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第三類寬能隙半導體到底在紅什麼?

宜特科技_96
・2023/10/30 ・4510字 ・閱讀時間約 9 分鐘

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寬能隙半導體晶片
圖/宜特科技

半導體產業崛起,我們常聽到「能隙」這個名詞,到底能隙是什麼?能隙越寬的材料又代表什麼意義呢?
近幾年 5G、電動車、AI 蓬勃發展,新聞常說要靠第三類的「寬能隙半導體」發展,到底寬能隙半導體在紅什麼?我們一起來了解吧!

本文轉載自宜特小學堂〈第三類寬能隙半導體到底在紅什麼?〉,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!

宜特科技 第三類寬能隙半導體到底在閎什麼 影片連結
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什麼是能隙(Band Gap)?寬能隙又是「寬」在哪裡?

身為理組學生或是工程師,甚至是關心科技產業的一般人,對於「能隙」兩字一定不陌生,但你了解什麼是能隙嗎?

半導體能帶與能隙示意圖
半導體能帶與能隙示意圖。圖/宜特科技

能隙基本上要用量子物理的理論來跟大家說明,「能帶(Band)」的劃分主要為低能帶區的「價電能帶」(Valence Band,簡稱 VB),與高能帶區「導電能帶」(Conduction Band,簡稱 CB)的兩種,在 VB 與 CB 之間即是一個所謂的能帶間隙(Band Gap,簡稱 BG),簡稱「能隙」

能帶因電子流動產生導電特性
能帶因電子流動產生導電特性。圖/宜特科技

金屬材料能夠導電,主要是因為電子都位於高能的(CB)區域內,電子可自由流動;而半導體材料在常溫下,主要電子是位於低能的(VB)區域內而無法流動,當受熱或是獲得足夠大於能隙(BG)的能量時,價電能帶內電子就可克服此能障躍遷至導電能帶,就形成了導電特性。

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我們都知道功率等於電流與電壓加乘的正比關係,在高功率元件(Power device)的使用上如果半導體材料的能隙越寬,元件能承受的電壓、電流和溫度都會大幅提升。大眾所熟知的第一類半導體材料——矽(Si)能隙為 1.12 eV,具有成熟的技術與低成本優勢,廣泛應用於消費性電子產品;第二類半導體材料——砷化鎵(GaAs) 能隙為 1.43eV,相比第一類擁有高頻、抗輻射的特性,因此被廣泛應於在通訊領域。

為什麼需要用到第三類寬能隙半導體(Wide Band Gap,WBG)?

由於近年地球暖化與碳排放衍生的環保問題日益嚴重,世界各國都以節能減碳、綠色經濟為共同的首要發展方向,石化能源必須逐步減少並快速導入綠能節電的應用,因此不論是日常用品、交通運輸或軍事太空都逐步以高能效、低能耗為目標。

歐洲議會在 2023 年通過新法提高減碳目標,為 2030 年減碳 55% 的目標鋪路。國際能源署(IEA)也強建議各國企業在 2050 年前達到「淨零排放」,甚至有傳聞歐盟將通過燃油車禁售令,不論是考量環保或經濟,全球企業的綠色轉型勢在必行。因此在科技發展日新月異的同時,要兼顧大幅提升與改善現有的能源,已是大勢所趨。

目前半導體原料最大宗,是以第一類的矽(Si)晶圓的生產製造為主,但是以低能隙的半導體材料為基礎的產品,物理特性已到達極限,在溫度、頻率、功率皆無法突破,所以具備耐高溫高壓、高能效、低能耗的第三類寬能隙半導體(Wide Band Gap,WBG)就在此背景之下因應而生。

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現在有哪些的寬能隙(WBG)材料?

那麼有哪些更佳的寬能隙材料呢?目前市場所談的第三類半導體是指碳化矽(SiC)和氮化鎵(GaN),第三類寬能隙半導體可以提升更高的操作電壓,產生更大的功率並降低能損,相較矽元件的體積也能大幅縮小。
Si 與 C 的化合物碳化矽(SiC)材料能隙可大於 3.0eV;Ga 與 N 或 O 的化合物氮化鎵(GaN)或氧化鎵(Ga2O3)能隙也分別高達 3.4eV 與 4.9eV,大家可能沒想到的是鑽石的能隙更高達 5.4eV。

特性Si 矽SiC(4H)
碳化矽
GaN
氮化鎵
Ga2O3(β)
氧化鎵
Diamond
鑽石
能隙(eV)1.13.33.44.95.4
遷移率
(cm2/Vs)
1400100012003002000
擊穿電場強度
(MV/cm)
0.32.53.3810
導熱率
(W/cmK)
1.54.91.30.1420
半導體材料的物性比較。圖/宜特科技

氮化鎵(GaN)或氧化鎵(Ga2O3),雖然分別在 LED 照明或是紫外光的濾光光源,已經應用一段時間,但受限於這類半導體材料的特性,其實生產過程充滿了挑戰。例如:要製作 SiC 的單晶晶棒,相較 Si 晶棒的生產困難且時間緩慢很多,以及 GaN 與 Si 晶圓的晶格不匹配時,容易生成差排缺陷(Dislocation Defect)等問題必須克服,導致長久以來相關的製程開發困難及花費高昂,但第三類半導體市場潛力無窮,對於各國大廠來說仍是兵家必爭之地。

寬能隙半導體運用在那些產品上?

