侖琴誕辰 │ 科學史上的今天：3/27

本文轉載自宜特小學堂〈玻璃基板VS矽基板之戰？TGV產品失效真因怎麼找?〉，如果您對半導體產業新知有興趣，歡迎按下右邊的追蹤，就不會錯過宜特科技的最新文章！

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？

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，讓電氣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。 

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
  • 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。
  • 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
  • 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。
  • 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。

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。

• 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。

儘管矽中介層技術因「製程成熟」與「散熱佳」，仍是目前應用的主力。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。若您喜歡這類產業解讀內容，歡迎追蹤宜特科技臉書，掌握第一手科技新知！

為了精確找出 IC 內部缺陷，非破壞性的 3D X-ray 驗證已成為半導體業界的關鍵手段。然而，經過高劑量輻射處理的 IC，在後續可靠度測試中卻可能提前失效！隨著半導體逐漸應用於 AI、車用、航太與醫療設備等需要超高可靠度的領域，如何有效量測並控制這些寄生輻射對 IC 的影響，已是工程師不得不面對的重大挑戰。

本文轉載自宜特小學堂〈別讓 X-ray 檢測成為元件早衰的隱形殺手！寄生輻射風險一次破解〉，如果您對半導體產業新知有興趣，歡迎按下右邊的追蹤，就不會錯過宜特科技的最新文章！

X-ray 屬於物理性非破壞檢測，是一項即時且便利的分析實驗，可在故障分析（FA）或產品製程改善過程中快速找出問題；僅在極少數特定製程或產品條件下，才可能影響元件的電氣特性。

如同人體若長期暴露在輻射環境中，可能導致細胞突變、DNA 受損，甚至增加癌症風險。對於 IC 而言，情況其實類似——當元件在 X-ray 等非破壞性驗證分析中持續累積過高的輻射劑量（TID, Total Ionizing Dose），其內部電晶體特性可能發生變化，造成閘極漏電流上升、閘極氧化層劣化，最終導致IC提前失效。 

隨著 AI 人工智慧、車規與航太電子標準趨嚴，IC 的長期可靠性要求日益提升，這項過往經常被忽略的潛在風險，如今已不得不正視。因此，JEDEC 於 2023 年 11 月發布 JESD22-B121 標準，明確定義如何評估 IC 在製造、驗證和表面黏著技術 (Surface Mount Technology，簡稱SMT) 等製程中，暴露於輻射照射後的電性變化，並確立其 TID 限制值 (可稱為故障極限值或供應商極限值)，以降低潛在失效風險。

本篇宜特小學堂文章將探討X-ray對電子元件造成的電氣故障模式、關鍵測試變數，以及X-ray輻射總電離劑量（TID）測試最終報告內容，跟各位分享如何透過宜特的「寄生輻射劑量沉積驗證平台」，有效預防潛在故障風險。

輻射劑量對 IC 的電氣影響與故障模式

為了評估關鍵參數的變化，必須充分理解電子元件在電離輻射環境下，因介電電荷積聚（Trapped Charge）所產生的故障機制。當元件暴露於累積效應明顯的 X-ray 時，其內部的關鍵電性參數可能發生變化，導致潛在的失效風險。因此，輻射評估是確保半導體元件可靠性的重要環節，能幫助工程師判斷其抗輻射能力與安全範圍。

不同材料的輻射吸收速率不同，因此對電子元件的影響程度也會有所差異。當 IC 暴露在 X-ray 環境下，吸收的能量會沉積形成寄生輻射劑量（TID），而這種累積效應可能會導致不可逆的電氣故障(表１)。

X-ray　系統設定和變數

X-ray 成像技術廣泛應用於 IC 和元件的封裝驗證，特別適用於內部結構缺陷的發現，與可觀察表面缺陷的光學驗證技術相輔相成。X-ray 成像技術可在 IC 運輸過程的影像掃描、焊點檢測、材料分析等應用中發揮關鍵作用。然而，這些驗測過程亦會讓 IC 曝露於 X-ray 輻射，累積一定的總電離劑量 (TID)，可能影響其電性特性。圖 1 顯示了 X-ray 系統的基本架構。

當高速電子束或離子束撞擊金屬靶材 (如鎢) 時，會產生 X-ray 光子。這些光子來自於：

1. 軔致輻射 (Bremsstrahlung Radiation)：入射電子因受原子核電場影響而減速，發射出連續光譜的 X-ray。
2. 特徵輻射 (Characteristic Radiation)：入射電子與靶材內層電子(殼)層發生碰撞，產生離散特徵能量的X- ray。

