揭密TGV制程中的隐形杀手：EBSD如何破解应力难题

在材料分析领域里，电子显微镜不只会「拍照」，还能「看懂」每一颗晶体怎麽排列、怎麽转向，这个技术叫做EBSD（电子背向散射绕射）。而在TGV制程中，晶粒排列与应力分布的微小差异，往往决定了产品的可靠度。这些关键资讯，正是EBSD技术的专长。

在高阶封装技术迅速发展的今日，TGV（玻璃通孔）技术正逐渐成为重要的晶片互连解决方案。根据报导，经济部产业技术司支持工研院开发的全湿式面板级封装设备，成功将12寸玻璃基板的通孔深宽比由AR 10提升至AR 15，大幅突破了玻璃通孔制程限制并有效降低制造成本。

在此产业背景下，透过电子背向散射绕射（EBSD）技术观察晶体结构，变得尤为重要。藉由EBSD（电子背向散射绕射），我们可以深入分析晶粒取向、晶界特性与残留应力等微观结构特徵，进而改善制程品质与提升产品的可靠度。

什麽是EBSD? EBSD就是透过一张张充满神秘条纹的影像，来破解晶体的取向密码。而此技术，不只是学术研究的利器，更已被广泛应用在半导体制程分析上，例如在Through Glass Via（TGV）、Hybrid Bump等高阶封装结构的研究中。

EBSD提供了一种能够「看进材料内部」的方式，透过晶粒取向、晶界类型、残留应力等资料，帮助工程师更有效掌握制程变异与潜在失效风险。

首先，在做材料分析时，我们时常听到「晶体取向」这个词，你知道吗?晶体排列的方向，其实会影响金属的机械强度、半导体的导电度、甚至关系到元件是否会故障! 这项技术其实是根据一张张电子条纹图样，来还原每一个晶体的方向，就像法医能从指纹判别身分，EBSD也能从电子条纹推算出晶体的方向。

本文就带你了解EBSD是如何「看懂」晶体取向，并聚焦EBSD在TGV制程中的实际应用面向，从晶粒尺寸、晶界分析、残留应力分析，到失效定位与品质管控，揭开EBSD如何破解高阶封装制程可靠度难题的秘密。

一、条纹背後的秘密：Kikuchi Bands是什麽？

当高能电子束照射在倾斜的样品表面时，部分电子会被晶体内的原子排列散射，形成一系列明暗相间的条纹，称为Kikuchi bands。这些条纹的排列与角度，正是晶体取向的指纹。

如果你曾经看过阳光照进玻璃吊灯後在墙上散出的条纹，那其实就是光线与晶体表面的互动所造成的现象之一，Kikuchi bands就是类似的概念，只是它是电子与晶体相互作用的结果。

二、条纹几何≠杂讯，而是晶面的投影

EBSD的特别之处，在於它不是直接「看到」晶体，而是透过数学计算出来的。每一条Kikuchi band都是对应一组晶面，例如：（100）、（111）、（200）等。如果能从图样中辨识出三条以上互不平行的band，即可推导出这颗晶体在空间中的实际旋转方向。

换言之，每一张绕射图样EBSP（Electron Backscatter Diffraction Pattern），就像是晶体写给你的「几何信件」，我们只要解读band的几何，就能知道这颗晶体的方向。

三、解码条纹：如何从Kikuchi Bands得知晶体取向？

EBSD系统大致可简单分成以下步骤去解读Kikuchi bands（图一）：

冘 图像撷取：使用EBSD探测器捕捉Kikuchi图样。

冘 条纹辨识：利用数学模型与演算法，辨识出条纹的位置与方向。

冘 索引：将辨识出的条纹与已知的晶体结构资料库比对，确定晶体的取向。

图一 : EBSD如何从电子束撞击样品开始，逐步取得绕射图样（EBSP），再透过Band侦测、资料库比对，最终取得晶体的相位与取向资讯。（图片来源：宜特科技）

四、EBSD的准确度取决於什麽?

EBSD的准确度取决於以下三项：「扫描解析度」和「条纹清晰度」和「索引叁数设定」。

(一)扫描解析度：若电子束扫描步径（step size）太大，小晶粒将会被误判或是忽略，影响晶粒尺寸统计的正确性（图二）。

图二 : 两种不同步径叁数设定下得到的BC及IPF图，（a）步径5nm之BC图，（b） 步径5nm之IPF图，（c）步径50nm之BC图，（d）步径50nm之IPF图。（图片来源：宜特科技）

(二)条纹清晰度：样品制备阶段需要将观察面处理到非常平整，若表面太过粗糙、太脏或有氧化

层，那怕只是些微的刮痕，都会影响到条纹的品质，导致结果无法辨识或是误判。

就像标示在下图的BC及IPF图的带状及点状的痕迹，分别为刮痕及研磨料填塞，也有刮痕塞入研磨料的混合状况（图三）。刮痕造成的些微晶格扭曲并不是结晶内部的真实状况，填塞物质可能误判为析出相，需要额外用成分分析除错，增加不必要的时间成本。

