NanoTube 納米 CT破解先進(jìn)封裝監(jiān)測難題，30 秒快篩 + 超精細(xì)成像！

在半導(dǎo)體封裝技術(shù)飛速發(fā)展的當(dāng)下，精密互連、堆疊芯片及埋入式結(jié)構(gòu)等復(fù)雜架構(gòu)日益普及，為電子設(shè)備帶來性能飛躍的同時，也對研發(fā)端的離線失效分析與制造端的在線檢測提出了更高的要求，亟需更高效、更高分辨率的檢測方案，來加速技術(shù)開發(fā)并提升良率。基于Excillum Nanotube X射線源優(yōu)化的納米CT系統(tǒng)，憑借高亮度、小光斑的核心優(yōu)勢，成功攻克微凸點(diǎn)與混合鍵合結(jié)構(gòu)無損檢測的行業(yè)難題，既能實(shí)現(xiàn)30秒快速篩查，又能達(dá)成亞微米級分辨率的精細(xì)成像，精準(zhǔn)識別空洞、未連接等缺陷，為高密度封裝的質(zhì)量保障與技術(shù)創(chuàng)新提供了強(qiáng)大工具。

Till Dreier and Julius H?llstedt, Excillum

納米CT技術(shù)核心：參數(shù)優(yōu)化與性能突破

X 射線納米計算機(jī)斷層掃描（納米 CT）技術(shù)的核心價值在于提供亞微米級分辨率 3D 成像，清晰呈現(xiàn)微凸點(diǎn)、硅通孔、鍵合線及空洞等內(nèi)部結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。其性能發(fā)揮依賴關(guān)鍵參數(shù)的精細(xì)調(diào)控，其中 CT 系統(tǒng)幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化尤為重要，需通過將樣品盡可能貼近 X 射線源，實(shí)現(xiàn)放大倍率與單位面積 X 射線光子數(shù)量的優(yōu)化，同時保障樣品 360 度旋轉(zhuǎn)掃描的可行性。

圖1展示了一種典型的實(shí)驗(yàn)裝置：將一個寬度約為2毫米的處理器切割部分緊貼Excillum Nanotube N3 X射線源放置，同時保證其可進(jìn)行360度旋轉(zhuǎn)^{[2, 3]}。

圖1：將小型樣品緊貼X射線源放置以實(shí)現(xiàn)Max放大倍率。插圖中的示例展示了從處理器中切割取樣的簡易樣品制備過程。

成像系統(tǒng)的衍射極限是分辨率的理論下限，當(dāng)兩個物體間距縮小至臨界點(diǎn)時，系統(tǒng)將無法區(qū)分二者而呈現(xiàn)融合狀態(tài)，其原理示意如圖2所示。

圖2：上圖：衍射極限示意圖，描述了成像系統(tǒng)可分辨細(xì)節(jié)的理論下限（摘自文獻(xiàn)^[1]）。當(dāng)兩個物體間距過近時，最終將被識別為單一物體；下圖：該效應(yīng)的實(shí)際示例——使用300 nm X射線光斑拍攝的JIMA測試結(jié)構(gòu)圖像。間距0.25 μm時結(jié)構(gòu)分離；0.15 μm時仍可分辨但存在部分重疊；而0.1 μm米時線條已無法清晰分辨（注：圖中采用了不同放大倍率）。

通過 JIMA 分辨率測試標(biāo)板可直觀評估系統(tǒng)性能：使用 300 nm X 射線光斑成像時，250 nm間距結(jié)構(gòu)可分離，150 nm間距結(jié)構(gòu)雖部分重疊但仍可分辨，100 nm間距結(jié)構(gòu)則無法清晰區(qū)分獨(dú)立線條與間隔。這一結(jié)果印證了經(jīng)驗(yàn)法則：納米 CT 的可實(shí)現(xiàn)分辨率約為 X 射線光斑尺寸的二分之一。依托 Excillum Nanotube X 射線源的性能，結(jié)合對系統(tǒng)穩(wěn)定性與探測器質(zhì)量的嚴(yán)格把控，該納米 CT 系統(tǒng)成功突破性能限制，為封裝檢測提供了可靠技術(shù)基礎(chǔ)^{[2, 4]}。

