發佈日期：2023/5/16 EBSD
發佈單位：iST宜特
當摩爾定律走到盡頭，先進封裝已然成為接棒者，
但先進封裝是否能成功發展？關鍵之一在其中的材料晶體結構
如何掌握晶體結構密碼？就靠先進分析利器－EBSD EBSD
隨著先進製程的發展，晶片尺寸已經接近1奈米的物理極限，摩爾定律正步入尾聲，而先進封裝技術已成為下一個關鍵發展方向。尤其是具備高度晶片整合能力的「異質整合」封裝技術，已成為超越摩爾定律的重要技術之一。
近期，各國都在擴大先進晶片封裝的能力，包括韓系大廠重金挖腳對手，期能在CoWos (Chip on Wafer on Substrate)和InFO/InFO-PoP (Integrated Fan-out / Integrated Fan-out-package-on-package)等先進封裝技術中彎道超車。
同時，ChatGPT也帶動了高階人工智慧(AI)晶片的封裝需求，中系主要晶片封裝與測試企業，也努力透過異質整合的先進封裝技術，提升HPC(High Performance Computing)高效運算與儲存方面的能力。而台系主要半導體封測大廠，早已布局FC-MCM(Flip-Chip-Multi-Chip-Module)、FOCoS(Fan-Out Chip on Substrate)和VIPack(Vertical Integrated Package)等技術，搶攻HPC和AI封裝市場。
但是，異質整合的先進封裝技術，也面臨到許多可靠度上的疑難雜症，需要進行前期的驗證分析以確認研發品質。在過往的宜特小學堂中，我們談到先進封裝材料接合的應力強度、焊點異常，以及晶片翹曲等議題(延伸閱讀:異質整合當道 材料接合應力強度備受矚目；板階可靠度試驗後Fail 如何找先進封裝焊點異常；兩大難關!先進封裝在車用可靠度的挑戰與解法)。
而本期小學堂，我們將改從「先進封裝材料特性」這個面向，來探討晶體結構、缺陷和應變是如何影響先進封裝元件的性能和可靠度。又該如何利用現有工具來掌握這些先進封裝材料的特性？本期宜特小學堂，我們將以三大實際案例為您介紹晶體結構的先進分析利器－EBSD。
EBSD
EBSD
什麼是EBSD？
我們知道，所有的物質都是由「原子」組成，這些原子可以排列成不同的「晶體結構」，而這些結構決定了物質的特性。
該如何解析晶體結構，就需要靠EBSD這項利器。EBSD(Electron Backscatter Diffraction)，又稱電子背向散射繞射，是一種研究物質微觀結構的技術，它可以讓研究者像是用放大鏡一樣，分析材料的晶體結構、晶界和異質材料界面，但更加精確和詳細，進而幫助客戶優化材料的選擇和製程改良。
EBSD技術的應用範圍相當廣泛，例如金屬、陶瓷、材料科學、工程、電子領域，尤其在半導體製程中，藉以研究晶體結構、缺陷和應變等問題，對進一步提高半導體元件的性能和可靠度有絕對的幫助。
那麼EBSD可以怎麼運用？以下是宜特材料分析實驗室中實際三大案例分享。
案例一：從銅柱的晶粒尺寸與結構強度推測其抗電遷移能力
銅柱（Copper Pillar）是一種封裝技術，廣泛應用於半導體晶片和封裝基板之間的連接，如3D IC封裝和FCBGA (Flip Chip Ball Grid Array)封裝。這種技術使用細小的銅柱代替傳統的導線，以提高連接的密度和可靠度，並實現更高的I/O(Input/output)密度和更高的性能。
EBSD分析技術可以提供銅柱晶體結構的定性分析，包括晶粒尺寸、晶格取向、晶界角度等資訊。這些數據可以用來推測銅柱的抗電遷移能力。
1. 晶粒尺寸：晶粒尺寸越小，晶界密度就越大，因此電子的運動受到的阻礙也就越大，從而抗電遷移的能力就越好。
2. 晶格取向： <111>晶向的銅柱比<100>晶向的銅柱具有更好的抗電遷移能力。這是因為在<111>晶向的銅柱中，晶界的面積更小，電子的運動更加容易，因此電子在這種結構中遷移的能力更好。
3. 晶界角度：當晶界角度較小時，晶界處的應力更小，晶界也更加穩定。因此，可以預期晶界角度較小的銅柱具有更好的抗電遷移能力。
圖一可得知晶界角度大於10度的比例為94%，表示其晶粒取向差異較大，可能較不利於抗電遷移；圖二為統計其銅柱晶粒尺寸的結果，其平均粒徑為1.6um，粒徑及取向數據需要再進一步比對及分析。不過綜合兩個結果，意味著銅柱可能不具有較好的抗電遷移能力。宜特材料分析實驗室建議，研究者可根據這樣的結果，進一步採用高溫高濕（HTH）和恆電壓（HVM）等分析，測試其抗電遷移能力。
圖一：銅柱的晶界分布，包含大角度晶界(黑)、小角度晶界(淺灰)與孿晶界(紅)
圖二：晶粒尺寸分布統計
案例二：從介金屬化合物分析，確認銅柱的焊接品質是否良好
在銅柱焊錫接點中，銅和錫在共晶反應後完成焊接，而界面的介金屬化合物(Intermetallic Compound，簡稱IMC)即是銅錫接合的關鍵。在良好的焊接過程中，銅錫會形成「表面能」較高的球狀結晶(Cu6Sn5)。
然而，隨著迴焊溫度增加或使用時間增長，接點中的介面會形成劣化的柱狀結晶(Cu3Sn)，這會降低接點的強度和可靠度。因此，宜特材料分析實驗室建議，觀察銅錫界面的介金屬化合物分布以比較接點強度，進而確認焊接品質是否良好。
