一、前言

在經過市場潛力、2024年主流趨勢、專利申請、募資情況、經濟影響力等多項關鍵要素評估後，Frost & Sullivan今年於微電子與感測領域評選包括：先進扇出型晶圓級封裝(Advanced Fan-out Wafer-level Packaging)、人工智慧感測器(AI Sensors)、量子感測器(Quantum Sensors)等未來2-4年內將對社會產生重大影響的新興技術。本文針對前述3項新興技術，分述其定義、應用範疇、技術特點、代表性案例等(其技術特性簡述與發展潛力請參閱圖一)。

二、先進扇出型晶圓級封裝(Advanced Fan-out Wafer-level Packaging)

先進扇出型晶圓級封裝(Advanced Fan-out Wafer-level Packaging, FOWLP)為一種先進封裝技術。此封裝技術首先會將晶圓切割成裸晶(dies)，並且挑選品質優異的裸晶準確地置於基板(substrate)上。之後會在裸晶表面向外拉出電路至重分佈層(Redistribution Layer, RDL)，使裸晶上的I/O(Input/output)能重新布局與分配，提高I/O密度，讓每顆裸晶能夠與更多外部裝置或晶片相連接，同時有助於後續封裝的進行。

(一) 類型與優勢

與覆晶封裝(Flip-Chip)等其他類型之先進封裝技術將比，FOWLP具備尺寸小、能耗低、電氣效能更佳等優勢。另外，隨著先進封裝技術之發展，目前已發展出不同類型的FOWLP技術，包括：

(1) 整合扇出與系統整合晶片封裝(Integrated Fan-out System on Integrated Substrate, InFO SoIS)：RDL由多層有機複合材料組成，能夠實現複雜的佈線。
(2) 扇出型基板上晶片封裝(FOCoS-CF)：FOCoS-CF 利用封膠體分隔RDL，能有效將多顆小晶片整合，並且改善晶片封裝交互作用 (Chip Package Interaction, CPI)，減少封裝時產生的應力以及提供更好的高頻訊號完整性。
(3) 提高扇出橋接技術(Elevated Fan-out Bridge, EFB)：在基板的上方搭建微小矽橋(silicon bridge)將裸晶連接起來，此技術能解決使用矽中介層(silicon interposers)之成本高、體積大、佈線複雜等缺點。
(4) 高密度扇出型封裝(high-density Fan-out, HD-FO)：此技術結合了扇出型封裝以及覆晶封裝(Flip-Chip)等先進封裝技術，能進一步提升I/O密度，並且實現裸晶3D堆疊。

(二) 發展趨勢

提高裸晶上的I/O密度與降低封裝成本為FOWLP的重要趨勢。由於HD-FO能實現3D封裝，並且滿足系統小型化的需求，預計2024年將有更多業者採用HD-FO封裝技術。而後隨著封裝技術的發展，預估2025年時，超高密度扇出型封裝(UHDFO)技術將會逐漸商業化。UHDFO使用矽橋等解決方案取代矽中介層(silicon interposers)，從而實現更高密度的I/O，更為優異的電氣效能，以及更低的生產製造成本。另外，評估到2027年時，扇出型面板級封裝技術(Fan-out Panel-level Packaging, FOPLP)將會逐漸成熟。FOPLP為在FOWLP基礎下發展出的先進封裝技術，能在同樣面積的基板上，擺放更多晶片，不僅能提升生產效率，且能減少材料浪費，並且降低成本。

(三) 代表性案例

(1) 先進封裝領導廠商
開發廠商：臺灣台積電
台積電發展出以先FOWLP為基礎的InFO系列先進封裝技術，包括InFO_AiP (Antenna in Package)、InFO_oS (on-Substrate)、InFO_PoP (package-on-package)等。InFO-AiP技術專為5G無線通訊設計，能將天線整合到封裝內，以提升系統整體性能，同時減少封裝體積。InFO_oS技術則整合多個先進邏輯晶片，並可在RDL上實現高密度的電路布局，且具備優異的數據交換速度，適用於5G通訊與高效能運算(HPC)。InFO_PoP (package-on-package)可實現3D封裝，適用於行動電話等手持性消費性電子產品，如Apple Watch Series 9的處理器即是採用此封裝技術。