現在知名大廠如意法半導體、英飛凌、羅姆等,對寬能隙材料的實際運用均有相當大的突破,如氮化鎵(GaN)在以 Si 或 SiC 為基板的產品已陸續發表,而我們最常接觸到的產品,就是市售的快速充電器,採用的就是 GaN on Si 材料製作的高功率產品。

除了功率提升,因為溫度與熱效應可大幅降低,元件就可以大幅縮小,充電器體積也更加玲瓏小巧,除了已商品化的快充電源領域,第三類半導體在 AI、高效能運算、電動車等等領域的應用也是未來可期。

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(延伸閱讀:泛科學—快充怎麼做到又小又快? 半導體材料氮化鎵,突破工作頻率極限)

現行以矽基材料為主的高功率產品,多以絕緣閘雙極電晶體(IGBT)或金氧半場效電晶體(MOSFET)為主,下圖可以看到各種功率元件、模組與相關材料應用的範圍,傳統 IGBT 高功率模組大約能應用至一百千瓦(100Kw)以上,但速度卻無法提升至一百萬赫茲(1MHz)。而 GaN 材料雖然速度跟得上,但功率卻無法達到更高的一千瓦(1kW)以上,必須改用 SiC 的材料。

功率元件與相關材料的應用範圍
功率元件與相關材料的應用範圍。圖/英飛凌

SiC 具有比 Si 更好的三倍導熱率,使得元件體積又可以更小,這些特性使它更適合應用在電動車領域。特斯拉的 model3 也從原先的 IGBT ,改成使用意法半導體生產的 SiC 功率元件,應用在其牽引逆變器(Traction inverter)、直流電交互轉換器與充電器(DC-to-DC converter & on-board charger),能夠提高電能使用效率與降低能損。

特斯拉充電樁
多家車廠加入特斯拉充電網路。圖/特斯拉

在未來更高的電力能源需求下,車載裝置除了基本要具備高功率,還需要極高速的充電能力來因應電力補充,車用充電樁、5G 通訊基地台、交通運輸工具、甚至衛星太空站等更大的電力能源需求,相關的電流傳輸轉換,電傳速度的要求以及降低能損,就必須邁向更有效率的寬能隙材料著重進行開發,超高功率的 SiC 元件模組需求亦會水漲船高。

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寬能隙半導體在開發生產階段,需進行那些驗證分析?

根據宜特的觀察,晶圓代工廠與功率 IDM 廠商正持續努力研究與開發。不過,新半導體材料在開發初期,會有許多需要進行研發驗證的狀況,近年我們已協助多家寬能隙半導體(WBG)產業的開發與生產驗證。

比如磊晶製程相關的結構或缺陷分析,就可以藉由雙束聚焦離子束(Dual beam FIB)製備剖面樣品並進行尺寸量測或成分分析(EDS),亦可搭配穿透式電子顯微鏡(TEM)進行奈米級的缺陷觀察;擴散區域的分析可經由樣品研磨製備剖面後,進行掃描式電子顯微鏡(SEM)觀察以及掛載在原子力顯微鏡 (AFM) 上的偵測模組-掃描式電容顯微鏡(SCM)判別摻雜區域的型態與尺寸量測。

下圖為 SiC 的元件分析擴散區摻雜的型態,我們可以先用 SEM 觀察井區(Well)的分布位置,再經由 SCM 判斷上層分別有 N 與 P 型 Well 以及磊晶層(EPI) 為 N 型。

SEM及SCM分析的量測圖
使用 SEM 剖面觀察 SiC 元件的結構,搭配 SCM 分析 N/P 型與擴散區的量測。圖/宜特科技

另外在摻雜元素及濃度的分析,則可透過二次離子質譜分析儀(SIMS)的技術,下圖 GaN on Si 的元件,先用雙束聚焦離子束(Dual beam FIB)進行剖面成份分析(EDS)判斷磊晶區域的主要成份之後,提供 SIMS 參考再進行摻雜元素 Mg 定量分析濃度的結果,作為電性調整的依據。

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使用 DB-FIB 觀察 GaN 元件的剖面結構與 EDS 成份分析,搭配 SIMS 分析摻雜濃度
使用 DB-FIB 觀察 GaN 元件的剖面結構與 EDS 成份分析,搭配 SIMS 分析摻雜濃度。圖/宜特科技

除了上述介紹 WBG 元件結構的解析之外,其它產品也都可以透過宜特實驗室專業材料分析及電性、物性故障分析來尋求解答,包括因應安全要求更高的產品可靠度測試與評估,藉由宜特可以提供更完整與全方位的驗證服務。

希望透過本文介紹,讓大家對第三類半導體有更進一步的了解,近期被稱為第四類半導體的氧化鎵(Ga2O3)也逐漸躍上檯面,它相較於第三類半導體碳化矽(SiC)與氮化鎵(GaN),基板製作更加容易,材料也能承受更高電壓的崩潰電壓與臨界電場,半導體材料的發展絕對是日新月異,也代表未來會有更多令人期待的新發現。

本文出自 www.istgroup.com。

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宜特科技_96
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一顆科技巨星的隕落(下)—英特爾的沒落
賴昭正_96
・2025/03/20 ・4190字 ・閱讀時間約 8 分鐘

