如何偵測 2.5D 晶圓鍵結中的隱藏空隙？
引言：人工智慧與先進包裝時代隱藏的風險
人工智慧、高效能運算 (HPC) 和高頻寬記憶體的快速發展 (血腦膜半導體封裝技術正從平面二維架構朝向複雜的2.5D和3D異質整合發展。台積電的CoWoS和SoIC、英特爾的Foveros和EMIB，以及SK海力士和美光的多晶片HBM堆疊等技術，都提高了良率管理的難度。
在2.5D晶圓鍵結中－無論是晶圓對晶圓（W2W）或晶片對晶圓（D2W）－數千個微凸點、重分佈層（RDL）、矽通孔（TSV）和超薄底部填充介面無縫堆疊。然而，這種複雜的結構帶來了一個關鍵挑戰：隱藏的亞微米級空隙和界面分層。這些肉眼不可見的微缺陷被困在厚厚的矽堆疊層內，它們既是隔熱屏障，也是機械失效點。
當一個受損的鍵結介面在製造過程後期就能毀掉價值數千美元的 AI 晶片組件時，檢測 2.5D 晶圓鍵合中的隱藏空隙不再只是實驗室故障分析任務，而是大批量良率控制的絕對前提。
1. 挑戰：為什麼傳統檢測方法不足
在大批量生產（HVM）環境中，傳統方法 無損檢測 當應用於 2.5D 晶圓鍵合時，無損檢測 (NDT) 和物理檢測技術會遇到物理和吞吐量方面的限制：
光學和紅外線 (IR) 檢測：光學檢測本質上僅限於表面形貌。紅外線顯微鏡可以穿透潔淨的矽基板，但遇到緻密的金屬 RDL、不透明的銅微凸塊或複雜的多層金屬中介層時則會失效，因此無法檢測亞表面空隙。
X射線和高解析度CT：標準二維X射線系統在薄混合鍵結介面（例如SiO₂-SiO₂或Cu-Cu）處難以獲得低密度對比度的影像。雖然三維X射線電腦斷層掃描（CT）能夠提供豐富的體積細節，但其採集速度對於晶圓級線上計量而言過慢，並且會對精細的閘極氧化層結構造成潛在的輻射損傷風險。
破壞性物理分析 (DPA)：橫斷面分析、聚焦離子束 (FIB) 蝕刻和機械拋光會破壞高價值的生產晶圓，導致統計可靠性極低。 獨自的層壓速率，並且經常在樣品製備過程中引入人工分層。
2. SAT 和聲學成像原理
掃描聲學顯微鏡 (SAM) 和掃描聲學斷層掃描 (SAT) 利用高頻機械聲波而不是光學光或電磁輻射來克服這些障礙。
聲阻抗的物理原理：當聚焦超音波束穿過晶圓堆時，它會對聲阻抗的變化做出反應。
固-固界面：在完整的界面（例如矽-矽或矽-底部填充物）上，一部分聲能會穿過，而其餘部分則會反射回來。
固氣界面（空隙/分層）：當聲波撞擊微空隙、氣隙或分層時，固體矽/銅與受困氣體之間巨大的阻抗差異會產生幾乎全反射（~100%）。
透過利用精確技術 飛行時間（ToF） 透過閘控技術，SAT 平台可以隔離僅來自特定微深度（例如混合鍵結平面、TSV 層或中間層底部填充物）的反射回波，並將回波振幅轉換為高對比度的聲學圖。
3. 2.5D鍵結中的缺陷分析及製程影響
聲學特徵可提供針對關鍵故障機制的可操作情報：
微孔和分層： 明亮、高振幅的聲學回波標示著未鍵結區域或被困的微氣泡。在高功率人工智慧加速器中，這些空隙會滯留熱量，形成局部熱熱點，並導致介質過早擊穿。
微裂紋和界面剪切： 大晶片互連層產生的熱機械應力會導致細微的結構裂痕。 SAT（靜態分析測試）能夠在熱循環將這些應力裂縫轉換為災難性的互連失效之前將其識別出來。
晶圓翹曲與結構變形： 多層晶片間的應力不匹配會導致晶圓彎曲和翹曲。如果沒有自適應高度追蹤，翹曲會導致高速掃描過程中感測器失焦，進而造成訊號失真或物理碰撞。
從FA轉向線上良率控制： SAT（表面分析測試）技術最初應用於失效分析 (FA) 實驗室，如今已直接應用於線上品質控制。即時回饋使製程工程師能夠即時優化鍵合溫度、壓力、表面等離子活化和底部填充等參數。
4. SAT 的演變：向線上晶圓級檢測過渡
從產業市場趨勢來看，SAT技術經歷了三個截然不同的發展階段：
第一階段（FA 和實驗室分析）：專注於研發和可靠性實驗室的離線失效分析、晶片附著檢測、分層和裂縫驗證。
第二階段（包裝品質管制）：適用於批量生產過程中功率元件、SiC、IGBT 和標準 IC 封裝的測試。
