用半導體所需要的改變只是生產設施接近客戶，並且有分散來源及產能調配能力。這是目前半導體業乃至於電子業正在發生的事。其他類的半導體汽車零件就比較麻煩，如功率元件、MCU、感測器、通訊元件等。這類半導體零件，有個行之已久的半導體策略，因應區域供應鏈以及汽車產業內垂直整合的趨勢與現象：製訂產品統一規格、建立公用的測試驗證平台。一旦產品有統一規格，產品的設計者與應用者無須另行繁複的溝通；而有公用的測試驗證平台，產品也無須針對個別汽車廠，另外進行逐個內部冗長的驗證程序。半導體中最大的次產業DRAM就是受惠於此發展策略。所有公司生產的DRAM的所有規格是一樣的，並且可以互換使用，所以DRAM也被戲稱為「大宗商品」。DRAM公司之間用以差別化彼此產品者，只有產品的推出時間、價格與可靠性等幾個因素。因為有這統一規格的因素，市場形成完全競爭，產品價格大幅下降，在使用者端—在過去是電腦廠商，而後又加入手機廠商—傾向於大量使用以提高系統效能，此又進一步促成擴大DRAM市場，DRAM遂成半導體的最大次市場，相關製造業者也有能力累積足夠資金，成為2000年以前整個半導體產業製程技術的推手，持續半導體為高科技產業的屬性。此外，其主要的應用，如產業電腦和手機也得以快速發展，這是一個半導體產業與系統產業雙贏的策略。將此策略施用於汽車半導體零件，很可能也會有類似的效應。事實上半導體的行業組織國際半導體產業協會（SEMI）正在先推動功率半導體的統一規格—因為電動車的量產會先行發生，期待此一措施可同時促進半導體產業及汽車產業的發展。筆者看到半導體之於汽車產業的圖像，乃以下景況：半導體產業將分散製造廠址，滿足區域供應的需求，這已經是現在進行式；但是仍會保持集中研發，以加大研發的規模經濟，維持半導體產業的高科技屬性，這是現在完成式也是未來式。在產品面上，汽車廠會保有自駕晶片的設計。這是汽車廠的核心競爭能力，無可讓予。其他的零件則會逐漸建立統一規格、公用測試驗證平台，這會提供汽車廠多元的、便宜的零件供應來源，而半導體產業也同時受益於市場擴大、交易成本降低以及規模經濟的形成。至於汽車產業內垂直整合半導體製造的企圖，這是過去已驗證過的艱難道路，他們有我的祝福。