數位轉型加速材料化工產業升級與創新
數位轉型浪潮已席捲全球產業，包括金融、電子商務、零售服務與製造業，成為企業必須面對的共同議題與發展的必然趨勢。製造業是台灣經濟賴以成長的重要命脈，而材料創新是製造業創造競爭優勢與差異化產品的驅動力。看好台灣製造業在人才與成本競爭的相對優勢，國際數位領導廠商紛紛來台設立研發中心，包括NVIDIA、Google、Microsoft、Amazon等，並積極與台灣中小企業隱形冠軍進行合作，布局全球市場；同時政府也積極投入AI人工智慧數位人才培育與新創環境建置，希望將台灣打造成全球數位轉型最佳的場域測試驗證平台，也藉此帶動國家整體產業，包括材料化工產業，朝向數位、循環經濟的方向永續發展。

「材料化工產業數位轉型之機會與挑戰」一文首先破題指出，未來10年數位轉型將為全球材料化工產業創造3,100~5,500億美元的價值，其影響層面包括數位供應鏈、數位工廠、數位研發與數位勞動力。新材料通常需耗費10年以上研發時程，是材料創新應用主要瓶頸，而數位研發的導入將能大幅縮減新材料至商品化的應用時程與成本。隨著電腦運算效能與理論數值方法的快速發展，材料研發模式已從傳統Materials 1.0（實驗試誤）、Materials 2.0（熱力學、動力學）、Materials 3.0（多尺度模擬計算）到近期備受關注的Materials 4.0—材料信息學，結合大量的材料數據與AI機器學習來驅動創新材料設計開發，數據取得可以來自模擬計算、合成與加工實驗數據、特性量測數據、材料檢測數據，或公開材料數據庫。機器（電腦）透過大量數據進行目標物學習，可以加速新材料物性設計、材料配方與製程優化、檢測影像圖譜辨別、元件性能預測、產線IoT大數據分析、線上即時檢測與決策等應用。

一項創新材料的開發，從發現、配方調整，到應用產品、生產最佳化，平均需要耗費18年的時間、耗費數億美元的成本；但材料每一次的創新或更換，都會對原本的製造體系、設備與標準造成顛覆性的改變，帶動數十億美元的新市場商機。人工智慧、大數據與共享經濟的興起與技術進展，不單單帶動了物聯網、自駕車等新興議題，連新材料的開發、驗證也可以尋求電腦的協助，讓研究人員的天分與努力可以有效的加倍產出。「由廠商投入動向看全球材料模擬未來趨勢」分別從新創公司與既有大廠的投入現狀進行分析，介紹材料模擬產業化案例，材料模擬不僅是學術界研究的課題，歐、美、日許多大型企業均開始以材料模擬的方式協助既有材料的新產品開發，已有相當的成果；更有許多材料模擬與提供資料庫的新創公司成立，並獲得創投公司資金支持，以協助OLED、3D列印等新材料的開發和製程的優化。

國際上在材料科學的研發模式，已逐漸轉變為理論模擬及數據驅動實驗驗證，以物理化學理論模型為基礎的材料理論模擬，搭配以數學近似模型為主的AI機器學習，快速尋找新材料以及設計新產品，最後再輔以實驗進行驗證。如何善加整合專家經驗、材料理論模擬、機器學習演算方法以及高效能電腦硬體資源，來協助產品的開發與改良，必然會是未來的發展趨勢。「數位化材料設計與特性預測技術—材料理論模擬結合AI機器學習」介紹國際與國內研究團隊與產業，積極導入高效能電腦模擬運算與AI機器學習於材料科學領域上的案例，包含銅鎳合金的奈米粒子表面結構優化；二元金屬/非金屬材料快速預測；二維拓撲絕緣體材料開發；無機固態電解質材料篩選；有機分子結構特性預測與分子結構設計；新型耐高電壓電解液材料開發，提升NCA/graphite全電池的循環壽命。

「引入AI智能及模擬雲之幾何參數最佳化應用」一文以代理孕母模型為例，探討AI如何減少模擬次數，協助專家更快速且精準地找到最佳參數，此技術能在高成本的假設下更快速的找尋到最佳幾何參數，不同種類的參數可使用不同的AI代理孕母技術，在應用的情境上也可以透過不同精準度的模擬器搭配雙精準度AI技術，以利擴展應用的範圍。另外探討透過模擬雲平台的建立，如何對材料領域不同的運算需求，動態配置最佳的電腦系統資源，以提供材化領域更快速且更彈性的分析資源及更效率的研究。本AI技術在未來也可以結合有限元素分析模擬器與模擬雲，完成以AI為技術基礎，實現材化相關領域的開發。

新材料的開發與製程參數優化，是學術界與產業界一直面臨的問題。人工智慧與機器學習正在改變研究人員的研究手法，不管是尋找新材料或是材料分析，都可從近幾年的文獻看出，運用機器學習方式協助人工判斷數據的比例大幅提高，不管是在材料選擇以及結果分析，已經有電腦自動分析與判斷的趨勢。「製程檢測與材料解析之數位化趨勢與應用」介紹高階檢測分析技術的智慧化趨勢，以及工研院正著手進行材料資訊數位化的案例。在製程優化方面，也已經開始導入AI平台，協助預測產品的最佳製程參數，並且以光譜量測作為線上快速檢測的重要分析工具。

