基于同軸共焦的激光芯片開封工藝技術(shù)研究

摘 要：介紹了基于同軸共焦的激光芯片開封機的工作原理和總體結(jié)構(gòu)組成，分析了激光開封工藝在開封速度、適應(yīng)性和可控性等方面的特點相對。文章利用自主研制的LD-01型激光芯片開封機開展芯片開封實驗研究，實驗結(jié)果表明，激光功率5W～10W、重復(fù)頻率20kHz～30kHz和開封速度500mm/s～600mm/s是較為理想開封效果的工藝參數(shù)窗口。

關(guān)鍵詞：激光開封；同軸共焦；可視化操作

引言

芯片開封（IC decap）是通過物理或化學(xué)的方法逐層剝離各類芯片的封裝材料，以實現(xiàn)芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)的目檢和電氣測試[1]。芯片開封是進(jìn)行芯片失效分析的重要手段。現(xiàn)行的芯片開封方法有機械開封法、酸刻蝕開封法和等離子體開封法等。機械開封法利用鉆頭或刀具去除芯片的封裝材料，這種開封方法速度慢，可控性差，對結(jié)構(gòu)尺寸微小的芯片不適用；酸刻蝕開封法的原理是以適量強酸腐蝕芯片的塑封層，酸刻蝕開封法形成的廢液容易造成環(huán)境污染，且開封過程也不可控；等離子體開封也稱為化學(xué)干腐蝕法[2]，是利用高電壓產(chǎn)生強電場，引起反應(yīng)室內(nèi)的氣體電離產(chǎn)生等離子體，利用等離子體將環(huán)氧樹脂裂變成粉末，這種方法對芯片性能的影響最小，但是開封過程非常緩慢，一般用于高度集成的器件開封或者進(jìn)行失效分析。

激光開封是隨著激光技術(shù)的發(fā)展而形成的一種新型芯片開封技術(shù)，具有開封速度快、可控性好、無污染等一系列優(yōu)勢，正在成為芯片開封技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點。

激光芯片開封的基本原理是利用高峰值功率、高穩(wěn)定性的脈沖激光作用到芯片的塑封層上，激光作用點處的塑封層發(fā)生汽化而被逐層剝離。在實際的激光開封系統(tǒng)中，激光束被聚焦成微米量級的光斑來完成精細(xì)化的開封作業(yè)，同時采用高速振鏡作為光束偏轉(zhuǎn)器實現(xiàn)高速開封。激光開封機是綜合了光學(xué)、精密機械、電子和計算機等技術(shù)于一體的光機電系統(tǒng)。文章研究工作所依托的激光開封系統(tǒng)集成了同軸影像系統(tǒng)、排煙除塵系統(tǒng)、升降工作臺等輔助系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上對激光芯片開封工藝進(jìn)行研究。

1 激光開封工作原理

激光開封的工作原理示意圖如圖1所示，一束經(jīng)過聚焦的脈沖激光作用到芯片的塑封材料上，當(dāng)激光束的功率密度達(dá)到108W/cm2，所產(chǎn)生的高溫使激光作用點處的塑封材料等離子體化[3]，在表面形成一個“凹坑”。激光束通過振鏡的偏轉(zhuǎn)在芯片表面作面掃描，塑封材料就會被逐層等離子體化，直至露出鍵合絲或晶圓。開封過程中產(chǎn)生的等離子體冷卻后形成的煙塵由排煙除塵系統(tǒng)實時排除。

文章試驗使用的LD-01型激光開封機是一款自主研發(fā)主要應(yīng)用于塑封芯片開封的專用設(shè)備，使用該設(shè)備對某芯片進(jìn)行開封，前后效果如圖2（a）（b）所示。

2 激光開封系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)組成及工藝流程

激光芯片開封機主要由激光器、控制系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)、攝像系統(tǒng)和排煙除塵系統(tǒng)等部分構(gòu)成，分別實現(xiàn)激光加工功能、Z軸升降調(diào)節(jié)功能、同軸共焦攝像[4]功能（含輔助照明）和排煙除塵功能等。

