突破良率，四步解析TGV失效原因

半导体产业将迎接基板材料的重大革新，随着AI、高速运算（High Performance Computing，HPC）与电动车等应用日益蓬勃，产业对低损耗、高频特性与成本效益的需求持续增加。以玻璃基板制作的玻璃通孔（Through-Glass Via，TGV）逐渐受到重视，并被视为高阶封装技术的新选项，更有机会在AI浪潮中，挑载硅中介层（Silicon Interposer）的地位，成为下一代的明日之星。

根据业界报导，Intel、Samsung、韩国Hana Technology、日本电气玻璃NEG等多家半导体与材料大厂，已纷纷投入TGV的开发与试产，并针对AI芯片、高频模块等应用设计新一代封装架构。

图1 TGV结构示意图，图源：iST宜特科技

TGV玻璃基板的发展现况

假设一个应用需要12V电源获得1V、30A的低电压、大电流输出，且效率为 80%，则总损耗将达到7.5W。这些损耗会变成热量，导致IC和电感的温度上升。数据中心的环境温度通常高于室温，额外的损耗会使IC的温度进一步升高，进而更接近IC的热关断限值（通常为150℃）。对于负载点（Point of Load，POL）电源应用，此类问题尤为关键，因为DC-DC转换器往往非常靠近高发热量的微处理器。

玻璃基板技术TGV是一种于玻璃基板上制作金属导电孔（vias）的技术。简而言之，就是在一片玻璃板上钻孔，再将导电金属如铜等填入孔内，让电气信号得以从玻璃的一面传输到另一侧，如同在玻璃上开设许多高速通道，让芯片之间的电信号可以快速且低损耗。

图3 从2D X-Ray观察，产品原先有铜填孔不均的问题，没有连结在一起的通孔表示导通失败，左图以黄图标出部分失效处。经过铜条件优化与调整后，提升了铜填孔的饱和度，如右图所示

TGV失效解析四大步骤

本文分享了宜特故障分析实验室如何找出TGV玻璃基板的故障点。透过以下四大步骤，可快速找出潜在故障点并加以改善，适用于TGV初期导入、材料选型、量产前可靠度验证等阶段。

1. 环境应力测试 发现潜在异常

透过加速老化可靠度实验，如高加速应力试验(Highly Accelerated Temperature and Humidity Stress Test, HAST)与高温保存试验(High Temperature Storage, HTS)等，可评估TGV结构在高温/高湿/高压环境下的长期稳定性，借此诱发出结构中可能存在的异常点。此方法可在短时间内模拟数年寿命，快速诱发铜扩散、玻璃界面剥离或导通异常等潜在问题。

2. 非破坏检测 快速定位失效点

当有相关电气漏电失效发生时，可利用亮点分析仪器，如热辐射故障定位显微镜(Thermal Emission Microscopy, Thermal EMMI)或光束诱导电阻异常侦测(Optical Beam Induced Resistance Change, OBIRCH)进行失效点定位；此外，采用高解析度X-Ray系统，进行2D平面观察与3D断层扫描，无需破坏样品即可快速掌握TGV电性异常物性状态或铜填孔的完整性。此技术可识别TGV内部填续常见的空洞(void)缺陷。也可利用高深宽比结构进行局部放大分析，作为后续精细切片的辅助依据。

3. 精准切片分析 掌握失效机制

在失效定位后，可针对异常与试片特性从断面研磨(X-Section)、离子束剖面研磨(Cross-section Polisher, CP)、电浆聚焦离子束显微镜(Plasma FIB, PFIB)分析等技术，为决定最佳制备方式进行精准剖面样品制备。

图4 SEM可清楚看出，制程优化和调整后，最终成功提升铜填孔饱和度

4. 材料结构分析 改善潜在风险

切片后可进一步搭配扫描式电子显微镜(SEM)或穿透式电子显微镜(TEM)观察穿孔界面状态，并利用能量色散X射线光谱(EDS)或电子能量损失能谱(EELS)元素分析，以确认铜扩散路径与浓度分布。在检测玻璃内部的微量铜扩散时，此步骤极为重要，有助于建立完整失效机制模型。亦可搭配电子背向散射绕射(EBSD)技术，以分析晶粒大小/方向(Grain size/Orientation)、晶界(Grain Boundary)特性与残留应力，以改善制程并提升可靠度和电气特性。

TGV案例分享

在宜特的TGV异常分析经验中，导致导通失败的主因多为TGV制程中「玻璃穿孔」的穿孔品质不良与「金属填孔」(多采用电镀或化学填镀)的铜填镀不均。由于TGV基板上的微小通孔需完全且均匀填入铜材，才能确保稳定的导电路径，任何玻璃孔蚀刻异常都可能导致导通中断。若电镀参数设定不当，可能产生孔内空隙、填充不饱满或柱状结构不连续等状况，进而导致电气特性异常与封装失效。

图3呈现的案例中，即可利用2D X-ray非破坏分析，进行异常点定位，再搭配精准切片，并以SEM观察、分析后，得知导致部分TGV产生无法导通或高阻值异常的原因是铜填充空隙不均。此时针对镀铜条件进行最佳化与调整填镀时间，即可成功提升铜填孔饱和度与导电一致性，提升整体良率(图4)。

由于硅中介层技术拥有制程成熟、热性等优点，目前仍是多数应用的主力。然而，TGV玻璃基板亦拥有低电气阻抗、高频率传输与卓越的绝缘等强势特性，将成为半导体产业在AI加速器、高阶通讯及毫米波雷达等前瞻技术趋势下的关键材料之一。随着全球半导体大厂的积极投入，TGV玻璃基板有望成为先进封装领域中极具战略意义的明日基板技术。若能透过有效的故障分析手法，即可加速提升TGV玻璃基板可靠度与其制程良率，增加TGV及早量产化的可能性。

来源：李柏隆，宜特科技等，侵删

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