CN105598589A - 激光开封方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光开封方法，包括先对塑封器件内部的各个元件和芯片的位置和深度进行定位，得到器件内部各个元件和芯片的大小、位置以及深度信息；根据所述信息，确定塑封器件的预定开封区域进行开封定位；采用交叉填充模式对所述塑封器件进行激光烧蚀，以去除塑封器件表面的模塑材料，使芯片区域刚刚暴露出内引线键合丝，阻容附近刚刚暴露出锡铅焊点，电感附近刚刚暴露出电感；采用酸液对覆盖在芯片上方残留的模塑化合物进行腐蚀，直至暴露出芯片。该方法可以较好的解决传统方法难以对塑封混合集成电路开封的难题，有效提高了塑封器件的开封成功率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体开封技术领域，具体涉及一种基于激光技术的激光开封方法。
背景技术
塑封器件开封技术主要应用于电子元器件破坏性物理分析(DPA)、失效分析(FA)等分析领域。塑封器件开封技术的目的是通过物理、化学等方法去除掉塑封器件原有封装，在保留原有电特性、不损伤芯片、不引入二次失效的前提暴露出内部芯片，对其进行后续的评价分析试验。越来越多的新工艺新技术逐步应用在塑封半导体器件的生产制造中，如高集成度的多芯片塑封器件、抗腐蚀能力更强的塑封器件、采用铜键合工艺的塑封器件。这些设计、工艺的出现满足了半导体器件的发展需求，却增加了塑封器件开封的难度，为后续封评价分析造成了影响。
塑封器件封装材料主要是环氧模塑料。环氧模塑料是以环氧树脂为基体树脂，以酚醛树脂为固化剂，再加上一些填料，如填充剂、阻燃剂、着色剂、偶联剂等微量组分，在热和固化剂的作用下环氧树脂的环氧基开环与酚醛树脂发生化学反应，产生交联固化作用使之成为热固性塑料。环氧树脂的种类和它所占比例的不同，直接影响着环氧模塑料的流动特性、热性能和电特性。
塑封器件的传统酸腐蚀开封技术是利用特定的酸液来腐蚀这些包封的环氧模塑料，依据环氧模塑料及器件内部工艺来选择腐蚀所用的酸液。
塑封器件酸开封机是利用发烟硝酸或浓硫酸或是两种酸的混合溶液，通过掩膜的保护，在气体动力作用下对样品的预定区域进行冲击、腐蚀。
针对普通的模塑化合物，利用塑封器件开封机，开封方法应考虑以下几个方面：
1)根据芯片尺寸和预定观察区域的大小，选择合适的掩膜；
2)根据模塑化合物的材料和键合丝材质，选择合适的酸和温度；
3)根据模塑材料的厚度，选择合适的开封时间和酸流量。
但是，由于酸开封机的工作模式是用高压氮气作为动力源去推动酸冲击样品表面，使得塑封器件开封机刻蚀后的开封区域往往大于预定开封区域(即酸开封的扩散性)，不利于开封区域的精确控制。同时开封过程不受控，技术人员凭经验对开封时酸的温度、酸的流量和刻蚀时间进行设定，开封过程中无法观察到样品的过程状态，开封过程不受控，无法直观有效的控制样品在酸液中的腐蚀情况。
由于上述问题，还是不可避免地造成铜键合被腐蚀断丝、GaAs等微波器件芯片受损、多芯片器件底层印制板受腐蚀等问题，使样品失去原有电特性或引入二次缺陷。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种激光开封方法，以提高开封的准确性和可靠性。
基于上述目的，本发明提供的激光开封方法包括以下步骤：
先对塑封器件内部的各个元件和芯片的位置和深度进行定位，得到器件内部各个元件和芯片的大小、位置以及深度信息；
根据所述信息，确定塑封器件的预定开封区域进行开封定位；
采用交叉填充模式对所述塑封器件进行激光烧蚀，以去除塑封器件表面的模塑材料，使芯片区域刚刚暴露出内引线键合丝，阻容附近刚刚暴露出锡铅焊点，电感附近刚刚暴露出电感；
