半导体开封和去层的技术方法和案例

背景

随着我国经济发展方式的转变、产业结构的加快调整，工业化和信息化的深度融合，中国半导体市场展现出强劲发展势头，半导体产业已成为国民经济的基础性支撑产业。半导体器件产品主要包括电容、电阻、电感、二极管、三极管、晶振、集成电路IC等。伴随电子产品使用量激增，不可避免会出现故障问题，对失效件进行分析，确认失效模式、分析失效机理，明确失效原因，最终减少或避免失效的再次发生，对企业发展意义重大。器件工作环境和使用过程差异导致失效原因复杂，往往失效件具有唯一和不可重复性，所以在进行破坏性分析检测前对样品制备要求苛刻，好的样品制备能为后续分析提供可靠保障。样品制备包括开封、去层、晶背研磨、取DIE、切片、离子研磨等，本文主要分享开封和去层的技术方法和案例解析。

开封

开封Decap，也称开盖、开帽，指对完整封装的IC 做局部处理，使得IC可以暴露出来，同时保持芯片功能的完整无损，保持 die，bond pads，bond wires乃至lead-frame不受损伤，为下一步芯片失效分析实验做准备，方便观察或做其他测试（如FIB，EMMI）。开封范围：普通封装、COB、BGA、QFP、QFN、SOT、TO、DIP、BGA、COB、陶瓷、金属等其它特殊封装。开封方法一般的有化学开封、机械开封、激光开封。

化学开封

高分子的树脂体在热的浓硝酸（98%）或浓硫酸作用下，被腐去变成易溶于丙酮的低分子化合物，在超声作用下，低分子化合物被清洗掉，从而露出芯片表层。此方法适用于塑料封装的非银线类产品，去除塑封方便快捷，并且芯片表面干净。效果如下图：

机械开封

对于金属类管壳通常采用手动研磨开封，即用砂纸研磨去掉表面金属盖，露出内部芯片；有些器件需要感光，因此采用透明玻璃封装，此类产品通常可以采用加热法用专业道具从密封处翘开，使上下部分脱离，达到开封目的。效果如下图：

激光开封

将IC置于激光开封机载物台上，通过信号灯使焦点定位到器件表面，绘制所需图形，设置合适激光能量和镭射次数，对指定区域镭射，以起到样品减薄、镭射出二焊点、镭射至基板的目的。效果如下图：

激光开封机原理和组成：主要由工作区、激光源、扫描头和摄像四部分组成。芯片激光开封机是利用高能量的激光束对被加工物体的表面进行蒸发，化学作用，灼烧等各种手段，从而在被加工物件的表面打上永久性的标记或者减薄样品。

 

面对纷繁复杂的器件，开封常采用上述技术方法的一种或多种，达到较好的开封效果。

去层

去层：芯片去层即Delayer,去层技术广泛应用于芯片生产、失效分析、和逆向设计等领域。去层技术可分为干法去层和湿法去层。干法去层法主要是利用反应离子刻蚀(RIE)设备或者机械研磨进行去层。湿法去层法是利用特定的化学溶液与所需去除的薄膜层发生反应，使反应的生成物溶于溶液，而与该溶液不发生或者较微弱反应的薄膜层得以保留的方法。通过交互使用不同处理方式（离子蚀刻 、 化学药液蚀刻 、 机械研磨），使芯片本身多层结构(Passivation、 Metal、IDL)可逐层去除。透过芯片研磨与去层可逐层检查是否有缺陷，能清楚解析出每一层电路布线结构，为后续分析提供技术支持。芯片结构SEM图如下：

 

钝化层去除

钝化层去除：钝化层主要成分使氮化硅，具有致密性和化学稳定性，常覆盖在最外层，起到保护芯片内部结构的作用。通常采用离子刻蚀机去除，在射频电源驱动下，在上下电极间形成电压差，产生辉光放电，反应气体被电离成等离子体。等离子体中游离基与被刻蚀材料发生反应，生成能够由气流带走的挥发性化合物，从而实现各向异性刻蚀。

金属层去除

金属层去除：金属层一般为铝，并掺杂了少量硅、铜元素。稀释后的稀硝酸，硫酸，盐酸均可以去除铝层而不腐蚀四周的介质层。

介质层去除

介质层的主要成份是二氧化硅，一般由较多膜层组成，不同层次成膜方法不同，部分层次需要掺杂 其他元素，因此各个薄膜层次的去除速率不一致，可采取研磨法去除，对研磨水平要求较高。

案例分析

01无损开封取Sensor

案件背景：

客户做产品对比，需将PS sensor（材质InGaAs.约0.5mm)取下,验证键合方式和DIE状况。

分析方法：

1.用实验刀具将塑料管壳和基体分离；

2.配制试剂将sensor表面透明物质去除干净；

3.热风枪加热后，用塑料镊子取下sensor；

4.用光镜观察DIE各表面。

 

通过机械和化学相结合开封方法，成功无损取下sensor，确认了键合方式，发现了DIE晶背面Crack.

02更换晶振

案件背景：

元器件晶振异常，客户需要更换新的晶振并保证器件正常使用。

分析方法：

1.X-ray确认晶振位置后开盖至基板；

2.热风枪加热300度后取下晶振外壳；

3.用实验刀具将残留的晶振剔除干净；

4.点银胶后替换新晶振，烘烤并封胶；

 

通过X-RAY定位晶振位置，芯片激光开封机精准开窗，成功更换晶振，测试功能符合客户预期。

03局部开封

案件背景：

样品为PCB上的银线叠DIE产品，开盖不能开出上DIE并保证银线不被损伤。

分析方法：

1.X-ray确认FIB的施工区域；

2.激光开封机对施工区域进行局部开窗；

3.配制腐蚀液进行化学腐蚀，露出FIB的施工区域；

4.丙酮清洗干净后转交至FIB.

 

通过Dacap精准定位施工区域和操作手法，成功保护了银线和DIE，为后续FIB线路修补提供了保证。

04二极管去层看异常位置

案件背景：

二极管类样品需要去除表面金属，观察异常位置

分析方法：

1.配置试剂并用加热台加热至100°

2.将二极管样品浸入试剂中,待不冒泡后用镊子夹出

3.清洗干净后拍照；

 

通过化学方法，成功去除表面合金，为观察异常位置提供了条件。
        责任编辑：彭菁