NanoTube 納米 CT破解先進封裝監測難題，30 秒快篩 + 超精細成像！

在半導體封裝技術飛速發展的當下，精密互連、堆疊芯片及埋入式結構等復雜架構日益普及，為電子設備帶來性能飛躍的同時，也對研發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，來加速技術開發并提升良率。基于Excillum Nanotube X射線源優化的納米CT系統，憑借高亮度、小光斑的核心優勢，成功攻克微凸點與混合鍵合結構無損檢測的行業難題，既能實現30秒快速篩查，又能達成亞微米級分辨率的精細成像，精準識別空洞、未連接等缺陷，為高密度封裝的質量保障與技術創新提供了強大工具。

Till Dreier and Julius H?llstedt, Excillum

納米CT技術核心：參數優化與性能突破

X 射線納米計算機斷層掃描（納米 CT）技術的核心價值在于提供亞微米級分辨率 3D 成像，清晰呈現微凸點、硅通孔、鍵合線及空洞等內部結構細節。其性能發揮依賴關鍵參數的精細調控，其中 CT 系統幾何結構優化尤為重要，需通過將樣品盡可能貼近 X 射線源，實現放大倍率與單位面積 X 射線光子數量的優化，同時保障樣品 360 度旋轉掃描的可行性。

圖1展示了一種典型的實驗裝置：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，同時保證其可進行360度旋轉^{[2, 3]}。

圖1：將小型樣品緊貼X射線源放置以實現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。

成像系統的衍射極限是分辨率的理論下限，當兩個物體間距縮小至臨界點時，系統將無法區分二者而呈現融合狀態，其原理示意如圖2所示。

圖2：上圖：衍射極限示意圖，描述了成像系統可分辨細節的理論下限（摘自文獻^[1]）。當兩個物體間距過近時，最終將被識別為單一物體；下圖：該效應的實際示例——使用300 nm X射線光斑拍攝的JIMA測試結構圖像。間距0.25 μm時結構分離；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 分辨率測試標板可直觀評估系統性能：使用 300 nm X 射線光斑成像時，250 nm間距結構可分離，150 nm間距結構雖部分重疊但仍可分辨，100 nm間距結構則無法清晰區分獨立線條與間隔。這一結果印證了經驗法則：納米 CT 的可實現分辨率約為 X 射線光斑尺寸的二分之一。依托 Excillum Nanotube X 射線源的性能，結合對系統穩定性與探測器質量的嚴格把控，該納米 CT 系統成功突破性能限制，為封裝檢測提供了可靠技術基礎^{[2, 4]}。

納米CT在微凸點成像中的應用

高帶寬內存（HBM）是系統的關鍵性技術，其通過三維堆疊DRAM架構，實現了超高速數據傳輸并降低了功耗。圖3示意性地展示了一款采用HBM堆疊的封裝結構。其性能核心在于深埋于堆疊結構內部、尺寸微小且布局密集的微凸點陣列——這些微米級焊料互連結構通過硅通孔（TSVs）連接堆疊芯片與邏輯芯片，并銜接至中介層。

圖3：采用凸點鍵合互連的HBM內存封裝示意圖。

針對 HBM 微凸點的檢測挑戰，Excillum 納米 CT 系統通過靈活調整掃描參數，實現了多場景檢測需求的精準匹配：

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 秒內完成完整樣品的結構全景成像。該分辨率足以實現凸點識別、對準檢測及缺失凸點篩查，同時為后續高分辨率掃描提供清晰的感興趣區域定位，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），圖中同時標示出為更高分辨率研究選定的感興趣區域。

高分辨率掃描（75分鐘）

針對 DRAM 模塊中心關鍵區域，以 600 nm體素尺寸進行高分辨率掃描，獲得亞微米級凸塊鍵合分析數據。圖5展示了掃描區域的結構，掃描結果清晰呈現了 100 μm C4 凸塊、25 μm邏輯芯片-中介層連接凸塊及 20 μm DRAM 模塊連接凸塊的結構細節，可精準識別微凸塊內部獨立空洞，清晰觀察 5 μm硅通孔形態，且支持對凸塊鍵合與內部空洞的分割處理及統計分析^[5]。

圖5：高分辨率感興趣區域掃描，清晰呈現硅通孔、接觸焊盤及微凸點的結構細節，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）

本實驗采用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，此測量結果能夠清晰呈現硅通孔、接觸焊盤及微凸點的內部結構，充分證明了3D X射線成像技術在超高分辨率微小結構成像中的實用價值。

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微凸點的水平切片（右）。

納米CT在混合鍵合成像中的應用

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。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、提高通孔密度等優勢，是下一代三維集成的關鍵技術。但該技術在良率提升、可靠性保障等方面仍面臨挑戰，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，展示通過銅柱實現兩個硅芯片鍵合的結構。

由于混合鍵合及其連接的硅通孔（TSV）尺寸遠小于通孔與微凸點，對三維X射線測量提出了重大挑戰。使用Excillum 納米 CT 系統對 AMD Ryzen 7 5800X3D 處理器內部混合鍵合結構進行 6 小時掃描，以 300 nm體素尺寸實現精準成像。如下圖8所示，通過三維重建的虛擬切片與三維渲染圖，清晰呈現了直徑 1.5 μm、長度 15 μm、節距 9 μm的混合鍵合結構，同時準確識別出未連接的鍵合位置，為該技術的工藝優化與良率提升提供了關鍵數據支撐。

圖8：AMD Ryzen 7 5800X3D處理器內部混合鍵合結構的成像圖，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。

結論

本文展示了使用Excillum NanoTube作為光源的高分辨率納米CT技術在應對=封裝關鍵挑戰方面的能力。通過優化掃描設置與極簡樣品制備流程，實現了快速概覽分析與精細結構表征的靈活切換，在封裝檢測領域展現出顯著優勢：既解決了微凸點、混合鍵合等核心結構的無損檢測難題，又通過亞微米級分辨率成像實現缺陷精準識別，大幅加速失效分析流程，為工藝控制提供可靠保障。

作為支持復雜半導體集成的強大工具，該技術不僅滿足當前高密度封裝的質量檢測需求，更為下一代三維集成技術的創新發展奠定了堅實基礎，有望在半導體行業持續發揮關鍵支撐作用，推動封裝技術向更高精度、更高可靠性方向邁進。

參考文獻：

[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.