Nepůvodní elektronické součástky – rok pátý

Co je u nás nového…

Při zpětném pohledu na dosavadní sérii článků uveřejněných v tomto časopise od roku 2011, jako sdělení našeho pracoviště na téma možností detekce nepůvodních elektronických součástek, jsme si uvědomili, že musíme určitým způsobem zjednodušit jejich názvy při zachování tematické upoutávky. Tím jsme dospěli k jednotné formulaci zaměření na téma nepůvodních elektronických součástek v rámci nám dostupných metod jejich detekce a analýzy s tím, že rozdílný bude pouze údaj vztažený k délce období, po které se daným tématem zabýváme. Nemusíme tak pokaždé přemýšlet nad úderným názvem přitahujícím oko čtenáře, jak je tomu v běžné žurnalistice.

Dá se říci, že naši analytickou laboratoř postupně a stále budujeme, tedy doplňujeme o nová zařízení a přípravky, jejichž potřebu si vyžádaly narůstající zkušenosti s praktickou analýzou vzorků nepůvodních nebo alespoň podezřelých elektronických součástek. Každá nová analytická technologie s sebou přináší nové inspirace a možnosti, jak ji efektivně a mnohostranně využít, za předpokladu, že dokážeme zajistit pomocné přípravky a zařízení, ať už nákupem, nebo vlastním návrhem a realizací. Pro pořízení klíčových zařízení a technologií jsme měli v předchozích letech oporu ve finančních prostředcích CEBIA a v současnosti ve výzkumném projektu NPU Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy, zmíněném v závěru článku.

Naše laboratoř má k dispozici komparační analyzátor voltampérových charakteristik s 256 kanály a několika volitelnými režimy pro komparační analýzu. Jeho možnosti a výsledky analýzy byly zmíněny v našich předchozích článcích. V našem článku v čísle 4/2014 jsme zmiňovali i první zkušenosti s využitím vláknového laseru pro ablaci materiálu nehermetických pouzder integrovaných obvodů nad čipem. V mezičase jsme se zaměřili na doplňkové nástroje pro analýzu včetně technologie dokončovacího leptání po částečné ablaci laserem. Tato kombinovaná technologie má zachovat funkčnost obvodu, zajistit „čitelnost“ povrchu čipu z hlediska firemního autorství a také technologického rukopisu. Současně je naším cílem minimalizovat nároky na dokončovací leptání a zjednodušit celý postup. Proto bychom se v letošním článku chtěli zaměřit na některé důležité detaily analytického procesu v rámci námi používaných metod.

Průvodní aspekty analýzy voltampérových charakteristik

Při snímání voltampérových charakteristik analyzovaných součástek hraje důležitou roli kontaktní adaptér příslušný ke konkrétnímu typu pouzdra dané součástky. Tento adaptér má zajistit spolehlivý elektrický kontakt mezi standardním rozhraním vyhodnocovacího přístroje a součástkou. Pro připomenutí, standardní rozhraní námi používaného přístroje SENTRY představují 4 patice ZIF, každá se 48 kontakty a konektor pro plochý 64žilový kabel, jak ilustruje obr. 1.

Tento typ rozhraní zvolil výrobce přístroje s ohledem na sortiment součástkových pouzder, která pro analýzu připadají v úvahu. Samotné rozhraní je vstřícné k součástkám pro starší technologii průchozí montáže součástek na desce plošných spojů (THT). Tyto součástky jsou atraktivními potenciálními objekty nepůvodnosti právě v souvislosti s opravami zařízení s dlouhou životností, poněvadž již nejsou v sériové výrobě a jejich dostupnost je sice v mnoha případech reálná, ale jejich získání od renomovaných výrobců představuje podstatně vyšší náklady na pořízení a delší dodací lhůty. Smetiště elektroniky pak jsou oním náhradním zdrojem, odkud po určitých kosmetických úpravách mohou být tyto součástky nabízeny zájemcům za výrazně nižší ceny. Moderní součástky pro technologii povrchové montáže (SMT) představují širokou škálu různých pouzder s velkou, byť standardizovanou, variabilitou rozměrů, počtu a provedení vývodů s různými roztečemi, tvary i povrchovou úpravou. V rámci univerzality se tedy předpokládá, že moderní součástky budou k zařízení připojovány přes vhodné kontaktní adaptéry. Pro běžnější typy pouzder výrobce nabízí kontaktní adaptéry určené přímo pro připojení k přístroji SENTRY a nabízí také návrh a zhotovení adaptérů podle specifikace zákazníka. Příklad takového profesionálního kontaktního adaptéru pro pouzdro BGA se 456 vývody je na obr. 2.