图三 : 样品表面的刮痕及研磨料对於BC及IPF的影响。（图片来源：宜特科技）

(三)索引叁数设定：错误的材料及结构叁数会导致误判（mis-indexing），导致相监定时部分晶体结构无法正确标定（图四）。

图四 : 不同汇入资料的索引结果。（a）仅汇入α-铁相的相分布图，（b）汇入α-铁相、γ-铁相及Fe3C相的相分布图。（图片来源：宜特科技）

五、EBSD在TGV制程的应用

随着2.5D/3D IC与高密度互连板（HDI）及玻璃基板技术的快速发展，TGV於高频高速传输的通讯晶片与运算晶片上的应用极具有发展潜力。然而，TGV制程中的金属化与热处理过程，可能导致晶粒排列不均、晶界结构不稳定及残留应力等问题，这些因素都可能对可靠度造成不良影响。

EBSD提供了一种微观尺度的分析方式，能够有效观察与解析上述制程问题。

（一）晶粒尺寸与边界特徵

透过EBSD获得的晶体取向资料，可以计算并统计晶粒尺寸分布及大角度晶界（High-Angle Grain Boundaries, HAGBs）比例等微观结构的讯息。

根据Chang等人（2024年，J. Mater. Res. Technol）研究指出，采用多步骤电镀制程，特别是在初期施加较低电流密度，可有效控制晶粒成长并优化微结构。根据EBSD分析，这种策略能提升高角度晶界（HAGBs）与孪晶界（Twin Boundaries, TBs）的比例（图五、六），有助於增强电镀铜的机械强度与延展性，并可能进一步稳定其电性表现。

图五 : 不同电镀条件下TGV铜区的IPF图。（图片来源：Chang等人；2024年，J. Mater. Res. Technol.）

图六 : 不同电镀条件下晶界类型比例的比较。（图片来源：Chang等人；2024年，J. Mater. Res. Technol.）

相比之下，单一步骤电镀易产生晶粒尺寸不均，可能埋下应力集中隐患。此外，从应力-应变测试结果显示，多段电镀虽略降低强度，但其更隹的延展性有利於缓解封装应力，整体上有助於提升TGV铜的可靠度（图七）。

图七 : 不同电镀条件下的Cu电镀样品应力－应变曲线。（图片来源：Chang等人；2024年，J. Mater. Res. Technol.）

（二）晶粒取向与应力关联

透过电子背向散射绕射（EBSD）获取的TGV电镀铜层的晶体取向分布图（Inverse Pole Figure, IPF），可以分析晶粒取向与微观应力之间的关系。

根据Wang等人（2024年，J. Alloys Compd）的研究，透过EBSD、XRD分析不同热处理温度下的铜覆盖层微观结构变化，发现随退火温度升高，铜膜内部的残留应力从原本约-70MPa的压应力逐渐转为约15MPa的拉应力（表一）。EBSD结果进一步指出，退火可促进静态再结晶、提高高角度晶界（HAGBs）比例，并使晶粒尺寸细化（图八）。

表一：不同热处理温度下 TGV铜膜的残留应力与应力值的变化。

处理温度	残留应力状态	应力值(MPa)
室温	压应力	-70.09 MPa
100℃	压应力(下降)	-53.90 MPa
200℃	拉应力(转换)	15.59 MPa
300℃	拉应力(升高)	23.95 MPa

（资料来源: Wang等人；2024年，J. Alloys Compd）

图八 : 不同退火温度下Cu overburden film的晶粒尺寸与取向分布。（图片来源：Wang等人；2024年，J. Alloys Compd）

此外，他们发现残留应力较高的样品倾向呈现（001）优选取向，而残留应力较低时则转变为（111）取向。由於（111）面在FCC结构中是最容易滑移的面，因此可视为应力释放後的稳定状态之一。KAM（Kernal Average Misorientation）分析显示（图九），在100。C 与 200。C 热处理条件下，晶粒内部应变（KAM值）明显降低，代表此温度区间的再结晶有助於应力释放。但当温度进一步提升至300。C时，局部微应变却再次升高，显示结构可能重新经历应力累积[2]。

因此，晶粒取向的变化可作为残留应力水准的间接指标。藉由EBSD持续监测晶体取向与内部差排密度的变化，能有效评估电镀与退火制程中微观应力是否获得有效缓解。

图九 : 不同热处理温度下的KAM晶格应变分布。

（图片来源：Wang等人；2024年，J. Alloys Compd）

（三）再结晶与相变分析

EBSD可用来分析退火处理後铜的再结晶程度。藉由对比退火前後晶体取向图，能直观判断哪些区域发生了再结晶、新晶粒成长等。

Yang等人（2024 年，Micromachines）利用EBSD观察奈米双晶铜在退火後的演变。结果显示，[110]取向的奈米双晶铜（110-nt-Cu）在退火时发生了剧烈的再结晶，而[111]取向（111-nt-Cu）和无特定取向（nt-Cu）的奈米双晶铜则仅有轻微再结晶[3]。

