激光技术在塑封器件开封中的应用

作者：杨黎，龚国虎，梁栋程，王淑杰

(中国工程物理研究院计量测试中心)

摘要：

引入激光技术与手动、自动酸开封相结合的新开封工艺，对小型、异形及有多块芯片的塑封器件进行开封实验。首先利用激光准确对芯片上方的塑封料进行部分刻蚀，再结合自动酸开封或手动酸开封去除芯片表面的塑封料。实验结果表明，激光开封后的器件再进行手动酸开封时间仅需8 s，相对于未引入激光开封技术的传统酸开封方法，激光开封技术在塑封器件开封中能达到定位准确、缩短开封时间、提高开封效率的效果。

塑封器件(Plastic Encapsulated Microcircuits，PEMs)相比其他封装类型器件的突出优势在于成本低、重量轻、尺寸小。塑封器件是非密封无空腔的器件，相对于有空腔的密封器件来说抗振动冲击性能好，另外由于封装密度相对较高，减小了器件信号传播的延迟，也没有多余物的干扰问题。塑封器件在整个半导体封装器件中占据了非常重要的地位，较为广泛地应用于武器装备系统中，尤其在满足系统小型化、轻型化及集成化等方面，塑封器件具有显著的优势。近年来随着塑封器件应用领域的不断扩展，人们越来越重视塑封器件的可靠性问题。破坏性物理分析(Destructive Physical Analysis，DPA)和失效分析(Failure Analysis，FA)作为评估塑封器件可靠性的常用方法，在开展内部目检和键合强度等试验[1]的若干常规项目检测前，都需要对塑封器件进行开封[2]处理。目前，常用的开封方法，采用浓硝酸、浓硫酸或混酸加热腐蚀塑料包封层，去除器件芯片外围塑料包封层，适用于形状规整和只有单块芯片的器件，但是，对于小型、异形及有多块芯片的器件，其无法达到定位准确，在使芯片暴露出来的同时完整保留金属互连线及焊点的目的。另外，对于有多块芯片的器件，极易腐蚀其他芯片的键合丝，进而导致器件失效，影响试验结果的真实性。因此，迫切需要开发定位准确的开封方法。

1 塑封器件开封技术

1.1 传统开封技术

1.1.1 机械开封

机械开封借助适当的工具，将封盖用物理方法打开，使芯片暴露出来。对于有空腔的密封器件，机械开封能够方便快捷地打开封盖，但是对于没有空腔的塑封器件，芯片是被塑封材料高密度地包裹住，机械开封会破坏电连接，因此在应用上受到限制。

1.1.2 化学开封

化学开封包括化学干法开封和化学湿法开封。化学干法开封是利用等离子体刻蚀机进行刻蚀，基于真空中的高频激励而产生的化学活性微粒与塑封材料进行化学反应产生挥发性物质，从而达到刻蚀的目的，该方法对开封位置定位准确，但是开封时间长，并且成本高。化学湿法开封包括手动刻蚀和自动刻蚀2 种，常用的腐蚀试剂是发烟硝酸和浓硫酸[3]，手动刻蚀是提前将刻蚀酸的种类和比例配置好，将塑封器件整块投入刻蚀液中或者手动滴酸在需要腐蚀的部位，待芯片露出后用丙酮或乙醇清洗干净，该方法开封定位不准确甚至难以完整保持器件的框架，并且温度不易控制，不能达到理想的开封效果。目前应用较多的是化学湿法自动刻蚀，利用自动酸开封机负压喷射腐蚀，对不同尺寸的器件可以进行参数控制，但是对于小型、异形及有多块芯片的器件，难以准确定位开封。

1.2 激光开封

激光具有亮度高、方向性好、单色性好、相干性好等特点，广泛应用于加工业、农业、科学研究及军用武器等多个领域[4]。激光开封技术发展于20 世纪60 年代，随着激光器质量的提高和控制系统的改善，激光开封技术得到了越来越广泛的应用[5–7]。激光开封技术具有非接触、无污染和可实现微米线度精细加工、操作简便的特点，通过计算机控制能直接在工件上进行任意图形的刻蚀[8]。激光开封技术这一系列优点是传统机械加工工艺无法比拟的。