如圖三所示，銅錫介金屬化合物的相分別為桃紅色的Cu6Sn5，以及天藍色的Cu3Sn，其相分布狀況與比例，可作為評估機械性質的參考。
圖三：銅柱(含銅錫介金屬化合物IMC)的相分布及其比例
案例三：從銅銅接合介面，觀察樣品機械強度及抗電遷移性
隨著製程技術的進步，晶片尺寸的縮小、運算能力的增加，以及連接器接點數量的增多，導致傳統使用焊錫作為高密度接點的方式達到極限。微縮焊錫不僅結構強度不足，而且散熱性和抗電遷移能力也不足以應付需求。因此，銅-銅接合逐漸成為先進封裝的熱門技術。
在銅銅接合的方法中，奈米孿晶銅的孿晶界可增加機械強度及降低電遷移的風險，且具有良好的導電性質。因為銅原子在 (111) 面上的密度最高，該面擁有其他面數千倍的擴散速率。這種方法可以在較低的溫度或短時間內快速接合，從而避免高熱溫度對異質整合的影響，提高良率。而我們藉由EBSD分析其晶粒取向(orientation)資訊，就可以提早掌握產品機械強度及發生電遷移的風險。
從圖四和圖五可以看出，即使是以低溫快速接合，但上下兩個銅墊片（Cu pad）仍未互相擴散，雖其優選取向為 (111)，具較佳的抗電遷移能力，但仍然可以明顯觀察到介面，這意味著機械強度較弱，介面有分離的風險。而圖六和圖七顯示，雖然銅墊片間的介面消失，表示其具較佳的機械強度，但優選取向結果顯示其可能不具優異的抗電遷移性質。
圖四：銅銅接合溫度150度時的晶界分布，虛線圈選處為銅銅接合介面
圖五：銅銅接合150度時的取向分布圖(orientation map)，虛線圈選處為銅銅接合介面
圖六：銅銅接合350度的晶界分布，虛線圈選處為銅銅接合介面
圖七：銅銅接合350度時的取向分布圖(orientation map)，虛線圈選處為銅銅接合介面
本期宜特小學堂，我們先從「先進封裝的材料特性」介紹EBSD工具的三大實測案例。其他關於先進封裝的熱門議題，比如：下一類半導體材料該如何選擇？如何量測和分析異質封裝材料的熱特性？後續也請繼續鎖定宜特小學堂的分享。
宜特材料分析實驗室在半導體製程、先進封裝領域上耕耘已久，有相當豐富的經驗與成功案例。本文與長久支持宜特的您分享，若有相關需求，或是對相關知識想要更進一步了解，歡迎洽詢 +886-3-579-9909 分機 6166 林先生(Weijui) │Email: web_ma@istgroup.com；marketing_tw@istgroup.com。
參考文獻：
1. Yu-Jin Li , King-Ning Tu and Chih Chen . Tensile Properties of -Oriented Nanotwinned Cu with Different Columnar Grain Structures. Materials 2020, 13, 1310.
2. Chien-Min Liu , Han-Wen Lin , Yi-Sa Huang , Yi-Cheng Chu , Chih Chen , Dian-Rong Lyu , Kuan-Neng Chen & King-Ning Tu. Low-temperature direct copper-to-copper bonding enabled by creep on (111) surfaces of nanotwinned Cu. Sci. Rep. 5, 9734; doi: 10.1038/srep09734 (2015).
3. Chen, Y., Tong, Y., Lu, Y., Chen, Y., Liu, X., Zhang, Y., … & Lu, J. (2020). Enhanced strength and ductility in a high-entropy alloy via ordered oxygen complexes. Nature Materials, 19(11), 1351-1358. doi: 10.1038/s41563-019-0579-x.
4. Kwon, O., Park, J., & Kim, H. (2013). Enhanced strength and thermal stability of nanocrystalline Cu and Cu alloy wires with bimodal grain size distribution. Acta Materialia, 61(1), 71-80. doi: 10.1016/j.actamat.2012.09.003.
5. Xu, J., Zhang, X., Zhang, J., & Liu, Y. (2010). Improved electromigration resistance in nanocrystalline copper interconnects with a bimodal grain size distribution. Microelectronics Reliability, 50(3), 391-396. doi:10.1016/j.microrel.2009.10.004.