eng
DOI: 10.22184/1992-4178.2025.242.1.70.74
Декапсуляция – это удаление корпуса компонента без повреждения внутренней структуры изделия и с сохранением работоспособности. В статье рассмотрены современные методы декапсуляции полупроводниковых приборов, их достоинства и недостатки, способы применения.
Декапсуляция – это удаление корпуса компонента без повреждения внутренней структуры изделия и с сохранением работоспособности. В статье рассмотрены современные методы декапсуляции полупроводниковых приборов, их достоинства и недостатки, способы применения.
Теги: декапсуляция полупроводниковых приборов лазер механическое воздействие микроволновая плазма химическое травление
Четыре способа декапсуляции полупроводниковых приборов
П. Варламов
В процессе производства полупроводниковых приборов часто возникает задача анализа работы компонента при определенных условиях (воздействие ионизирующего излучения для изделий космического назначения, поиск неисправностей интегральных схем, исследование приборов на отказоустойчивость и т.д.). Для решения подобных задач необходимо получить доступ к кристаллу ИС, сохраняя при этом ее целостность и функциональные свойства. Направление такого рода исследований получило название «декапсуляция». В статье рассмотрены современные методы декапсуляции полупроводниковых приборов, их достоинства и недостатки, способы применения.
В широком смысле декапсуляция – это удаление корпуса компонента без повреждения внутренней структуры изделия и с сохранением работоспособности. Компоненты микроэлектроники отличаются многообразием типов корпусов, методов герметизации, применением широкого спектра компаундов. В зависимости от типа корпуса, с которым приходится иметь дело, различают четыре основных вида воздействия на корпус прибора: химическое, механическое, плазменное и лазерное. Каждый из этих методов имеет свои плюсы, минусы и ограничения, поэтому на практике чаще всего наиболее эффективным является применение различных комбинаций воздействий.
Первым этапом вне зависимости от выбранного метода является подготовка к исследованию, которая включает в себя визуальный контроль на предмет отсутствия механических повреждений, идентификацию изделия путем определения типа корпуса и его внутреннего строения, характеристик кристалла, его геометрических размеров, наличия и толщины защитных покрытий, слоев металлизации, электрических характеристик, компонентного состава корпуса. Полученные данные используют для определения области, направления, глубины, профиля проводимого далее процесса воздействия на корпус и подготовки необходимых аксессуаров, таких как шаблон из химически стойкой резины с окном, определяющим требуемую зону декорпусирования, если речь идет про химический метод или диапазон работы луча в случае применения лазера.
Обычно идентификацию изделия с целью определения типа корпуса и его внутреннего строения ведут с использованием оборудования оптического контроля, рентгенографического исследования с высоким разрешением (рис. 1) или сканирующего акустического микроскопа, а компонентный состав определяют с использованием анализаторов спектра и электронных микроскопов. После подготовки и определения зоны воздействия в зависимости от типа изделия применяют один из четырех методов.
Механическое воздействие
Механика – наиболее простой метод воздействия. При этом выбор устройства для декапсуляции зависит от типа материала, из которого сделан корпус компонента: металл, керамика, пластик. Установленный в оборудовании режущий инструмент (фреза) совершает вращательное движение, а обрабатываемый образец – поступательное. Метод хорошо подходит для «мягких» (пластиковых) корпусов, керамика плохо поддается такой обработке, хотя при использовании специальных фрез можно разрезать и твердые материалы с небольшой скоростью. Также метод хорошо себя зарекомендовал при снятии металлических крышек, загерметизированных шовно-роликовой сваркой.
К недостаткам метода можно отнести длительное время процесса и невозможность его применения для полного снятия корпуса без повреждения микросварных
соединений. На рис. 2 показана ручная установка механической декапсуляции DL-145 от компании CMP.
Химическое воздействие
Декапсуляция методом химического травления пластика имеет ряд преимуществ, основным из которых является возможность управления процессом травления в режиме реального времени. При подготовке образца к травлению первым этапом является создание кислотостойкой маски травления для вскрываемого образца ИС. Маски травления изготавливаются из различных материалов, выбор материала обусловлен размером протравливаемой полости. В некоторых случаях вместо маски, а также при подготовке поверхности травления используется лазерный комплекс, так как для уменьшения температурного воздействия на кристалл при химическом декорпусировании и, соответственно, снижения риска выхода компонента из строя, а также для уменьшения расхода травителя, толщину слоя пластмассы над кристаллом желательно утонить механическим или термическим (лазерным) способами до величин от 200 до 400 мкм.