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商業上的成功蘊含著自身毀滅的種子:成功會滋生自滿,自滿會導致失敗。只有偏執狂才能生存。
-Andrew Grove(英特爾首席執行官)

話說英特爾於 1986 年冒著丟掉大客戶百年 IBM 的危險,轉向成立僅 3 年多的小電腦公司推銷其最新微處理器的賭博,得到了回報:康柏電腦公司一炮而紅的成功加速客戶對新 80386 晶片的要求。90 年代中後期英特爾更大力投資新的微處理器設計,促進了個人電腦產業的快速成長,成為市場佔有率高達 90% 的微處理器主要供應商,使其自 1992 年以來一直保持半導體銷售額排名第一的地位,於 1999 年將英特爾推上代表美國 30 主要工業的道瓊指數之一成員。

但到了 2000 年代,特別是 2010 年代末期,英特爾面臨日益激烈的競爭,導致其在 PC 市場的主導地位和市場佔有率下降。儘管如此,截至 2024 年第三季度,英特爾仍以 62% 的市佔率遙遙領先 x86 市場、更是筆記型電腦的明顯贏家(72%)。可是為什麼今天英特爾股價竟然倒退了 28 年,回到 1996 年底的價位呢(註一)?為什麼它已經不能再代表美國主要工業,於 2024 年 11 月 8 日被踢出道瓊工業指數,為英偉達(Nvidia,臺灣與香港譯為「輝達」)取代呢?

是什麼原因讓英特爾失去產業龍頭的位置? 圖/pixabay

英特爾的失足

在回答此問題之前,筆者得先指出:個人電腦到了 2000 年初已不再是一高利潤的高科技,而是一種日用商品。當初將英特爾培養壯大的 IBM 於 2004 年年底完全退出了個人電腦的市場;而避免侵權透過逆向工程、製造出第一台 IBM 個人電腦相容機的康柏公司,也在個人電腦市場的價格競爭日益激烈、及想打入主機電腦市場的錯誤政策下,於 2002 年被惠普 ( Hewlett-Packard ) 收購「消失」了。

冰凍三尺,非一日之寒。Google 的人工智慧謂:「英特爾在晶片產業落後的主要原因是多種因素」,包括:
(1)未能洞悉智慧型手機的崛起,在行動晶片市場明顯落後,錯失創新機會給高通(Qualcomm Inc.)等競爭對手;
(2)依賴過時的製造流程,未能像台積電、AMD、和英偉達(註二)一樣採用更靈活晶片設計和外包製造,來應付快速不斷變化的市場需求,導致失去了高效能運算和人工智慧等關鍵領域的市場;
(3)一些分析師認為英特爾在個人電腦市場長期佔據主導地位可能導致高階主管自滿,不願適應不斷變化的產業動態。

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筆者認為前述的(1)及(2)都是果,真正的原因只有(3)一個。80 年代,當英特爾的晶片和微軟的軟體成為快速發展之個人電腦行業的雙引擎時,公司充滿活力,專注於其在個人電腦和資料中心伺服器的特殊領域。英特爾高層曾半開玩笑地將公司描述為「地球上最大的單細胞有機體」:一個孤立的、獨立的世界。像 IBM 一樣,數十年的成功和高利潤也催生了英特爾目中無人及自大之企業文化!這種開會又開會、討論又討論、開不完的會、討不完的論正是公司成熟的標註。

英特爾企業文化

想當初英特爾剛成立時,諾伊斯只聽了幾秒鐘霍夫有關微處理器的激進想法後,就立即說:「做吧」!真是不可同日而語。又如到了 1983 年,其主要記憶體晶片業務受到日本半導體製造商加劇競爭而大大降低獲利能力時,格羅夫立即迅速地不怕「…微處理器是個非常大的麻煩」,脫胎換骨成為微處理器主要供應商━又豈是 90 年代不遺餘力地捍衛其微處理器市場地位而與 AMD 鬥爭的英特爾所能比?

事實上英特爾也曾多次嘗試成為人工智慧晶片領域的領導者,但都以失敗告終(註三):專案被創建、持續多年,然後要麼是因為英特爾領導層失去耐心,要麼是技術不足而突然被關閉。為了保護和擴大公司的賺錢支柱(x86 的數代晶片),英特爾對新型晶片設計的投資總是退居二線。史丹佛大學電機工程教授、英特爾前董事普盧默 ( James Plummer ) 曾謂:「這項技術是英特爾皇冠上的寶石——專有且利潤豐厚——他們會盡一切努力來維持這一點的」。英特爾的領導者有時也承認這個問題,例如英特爾前執行長巴雷特 ( Craig Barrett ) 就曾將 x86 晶片業務比作一種毒害周圍競爭植物的雜酚油灌木叢。

微軟 Copilot AI

英特爾能再放光芒嗎?

