何勝宗，武慧薇，王有亮

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610）

0 引言

對塑料封裝器件進(jìn)行開封，去除覆蓋在芯片表面的塑封料，暴露出內(nèi)部鍵合結(jié)構(gòu)和芯片，是判斷塑封封裝工藝質(zhì)量好壞[1]，進(jìn)行器件失效分析[2]的必要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的化學(xué)開封方法[3]是利用濃硫酸或發(fā)煙硝酸的強(qiáng)氧化性，在加熱的條件下，手工滴酸或自動開封機(jī)腐蝕掉塑封料，達(dá)到暴露內(nèi)部鍵合結(jié)構(gòu)和芯片的目的。傳統(tǒng)的開封方法對金絲或鋁絲鍵合的塑封器件有效，是由于金元素比較穩(wěn)定，即使在濃酸加熱的條件下也不會參與反應(yīng)；而鋁絲則是由于在濃酸的作用下，首先會在表面形成一層致密的三氧化二鋁 （Al2O3）層，從而阻止進(jìn)一步的反應(yīng)而被保留下來[4]。對于采用銅絲鍵合的塑封器件而言，不能直接采用上述開封方法，因?yàn)殂~絲在接觸到濃酸后會產(chǎn)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)而被腐蝕掉，不能保留其鍵合結(jié)構(gòu)。銅絲器件采用傳統(tǒng)開封方法的效果如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)開封方法的效果

為了保留開封前的鍵合結(jié)構(gòu)，必須研究出一種有效的開封方法，在盡量不破壞銅絲的情況下，將塑封料去除，完整地暴露出其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn) [4]給出了一種在濃酸中添加CuSO4·5H2O晶體后手工開封銅絲鍵合器件的方法，并與自動開封機(jī)進(jìn)行了對比，取得了一定的開封效果，但是整體操作時(shí)間相對較長。文獻(xiàn) [5]對比了3種不同的開封方法：1）化學(xué)電解浸泡法；2）化學(xué)低溫噴射刻蝕法；3）激光開封方法。其中，第1種方法需要專門的裝置，較復(fù)雜；第2種方法的開封時(shí)間比較長，需要1000 s以上；第3種方法容易出現(xiàn)激光燒蝕損傷到芯片的現(xiàn)象。這些方法均不適用于開封任務(wù)量較大的情況。

本文通過分析傳統(tǒng)化學(xué)開封過程的制約因素，對傳統(tǒng)化學(xué)開封方法進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一種將激光燒蝕和化學(xué)自動噴射刻蝕相結(jié)合的銅絲鍵合塑封器件開封方法，并在不同的條件下進(jìn)行了對比試驗(yàn)，取得了不錯(cuò)的效果。

1 制約因素分析

塑封器件傳統(tǒng)的開封過程是：首先，通過XRAY定位芯片明確開封部位；然后，利用掩?；驂|圈等保護(hù)不需要開封的部位，將一定量的濃酸加熱到預(yù)設(shè)溫度后 （硝酸加熱到70℃以上，硫酸加熱到200℃以上），手工滴定或自動噴射腐蝕塑封料，通過實(shí)時(shí)觀察或經(jīng)驗(yàn)掌握開封時(shí)間；最后，將內(nèi)部結(jié)構(gòu)暴露出來[6]。

在這個(gè)過程中，影響開封效果的關(guān)鍵因素有：1）需要開封的芯片位置；2）濃酸的比例和流量；3）酸加熱的溫度；4）開封的時(shí)間。

對于銅絲鍵合器件而言，濃酸不能只選擇發(fā)煙硝酸或硫酸，加熱溫度不宜過高，銅絲與酸接觸的時(shí)間不宜過長。

結(jié)合對濃酸化學(xué)性質(zhì)的認(rèn)識，以及傳統(tǒng)開封過程的分析，對影響開封銅絲鍵合的制約因素有如下改進(jìn)措施：1）減少酸接觸銅絲的時(shí)間——可以通過激光燒蝕或機(jī)械研磨減薄器件塑封料；2）減弱酸對銅的腐蝕性——調(diào)節(jié)開封濃酸的配比，采用混酸進(jìn)行開封，同時(shí)降低開封的溫度；3）開封過程中防止銅的氧化——開封過程中盡量縮小需要開封的面積，同時(shí)將開封的空間采用干燥的氮?dú)馀c空氣隔離，防止銅絲氧化。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)過程

根據(jù)上述分析結(jié)果，結(jié)合傳統(tǒng)的開封方法，研究一種用于銅絲鍵合器件開封的方法，如圖2所示。

圖2 銅絲器件開封試驗(yàn)流程

2.2 設(shè)備和試劑

1）激光開封機(jī)或研磨機(jī)，用于減薄塑封料；

2）塑封開封機(jī)，用于噴射腐蝕塑封料；

3） 發(fā)煙硝酸、 濃硫酸 （質(zhì)量分?jǐn)?shù) 98.3%），用于腐蝕塑封料；

4）丙酮、酒精和去離子水，用于清洗樣品。

2.3 關(guān)鍵要素

a）塑封料的厚度

當(dāng)覆蓋在芯片表面的塑封料厚度超過1 mm時(shí)，需要用激光燒蝕或者機(jī)械研磨的方法將芯片上方的塑封料減薄，從而使酸反應(yīng)的時(shí)間盡量地減小。需要特別注意的是，利用激光燒蝕塑封料需要嚴(yán)格控制激光的功率和單次燒蝕的時(shí)間，避免激光損傷到芯片。

