節能產業新浪潮－功率元件材料與製程為勝出關鍵
功率元件是電能傳輸與轉換的重要零組件，透過封裝技術製備為功率模組。隨著智慧機械、太陽能及電動車等產業的發展，功率模組設計需同步兼顧薄型化、高密度及高功率等功能，其晶片與元件設計也必須同時兼具多功能、高傳輸速度及高效率。矽晶功率元件在過去數十年的發展下已逐漸達到
物理極限，因此，替代矽材的化合物半導體在功率元件的應用開始受到市場關注，尤其寬能隙半導體(WBG)材料更備受期待。
根據Yole研究，2017年整體功率模組封裝市場產值約為1.10億美元，預估至2021年整體市場產值將提升至1.53億美元。封裝材料是功率模組製程中非常關鍵的技術之一，模組化產品功能與封裝材料品質與特性具有密切關聯性，全球材料業界已積極開發功率模組用新材料，透過與系統廠異業結合，積極投入未來能源轉換模組開發。本期「功率元件材料與製程技術」專題，帶領讀者一窺功率元件材料與製程朝高導熱、高耐溫、高絕緣、輕量化、智慧化及信賴性等功能開發，以符合未來電力電子產品需求的最新發展現況。
功率元件工業是半導體歷史的關鍵部分，電力電子市場正在穩步發展，且通過整個半導體行業不斷推動其創新。電能的產生、分配和使用皆需要電能轉換的電力電子設備，發展電力電子元件、系統和機具的原動力不外乎希望穩定電力、有效分配電力和提高效率。然而電能的應用必須與其應用對象緊密結合，因此了解市場趨勢將有助於掌握技術發展方向，因應快速變動的產品需求，「下世代功率元件市場趨勢」一文提出分析與預測，可耐壓600 V以上的高耐壓功率元件需求可望持續成長，SiC、GaN在高功率產品應用將逐漸普及。
減碳的環境訴求以及工業快速發展對於能源帶來的潛在缺口，功率元件不再只是用來作為電能轉換的零組件，能源轉換效率亦成為評斷其性能最關鍵的指標之一。傳統矽基元件在多年的發展下雖然占有絕大多數的市場，然而也逐漸面臨物理極限，在高頻、高溫、高電壓、高功率等特用領域，化合物半導體呈現出更優異的特性，也漸被元件製造商列為基板的選擇。「功率元件用新半導體基板材料發展現況」介紹目前國際上應用在功率元件的化合物半導體基板材料技術發展現況，並說明未來市場上的導入機會與面臨之挑戰。
隨著綠色能源議題持續受到關注，功率模組在太陽能、電動車與油電混合車等領域的應用市場也逐漸擴大。目前功率模組往高功率、薄型化以及高密度化進行整合與開發。導熱封裝材料隨著功率模組的演進需求，除了追求高導熱係數之外，也開始出現不同的應用規格與變化。在電動車與馬達應用中，如何提高嚴苛環境下的可靠度，包含耐熱性以及耐腐蝕性，將會是未來車載功率模組應用的重要議題。「功率模組用導熱封裝材料發展趨勢」將針對最新的功率模組市場趨勢及發展進行說明，並介紹功率模組用封裝材料未來研發方向，包含導熱封裝材料以及熱介面材料與製程開發。
為了降低溫室氣體排放所造成的氣候變化，各國政府持續的推動節能減碳政策，歐盟期望在2020年達到減少20%溫室氣體排放量的目標。在這股潮流下，工業節能及電動車的發展越來越受到重視，而功率模組在節能減碳上扮演一關鍵角色。以電動車為例，需要一高效能的變頻器來作為動力系統與電力系統之間的功率轉換。在功率轉換期間，高壓高流的功率輸出常伴隨著大量的熱能，影響功率模組的驅動效能。「高效率高可靠度功率模組封裝技術」介紹目前國際大廠功率模組發展趨勢，透過產品分析，了解各大廠如何針對高壓高流的產品進行結構改良與散熱設計。此外也介紹工研院自行研發的功率模組封裝架構，藉由熱傳模擬分析設計出模組最佳化結構，提升模組散熱性能與高強度之接合介面，解決模組在高溫運作下陶瓷覆銅基板與銅底板熱膨脹係數不匹配產生之可靠度問題。
AI+HI 人機攜手提升水處理效能