Следующим этапом является само травление, успешное проведение которого зависит от правильного выбора условий травления (вид травителя, температура травления и др.), которые нередко могут изменяться в течение процесса. Кроме того, утонение корпуса уменьшает границы незапланированного (выходящего за заданные границы) растравливания окна декапсуляции. Штатный расход травителя составляет около 3–5 мл/мин. В качестве травителя используются серная кислота (H2SO4), азотная кислота (HNO3) либо их смеси с содержанием H2SO4 в смеси от 10 до 60%. Максимальная температура травителя определяется точкой его кипения, а повышение температуры травителя приводит к снижению времени процесса. Однако следует учитывать, что превышение температуры травителя (смеси травителей) относительно максимальных величин (точки кипения) приводит к закипанию и испарению, что ухудшает результаты травления. Для некоторых типов элементов недопустимо повышение температуры до 80–150 °С. В табл. 1 приведены максимальные температуры для различных травителей.
В целом, успешное проведение декапсуляции методом химического травления пластика всецело зависит от квалификации специалиста, выполняющего все этапы подготовки образца ИС к травлению и соблюдающего все условия техники безопасности. Для большинства корпусов, использующих метод герметизации пластиком или компаундом, метод химической декапсуляции является эффективным. На рис. 3 представлен результат направленного химического воздействия на микросхему в корпусе SOT-32, герметизированную EMC-компаундом.
Показанный на рис. 3 образец был обработан с использованием декапсулятора типа iSA777DC (рис. 4) в автоматическом режиме при следующих условиях: температура – 50±2 °С, давление – 4 бар, время травления – 45 с, тип реактива – дымящая азотная кислота, размер шаблона – 2 × 2 мм.
Лазерное воздействие
В ходе дальнейшего развития технологий производства ИС со временем произошел ряд важных изменений: изобретение новых компаундов, толщина проводников постоянно уменьшается, золото начинает заменяться медью. Все это становится причиной невозможности использования химического метода на ряде приборов, вследствие чего появилась технология лазерной декапсуляции.
Неоспоримым достоинством метода является возможность его применения практически во всех случаях, где требуется снятие корпуса ИС без повреждения внутренней структуры и выводов. Данный эффект достигается за счет подбора ряда параметров: длины волны, энергии луча, формы и ширины импульса излучателя, а также применения оптических линз для преобразования луча из формы «острого скальпеля» в так называемую «совковую лопату» для удаления компаунда.
Применение лазера кратно расширяет диапазон «вскрываемых» устройств, например при правильной настройке можно деликатно вскрывать керамические СВЧ-корпуса приборов (рис. 5а), получать доступ к медным катушкам RFID-меток (рис. 5б), удалять сгоревшие SMD-компоненты в малых окнах (рис. 5в) и многое другое.
Плазменное воздействие
Немного в стороне от широко применяемых методов декапсуляции стоит воздействие на образец плазмой. С помощью так называемой микроволновой плазмы (microwave induced plasma – MIP) в атмосферной среде возможно деликатное вскрытие различных приборов и компонентов. Для формирования плазмы, как правило, используется кислород (O2). Отличительными особенностями данного метода можно считать полное отсутствие эффектов, вызывающих повреждения внутренней структуры, сохранение особенностей поверхности, сохранение оригинальных загрязнений и мест дефектов. К недостаткам можно отнести длительное время процесса и необходимость использования потенциально взрывоопасного газа.
Практическое применение
Основные достоинства и недостатки четырех рассмотренных методов декапсуляции представлены в табл. 2.
Исходя из данных, приведенных в табл. 2, можно сделать вывод о том, что наиболее эффективным решением будет использование комбинаций методов. Например, механическим методом создать шаблон для кислотного травления. Или химическая «зачистка» массива компаунда с последующей деликатной обработкой остатков лазером и/или плазмой. Производители оборудования для декапсуляции следуют этой тенденции и комбинируют методы в одной установке.