（1）激光器。激光器是激光開封系統(tǒng)的核心部件之一，經(jīng)過不同波長激光器開封試驗，確認(rèn)實現(xiàn)塑封芯片開封效果較好的激光波長為1064nm。本試驗使用的激光開封系統(tǒng)采用了進(jìn)口高峰值功率、高光束質(zhì)量的固體調(diào)Q激光器，最高平均功率為20W，輸出重復(fù)頻率可達(dá)15kHz～200kHz。通過調(diào)節(jié)激光輸出的泵浦電流、重復(fù)頻率等參數(shù)實現(xiàn)不同材料、不同厚度的芯片開封作業(yè)。

（2）控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)主要包括工控機和相關(guān)控制板卡，通過自主開發(fā)的激光開封軟件實現(xiàn)對激光器、掃描振鏡、變焦鏡頭以及升降工作臺等部件的智能控制和影像數(shù)據(jù)的采集。

（3）光學(xué)系統(tǒng)。文章使用的激光開封系統(tǒng)實現(xiàn)了激光光路與影像光路的同軸共焦設(shè)計，即實現(xiàn)激光與相機鏡頭的主光軸重合，激光焦點與成像焦平面重合。光學(xué)系統(tǒng)是激光開封機實現(xiàn)可視化開封作業(yè)的關(guān)鍵部件。

（4）攝像系統(tǒng)。攝像系統(tǒng)通過對工作臺面上的待開封芯片高清成像來實現(xiàn)可視化開封過程。文章采用的攝像機鏡頭可以實現(xiàn)最高十級光學(xué)放大，最大視場為50mm×50mm。因此，對不同大小的芯片設(shè)置不同的放大倍率，以獲得最佳的可視化效果。

（5）排煙除塵系統(tǒng)。激光開封過程中產(chǎn)生的大量煙塵、廢氣等會對設(shè)備和操作人員的人身安全造成一定的威脅，需要通過獨立的排煙除塵系統(tǒng)來排除煙塵、廢氣。

使用該套自主研發(fā)的激光開封系統(tǒng)，其操作工藝流程：首先將待開封芯片放置于工作臺上并夾緊，電動調(diào)節(jié)工作臺的高度直至獲得芯片表面的清晰像，此時芯片也處于激光的焦平面上，調(diào)節(jié)相機的放大倍率以獲得最佳的視場。再在芯片的像面上直接繪制開封區(qū)域圖形，也可以根據(jù)導(dǎo)入的待開封芯片的X光圖選定開封區(qū)域，這樣可以進(jìn)一步提高開封效率。選定開封區(qū)域后，根據(jù)芯片塑封層的材料、厚度等設(shè)置開封速度、激光功率、重復(fù)頻率等參數(shù)，啟動開封作業(yè)，待芯片鍵合絲露出后停止開封。具體流程圖如圖4所示。

在進(jìn)行實際激光開封時，需要對樣品模塑料EMC芯片進(jìn)行不同開封工藝參數(shù)的嘗試，即對圖4所示的設(shè)置開封參數(shù)進(jìn)行不同的組合，以達(dá)到較好開封的目的，但無論怎么設(shè)置，對于激光開封而言，其開封工藝參數(shù)基本在激光功率、重復(fù)頻率和開封速度上，其他的參數(shù)可作為輔助參數(shù)進(jìn)一步提高開封效率。

3 激光開封工藝研究

激光開封作為一種新型的芯片預(yù)開封工藝，可以顯著提高芯片的開封效率和和開封速度，減輕環(huán)境污染。然而在實際的激光開封作業(yè)中，高峰值功率的激光束不僅可以汽化塑封層，也有可能對芯片鍵合絲或晶圓造成損壞，這樣就會引入新的失效因素，因此，必須采用合理的開封工藝參數(shù)來保證開封效果。開封工藝參數(shù)主要包括激光功率、激光重復(fù)頻率和開封速度（振鏡掃描線速度）等。

（1）激光功率。文章使用的激光器通過調(diào)節(jié)泵浦電流的大小，在重復(fù)頻率不變的條件下，激光輸出的平均功率和峰值功率都隨著電流的增加而增大。在激光開封過程中，功率過小會導(dǎo)致開封速度緩慢甚至無法實現(xiàn)“開封”作用，功率過大容易造成芯片鍵合絲或晶圓的損傷，如圖5（a）、（b）所示。文章經(jīng)過實驗研究，結(jié)果表明設(shè)置泵浦電流為4A～4.5A，對應(yīng)激光功率5W～10W時，可以獲得較為理想的開封效果，同時保證開封速度和避免對芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損害。具體的激光功率參數(shù)還要依據(jù)待開封芯片的厚度來確定。

