基于缺陷檢測的多芯片塑封光耦器件開封方法

馬勇，虞勇堅，2，解維坤，2，鄒巧云，張凱虹，章慧彬

（1.中國電子科技集團公司第五十八研究所，江蘇 無錫 214035；2.無錫中微騰芯電子有限公司，江蘇 無錫 214035）

0 引言

塑封光電耦合器件（簡稱光耦）[1]是一種將發(fā)光器和光敏器用塑料封裝在同一殼體內(nèi)，并實現(xiàn)電—光—電轉(zhuǎn)換的一種新型光電子器件。當(dāng)發(fā)光器受到電信號激勵時，發(fā)出紅外光，受光器得到光照產(chǎn)生光電流，使得輸出部分導(dǎo)通，輸出相應(yīng)的電信號。由于其優(yōu)良的輸入、輸出絕緣性能以及較高的響應(yīng)速率，光耦器件已在多種電子設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用[2-4]。隨著光耦器件的發(fā)展，多芯片共封裝的光耦器件越來越多，其內(nèi)部缺陷的檢測難度也愈來愈高。在塑封光耦器件的缺陷檢測過程中，X射線檢查是一種快速、無損的檢測方法[5]，可以對其鍵合絲、框架等的連接狀態(tài)進行檢查分析。但是，X射線儀受到檢測精度以及透視范圍的限制，難以對光耦器件內(nèi)部的微小缺陷進行檢測。

為了進一步檢測分析，需要對光耦器件進行解剖開封。截至目前，對于微電子器件的開封方法，已形成一些開封技術(shù)，如機械開封技術(shù)、激光開封技術(shù)、化學(xué)開封技術(shù)等[6-8]。針對塑封光耦器件的開封方法研究，國內(nèi)外的研究成果較少。陳立剛[9]提出了一種典型雙芯片塑封光耦的開封方法，利用激光和化學(xué)的方法對上下芯片進行分離開封，其針對的是含有兩顆芯片的經(jīng)典光耦電路，但是針對三個及以上數(shù)量的芯片，其方法并不能有效實施且保持器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的完好性。

因此，本文開展基于缺陷檢測的多芯片塑封光耦器件開封方法研究，利用X射線對器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行分析，進而設(shè)計整體開封方案，通過機械、激光和化學(xué)腐蝕結(jié)合的多元開封方法，保證各芯片完好性的同時，對關(guān)鍵部位進行無損開封，為缺陷檢測的開展提供保障。

1 塑封器件開封技術(shù)

1.1 機械開封技術(shù)

機械開封技術(shù)，主要應(yīng)用于密封器件蓋板的去除，指的是利用適當(dāng)?shù)臋C械工具或研磨技術(shù)，去除蓋板，使得芯片和內(nèi)部結(jié)構(gòu)直接裸露出來從而進行顯微檢查。塑封器件由于內(nèi)部有聚合材料包裹著芯片和鍵合絲，機械開封不能達到理想的效果，但可對其不影響電氣連接的部分進行預(yù)去除，實現(xiàn)解剖開封的預(yù)處理。

1.2 激光開封技術(shù)

激光開封技術(shù)，主要應(yīng)用于塑封器件塑封料的各向異性去除，指的是利用激光的高能量燒灼塑封料技術(shù)，實現(xiàn)微米級的塑封料逐層去除。但是，由于激光的能量對芯片有損傷，激光開封技術(shù)只能對指定的開封區(qū)域進行預(yù)處理，并不能直接裸露芯片的表面，進而實現(xiàn)對芯片表面結(jié)構(gòu)的觀測。

1.3 化學(xué)開封技術(shù)

化學(xué)開封技術(shù)，主要應(yīng)用于塑封器件芯片表面薄層塑封料的快速去除，指的是利用干法或濕法技術(shù)腐蝕塑封料中的聚合材料而不損傷芯片及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)芯片表面結(jié)構(gòu)的檢測。目前，利用發(fā)煙硝酸和濃硫酸配比的蝕刻劑[10]，控制合適的反應(yīng)溫度和時間，可達到理想的塑封料去除效果。

2 多芯片塑封光耦器件的開封方法

2.1 開封方案設(shè)計

某型多芯片塑封光耦器件，為三芯片共封裝的隔離放大器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與普通的光耦器件不同，封裝體內(nèi)除了發(fā)光器和受光器外，還封裝了另外一顆芯片，其外觀形貌及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

通過X射線檢查，經(jīng)多角度探測后，最終發(fā)現(xiàn)此光耦器件的發(fā)光二極管LED的鍵合絲出現(xiàn)異常，如圖2所示。通過圖2中紅色圓圈標(biāo)注位置的鍵合絲輕微的局部不連續(xù)性形貌，實現(xiàn)了對缺陷點的初步定位。但是，為了對缺陷的失效模式和機理進一步分析，需要對器件進行開封處理，并保留缺陷原始的狀態(tài)，避免引入二次損傷。

為保證多芯片光耦器件開封的有效性和精確性，利用X射線結(jié)構(gòu)（圖3）對光耦器件的全流程開封方案進行整體設(shè)計。

圖1 某型多芯片塑封光耦器件外觀形貌及內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖2 X 射線檢測后的問題鍵合絲形貌圖

圖3 基于X 射線結(jié)構(gòu)的開封方案設(shè)計流程圖

具體開封方案如下：

（1）利用光耦器件的X射線俯視圖和左視圖（如圖3(a)），通過機械研磨技術(shù)對器件的引腳去除至芯片框架所在的平面（圖3(a)中紅色虛線位置），以保證后續(xù)激光開封和微切割的有效實施。

