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：
- 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。
- 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。
- 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。
- 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：
- 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
- 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。
- 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。
- 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。
- 已測試的元器件總數：包括對照 (未遭受輻射) 的元器件數量。
- 電氣測試所使用的環境溫度。
- 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。
- 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。
- 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。
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