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作者：楊 黎，龔國虎，梁棟程，王淑杰

(中國工程物理研究院計量測試中心)

摘要：

引入激光技術與手動、自動酸開封相結合的新開封工藝，對小型、異形及有多塊芯片的塑封器件進行開封實驗。首先利用激光準確對芯片上方的塑封料進行部分刻蝕，再結合自動酸開封或手動酸開封去除芯片表面的塑封料。實驗結果表明，激光開封后的器件再進行手動酸開封時間僅需8 s，相對于未引入激光開封技術的傳統(tǒng)酸開封方法，激光開封技術在塑封器件開封中能達到定位準確、縮短開封時間、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，相對于有空腔的密封器件來說抗振動沖擊性能好，另外由于封裝密度相對較高，減小了器件信號傳播的延遲，也沒有多余物的干擾問題。塑封器件在整個半導體封裝器件中占據(jù)了非常重要的地位，較為廣泛地應用于武器裝備系統(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。近年來隨著塑封器件應用領域的不斷擴展，人們越來越重視塑封器件的可靠性問題。破壞性物理分析(Destructive Physical Analysis，DPA)和失效分析(Failure Analysis，F(xiàn)A)作為評估塑封器件可靠性的常用方法，在開展內(nèi)部目檢和鍵合強度等試驗[1]的若干常規(guī)項目檢測前，都需要對塑封器件進行開封[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，對于小型、異形及有多塊芯片的器件，其無法達到定位準確，在使芯片暴露出來的同時完整保留金屬互連線及焊點的目的。另外，對于有多塊芯片的器件，極易腐蝕其他芯片的鍵合絲，進而導致器件失效，影響試驗結果的真實性。因此，迫切需要開發(fā)定位準確的開封方法。

1 塑封器件開封技術

1.1 傳統(tǒng)開封技術

1.1.1 機械開封

機械開封借助適當?shù)墓ぞ?，將封蓋用物理方法打開，使芯片暴露出來。對于有空腔的密封器件，機械開封能夠方便快捷地打開封蓋，但是對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，機械開封會破壞電連接，因此在應用上受到限制。

1.1.2 化學開封

化學開封包括化學干法開封和化學濕法開封?；瘜W干法開封是利用等離子體刻蝕機進行刻蝕，基于真空中的高頻激勵而產(chǎn)生的化學活性微粒與塑封材料進行化學反應產(chǎn)生揮發(fā)性物質(zhì)，從而達到刻蝕的目的，該方法對開封位置定位準確，但是開封時間長，并且成本高?；瘜W濕法開封包括手動刻蝕和自動刻蝕2 種，常用的腐蝕試劑是發(fā)煙硝酸和濃硫酸[3]，手動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，不能達到理想的開封效果。目前應用較多的是化學濕法自動刻蝕，利用自動酸開封機負壓噴射腐蝕，對不同尺寸的器件可以進行參數(shù)控制，但是對于小型、異形及有多塊芯片的器件，難以準確定位開封。

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，廣泛應用于加工業(yè)、農(nóng)業(yè)、科學研究及軍用武器等多個領域[4]。激光開封技術發(fā)展于20 世紀60 年代，隨著激光器質(zhì)量的提高和控制系統(tǒng)的改善，激光開封技術得到了越來越廣泛的應用[5–7]。激光開封技術具有非接觸、無污染和可實現(xiàn)微米線度精細加工、操作簡便的特點，通過計算機控制能直接在工件上進行任意圖形的刻蝕[8]。激光開封技術這一系列優(yōu)點是傳統(tǒng)機械加工工藝無法比擬的。

2 激光開封技術在塑封器件開封中的應用

2.1 實驗方法

實驗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 射線實時成像系統(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。

自動酸開封實驗中采用美國Nisene Technology Group生產(chǎn)的自動開封機。開封過程選用的腐蝕液是發(fā)煙硝酸，自動酸開封機對發(fā)煙硝酸流量、加熱溫度、加熱時間、腐蝕時間及清洗時間等參數(shù)準確可控。開封完成后立即將器件取出并用丙酮超聲清洗。

手動酸開封實驗，將發(fā)煙硝酸加熱到約80 ℃，手動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，用自動酸開封機難以找尋合適的開封開口模具進行固定，因此對激光開封后的器件采用手動滴酸，腐蝕的時間分別為5 s,8 s,30 s，開封完成后器件內(nèi)部結構照片如圖3(d)、圖3(e)、圖3(f)所示。實驗結果表明激光開封深度越深，隨后的酸開封時間越短，但是如果激光開封到芯片暴露，雖然腐蝕時間縮短，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，進一步酸開封將會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，相對于引線和芯片均不暴露的情況，酸開封時間大大縮短，同時能夠達到理想的開封效果。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，針對相同類型的器件進行了對比實驗：不引入激光技術而直接用自動酸開封機進行開封，由于芯片結構不規(guī)整且尺寸小，難以尋找合適的開口模具進行定位開封；如直接將整個器件投入到腐蝕液中加熱，則芯片暴露出來的同時，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。對激光開封后的器件采用自動酸開封機分別對左右兩塊芯片開封，開封后器件內(nèi)部結構照片如圖4(b)所示，左右兩塊芯片均達到了理想的效果，金相顯微鏡觀察芯片表面及鍵合點都完好無損，不存在表面殘留物，清潔度非常好，局部照片如圖5 所示。

對于相同類型器件進行對比實驗：不用激光開封而直接用自動酸開封機進行開封，開封后內(nèi)部結構照片如圖6 所示，右側芯片完全暴露出來但是左側芯片僅露出部分引線，在此基礎上繼續(xù)延長腐蝕時間，未見明顯的效果改善，原因是自動開封機采用負壓噴霧方式進行腐蝕，右側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確定位。因此，對于這類有多塊芯片的塑封器件來說，引入激光技術能夠做到定位準確，各芯片腐蝕過程中互相不受干擾，開封效果滿足后續(xù)試驗和分析要求。

另外，對于銅引線塑封器件采用傳統(tǒng)自動或手動酸開封技術，引線易受強酸腐蝕，而激光開封技術的引入具有明顯優(yōu)勢，相關試驗將在后續(xù)試驗中展開。

3 結論

引入激光技術與手動、自動酸開封相結合的新開封工藝，對激光功率、掃速等工藝參數(shù)進行優(yōu)化以精確控制激光開封的凹槽深度，進而通過手動或自動酸開封完成對器件的開封。

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