TGV 玻璃基板真能取代矽基板？良率、應力與失效解析全揭密

本文與 Panasonic 合作，泛科學撰文 

●以下科學研究內容作為知識分享，不直接與Panasonic A La Uno全自動洗淨馬桶產品功能連結

在做家務的痛苦排行榜上，「刷馬桶」絕對名列前茅。明明天天都在沖水，但過不了幾天，馬桶內壁邊角總會浮現黃黃的水垢、角落發黑的霉斑，甚至是那些刷掉又長出來的粉紅色污垢（黏質沙雷氏菌）。

許多市售衛浴設備常標榜「神奇抗污」或「永久不沾」，讓人誤以為安裝後便能永保潔淨。然而從材料科學的角度來看，世上並無能使污垢憑空消失的魔法。所謂「耐污」的實質機制，並非打造完全不沾染髒污的材質，而是調整表面的物理與化學屬性，使水垢和微生物難以強力附著。一旦降低了污垢與內壁之間的附著力，透過日常水流沖刷，便能輕易地將髒污帶走。

為什麼污垢「黏不住」？ 

要搞懂為什麼某些特殊表面能做到「耐污」，我們得先像偵探一樣，拆解馬桶裡的髒污究竟是怎麼「抓緊」材料表面的。馬桶內壁的污垢主要有兩大難纏的元兇：

1. 水垢與礦物沉積*1：我們日常使用的自來水中含有鈣、鎂等金屬離子。當水滴在表面經歷反覆的濕潤與蒸發乾燥循環時，這些離子會逐漸結晶析出，變成硬度極高、緊緊「卡」在微觀縫隙裡的礦物質水垢。
2. 生物膜與有機物*2：包含尿液中的無機鹽、油脂殘留，以及細菌入侵後分泌出像超強膠水一般的聚合物，所組成的黏滑防禦大本營。

這兩大類污垢想要在材料上「落腳」，前提是它們必須能在表面找到足夠的附著點與黏合力。那麼，材料科學家是如何讓這些髒污「站不穩」的呢？答案就藏在「表面能（Surface Energy）」與「濕潤性（Wettability）」這兩個核心概念中。

當我們把水滴在某個表面上時，水滴會聚成一顆圓滾滾的水珠，還是迅速攤平開來？這取決於表面的特性：

• 疏水路線（Hydrophobic）*1：具備低表面能的疏水表面，能顯著減少水分子或污染物與表面之間的極性作用力與氫鍵。水滴在這種表面上會因為表面張力而收縮成水珠，當水珠滾動滑落時，就能順便把表面的灰塵與礦物質顆粒帶走，這就是著名的「自清潔效應」。
• 親水路線（Hydrophilic / Superhydrophilic）*2：相反地，極度親水的超親水表面則會強烈地吸引水分子，在材料最外層形成一層薄薄的「水化層（Hydration Layer）」。這層水化層就像是實體的液體盾牌，讓油污、蛋白質或細菌無法直接接觸到材料基底，只能漂浮在水膜上方。

如果要用攀岩來比喻：傳統粗糙的表面就像是有許多凹槽的攀岩牆，髒污就像攀岩者，需要找到落腳點並用力撐住才能攀附；而我們做的是抽掉把手點，或是在把手上塗上潤滑油，讓髒污找不到施力點，自然難以停留。

不給細菌「握手」的機會

解決了水垢，下一個更棘手的對手是「細菌」。

馬桶內壁那些黑黑粉粉、摸起來滑滑的污垢，在微生物學中被稱為「生物膜（Biofilm）」。細菌並不是孤立生長的，當單顆細菌落在表面後，如果覺得環境舒適，它就會開始分泌胞外聚合物（EPS），這是一種天然的超強膠水。細菌們用這種膠水把自己與同伴緊緊黏在一起，並築起堅固的防禦堡壘，這時一般的沖水就很難把它們沖洗乾淨了。

根據《Nature Communications》與《Microsystems & Nanoengineering》的學術期刊研究指出，要阻止生物膜形成，除了化學上的抗菌，材料的「表面微幾何結構」扮演了至關重要的角色。

材料科學領域中有一個著名的「附著點理論（Attachment Point Theory）」：

1. 粗糙與微孔洞表面：如果材料表面存在許多微小的裂縫、氣孔或微米級凹洞，細菌（體積通常約 1 到 3 微米）就會興高采烈地鑽進這些小凹槽裡。這些凹槽不僅提供了極佳的機械咬合支點，還能幫細菌擋掉水流的沖刷。
2. 極致平滑與微結構表面：相反地，如果材料表面做到極致平滑，完全沒有微米級的缺陷；或者反過來設計出尺寸遠小於細菌的奈米結構，細菌的足跡構造（如鞭毛或纖毛）就無法在表面找到穩固的「接觸附著點（Contact Points）」。