(2) 能降低晶片封裝時的應力風險與提高高頻訊號完整性的FOCoS技術
開發廠商：臺灣日月光
日月光發展出兩項FOCoS技術，包括FOCoS-CF(Chip First)和FOCoS-CL (Chip Last)。FOCoS-CF利用封膠體(Encapsulant)和RDL整合多個小晶片，能減低RDL製造時的晶片應力風險，並且提高高頻訊號的完整性和I/O密度，適用於異質整合，整合不同節點和晶圓廠的晶片。FOCoS-CL為先製造RDL，再整合多個小晶片，特別適用於整合高頻寬記憶體(HBM)，提升功率效率並節省空間，適用於HPC、網絡、人工智慧和雲端領域。

三、人工智慧感測器(AI Sensors) 

人工智慧感測器為結合傳統感測器、邊緣人工智慧(edge AI)處理器與人工智慧演算法之先進感測器，能實現主動偵測與追蹤，以及數據分析、儲存與傳輸自動化。人工智慧感測器在自動化系統、智慧城市、醫療健康、消費電子和工業製造等多項領域有著廣泛的應用。

(一) 特色與優勢

人工智慧感測器具有多項顯著技術特點和優勢：

(1) 自動化程度高：人工智慧感測器能夠自動進行數據處理和分析，並根據分析結果進行即時反應，例如人工智慧感測器可以即時監測病人的生命體徵並發出警報，或者偵測農作物的生長情況並自動施以肥料。
(2) 降低延遲：人工智慧感測器能在邊緣裝置上處理與分析數據，而不需要將大量數據傳輸至資料中心，因此能降低延遲，實現即時回應，並且能減少對網絡傳輸的依賴以及大型運算中心的需求。
(3) 高精準度：AI演算法能提高現有感測技術的偵測能力，如提高影像解析度，同時能因應不同的環境條件，自我學習和優化，提升數據處理的準確性和可靠性，減少錯誤發生。
(4) 多功能整合：人工智慧感測器能夠整合影像、聲音等多種類型的感測數據，實現對複雜環境的綜合監測和分析。

(二) 發展趨勢

預估在2025年時，隨著半導體製程以及AI技術的進步，人工智慧感測器將能整合更多功能，並且具備更強大的分析能力，從以提高單一設備的應用範圍和性能。同時，隨人工智慧感測器逐漸普及，將在物聯網發展中扮演重要角色。

另外，預估到2026年時，僅具備偵測單一參數能力之感測器(如壓力感測器)將逐漸被軟體定義感測器(Software-defined sensors)取代。軟體定義感測器為利用先進的AI演算法與軟體，管理與控制消費性電子產品(如手機與筆電)的喇叭、麥克風、攝影機等電子元件與處理器，以適應不同類型的感測需求，同時能依據及時數據和應用要求進行優化，從而提高感測性能和準確度。例如：Elliptic Labs正在開發的虛擬智慧感測器平台，能使用邊緣裝置的喇叭與麥克風等元件，監測使用者的心跳與呼吸。

(三) 代表性案例

(1) MEMS感測器整合到控制處理器晶片中
開發廠商：英國Nanusens
英國新創公司Nanusens專注於開發先進的微機電系統(MEMS)感測器，此感測器採用0.18微米製程生產，能與現有的IC晶片共用同樣的製程產線，並可將IC晶片與感測器整合成一塊晶片，以大幅減少感測系統的尺寸，同時能提高系統的性能與可靠度，並使系統能有更多的空間安裝其他的感測器或電池。
Nanusens的人工智慧感測器以低成本和高效能為設計目標，能夠即時處理和分析來自環境的複雜數據，適合用於大規模人工智慧物聯網(AIoT)以及助聽器等應用。

(2) 能夠嵌入鞋墊中測量運動表現的人工智慧感測器
開發廠商：加拿大 Plantiga Technologies
專注於運動分析和健康監測領域的Plantiga Technologies，開發出能夠嵌入鞋子或鞋墊中的人工智慧感測器。此人工智慧感測器專為運動員以及腿部受傷或疾病患者設計，具備高靈敏度和高精度，能夠捕捉行走、跑步、跳躍等運動的細微變化，包括行走節奏、雙腳負載平衡、行走擺動時間變化等。同時能透過內建的人工智慧模型分析使用者的運動模式，幫助運動員優化訓練計劃，並為醫療專業人員提供詳細的運動數據，以更好地診斷和治療患者的運動問題。