在一連串的機會錯失,決策錯誤及執行不力下,英特爾於 2021 年任命曾經主導其發展人工智慧晶片、2009 年離職去擔任 EMC 總裁的基辛格(Patrick Gelsinger)回來當執行長,積極嘗試透過其所謂的「五年、四個節點」進程追趕台積電。這位浪子回頭,被請回來拯救公司的基辛格於去年 4 月 25 日宣稱:即將推出的英特爾 3 奈米製程伺服器晶片的需求很高,可以贏得那些轉找競爭對手的客戶,謂『我們正在重建客戶信任。他們現在看著我們說:「哦,英特爾回來了。」』…但半年後,董事會對他的扭虧為盈計畫完全失去了信心,給了他辭職或被解僱的選擇。基辛格於 12 月 1 日辭職,現由領導英特爾全球財務部門和投資者關係的津斯納 ( David Zinsner ) 擔任臨時聯合執行長,正在務色下一任執行長。

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英特爾現在的處境事實上很像 1993 年的 IBM:在官僚體制、大型電腦利潤下滑,及失去個人電腦的主導權後,其股票從 1987 年 7 月的最高點倒退了 26 年!當總裁兼執行長阿克斯(John Ackers ) 於當年元月宣布首次下調股息 55% 及離職後,遴選委員會竟然找不到任何人願意來收拾這個爛攤子━曾幾何時 IBM 執行長還是眾人夢寐以求的職位呀!最後選委會只好推薦自告奮勇、完全外行(註四)、銷售菸草和食品的 RJR Nabisco 公司的首席執行官郭士納(Louis Gerstner Jr.)!郭士納在自傳中回憶說:重振 IBM 所面臨的最嚴峻挑戰是改變其企業文化。現 IBM 雖然不再像以前在科技界一言九鼎,但其股票已「趕上時代」屢創歷史新高,為道瓊工業指數中歷史最悠久的高科技成員(1979 年起);郭士納也被視為美國商界的偶像,IBM 轉型和重拾技術領導地位的救星。

IBM 和英特爾的股價走勢圖。圖/作者提供

股票名嘴克萊默(Jim Cramer)在年初謂:「我們需要將英特爾視為資產負債表非常糟糕的國寶」,因此有必要幫助英特爾公司渡過難關。美國政府顯然也同意,商務部根據 CHIPS 激勵計劃的商業製造設施資助機會,已經給英特爾公司提供高達 78.65 億美元的直接資助。但如前面所提到的 IBM 如何啟動發展個人電腦,錢真的是萬能嗎?英特爾能重新燃燒發光嗎?

英特爾不像 1993 年的 IBM 具有百年的歷史,各方面人才濟濟:多項技術創新和最多的專利,包括自動櫃員機、動態隨機存取記憶體 、軟碟、硬碟、磁條卡、關聯式資料庫、Fortran 和 SQL 程式語言、UPC 條碼、以及本文所提到之個人電腦等;其研究部是世界上最大的工業研究機構,員工因科學研究和發明而獲得了各種認可,包括六項諾貝爾獎和六項圖靈獎(Turing Award,註五)。因此筆者懷疑英特爾能夠重新奪回業界領先地位;CFRA Research 技術分析師齊諾 ( Angelo Zino ) 表示:「目前來看,它們重返輝煌的可能性非常渺茫。」

以目前來看,英特爾技術劣勢難以逆轉,重返業界領導地位機會渺茫。圖/unsplash

結論

這顆科技巨星真的要隕落了嗎?真的是「一失足成千古恨,再回頭已百年身」嗎?英特爾第三任首席執行官(1987-1998)格羅夫真的不幸言中了嗎:「商業上的成功蘊含著自身毀滅的種子」?當然,像英特爾這麼有成就的公司要徹底消失是不太可能,因此最可能的命運應該是分割拍賣或像仙童半導體公司一樣被其它公司收購(註六)。事實上去年高通公司就曾與英特爾洽談收購事宜,但最終放棄了這個想法。

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最後讓我們在這裡以同時被 IBM 培養狀大、在個人電腦上一起嘯吒風雲的微軟公司,其創辦人蓋茨(Bill Gates)元月 8 日的美聯社訪談來結束本文吧。蓋茨聲稱:如果英特爾沒有在 70 年代初期取得技術突破,創造出能夠驅動個人電腦的微型晶片,他的職業道路可能會有所不同。他接著表示:微軟也像英特爾一樣,在 18 年前錯過了從個人電腦到智慧型手機的轉變,但微軟已經恢復元氣,而英特爾的困境卻惡化到需要尋找新執行長的地步(註七),他說:

他們錯過了人工智慧晶片革命,(因為晶片設計和製造方面落後)其製造能力達不到英偉達和高通等公司認為是簡單的標準。我認為基辛格非常勇敢,他敢說:「不,我要解決設計方面的問題,我要解決晶圓廠方面的問題。」我(曾)希望為了他自己、為了國家,他能夠成功。我希望英特爾能夠復甦,但目前看來它們的處境相當艱難。

今天微軟公司已是全美市值最大的前三名公司之一,而英特爾卻淪落至此,能不讓人感嘆造化弄人嗎?

(2025 年 2 月 3 日補註)本文完稿於元月 15 日;英特爾元月 30 日第四季業績報告謂:營收連續三季下滑,較去年同期下降 7%;本季淨虧損總計 1.26 億美元(即每股 3 美分),而去年同期的淨收入為 26.7 億美元(即每股 63 美分)。今年第一季的業績指引令分析師失望!

