揭密TGV製程中的隱形殺手：EBSD如何破解應力難題

(一) 晶粒尺寸與邊界特徵

透過EBSD獲得的晶體取向資料，可以計算並統計晶粒尺寸分佈及大角度晶界（High-Angle Grain Boundaries, HAGBs）比例等微觀結構的訊息。

根據Chang等人（2024年，J. Mater. Res. Technol）研究指出，採用多步驟電鍍製程，特別是在初期施加較低電流密度，可有效控制晶粒成長並優化微結構。根據EBSD分析，這種策略能提升高角度晶界（HAGBs）與孿晶界（Twin Boundaries, TBs）的比例(圖一、二)，有助於增強電鍍銅的機械強度與延展性，並可能進一步穩定其電性表現。

相比之下，單一步驟電鍍易產生晶粒尺寸不均，可能埋下應力集中隱患。此外，從應力-應變測試結果顯示，多段電鍍雖略降低強度，但其更佳的延展性有利於緩解封裝應力，整體上有助於提升TGV銅的可靠度(圖三) ^[1]。

(二) 晶粒取向與應力關聯

透過電子背向散射繞射（EBSD）獲取的TGV電鍍銅層的晶體取向分佈圖（Inverse Pole Figure, IPF），可以分析晶粒取向與微觀應力之間的關係。

根據Wang等人（2024年，J. Alloys Compd）的研究，透過EBSD、XRD分析不同熱處理溫度下的銅覆蓋層微觀結構變化，發現隨退火溫度升高，銅膜內部的殘留應力從原本約-70MPa的壓應力逐漸轉為約15MPa的拉應力(表一)。EBSD結果進一步指出，退火可促進靜態再結晶、提高高角度晶界（HAGBs）比例，並使晶粒尺寸細化(圖四)。

此外，他們發現殘留應力較高的樣品傾向呈現(001)優選取向，而殘留應力較低時則轉變為(111)取向。由於(111)面在FCC結構中是最容易滑移的面，因此可視為應力釋放後的穩定狀態之一。KAM(Kernal Average Misorientation)分析顯示(圖五)，在100°C 與 200°C 熱處理條件下，晶粒內部應變（KAM值）明顯降低，代表此溫度區間的再結晶有助於應力釋放。但當溫度進一步提升至300°C時，局部微應變卻再次升高，顯示結構可能重新經歷應力累積^[2]。

因此，晶粒取向的變化可作為殘留應力水準的間接指標。藉由EBSD持續監測晶體取向與內部差排密度的變化，能有效評估電鍍與退火製程中微觀應力是否獲得有效緩解。

(三) 再結晶與相變分析

EBSD可用來分析退火處理後銅的再結晶程度。藉由對比退火前後晶體取向圖，能直觀判斷哪些區域發生了再結晶、新晶粒成長等。

Yang等人（2024 年，Micromachines）利用EBSD觀察奈米雙晶銅在退火後的演變。結果顯示，[110]取向的奈米雙晶銅(110-nt-Cu)在退火時發生了劇烈的再結晶，而[111]取向(111-nt-Cu)和無特定取向(1nt-Cu)的奈米雙晶銅則僅有輕微再結晶^[3]。

透過GND（Geometrically Necessary Dislocation）分析可見(圖六、圖七)，退火後整體差排密度(晶格扭曲)明顯下降，特別是[111]取向奈米雙晶銅表現最為明顯，擁有最低的初始及最終差排密度，此結果說明不同晶向的銅在熱處理下有不同的穩定性，也提供未來進一步透過工程方法優化TGV銅熱穩定性的參考。

(四) 故障解析與品質管控

目前針對TGV互連結構，直接應用EBSD技術進行故障分析與品質控管的研究仍相對稀少。不過在TSV領域，已有成熟的應用案例可供參考。TSV和TGV就像是電纜穿過兩種不同的牆，一個鑽過矽牆，一個穿越玻璃牆。雖然牆的材料不同，但晶粒內的應力集中、銅的再結晶、以及熱脹冷縮帶來的剪應力等問題，本質上卻非常類似。TSV的觀察與結果可視為TGV的前哨站，使用相同的電鍍材料、面對類似的熱處理行為，只是在不同的材料背景中上演。

例如Krause等人（2011年，Proc. IEEE ECTC）便提出一套完整的互連結構包含TSV及μBump的故障分析流程，整合非破壞性的缺陷定位技術：LIT(Lock-in Thermography)與高解析度材料分析工具：DB-FIB、PFIB、EBSD、TEM^[4]，提供了一條實務可行的整合式分析路徑。考量EBSD在晶體結構、晶界特性與應變分析方面的優勢，若能將其納入TGV結構研究中，將有助於更深入掌握其潛在的失效機制與品質變異來源。

以Okoro等人（2021年，Microelectron. Reliab.）為例，他們指出當升溫速率過快時，TGV結構中因熱膨脹係數不匹配（CTE mismatch）所產生的大量熱機械應力，會在玻璃本體形成放射狀裂紋（圖八、九）。這些裂紋雖未直接出現在金屬銅層中，但其形成過程可能與晶界排列與晶界滑移所導致的銅突起（Cu protrusion）密切相關^[5]。

Zhao等人（2022年，Micromachines）則透過有限元素模擬指出，在冷卻階段，剪應力主要集中於TGV與銅介面以及RDL周圍（圖十、十一）^[6]，這些區域亦正是晶界滑移與局部塑性變形可能發生的熱點。

若上述研究能進一步結合EBSD分析，針對裂紋源附近區域進行晶粒取向、KAM（Kernel Average Misorientation）或GND（Geometrically Necessary Dislocation）分佈的量測，有望揭示微應變誘導裂紋的幾何與機構成因，為故障機制提供具體且量化的佐證依據。

總結而言，雖然目前仍缺乏專門針對TGV結構的EBSD故障分析文獻，但從晶粒尺寸控制、熱處理後的微結構演化，到與玻璃裂紋相關的熱應力場分佈評估，EBSD的角色正逐步從單純觀察工具，轉型為可靠度工程中不可或缺的決策核心之一。