发布日期：2025/8/21 EBSD TGV工艺
发布单位：iST宜特
在TGV工艺中，晶粒排列与应力分布的微小差异，往往决定了产品的可靠性。这些关键信息，正是EBSD技术的专长。
EBSD TGV工艺
在高阶封装技术迅速发展的今日，TGV（玻璃通孔）技术正逐渐成为重要的芯片互连解决方案。根据报导，经济部产业技术司支持工研院开发的全湿式面板级封装设备，成功将12吋玻璃基板的通孔深宽比由AR 10提升至AR 15，大幅突破了玻璃通孔工艺限制并有效降低制造成本。
在此产业背景下，透过电子背向散射绕射（EBSD）技术观察晶体结构，变得尤为重要。藉由EBSD，我们可以深入分析晶粒取向、晶界特性与残留应力等微观结构特征，进而改善工艺质量与提升产品的可靠性。
在上一期的宜特小学堂中，我们科普了EBSD技术的基本原理与操作系统，包括如何透过电子条纹解读晶体取向。如果您还不熟悉EBSD的基本概念，建议先阅读上一期的内容(阅读更多: 晶体结构如何掌握？ EBSD告诉你材料内部的秘密)，以便更全面理解本篇的应用解析。本期宜特小学堂将聚焦EBSD在TGV工艺中的实际应用面向，从晶粒尺寸与晶界控制、残留应力分析，到失效定位与质量管控，揭开EBSD如何破解高阶封装工艺可靠性难题的秘密。
EBSD TGV工艺
EBSD TGV工艺
随着2.5D/3D IC与高密度互连板（HDI）及玻璃基板技术的快速发展，TGV于高频高速传输的通讯芯片与运算芯片上的应用极具有发展潜力。然而，TGV工艺中的金属化与热处理过程，可能导致晶粒排列不均、晶界结构不稳定及残留应力等问题，这些因素都可能对可靠性要成不良影响。
EBSD提供了一种微观尺度的分析方式，能够有效观察与解析上述工艺问题。本文将根据近期EBSD相关研究，介绍EBSD如何在TGV工艺中观察与评估晶粒尺寸、晶界特性及应力分布，探讨EBSD如何协助工程师提升TGV结构的质量与可靠性表现。
一、EBSD在TGV工艺的应用
(一) 晶粒尺寸与边界特征
透过EBSD获得的晶体取向数据，可以计算并统计晶粒尺寸分布及大角度晶界（High-Angle Grain Boundaries, HAGBs）比例等微观结构的讯息。
根据Chang等人（2024年，J. Mater. Res. Technol）研究指出，采用多步骤电镀工艺，特别是在初期施加较低电流密度，可有效控制晶粒成长并优化微结构。根据EBSD分析，这种策略能提升高角度晶界（HAGBs）与孪晶界（Twin Boundaries, TBs）的比例(图一、二)，有助于增强电镀铜的机械强度与延展性，并可能进一步稳定其电性表现。
图一：不同电镀条件下 TGV铜区的IPF图。
(图片来源： Chang等人 ；2024年，J. Mater. Res. Technol.）
图二：不同电镀条件下晶界类型比例的比较。
(图片来源：Chang等人；2024年，J. Mater. Res. Technol.）相比之下，单一步骤电镀易产生晶粒尺寸不均，可能埋下应力集中隐患。此外，从应力-应变测试结果显示，多段电镀虽略降低强度，但其更佳的延展性有利于缓解封装应力，整体上有助于提升TGV铜的可靠性(图三) [1]。
相比之下，单一步骤电镀易产生晶粒尺寸不均，可能埋下应力集中隐患。此外，从应力-应变测试结果显示，多段电镀虽略降低强度，但其更佳的延展性有利于缓解封装应力，整体上有助于提升TGV铜的可靠性(图三) [1]。
图三：不同电镀条件下的Cu电镀样品应力–应变曲线。
（图片来源：Chang等人；2024年，J. Mater. Res. Technol.）(二) 晶粒取向与应力关联
透过电子背向散射绕射（EBSD）获取的TGV电镀铜层的晶体取向分布图（Inverse Pole Figure, IPF），可以分析晶粒取向与微观应力之间的关系。
根据Wang等人（2024年，J. Alloys Compd）的研究，透过EBSD、XRD分析不同热处理温度下的铜覆盖层微观结构变化，发现随退火温度升高，铜膜内部的残留应力从原本约-70MPa的压应力逐渐转为约15MPa的拉应力(表一)。EBSD结果进一步指出，退火可促进静态再结晶、提高高角度晶界（HAGBs）比例，并使晶粒尺寸细化(图四)。
