确保半导体先进封装可靠度，掌握材料晶体结构成关键

2023年05月16日

5月16日消息，随著先进制程的发展，芯片尺寸已经接近 1nm的物理极限，摩尔定律正步入尾声，而先进封装技术已成为下一个关键发展方向。尤其是具备高度芯片整合能力的“异质整合”封装技术，已成为超越摩尔定律的重要技术之一。

近期，各国都在扩大先进芯片封装的能力，包括韩系大厂重金挖角对手，以期能在 CoWos（Chip on Wafer on Substrate）和 InFO / InFO-PoP（Integrated Fan-out / Integrated Fan-out-package-on-package）等先进封装技术中弯道超车。

同时，ChatGPT 也带动了高阶人工智能（AI）芯片的封装需求，主要芯片封装与测试企业，也努力通过异质整合的先进封装技术，提升 HPC（高性能计算）性能与储存方面的能力。而台系主要半导体封测大厂，也早已布局 FC-MCM（Flip-Chip-Multi-Chip-Module）、FOCoS（Fan-Out Chip on Substrate）和 VIPack（Vertical Integrated Package）等技术，抢攻 HPC 和 AI 封装市场。

但是，异质整合的先进封装技术，也面临到许多可靠度上的疑难杂症，需要进行前期的验证分析以确认研发品质。

宜特材料分析实验室从“先进封装材料特性”这个面向，来探讨晶体结构、缺陷和应变是如何影响先进封装元件的性能和可靠度。又该如何利用现有工具来掌握这些先进封装材料的特性。并以三大实际案例为您介绍晶体结构的先进分析利器－EBSD。

什么是 EBSD？

我们知道，所有的物质都是由“原子”组成，这些原子可以排列成不同的“晶体结构”，而这些结构决定了物质的特性。

该如何解析晶体结构，就需要靠 EBSD 这项利器。EBSD（Electron Backscatter Diffraction），又称电子背向散射绕射，是一种研究物质微观结构的技术，它可以让研究者像是用放大镜一样，分析材料的晶体结构、晶界和异质材料界面，但更加精确和详细，进而帮助客户优化材料的选择和制程改良。

EBSD 技术的应用范围相当广泛，例如金属、陶瓷、材料科学、工程、电子领域，尤其在半导体制程中，藉以研究晶体结构、缺陷和应变等问题，对进一步提高半导体元件的性能和可靠度有绝对的帮助。

速读：EBSD 原理

电子背向散射绕射（EBSD）是一种在电子显微镜（EM）中使用的非破坏性分析技术。EBSD 是将高能电子束射入样品表面，与样品表面的晶格产生交互作用后，电子会反弹回来，并在萤光屏上形成特定的花纹图样，即所谓的菊池线图。从反射图案中，可获得样品微观结构的资讯。通过资料库比对，即可将样品晶粒的相对位置在空间中进行作图。因此，EBSD 可提供准确的微观晶体结构鑑定。

那么 EBSD 可以怎麽运用？以下是宜特材料分析实验室中实际三大案例分享。

案例一：从铜柱的晶粒尺寸与结构强度推测其抗电迁移能力

铜柱（Copper Pillar）是一种封装技术，广泛应用于半导体芯片和封装基板之间的连接，如 3D IC 封装和 FCBGA（Flip Chip Ball Grid Array）封装。这种技术使用细小的铜柱代替传统的导线，以提高连接的密度和可靠度，并实现更高的 I/O（Input/output）密度和更高的性能。

EBSD 分析技术可以提供铜柱晶体结构的定性分析，包括晶粒尺寸、晶格取向、晶界角度等资讯。这些数据可以用来推测铜柱的抗电迁移能力。

晶粒尺寸：晶粒尺寸越小，晶界密度就越大，因此电子的运动受到的阻碍也就越大，从而抗电迁移的能力就越好。

晶格取向： <111> 晶向的铜柱比 <100> 晶向的铜柱具有更好的抗电迁移能力。这是因为在 <111> 晶向的铜柱中，晶界的面积更小，电子的运动更加容易，因此电子在这种结构中迁移的能力更好。

材料科学小知识

<111> 或（111）是用来表示晶体方向与晶面的一种指数，称为米勒指标（Miller index），是晶体学（Crystallography）中用来确定固体中原子或离子排列方式的一种表示法。

晶界角度：当晶界角度较小时，晶界处的应力更小，晶界也更加稳定。因此，可以预期晶界角度较小的铜柱具有更好的抗电迁移能力。

图一可得知晶界角度大于 10 度的比例为 94%，表示其晶粒取向差异较大，可能较不利于抗电迁移；图二为统计其铜柱晶粒尺寸的结果，其平均粒径为 1.6um，粒径及取向数据需要再进一步比对及分析。不过综合两个结果，意味著铜柱可能不具有较好的抗电迁移能力。宜特材料分析实验室建议，研究者可根据这样的结果，进一步採用高温高湿（HTH）和恆电压（HVM）等分析，测试其抗电迁移能力。

▲图一：铜柱的晶界分布，包含大角度晶界（黑）、小角度晶界（浅灰）与孪晶界（红）。（Source：宜特科技）

▲图二：晶粒尺寸分布统计。（Source：宜特科技）

案例二：从介金属化合物分析，确认铜柱的焊接品质是否良好

在铜柱焊锡接点中，铜和锡在共晶反应后完成焊接，而界面的介金属化合物（Intermetallic Compound，简称 IMC）即是铜锡接合的关键。在良好的焊接过程中，铜锡会形成“表面能”较高的球状结晶（Cu6Sn5）。

然而，随著迴焊温度增加或使用时间增长，接点中的介面会形成劣化的柱状结晶（Cu3Sn），这会降低接点的强度和可靠度。因此，宜特材料分析实验室建议，观察铜锡界面的介金属化合物分布以比较接点强度，进而确认焊接品质是否良好。

如图三所示，铜锡介金属化合物的相分别为桃红色的 Cu6Sn5，以及天蓝色的 Cu3Sn，其相分布状况与比例，可作为评估机械性质的参考。

▲图三：铜柱（含铜锡介金属化合物 IMC）的相分布及其比例。（Source：宜特科技）

案例三：从铜铜接合介面，观察样品机械强度及抗电迁移性

随著制程技术的进步，晶片尺寸的缩小、运算能力的增加，以及连接器接点数量的增多，导致传统使用焊锡作为高密度接点的方式达到极限。微缩焊锡不仅结构强度不足，而且散热性和抗电迁移能力也不足以应付需求。因此，铜-铜接合逐渐成为先进封装的热门技术。

在铜铜接合的方法中，纳米孪晶铜的孪晶界可增加机械强度及降低电迁移的风险，且具有良好的导电性质。因为铜原子在（111）面上的密度最高，该面拥有其他面数千倍的扩散速率。这种方法可以在较低的温度或短时间内快速接合，从而避免高热温度对异质整合的影响，提高良率。而我们藉由 EBSD 分析其晶粒取向（orientation）资讯，就可以提早掌握产品机械强度及发生电迁移的风险。

从图四和图五可以看出，即使是以低温快速接合，但上下两个铜垫片（Cu pad）仍未互相扩散，虽其优选取向为（111），具较佳的抗电迁移能力，但仍然可以明显观察到介面，这意味著机械强度较弱，介面有分离的风险。而图六和图七显示，虽然铜垫片间的介面消失，表示其具较佳的机械强度，但优选取向结果显示其可能不具优异的抗电迁移性质。

▲图四：铜铜接合温度 150 度时的晶界分布，虚线圈选处为铜铜接合介面。（Source：宜特科技）