b）酸的選擇

單純利用發(fā)煙硝酸或者發(fā)煙硫酸開封銅絲鍵合塑封器件會導(dǎo)致銅絲被酸腐蝕，因此，需要采用混合酸進(jìn)行開封。根據(jù)開封的實(shí)際效果，混合酸的比例一般控制在：發(fā)煙硝酸與濃硫酸的配比 （體積）為 1：1， 2：1， 3：1， 4：1， 5：1， 6：1 等。

c）開封的溫度和時(shí)間

由于銅絲在加熱的環(huán)境中更易與濃酸發(fā)生反應(yīng)，因此開封的溫度要盡量地降低；但另一方面，過低的溫度會降低濃酸與塑封料的反應(yīng)速度，從而導(dǎo)致開封的時(shí)間過長，反而有可能導(dǎo)致銅絲由于長時(shí)間與濃酸接觸而被腐蝕。

在實(shí)際的開封過程中，需要根據(jù)樣品開孔的大小、厚度等調(diào)整開封的溫度和時(shí)間。

d）清洗樣品

在開封過程中，清洗樣品時(shí)應(yīng)采用丙酮清洗，盡量地減少重復(fù)開封清洗的次數(shù)。開封完成后，同樣需要先用丙酮超聲清洗樣品，再用去離子水清洗，最后用酒精清洗并烘干。

2.4 樣品選擇

為了對比開封效果，選取了3種典型的銅絲鍵合塑封器件進(jìn)行開封試驗(yàn)，樣品的詳細(xì)信息如表1所示。

表1 銅絲器件開封試驗(yàn)樣品信息

3 開封效果對比

3.1 判斷依據(jù)

銅絲鍵合器件開封效果的好壞主要從表2中列出的項(xiàng)目進(jìn)行判斷。

表2 銅絲鍵合器件開封效果的判斷依據(jù)

3.2 對比試驗(yàn)

為了研究不同條件下的開封效果，根據(jù)不同的濃酸配比、開封溫度，設(shè)計(jì)了兩組對比試驗(yàn)。

a）不同濃酸配比對比

在相同的開封溫度下 （40℃），配置不同比例的濃酸進(jìn)行開封，開封效果的對比如表3所示。其中，A、B組樣品表面塑封料的厚度均經(jīng)過激光減薄至2 mm以內(nèi)。

結(jié)果顯示，在相同開封溫度的條件下，濃酸配比影響開封效果和總體時(shí)間。對于3組樣品而言，濃酸配比 （N：S）為3：1的效果相對較好，其銅絲基本無腐蝕，鍵合點(diǎn)比較完整地保留下來。開封典型形貌對比如圖3所示。

表3 不同的濃酸配比開封效果

圖3 不同的濃酸配比條件下B組樣品的開封效果

b）不同的溫度對比

在相同的濃酸配比條件 （濃酸配比，N：S=3：1）下，改變開封的溫度，開封效果的對比結(jié)果如表4所示。

結(jié)果顯示，在相同的配比條件下，開封的溫度影響開封效果和總體時(shí)間。其中，開封效果較好的有：在溫度40℃時(shí)的A組、B組樣品，與溫度35℃中的C組樣品，這樣可以保證開封的銅絲基本無腐蝕，鍵合點(diǎn)比較完整。開封的典型形貌對比如圖4所示。

表4 不同溫度開封效果

圖4 不同的溫度條件下C組樣品的開封效果對比

4 結(jié)束語

通過不同條件下對銅絲器件的開封實(shí)驗(yàn)，總結(jié)出如下條件能使鋼絲縫合達(dá)到較好的開封效果：1）盡量地減小塑封料的厚度，減少開封的時(shí)間；2）選擇合適的濃酸配比，減少反應(yīng)過程中銅絲的腐蝕；3）選擇合適的開封溫度。

利用上述方法開封銅絲鍵合塑封器件時(shí)，推薦的參數(shù)為：1）利用X-RAY透視芯片的大小和位置，對于塑封料厚度超過2 mm的樣品，利用激光燒蝕來減薄厚度；2）將濃酸配比設(shè)置為N：S=3：1，開封的溫度可設(shè)置在30～40℃，每次開封的時(shí)間不宜過長，應(yīng)該關(guān)注塑封料和銅絲的腐蝕情況，逐步地調(diào)整開封的溫度和時(shí)間。

[1]張素娟，李海岸.新型塑封器件開封方法以及封裝缺陷[J].封裝測試技術(shù)，2006， 31 （7） :509-511， 519.

[2]張新軍.銅線鍵合技術(shù)及設(shè)備的研究與應(yīng)用 [D].成都：電子科技大學(xué)，2010.

[3]侯小利.塑封器件化學(xué)開封方法優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D].北京：北京化工大學(xué)， 2010.

[4]杭春進(jìn)，王春青，田艷紅，等.塑料封裝銅絲內(nèi)連電子元器件開封新工藝研究 [J].電子工藝技術(shù)，2008， 29 （1） :5-7， 11.

[5]Em Julius N.De La Cruz， Andrew C， et al.Comparative study of different copper wire decapsulation techniques for failure analysis[C]//201320th IEEE International Symposium on the Physical and Failure Analysis of Integrated Circuits （IPFA） .2013： 463-467.

[6]Nisene Technology Group.JetEtch Series Basic Decapsulation Process Guide for JetEtch II[Z] .2008.