表一：不同热处理温度下 TGV铜膜的残留应力与应力值的变化。
(数据源: Wang等人；2024年，J. Alloys Compd）
图四：不同退火温度下Cu overburden film的晶粒尺寸与取向分布。
(图片来源：Wang等人；2024年，J. Alloys Compd）此外，他们发现残留应力较高的样品倾向呈现(001)优选取向，而残留应力较低时则转变为(111)取向。由于(111)面在FCC结构中是最容易滑移的面，因此可视为应力释放后的稳定状态之一。KAM(Kernal Average Misorientation)分析显示(图五)，在100°C 与 200°C 热处理条件下，晶粒内部应变（KAM值）明显降低，代表此温度区间的再结晶有助于应力释放。但当温度进一步提升至300°C时，局部微应变却再次升高，显示结构可能重新经历应力累积[2]。
因此，晶粒取向的变化可作为残留应力水平的间接指标。藉由EBSD持续监测晶体取向与内部差排密度的变化，能有效评估电镀与退火工艺中微观应力是否获得有效缓解。
图五：不同热处理温度下的KAM晶格应变分布。
(图片来源：Wang等人；2024年，J. Alloys Compd）(三) 再结晶与相变分析
EBSD可用来分析退火处理后铜的再结晶程度。藉由对比退火前后晶体取向图，能直观判断哪些区域发生了再结晶、新晶粒成长等。
Yang等人（2024 年，Micromachines）利用EBSD观察奈米双晶铜在退火后的演变。结果显示，[110]取向的奈米双晶铜(110-nt-Cu)在退火时发生了剧烈的再结晶，而[111]取向(111-nt-Cu)和无特定取向(1nt-Cu)的奈米双晶铜则仅有轻微再结晶[3]。透过GND（Geometrically Necessary Dislocation）分析可见(图六、图七)，退火后整体差排密度(晶格扭曲)明显下降，特别是[111]取向奈米双晶铜表现最为明显，拥有最低的初始及最终差排密度，此结果说明不同晶向的铜在热处理下有不同的稳定性，也提供未来进一步透过工程方法优化TGV铜热稳定性的参考。
图六：不同晶向奈米双晶铜退火前后的GND分布图。
（图片来源：Yang等人；2024 年，Micromachines）
图七：不同晶向奈米双晶铜在退火前后的GND平均密度变化。
(图片来源：Yang等人；2024 年，Micromachines）(四) 故障解析与品质管控
目前针对TGV互连结构，直接应用EBSD技术进行故障分析与质量控管的研究仍相对稀少。不过在TSV领域，已有成熟的应用案例可供参考。TSV和TGV就像是电缆穿过两种不同的墙，一个钻过硅墙，一个穿越玻璃墙。虽然墙的材料不同，但晶粒内的应力集中、铜的再结晶、以及热胀冷缩带来的剪应力等问题，本质上却非常类似。TSV的观察与结果可视为TGV的前哨站，使用相同的电镀材料、面对类似的热处理行为，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连结构包含TSV及μBump的故障分析流程，整合非破坏性的缺陷定位技术：LIT(Lock-in Thermography)与高分辨率材料分析工具：DB-FIB、PFIB、EBSD、TEM[4]，提供了一条实务可行的整合式分析路径。考虑EBSD在晶体结构、晶界特性与应变分析方面的优势，若能将其纳入TGV结构研究中，将有助于更深入掌握其潜在的失效机制与质量变异来源。
以Okoro等人（2021年，Microelectron. Reliab.）为例，他们指出当升温速率过快时，TGV结构中因热膨胀系数不匹配（CTE mismatch）所产生的大量热机械应力，会在玻璃本体形成放射状裂纹（图八、九）。这些裂纹虽未直接出现在金属铜层中，但其形成过程可能与晶界排列与晶界滑移所导致的铜突起（Cu protrusion）密切相关[5]。Zhao等人（2022年，Micromachines）则透过有限元素仿真指出，在冷却阶段，剪应力主要集中于TGV与铜接口以及RDL周围（图十、十一）[6]，这些区域亦正是晶界滑移与局部塑性变形可能发生的热点。
