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生的化學活性微粒與塑封材料進行化學反應產生揮發(fā)性物質，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。