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，此定律在引領半導體產業發展近 60 年之後，也逐漸走向極限，各大廠也相繼思索找尋新解方，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」方案來延續摩爾定律， 而先進封裝其最大優勢，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。
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以台積電來說，其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，約佔其先進封裝產能的 70~80%（每年 8~10 萬片），並已大量使用在 Apple 的 A 系列及 M 系列晶片。近年AI晶片需求趨勢龐大，也進一步催動了先進封裝CoWoS的產能需求，連帶讓半導體行業向來較不被重視的「測試」產業，也因先進封裝熱潮有了新樣貌。閎康也持續保持著與產業趨勢共進的策略，針對先進封裝的失效分析已具備非常豐富的分析經驗，以下就針對其關鍵性的應用工具及技術一一解密。
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2D X-ray |
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。
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SAT |
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。
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圖三 SAT在封裝健檢中扮演查找封裝內部缺陷的角色 |
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3D x-ray |
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。其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pixel size(像素大小)，當pixel size越小，解析度越好。目前機台在空間解析度的極限為0.5µm，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。
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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。
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圖五 CoWoS封裝結構示意圖[3]與常見的缺陷類型 |
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TDR |
時域反射儀（Time Domain Reflectometry，TDR）是一種常用的網路分析技術，主要用於測量信號在傳輸線或傳輸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具有重要作用，尤其在先進封裝故障排除方面可快速、便利的區分異常是發生於晶片還是封裝端，主要應用在半導體製造和測試過程，以及在電子設備的維修和故障排除中。
TDR 技術能夠快速、準確地檢測到斷路，其原理是利用發射的短脈衝信號沿著被測試的線路傳輸，如封裝或晶片內部的連接線路，然後測量信號反射的時間和強度。當傳輸線路是完整的時候，TDR 測量所得的反射信號將顯示出一個典型的波形，但如果傳輸線路中出現了斷路，則反射信號將會出現異常，例如反射信號的強度突然變弱或消失，或者反射信號的時間延遲不符合預期，在透過好品、壞品、空板的分析結果，可以準確地確定斷路的位置，是封裝中的晶片還是封裝本身的斷路，甚至可以推斷封裝中是哪個結構有異常，比如先進封裝中最常見的u-bump, TSV或C4 bump結構或界面的問題。
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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 |
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Lock-in Thermography(LIT) |
LIT又稱為thermal emission microscopy，可非常有效及快速的對2.5D與3D 的先進封裝失效熱點進行定位，此外，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，從而識別出可能存在的故障或問題，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是利用高靈敏度之InSb(銻化銦) 偵測器偵測待測物在通電狀態下，缺陷位置所產生的熱輻射，藉以定位失效所在位置，甚至可估算出熱源縱深相對距離，其特點與應用概述如下：
- 高解析度紅外熱成像：配備了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的問題，例如電子元件的過熱或設備的熱失效等等。
- 可檢測的故障機制：應用於產品短路、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是一種功能強大的熱影像分析儀器，能夠幫助快速準確的進行故障分析定位.
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圖七 thermal emission microscopy可以在不開蓋的情況下偵測失效點在平面上的位置，也可以在縱向上判斷失效點存在於哪一層晶片或基板上 |
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Plasma FIB (P-FIB) |
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之一。
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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以外，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]
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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。
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圖十 FIB 切削TSV 的連續過程 |
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樣品製備P-Lapping |
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。
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] |
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SEM樣品製備前處理 |
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，其處理的手段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，因此在進行觀察之前，樣品必須經過適當的清潔，以去除任何可能影響結果的雜質或是可能汙染機台的液體、揮發物以及粉塵。
- 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，我們在研磨之前還必須先將樣品以環氧樹脂鑲埋，目的是為了保護樣品的結構，避免在研磨過程中對樣品層次造成損壞，同時也要注意使用的砂紙號數以及材料，避免砂紙顆粒過大對樣品造成不必要的損傷，最後再以拋光液以及絨布進行最後的加工，如此可以得到一個光滑平整的截面，以利SEM的拍攝及異常觀察。
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圖十三 BGA封裝經過研磨後再以SEM針對異常處放大觀察 |
搭著AI的浪潮，高運算晶片與先進封裝的產值在半導體產業愈趨成長，其設計與結構上的複雜度使得故障分析面臨空前的挑戰，而在先進封裝的失效解析中，只要秉持本篇文章所述的各個環節與精髓，在缺陷的定位與觀察上一定有莫大的助益。
Reference:
[1] Yole
[2] Fugle
[3] EETimes
[4] King-Ning Tu, Chih Chen, Hung-Ming Chen, Electronic Packaging Science and Engineering, Wiley, 2021
[5]https://www.matek.com/zh-TW/Tech_Article/detail/specialist-column/all/202207-IAR (3D IC封裝：超高密度銅-銅異質接合)
[6] https://www.matek.com/zh-TW/services/index/P-FIB
[7] https://3dfabric.tsmc.com/chinese/dedicatedFoundry/technology/InFO.htm
