AI 驅動的半導體創新：先進封裝與失效分析的未來展望

摩爾定律預測，積體電路上的電晶體數目，在相同面積下，每隔 18 個月數量就會增加一倍，晶片效能也會持續提升，此定律在半導體產業發展將近 60 年之後，逐漸走向極限。（資料來源：閎康科技；文章編修：科技新報）

各大廠也相繼思索找尋新的解方，希望可以在無法縮小電晶體的情況下，持續提升晶片整體效能，並透過系統整合方式，來層層堆疊半導體電路，達到性能的躍進。而其技術關鍵就在於「封裝」的「異質整合」來延續摩爾定律，而先進封裝的最大優勢────就是大幅縮短了不同裸晶間的金屬連導線距離，因此傳輸速度大為提升，也減少了傳輸過程中的功率耗損。

目前各家晶圓廠與封測廠皆發展自家先進封裝技術，從技術及資本支出來看，以英特爾與台積電投入最為積極，兩家合計投入的資本支出達整體產業 55%，技術也最為領先。

▲ 圖一 國際各廠商在先進封裝的投資金額與佔比[1]

AI 晶片需求推動先進封裝測試產業革新

以台積電為例，先進封裝技術可分為 2D 的 InFO（扇出型封裝）、2.5D 的 CoWoS（Chip on Wafer on Substrate）以及 3D 的 SoIC。其中 InFO 技術最成熟也最便宜，約占先進封裝產能的 70~80%（每年 8~10 萬片），並已大量運用在 Apple 的 A 系列及 M 系列晶片。隨著 AI 晶片需求的急速增長，先進封裝技術 CoWoS 的產能需求也同步攀升，帶動了向來較少受到關注的半導體「測試」產業煥發新貌。閎康科技秉持與產業趨勢共進的策略，深耕先進封裝的失效分析，累積了豐富經驗。以下將一一解密關鍵應用工具與技術。

▲ 表一 台積電的 3D Fabric 平台布局完善並獲重要客戶採用 [2]

2D X-ray 檢測特性

藉由高能量撞擊金屬靶材激發出的 x-ray 具有穿透特性，借此成像以觀察及判斷先進封裝內部是否存在空焊、HIP 或 Hop 等現象，也可透過此工具快速的確認封裝內是否有斷線與嚴重燒融等缺陷。

▲ 圖二 2D x-ray 就如同封裝健檢，負責檢視封裝內部的結構與查找缺陷

SAT（CSAM）檢測特性

SAT 又稱為 CSAM，藉由超音波於不同密度材料的反射速率及回傳能量的不同而形成影像，並依超音波的穿透率選用不同頻率的探頭藉以偵測先進封裝內部各介面層是否有脫層、空洞或是裂縫等異常現象。

▲ 圖三 SAT 在封裝健檢中扮演查找封裝內部缺陷的角色

3D X-RAY應用：非破壞性檢測與高解析度成像

什麼狀況下需要使用 3D X-RAY 機台呢? 當失效樣品僅有一個，無法直接進行破壞性分析時，我們建議可以針對異常區域執行超高解析的非破壞性 3D X-RAY 機台。閎康目前擁有 ZEISS Xradia 520 與 620 Versa 高解析度三維X光顯微鏡 ( High Resolution 3D X-ray Microscope) 設備。

3D x-ray 原理就是以高能電子重擊金屬靶材 (W) 後，產生短波長、高能量且具有強穿透性的 X-ray 射線，穿透待測物產生繞射波，偵測器接收後，經由閃爍體轉換成可見影像，並利用樣品在載台上 360ﾟ旋轉的方式得到空間中各種不同方位的 2D X-ray 斷層影像，並配合電腦演算將這些影像組合成待測物的 3D X-ray 斷層影像，這也是電腦斷層成像的原理。3D X-ray 的解析度取決於像素大小，越小解析度越好。目前機台在空間解析度的極限為 0.5 𝜇m，且機台內有 12 種標準Filter (濾鏡) 可以自動調整，偵測器有 5 種鏡頭 (0.4X、4X、20X及40X) 可使用。

