AI晶片進入高耗能時代，矽電容如何成為先進封裝的關鍵戰略元件？ | 三建產業資訊

過去幾年，AI浪潮改變了半導體產業的發展方向。NVIDIA、AMD等高效能AI加速器競相推出新世代產品，晶片競爭的焦點已從「誰的運算能力更強」，進一步延伸到「誰能更有效率地管理電力」。

AI晶片就像一座高速運轉的城市，運算核心是城市中的大型工廠，而電力供應系統則是支撐整座城市運作的能源網路。當AI模型越來越龐大，GPU需要處理的資料量快速增加，晶片瞬間所需電流也大幅提升。一旦供電反應不夠快速，就可能造成電壓波動，影響晶片效能。

因此，在AI晶片邁向高功耗時代的過程中，除了先進製程與封裝技術受到關注外，一項過去較少受到市場關注的元件——矽電容（Silicon Capacitor），也逐漸成為半導體供應鏈討論的焦點。

一、為何矽電容成為AI晶片的新需求？

電容在電子系統中的角色，就像電力系統中的「備用能源池」。當晶片瞬間需要大量電流時，電容必須快速釋放電荷，維持供電穩定。

過去，電子產品主要依靠多層陶瓷電容（MLCC）完成去耦功能（即在晶片瞬間需要大量電流時，快速提供電荷，降低電壓波動）。然而，隨著AI晶片的運算速度與功耗不斷提升，傳統MLCC逐漸面臨新的挑戰。

原因在於，MLCC通常配置於PCB或封裝基板上，距離晶片核心仍有一定距離。對高速運算晶片而言，這段距離就像水管拉得太長，即使水源充足，也會影響供應速度。

矽電容則利用半導體製程，直接在矽晶圓上形成電容結構，並可整合於晶片封裝內部，大幅縮短供電路徑，降低寄生電感（ESL）與寄生電阻（ESR），讓電流能更快速抵達晶片。

簡單來說，MLCC像大型水庫，提供穩定且大量的電力支援；矽電容像裝在晶片旁的小型快速供水系統，負責即時補充瞬間需求。兩者並非競爭關係，而是各司其職、相互搭配，因此在高效能晶片中常會同時存在，共同提升供電穩定性。

二、矽電容如何製造？

事實上，矽電容並不是全新的技術，過去已應用於部分高頻通訊及特殊電子領域。但直到AI晶片功耗快速攀升、先進封裝普及後，其高頻、高密度與低寄生電感等優勢才真正受到市場重視。

矽電容結合了「半導體製程」與「被動元件特性」，本質上是一種以晶圓技術製造的高階電容元件。製造流程首先以高阻值矽晶圓為基板，透過光蝕刻與蝕刻技術形成微細結構，再沉積介電材料與金屬電極，形成大量微型電容。

其中，高階矽電容產品會採用深溝槽電容（Deep Trench Capacitor）技術，在矽晶圓內形成深而窄的溝槽，增加電極有效面積，使有限尺寸內仍能提供更高電容量。這類技術概念與DRAM中的深溝槽電容技術相似，也顯示矽電容並非單純的被動元件，而是高度依賴半導體設備、材料與製程能力。

隨著CoWoS、Chiplet、3D IC等先進封裝技術快速發展，晶片內部空間愈來愈有限，供電距離也必須持續縮短。能夠微型化並整合於封裝內部的矽電容，也成為改善AI晶片電源完整性（Power Integrity）的重要技術之一。

然而，矽電容採用半導體晶圓製程，需要投入特殊製程設備與產能資源，製程複雜度與成本皆高於傳統陶瓷電容，因此目前主要應用於對性能要求較高的市場，例如AI GPU、高頻寬記憶體（HBM）、高速運算（HPC）及先進封裝等領域。

圖片來源：Murata（村田製作所）官方影片

三、全球供應鏈布局與台灣發展機會

隨著AI晶片對供電品質要求日益提升，全球供應鏈也開始積極布局矽電容技術。除了日本、美國業者外，台灣半導體供應鏈也正從不同面向投入相關技術發展。

日本被動元件大廠 Murata（村田製作所） 已推出量產矽電容產品，應用於光通訊、車用及高可靠度電子市場；美國 Empower Semiconductor 則聚焦AI、高效能運算及共封裝光學（CPO）等新興應用，發展可整合於封裝內的矽電容解決方案。

在台灣，矽電容相關技術並非由單一廠商主導，而是分散於晶圓代工、記憶體、IC設計及先進封裝等不同領域。例如，台積電持續推動CoWoS、SoIC等先進封裝平台，提升封裝內電源完整性的重要性；力積電與聯電具備特殊製程及成熟晶圓製造能力；華邦電則在DRAM深溝槽電容製程累積多年經驗；愛普近年積極布局3D記憶體與異質整合技術。隨著AI晶片對供電與封裝整合需求提升，這些技術能力都有機會成為未來矽電容發展的重要基礎。

在AI時代，晶片競爭不再只是追求更小的製程節點，而是整體系統能力的提升。如何讓晶片「算得快，也供得穩」，將成為半導體產業下一階段的重要課題，而矽電容正是在這股趨勢下逐漸崛起的關鍵元件。

首圖來源：Murata（村田製作所）官方網站