Jednorázové zajištění většího sortimentu profesionálních adaptérů navržených přímo pro zařízení k detekci nepůvodních součástek je pro naše pracoviště obtížně realizovatelné. Postupné zajišťování jednotlivých typů adaptérů pak zase představuje delší časový horizont. Abychom mohli pružněji reagovat na příležitosti k analýze různých součástek v rámci spolupráce s firmami, rozhodli jsme se využít nabídky zahořovacích a testovacích patic k návrhu univerzálního stavebnicového kontaktního adaptéru, který by nám podle okolností a požadavků umožňoval operativně připravit podmínky k testování pro konkrétní součástková pouzdra. Na obr. 3 je příklad modulu s testovací paticí pro pouzdro QFN/MLF a na obr. 4 je částečný pohled na univerzální adaptér. Na obr. 5 je pak tento adaptér v sestavě s detekčním zařízením.

Při analýze původnosti součástek, případně při posuzování stupně jejich poškození vlivem technologie ablace pouzdra součástky pomocí voltampérových charakteristik, hraje důležitou roli kvalita elektrického kontaktu mezi vývody součástky a samotným vyhodnocovacím přístrojem. V tomto propojovacím řetězci bývá nejslabším článkem samotná prověřovaná součástka, jejíž historii skladování a vlivů, kterým byla vystavena, neznáme. Proto je ošetření povrchu plochy vývodů testované součástky, která přichází do kontaktu s adaptérem nebo přímo s rozhraním vyhodnocovacího zařízení, důležitým předpokladem pro dosažení věrohodných výsledků při porovnávání voltampérových charakteristik (otisků) dvojic vývodů součástky s jejím vzorem. Na následujících obrázcích je ilustrován případ, kdy kombinace poškození kontaktní plochy vývodů hrotovými sondami testeru u výrobce či dodavatele součástky a následná oxidace při nevhodném skladování mohou při analýze způsobit problémy. Toto riziko hrozí, pokud si operátor této možnosti není vědom a pokud není provedena optická kontrola součástky včetně jejích vývodů před samotným elektrickým testem.

Role osvětlení při optické analýze součástek

Varianty osvětlení při optické analýze testovaných součástek mohou rovněž sehrát významnou roli v zájmu zvýraznění důležitých optických znaků, které jsou projevem nepůvodnosti nebo použité analytické technologie, jakou je laserová nebo chemická ablace části pouzdra. Osvětlení analyzované součástky můžeme volit kolmé nebo stranové, nejčastěji prstencem světelných diod. U kolmého osvětlení, které bývá součástí mikroskopu, nám při kratších ohniskových vzdálenostech objektivu nemusí prstenec stačit k osvětlení celé plochy vzorku, především čipu odkrytého ablací. V takovém případě oceníme pomocný koaxiální světelný zdroj využívající polopropustného zrcadla, jak je tomu u mikroskopů vyšší cenové kategorie. Světelný zdroj je umístěn ze strany, tedy mimo optickou osu mikroskopu. Běžné světelné zdroje pro optickou mikroskopii poskytují bílé světlo. Ovšem výběr světelného zdroje s vlnovou délkou v oblasti červené, modré nebo zelené barvy může přinést zvýraznění některých detailů, v bílém světle nepostřehnutelných. Boční osvětlení dává plasticky vyniknout strukturám v kolmém světle nepozorovatelným. Následující obrázky jsou ilustračním výběrem k tématu pomocného osvětlení při optické analýze součástek, ať již se jedná o počáteční vizuální podchycení rozdílů mezi vzorovou součástkou a jejími testovanými alternativami, nebo se například jedná o optickou analýzu výsledků ablace materiálu pouzdra v oblasti čipu a obrazovou analýzu čipu samotného. Na obr. 8 je skupina tří modulů pomocného osvětlení. Modul s číslem 1 je prstencové stranové osvětlení bílým světlem většího průměru a modul s číslem 2 pak představuje prstencové stranové osvětlení červeným světlem menšího průměru. Modul číslo 3 představuje příklad koaxiálního osvětlení bílým světlem.