納米CT在微凸點(diǎn)成像中的應(yīng)用

高帶寬內(nèi)存（HBM）是系統(tǒng)的關(guān)鍵性技術(shù)，其通過三維堆疊DRAM架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了超高速數(shù)據(jù)傳輸并降低了功耗。圖3示意性地展示了一款采用HBM堆疊的封裝結(jié)構(gòu)。其性能核心在于深埋于堆疊結(jié)構(gòu)內(nèi)部、尺寸微小且布局密集的微凸點(diǎn)陣列——這些微米級焊料互連結(jié)構(gòu)通過硅通孔（TSVs）連接堆疊芯片與邏輯芯片，并銜接至中介層。

圖3：采用凸點(diǎn)鍵合互連的HBM內(nèi)存封裝示意圖。

針對 HBM 微凸點(diǎn)的檢測挑戰(zhàn)，Excillum 納米 CT 系統(tǒng)通過靈活調(diào)整掃描參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了多場景檢測需求的精準(zhǔn)匹配：

快速全景掃描（30秒）

如圖4所示，采用2.6 μm體素尺寸掃描，借助高總功率、高 X 射線通量的光源光斑，在 30 秒內(nèi)完成完整樣品的結(jié)構(gòu)全景成像。該分辨率足以實(shí)現(xiàn)凸點(diǎn)識別、對準(zhǔn)檢測及缺失凸點(diǎn)篩查，同時為后續(xù)高分辨率掃描提供清晰的感興趣區(qū)域定位，大幅提升檢測效率。

圖4：快速全景掃描。三維渲染圖（左）與虛擬切片圖（右），圖中同時標(biāo)示出為更高分辨率研究選定的感興趣區(qū)域。

高分辨率掃描（75分鐘）

針對 DRAM 模塊中心關(guān)鍵區(qū)域，以 600 nm體素尺寸進(jìn)行高分辨率掃描，獲得亞微米級凸塊鍵合分析數(shù)據(jù)。圖5展示了掃描區(qū)域的結(jié)構(gòu)，掃描結(jié)果清晰呈現(xiàn)了 100 μm C4 凸塊、25 μm邏輯芯片-中介層連接凸塊及 20 μm DRAM 模塊連接凸塊的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，可精準(zhǔn)識別微凸塊內(nèi)部獨(dú)立空洞，清晰觀察 5 μm硅通孔形態(tài)，且支持對凸塊鍵合與內(nèi)部空洞的分割處理及統(tǒng)計分析^[5]。

圖5：高分辨率感興趣區(qū)域掃描，清晰呈現(xiàn)硅通孔、接觸焊盤及微凸點(diǎn)的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，其中包含亞微米級空洞的精確成像。

高分辨率掃描（6.25小時）

本實(shí)驗(yàn)采用500 nmX射線源光斑，掃描時長略超六小時，最終獲得400 nm米的體素分辨率。如圖6所示，此測量結(jié)果能夠清晰呈現(xiàn)硅通孔、接觸焊盤及微凸點(diǎn)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，充分證明了3D X射線成像技術(shù)在超高分辨率微小結(jié)構(gòu)成像中的實(shí)用價值。

圖6：高分辨率虛擬切片圖像——縱向穿透HBM堆棧的垂直切片（左）與橫向切割兩個DRAM模塊間單層20 μm微凸點(diǎn)的水平切片（右）。

納米CT在混合鍵合成像中的應(yīng)用

混合鍵合，亦稱銅混合鍵合，是一種無需焊料的通孔互連技術(shù)。其原理如圖7所示，通過微銅柱直接連接硅芯片，具有減少工藝步驟、縮小通孔尺寸、提高通孔密度等優(yōu)勢，是下一代三維集成的關(guān)鍵技術(shù)。但該技術(shù)在良率提升、可靠性保障等方面仍面臨挑戰(zhàn)，亟需高效的失效分析與工藝控制工具。

