半导体器件失效分析-4-开封技术

半导体器件失效分析-4-开封技术

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2023年06月01日 23:39 重庆

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环氧塑封是IC主要封装形式，环氧塑封器件开封方法有化学方法、机械方法和等离子体刻蚀法，化学方法是最广泛使用的方法，又分手动开封和机械开封两种。

（1）手动开封：发烟硝酸或发烟硝酸和发烟硫酸的混酸。125～150℃烘焙约一小时，驱除水汽（建议）；X射线透射技术确定芯片在器件中的位置和大小等离子刻蚀法（建议）；用机械法磨去顶盖一部分或在芯片上方开个圆孔，直到离芯片非常薄为止（建议）加热发烟硝酸至60～70℃，用吸液管滴到黑胶表面，待反应后用丙酮冲洗、烘干，重复上述步骤直至芯片完全暴露；去离子水超声波振荡清洗，最后甲醇超声波振荡清洗，直至表面干净。手动开封的优点是方便、便宜；缺点是小尺寸封装、新型封装类型开封效果不理想，对操作员的经验、技巧依赖性较高。

（2）自动开封：环氧封装喷射腐蚀（Jet Etch），即对器件进行部分开封，暴露芯片表面或背面，但保留芯片、管脚和内引线和压焊点的完整性及电学性能完整，为后续失效定位和检测做准备。Jet Etch工作原理为在器件的芯片位置处的环氧树脂塑封料表面，用机械法磨去一部分，或在芯片上方开一个与芯片面积相当的孔，直到离芯片非常薄为止。将器件倒置并使芯片位置中心正对Jet Etch机台的出液孔，加热的发烟硝酸或脱水/发烟硫酸，亦可为混酸，经由内置真空泵产生的负压，通过小孔喷射到芯片上方的塑封料进行局部腐蚀，直到芯片完全露出。加热的发烟硝酸或脱水硫酸对塑料有较强的腐蚀作用，但对硅片，铝金属化层和内引线的腐蚀作用缓慢，操作时合理设定液体流量、流速以及所用酸的选择，综合考虑封装类型，芯片的大小、厚薄等因素，在成功暴露芯片时能保证器件电性性能的完整性，如图1和图2所示。

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图1、美国 Nisene Technology Group 生产的 JetEtch 自动开封机（https://www.nisene.com）

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图2、Jet Etch芯片开封技术

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图3、Jet Etch开封芯片表面SEM影像

（https://www.rkdengineering.com/gallery.html）

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相对于手动开封，Jet Etch具有安全、酸的选择性多、对铝金属层腐蚀性小、精度/可靠性高等优势；但设备的成本较高，对某些新型塑封材料反应速度慢，易造成铝金属和内引线腐蚀，对于CSP和腔在下形式的封装是一大挑战。此外，由于硝酸和铜会发生反应，使得对铜内引线封装器件开封变得极具挑战性。

（3）等离子体刻蚀开封法（Plasma decapsulation）：利用氧等离子体去除有机环氧树脂密封料。离子体刻蚀，又称干法刻蚀，是分析实验室必备样品制备组装置之一。等离子体刻蚀开封法适用于所有塑封器件，反应表面较化学湿法开封干净，选择比高、对芯片腐蚀小；但反应速度慢，相对于化学开封的以分钟为单位，氧等离子体刻蚀则以小时为单位。实际运用时常加CF4以增加反应速率（e.g.70% CF4+30% O2 ）。当刻蚀接近芯片表面时，改用氧等离子体，以防CF4腐蚀金线和芯片的钝化层。

（4）热机械开封（thermomechanical decapsulation）：通过磨、撬、加热等方法，主要针对金属封装的器件或失效机理是污染物或腐蚀相关。热机械开封不经历化学反应，有效保护铝垫bond pad原始现场，保证了后续化学元素分析和表面分析结果的可信度，适用于失效机理是污染物或腐蚀相关的分析案例。但此法会导致塑封器件金线断裂或金球（gold ball）脱落，破坏器件的电学性能完整性，易造成芯片断裂，对操作员经验、技巧依赖性极高。

（5）激光辅助开封（laser assisted decapsulation）：随着封装技术的发展和尺寸小型化要求，尤其CSP封装的出现和广泛应用，现有开封技术精确度很难达到要求。激光辅助开封的精准性在一定程度上满足了上述要求。UV激光辅助开封对有机物的去除能力强、平整性好，但环氧树脂塑封料中常含一定量的填充物，对开封的平整性产生负面影响，同时，价格较为昂贵。

[1]张汝京. 纳米集成电路制造工艺[M]. 清华大学出版社, 2014.

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