采用酸液对覆盖在芯片上方残留的模塑化合物进行腐蚀，直至暴露出芯片。
在本发明的一些实施例中，所述交叉填充模式是每完成一个激光烧蚀回合后，烧蚀的路径旋转90°。
在本发明的一些实施例中，所述采用交叉填充模式对所述塑封器件进行激光烧蚀的步骤包括：
先对塑封器件进行平移式地横向激光烧蚀，待完成一个激光烧蚀回合后，烧蚀的路径旋转90°，对塑封器件进行平移式地纵向激光烧蚀；或者
先对塑封器件进行平移式地纵向激光烧蚀，待完成一个激光烧蚀回合后，烧蚀的路径旋转90°，对塑封器件进行平移式地横向激光烧蚀。
在本发明的一些实施例中，所述激光的发射功率为3～4W，所述激光的频率设定在20～40KHz。
在本发明的一些实施例中，所述采用酸液对覆盖在芯片上方残留的模塑化合物进行腐蚀的步骤包括：
针对常规塑封器件，选用温度为75～85℃、质量浓度为88～95％的发烟硝酸进行腐蚀；
针对抗腐蚀能力更强的塑封器件，选用温度为200～250℃、质量浓度为80～98％的浓硫酸进行腐蚀；
针对铜键合工艺器件，选用60～70℃发烟硝酸与浓硫酸的混合溶液进行腐蚀，所述混合溶液由质量浓度为88～95％的发烟硝酸与质量浓度为80～98％的浓硫酸按照体积比1～3:1组成。
在本发明的一些实施例中，采用激光烧蚀的方法对所述塑封器件进行开封后，使各个元件和芯片表面仅残留一层厚度为0.4～0.6mm的模塑材料。
在本发明的一些实施例中，通过微焦点X射线确定芯片的位置。
从上面所述可以看出，本发明提供的方法可以较好的解决传统方法难以对塑封混合集成电路开封的难题，有效提高了开封内部有多个芯片或元件(如塑封混合集成电路)的塑封器件的成功率。相对于传统的塑封器件开封方法，本发明提供的激光开封方法结合激光技术，能够有效的提高塑封器件的开封精度，避免因控制不当操作的结构损伤；能够适应各种模塑化合物，提高被开封器件的种类；能够有效的保护铜键合、铝键合，保证开封后的分析能更好的进行；在传统硅器件的基础上，能够提高砷化镓、氮化镓器件的开封效果。
附图说明
图1为激光开封技术的常规充填方式(单一方向填充)示意图；
图2为本发明实施例的平移式地横向激光烧蚀路径；
图3为本发明实施例的平移式地纵向激光烧蚀路径；
图4为本发明实施例的激光开封技术的交叉填充方式示意图；
图5为芯片表面激光烧蚀损伤的表面形貌示意图；
图6为本发明实施例的常规塑封器件经激光减薄后的表面形貌示意图；
图7为本发明实施例的常规塑封器件经酸腐蚀后的表面形貌示意图；
图8抗腐蚀能力更强塑封器件未利用激光开封技术、经过200℃浓硫酸腐蚀后的表面形貌示意图；
图9为本发明实施例的抗腐蚀能力更强塑封器件经激光减薄后的表面形貌示意图；
图10为本发明实施例的抗腐蚀能力更强塑封器件酸腐蚀后的表面形貌示意图；
图11为铜键合器件未采用激光开封技术，经过腐蚀后器件后的表面形貌示意图；
图12为本发明实施例的铜键合器件采用激光开封技术后，并经过低温混酸腐蚀后器件形貌后的表面形貌示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
激光开封技术采用高能的激光束对设定区域进行逐层烧蚀，将模塑化合物碳化成细微颗粒。试验人员可对激光激光束的能量、扫描次数、扫描方式、开封区域形状面积等参数进行控制，从而提高开封的准确性和可靠性。与传统酸开封相比，激光开封更适用于开封塑封多芯片塑封器件、抗腐蚀能力更强的塑封器件、铜键合塑封器件。
