發佈日期：2025/9/9 TGV故障分析
發佈單位：iST宜特
挑戰矽霸權？TGV（Through-Glass Via）玻璃基板技術因優異的高頻與低損耗特性，廣泛應用於5G、AIoT、車用雷達等領域，成為先進封裝的新選項。然而，業界在推動 TGV 技術導入時，卻頻繁遇到製程良率、封裝機械強度、以及材料熱失配 (CTE mismatch)等問題。該如何找出失效真因，提升良率呢？
TGV故障分析
TGV故障分析
半導體產業正迎來基板材料的重大革新！隨著 AI、高速運算（HPC）與電動車等應用日益蓬勃，因低損耗、高頻特性與成本優勢的需求，利用玻璃基板製作玻璃通孔（TGV, Through-Glass Via）在高階封裝技術發展中逐漸被重視，也成為這股AI變革浪潮中，有機會取代矽基板製作的矽中介層（Silicon Interposer）技術的明日之星。
根據業界報導，Intel、Samsung、Hana Technology、Nippon Electric Glass（NEG）等多家半導體與材料大廠，已紛紛投入TGV 的開發與試產，並針對 AI 晶片、高頻模組等應用設計新一代封裝架構。根據 Verified Market Reports 的研究，TGV技術市場規模預計將由 2024 年的 12 億美元提升至 2033 年的 25 億美元，2026–2033年預測年均複合成長率為 9.5%，顯示其具備高度競爭價值。
什麼是TGV玻璃基板技術？TGV 是一種於玻璃基板上製作「金屬導電孔」（vias）的技術。簡單來說，就是在一片玻璃板上鑽孔，再把導電金屬（如銅）填入孔內，讓電信訊號得以從玻璃的一面傳輸到另一側。像是在玻璃上開出許多高速通道，讓晶片之間的電訊號可以快速且低損耗地傳輸。
圖一: TGV結構示意圖
(圖片來源：iST宜特科技)
跟「矽」這位老前輩相比，TGV的關鍵優勢在於高頻傳輸、絕緣性佳，可視為下一世代2.5D、3D等先進封裝的重要技術之一，非常適合應用在 AI、5G、車用雷達等高速模組。然而，業界在導入 TGV 技術時，製程良率、封裝機械強度，以及材料熱失配等問題，將是衝擊可靠度驗證結果與拖慢量產進度的重大瓶頸。
本篇宜特小學堂將根據宜特與業界的實務經驗，分享我們如何透過一站式解決方案，四步驟找出產品失效的根本原因。最後也將分享一則實際案例，讓您更深入了解 TGV 技術的應用與潛在風險。
一、目前TGV發展遇到的兩大逆風：
(一) 製造良率與成本挑戰
1.玻璃鑽孔問題：目前雷射或化學蝕刻仍存在孔徑形狀不一、表面粗糙度高等問題，影響後續導電性與金屬填充均勻性。
2.銅填充與擴散風險：填充不均導致孔洞電阻變異，銅擴散至玻璃內部則可能造成絕緣劣化與長期失效。(二) 機械強度與封裝應力
1.玻璃基板脆性高：玻璃雖剛性高但脆性(Brittleness)大，在製程、封裝壓合、測試或使用過程中易受微裂紋影響而造成電氣異常。
2.銅與玻璃間熱膨脹係數（CTE）差異大：長期熱應力累積易導致界面剝離。
圖二: TGV中銅與玻璃間脫層異常。
(圖片來源：iST宜特科技)二、時間就是金錢 四大解析步驟快速找出潛在異常點
接著，我們將不藏私地分享宜特故障分析實驗室如何找出TGV玻璃基板的故障點。透過以下四大步驟，有效協助客戶快速找出潛在故障點並加以改善，適用於TGV初期導入、材料選型、量產前可靠度驗證等階段。
(一)創造環境，誘發異常點現形
(二)非破壞檢視TGV缺陷所在區域，快速定位異常點
(三)異常點切片分析，了解實際失效現象
(四)微觀材料結構分析，有效改善潛在風險
步驟一：創造環境，誘發潛在異常點現形
透過加速老化可靠度實驗，如HAST（Highly Accelerated Stress Test）與 HTS（High Temperature Storage），可評估 TGV 結構在高溫／高濕／高壓環境下的長期穩定性，藉此誘發出結構中可能存在的異常點。此方法可在短時間內模擬數年壽命，快速誘發銅擴散、玻璃界面剝離或導通異常等潛在問題。宜特可依客戶需求調整測試條件（如85°C / 85%RH / 1000小時），並結合後段破壞分析，提高整體測試效能。