當 X-ray 穿透並圍繞樣品時，偵測器會接收來自不同材料的吸收與散射訊號，形成陰影影像 (Radiographic Image)。影像的明暗對比取決於材料的 X-ray 吸收率，吸收率低的區域顯示較亮，吸收率高的區域則較暗。不同的 X-ray系統參數亦會影響影像品質與 IC 所承受的輻射劑量，以 2D X-ray 和 3D X-ray 兩種分析為例，前者為單一角度成像，劑量較低，但可能受多層結構遮蔽影響；後者透過多角度掃描重建 3D 影像，可減少結構遮蔽效應，提高驗證準確性，但也因此增加輻射劑量。

針對功能性 IC 的輻射影響分析，表 2 定義了不同設定下的臨界最大劑量 (Critical Maximum Dose)。為確保 IC 在 X-ray 檢測過程中不會超過 TID 極限值，透過適當調整 X-ray 系統參數 (如降低電壓、縮短曝光時間、選擇合適的掃描方式)，皆可有效降低輻射劑量，並減少 IC 因驗證而導致的電性劣化風險。

X-ray 輻射劑量的測量

X-ray 劑量儀這麼多種，我們該如何選擇呢？為達成精準測量 X-ray 劑量的目的，需要 X-ray 檢測系統來產生穩定的輻射，以及X-ray劑量儀來精確測量劑量率。應選擇符合關鍵參數的 X-ray 系統來模擬典型的 X-ray 檢測條件。表 3 顯示劑量儀的類型。

游離腔和基於半導體的劑量儀為主動設備，可測量輻射引起的電流，因此能即時讀取劑量。而基於發光的劑量儀則是被動設備，會將劑量儲存於設備中，需要經過溫度或光的後處理才能測量劑量，且照射後無法立即讀取資料。因此，使用以發光為基礎的劑量儀時，建議在常溫和正常自然條件下儲存，保護其免受高溫和紫外線影響，並減少儲存與運輸時間，因為這些因素皆會影響劑量的準確度。若已知環境條件會影響劑量儀反應，則應對測量結果進行校正。額外的參考劑量計可用來監測由於不必要或雜散效應所產生的劑量，並將其從 X-ray 校準所用劑量計的讀數中扣除。同時，應考慮能量範圍內的讀取器校準。ISO/ASTM 51956 標準，例如：《練習輻射加工使用熱釋光劑量測定系統 （TLD系統）》，可作為指導方針。

總電離劑量 (TID) 特徵測試程序

圖 4 為 X-ray 總電離劑量 (TID) 測試流程示意圖。可以執行兩種特徵分析模式，並記錄在摘要報告中。第一個是超出供應商極限值的特徵，第二個是故障極限值的特徵。

1. 供應商極限值：

這是供應商設立的一個輻射劑量的最大限度，指的是元件在接受 X-ray 輻射的過程中能夠承受的最大劑量。在這一過程中，測試會根據預期的最嚴重輻射情況來設定測試參數。如果在測試中需要返工或進行進一步檢查，這段時間的曝露時間也必須計算在內，不能超過設定的供應商極限。

2. 故障極限值：

這是指在經受輻射後，元件可能會出現故障的最大輻射劑量。透過對元件的測試，根據「第一個故障參數」來判定，這有助於確定元件在最大輻射劑量下是否仍能正常運作。

X-ray 輻射總電離劑量 (TID) 測試最終報告有哪些內容呢？

X-ray 輻射總電離劑量 (TID) 測試的最終報告必須從典型批次的樣品中隨機選擇若干樣品，並包含未遭受輻射的對照樣品。最終報告應包含以下內容：

1. X-ray 系統描述，包括：
   • 設備、供應商、型號、X-ray靶材類型
   • X-ray的設定和劑量率
   • 如果使用濾光片，濾光片的材料與厚度
   • X-ray燈管與測試元器件之間的距離
   • 相對於X-ray源的方向
2. X-ray劑量儀的描述：包括供應商、型號、劑量率測量範圍，以及精度範圍的對應公差。
3. 元器件的描述：包括製程節點 (電子元器件之特徵)、產品名稱、批號、日期代碼等。
4. 封裝類型和熱界面材料類型 (如果有)：如果為非封裝單元（裸晶片或晶圓級）或無蓋/封裝已開蓋(解封裝)，則應註明。
5. 已測試的元器件總數：包括對照 (未遭受輻射) 的元器件數量。
6. 電氣測試所使用的環境溫度。
7. 在描述時間效應的影響的情況下，曝露與讀出之間的時間間隔與退火條件。
8. 每個測試元器件遭受輻射的X-ray總劑量：
   • 空氣中的劑量。
   • 材料中的劑量 (如適用)。
   • 從空氣到材料的劑量轉換因子 (如適用)。
   • 特徵模式：故障極限值或供應商極限值。
9. 電氣測試的結果。