日本為世界重要的材料開發大國，為維持新材料持續開發之競爭力，因應今後的「物質/材料領域研發重點」，在21世紀初即開始進行材料相關之大型資料庫的建立，其產官學研等單位、企業也陸續投入人力、物力進行政策擬定及技術開發，如MI/機器學習。「日本應用MI/AI技術於材料開發領域之產官學發展現況」介紹日本政府（包括文部科學省、經產省、內閣府等）、學界（東北大學、名古屋工業大學等）以及業界（夏普、東芝等）的發展現況，期能作為台灣未來發展之參考。

先進半導體封裝技術與材料精益求精
摩爾定律極限逼近，晶片面臨無法繼續微縮的窘境，新型態的系統級封裝技術成為必要的解決之道。近年封裝產業積極投入扇出型封裝技術，藉由微細銅重佈線線路，把不同功能的晶片與被動元件串聯在一起，降低封裝的體積；或是透過新型垂直整合方式的3D IC，都是經由改變晶片在系統中組裝和互連的方式，同時兼顧成本以及性能，將異質晶片整合進化在單一封裝內。支撐這些先進封裝技術的，是更微細的線寬/線距製作、更穩定的材料形貌控制、精準的對位結合及快速正確的檢測方式。在降低成本的思維下，製作承載的基材也由晶圓擴充到面板。這些需求意味著現有的技術必須加入新元素，才能在現有封裝製程架構下有所突破，滿足先進封裝的需求。

近年來因為電腦運算能力的提升，幾乎沒有限制的儲存空間讓各種數據如洪水般湧出，使得人工智慧的技術爆炸性成長。人工智能(AI)與物聯網(IoT)之技術結合發展出智聯網(AIoT)，將原本只是遠端遙控的聯網裝置，藉由人工智能的辨識、推論以及深度學習能力，賦予物聯網具有判斷能力，讓機器進行更複雜的工作。不管是在人機協同系統、自動駕駛系統與車聯網、無人機、智慧製造、智慧居家或智慧商業平台等應用上都能更進一步的提升。智聯網的崛起使高效能的元件需求增加，在半導體發展面臨摩爾定律瓶頸的困境時，先進封裝無異提供了一個延續摩爾定律的可能性。藉由不同的先進封裝形式，像是立體堆疊、中介層或是扇出型封裝等，改變晶片在系統中組裝和互連的方式，同時兼顧成本以及性能，將異質晶片整合進化成在單一封裝內，包含了完整晶片系統，即稱之為系統級封裝。「智聯網對於系統級封裝的影響」一文完整地分析了現今全球最新的系統級封裝技術。

電子元件封裝製程金屬化的形狀與尺寸精密度涵蓋毫米、微米、到奈米尺度。在電鍍製程中，鍍件表面的電流分佈控制是主要影響因素。電解質導電度、陰極與陽極表面電化學反應動力、電解液流體力學、電鍍槽陰極與陽極形狀、尺寸、相對位置、電流屏蔽等對電流分佈都有決定性的影響。「先進封裝製程金屬化設備模擬設計分析」一文介紹運用模擬計算設計高精密電鍍銅設備時，所需之基本模擬概念。文中說明電鍍槽中電流分佈的基本原理；再以電鍍常用的赫爾電鍍槽(Hull Cell)電流密度分佈為例，說明電鍍槽電流分佈的計算結果；最後以一個多陽極電鍍槽模型為例，以此模型說明操作條件對平面陰極上電流分佈的影響。以電腦軟體協助電鍍槽設計與電鍍製程模擬，有助於生產線新鍍件或電鍍槽設計快速優化，或者是藉由電流分佈或電位分佈計算結果有助於深入了解電鍍製程問題診斷。

世界各國提倡節能減碳，促使綠能產業興起。因應此趨勢，標榜節能的產品相應而起，例如工具機、工業設備、電動車、工業變頻器，與一般常見的家用電器，舉凡冷氣、冰箱、洗衣機等，上述所有應用端之內部核心的結構主要為馬達驅動，而內部使用的功率模組即為節能關鍵零組件。功率模組應用領域雖極廣，但開發技術至今並無明確定義，如何有效率且準確驗證功率模組電性特性也成為議題。「功率模組整合型自動測試技術」透過實例的驗證，展示功率模組檢測平台的重要性。工研院電光系統所開發的整合型自動測試技術，不但可有效地改善傳統對於功率模組電性測試繁複且冗長的驗證流程，也導入自動控制概念，並透過此精確地判定靜態、動態與電容所有項目之特性，以建立具備可試量產的自動化電性測試證驗平台。期望透過這項技術，串聯並幫助國內功率晶片設計廠、封裝廠、壓縮機系統廠，進行模組相關設計、生產與試量產或量產電性測試驗證平台開發，提升台灣在功率模組市場之競爭力。