步驟二：非破壞檢測TGV缺陷所在區域，快速定位異常點
當有相關電氣漏電失效發生時，可利用亮點分析儀器 (Thermal EMMI或OBIRCH) 進行失效點定位；此外，採用高解析度 X-Ray 系統，進行 2D 平面觀察 與 3D 斷層掃描，無需破壞樣品，即可快速掌握 TGV 電性異常物性狀態或銅填孔的完整性。此技術可識別TGV內部填鍍常見的空洞（void）缺陷。我們也可針對高深寬比結構進行局部放大分析，作為後續精細切片的輔助依據。
步驟三：異常點切片分析，了解實際失效現象
在失效定位後，我們可針對異常與試片特性從 X-Section（斷面研磨）、CP（Cross-section Polisher）、Plasma FIB各切片技術進行選擇最佳製備方式進行精準剖面樣品製備（閱讀更多: IC切片手法有四種哪一種CP值最高，最適合你的樣品？)。
步驟四：微觀材料結構分析，有效改善潛在風險
切片後可進一步搭配 SEM 或 TEM 觀察穿孔界面狀態，並利用 EDS / EELS 元素分析確認銅擴散路徑與濃度分布，尤其在檢測玻璃內部的微量銅擴散時，此步驟至關重要，有助於建立完整失效機制模型。亦可搭配EBSD分析晶粒大小/方向(Grain size/ orientation)、晶界(Grain boundary)特性與殘留應力，有助改善製程與提升可靠度和電氣特性 (閱讀更多: 揭密TGV製程中的隱形殺手：EBSD如何破解應力難題)。
三、TGV案例分享
在宜特的TGV異常分析經驗中，導致導通失敗的主因多為TGV 製程中「玻璃穿孔」的穿孔品質不良與「金屬填孔」（多採用電鍍或化學填鍍）的銅填鍍不均。由於 TGV 基板上的微小通孔需完全且均勻填入銅材，才能確保穩定導電路徑，任何玻璃孔蝕刻異常都可能導致導通中斷。同時，若電鍍參數設定不當，易產生孔內空隙、填充不飽滿或柱狀結構不連續等缺陷，進而造成電氣特性異常與封裝失效。
在這個案例中，我們可利用 2D X-ray 非破壞分析，進行異常點定位，再搭配 精準切片，並以 SEM 觀察發現銅填充空隙不均，導致部分 TGV 產生無法導通或高阻值異常。經分析後，針對鍍銅條件進行優化與調整填鍍時間，最終成功協助客戶提升銅填孔飽和度與導電一致性，得以提升整體良率。
圖三：從2D X-Ray觀察，產品原先有銅填孔不均的問題，沒有連結在一起的通孔表示導通失敗 (左圖以黃圈標出部分失效處)；經過鍍銅條件優化與調整後，提升了銅填孔的飽和度(右圖)。
(圖片來源：iST宜特科技)
圖四：從SEM可清楚看出，製程優化和調整後，最終成功提升銅填孔飽和度。
(圖片來源：iST宜特科技)
儘管矽中介層技術因「製程成熟」與「散熱佳」，仍是目前多數應用的主力。然而，TGV玻璃基板低電氣阻抗、高頻率傳輸與卓越的絕緣特性，成為半導體產業在AI加速器、高階通訊及毫米波雷達等前瞻技術趨勢下的關鍵材料之一。隨著全球半導體大廠的積極投入，TGV玻璃基板有望成為先進封裝領域中極具戰略意義的「明日基板」技術。若能透過有效的故障分析手法加速協助提升TGV玻璃基板可靠度與其製程良率，將可大大增加TGV及早量產化的可能性。
宜特驗證分析實驗室在TGV封裝可靠度領域累積了多年的深耕經驗，建立豐富的案例資料庫可供借鑒。從TGV穿孔分析、加速老化可靠度實驗，到後續的破壞性高解析度觀察，實驗室配備完整的檢測設備，包括HAST、電性亮點分析、2D/3D X-Ray、SEM、TEM、EDS、EELS、EBSD、XPS、SIMS等，提供一站式TGV測試能力。這將有助於加速TGV技術在多個應用領域的發展進程，推動高效能與高可靠度的突破。
本文與各位長久以來支持宜特的您分享經驗，若您想要更進一步了解細節，歡迎洽詢+886-3-579-9909 分機6741 李先生│Email: web_ISE@istgroup.com；marketing_tw@istgroup.com