小結

針對金屬氧化物半導體（MOS）、雙極性元件（Bipolar）、非揮發性記憶體（NVM）、快閃記憶體（Flash Memory）／電子抹除式可複寫唯讀記憶體（EEPROM），以及動態隨機存取記憶體（DRAM）等元件，若您擔心在進行 2D／3D X-ray 檢測時可能因寄生輻射導致提早失效，可透過「寄生輻射劑量沉積驗證平台」進行事前驗證。宜特作為 JESD22-B121 標準的 JC 14.1 技術委員會成員，採用高靈敏度 TID 劑量量測技術，依據標準流程精確量化 X-ray 特定條件下的輻射影響，並協助工程師判斷是否超出 IC 設計容許範圍，作為是否進行後續檢測與分析的重要參考。

本文出自 www.istgroup.com

本文轉載自顯微觀點

科學：一場每天進行的淘汰賽

在以錦標賽理論（tournament theory）運作的專門領域中，贏家獲得的獎勵將遠超出輸家，即使兩者的實際表現、累積貢獻僅有毫釐之差。就像奧運百米賽跑，0.005 秒決定了金牌與銀牌，只慢了 0.01 秒的第四名沒有資格出現在頒獎台。

諾貝爾獎、終身職制度、學術獎金、研究計畫的經費審核，也依照近乎贏者全拿的錦標賽理論運作。錦標賽制度在運動賽事中可以促進選手與隊伍不斷提高表現水準，但在科學領域呢？

諾貝爾獎作為額外的最高榮譽，嚴格維持其傳統限制（獎項最多由 3 人共享、僅頒發給在世者），許多傑出科學家成為遺珠，但這不阻礙他們在專業領域得到足以安心的資源，作出重要貢獻。

但是，目標包含鼓勵尖端學術研究、探索重要問題的學術終身職制度與計畫審查系統，它們的錦標賽特質卻在普拉修身上呈現負面效果。

若說錦標賽模式的獎勵機制可以鼓勵科學家投入潛力豐厚的研究題材，以及努力實踐靈感的能力。那麼普拉修和查菲一樣，及早意識到能夠獨立發光的 GFP 是生物學研究的金礦，可以用來追蹤活體細胞中的基因與蛋白質表現。而且普拉修更早著手研究，優先踏上 GFP 基因轉殖的跑道。

「要是我們在普拉修完成 GFP 序列後馬上展開合作，他應該不需要離開伍茲霍爾。」
說起自己與普拉修在 1989 年到 1992 年之間的失聯，查菲如此猜測

查菲和錢永健之所以能夠找到普拉修，搶先實現 GFP 應用（當時有其他競爭團隊在研發細胞內的螢光標記），是因為當時網路快速發展，使美國國家醫學圖書館（NLM）的線上文獻查詢系統 Medline 在 1992 年進入大學圖書資訊系統，他們才能起身實踐靈感，唾手找到普拉修的最新研究。

就普拉修的運氣來說，網路卻發展得不夠快。在 1990 年代中期開始流行的電子郵件若早個幾年普及化，普拉修更可能維繫與查菲的合作，及時得到經費與GFP轉殖成果，並晉升終身職。

當年普拉修的電話留言渺無回音，他以為查菲退出學術圈（查菲年輕時確實曾刻意遠離科學）。而查菲則猜測普拉修挫敗於GFP基因選殖，連個通知都沒有。在網路、電子郵件還不普及的 1990 年，要維持與合作者的聯繫需要付出更多心力與時間。通訊的困難與少許不足的人際積極性，導致兩年的延遲發表，讓普拉修耗盡研究經費與終身職的機會。