備註

  • (註一)同一期間道瓊股指上升了 7 倍多。
  • (註二)這三家公司現在全是中國人在主導。在英特爾全盛時期,這三家全是在後者的陰影下求生存;而現今這三家的市值均遠遠超過英特爾!
  • (註三)2005 年,當英特爾的晶片在大多數個人電腦中充當了大腦時,執行長歐德寧( Paul Otellini)就已經意識到了圖形晶片最終可能會在資料中心承擔重要的工作,向董事會提出了一個令人震驚的想法:以高達 200 億美元收購電腦圖形晶片的矽谷新貴英偉達(英偉達的市值現已超過 3 兆美元)。但因英特爾在吸收公司方面的記錄不佳,董事會拒絕了這個提議,歐德寧退縮了!反觀 AMD 於 2006 年收購英偉達對手 Array Technology Inc. 後,現正挑戰英偉達的圖形晶片市場。
  • (註四)在 1993 年三月宣布將擔任執行長的記者招待會上,被問及用什麼牌子的計算機時,新執行長說他有一台筆記本電腦,但不記得是什麼牌子。
  • (註五)公認為計算機科學領域的最高榮譽,被稱為「計算機界的諾貝爾獎」。
  • (註六)仙童半導體公司於 2016 年 9 月被安森美(ON)半導體收購,品牌已不存在。
  • (註七)英特爾於 2025 年 3 月任命陳立武出任新執行長。

延伸閱讀:圖形處理單元與人工智能

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賴昭正_96
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成功大學化學工程系學士,芝加哥大學化學物理博士。在芝大時與一群留學生合創「科學月刊」。一直想回國貢獻所學,因此畢業後不久即回清大化學系任教。自認平易近人,但教學嚴謹,因此穫有「賴大刀」之惡名!於1982年時當選爲 清大化學系新一代的年青首任系主任兼所長;但壯志難酬,兩年後即辭職到美留浪,IBM顧問研究化學家退休 。晚期曾回台蓋工廠及創業,均應「水土不服」而鎩羽而歸。正式退休後,除了開始又爲科學月刊寫文章外,全職帶小孫女(半歲起);現已成七歲之小孫女的BFF(2015)。首先接觸到泛科學是因爲科學月刊將我的一篇文章「愛因斯坦的最大的錯誤一宇宙論常數」推薦到泛科學重登。

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晶片生病要手術 該選哪種開刀方式來做切片?
宜特科技_96
・2025/01/11 ・3131字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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晶片結構內部有問題,想要進行切片觀察,但方式有好幾種,該如何針對樣品的屬性,選擇正確分析手法呢?

本文轉載自宜特小學堂〈 哪種 IC 切片手法 最適合我的樣品〉,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!

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IC 設計後,在進行後續的產品功能性測試、可靠度測試(Reliability Test)或故障分析除錯(Failure Analysis & Debug)前,必須對待測試的樣品先做樣品製備(Sample preparation),透過 IC 切片方式,進行斷面/橫截面觀察(Cross-section)。此步驟在確認晶片內的金屬接線、晶片各層之間結構(Structure)、錫球接合(Solder Joint)、封裝打線(Wire Bonding)和元件(Device)異常等各種可疑缺陷(Defect),扮演相當關鍵性重要角色。

然而觀察截面的方式有好多種,有傳統機械研磨(Grinding)方式,透過機械手法拋光(Polish)至所需觀察的該層位置;或是透過離子束(Ion Beam)方式來進行切削(Milling);那麼,每一種分析手法到底有那些優勢呢?又該如何選擇哪一種切片手法,才能符合工程師想要觀察的樣品型態呢?本文將帶來四大分析手法,從針對尺寸極小的目標觀測區(如奈米等級的先進製程缺陷),或是大面積結構觀察(如微米等級的矽穿孔 TSV),幫大家快速找到適合的分析手法,進行斷面/橫截面觀察更得心應手!

傳統機械研磨(Grinding):樣品製備時間長,觀測範圍可達 15cm

 傳統機械研磨最大優勢,是可以達到大面積的觀察範圍(<15cm 皆可),跨越整顆晶粒(Die),甚至是封裝品(Package),當需要檢視全面性結構的堆疊或是尺寸量測等等,就適合使用 Grinding 手法(如下圖)。這個手法可透過機械切割、冷埋、研磨、拋光四步驟置備樣品到所需觀察的位置。

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(左):晶粒(Die)剖面研磨;(中)&(右)銅製程剖面研磨。圖/宜特科技

不過傳統研磨也有兩項弱點,除了有機械應力容易產生結構損壞,如變形、刮痕外,此項操作也非常需要依靠操作人員的執行經驗,經驗不足者,恐導致研磨過頭而誤傷到目標觀測區,影響後續分析。

傳統研磨相當依靠操作人員的執行經驗。圖/宜特科技

離子束 Cross-section Polisher(CP):除了截面分析,需要微蝕刻也可靠它

相較於傳統機械研磨(Grinding),Cross-section Polisher(簡稱 CP)的優點在於,是利用離子束做最後的精細切削(Fine milling),可以減低多餘的人為損傷,避免傳統研磨機械應力產生的結構損壞。除了切片外,CP 還有另一延伸應用,就是針對樣品進行表面微蝕刻,能夠解決研磨後造成的金屬延展或變形問題。因此,若是想觀察金屬堆疊型之結構、介金屬化合物 Intermetallic Compound(IMC),CP 是非常適合的分析手法。

CP 的手法,是先利用研磨(Grinding)將樣品磨至目標區前,再使用氬離子 Ar+,切削至目標觀測區,此做法不僅能有效縮短分析時間,後續再搭配掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope,簡稱 SEM)進行拍攝,將能夠呈現較為清晰的層次邊界。

上圖是兩張 SEM 影像。左圖為研磨後的 IC 結構,層次邊界並不清晰;右圖則為 CP 切削後的 IC 結構,層與層之間界線清晰可見,同時也少了許多研磨後的顆粒與髒汙。圖/宜特科技

案例一CP Cross Section 能力,快又有效率!

