半導體器件失效分析-4-開封技術
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2023年06月01日 23:39 重慶
環氧塑封是IC主要封裝形式，環氧塑封器件開封方法有化學方法、機械方法和等離子體刻蝕法，化學方法是最廣泛使用的方法，又分手動開封和機械開封兩種。
（1）手動開封：發煙硝酸或發煙硝酸和發煙硫酸的混酸。125～150℃烘焙約一小時，驅除水汽（建議）；X射線透射技術確定芯片在器件中的位置和大小等離子刻蝕法（建議）；用機械法磨去頂蓋一部分或在芯片上方開個圓孔，直到離芯片非常薄為止（建議）加熱發煙硝酸至60～70℃，用吸液管滴到黑膠表面，待反應後用丙酮沖洗、烘乾，重複上述步驟直至芯片完全暴露；去離子水超聲波振盪清洗，最後甲醇超聲波振盪清洗，直至表面乾淨。手動開封的優點是方便、便宜；缺點是小尺寸封裝、新型封裝類型開封效果不理想，對操作員的經驗、技巧依賴性較高。
（2）自動開封：環氧封裝噴射腐蝕（Jet Etch），即對器件進行部分開封，暴露芯片表面或背面，但保留芯片、管腳和內引線和壓焊點的完整性及電學性能完整，為後續失效定位和檢測做準備。Jet Etch工作原理為在器件的芯片位置處的環氧樹脂塑封料表面，用機械法磨去一部分，或在芯片上方開一個與芯片面積相當的孔，直到離芯片非常薄為止。將器件倒置並使芯片位置中心正對Jet Etch機臺的出液孔，加熱的發煙硝酸或脫水/發煙硫酸，亦可為混酸，經由內置真空泵產生的負壓，通過小孔噴射到芯片上方的塑封料進行局部腐蝕，直到芯片完全露出。加熱的發煙硝酸或脫水硫酸對塑料有較強的腐蝕作用，但對硅片，鋁金屬化層和內引線的腐蝕作用緩慢，操作時合理設定液體流量、流速以及所用酸的選擇，綜合考慮封裝類型，芯片的大小、厚薄等因素，在成功暴露芯片時能保證器件電性性能的完整性，如圖1和圖2所示。
圖1、美國 Nisene Technology Group 生產的 JetEtch 自動開封機（https://www.nisene.com）
圖2、Jet Etch芯片開封技術
圖3、Jet Etch開封芯片表面SEM影像
（https://www.rkdengineering.com/gallery.html）
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相對於手動開封，Jet Etch具有安全、酸的選擇性多、對鋁金屬層腐蝕性小、精度/可靠性高等優勢；但設備的成本較高，對某些新型塑封材料反應速度慢，易造成鋁金屬和內引線腐蝕，對於CSP和腔在下形式的封裝是一大挑戰。此外，由於硝酸和銅會發生反應，使得對銅內引線封裝器件開封變得極具挑戰性。
（3）等離子體刻蝕開封法（Plasma decapsulation）：利用氧等離子體去除有機環氧樹脂密封料。離子體刻蝕，又稱幹法刻蝕，是分析實驗室必備樣品製備組裝置之一。等離子體刻蝕開封法適用於所有塑封器件，反應表面較化學溼法開封乾淨，選擇比高、對芯片腐蝕小；但反應速度慢，相對於化學開封的以分鐘為單位，氧等離子體刻蝕則以小時為單位。實際運用時常加CF4以增加反應速率（e.g.70% CF4+30% O2 ）。當刻蝕接近芯片表面時，改用氧等離子體，以防CF4腐蝕金線和芯片的鈍化層。
（4）熱機械開封（thermomechanical decapsulation）：通過磨、撬、加熱等方法，主要針對金屬封裝的器件或失效機理是汙染物或腐蝕相關。熱機械開封不經歷化學反應，有效保護鋁墊bond pad原始現場，保證了後續化學元素分析和表面分析結果的可信度，適用於失效機理是汙染物或腐蝕相關的分析案例。但此法會導致塑封器件金線斷裂或金球（gold ball）脫落，破壞器件的電學性能完整性，易造成芯片斷裂，對操作員經驗、技巧依賴性極高。
（5）激光輔助開封（laser assisted decapsulation）：隨著封裝技術的發展和尺寸小型化要求，尤其CSP封裝的出現和廣泛應用，現有開封技術精確度很難達到要求。激光輔助開封的精準性在一定程度上滿足了上述要求。UV激光輔助開封對有機物的去除能力強、平整性好，但環氧樹脂塑封料中常含一定量的填充物，對開封的平整性產生負面影響，同時，價格較為昂貴。
[1]張汝京. 納米集成電路製造工藝[M]. 清華大學出版社, 2014.
納米集成電路製造工藝48
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