▲ 圖四 3D X-ray 的硬體架構

先進封裝結構相對複雜，失效的樣品若可以透過電性分析縮小異常範圍，3D X-Ray 即可以在較佳的掃描解析度找出明顯的缺陷，以下主要是針對 CoWoS 樣品掃描之範例，圖五 (a) 可以明顯看出 TSV 異常位移，圖五(b) 介質層 (Interposer) 有脫層現象，圖五 (c) u-bump 接合處有明顯異常。

▲ 圖五 CoWoS 封裝結構示意圖 [3] 與常見的缺陷類型

TDR 技術：精準定位先進封裝中的斷路與異常

時域反射儀（Time Domain Reflectometry，TDR）是一種常見的網路分析技術，主要用於測量信號在傳輸線或介質中的反射和衰減情況。在先進製程中，TDR 技術在故障分析方面發揮重要作用，特別是在先進封裝故障排除中，能夠快速判斷異常發生在晶片還是封裝端，廣泛應用於半導體製造、測試以及電子設備維修與故障排除。

TDR 技術透過發射短脈衝信號，沿著被測線路（如封裝或晶片內的連接線路）傳輸，並測量反射信號的時間和強度，以精確檢測斷路。當傳輸線完整時，TDR 波形會呈現典型反射信號；若線路出現斷路，則反射信號會異常，如強度變弱或消失，或時間延遲不符預期。透過對比好品、壞品和空板的結果，TDR 可精確確定斷路位置，區分異常發生在封裝中的晶片或封裝本身，並定位特定結構問題，如 u-bump、TSV 或 C4 bump 等常見封裝結構或界面異常。

▲ 圖六 比較好品、壞品與空板的 TDR 的波形，判斷可能的斷點是在 u-bump

LIT：高解析度紅外熱成像技術

LIT 又稱為 Thermal Emission Microscopy，能夠有效及快速的對 2.5D 與 3D 的先進封裝失效熱點進行定位。而有缺陷的半導體裝置通常會表現出局部功耗的變化，導致局部溫度升高，LIT 能夠通過紅外熱成像技術來檢測物體表面的溫度分佈，識別出可能存在的故障問題，並利用鎖定 (lock-in) 紅外線熱成像來提高定位的精準度，以提供後續非破壞性 (3D X-ray) 與破壞性切片的封裝缺陷觀察結果。

LIT 技術利用高靈敏度的 InSb（銻化銦）偵測器，在通電狀態下捕捉待測物缺陷產生的熱輻射，精準定位失效點，甚至能估算熱源的深度。其主要特點包括：

高解析度紅外熱成像：高解析度的紅外熱成像技術，能夠捕獲物體表面微小溫度變化的細節。
故障檢測和分析：透過檢測物體表面的異常溫度，可以快速識別出潛在問題，例如電子元件過熱或設備熱失效等。
故障機制檢測：可檢測於產品短路、ESD 缺陷、氧化物破損、裝置閂鎖、有缺陷的電晶體與二極體。

總的來說，Thermal Emission Microscopy 是一項強大且高效的熱影像分析技術，能快速精準地定位故障熱點，有助於提升故障分析的效率與準確性。

▲ 圖七 Thermal Emission Microscopy 能在不開蓋的情況下精準偵測失效點的平面位置，並在縱向上辨識出故障點位於哪一層晶片或基板。

P-FIB 技術在先進封裝失效分析中的應用

在封裝與晶片的失效分析上，最初以研磨切片為主要分析方案，隨著封裝種類進步與多元，晶片內的 I/O 密度也快速地提高 [4]，其中提升晶片互連的接點密度，是 2.5D/3D 立體封裝的發展趨勢 [5]，當接點間隙縮小至 10 微米以下時，手工研磨將不足以準確的製備定點樣品切片，而 P-FIB 在先進封裝的失效分析上逐漸成為主要運用手法。