（2）利用激光燒灼技術(shù)對圖3(b)中外圍的塑封料（紅色箭頭方向）進行部分去除。

（3）通過激光微切割技術(shù)對光耦上下部分沿著圖3(c)中紅色虛線進行分離。

（4）利用化學(xué)濕法腐蝕技術(shù)對上下器件分別進行開封（圖3(d)），露出鍵合絲和芯片表面（圖3(e)），清洗處理后，通過光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡對器件進行缺陷檢測。

2.2 開封試驗流程

開封試驗流程分為機械研磨預(yù)處理、激光開封預(yù)處理、激光微切割、隔離片去除、化學(xué)腐蝕開封和開封后處理六部分。

（1）機械研磨預(yù)處理。為保證后續(xù)激光微切割的有效實施，需對樣品（圖4(a)）進行預(yù)處理。利用機械研磨技術(shù)，對器件兩側(cè)的引腳去除至芯片框架所在的平面，預(yù)處理后的效果如圖4(b)所示。

（2）激光開封預(yù)處理。為保證激光微切割的快速有效開展，利用激光開封機對芯片外圍的塑封料進行去除，去除后的效果如圖4(c)所示。

（3）激光微切割?？紤]到光耦內(nèi)部上下芯片的間距小（約300～400μm），利用激光開封機選取寬度為100～200μm的切割區(qū)域，沿著隔離片對光耦的上下部分進行微切割，切割后的效果如圖4(d)所示。

（4）隔離片去除。隔離片在激光微切割的過程中，受到了激光燒蝕，如圖4(e)所示，可手動將其揭下。

（5）化學(xué)腐蝕開封。如圖4(f)所示，針對塑封料，利用發(fā)煙硝酸和濃硫酸配比（N:S=3:1）的蝕刻劑[10]，在40℃下對芯片和鍵合區(qū)域進行定點開封，露出芯片表面；對于導(dǎo)光膠，利用濃硫酸，在40℃下進行腐蝕去除。

（6）開封后處理。開封完成后，依次利用丙酮、水、乙醇對樣品進行清洗，并在40℃恒溫工作臺上做烘干處理。

2.3 開封后缺陷檢測

按照前文設(shè)計的開封方案對樣品進行處理后，芯片表面和鍵合絲等關(guān)鍵部位完整保留了原始狀態(tài)。如圖5所示，利用掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscopy，SEM）對缺陷進行檢測，圖5(a)～(c)為此塑封光耦發(fā)光二極管的俯視圖，表明鍵合絲存在微損傷，但在X射線檢測和光學(xué)顯微鏡下不易檢測。進一步分析其側(cè)視圖（圖5(d)～(f)），發(fā)現(xiàn)發(fā)光二極管LED的鍵合絲受到剪切力的作用而發(fā)生微形變，剪切力的方向如圖5(e)中紅色箭頭方向所示，鍵合絲雖未出現(xiàn)斷裂，但是會對器件的長期可靠性產(chǎn)生影響。

圖4 某型多芯片塑封光耦實物開封過程圖

檢測結(jié)果表明：光耦內(nèi)部發(fā)光二極管的鍵合絲因受到剪切力產(chǎn)生形變?nèi)毕?，說明此開封方法未對內(nèi)部微小缺陷造成二次損傷，驗證了該開封方法的有效性和可行性。

圖5 某型多芯片塑封光耦發(fā)光二極管SEM 圖

為進一步對形變?nèi)毕葸M行定位，如圖6所示，在開封過程中發(fā)現(xiàn)，該形變產(chǎn)生的位置處于塑封料和導(dǎo)光膠界面位置。由于導(dǎo)光硅膠的熱膨脹系數(shù)（約200～300 ppm/℃）大于二氧化硅填充的塑封料（約7～30 ppm/℃）[11]，在溫度沖擊、溫度循環(huán)等環(huán)境條件下，界面易出現(xiàn)熱匹配失效問題，產(chǎn)生較大的剪切力，從而導(dǎo)致界面處的鍵合絲發(fā)生剪切形變?nèi)毕?，造成損傷缺陷。

3 結(jié)語

本文介紹了一種基于缺陷檢測的多芯片塑封光耦器件的開封方法。通過X射線對器件進行內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析和全流程的開封方案設(shè)計，采用機械預(yù)處理、激光燒蝕、激光微切割及化學(xué)腐蝕結(jié)合的多元開封技術(shù)，完整地保留了器件內(nèi)部各關(guān)鍵部位的原始狀態(tài)。該開封方法利用X射線進行整體方案設(shè)計，同時將機械研磨和激光微切割方法引入到常規(guī)的激光燒蝕開封和化學(xué)腐蝕開封中，避免了經(jīng)典雙芯片光耦開封方法對多芯片光耦內(nèi)部鍵合絲等結(jié)構(gòu)的損傷，實現(xiàn)了多芯片塑封光耦器件開封方法的有效性和可行性的目標(biāo)。缺陷檢測結(jié)果表明發(fā)光二極管鍵合絲缺陷的內(nèi)在機理為鍵合絲受到塑封料與導(dǎo)光膠的剪切力而產(chǎn)生形變?nèi)毕荩瑵M足了多芯片塑封光耦器件缺陷檢測及應(yīng)用改進的需求。

圖6 某型多芯片塑封光耦缺陷定位圖