案例一的待測樣品為 BGA 封裝形式,目標是針對特定的錫球(Solder bump)進行分析。透過 CP,可在 1 小時內完成 1mm 範圍的面積切片。後續搭配 SEM 分析,即可清楚呈現錫球表面材料的分布情況。

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下圖是案例中的 SEM 影像,圖(a)是 CP 後的樣品截面,可將整顆 bump 完整呈現。圖(b)是用傳統機械研磨(Grinding)完成之 BGA,雖然可以看到 bump 的介金屬化合物(IMC),但因研磨延展無法完整呈現。而圖(c)是用 CP 完成之 BGA,bump 下方的IMC對比清晰,可清楚看到材料對比的差異。

圖/宜特科技

案例二:透過 CP milling 解決銅延展變形的狀況

常見的 PCB 板疊孔結構中,若盲孔(Blind Via Hole,簡稱 BVH)與銅層(Cu layer)之間的結合力較弱時,在製程後期的熱處理過程中,容易導致盲孔與銅層拉扯出裂縫(Crack),造成阻值不穩定等異常情形。一般常見是透過傳統機械研磨(Grinding)來檢測此類問題,但這種處理方式往往會造成銅延展變形而影響判斷。我們可以使用 CP 針對 BVH 結構進行 CP milling,有效解決問題,並且處理範圍可達 10mm 以上之寬度。

左圖為傳統機械研磨(Grinding)後之 PCB via,無法看到裂縫(Crack);右圖為 CP milling 後之 PCB via,清楚呈現裂縫(Crack)。圖/宜特科技

Plasma FIB(簡稱PFIB):不想整顆樣品破壞,就選擇它來做局部分析

在 3D-IC 半導體製程技術中,如果擔心研磨(Grinding)在去層(Delayer or Deprocess)過程傷到目標區,或是擔心樣品研磨時均勻性不佳,會影響到觀察重點,這時就可考慮用電漿聚焦離子束顯微鏡(Plasma FIB,簡稱 PFIB)分析手法!

PFIB 結合了電漿離子蝕刻加工與 SEM 觀察功能,適用於分析範圍在 50-500 µm 的距離內,可進行截面分析與去層觀察,並針對特定區域能邊切邊觀察,有效避免因盲目切削而誤傷到目標區的狀況,確保異常結構或特定觀察結構的完整性。(閱讀更多:先進製程晶片局部去層找 Defect 可用何種工具

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PFIB 切削後之 TSV (Through Silicon Via)結構,除了可以清楚量測金屬鍍層厚度外,因為沒有研磨的應力影響,可明確定義 TSV 蝕刻的 CD(Critical Dimension)。圖/宜特科技

Dual Beam FIB(簡稱DB-FIB):適用數奈米小範圍且局部的切片分析

結合鎵離子束與 SEM 的雙束聚焦離子顯微鏡(Dual Beam FIB,簡稱 DB-FIB),可針對樣品中的微細結構進行奈米尺度的定位及觀察,適用於分析範圍在 50µm 以下的結構或異常區域。同時,DB-FIB 還能進行能量散佈 X-ray 能譜儀(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy,簡稱 EDX)分析及電子背向散射(Electron Backscatter Diffraction,簡稱 EBSD),以獲得目標區域的成分與晶體結構相關資訊。

此外,當觀察的異常區域或結構過於微小,用 SEM 無法得到足夠資訊時,DB-FIB 也可以執行穿透式電子顯微鏡(Transmission Electron Microscope,簡稱 TEM)的試片製備,後續可供 TEM 進行更高解析度的分析。

DB-FIB 搭配 SEM 與鎵離子槍,可針對異常及微區結構進行定位與分析。圖/宜特科技

若想更認識各種工具的應用,歡迎來信索取宜特精心製作的四大切片分析工具圖表marketing_tw@istgroup.com,希望透過本文能幫助讀者,對IC截面分析手法有更多了解,例如 CP 設備新增了 Milling 功能,使其用途更加多元;而 PFIB 增加了去層功能,為先進製程的異常分析開啟了全新的可能性!

本文出自 www.istgroup.com

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進軍太空產業!SpaceX 啟航,台灣太空中心佈局低軌衛星供應鏈——當商用電子產品從地面上太空,必經哪些環境測試?
宜特科技_96
・2024/12/02 ・4777字 ・閱讀時間約 9 分鐘

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低軌衛星引爆全球商機,全球太空經濟在 2040 年預計突破 1 兆美元,許多國家跟科技大廠都加速投入太空市場,台灣也成立太空國家隊。但面對火箭與太空環境嚴苛的考驗,如何在地面模擬測試,使產品能在軌道順利運行?

本文轉載自宜特小學堂〈從地面到太空 商用衛星電子零組件必經的測試〉,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!

