Nepůvodní elektronické součástky – rok šestý

Významné zvýšení analytických možností našich laboratoří

Koncem roku 2015 a začátkem roku 2016 jsme získali významné přírůstky do analytického vybavení našich laboratoří. Jednalo se o rentgen navržený specificky pro analýzu rozdílů mezi originálními, tedy původními součástkami a součástkami, které byly vytipovány jako podezřelé s ohledem na určitou zjištěnou anomálii, nebo prostě součástky od nového dodavatele, u kterých je žádoucí preventivně prověřit znaky původnosti. Vyměnitelná podložka pro umístění a fixaci vzorků umožňuje analýzu nejen součástek před jejich montáží do sestavy modulu, ale také analýzu sestavených modulů. Rentgenové zařízení je na obr. 1.

Dalším velmi přínosným přírůstkem do vybavení laboratoří je rastrovací elektronový mikroskop, k němuž byla následně připojena jako rozšiřující modul jednotka pro analýzu přítomnosti chemických prvků ve zkoumané struktuře. Jednotka je patrná v komplexu skenovacího elektronového mikroskopu na obr. 2, kde je zleva šikmo připojená k analytické komoře jako žebrovaný hranol.

Konfokální rastrovací mikroskop (obr. 3) je dalším výkonným nástrojem pro analýzu struktur, využitelný je s výhodou pro posuzování původnosti analyzovaných polovodičových součástek a čipů. V kombinaci s rastrovacím elektronovým mikroskopem poskytuje možnost zachytit i nejjemnější detaily, které mohou potvrdit či vyvrátit původnost zkoumaného objektu.

Ramanův spektroskop (obr. 4) obecně umožňuje nedestruktivním způsobem poskytnout informace o složení materiálu pouzdra, případně popisu elektronické součástky nebo povrchových vrstev odkrytého systému na čipu. Vhodnými experimentálními postupy a přípravou vzorku lze vytvořit databázi materiálů jako referenční soubor pro určování případných rozdílů u součástek, které jsou prezentovány jako originální výrobky zavedených firem. Na obr. 5 je pak spektroskop terahertzový, který opět může přinést nové pohledy na analyzovatelné rysy posuzovaných součástek a zpřístupněných polovodičových struktur integrovaných obvodů. Cílem našich experimentů je ověření postupů, které umožní využití jednotlivých zařízení s nadějným analytickým potenciálem právě v oblasti posuzování původnosti či autenticity polovodičových součástek. Jde v podstatě o výběr vhodné materiálové části, jejíž charakteristické rysy lze podchytit právě některou z analytických metod, kterou daná zařízení poskytují.

Obr. 5 Terahertzový spektroskop

RTG a možnosti spolupráce s laserem

Rentgenové zařízení orientované především na vnitřní nedestruktivní analýzu elektronických součástek zapouzdřených v nehermetických plastový pouzdrech však také významně doplňuje náš vláknový laser o možnost přesnějšího zaměření na polohu čipu v pouzdře před zahájením laserové ablace materiálu. Čipy nepůvodních součástek jsou, na rozdíl od autentických součástek, většinou posunuty nebo otočeny vzhledem k originální středové poloze a rovnoběžné orientaci s geometrií pouzdra. Přenesení rentgenového obrazu vnitřní struktury součástky a jeho spojení se zobrazovacím systémem laseru umožňuje přesnější lokaci čipu a otevření pouzdra přesně nad aktuální polohou čipu.

Rastrovací elektronová mikroskopie (SEM)

Tato metoda dovoluje analyzovat především struktury systému na čipu s velkým zvětšením, a tedy kromě samotného detailního zobrazení popisu čipu a povrchových struktur i podstatné rysy použité polovodičové technologie. Následující obrázky ilustrují detaily poškození čipu integrovaného obvodu, jehož ablace byla výhradně provedena laserem, takže došlo k poškození a zničení povrchových vrstev. Obrázky 7, 8 a 9 ukazují ve stoupajícím rozlišení míru poškození struktur a obsahují i údaj o použitém zvětšení.

Obrázky 10, 11 a 12 naopak ukazují detaily struktury čipu v různém rozlišení po kombinované ablaci materiálu pouzdra, tedy nejprve zahloubení vláknovým laserem do bezpečné hloubky bez ovlivnění povrchových vrstev čipu a následné definitivní chemické odkrytí čipu bez poškození námi vyvinutou leptací směsí a postupem leptání. Obrázek 12 pak ukazuje logo a popis čipu s jemnými detaily provedení.