全球人口增長與巨型城市發展，必須更有效率解決龐大的用水需求與廢水處理問題，智能化水處理系統的建立，將是有效的解決方案之一。由於廢水處理系統會受到水質特性、水量變化、人為操作、微生物新陳代謝、機械運轉及環境條件變遷等因素，而影響其系統效能及穩定性，若導入智能化的管理與決策，同時進行持續性的監測、追蹤、預警及控制，將可提升系統穩定性及降低風險，並提高系統效能及節省能源消耗，符合未來水處理產業市場需求。目前包含美國、中國、澳大利亞、以色列、韓國等國家，以及多家國際公司皆已展開智能化水資源管理相關的規劃或專案。而現階段國內針對廢水處理系統智能化仍處於萌芽階段，尚未產業化驗證與應用。本期「智能化水處理」技術專題將與讀者分享工研院在智能化控制系統、分析監控系統平台(SCADA)，以及微型化水質監測裝置的研發與應用成果。
「智能化水處理應用趨勢及案例」一文指出，廢污水具有水質/水量變異大的性質，為了在處理過程中達到環保主管機關所要求的放流水標準，或達到回收再利用的水質標準，以往在設計或是操作過程中，多有過度保守的情況，因此造成能源、藥品及耗材的過度使用，不但對業主是財務上的浪費，對環境也造成額外的負荷。近年來，由於資/通訊科技的發達，以及物聯網、人工智慧、機器學習等技術的提升，使得自動化控制的程度得以更進一步提升到智能化，上述廢污水處理及管理過程中的問題有機會得到有效的解決。而水處理智能化的長期目標，是將各處理單元的解決方案串聯起來，以提供全廠整體性的連貫服務。
傳統的水處理單元操作，多由操作人員透過實驗或者個人現場經驗來決定，在進流水質變動情況大或者製程變異時，常常無法即時對處理單元做到適當調整，進而導致處理單元的失效。為有效改善此狀況，智能且精準的控制模型是必要的發展趨勢，其中類神經網路法已被廣泛地應用於各個領域的建模和數據分析上。「類神經網路法應用於水處理單元建模、分析與最適化」介紹如何應用該法於水處理單元的建模、分析與最適化。工研院將類神經網路法應用於薄膜處理，在模型的建立和預測上展現不錯的成果；後續再利用第二個類神經網路法來建立最適化操作的模型，使系統在預測到水質即將異常時，就能即時地採取最適當的控制。其好處是可以建立一個通用的處理方式，縱使每個水處理單元的核心技術各不相同，只要能掌握並蒐集彼此具有高相關性的水質偵測數據，都可以達到預測及提前控制的目的。
水質自動監測之目的在於提供有效、即時且完整的水質特性資訊，以作為廢水自動控制及自動化之用。傳統之水質監測設備存在著設置經費較高、設備體積較大等缺點，因此不適用於未來大量設置之應用情境。有鑑於近年物聯網技術逐漸成熟，且線上水質分析技術亦有大幅進步，「微型化水質監測裝置之研發與應用」介紹工研院在水質感測技術方面，應用目前較新穎之電化學與光學原理為基礎，開發出兼具體積小、耐用佳、操作簡單、維護容易、設置費用低廉且具無線數據傳輸與物聯網功能之微型化廣佈型水質監測裝置，以提供未來於不同情境水體監測系統之建置應用。
主題專欄
近年來OLED與QLED競起角逐LCD在顯示面板的獨占地位，Micro-LED基於其眾多優異的元件特性，有望成為次世代顯示技術的主流；但礙於量產技術尚不成熟，目前市場上仍難見其蹤跡。本期光電/顯示專欄「Micro-LED於顯示面板與先進照明之發展」一文，介紹工研院電光系統所除了專注於巨量轉移製程的研發外，亦成功地將IR Mini-LED整合於自行開發的無透鏡成像系統之上，搭配不同演算法時，該成像模組可遠距拍攝影像或接觸式偵測心搏變化，初步驗證了Micro-LED應用於先進照明的可行性。未來將持續改善Micro-LED轉移良率以推向顯示市場，並基於異質整合的核心技術建立物聯網感測融合平台。