Так, например, система декапсуляции SLP500DC от Digit Concept использует в одной машине лазер и плазму. Метод работы последовательный: сначала производится воздействие лазерным излучением для открытия «окна» над кристаллом (рис. 6), затем максимально мягкая дочистка остатков плазмой (рис. 7). Также возможен режим, когда воздействие плазмой инициируют одновременно с лазерным лучом.
Если речь идет об установках чисто плазменной декапсуляции, то воздействие плазмой рекомендуют проводить в вакууме. Если используется комбинированная установка, то наиболее эффективным будет использование кислорода и тетрафторида углерода (CF4).
Согласно этому способу лазерное излучение применяют до тех пор, пока толщина остаточного полимерного слоя над интегральной схемой не составит от 50 до 200 мкм. При этом проводят нагнетание газового потока на поверхность интегральной схемы с целью удаления остаточных частиц, присутствующих на интегральной схеме.
Плазма эффективно способствует травлению полимеров, однако, учитывая невысокую абляционную мощность плазмы, действие ее является очень медленным и позволяет снимать лишь незначительный слой. Более того, плазменное травление невозможно осуществить точно в выбранном месте, учитывая размер обрабатываемых участков интегральной схемы.
Подводя итог, можно сказать что в случае исследований приборов на отказоустойчивость с вскрытием корпуса и сохранением работоспособности нужно придерживаться определенной последовательности. Во-первых, правильно подготовить процесс, определить тип корпуса,
метод воздействия, локализовать область исследования. Во-вторых, после подготовки правильно выбрать параметры проведения процесса для гарантированного сохранения работоспособности изделия во время и после вскрытия. При должном подходе декапсуляции поддаются практически все изделия современной микроэлектроники, что в итоге должно привести к результативным исследованиям и, как следствие, повышению надежности конечного продукта.
ЛИТЕРАТУРА
Kor H.B., Liu Q., Gan C.L. Sample Preparation for Deprocessing of 3D Multi-Die Stacked Package. // IEEE International Symposium on the Physical and Failure Analysis of Integrated Circuits (IPFA). 2020. PP. 1–6.
Obein M. 4 main decapsulation ways // Digit Concept, France. 2017.
Брюхно Н.А., Дракин А.Ю., Котова М.Ю. Маска для декорпусирования устройств микроэлектроники в полимерном корпусе. Патент RU 199130 U1
(АО «Группа Кремний Эл»).
Анашин В.С., Никольская Т.В., Сурнин В.Н., Яскин Ю.С. Способ декорпусирования интегральных микросхем. Патент RU 2 572 290 C1 (ОАО «ОРКК»).
П. Варламов
В процессе производства полупроводниковых приборов часто возникает задача анализа работы компонента при определенных условиях (воздействие ионизирующего излучения для изделий космического назначения, поиск неисправностей интегральных схем, исследование приборов на отказоустойчивость и т.д.). Для решения подобных задач необходимо получить доступ к кристаллу ИС, сохраняя при этом ее целостность и функциональные свойства. Направление такого рода исследований получило название «декапсуляция». В статье рассмотрены современные методы декапсуляции полупроводниковых приборов, их достоинства и недостатки, способы применения.
В широком смысле декапсуляция – это удаление корпуса компонента без повреждения внутренней структуры изделия и с сохранением работоспособности. Компоненты микроэлектроники отличаются многообразием типов корпусов, методов герметизации, применением широкого спектра компаундов. В зависимости от типа корпуса, с которым приходится иметь дело, различают четыре основных вида воздействия на корпус прибора: химическое, механическое, плазменное и лазерное. Каждый из этих методов имеет свои плюсы, минусы и ограничения, поэтому на практике чаще всего наиболее эффективным является применение различных комбинаций воздействий.
Первым этапом вне зависимости от выбранного метода является подготовка к исследованию, которая включает в себя визуальный контроль на предмет отсутствия механических повреждений, идентификацию изделия путем определения типа корпуса и его внутреннего строения, характеристик кристалла, его геометрических размеров, наличия и толщины защитных покрытий, слоев металлизации, электрических характеристик, компонентного состава корпуса. Полученные данные используют для определения области, направления, глубины, профиля проводимого далее процесса воздействия на корпус и подготовки необходимых аксессуаров, таких как шаблон из химически стойкой резины с окном, определяющим требуемую зону декорпусирования, если речь идет про химический метод или диапазон работы луча в случае применения лазера.