影响到激光开封的主要技术参数包括：激光填充方式、激光功率和激光频率。激光填充方式即激光烧蚀过程中的行走路径，常规的填充方式为水平线性的，如图1所示)，但是单一方向的激光路径会在烧蚀中形成“尖峰”影响激光烧蚀的效果。对此，本发明提供的激光开封方法采用交叉填充方式，即每完成一个烧蚀回合后，烧蚀的路径旋转90°，如图2所示，其为本发明实施例的平移式地横向激光烧蚀路径，待完成一个激光烧蚀回合后，烧蚀的路径旋转90°，对塑封器件进行平移式地纵向激光烧蚀，如图3所示，从而避免了由于单一路径造成“尖峰”影响烧蚀效果的情况。可见，本发明所述的交叉扫描是一个扫描包含了一横一纵即两次扫描，旋转次数与扫描次数相同。
同理，也可以先对塑封器件进行平移式地纵向激光烧蚀，待完成一个激光烧蚀回合后，烧蚀的路径旋转90°，对塑封器件进行平移式地横向激光烧蚀，图4为本发明实施例的激光开封技术的交叉填充方式示意图。
而且，激光功率即激光器的实际输出功率，功率越大烧蚀的深度越深，所产生的热量越高，对器件的影响也越大。功率过高会对器件芯片造成严重损伤，如图5所示。本发明提供的激光开封方法的激光功率为3～5W，从而使烧蚀深度虽然相对较浅，但是对芯片的损伤能降到最低。
激光频率即激光点阵的密度，点阵的密度越高激光烧蚀会越均匀，但是速度会有所降低。为了追求高效且高质量的烧蚀，本发明提供的激光开封方法的激光频率设定在20～40KHz，从而使烧蚀均匀且速度相对较快。
实施例1
作为本发明的一个实施例，以LT公司的LTM系列DC/DC等混合塑封电路(常规塑封器件)为例，所述激光开封方法包括以下步骤：
1)开封之前先通过微焦点X射线对该塑封器件内部的各个元件和芯片的位置和深度进行定位，得到器件内部各个元件和芯片的大小、位置以及深度信息。一般情况下，开封只需要暴露内部芯片、电感和阻容，因此只需要对这些元件和芯片表面的模塑材料进行去除。
2)根据步骤1获得的塑封器件内部各个元件和芯片的大小、位置以及深度信息，确定塑封器件的预定开封区域(芯片、元件)进行开封定位，该区域要比芯片尺寸略大。
3)参见图6，其为本发明实施例的常规塑封器件经激光减薄后的表面形貌示意图。根据模塑化合物的厚度和材质，确定激光的发射功率为3W，激光的频率设定在30KHz，采用交叉填充模式对所述塑封器件进行激光烧蚀，扫描次数为15次(即烧蚀路径旋转15次)，以去除塑封器件表面的模塑材料，把覆盖在芯片上方的模塑材料减薄到最安全的厚度，此时芯片区域刚刚暴露出内引线键合丝，阻容附近刚刚暴露出锡铅焊点，电感附近刚刚暴露出电感。
针对内部各个元件和芯片的不同大小、高度，分别去除各个元件和芯片表面的模塑材料，使各个元件和芯片表面仅残留薄薄的一层模塑材料，厚度约为0.5mm，以便在后续酸腐蚀过程中残留的模塑材料去除速度一致。
优选地，在激光烧蚀过程中，实时监视烧蚀情况，使芯片区域刚刚暴露出内引线键合丝，阻容附近刚刚暴露出锡铅焊点，电感附近刚刚暴露出电感。具体地，可以采用视频摄像头装置进行监视，最好不要用肉眼直接观察，避免散射的激光损伤视力。
4)参见图7，其为本发明实施例的常规塑封器件经酸腐蚀后的表面形貌示意图。采用酸液对覆盖在芯片上方残留的模塑化合物进行腐蚀，直至暴露出芯片。在本实施例中，采用温度为80℃、浓度为90％的发烟硝酸进行轻微腐蚀，直至暴露出芯片即可。
5)采用丙酮清洗所述塑封器件1～2次，每次清洗时间为1分钟；再继续用异丙醇清洗所述塑封器件1～2次，每次清洗时间为2分钟；而后用水清洗所述塑封器件1～2次，每次清洗时间为30秒；最后采用洁净空气或氮气风干所述塑封器件。
实施例2
作为本发明的一个实施例，以TI公司TMS320系列BGA封装DSP塑封器件(模塑材料抗腐蚀能力更强的塑封器件)为例，所述激光开封方法包括以下步骤：
1)开封之前先通过微焦点X射线对该塑封器件内部的各个元件和芯片的位置和深度进行定位，得到器件内部各个元件和芯片的大小、位置以及深度信息。一般情况下，开封只需要暴露内部芯片、电感和阻容，因此只需要对这些元件和芯片表面的模塑材料进行去除。