當細菌發現自己在這個表面上連「手都握不緊」、隨時會被水流吹走時，它就無法順利定殖並分泌膠水築巢。此外，現代衛浴結構在設計時，也越來越強調「一體成形」與「無接縫工藝」。消除接縫與死角，等於直接拔除了細菌與水垢最喜歡的避風港。

當材料、結構與流體科技組隊聯防 

了解了材料化學與微觀幾何，我們就能勾勒出一座現代耐污馬桶的完整防禦體系：【材料層（低附著力）】+【結構層（無縫平滑）】+【動態流體層（泡沫與水流剪切力）】= 高效清潔！

以市面上備受矚目的 Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶為例，就是將材料科學、結構工程與流體力學發揮到極致的典型代表：

1. 材料層：有機玻璃系新素材

A La Uno 全自動洗淨馬桶採新開發的「有機玻璃系新素材」（以壓克力高分子為基礎研發的衛浴專用材料，這類高分子成形技術亦被廣泛運用於大型水族館高壓觀景窗與飛機機艙罩）。這種材料表面具備極佳的疏水性與耐水垢特性，水滴不易長時間攤平停留；材質堅固、不易破裂，耐刮、不易造成細小傷痕。通過實驗測試，這種素材配合泡沫洗淨，在沖洗後能有效沖刷掉高達 99.99% 的大腸桿菌，從源頭阻斷細菌定殖。

2. 結構層：無接縫工藝與三重防濺防護

在宏觀結構上，A La Uno 全自動洗淨馬桶採用無水箱沖水與便器、溫水洗淨便座一體成型設計，減少傳統水箱與座體之間的結構層次及接縫，並搭配可動迴轉式排水系統完成沖洗。更貼心的是其「三重防護」設計：

• 泡沫防護：在水面上製造一層充沛的泡沫緩衝層，有效抑制男性站立小便時的尿液與污水飛濺；
• 外圍防護：馬桶邊界特別設計了高約 3mm 的水檔，防止液體延著外壁滴落至地板；
• 測漏防護：便座與馬桶本體採用不外露的防護設計，避免液體從縫隙飛濺滲漏。

3. 動態流體層：雙效泡沫洗淨、漩渦水流與 nanoe™ X

當污垢降落在馬桶內壁時，A La Uno全自動洗淨馬桶 的動態流體科技便接手進行徹底打掃。其「雙效泡沫洗淨」會先釋放直徑約 5mm 的「毫米泡沫」包裹並帶走大塊髒污，再透過直徑約 60微米的「微米泡沫」深入微觀縫隙，徹底溶解殘餘的油脂與細微污垢。接著，配合高度清潔力的「漩渦型強力水流」，利用旋轉產生的流體剪切力，一口氣將附著力已被削弱的污垢剝離並沖走。此外，Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶還搭襯了 nanoe™ X 健康科技，釋放氫氧離子有效抑制異味與髒污，維持空氣與內壁的良好衛生狀態。

科技讓生活變輕鬆，但物理法則依然誠實

從材料化學的低表面能設計，到微觀幾何的附著點控制，再到流體力學的水流沖刷，一座現代抗污馬桶的演進，縮影了人類如何運用基礎科學來解決日常生活痛點的智慧。

我們習慣將衛生清潔想像成一場與細菌髒污的硬碰硬死鬥。然而，A La Uno全自動洗淨馬桶 等現代衛浴技術的突破，展示了材料科學的另一種聰明思維：不靠強酸強鹼硬打，而是透過物理與化學邏輯，將「污垢固著」的機率降到最低。

當材料科學與現代衛浴技術結合，刷馬桶不再是一件令人頭痛的辛苦瑣事。透過這些前沿科技的加持，我們得以從繁重的家務勞動中解放，享受更加乾淨、舒適且有品質的日常生活。

*1 參考論文：A metallic anti-biofouling surface with a hierarchical topography containing nanostructures on curved micro-riblets

*2 參考論文：Brushing up functional materials

本文為 內政部建築研究所 廣告

從「死」的殼，到「活」的有機體 

當我們談論「建築」時，你的腦海中浮現的是什麼？是鋼筋混凝土構成的冰冷牆壁？還是僅僅能遮風避雨的空間？ 在過去的數千年裡，建築被視為「被動」的存在。它們靜靜地在那裡，承受日曬雨淋，等待人類去開窗、去點燈、去調整空調。如果這棟房子是一具軀殼，那麼過去的它，是沒有靈魂、沒有神經的「死物」。 