Obr. 12 Detail loga a popisu čipu po aplikaci leptacího procesu zvětšený 26.570×

Modul pro analýzu prvků ve zkoumané vrstvě

Modul pro analýzu prvků, který byl následně doplněn do sestavy rastrovacího elektronového mikroskopu, představuje velmi významnou součást analýzy vzorků integrovaných obvodů. I orientačně stanovené materiálové složení je důležitým upřesňujícím doplňkem porovnávací analýzy. Při porovnávání původních součástek z ověřeného zdroje se součástkami z náhodné dodávky bez možnosti prověření původu je možné zjistit zásadní rozdíly i v materiálovém složení zkoumaných cílových struktur.

Na obrázcích 13 a), b) a 14 a), b) jsou dvojice záběrů stejné oblasti na čipu. Ve dvojici je základní snímek oblasti z rastrovacího elektronového mikroskopu v zobrazovacím režimu a snímek téže oblasti s barevně podchycenou strukturou materiálového složení. Zelený rámeček na základním snímku vymezuje oblast, ve které je pak materiálová analýza provedena. Jako ilustrace byla zvolena nejprve na dvojici obrázků 13 a) a 13 b) oblast termokompresního sváru propojovacího (bondovacího) drátku s kontaktní ploškou na čipu. Druhou ilustrací, tentokrát na dvojici obrázků 14 a), b), je oblast loga a popisu čipu. I takové, zdánlivě jen orientační, zjištění obsahu prvků velmi dobře poslouží k porovnání a vyhodnocení rozdílů mezi ověřenou součástkou a jejím analyzovaným protějškem.

Konfokální rastrovací mikroskop

Konfokální rastrovací mikroskop, jak je zřejmé z obrázků 15 a 16, poskytuje srovnatelné zobrazení detailů jako rastrovací elektronový mikroskop. Dobře je to vidět na detailu struktury loga na čipu.

Obrázek 17 ilustruje další možnost analýzy pomocí konfokálního rastrovacího mikroskopu, kterou je zobrazení a vyhodnocení výškového profilu, které je užitečným doplňkem analýzy technologie povrchových vrstev čipu a jeho popisu.

Obr. 17 Logo a popis čipu zobrazené konfokálním mikroskopem ve stranovém pohledu se zobrazením linie vyhodnocení výškového profilu a výsledky vyhodnocení

Zdokonalení a stabilizace finální leptací procedury

Navržené a ověřené složení leptací kompozice a recepturu pro opakovatelnou konečnou ruční chemickou ablaci zbytkového materiálu nad čipem se nám podařilo doladit s potřebnou účinností a opakovatelností tak, abychom odstranili zbytkové nečistoty na čipu a dosáhli jasné čitelnosti pod optickým mikroskopem. Výsledky můžeme ilustrovat na následujících obrázcích 18 až 21. Jedná se o dvě autentické součástky. Jednak o procesor firmy Himax a jednak o programovatelnou paměť firmy Atmel. Rozsah článku nám nedovolí zařadit velmi zajímavé výsledky analýzy součástek, které jsme obdrželi ke zkušební analýze po jejich výměně v opravovaných přesných měřicích přístrojích od firmy zabývající se opravou těchto měřicích přístrojů. Výsledek analýzy byl překvapivý a vedl i k novým organizačním opatřením týkajících se oprav a nákupu náhradních dílu. O tom příště.

Další směřování laboratoří pro analýzu polovodičových součástek

Uvedené přístroje a zařízení s diagnostickým potenciálem pro analýzu původnosti polovodičových součástek jsou rozmístěny do několika laboratoří, které spolupracují v rámci výzkumného projektu zaměřeného na metody odhalování nepůvodních elektronických součástek, zejména polovodičových. Naším dalším cílem a směřováním bude jednak rozpracování stávajících, již experimentálně ověřených, metod a jednak stanovení a ověření analytických postupů zahrnujících další zařízení, jako je Ramanova a terahertzová spektroskopie, které jsou momentálně používané v jiných aplikačních oblastech výzkumu v rámci výzkumného programu bezpečnostních technologií. Jejich možnosti využití v oblasti odhalování nepůvodních součástek jsou nesporné a již předběžně ověřené.

Poděkování:
Práce byla podpořena MŠMT v rámci výzkumného projektu NPU LO1303 (MSMT-7778/2014), CEBIA-Tech No. CZ.1.05/2.1.00/03.0089 a LO1212 spolu s projektem Evropské komise ALISI No. CZ.1.05/2.1.00/01.0017.

neumann@fai.utb.cz
houser@ft.utb.cz
navratil@fai.utb.cz