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自從 1957 年第一顆人造衛星發射後,現今已有近萬顆衛星在太空飛行,並且數量持續增加中。衛星已經跟我們的日常生活密不可分,例如地圖導航、實況轉播等,另外.俄烏戰爭中使用「星鏈」衛星通訊連網,台灣也在今年四月的花蓮地震首次使用低軌衛星技術,協助災區通訊。因此,發展衛星科技除了民生用途,也深具國家安全考量。

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台灣從 2019 年到 2029 年,於第 3 期「國家太空科技發展長程計畫」投入超過新台幣 400 億元,進行低軌通訊衛星的研製、規劃國家發射場與人才培育。工研院估算,至 2030 年全球每年將發射 1,700 顆衛星升空,屆時將創造至少 4,000 億美元的產值。根據美國衛星產業協(Satellite Industry Association)預計,全球太空經濟在 2040 年更有望突破 1 兆美元,其中衛星產業占比上看 88%,達 9,252 億美元。

衛星按軌道高度可分成低軌(LEO<2,000 Km)、中軌(MEO<10,000 Km)以及地球同步軌道衛星(GEO~35,800 Km),重量從幾公斤到數百公斤不等,其中 SpaceX Starlink 低軌通訊衛星近年轉商業化,開啟了新太空經濟模式。另外立方衛星(CubeSat)造價門檻相對低,成為切入衛星技術研究的熱門標的。衛星產業鏈日趨成熟,以及衛星發射和製造成本的降低,帶來龐大的太空商機,相應的電子零組件需求亦隨之增加,讓不少廠商對邁向太空市場摩拳擦掌。

衛星依據軌道高度的分類。圖/宜特科技

衛星是由幾個次系統整合而成,包含姿態控制、電力、熱控、通訊、推進和酬載(Payload)…等。例如遙測衛星(Remote Sensing Satellite),它的功能是繞地球軌道拍攝照片,其中姿態控制次系統使鏡頭能維持對著地球方向;影像感測器則是攝取影像的酬載,電力次系統負責電力儲存與電源管理,最後將照片透過通訊次系統傳回地面。

衛星內部有我們熟知的各種電子零組件,正統太空規的電子零組件要價不斐,且某些零件因各國管制政策不易取得,而商用現貨(Commercial Off-the-Shelf,簡稱 COTS),例如電腦、手機和汽車採用的電子零組件,價格親民、性能良好,供貨也較充沛,近年採用 COTS 執行太空任務是相當熱門的趨勢。

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衛星的次系統。圖/宜特科技

那麼,COTS 電子零組件要上太空,必須經過哪些驗證測試?本文將從火箭發射環境、太空環境,逐一說明 COTS 欲跨入太空應用將面臨的挑戰和驗證測試方式。

3.2.1 發射!火箭發射對電子零組件的影響

1. 振動測試

衛星在地面製造組裝,需考量溫度、濕度、粉塵汙染等影響;組裝好的衛星搭乘火箭從地面發射,首先會承受火箭的劇烈振動,振動測試機可以在地面模擬火箭發射,以垂直與水平方向進行振動測試。不同的火箭有不同的振動大小,例如美國 SpaceX 獵鷹重型火箭的振動測試參數,以每秒鐘 10~2,000 次的振動頻率,重力加速度到幾十倍,振動測試可用來確認衛星或電子零組件在經歷發射過程仍能正常運作。

美國 SpaceX 獵鷹重型火箭發射。圖/p.7, SPACE X FALCON USER’s GUIDE, August 2021

立方衛星振動測試。圖/Sat Search

2. 音震測試

火箭發射過程會產生音震(Acoustic Noise),尤其是面積大且薄的零件,特別容易受音震影響,例如太陽能電池板,天線面板等。音震可能會使這些零件破裂、機構損壞、功能異常。音震艙就是用來模擬火箭所產生的音震,測試時將液態氮汽化,此時液態氮體積會瞬間膨脹數百倍產生巨大壓力,再經由喇叭將氣流動能轉為聲波導入音震艙,測試音震艙內的衛星或零件。

音震艙測試。圖/European Space Agency

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3. 衝擊測試

當火箭離開地面抵達一定的高度時,各節火箭引擎開始陸續分離,接著整流罩展開釋放衛星入軌,這些過程都會產生衝擊(Shock),對衛星內部零件的焊接點、晶片,或其他脆性材料都是嚴苛的考驗。因此需要在地面先進行衝擊測試,了解衛星與其電子零組件對巨大衝擊的耐受程度。

火箭整流罩打開釋放衛星。圖/German Aerospace Center 

衝擊測試。圖/金頓

4. 電磁相容性測試

此外,因為各種電子零組件集中在火箭狹小空間內,衛星跟火箭之間的電磁干擾可能會影響任務,因此衛星在發射前也需經過電磁相容性測試(EMC),確保衛星所使用的電子零組件不會與火箭之間互相干擾。

電磁相容性測試。圖/ European Space Agency

  1. 熱真空循環測試

低軌衛星以每秒七公里的時速飛行,大約九十分鐘繞行地球一圈,衛星繞軌飛行處於真空環境,同時也會面臨溫差挑戰,當衛星被太陽正面照射時,其溫度高達攝氏 120 度,遠離太陽時,溫度可能低到零下 120 度。另外,真空環境可能使電子零組件因散熱不良燒毀,真空低壓也會造成零組件材料分解、腔體洩漏(Leak),或是零組件釋氣(Outgassing)產生汙染。