若上述研究能进一步结合EBSD分析，针对裂纹源附近区域进行晶粒取向、KAM（Kernel Average Misorientation）或GND（Geometrically Necessary Dislocation）分布的量测，有望揭示微应变诱导裂纹的几何与机构成因，为故障机制提供具体且量化的左证依据。
总结而言，虽然目前仍缺乏专门针对TGV结构的EBSD故障分析文献，但从晶粒尺寸控制、热处理后的微结构演化，到与玻璃裂纹相关的热应力场分布评估，EBSD的角色正逐步从单纯观察工具，转型为可靠性工程中不可或缺的决策核心之一。
图八：温度循环测试后的TGV与RDL（redistribution layer）边缘的微裂纹。
(图片来源：Zhao等人；2022年，Micromachines）
图九：热机械负载诱发的垂直裂纹。
(图片来源：Zhao等人；2022年，Micromachines）
图十：TGV结构内部剪应力分布示意图。图(a)加热，图(b)冷却
(图片来源：Zhao等人；2022年，Micromachines）
图十一：TGV与RDL应力集中区域。
(图片来源：Zhao等人；2022年，Micromachines）
EBSD（电子背向散射绕射）不单只是看晶体排列的技术，它还是半导体工程师解决微观失效、强化封装可靠性的工具。透过EBSD，我们可以深入了解晶粒的方向、晶界的性质、再结晶的行为，甚至是材料里面悄悄藏着的残留应力，这些信息对工艺优化与材料评估来说都非常关键。特别是在晶界附近的区域、微小的应变分布，甚至裂纹是怎么形成的这些细节，EBSD都能帮我们用高分辨率又有数据根据的方式，看清楚、说明白。
未来如果能把EBSD再结合X-ray、SEM、模拟分析等其他工具，建立一个从微观到巨观的整合模型，不只能更精准抓出封装里潜在的可靠性风险，也能协助工艺工程师提前布局、避开问题。换句话说，EBSD 不只是让我们「看见晶体的方向」，还能帮我们「预见材料的未来」。
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参考文献 (references)：
[1] Y‑H. Chang et al. “Through glass via (TGV) copper metallization and its microstructure modification”, J. Mater. Res. Technol., 2024.
[2] M. Wang et al. “Effect of heat treatment processes on the Cu‑electrodeposited through glass vias (TGV) plate”, J. Alloys Compd., 2024.
[3] G. Yang et al. “A study on regulating the residual stress in electroplated Cu by manipulating nanotwin directions”, Micromachines, 2024.
[4] M. Krause et al., “Characterization and Failure Analysis of TSV Interconnects: From Non-destructive Defect Localization to Material Analysis with Nanometer Resolution”, Proc. ECTC, 2011.
[5] C. Okoro et al. “Understanding and eliminating thermo‑mechanically induced radial cracks in fully metallized TGVsubstrates”, Microelectron. Reliab., 2021.
[6] M. Krause et al., “Characterization and Failure Analysis of TSV Interconnects: From Non-destructive Defect Localization to Material Analysis with Nanometer Resolution,” Proc. ECTC, 2011.