Обычно идентификацию изделия с целью определения типа корпуса и его внутреннего строения ведут с использованием оборудования оптического контроля, рентгенографического исследования с высоким разрешением (рис. 1) или сканирующего акустического микроскопа, а компонентный состав определяют с использованием анализаторов спектра и электронных микроскопов. После подготовки и определения зоны воздействия в зависимости от типа изделия применяют один из четырех методов.
Механическое воздействие
Механика – наиболее простой метод воздействия. При этом выбор устройства для декапсуляции зависит от типа материала, из которого сделан корпус компонента: металл, керамика, пластик. Установленный в оборудовании режущий инструмент (фреза) совершает вращательное движение, а обрабатываемый образец – поступательное. Метод хорошо подходит для «мягких» (пластиковых) корпусов, керамика плохо поддается такой обработке, хотя при использовании специальных фрез можно разрезать и твердые материалы с небольшой скоростью. Также метод хорошо себя зарекомендовал при снятии металлических крышек, загерметизированных шовно-роликовой сваркой.
К недостаткам метода можно отнести длительное время процесса и невозможность его применения для полного снятия корпуса без повреждения микросварных
соединений. На рис. 2 показана ручная установка механической декапсуляции DL-145 от компании CMP.
Химическое воздействие
Декапсуляция методом химического травления пластика имеет ряд преимуществ, основным из которых является возможность управления процессом травления в режиме реального времени. При подготовке образца к травлению первым этапом является создание кислотостойкой маски травления для вскрываемого образца ИС. Маски травления изготавливаются из различных материалов, выбор материала обусловлен размером протравливаемой полости. В некоторых случаях вместо маски, а также при подготовке поверхности травления используется лазерный комплекс, так как для уменьшения температурного воздействия на кристалл при химическом декорпусировании и, соответственно, снижения риска выхода компонента из строя, а также для уменьшения расхода травителя, толщину слоя пластмассы над кристаллом желательно утонить механическим или термическим (лазерным) способами до величин от 200 до 400 мкм.
Следующим этапом является само травление, успешное проведение которого зависит от правильного выбора условий травления (вид травителя, температура травления и др.), которые нередко могут изменяться в течение процесса. Кроме того, утонение корпуса уменьшает границы незапланированного (выходящего за заданные границы) растравливания окна декапсуляции. Штатный расход травителя составляет около 3–5 мл/мин. В качестве травителя используются серная кислота (H2SO4), азотная кислота (HNO3) либо их смеси с содержанием H2SO4 в смеси от 10 до 60%. Максимальная температура травителя определяется точкой его кипения, а повышение температуры травителя приводит к снижению времени процесса. Однако следует учитывать, что превышение температуры травителя (смеси травителей) относительно максимальных величин (точки кипения) приводит к закипанию и испарению, что ухудшает результаты травления. Для некоторых типов элементов недопустимо повышение температуры до 80–150 °С. В табл. 1 приведены максимальные температуры для различных травителей.
В целом, успешное проведение декапсуляции методом химического травления пластика всецело зависит от квалификации специалиста, выполняющего все этапы подготовки образца ИС к травлению и соблюдающего все условия техники безопасности. Для большинства корпусов, использующих метод герметизации пластиком или компаундом, метод химической декапсуляции является эффективным. На рис. 3 представлен результат направленного химического воздействия на микросхему в корпусе SOT-32, герметизированную EMC-компаундом.
Показанный на рис. 3 образец был обработан с использованием декапсулятора типа iSA777DC (рис. 4) в автоматическом режиме при следующих условиях: температура – 50±2 °С, давление – 4 бар, время травления – 45 с, тип реактива – дымящая азотная кислота, размер шаблона – 2 × 2 мм.
Лазерное воздействие
В ходе дальнейшего развития технологий производства ИС со временем произошел ряд важных изменений: изобретение новых компаундов, толщина проводников постоянно уменьшается, золото начинает заменяться медью. Все это становится причиной невозможности использования химического метода на ряде приборов, вследствие чего появилась технология лазерной декапсуляции.
Неоспоримым достоинством метода является возможность его применения практически во всех случаях, где требуется снятие корпуса ИС без повреждения внутренней структуры и выводов. Данный эффект достигается за счет подбора ряда параметров: длины волны, энергии луча, формы и ширины импульса излучателя, а также применения оптических линз для преобразования луча из формы «острого скальпеля» в так называемую «совковую лопату» для удаления компаунда.
