0917　台積電TSMC、12インチ炭化ケイ素の新戦場を標的に据え、AI時代の熱管理基盤材料を戦略的に布石

全球半導体産業は、人工知能（AI）および高性能計算（HPC,高效能運算）に駆動される新時代に突入しており、熱管理は半導体設計および製造プロセスの進展を左右する核心的なボトルネックとなりつつある。3D積層や2.5D集積といった先進的なパッケージング技術が、半導体密度および消費電力を加速的に押し上げる中、従来型のセラミック基板[陶瓷基板]では熱流束要求を満たすことが困難となっている。かかる状況下で、世界的ファウンドリの台積電TSMCは大胆な材料転換を進めており、それが12インチ炭化ケイ素（SiC,碳化矽）単結晶基板の全面採用である。同時に窒化ガリウム（GaN）事業からの段階的撤退を表明した。本方針は単なる材料戦略の再調整にとどまらず、熱管理を「補助技術」から「競争優位の基軸」へと格上げする象徴的な決断である。

炭化ケイ素はワイドバンドギャップ半導体として知られ、従来は電気自動車用インバータ、産業用モータ制御、新エネルギーインフラ等の高効率パワーエレクトロニクスに主として利用されてきた。しかしながら、その潜在力はそれに留まらない。SiCは約500W/mKの優れた熱伝導率を有し、酸化アルミニウム（Al₂O₃）やサファイア[寶石]といった一般的なセラミック基板を大きく凌駕する。

AIアクセラレータ、データセンタ用プロセッサ、ARスマートグラスといった高密度応用が実装されるにつれ、限られた放熱空間の問題は深刻化している。特にウェアラブル機器[穿戴式裝置]においては、微小な半導体素子が眼部近傍に配置されるため、熱制御の精度が安全性および安定性を直接左右する。このような背景の下、台積電は長年の12インチウェハ製造経験を基盤として、大口径単結晶SiCを従来のセラミック基板に代替させる動きを強めている。既存の製造インフラを再構築することなく新材料を導入できるため、歩留まりおよびコストの両立が可能である。

散熱用途におけるSiC基板は、パワーデバイス向けほど厳格な電気的欠陥基準を要しないものの、結晶完全性は依然として決定的に重要である。外的要因によるフォノン伝導阻害は熱伝導率を低下させるのみならず、局所的過熱を誘発し、機械的強度や表面平坦性をも損なう恐れがある。特に12インチ大口径ウェハにおいては反りや変形が顕在化しやすく、これが直接的にチップ実装および先進パッケージングの歩留まりに影響する。ゆえに、産業界の焦点は「電気的欠陥の排除」から「体積密度の均一化、低空隙率、高表面平坦性の確保」へと移行しており、これらが高歩留まり量産の前提条件とみなされている。

報道によれば、SiCは高熱伝導率、強靭な機械的性質、優れた耐熱衝撃性を兼備し、2.5Dおよび3Dパッケージングにおいて独自の優位性を発揮する。2.5D集積においては、チップがシリコンまたは有機インターポーザ[有機中介層]上に並列配置され、信号経路が短く高効率である一方、放熱課題は水平方向に集中する。他方、3D集積においてはシリコン貫通電極（TSV）やハイブリッドボンディングによる垂直積層が採用され、接続密度が飛躍的に高まるが、放熱要求も倍増する。SiCは単なる受動的な放熱材に留まらず、ダイヤモンドや液体金属と組み合わせることで「ハイブリッド冷却」ソリューションを形成し得る。

台積電は既に2027年までにGaN事業から撤退し、資源をSiC領域に集中させる計画を発表している。これは市場および材料戦略の再評価を明確に示す動きである。GaNが高周波応用において強みを有する一方で、SiCは熱管理における包括性と拡張性において台積電の長期戦略に合致する。12インチ大口径化は単位コストの低減とプロセス均一性の向上を同時に実現する。ウェハ切断、研磨、平坦化等の課題は残るものの、台積電の既存装置群およびパッケージ技術力をもってすれば、これらの障壁を克服し量産化を加速し得る。

かつてSiCは電気自動車用パワーデバイスと同義であった。しかし、台積電は導電型N型SiCを放熱基板として高性能プロセッサやAIアクセラレータに応用し、熱拡散の役割を担わせる構想を推進している。さらに半絶縁型SiCをインターポーザとして活用し、チップ分割やチップレット設計において電気的絶縁と熱伝導を両立させる解決策を模索している。これら新たな方向性は、SiCを単なる「パワーエレクトロニクスの代名詞」から「AIおよびデータセンタ半導体の熱管理基盤」へと格上げするものである。

先端材料領域においては、ダイヤモンド[鑽石]およびグラフェン[石墨烯]が極めて高い熱伝導率を誇る（ダイヤモンド1,000〜2,200W/mK、単層グラフェン3,000〜5,000W/mK）。しかしながら、その高コストおよび量産化困難性により主流化は難しい。液体金属、導電性ゲル、マイクロ流体冷却などの代替技術も存在するが、統合性および量産コスト面で依然課題を抱える。これに対し、SiCは性能、機械的強度、量産性を兼備することで、最も実用的な折衷解を提供する。

台積電は12インチウェハ製造における深厚な経験を背景に、他の競合と一線を画す優位性を有する。既存の基盤を活用してSiCプラットフォームを加速的に構築できるのみならず、高度なプロセス制御能力により材料特性を速やかにシステムレベルの熱管理ソリューションへ転換可能である。これと並行して、Intelは背面給電（Backside Power Delivery）や熱—電力協調設計を推進しており、世界的リーダー各社が熱管理を競争力の中核と認識していることを示している。 感謝以下続。。。台積電鎖定 12 吋碳化矽新戰場，布局 AI 時代散熱關鍵材料 | TechNews 科技新報