接下來六個星期,侖琴鎮日窩在實驗室中做各種測試。他用紙板、木頭、金屬、⋯⋯等等不同材料來阻隔,發現這神秘的射線仍能穿透,只是在紙板上留下深淺不一的陰影,似乎只有鉛能完全隔絕。最令他震撼的,莫過於當他拿著一小片鉛塊時,紙板上竟出現他的手骨的影像!他在年底對外公布他所發現的 X 射線,並附上他的妻子戴著戒指的左手的 X 光照片,立即震驚全世界。
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法國物理學家貝克勒(Henri Becquerel)就是大受震撼之下企圖研究 X 射線,而在兩個月後就無意發現了放射性,同時為居禮夫婦開啟了研究方向。愛迪生在第二年就做出 X 光機賣給醫院使用,居禮夫人也在一次大戰期間打造了 X 光巡迴車,幫忙診斷戰場上受傷的士兵。歷史上沒有其他科學新發現像 X 射線這樣,如此迅速地產生重大影響並且馬上付諸實際應用,也因此 1901 年,侖琴理所當然的成為第一屆諾貝爾物理獎的得主。
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。
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。
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。