▲ 圖八 各種封裝技術在 1x1cm^2 的晶片內能達到的接點數量 [4]

P-FIB 的應用除了結構的基本觀察外，更可使用在熱點或非破壞分析之後的檢測驗證上，比如以 Thermal Emission Microscopy、OM、3D X-ray 或 SAT 觀察到異常之後，便可利用 P-FIB 在異常處做截面上的確認。[6]

▲ 圖九 針對 (a) 3D X-ray 觀察到 TSV 變形位置執行 (b) P-FIB粗挖 + FIB 細修

DB P-FIB 切割面積可達 500um 寬與 500um 深，可用於觀察先進封裝的結構，比如 C4 bump/interposer/u-bump/TSV/fine pitch RDL，在削切截面的過程中，同時以 SEM 方式觀察削切的情形，可即時判斷缺陷的變化。

▲ 圖十 FIB 切削 TSV 的連續過程

樣品製備：故障分析的關鍵環節

樣品製備 (sample preparation) 在故障分析中扮演著至關重要的角色，是決定分析成功率的最大因素，尤其在先進封裝失效分析流程中更加關鍵。透過製備的過程，包括手工/自動研磨、化學蝕刻等步驟，每一個細節都考驗著操作人員的經驗和細心程度。閎康團隊在高階先進封裝領域擁有豐富的經驗，藉助成熟的樣品製備能力，我們成功地發現了封裝內部各種缺陷，為後續的故障診斷提供了可靠的依據。

▲ 圖十一 P-Lapping 手工研磨技術 (BGA)

▲ 圖十二 P-Lapping 手工研磨技術 (InFO_oS) [7]

SEM 樣品製備：影響觀察與分析結果的關鍵

樣品製備前處理及搭配電子顯微鏡觀察是對先進封裝失效分析常使用到的方式，處理方式將會直接影響到最終的觀察及分析結果，以下列舉幾個 SEM 樣品製備的重要性質。

去除污染和雜質： SEM 能夠以極高的解析度觀察樣品表面。在進行觀察之前，樣品必須經過適當的清潔，去除任何可能影響結果的雜質或汙染機台的液體、揮發物、粉塵。
提高導電性：SEM 樣品要求良好的導電性，以避免在分析過程中靜電放電，這可能損害樣品並對拍攝影像產生干擾，因此部分非導電物質在進行 SEM 拍攝之前皆會進行表面鍍金或鍍碳，以提高影像品質。
適當的固定和切割：因 SEM 載台大小有限，樣品需要裁切以利能夠被固定在載台上，目前閎康科技所使用的機型可以放置六吋晶圓以內大小的樣品，高度限制為 5 公分，目前常使用的材料都能夠進行裁切，例如晶圓、載板、陶瓷材料、金屬、玻璃、高分子材料等。
獲取特定區域的資訊：如果有特定的垂直結構需要觀察，這時候就需要做定點樣品製備(切片)，透過研磨以及拋光，甚至是離子束切片，我們可以精準的切到約 1um 大小的結構並進行 SEM 拍攝，更小的目標也可以藉由 FIB 和 TEM 來進行樣品製備與拍攝。
提高分辨率和對比度： 正確的樣品製備可以幫助提高 SEM 的分辨率和對比度，我們藉由一些表面處理來獲得更多樣品訊息，常使用的方式為化學藥品的表面微蝕、離子束的表面拋光或深切、Plasma 清潔等等。

透過上述介紹的相關手法，我們在進行研磨之前，首先會將樣品鑲埋於環氧樹脂中，這樣可以有效保護樣品結構，防止在研磨過程中對樣品層次造成損壞。選擇合適的砂紙號數和材料也非常重要，應避免使用顆粒過大的砂紙，以免對樣品表面造成不必要的損傷。研磨後，我們會使用拋光液和絨布進行細緻的拋光處理，確保表面光滑且平整，為後續 SEM 拍攝和異常觀察提供理想的截面。