熱真空循環測試(Thermal Vacuum Cycling Test)可模擬太空環境真空狀態與溫度變化,測試時會將衛星或電子零組件架設於極低壓力的真空艙內,再經設備以輻射、傳導方式對衛星或電子零組件升降溫以模擬太陽照射,此時衛星或電子零組件處於通電運作狀態,須即時監控觀察其功能是否正常。熱真空循環通常測試為期一週甚至更長,也是衛星或電子零組件常見的失效項目。

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熱真空艙測試。圖/TriasRnD

  1. 輻射測試

少了大氣層的保護,電子零組件在太空環境會直接面對輻射的衝擊。以地球軌道而言,輻射環境包含輻射帶(Van Allen Belts)、銀河宇宙射線(Galactic Cosmic Rays,簡稱GCR)以及太陽高能粒子(Solar Energetic Particles,簡稱SEP),這些輻射環境充斥大量的電子、質子,以及少數的重離子(Heavy Ion)等,若擊中衛星的電子零組件可能造成資料錯亂(Upset)、當機,甚至永久性故障。衛星在軌道運行壽命短則幾個月,長則數十年,衛星在軌道運行時間越長,受輻射衝擊影響就越大。

地球軌道輻射環境。圖/宜特科技

輻射對電子零組件的影響有以下三大類:

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太空輻射對電子零組件的三大效應。圖/ESA

  1. 總電離劑量效應(Total Ionizing Dose Effect,簡稱TID)

電子零組件在太空環境長期累積大量質子與電子輻射是 TID 效應的主因, TID 會造成 MOS 電晶體 Threshold Voltage 緩慢飄移,零件漏電因此逐漸增加,漏電嚴重時則會導致零件燒毀。衛星可視為大型的無線行動裝置,依賴太陽能蓄電,電力相當珍貴,若衛星內諸多的電子零件都在漏電,將造成衛星電力不足而失聯或失控。

  1. 位移損傷效應(Displacement Damage,簡稱DD)

質子對電子零組件會產生另一種非輻射效應,稱為位移損傷效應(DD),屬長期累積大量質子的物理性損傷,質子會將半導體零件內的矽原子打出晶格外,形成半導體的缺陷,零件漏電也會逐漸增加,其中光電零件對 DD 效應較敏感,例如影像感測元件,DD 會造成影像品質降低,另外也會使衛星使用的太陽能電池(Solar Cell)轉換效率下降。

  1. 單一事件效應(Single Event Effect,簡稱SEE) 

TID 與 DD 可以看成慢性病,是電子零組件長期在軌累積大量質子與電子作用所造成的漏電效應,SEE 就是屬於急性症狀,隨機發生又難以預測。質子與重離子都會造成電子零組件的 SEE 效應,而重離子比質子更容易引發 SEE,太空環境的重離子數量雖然相對少,但殺傷力強,一顆重離子就可能使電子零組件當機或損壞。

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SEE 造成的故障可分成 Soft ERROR 與 Hard Error 兩大類。 Soft Error 的徵狀為資料錯亂、當機、功能異常等,重啟電路可恢復其運作,但若電子零組件對輻射很敏感,當機頻率過高則會影響任務執行,因此需以輻射測試評估其事件率(Event Rate)。Hard Error 則是永久性故障,例如重離子容易引發半導體零件栓鎖(Latch-Up)現象,若沒有對應機制,零件可能因大電流燒毀,因此 SEL (Single Event Latch-Up)是太空電子零件輻射耐受度最重要的指標之一。

單一事件效應的各種現象。圖/宜特科技

太空環境有各種能量的粒子,包含:質子、電子、重離子…,能量越高的粒子可穿透越厚的物質或外殼。低能量的粒子可被衛星外殼(鋁)阻擋,但衛星發射成本主要以重量計價,外殼厚度相當有限(通常為幾毫米厚的鋁材);而高能量的粒子則會穿透衛星外殼,影響電子零組件運作,因故使用於太空環境的電子零組件必定會被輻射影響,在上太空前必須經過輻射測試評估其特性。COTS 電子零組件,都有一定的抗輻射能力,但是必須經測試了解輻射耐受度是否適用於太空任務需求。

美國 NASA 的太空輻射實驗室。圖/NASA

COTS 電子零組件上太空前必須經過「發射環境測試」,包括模擬火箭發射時所產生的振動、音震、衝擊、電磁相容性測試,以及太空環境熱真空循環和輻射測試等,更多的測試項目就不一一細數,通過這些測試後,更重要的是取得「飛行履歷」(Flight Heritage),將產品發射上太空,若能成功執行各種任務,取得越多飛行履歷,產品的身價就越高,太空產業非常重視飛行履歷,飛行履歷也是產品的最佳保證書!

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宜特是亞洲最完整的太空環境測試第三方實驗室, 2019 年與國研院太空中心合作推動台灣太空產業發展。自 2021 年加入台灣太空輻射環境驗測聯盟以來,我們已完成多種電子零組件的輻射測試,涵蓋了類比、數位、記憶體、射頻等。我們將持續建構更完整的太空環境驗證測試能量,提供一站式服務。協助廠商可專注於產品的設計與製造。

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