因此，當我們想要在建築上減少碳排，往往都是些很被動的過程：降低建造時的碳排、減少用電。 

然而，隨著科技的發展，我們正站在一個歷史的轉折點上 。智慧建築（Intelligent Building）是指藉由導入資通訊系統及設備之手法，使空間具備主動感知（Active Sensing） 的智慧化功能，以達到安全健康、便利舒適、節能永續目的之建築物。這意味著，如果你還認為智慧建築只是裝了自動門或聲控燈的房子，那你可能完全低估了這場演化的幅度。智慧建築正在從一個被動的「殼」，演化成一個具備生命特徵的「有機體」。 

為什麼我們需要這種演化？ 首先是為了生存。在全球追求「臺灣 2050 淨零排放路徑及策略」的背景下，建築物作為能源消耗的大戶，必須變得更聰明才能達成節能永續。其次是為了照護。面對高齡化社會的挑戰，建築必須具備「健康管理」的能力，主動守護居住者的生理狀態。最後是為了安全。在氣候變遷導致的極端天氣與地質風險下，建築需要更敏銳的神經系統來預判災難。 

內政部建築研究所特別訂定《智慧建築評估手冊》，指明智慧建築的評估指標。 只是堆砌昂貴電子設備的，不能再稱為智慧建築，而必須是人類為了回應環境劇變，利用資通訊系統（ICT）作為人工神經，賦予空間「看、聽、思考」的能力，終極目標只有一個：在最節能的狀態下，提供人類最安全、健康、便利的生存環境 。 

神經系統：光速傳遞的感知網絡 

一個聰明的生物，首先要有發達的神經系統。在智慧建築的架構中，這被稱為「基礎設施指標」 。這套系統是建構智慧建築中各項系統連結、溝通與傳輸所需的資通信網路架構。 

建築物內的垂直主幹佈線必須採用「光纖化架構設計」。光纖（Fiber Optics）不僅具備極高的傳輸頻寬，更擁有體積小、易擴容、抗干擾的特性 。這就像是生物演化出粗壯且傳導極快的中樞神經，確保海量數據能在建築大腦與感測器之間順暢流動。 

除了有線的骨幹，智慧建築還佈建了全方位的無線傳輸網絡。這要確保電梯內、地下室等每個角落都有強穩的訊號，這是智慧建築與外界溝通的基本本能。再來，還要建構無線物聯網（AIoT），利用 Bluetooth、ZigBee 或 NB-IoT 技術，將環境中的微小變動——如空氣品質、溫溼度或設備運轉資訊——匯集到數據庫 。 

還有，智慧建築的神經系統設計必須考慮「未來」，也就是「擴充性」與「備援機制」。當主路由斷訊時，備援網路必須在毫秒間接管，確保數據不中斷；當新的 AI 技術出現時，現有的光纖架構還要能輕易升級 。這種設計讓建築具備了神經的可塑性，能隨著科技的進步而持續進化，而不是在完工五年後就變成了科技廢墟。 

此外，為了保護這套脆弱的神經系統，資訊安全也被提升到了基礎設施的核心位階 。這包含了防火牆、雙因子認證，甚至是非對稱的區塊鏈加密機制，確保建築的感知數據不會被外部駭客竄改或截斷 。 

大腦與意識：從數據到預判的維運智慧 

有了神經，還需要大腦。智慧建築的維運管理（Operation Management）系統，就是它的核心意識所在。 現在，建築的大腦不再只是被動地接收訊息，而是具備了自我意識的雛形。它透過整合 BIM（建築資訊模型）與數位孿生（Digital Twin）技術，在虛擬世界中建立了一個一模一樣的自我 。 

這份「意識」並非從交屋那天才開始，而是從施工階段就開始孕育。在建造過程中，智慧建築就已經開始記錄自己的成長過程。資材追蹤能確保每一根鋼筋、每一方水泥都符合設計標準 。 這些數據最終匯集成「靜態數據庫」，成為建築一生中最重要的「初始記憶」。 

當建築進入營運階段，它的大腦開始處理大量的動態數據。最神奇的功能在於預測性維護。傳統建築是等電梯壞了才修，但智慧建築能分析馬達的震動與溫度曲線，在故障發生前兩週就發出預警，通知維修人員進行「預防性治療」。這不僅讓維修成本更低，也讓居住更安全與可靠。 

免疫與反射：毫秒級的生存本能 

關鍵來了，在「生物」的定義中，「反應」是一個關鍵要素。當危險來臨時，生物會本能地閃避或應對。智慧建築在「安全防災（Safety & Disaster Prevention）」指標中，演化出了強大的免疫系統與反射神經 。 

