作者：楊 黎，龔國(guó)虎，梁棟程，王淑杰

(中國(guó)工程物理研究院計(jì)量測(cè)試中心)

摘要：

引入激光技術(shù)與手動(dòng)、自動(dòng)酸開封相結(jié)合的新開封工藝，對(duì)小型、異形及有多塊芯片的塑封器件進(jìn)行開封實(shí)驗(yàn)。首先利用激光準(zhǔn)確對(duì)芯片上方的塑封料進(jìn)行部分刻蝕，再結(jié)合自動(dòng)酸開封或手動(dòng)酸開封去除芯片表面的塑封料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，激光開封后的器件再進(jìn)行手動(dòng)酸開封時(shí)間僅需8 s，相對(duì)于未引入激光開封技術(shù)的傳統(tǒng)酸開封方法，激光開封技術(shù)在塑封器件開封中能達(dá)到定位準(zhǔn)確、縮短開封時(shí)間、提高開封效率的效果。

塑封器件(Plastic Encapsulated Microcircuits，PEMs)相比其他封裝類型器件的突出優(yōu)勢(shì)在于成本低、重量輕、尺寸小。塑封器件是非密封無空腔的器件，相對(duì)于有空腔的密封器件來說抗振動(dòng)沖擊性能好，另外由于封裝密度相對(duì)較高，減小了器件信號(hào)傳播的延遲，也沒有多余物的干擾問題。塑封器件在整個(gè)半導(dǎo)體封裝器件中占據(jù)了非常重要的地位，較為廣泛地應(yīng)用于武器裝備系統(tǒng)中，尤其在滿足系統(tǒng)小型化、輕型化及集成化等方面，塑封器件具有顯著的優(yōu)勢(shì)。近年來隨著塑封器件應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，人們?cè)絹碓街匾曀芊馄骷目煽啃詥栴}。破壞性物理分析(Destructive Physical Analysis，DPA)和失效分析(Failure Analysis，F(xiàn)A)作為評(píng)估塑封器件可靠性的常用方法，在開展內(nèi)部目檢和鍵合強(qiáng)度等試驗(yàn)[1]的若干常規(guī)項(xiàng)目檢測(cè)前，都需要對(duì)塑封器件進(jìn)行開封[2]處理。目前，常用的開封方法，采用濃硝酸、濃硫酸或混酸加熱腐蝕塑料包封層，去除器件芯片外圍塑料包封層，適用于形狀規(guī)整和只有單塊芯片的器件，但是，對(duì)于小型、異形及有多塊芯片的器件，其無法達(dá)到定位準(zhǔn)確，在使芯片暴露出來的同時(shí)完整保留金屬互連線及焊點(diǎn)的目的。另外，對(duì)于有多塊芯片的器件，極易腐蝕其他芯片的鍵合絲，進(jìn)而導(dǎo)致器件失效，影響試驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性。因此，迫切需要開發(fā)定位準(zhǔn)確的開封方法。

1 塑封器件開封技術(shù)

1.1 傳統(tǒng)開封技術(shù)

1.1.1 機(jī)械開封

機(jī)械開封借助適當(dāng)?shù)墓ぞ?，將封蓋用物理方法打開，使芯片暴露出來。對(duì)于有空腔的密封器件，機(jī)械開封能夠方便快捷地打開封蓋，但是對(duì)于沒有空腔的塑封器件，芯片是被塑封材料高密度地包裹住，機(jī)械開封會(huì)破壞電連接，因此在應(yīng)用上受到限制。