透过GND（Geometrically Necessary Dislocation）分析可见（图十、图十一），退火後整体差排密度（晶格扭曲）明显下降，特别是[111]取向奈米双晶铜表现最为明显，拥有最低的初始及最终差排密度，此结果说明不同晶向的铜在热处理下有不同的稳定性，也提供未来进一步透过工程方法优化TGV铜热稳定性的叁考。

图十 : 不同晶向奈米双晶铜退火前後的GND分布图。（图片来源：Yang等人；2024 年，Micromachines）

图十一 : 不同晶向奈米双晶铜在退火前後的GND平均密度变化。（图片来源：Yang等人；2024 年，Micromachines）

（四）故障解析与品质管控

目前针对TGV互连结构，直接应用EBSD技术进行故障分析与品质控管的研究仍相对稀少。不过在TSV领域，已有成熟的应用案例可供叁考。TSV和TGV就像是电缆穿过两种不同的墙，一个钻过矽墙，一个穿越玻璃墙。虽然墙的材料不同，但晶粒内的应力集中、铜的再结晶、以及热胀冷缩带来的剪应力等问题，本质上却非常类似。TSV的观察与结果可视为TGV的前哨站，使用相同的电镀材料、面对类似的热处理行为，只是在不同的材料背景中上演。

例如Krause等人（2011年，Proc. IEEE ECTC）便提出一套完整的互连结构包含TSV及μ-Bump的故障分析流程，整合非破坏性的缺陷定位技术：LIT（Lock-in Thermography）与高解析度材料分析工具：DB-FIB、PFIB、EBSD、TEM[4]，提供了一条实务可行的整合式分析路径。考量EBSD在晶体结构、晶界特性与应变分析方面的优势，若能将其纳入TGV结构研究中，将有助於更深入掌握其潜在的失效机制与品质变异来源。(刊略)

以Okoro等人（2021年，Microelectron. Reliab.）为例，他们指出当升温速率过快时，TGV结构中因热膨胀系数不匹配（CTE mismatch）所产生的大量热机械应力，会在玻璃本体形成放射状裂纹（图十二、十三）。这些裂纹虽未直接出现在金属铜层中，但其形成过程可能与晶界排列与晶界滑移所导致的铜突起（Cu protrusion）密切相关[5]。

Zhao等人（2022年，Micromachines）则透过有限元素模拟指出，在冷却阶段，剪应力主要集中於TGV与铜介面以及RDL周围（图十四、十五）[6]，这些区域亦正是晶界滑移与局部塑性变形可能发生的热点。

若上述研究能进一步结合EBSD分析，针对裂纹源附近区域进行晶粒取向、KAM（Kernel Average Misorientation）或GND（Geometrically Necessary Dislocation）分布的量测，有??揭示微应变诱导裂纹的几何与机构成因，为故障机制提供具体且量化的佐证依据。

总结而言，虽然目前仍缺乏专门针对TGV结构的EBSD故障分析文献，但从晶粒尺寸控制、热处理後的微结构演化，到与玻璃裂纹相关的热应力场分布评估，EBSD的角色正逐步从单纯观察工具，转型为可靠度工程中不可或缺的决策核心之一。

图十二 : 温度循环测试後的TGV与RDL（redistribution layer）边缘的微裂纹。

（图片来源：Zhao等人；2022年，Micromachines）

图十三 : 热机械负载诱发的垂直裂纹。（图片来源：Zhao等人；2022年，Micromachines）

图十四 : TGV结构内部剪应力分布示意图。图（a）加热，图（b）冷却（图片来源：Zhao等人；2022年，Micromachines）

图十五 : TGV与RDL应力集中区域。（图片来源：Zhao等人；2022年，Micromachines）

EBSD（电子背向散射绕射）不单只是看晶体排列的技术，它还是半导体工程师解决微观失效、强化封装可靠度的工具。透过EBSD，我们可以深入了解晶粒的方向、晶界的性质、再结晶的行为，甚至是材料里面悄悄藏着的残留应力，这些资讯对制程优化与材料评估来说都非常关键。特别是在晶界附近的区域、微小的应变分布，甚至裂纹是怎麽形成的这些细节，EBSD都能帮我们用高解析度又有数据根据的方式，看清楚、说明白。

未来如果能把EBSD再结合X-ray、SEM、模拟分析等其他工具，建立一个从微观到巨观的整合模型，不只能更精准抓出封装里潜在的可靠度风险，也能协助制程工程师提前布局、避开问题。换句话说，EBSD 不只是让我们「看见晶体的方向」，还能帮我们「预见材料的未来」。

（本文作者李昀达技术??理任职於iST宜特科技材料分析工程处 DB-FIB工程部）