（2）重復(fù)頻率。重復(fù)頻率即單位時間內(nèi)激光器輸出的脈沖數(shù)目，文章采用的固體調(diào)Q激光器的峰值功率主要由重復(fù)頻率決定，在泵浦電流一定的條件下，激光的平均功率隨重復(fù)頻率的增加而上升，而峰值功率隨重復(fù)頻率的增加而下降。在激光開封過程中，保持泵浦電流不變，在低頻條件下開封效果較為理想，提高重復(fù)頻率，開封速度減慢且開封效果變差，芯片發(fā)熱量顯著增加。當(dāng)重復(fù)頻率超過50kHz時，芯片表面呈現(xiàn)局部熔化現(xiàn)象，基本無法實現(xiàn)“開封”作用，這是由于當(dāng)重復(fù)頻率提高到一定程度，激光脈沖的峰值功率不足以使塑封材料等離子體化而全部轉(zhuǎn)化為熱效應(yīng)。文章經(jīng)過實驗研究，結(jié)果表明，當(dāng)激光重復(fù)頻率為20kHz～30kHz時，開封區(qū)域表層平整，芯片發(fā)熱量較小，具有較為理想的開封效果如圖5（c）、（d）所示。

（3）開封速度。開封速度即振鏡掃描線速度，激光開封過程是通過激光束在開封區(qū)域的逐行線掃描實現(xiàn)的，當(dāng)全部開封區(qū)域掃描完成即實現(xiàn)了“一層”的開封。開封速度決定了激光束在開封區(qū)域單位面積上的作用時間，開封速度越快，激光在開封區(qū)域內(nèi)的作用時間越短，去除的塑封材料也越薄，但完成一層掃描的時間越快。在實際的開封作業(yè)中，要根據(jù)芯片塑封層的厚度和開封區(qū)域的大小來設(shè)置合適的開封速度。對于塑封層較厚的芯片，要適當(dāng)減小開封速度，以增加單層開封的厚度；對于開封區(qū)域較大的芯片，要適當(dāng)提高開封速度，減小單層開封的時間。文章的實驗結(jié)果表明，設(shè)置開封速度為500mm/s～600mm/s，完成開封的層數(shù)為10～15層時，可以盡可能的減小激光對芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷，實現(xiàn)較為理想的開封效果。

通過以上工藝參數(shù)的對比研究，分別開展了對金絲、銅絲、鋁絲鍵合的模塑料EMC芯片進(jìn)行開封試驗，研究表明，以露出鍵合絲為停止開封的判斷，可以有效保護(hù)好鍵合絲，且不受鍵合絲種類的影響。

4 結(jié)束語

激光開封的目標(biāo)是對芯片塑封材料進(jìn)行分層精細(xì)化去除，同時避免激光對芯片內(nèi)部鍵合絲和晶圓的損害。為了實現(xiàn)這個開封目標(biāo)，需要對激光功率、重復(fù)頻率和開封速度（振鏡掃描線速度）這三個工藝參數(shù)開展廣泛的實驗研究。LD-01型激光開封機的開封實驗結(jié)果表明，激光功率5W～10W、重復(fù)頻率20kHz～30kHz和開封速度500mm/s～600mm/s是實現(xiàn)較好開封效果的工藝參數(shù)窗口。

參考文獻(xiàn)

[1]田民波.電子封裝工程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[2]郁道銀.工程光學(xué)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.

[3]Runge ER， Minck RW， Bryan FR. Spectrochemical analysis using a pulsed laser source. Spectrochim. Acta. 1964，20：733.

[4]張素娟，李海岸.新型塑封器件開封方法以及封裝缺陷[J].半導(dǎo)體技術(shù)，2006，7：509，511.

作者簡介：張庸（1987-），男，工程師，湖北三江航天紅峰控制有限公司，主要從事光機電產(chǎn)品研究。