1.1.2 化學(xué)開封

化學(xué)開封包括化學(xué)干法開封和化學(xué)濕法開封?；瘜W(xué)干法開封是利用等離子體刻蝕機(jī)進(jìn)行刻蝕，基于真空中的高頻激勵(lì)而產(chǎn)生的化學(xué)活性微粒與塑封材料進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生揮發(fā)性物質(zhì)，從而達(dá)到刻蝕的目的，該方法對(duì)開封位置定位準(zhǔn)確，但是開封時(shí)間長(zhǎng)，并且成本高?；瘜W(xué)濕法開封包括手動(dòng)刻蝕和自動(dòng)刻蝕2 種，常用的腐蝕試劑是發(fā)煙硝酸和濃硫酸[3]，手動(dòng)刻蝕是提前將刻蝕酸的種類和比例配置好，將塑封器件整塊投入刻蝕液中或者手動(dòng)滴酸在需要腐蝕的部位，待芯片露出后用丙酮或乙醇清洗干凈，該方法開封定位不準(zhǔn)確甚至難以完整保持器件的框架，并且溫度不易控制，不能達(dá)到理想的開封效果。目前應(yīng)用較多的是化學(xué)濕法自動(dòng)刻蝕，利用自動(dòng)酸開封機(jī)負(fù)壓噴射腐蝕，對(duì)不同尺寸的器件可以進(jìn)行參數(shù)控制，但是對(duì)于小型、異形及有多塊芯片的器件，難以準(zhǔn)確定位開封。

1.2 激光開封

激光具有亮度高、方向性好、單色性好、相干性好等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于加工業(yè)、農(nóng)業(yè)、科學(xué)研究及軍用武器等多個(gè)領(lǐng)域[4]。激光開封技術(shù)發(fā)展于20 世紀(jì)60 年代，隨著激光器質(zhì)量的提高和控制系統(tǒng)的改善，激光開封技術(shù)得到了越來越廣泛的應(yīng)用[5–7]。激光開封技術(shù)具有非接觸、無污染和可實(shí)現(xiàn)微米線度精細(xì)加工、操作簡(jiǎn)便的特點(diǎn)，通過計(jì)算機(jī)控制能直接在工件上進(jìn)行任意圖形的刻蝕[8]。激光開封技術(shù)這一系列優(yōu)點(diǎn)是傳統(tǒng)機(jī)械加工工藝無法比擬的。

2 激光開封技術(shù)在塑封器件開封中的應(yīng)用

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)中使用的開封樣件為環(huán)氧樹脂塑封的異形D400 三極管和N2IM4S 多芯片塑封集成電路(PHILIPS 公司)。器件外形如圖1 所示。

開封之前，先用X 射線實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)(Y.Cougar.SMT)掃描樣件，確定芯片的位置和尺寸，這有助于確定開封的位置。

自動(dòng)酸開封實(shí)驗(yàn)中采用美國(guó)Nisene Technology Group生產(chǎn)的自動(dòng)開封機(jī)。開封過程選用的腐蝕液是發(fā)煙硝酸，自動(dòng)酸開封機(jī)對(duì)發(fā)煙硝酸流量、加熱溫度、加熱時(shí)間、腐蝕時(shí)間及清洗時(shí)間等參數(shù)準(zhǔn)確可控。開封完成后立即將器件取出并用丙酮超聲清洗。

手動(dòng)酸開封實(shí)驗(yàn)，將發(fā)煙硝酸加熱到約80 ℃，手動(dòng)滴酸到激光開封后有凹槽的部位，開封完成后立即將器件取出并用丙酮超聲清洗。