Aplikační ilustrace stranového osvětlení prstencovým bílým světlem (1) z obr. 8 je na obr. 9 a na obr. 11. Tento druh pomocného osvětlení je vhodný pro větší součástky při vizuálním studiu struktury materiálu pouzdra, popisu pouzdra a vlysových značek. Na obr. 10 je aplikační ilustrace červeného stranového prstencového světla (2) z obr. 8.

Problematika chemického odleptání zbytkové vrstvy po ablaci laserem

Ablace materiálu nehermetických pouzder integrovaných obvodů laserem je rychlá a velmi flexibilní, poněvadž lze naprogramovat dráhu laserového paprsku pro vytváření různých tvarů a jednoduše měnit podmínky ablace vhodným nastavením příslušných parametrů, jako je například výkon a rychlost pohybu paprsku. Její jedinou, ale podstatnou nevýhodou je, že laserovou ablací nelze odstranit (alespoň ne jednoduše) veškerý materiál pouzdra nad systémem na čipu, aniž by došlo k poškození pasivační vrstvy čipu, horních vrstev obvodu, a tím i narušení funkčnosti čipu. Jak jsme se sami přesvědčili při našich experimentech, při provádění ablace výhradně laserem bývá dosti náročné i jen samotné zachování čitelnosti označení čipu výrobcem, aby jej bylo možné porovnat s popisem pouzdra daného integrovaného obvodu. Proto i my jsme byli nuceni hledat a zdokonalovat postup kombinovaný, a to odstranění významné části materiálu pouzdra nad čipem pomocí laseru a zbývající vrstvu pak odstranit chemicky leptáním materiálově příslušnou směsí kyselin při vhodné teplotě. Při volbě tloušťky vrstvy materiálu pouzdra nad čipem, kterou je třeba přenechat chemické ablaci, jsme úspěšně použili metodu porovnávání voltampérových charakteristik, pomocí které jsme identifikovali zbytkovou tloušťku materiálu, při níž ještě nedochází k poškození čipu energií laserového paprsku. O tomto jsem se již zmiňoval ve svém článku v minulém roce.

Cílem našeho snažení v oblasti závěrečné chemické ablace byl co nejjednodušší postup s minimální spotřebou chemikálií. K těmto snahám se na základě praktických experimentů ještě přidala snaha o snížení teploty, při níž proces leptání probíhá. Chceme zdůraznit, že jsme experimenty nezačínali provádět bez jakéhokoliv znalostního zázemí. Inspirovali jsme se postupy publikovanými a prezentovanými v literatuře i na různých webových portálech. Naše dosavadní výsledky však ukazují, že se nám nepochybně daří dosahovat dobrých výsledků s podmínkami, které jsme si stanovili. S teplotou leptání jsme se již dostali pod 50 °C při zachování slibného vzhledu odkrytého čipu, jak dokumentují dva následující obrázky.

Poděkování: Práce byla podpořena MŠMT v rámci výzkumného projektu NPU LO1303 (MSMT-7778/2014).