查菲團隊實現 GFP 基因轉殖的時候，實驗室裡甚至連一台螢光顯微鏡都還沒添購，他們必須和其他學者借用、排隊等候系所共用的共軛焦顯微鏡，才能觀察大腸桿菌與線蟲體內新生的螢光。後來，查菲多次要求顯微鏡供應商帶螢光顯微鏡來提供「試用」，團隊才得以更便利地檢驗轉殖成果。

GFP 的應用需求，大力刺激光學顯微技術的進展。它最早期的轉殖實驗成果，竟是由免費試用的螢光顯微鏡呈現。這聽起來是令人莞爾的科學史軼聞，但能夠靈活周轉的人脈、儀器，也是孤立的普拉修和著名大學教授查菲的學術資本落差之一。

透過改變訓練技巧與累積訓練量、最大化優勢、競賽當下的意志與觀察力，運動員偶有逆轉資本落差的機會，以黑馬之姿獲勝。但是在學術領域，研究題材的重要性與個人的才華、執行能力卻不像跑道上的衝刺秒數一樣清晰。

「他們大可以把我從諾貝爾獎名單去掉，換上普拉修。」
查菲總是對媒體表示，普拉修的貢獻不可忽視

在科學這個由同儕評價定勝負的錦標賽中，多數科學家難以逆轉經費、人脈等資本差距，也很難讓不同領域的專家了解自己的研究重要性，只能努力支撐、累積資本，期待自己贏得經費與知名度的時刻。等待運氣與環境好轉的餘裕，得以截長補短的經濟與社會資本，卻正是學術領域錦標賽中多數年輕科學家所缺乏的。

落敗的運動員至少獲得在競賽中表現的機會，以及某個程度的肯定。論文發表日期稍微落後競爭對手的科學家，則連努力被看見的機會都非常稀少。

普拉修與諾貝爾化學獎失之交臂、鬱鬱不得志的職涯是段引人喟嘆的個人史，並非科學體系的挫敗。他只是科學錦標賽持續依照慣例淘汰的諸多優秀人才中，有幸被贏家們提及的一位。

比普拉修年輕一歲，學術晉升之路卻順暢許多的錢永健曾說，「下村脩和普拉修對 GFP 研究的貢獻是無可取代的。」而且在普拉修 1992 年發表 GFP 基因的純化與定序，並且樂意對任何人分享之後，

「後面那些以研發 GFP 獲得榮譽的人，與其他人的不同可能只有些微的進度落差。」

錢永健在 2004 年至 2008 年之間，積極地建議諾貝爾獎委員會頒獎給下村脩與普拉修，但結果並非如此。

後續發展

普拉修從斯德哥爾摩回到亨茨維之後，受到包括國家公共廣播電台（National Public Radio）、《科學》期刊、亨茨維時報等美國媒體關注。但在訪談與報導的熱潮過後，普拉修依然坐困時薪 8.5 美元的豐田接駁車裏頭。

從諾貝爾頒獎典禮的輝煌榮譽，回到乏味、有時不受尊重的駕駛座上，失落的普拉修不敢相信自己依然找不到科學研發相關的工作。他喪氣地想，「經歷了這一切，我竟然還是沒有辦法回到科學領域。這中間一定出了什麼錯。」

在最憂鬱的那天，普拉修一度把接駁車停在路邊，撥號向亨茨維自殺防治熱線求助。過不多時，他在 2010 年找到科技研發的職位，2012 年他接受錢永健的提議，進入他的實驗團隊擔任研究員。重新在一個充滿支持與資源的環境投入科學研究，讓普拉修再度感到生活的動力與快樂。

2016 年錢永健逝世，實驗團隊解散，而普拉修在前一年就已離開 UCSD，從此沒有留下任何公開痕跡。曾被自殺防治熱線的機械式留言激怒到啞然失笑，決定繼續活下去的普拉修今年已經 73 歲，科學錦標賽的勝負再也不能困擾他，但科學思考帶給他的樂趣或許能夠不斷更新。

延伸閱讀：

• 缺席的普拉修，2008 年諾貝爾化學獎第 4 位得主 (1)
• 缺席的普拉修，2008 年諾貝爾化學獎第 4 位得主 (2)

參考資料：

• Scientist turned shuttle van driver is back in the lab The San Diego Tribune
• How Bad Luck & Bad Networking Cost Douglas Prasher a Nobel Prize Discover Megazine
• What Ever Happened to Douglas Prasher? The Scientist
• The Man Who Wasn’t There Science Adviser