隨著摩爾定律的發展，電晶體尺寸不斷微縮，但晶片的繼續微縮已經因為物理極限而出現瓶頸。透過新型垂直整合方式的3D IC等先進封裝技術應運而生，金屬接合技術是實現垂直整合的關鍵之一。銅以其優異的物理特性成為接合技術首選，但傳統銅接合技術所需之高溫、高壓等條件限制其進一步發展。「先進封裝低溫銅接合製程」介紹最新的低溫微銅柱接合技術在3D IC與先進封裝中扮演的關鍵角色以及目前的研究趨勢。文中概述目前業界對於銅接合製程的需求與要求，列舉並討論多種接合技術。為實現低溫銅接合技術，世界各國研究團隊提出多種構想，包括表面清潔、表面鈍化、表面改質和結構設計等。來自台灣的研究團隊在多項技術之中扮演先驅角色，相信隨著研究團隊與業界的不斷努力，低溫銅對銅技術會在未來3D IC和異質整合發展產生重要影響，且會有更多領域應用這項技術，進而往「超越摩爾(More than Moore)」方向的不斷發展。

主題專欄
隨著5G應用積極的布局，全球電信商與通訊機器廠商預估5G可能在2019年提早商業化，業界也將面臨5G高傳輸裝置設備中的熱管理之相關挑戰。傳統的散熱方案，不管是導熱石墨片、TEC模組、熱管等，已不能滿足5G所帶來薄型化且高散熱效率之需求，必須思考如何改善其本身缺點，勇於創新及整合，以達到未來5G高傳輸裝置之散熱需求。「5G高速裝置超薄熱傳元件技術開發」一文指出，未來5G高速傳輸裝置之熱管理解決方案，超薄熱管/超薄均熱片占有重要之影響地位，如何在薄型化的過程中，降低開發成本大量生產，且保有高散熱特性，將會是超薄熱管/超薄均熱片是否能普及化，且在5G散熱市場搶得先機的重大挑戰。

為符合寬頻與高速傳輸的應用需求，無線傳輸頻率由過去sub-6G提高至數十GHz，因應5G行動通訊發展，目前以晶片大廠所代表的通訊聯盟，採取使用技術上比較可行的方案—28 GHz毫米波通訊頻段。在毫米波通訊之傳輸要求下，與訊號傳輸相關之基板材料成為一關鍵開發領域，新的毫米波通訊材料具有其開發價值。然而對於毫米波頻段下之材料介電特性，尚缺乏穩定、全頻與多種厚度之準確的量測方法。「毫米波材料(20~110 GHz)介電特性量測系統」介紹工研院材化所耗時五年、最新開發之毫米波頻段材料介電特性量測系統，此iProphet毫米波材料介電量測系統，除快速、自動及高準確特性外，更具有可量測現行微擾法所無法克服之厚板樣品(100 μm~1 mm)、介電常數1.05~50、介電損耗0.0001~0.05之介電材料特性。其為一可商轉之20~110 GHz毫米波材料介電量測系統，是兼具多點量測及厚、薄板樣品之自動化量測方案。

我國當前規劃擴大太陽光電系統設置量作為提升再生能源占比之主要發展策略，然可能面臨未來電網不穩定及影響電力品質與安全等問題。「區域再生能源系統應用與發展—以太陽光電系統為例」分成兩期，從系統應用觀察在量的擴增以後，系統應用的演變逐漸重視質的提升，不僅強化系統品質與可靠度，更重視產生電力的穩定性。因此，本研究分析異業技術整合下的區域再生能源系統應用，透過太陽光電系統整合儲能、微電網之實證案例，探討發展時機與市場導入方式，以推展區域再生能源系統應用，順應分散式能源之發展趨勢。

專利的核心概念是「對於人為的創新技術，創造與劃分出專利權人私人權利與公眾領域自由使用範疇的分界線」。由於專利保護客體的特性，使得這個分界線本身與其衍生出的複雜度，會使得我們忽略了它的本質。「專利制度的本質」一文，透過專利研究所教授從專利制度較為基本的層面進行剖析，引領讀者檢視並再思智慧財產權與專利制度在世界系統的制度緣起、資源定位、核心概念，以提供產學研各界於技術問題處理上，能更清楚地分辨此一「分界線」，進能達到鼓勵技術創新的效果，以至於提高國家與企業的競爭優勢。

熱門專利組合本月推出工研院材化所在「多功能金屬陶瓷應用材料專利組合」、「金屬散熱材料專利組合」兩大類八項優質專利組合。「多功能金屬陶瓷應用材料專利組合」精選抗侵蝕/耐磨耗塗層材料、車用輕量化金屬材料、軟磁材料應用、電子元件基板材料；「金屬散熱材料專利組合」包括自產電薄型熱電裝置、微電子元件散熱材料、高熱傳導鍍層技術、電子元件散熱模組。材化所技術豐富多元，歡迎業界挖寶與材化所智權加值推廣室（03-5913737）聯繫洽談。

凡對以上內容有興趣的讀者，歡迎參閱2018年10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！！