发布日期：2023/5/16 EBSD
发布单位：iST宜特
当摩尔定律走到尽头，先进封装已然成为接棒者，
但先进封装是否能成功发展？关键之一在其中的材料晶体结构
如何掌握晶体结构密码？就靠先进分析利器－EBSD
EBSD
随着先进工艺的发展，芯片尺寸已经接近1奈米的物理极限，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脚对手，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，中系主要芯片封装与测试企业，也努力透过异质整合的先进封装技术，提升HPC(High Performance Computing)高效运算与储存方面的能力。而台系主要半导体封测大厂，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质量。在过往的宜特小学堂中，我们谈到先进封装材料接合的应力强度、焊点异常，以及芯片翘曲等议题(延伸阅读:异质整合当道 材料接合应力强度备受瞩目；板级可靠性试验后Fail 如何找先进封装焊点异常；两大难关!先进封装在车用可靠性的挑战与解法)。
而本期小学堂，我们将改从「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组件的性能和可靠性。又该如何利用现有工具来掌握这些先进封装材料的特性？本期宜特小学堂，我们将以三大实际案例为您介绍晶体结构的先进分析利器－EBSD。
EBSD
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工艺改良。
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，尤其在半导体工艺中，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组件的性能和可靠性有绝对的帮助。
那么EBSD可以怎么运用？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性，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、晶界角度等信息。这些数据可以用来推测铜柱的抗电迁移能力。
1. 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。
2. 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。
3. 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，意味着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，进一步采用高温高湿（HTH）和恒电压（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)
图二：晶粒尺寸分布统计
案例二：从介金属化合物分析，确认铜柱的焊接质量是否良好
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，随着回焊温度增加或使用时间增长，接点中的接口会形成劣化的柱状结晶(Cu3Sn)，这会降低接点的强度和可靠性。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，进而确认焊接质量是否良好。
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
案例三：從銅銅接合介面，觀察樣品機械強度及抗電遷移性
随着工艺技术的进步，芯片尺寸的缩小、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，奈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)信息，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接口，这意味着机械强度较弱，接口有分离的风险。而图六和图七显示，虽然铜垫片间的接口消失，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界面
图五：铜铜接合150度时的取向分布图(orientation map)，虚线圈选处为铜铜接合界面
图六：铜铜接合350度的晶界分布，虚线圈选处为铜铜接合界面
图七：铜铜接合350度时的取向分布图(orientation map)，虚线圈选处为铜铜接合界面
本期宜特小学堂，我们先从「先进封装的材料特性」介绍EBSD工具的三大实测案例。其他关于先进封装的热门议题，比如：下一类半导体材料该如何选择？如何量测和分析异质封装材料的热特性？后续也请继续锁定宜特小学堂的分享。
宜特材料分析实验室在半导体工艺、先进封装领域上耕耘已久，有相当丰富的经验与成功案例。本文与长久支持宜特的您分享，若有相关需求，或是对相关知识想要更进一步了解，欢迎洽询 +886-3-579-9909 分机 6166 林先生(Weijui) │Email: web_ma@istgroup.com；marketing_tw@istgroup.com。
参考数据：
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.