基于同軸共焦的激光芯片開封工藝技術研究

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構組成，分析了激光開封工藝在開封速度、適應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，實驗結果表明，激光功率5W～10W、重復頻率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)部結構的目檢和電氣測試[1]。芯片開封是進行芯片失效分析的重要手段?，F(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，對結構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干腐蝕法[2]，是利用高電壓產(chǎn)生強電場，引起反應室內(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行失效分析。

激光開封是隨著激光技術的發(fā)展而形成的一種新型芯片開封技術，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領域的研究熱點。

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化的開封作業(yè)，同時采用高速振鏡作為光束偏轉器實現(xiàn)高速開封。激光開封機是綜合了光學、精密機械、電子和計算機等技術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)，在此基礎上對激光芯片開封工藝進行研究。

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，當激光束的功率密度達到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)主要應用于塑封芯片開封的專用設備，使用該設備對某芯片進行開封，前后效果如圖2（a）（b）所示。

2 激光開封系統(tǒng)總體結構組成及工藝流程

激光芯片開封機主要由激光器、控制系統(tǒng)、光學系統(tǒng)、攝像系統(tǒng)和排煙除塵系統(tǒng)等部分構成，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)采用了進口高峰值功率、高光束質量的固體調(diào)Q激光器，最高平均功率為20W，輸出重復頻率可達15kHz～200kHz。通過調(diào)節(jié)激光輸出的泵浦電流、重復頻率等參數(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。光學系統(tǒng)是激光開封機實現(xiàn)可視化開封作業(yè)的關鍵部件。

（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)最高十級光學放大，最大視場為50mm×50mm。因此，對不同大小的芯片設置不同的放大倍率，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)導入的待開封芯片的X光圖選定開封區(qū)域，這樣可以進一步提高開封效率。選定開封區(qū)域后，根據(jù)芯片塑封層的材料、厚度等設置開封速度、激光功率、重復頻率等參數(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。

在進行實際激光開封時，需要對樣品模塑料EMC芯片進行不同開封工藝參數(shù)的嘗試，即對圖4所示的設置開封參數(shù)進行不同的組合，以達到較好開封的目的，但無論怎么設置，對于激光開封而言，其開封工藝參數(shù)基本在激光功率、重復頻率和開封速度上，其他的參數(shù)可作為輔助參數(shù)進一步提高開封效率。

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，結果表明設置泵浦電流為4A～4.5A，對應激光功率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)部結構的損害。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）重復頻率。重復頻率即單位時間內(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頻率的增加而上升，而峰值功率隨重復頻率的增加而下降。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。當重復頻率超過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，這是由于當重復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化為熱效應。文章經(jīng)過實驗研究，結果表明，當激光重復頻率為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)域的大小來設置合適的開封速度。對于塑封層較厚的芯片，要適當減小開封速度，以增加單層開封的厚度；對于開封區(qū)域較大的芯片，要適當提高開封速度，減小單層開封的時間。文章的實驗結果表明，設置開封速度為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)部結構的損傷，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，可以有效保護好鍵合絲，且不受鍵合絲種類的影響。

4 結束語

激光開封的目標是對芯片塑封材料進行分層精細化去除，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，需要對激光功率、重復頻率和開封速度（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果表明，激光功率5W～10W、重復頻率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

[1]田民波.電子封裝工程[M].北京：清華大學出版社，2003.

[2]郁道銀.工程光學[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].半導體技術，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。