圖7：混合鍵合示意圖，展示通過銅柱實(shí)現(xiàn)兩個硅芯片鍵合的結(jié)構(gòu)。

由于混合鍵合及其連接的硅通孔（TSV）尺寸遠(yuǎn)小于通孔與微凸點(diǎn)，對三維X射線測量提出了重大挑戰(zhàn)。使用Excillum 納米 CT 系統(tǒng)對 AMD Ryzen 7 5800X3D 處理器內(nèi)部混合鍵合結(jié)構(gòu)進(jìn)行 6 小時掃描，以 300 nm體素尺寸實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)成像。如下圖8所示，通過三維重建的虛擬切片與三維渲染圖，清晰呈現(xiàn)了直徑 1.5 μm、長度 15 μm、節(jié)距 9 μm的混合鍵合結(jié)構(gòu)，同時準(zhǔn)確識別出未連接的鍵合位置，為該技術(shù)的工藝優(yōu)化與良率提升提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)支撐。

圖8：AMD Ryzen 7 5800X3D處理器內(nèi)部混合鍵合結(jié)構(gòu)的成像圖，展示了從單張二維投影圖像到重建的虛擬切片及三維渲染的全過程。

結(jié)論

本文展示了使用Excillum NanoTube作為光源的高分辨率納米CT技術(shù)在應(yīng)對=封裝關(guān)鍵挑戰(zhàn)方面的能力。通過優(yōu)化掃描設(shè)置與極簡樣品制備流程，實(shí)現(xiàn)了快速概覽分析與精細(xì)結(jié)構(gòu)表征的靈活切換，在封裝檢測領(lǐng)域展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢：既解決了微凸點(diǎn)、混合鍵合等核心結(jié)構(gòu)的無損檢測難題，又通過亞微米級分辨率成像實(shí)現(xiàn)缺陷精準(zhǔn)識別，大幅加速失效分析流程，為工藝控制提供可靠保障。

作為支持復(fù)雜半導(dǎo)體集成的強(qiáng)大工具，該技術(shù)不僅滿足當(dāng)前高密度封裝的質(zhì)量檢測需求，更為下一代三維集成技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展奠定了堅實(shí)基礎(chǔ)，有望在半導(dǎo)體行業(yè)持續(xù)發(fā)揮關(guān)鍵支撐作用，推動封裝技術(shù)向更高精度、更高可靠性方向邁進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]. T. Dreier and J.   H?llstedt, “Unlocking the Mystery of X-Ray Imaging for Electronics and   Semiconductor Inspection," 3D inCites, 23 April 2025. [Online]. Available:   https://www.3dincites。。ｃｏｍ/2025/04/unlocking-the-mystery-of-x-ray-imaging-for-electronics-and-semiconductor-inspection/.   [Accessed 24 April 2025].

[2]. T. Dreier, D.   Nilsson, J. H?llstedt and J. Wittborn, “X-ray nano-tomography enabling   sub-micron resolution failure analysis for advanced packaging," in International   Symposium for Testing and Failure Analysis (ISTFA), San Diego,   California, USA, 2024.

[3]. T. Dreier, R.   Krüger, G. Bernstr?m, K. Tran-Lundmark, I. Gon?alves and M. Bech, “Laboratory   x-ray nano-computed tomography for biomedical research," Jorunal of   Instrumentation, vol. 19, no. 10, p. P10021, 2024.

[4]. T. Dreier, D.   Nilsson, J. H?llstedt and S. Hu, “Improved resolution in advanced packaging   metrology through advanced nano-focus X-ray sources," in 25th   International Conference on Electronic Packaging Technology (ICEPT),   Tianjin, China, 2024.

[5]. T. Dreier, D.   Nilsson and J. H?llstedt, “Fast and high-resolution X-ray nano tomography for   failure analysis in advanced packaging," Microelectronics Reliability, vol.   168, p. 115694, 2025.