全球顯示技術主流由LCD獨霸多年，隨著手持式裝置對於更輕薄、可撓的外觀設計需求增加，AMOLED成為緊追在後新一波的研發動能。然而AMOLED受限於有機材料本身易受水氧等環境因素影響而減損使用壽命，無機系材料與技術再度成為業界關注的焦點。Apple購併LuxVue之後，使用無機材料進行發光的Micro-LED凝聚了世人的目光，也讓LED技術從“Light Source”的幕後領域走向幕前，成為未來Direct View Display技術的另一選項。預計未來Micro-LED技術將從穿戴式元件的小型裝置，進入到AMOLED較難克服的車用等特殊領域。市場瞭望專欄「Micro-LED未來應用與製程技術創新」除了從應用面進行探討之外，亦將從製程與成本的觀點，解析未來Micro-LED技術創新之路的發展。
因應全球暖化、節能減碳、降低空汙，全球都在發展電動車。動力鋰電池（電池管理）系統約占電動車成本的30~40%，是電動車最關鍵的次系統。因此發展具有高安全、低價與高能量的動力鋰電池來應用於各種電動車輛，是鋰電池最重要的課題。「電動車動力鋰電池市場與應用(下)」延續上期，為讀者詳細介紹油電混合電動車(HEV)、插電式混合電動車(PHEV)、純電池電動車(EV)相關所需之電池系統。各類電動車對電池系統的選用要求不同，不同電池材料，可以組合成各種不同性能的電池。期藉由新世代高能量電池製程與材料技術的介紹，喚起大家對電動車動力鋰電池的重視與投入布局，及早掌握電池儲能系統的產品商機。
「電動車電池之安全設計技術(下)」也延續上期，介紹當電池發生異常時電池內部熱分解反應的發展，以及各種誤用測試的安全測試方法與相對應電池行為，並從鋰電池元件的觀點，介紹如何從正極、負極、電解液、隔離膜及安全元件角度，提升電池的安全性。總結電池芯方面可從電池配方設計及結構設計方面來提升電池安全性，藉由材料表面改質技術來提升材料的熱安定性；電解液則可往降低燃燒性方向開發，開發難燃性的液態電解液，甚至是採用固態電解質；隔離膜方面需提升熱安定性以降低內短路發生時的危害，陶瓷隔離膜是一個不錯的選擇；在電池結構上加裝安全元件也可提升電池安全性；而在電池組方面需有良好的熱管理設計，除了提升電池組的使用壽命，在單一電池發生熱失控時也能將危害侷限在特定區域內；另外電池管理系統除了正確管控電池在合適的操作範圍內運作，當電池有異常情形發生時能及早偵測出來，特別是電池內短路，俾能有足夠時間做合適的處置，大大降低電池組熱失控的風險。
材料之放射率值在非接觸式紅外線溫度量測上，扮演著舉足輕重的角色，尤其對具低放射率之材料或高溫狀態下之材料的紅外線溫度量測誤差更為明顯。而全球在解決因材料放射率改變而造成之紅外線溫度量測誤差問題上，有著多種不同之對策，材料與技術專欄「非接觸式紅外線測溫之材料放射率驗證環境」展示一個材料放射率驗證環境，用以實驗取得材料在不同溫度下之放射率值，此放射率-溫度特性曲線將可作為非接觸式紅外線溫度量測之輸出補償參考。此放射率驗證環境可使用於高達1,200˚C，環境溫度控制穩定度在10˚C（@1,200˚C溫度設定），基於文獻上之現有資料比對，此驗證環境之可能量測不確定性約為3˚C（@1,200˚C溫度設定）。
熱門專利組合則推出工研院材化所在「封裝材料與製程」、「廢水處理技術」兩大類八項優質專利組合。「封裝材料與製程專利組合」精選太陽能封裝技術、高頻載板應用技術、可撓式光電封裝技術、電子元件散熱技術；「廢水處理技術專利組合」包括正滲透水處理技術、低耗能廢水處理、生物處理廢水技術、含氟廢水處理技術。資料豐富多元，有興趣合作之廠商請與材化所智權室聯繫。
凡對以上內容有興趣的讀者，歡迎參閱2018年8月號《工業材料雜誌》或參見材料世界網，並歡迎長期訂閱或加入材料世界網會員，以獲得最快、最即時的資訊！