2.2 結(jié)果與討論

2.2.1 異形三極管的激光開封研究

D400 三極管X 光照片如圖2 所示。為了考察激光開封刻蝕深度的最佳條件，控制激光掃描次數(shù)，考察了激光開封刻蝕到芯片暴露出、引線剛好暴露而芯片不可見、引線和芯片均不暴露3 種情況，激光刻蝕后的照片如圖3(a)、圖3(b)、圖3(c)所示。由于該三極管外形不規(guī)則且體積小，用自動(dòng)酸開封機(jī)難以找尋合適的開封開口模具進(jìn)行固定，因此對(duì)激光開封后的器件采用手動(dòng)滴酸，腐蝕的時(shí)間分別為5 s,8 s,30 s，開封完成后器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)照片如圖3(d)、圖3(e)、圖3(f)所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明激光開封深度越深，隨后的酸開封時(shí)間越短，但是如果激光開封到芯片暴露，雖然腐蝕時(shí)間縮短，但是受到激光高能量照射的芯片表面產(chǎn)生一定程度的損傷，進(jìn)一步酸開封將會(huì)加劇芯片表面的腐蝕，開封效果不理想；激光開封至引線剛好暴露而芯片不可見的程度，相對(duì)于引線和芯片均不暴露的情況，酸開封時(shí)間大大縮短，同時(shí)能夠達(dá)到理想的開封效果。因此，激光開封的深度以引線剛好暴露而芯片不可見為最佳。

同時(shí)，針對(duì)相同類型的器件進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)：不引入激光技術(shù)而直接用自動(dòng)酸開封機(jī)進(jìn)行開封，由于芯片結(jié)構(gòu)不規(guī)整且尺寸小，難以尋找合適的開口模具進(jìn)行定位開封；如直接將整個(gè)器件投入到腐蝕液中加熱，則芯片暴露出來的同時(shí)，器件的主體框架也不能完整保留。

2.2.2 多芯片塑封集成電路的激光開封研究

多芯片塑封集成電路X 光照片如圖4(a)所示，激光開封后引線剛好暴露而芯片不可見。對(duì)激光開封后的器件采用自動(dòng)酸開封機(jī)分別對(duì)左右兩塊芯片開封，開封后器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)照片如圖4(b)所示，左右兩塊芯片均達(dá)到了理想的效果，金相顯微鏡觀察芯片表面及鍵合點(diǎn)都完好無損，不存在表面殘留物，清潔度非常好，局部照片如圖5 所示。

對(duì)于相同類型器件進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)：不用激光開封而直接用自動(dòng)酸開封機(jī)進(jìn)行開封，開封后內(nèi)部結(jié)構(gòu)照片如圖6 所示，右側(cè)芯片完全暴露出來但是左側(cè)芯片僅露出部分引線，在此基礎(chǔ)上繼續(xù)延長(zhǎng)腐蝕時(shí)間，未見明顯的效果改善，原因是自動(dòng)開封機(jī)采用負(fù)壓噴霧方式進(jìn)行腐蝕，右側(cè)芯片暴露出來后形成的空腔區(qū)域不利于腐蝕液和塑封料的接觸，而且兩塊芯片相鄰也不利于開封的準(zhǔn)確定位。因此，對(duì)于這類有多塊芯片的塑封器件來說，引入激光技術(shù)能夠做到定位準(zhǔn)確，各芯片腐蝕過程中互相不受干擾，開封效果滿足后續(xù)試驗(yàn)和分析要求。

另外，對(duì)于銅引線塑封器件采用傳統(tǒng)自動(dòng)或手動(dòng)酸開封技術(shù)，引線易受強(qiáng)酸腐蝕，而激光開封技術(shù)的引入具有明顯優(yōu)勢(shì)，相關(guān)試驗(yàn)將在后續(xù)試驗(yàn)中展開。

3 結(jié)論

引入激光技術(shù)與手動(dòng)、自動(dòng)酸開封相結(jié)合的新開封工藝，對(duì)激光功率、掃速等工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化以精確控制激光開封的凹槽深度，進(jìn)而通過手動(dòng)或自動(dòng)酸開封完成對(duì)器件的開封。

相比傳統(tǒng)開封工藝來說，該開封工藝具有定位準(zhǔn)確、縮短開封時(shí)間、提高開封效率等突出優(yōu)勢(shì)，尤其對(duì)于小型、異形及多塊芯片的塑封器件用傳統(tǒng)方法難以達(dá)到開封目的時(shí)，采用該新工藝能夠取得很好的開封效果。