四、量子感測器(Quantum Sensors) 

量子感測器是量子物理原理來偵測外部刺激與環境變化的裝置，包括利用量子相干性(quantum coherence)檢測特定的物理量，或利用量子糾纏(quantum entanglement)提高測量靈敏度或精度。

(一) 優勢與應用潛力

量子感測器具備高靈敏度、高精度、反應快和非侵入式等特點，能用於計算時間，測量磁場、重力、溫度，以及偵測分子能階變化、自旋與交互作用。應用領域涵蓋航太、汽車、工業、生物醫療、環境等廣泛領域。

(1) 航太與汽車應用：量子磁力計、量子陀螺儀、量子重力計等量子感測器具備在無GPS訊號之地點提供精準的導航的潛力，如蘇格蘭Skylark Lasers發展的量子重力感測器。
(2) 工業應用：量子感測器能用於檢測材料和產品中的隱藏缺陷和瑕疵，例如QuantumDiamonds開發出能精準測量磁力變化的量子感測器，預計將用於半導體晶片的良率檢測。
(3) 生物醫療應用：量子感測器能偵測到微小的細胞和生物分子變化，進而能夠快速且精確地追踪藥物相互作用與治療成效；或者能用以遠距監測患者的移動。例如QCI推出的量子光子震動計，能與光達技術搭配測量生物體的移動。
(4) 環境應用：量子感測器能用以探勘礦產與地下水資源，或者裝載於衛星或航空器上，監測地表資源的變化。代表性廠商：澳大利亞Nomad Atomics。

(二) 發展趨勢

2022 -2023年間約有10億美元的資金投入量子感測器的發展。例如2023年美國太空總署(NASA)規劃在五年內投入1500萬資金開發應用於地球環境研究的量子感測器；英國研究與創新局(UKRI) 投入800 萬英鎊發展用於強化定位、導航與定時(position, navigation, and timing, PNT)的感測技術。

發展新材料、提升感測器精準度、微縮感測器尺寸以及量子技術整合等，為量子感測器未來發展的重要趨勢。預計未來數年內，量子感測器的發展將經歷顯著的變革與進步。預計今年，量子感測技術將會與AI結合，發展出能自我調適感測能力之量子感測器，以進一步提升感測靈敏度。2025年時，隨著材料的發展與生產製造技術的優化，評估將有更多可攜式、小型化與使用者友善的量子感測器被陸續推出，此類量子感測器將有著更優異的實用性。如Aquark Technologies和伯明罕大學正在開發穩定且可攜式的量子感測技術。

預估至2026年時，混合量子感測器(Hybrid Quantum Sensors)的發展將成為焦點。各類型量子感測器將逐漸整合，或者與傳統感測器結合，以大幅提升感測性能，同時感測數據亦能及時傳送至量子計算機中，促進量子感測網絡的發展。預計2027年之後，量子感測器將在各產業中被大規模採用，並且成為電力、交通與通訊系統不可或缺的安全檢測裝置。

(三) 代表性案例

(1) 能精準偵測奈米尺度微小磁場變化的鑽石量子感測器
開發廠商：德國QuantumDiamonds
德國QuantumDiamonds發展以人工鑽石為基礎且尺寸僅有原子大小的先進量子感測器。此感測器利用合成鑽石中的缺陷來感測磁場變化以及溫度與運動等物理量，磁場偵測極限可達到0.1nT，溫度偵測範圍為-170到700度℃，同時具備奈米尺度的空間解析度，在半導體製造和醫療診斷等領域具備巨大的應用潛力，例如能在不損害晶片之情況下偵測其內部的缺陷與漏電流；或者與磁性生物標誌物搭配，實現精準檢測。

(2) 適用於探勘與氣候科學的低成本量子感測器
開發廠商：澳大利亞 Nomad Atomics
澳大利亞新創公司Nomad Atomics以冷原子干涉測量(cold atom interferometry)技術為基礎，發展出小型且便於攜帶的量子感測器，包括重力計、磁力計和時鐘等。此量子感測器具備高精度和高靈敏度，可應用於監測、探勘和導航等領域，如探測地底深層的礦脈與水資源；為GPS未覆蓋地區提供定位；或透過無人機監測資源的變化。