2)根据步骤1获得的塑封器件内部各个元件和芯片的大小、位置以及深度信息，确定塑封器件的预定开封区域(芯片、元件)进行开封定位，该区域要比芯片尺寸略大。
3)参见图9，其为本发明实施例的抗腐蚀能力更强塑封器件经激光减薄后的表面形貌示意图。根据模塑化合物的厚度和材质，确定激光的发射功率为3.5W，激光的频率设定在35KHz，采用交叉填充模式对所述塑封器件进行激光烧蚀，扫描次数为5次(即烧蚀路径旋转5次)，以去除塑封器件表面的模塑材料，把覆盖在芯片上方的模塑材料减薄到最安全的厚度，此时芯片区域刚刚暴露出内引线键合丝，阻容附近刚刚暴露出锡铅焊点，电感附近刚刚暴露出电感。
针对内部各个元件和芯片的不同大小、高度，分别去除各个元件和芯片表面的模塑材料，使各个元件和芯片表面仅残留薄薄的一层模塑材料，厚度约为0.45mm，以便在后续酸腐蚀过程中残留的模塑材料去除速度一致。
优选地，在激光烧蚀过程中，实时监视烧蚀情况，使芯片区域刚刚暴露出内引线键合丝，阻容附近刚刚暴露出锡铅焊点，电感附近刚刚暴露出电感。具体地，可以采用视频摄像头装置进行监视，最好不要用肉眼直接观察，避免散射的激光损伤视力。
4)参见图10，其为本发明实施例的抗腐蚀能力更强塑封器件酸腐蚀后的表面形貌示意图。采用酸液对覆盖在芯片上方残留的模塑化合物进行腐蚀，直至暴露出芯片。在本实施例中，采用温度为200℃、浓度为98％的浓硫酸进行轻微腐蚀，直至暴露出芯片即可。
5)采用丙酮清洗所述塑封器件1～2次，每次清洗时间为2分钟；再继续用异丙醇清洗所述塑封器件1～2次，每次清洗时间为1.7分钟；而后用水清洗所述塑封器件1～2次，每次清洗时间为37秒；最后采用洁净空气或氮气风干所述塑封器件。
参见图8，其为抗腐蚀能力更强塑封器件未利用激光开封技术、经过200℃浓硫酸腐蚀后的表面形貌示意图。从图中可以看出塑封器件芯片虽已暴露，但封装印制板已被腐蚀损坏。
实施例3
作为本发明的一个实施例，以IR公司小功率场效应管系列及电源模块系列塑封器件(铜键合工艺器件)为例，所述激光开封方法包括以下步骤：
1)开封之前先通过微焦点X射线对该塑封器件内部的各个元件和芯片的位置和深度进行定位，得到器件内部各个元件和芯片的大小、位置以及深度信息。一般情况下，开封只需要暴露内部芯片、电感和阻容，因此只需要对这些元件和芯片表面的模塑材料进行去除。
2)根据步骤1获得的塑封器件内部各个元件和芯片的大小、位置以及深度信息，确定塑封器件的预定开封区域(芯片、元件)进行开封定位，该区域要比芯片尺寸略大。
3)根据模塑化合物的厚度和材质，确定激光的发射功率为4W，激光的频率设定在32KHz，采用交叉填充模式对所述塑封器件进行激光烧蚀，扫描次数为8次(即烧蚀路径旋转8次)，以去除塑封器件表面的模塑材料，把覆盖在芯片上方的模塑材料减薄到最安全的厚度，此时芯片区域刚刚暴露出内引线键合丝，阻容附近刚刚暴露出锡铅焊点，电感附近刚刚暴露出电感。
针对内部各个元件和芯片的不同大小、高度，分别去除各个元件和芯片表面的模塑材料，使各个元件和芯片表面仅残留薄薄的一层模塑材料，厚度约为0.4mm，以便在后续酸腐蚀过程中残留的模塑材料去除速度一致。
优选地，在激光烧蚀过程中，实时监视烧蚀情况，使芯片区域刚刚暴露出内引线键合丝，阻容附近刚刚暴露出锡铅焊点，电感附近刚刚暴露出电感。具体地，可以采用视频摄像头装置进行监视，最好不要用肉眼直接观察，避免散射的激光损伤视力。
4)参见图12，其为本发明实施例的铜键合器件采用激光开封技术后，并经过低温混酸腐蚀后器件形貌后的表面形貌示意图。采用温度为65℃的发烟硝酸与浓硫酸的混合溶液对覆盖在芯片上方残留的模塑化合物进行腐蚀，直至暴露出芯片。在本实施例中，所述酸液由质量浓度为90％的发烟硝酸与质量浓度为95％的浓硫酸按照体积比2:1组成。从图12中可以看出，经过腐蚀后，铜键合丝良好，没有被腐蚀消失。