這套系統的核心在於偵知、顯示、連動的鐵三角架構 。 

• 偵知（Sensing）：它具備火警感知、地震感測、用電異常偵測甚至漏水偵測的能力 。 

• 顯示（Display）：一旦察覺異樣，它會立即在公共空間、手機 APP 甚至住戶內的影音對講裝置發出告警訊息 。 

• 連動（Linkage）：這是最關鍵的「反射行為」 。 

假設有一場火災發生。智慧建築的感測器嗅到煙霧的瞬間，它會啟動一連串複雜的生理反射： 

• 切斷威脅：自動關閉瓦斯閘門，關閉非必要的用電迴路以防二次災害 。 

• 開闢通路：解除逃生動線上的所有門禁管制，並控制昇降機自動停靠避難層 。 

• 引導逃生：啟動閃滅型或聲響型避難方向指示燈，主動引導人員往遠離起火點的方向移動 。 

• 連動影像：防災中心會自動跳出火場即時影像，讓指揮人員能瞬間掌握真相 。 

這種像是科幻電影中太空船的「毫秒級」連動，能將人為判斷錯誤的可能性降到最低，與時間賽跑，保護生命。 

除了應對自然災害，建築也具備針對「人為威脅」的免疫力。 透過影像辨識、電子圍籬與防盜警報系統，建築能區分住戶與入侵者 。當發生入侵或求救訊號時，系統會立即連動周遭的照明與廣播設備，進行嚇阻並同步錄影存證 。甚至連地下室的有害氣體（如一氧化碳）濃度過高時，建築也會自動啟動送排風設備進行「排毒」 。 

這就是智慧建築的生存哲學：它不僅是一個避難所，它本身就是一個會主動防衛的戰士。 

代謝與恆定：與地球共生的節能哲學 

作為一個龐大的能量消耗體，智慧建築懂得如何精準地調節自己的能量代謝。這對應的是「節能管理（Energy Management）」指標 。 

節能不再只是換裝 LED 燈具那麼簡單，而是進入了智慧化管理的層次。 

• 智慧需量控制：透過能源管理系統（EMS），建築能即時預測用電峰值。當電力負擔過重時，它會主動調降非必要區域的空調或照明強度（卸載），甚至釋放儲能系統中的電量，以達成平滑負載的效果 。 

• 再生能源與創能：智慧建築會利用太陽能或小水力發電來補充體力，並將這些綠色能量納入整體的能源調度計畫中 。 

在 AI 時代，這些智慧化管理都迎來了超進化。建築會自動分析過去的用電數據，模擬不同的環境參數（如室外溫度、日照強度、人流量），預測出最省電的運行模式 。這種精準的能耗管理，除了省電費，更是為了達成 2050 淨零排放的生存策略。 

節能的同時，住在裡面的我們也要感到舒適。就像恆溫動物需要維持體溫恆定，智慧建築也致力於維持室內環境的恆定性。這就是健康舒適（Health & Comfort）指標的核心 。 

• 環境狀態偵知：感測器不僅監控溫溼度，還監控二氧化碳濃度、PM2.5、TVOC（總揮發性有機物）以及光環境照度 。 

• 設施連動控制：當感測到室內二氧化碳過高時，它會主動引進外氣；當窗外日照過強時，它會自動調節遮陽板角度或調光控制燈具 。 

• 水環境管理：它甚至會監測水箱的水質與酸鹼值，確保流向你手中的每一滴水都是安全的 。 

這種「以人為本」的調節，讓居住者能處於最舒適、最健康的狀態，讓建築真正成為一個能呼吸、會調節的有機生命體。 

它不只是建築，它是你的生存夥伴 

演化從未停止。當建築智慧化程度不斷提高，過去許多我們認為僅與施工階段有關的項目，也可以納入管理，方便我們計算建築完整生命週期的碳排放。例如是否使用預鑄工法來減少施工廢棄物與工時、是否使用到了具備感知與自修復能力的智慧建材、甚至是跨建築的數據群管理的智慧管理雲平台。智慧建築正在打破單一建築的界限，向智慧社區、智慧城市張開聯網。 

建築是我們遮風避雨、休息的所在。但在這個氣候變遷劇烈、能源稀缺且人口老齡化的時代，傳統建築已經漸漸無法滿足人類的生存需求。我們需要的不再只是一個遮風避雨的洞穴，而是一個有神經、有大腦、懂代謝、且具備強大生存本能的智慧有機體。 

智慧建築會在你感到悶熱前為你開啟微風，會在危險來臨時為你開闢生路，會在能源短缺時為地球精打細算。它不只是你住的地方，它是你的守護者、你的管家，更是你在這個複雜世界中，最親密、最可靠的生存夥伴。這，就是智慧建築存在的真正意義。 

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。

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