Применение лазера кратно расширяет диапазон «вскрываемых» устройств, например при правильной настройке можно деликатно вскрывать керамические СВЧ-корпуса приборов (рис. 5а), получать доступ к медным катушкам RFID-меток (рис. 5б), удалять сгоревшие SMD-компоненты в малых окнах (рис. 5в) и многое другое.
Плазменное воздействие
Немного в стороне от широко применяемых методов декапсуляции стоит воздействие на образец плазмой. С помощью так называемой микроволновой плазмы (microwave induced plasma – MIP) в атмосферной среде возможно деликатное вскрытие различных приборов и компонентов. Для формирования плазмы, как правило, используется кислород (O2). Отличительными особенностями данного метода можно считать полное отсутствие эффектов, вызывающих повреждения внутренней структуры, сохранение особенностей поверхности, сохранение оригинальных загрязнений и мест дефектов. К недостаткам можно отнести длительное время процесса и необходимость использования потенциально взрывоопасного газа.
Практическое применение
Основные достоинства и недостатки четырех рассмотренных методов декапсуляции представлены в табл. 2.
Исходя из данных, приведенных в табл. 2, можно сделать вывод о том, что наиболее эффективным решением будет использование комбинаций методов. Например, механическим методом создать шаблон для кислотного травления. Или химическая «зачистка» массива компаунда с последующей деликатной обработкой остатков лазером и/или плазмой. Производители оборудования для декапсуляции следуют этой тенденции и комбинируют методы в одной установке.
Так, например, система декапсуляции SLP500DC от Digit Concept использует в одной машине лазер и плазму. Метод работы последовательный: сначала производится воздействие лазерным излучением для открытия «окна» над кристаллом (рис. 6), затем максимально мягкая дочистка остатков плазмой (рис. 7). Также возможен режим, когда воздействие плазмой инициируют одновременно с лазерным лучом.
Если речь идет об установках чисто плазменной декапсуляции, то воздействие плазмой рекомендуют проводить в вакууме. Если используется комбинированная установка, то наиболее эффективным будет использование кислорода и тетрафторида углерода (CF4).
Согласно этому способу лазерное излучение применяют до тех пор, пока толщина остаточного полимерного слоя над интегральной схемой не составит от 50 до 200 мкм. При этом проводят нагнетание газового потока на поверхность интегральной схемы с целью удаления остаточных частиц, присутствующих на интегральной схеме.
Плазма эффективно способствует травлению полимеров, однако, учитывая невысокую абляционную мощность плазмы, действие ее является очень медленным и позволяет снимать лишь незначительный слой. Более того, плазменное травление невозможно осуществить точно в выбранном месте, учитывая размер обрабатываемых участков интегральной схемы.
Подводя итог, можно сказать что в случае исследований приборов на отказоустойчивость с вскрытием корпуса и сохранением работоспособности нужно придерживаться определенной последовательности. Во-первых, правильно подготовить процесс, определить тип корпуса,
метод воздействия, локализовать область исследования. Во-вторых, после подготовки правильно выбрать параметры проведения процесса для гарантированного сохранения работоспособности изделия во время и после вскрытия. При должном подходе декапсуляции поддаются практически все изделия современной микроэлектроники, что в итоге должно привести к результативным исследованиям и, как следствие, повышению надежности конечного продукта.
ЛИТЕРАТУРА
Kor H.B., Liu Q., Gan C.L. Sample Preparation for Deprocessing of 3D Multi-Die Stacked Package. // IEEE International Symposium on the Physical and Failure Analysis of Integrated Circuits (IPFA). 2020. PP. 1–6.
Obein M. 4 main decapsulation ways // Digit Concept, France. 2017.
Брюхно Н.А., Дракин А.Ю., Котова М.Ю. Маска для декорпусирования устройств микроэлектроники в полимерном корпусе. Патент RU 199130 U1
(АО «Группа Кремний Эл»).
Анашин В.С., Никольская Т.В., Сурнин В.Н., Яскин Ю.С. Способ декорпусирования интегральных микросхем. Патент RU 2 572 290 C1 (ОАО «ОРКК»).
Отзывы читателей