5)采用丙酮清洗所述塑封器件1～2次，每次清洗时间为0.5分钟；再继续用异丙醇清洗所述塑封器件1～2次，每次清洗时间为3分钟；而后用水清洗所述塑封器件1～2次，每次清洗时间为45秒；最后采用洁净空气或氮气风干所述塑封器件。
参见图11，其为铜键合器件未采用激光开封技术，经过腐蚀后器件后的表面形貌示意图。从图中可以看出，塑封器件的周围区域未完全暴露，而且铜键合丝被腐蚀消失。
激光开封技术的优点是开封区域形状范围可人为选择，边界精准，可控性强；开封能量和扫描次数可控，深度控制更加精准；激光开封技术不受样品模塑材料的限制，可满足目前市面上所用的各种模塑材料；激光开封技术能够有效避免铜键合丝、铝键合丝受酸腐蚀的问题。因此，相对于传统的塑封器件开封方法，本发明提供的激光开封方法结合激光技术，能够有效的提高塑封器件的开封精度，避免因控制不当操作的结构损伤；能够适应各种模塑化合物，提高被开封器件的种类；能够有效的保护铜键合、铝键合，保证开封后的分析能更好的进行；在传统硅器件的基础上，能够提高砷化镓、氮化镓器件的开封效果。
因此，本发明提供的方法可以较好的解决传统方法难以对塑封混合集成电路开封的难题，有效提高了开封内部有多个芯片或元件(如塑封混合集成电路)的塑封器件的成功率。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种激光开封方法，其特征在于，包括以下步骤：
先对塑封器件内部的各个元件和芯片的位置和深度进行定位，得到器件内部各个元件和芯片的大小、位置以及深度信息；
根据所述信息，确定塑封器件的预定开封区域进行开封定位；
采用交叉填充模式对所述塑封器件进行激光烧蚀，以去除塑封器件表面的模塑材料，使芯片区域刚刚暴露出内引线键合丝，阻容附近刚刚暴露出锡铅焊点，电感附近刚刚暴露出电感；
采用酸液对覆盖在芯片上方残留的模塑化合物进行腐蚀，直至暴露出芯片。
2.根据权利要求1所述的激光开封方法，其特征在于，所述交叉填充模式是每完成一个激光烧蚀回合后，烧蚀的路径旋转90°。
3.根据权利要求2所述的激光开封方法，其特征在于，所述采用交叉填充模式对所述塑封器件进行激光烧蚀的步骤包括：
先对塑封器件进行平移式地横向激光烧蚀，待完成一个激光烧蚀回合后，烧蚀的路径旋转90°，对塑封器件进行平移式地纵向激光烧蚀；或者
先对塑封器件进行平移式地纵向激光烧蚀，待完成一个激光烧蚀回合后，烧蚀的路径旋转90°，对塑封器件进行平移式地横向激光烧蚀。
4.根据权利要求1所述的激光开封方法，其特征在于，所述激光的发射功率为3～4W，所述激光的频率设定在20～40KHz。
5.根据权利要求1所述的激光开封方法，其特征在于，所述采用酸液对覆盖在芯片上方残留的模塑化合物进行腐蚀的步骤包括：
针对常规塑封器件，选用温度为75～85℃、质量浓度为88～95％的发烟硝酸进行腐蚀；
针对抗腐蚀能力更强的塑封器件，选用温度为200～250℃、质量浓度为80～98％的浓硫酸进行腐蚀；
针对铜键合工艺器件，选用60～70℃发烟硝酸与浓硫酸的混合溶液进行腐蚀，所述混合溶液由质量浓度为88～95％的发烟硝酸与质量浓度为80～98％的浓硫酸按照体积比1～3:1组成。
6.根据权利要求1所述的激光开封方法，其特征在于，采用激光烧蚀的方法对所述塑封器件进行开封后，使各个元件和芯片表面仅残留一层厚度为0.4～0.6mm的模塑材料。
7.根据权利要求1所述的塑封器件的开封的方法，其特征在于，通过微焦点X射线确定芯片的位置。
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