第三階段（線上晶圓級和先進封裝）：當前成長動力。在 CoWoS、SoIC、HBM4、Chiplets 和麵板級封裝 (PLP) 的推動下，SAT 現在已成為多層 2.5D/3D 結構不可或缺的線上品質控制門，這些結構無法透過光學或破壞性方法進行檢測。
5. SBT 超音波解決方案：重新定義高通量晶圓檢測
為了滿足2.5D晶圓鍵合線上檢測的嚴格要求，SBT Ultrasonic建立了一個統一的全端超音波技術平台。與依賴第三方整合的傳統C-SAM供應商不同，SBT Ultrasonic自主研發並整合了其整個核心生態系統：
高通量硬體和運動控制。檢測速度是線上聲學計量面臨的最大挑戰。 SBT Ultrasonic 透過優化的運動架構克服了這個難題：掃描速度高達 2000 毫米/秒：採用雙驅動龍門運動系統，可在不犧牲微米級定位精度的前提下，快速掃描大面積表面。多探頭同步架構：多感測器配置（例如，2 至 4 個通道）可同時掃描，顯著提高每分鐘晶圓覆蓋面積。寬頻感測器範圍（1–500 MHz）：提供 1 微米至 4000 微米的空間解析度選項，可實現亞微米級空隙和微凸塊的高解析度檢測。
晶圓翹曲追蹤與自適應聚焦
在 2.5D/3D 封裝中，薄晶圓和多晶片中介層經常出現非線性翹曲和彎曲。 SBT 整合了動態表面追蹤自動對焦和聲學 Z 軸追蹤功能。這種即時高度補償技術可在翹曲表面上保持恆定的聲學聚焦，消除影像失焦並防止探針與晶圓碰撞的風險。
綜合產品矩陣
SBT Ultrasonic 提供專用的硬體系列，支援 6 吋、8 吋、12 吋晶圓和麵板級封裝 (PLP)：
現代先進包裝生產線需要自動化決策，無需人工幹預：
AI自動缺陷識別（ADR）：機器學習模型自動識別、提取、測量和分類空隙、裂縫和分層。
缺陷密度和尺寸映射：自動計算空隙面積比、總數和空間分佈。
MES 和 SECS/GEM 集成：自動數據報告、上傳以及與工廠 MES 網路的無縫集成，用於即時統計製程控制 (SPC)。
6. SBT超音波的核心競爭優勢
SBT Ultrasonic 為先進包裝生產線帶來顯著的競爭優勢：
無與倫比的性價比： 透過對感測器、產生器、運動控制和軟體的垂直整合，降低了硬體製造成本，從而以具有競爭力的價格提供高性能。
用於線上高產量製造的高吞吐量： 多探針架構、高速龍門機械（2000 毫米/秒）和快速資料收集的結合，使得真正的 100% 線上晶圓檢測成為可能。
深度自訂功能： SBT Ultrasonic 擁有硬體和軟體的專屬權，能夠快速客製化專用探頭夾具、客製化運動路徑和客製化軟體演算法，以滿足客戶的特定要求。
敏捷工程反應與供應鏈韌性： 憑藉靈活的亞洲供應鏈和本地服務網絡，SBT Ultrasonic 可確保快速交貨、快速備件供應和現場工程支援。
經行業驗證： SBT Ultrasonic 的旗艦產品 Wafer400 系列已獲得正式訂單，並成功向領先的半導體客戶完成了生產線交付，驗證了其在 2.5D/3D 先進封裝環境中的能力。
賦能先進封裝的未來 2026年台灣半導體展
像GlobalFoundries這樣的公司 英式積電 加倍投入先進封裝能力——擴展 CoWoS®、SoIC® 和麵板級架構以滿足爆炸式增長的 AI 運算需求——確保無損、亞微米級良率控制從未像現在這樣至關重要。
隨著 2026 年台灣國際半導體展 (SEMICON Taiwan 2026) 的臨近 (9月2日至4日，台北）， SBT超音波 誠摯邀請產業夥伴、製程工程師和封裝領域的先驅者共同探索我們新一代晶圓級聲學檢測生態系統。從WAFER400-F2和WAFER400等高通量線上系統，到面板級解決方案（PLP600）和實驗室級計量設備（US300），SBT Ultrasonic能夠提供掌控2.5D/3D鍵合良率所需的精度和速度。
請到展位參觀 Q5541 與我們的工程專首页交流 看看我們如何幫助您提高先進包裝的良率。