2 激光开封技术在塑封器件开封中的应用

2.1 实验方法

实验中使用的开封样件为环氧树脂塑封的异形D400 三极管和N2IM4S 多芯片塑封集成电路(PHILIPS 公司)。器件外形如图1 所示。

开封之前，先用X 射线实时成像系统(Y.Cougar.SMT)扫描样件，确定芯片的位置和尺寸，这有助于确定开封的位置。

自动酸开封实验中采用美国Nisene Technology Group生产的自动开封机。开封过程选用的腐蚀液是发烟硝酸，自动酸开封机对发烟硝酸流量、加热温度、加热时间、腐蚀时间及清洗时间等参数准确可控。开封完成后立即将器件取出并用丙酮超声清洗。

手动酸开封实验，将发烟硝酸加热到约80 ℃，手动滴酸到激光开封后有凹槽的部位，开封完成后立即将器件取出并用丙酮超声清洗。

2.2 结果与讨论

2.2.1 异形三极管的激光开封研究

D400 三极管X 光照片如图2 所示。为了考察激光开封刻蚀深度的最佳条件，控制激光扫描次数，考察了激光开封刻蚀到芯片暴露出、引线刚好暴露而芯片不可见、引线和芯片均不暴露3 种情况，激光刻蚀后的照片如图3(a)、图3(b)、图3(c)所示。由于该三极管外形不规则且体积小，用自动酸开封机难以找寻合适的开封开口模具进行固定，因此对激光开封后的器件采用手动滴酸，腐蚀的时间分别为5 s,8 s,30 s，开封完成后器件内部结构照片如图3(d)、图3(e)、图3(f)所示。实验结果表明激光开封深度越深，随后的酸开封时间越短，但是如果激光开封到芯片暴露，虽然腐蚀时间缩短，但是受到激光高能量照射的芯片表面产生一定程度的损伤，进一步酸开封将会加剧芯片表面的腐蚀，开封效果不理想；激光开封至引线刚好暴露而芯片不可见的程度，相对于引线和芯片均不暴露的情况，酸开封时间大大缩短，同时能够达到理想的开封效果。因此，激光开封的深度以引线刚好暴露而芯片不可见为最佳。

同时，针对相同类型的器件进行了对比实验：不引入激光技术而直接用自动酸开封机进行开封，由于芯片结构不规整且尺寸小，难以寻找合适的开口模具进行定位开封；如直接将整个器件投入到腐蚀液中加热，则芯片暴露出来的同时，器件的主体框架也不能完整保留。

2.2.2 多芯片塑封集成电路的激光开封研究

多芯片塑封集成电路X 光照片如图4(a)所示，激光开封后引线刚好暴露而芯片不可见。对激光开封后的器件采用自动酸开封机分别对左右两块芯片开封，开封后器件内部结构照片如图4(b)所示，左右两块芯片均达到了理想的效果，金相显微镜观察芯片表面及键合点都完好无损，不存在表面残留物，清洁度非常好，局部照片如图5 所示。

对于相同类型器件进行对比实验：不用激光开封而直接用自动酸开封机进行开封，开封后内部结构照片如图6 所示，右侧芯片完全暴露出来但是左侧芯片仅露出部分引线，在此基础上继续延长腐蚀时间，未见明显的效果改善，原因是自动开封机采用负压喷雾方式进行腐蚀，右侧芯片暴露出来后形成的空腔区域不利于腐蚀液和塑封料的接触，而且两块芯片相邻也不利于开封的准确定位。因此，对于这类有多块芯片的塑封器件来说，引入激光技术能够做到定位准确，各芯片腐蚀过程中互相不受干扰，开封效果满足后续试验和分析要求。