Zajímavý pomocný nástroj pro analýzu nepůvodních součástek

Několik poznámek úvodem…

Ve svých dosavadních příspěvcích na stále aktuální téma nepůvodních součástek jsem se dosud zaměřoval především na možnosti metody porovnání voltampérových charakteristik podezřelých součástek s osvědčenými vzory. Poté, co se podařilo rozšířit vybavení naší diagnostické laboratoře o vláknový laser, můžeme u analyzovaných součástek odstranit část pouzdra v oblasti systému na čipu a propojovacího systému mezi čipem a vnějšími vývody pouzdra. Jedná se sice o částečně destrukční metodu, nicméně při správně zvolené technologii a postupu lze zachovat neporušený nejen vnitřní systém pro optickou analýzu, ale v kombinaci s chemickým odleptáním v závěrečné fázi také funkčnost pro případné parametrické a funkční testy.

Proces zpřístupnění zapouzdřeného vnitřního systému součástky se v anglické literatuře nazývá decapsulation nebo delidding. Každý z obou výrazů označuje proces zpřístupnění čipu pro vizuální kontrolu z rozdílných výchozích podmínek, tedy podle typu zapouzdření. Zatímco výraz „delidding“ (dal by se přeložit jako „odvíčkování“) se týká hermetických pouzder, tedy keramických a kovových s průchodkami pro vývody, výraz „decapsulation“ (dal by se přeložit jako „odpouzdření“) se používá v souvislosti s plastovými pouzdry součástek. Odvíčkování a zpřístupnění čipu s propojovacím systémem lze provádět většinou mechanicky, například rozloupnutím hermeticky spojených segmentů keramického pouzdra, odloupnutím kovového krycího víčka po předchozím zahřátí nebo odřezáním vrchní části celokovového pouzdra. Zpřístupnění čipu a jeho propojovacího systému zapouzdřeného nehermeticky plastovými materiály představuje výrazně složitější problém. Příčinou této vyšší složitosti je neexistence dutiny nad čipem, tedy přítomnost materiálu pouzdra v kontaktu s čipem a propojovacím systémem. Materiál pouzdra je těsně obklopuje.

Důvody pro odstraňování materiálu pouzdra v oblasti čipu a jeho propojovacího systému mohou souviset jednak s potřebou optické analýzy samotného čipu i propojovacího systému z hlediska technologického provedení a jednak s potřebou provést znovu parametrický nebo funkční test například s možností sledování tepelných poměrů na čipu. V rámci posuzování původnosti určité součásti se většinou můžeme spokojit pouze s optickou analýzou, poněvadž potřebujeme především porovnat údaje uvedené v popisu pouzdra součástky s popisem na čipu v kombinaci se zběžnou kontrolou technologického provedení. Detailní poruchová analýza prostřednictvím parametrického nebo funkčního testu není v takovém případě již většinou nutná, neboť mohla být provedena ještě před otvíráním pouzdra součástky. V mnoha případech však od procesu odstranění části pouzdra požadujeme zachování nepoškozené povrchové struktury čipu a jeho propojovacího systému.

V současnosti lze využít v zásadě čtyř technologií pro odstranění příslušné části plastového pouzdra součástky. Jedná se o mechanickou technologii odfrézování materiálu do bezpečné hloubky, aby nedošlo k poškození propojovacích vodičů (bonding wires) mezi čipem a vnějšími vývody součástky, takže až na speciální případy se jedná o pomocnou technologii umožňující zkrácení celkového procesu, a je tedy nutné proces dokončit třeba chemickým leptáním. Další technologií je chemické odstranění příslušné části plastového pouzdra leptáním kyselinami. Tento proces je většinou realizován v automatických zařízeních s kontrolovaným míchacím poměrem příslušných kyselin a dávkováním. V ojedinělých případech se leptání provádí ručně, především tam, kde se po předchozím odstranění určitého objemu materiálu pouzdra dokončuje celý proces odkrytí čipu a propojovacího systému. Pro leptání se nejčastěji používá dýmavá kyselina dusičná, koncentrovaná kyselina sírová, případně se obě mísí v určitém poměru. Proces leptání probíhá při zvýšené teplotě. Odstranění části materiálu pouzdra laserem představuje perspektivní technologii, kterou je však podle většiny pramenů nutné kombinovat v konečné fázi s chemickým leptáním, byť jen ve velmi omezené míře. Jako poslední v řadě bych zmínil technologii plazmového, tzv. suchého, leptání, kterou používají výrobci integrovaných obvodů pro odstraňování jednotlivých vrstev struktury čipu při analýze.

První zkušenosti s vláknovým laserem

Na našem pracovišti máme k dispozici nový nástroj pro podporu analýzy nepůvodních součástek. Tímto nástrojem je vláknový laser na principu optického vlákna obohaceného atomy ytterbia. Laser pracuje v infračervené oblasti na vlnové délce 1 060 nm s maximálním výstupním výkonem 10 W. Zařízení je stolního provedení, jak je patrné z obrázku 1.

Obr. 1 Pracoviště s vláknovým laserem

Proces odstranění části materiálu pouzdra představuje soubor parametrů, jejichž hodnoty je třeba nastavit podle konkrétní součástky. Svou roli hraje i diagnostický záměr, který se součástkou máme. Pokud v rámci analýzy původnosti součástky potřebujeme pouze porovnat označení čipu s údaji uvedenými v popisu pouzdra, nemusíme trvat na zachování funkčnosti dané součástky. Parametry procesu je třeba nastavit pouze s ohledem na zachování povrchové struktury čipu včetně příslušných popisů. Nanejvýš vhodné je také zachování propojovacího systému, poněvadž i jeho provedení může leccos napovědět o původu součástky. Podle našich dosavadních zkušeností lze tohoto cíle dosáhnout jen pomocí laseru bez kombinace s chemickým leptáním. Částečné odstranění vrstvy materiálu pouzdra do úrovně propojovacích vodičů a poté do úrovně čipu je na obrázku 2.

Obr. 2 Snímek součástky s odstraněnou vrstvou materiálu pouzdra na úrovni propojovacích vodičů (vlevo) a s odstraněnou vrstvou materiálu pouzdra na úrovni čipu (vpravo)

Snímky součástky s odstraněným materiálem pouzdra na úroveň čipu a propojovacího systému pořízené digitálním mikroskopem s menším zvětšením jsou na obrázcích 3 a 4.

Obr. 3 Snímek součástky z optického mikroskopu s malým zvětšením

Obr. 4 Snímek čipu a propojovacího systému z optického mikroskopu s malým zvětšením

Na obrázcích 5 a 6 jsou snímky detailů popisu čipu pořízené digitální kamerou zabudovanou v sestavě polarizačního mikroskopu s nastaveným zvětšení 200× po odstranění materiálu pouzdra pouze laserem. Čitelnost popisu v okuláru je velmi dobrá a umožnila bezpečnou identifikaci loga firmy i kódové označení čipu. Z obrázků je patrné, že recepturu laserové ablace lze v zásadě nastavit tak, aby nepoškozovala propojovací systém a identifikační popis zapouzdřeného systému. Další zdokonalení receptury si klade za cíl experimentálně ověřit vhodnou kombinaci hodnot všech parametrů procesu v konečné fázi a zjistit, kam až lze v odstraňování materiálu pouzdra laserem dojít, aniž by se narušila ochranná vrstva čipu a funkčnost součástky.

Obr. 5 Snímek označení čipu součástky z polarizačního mikroskopu se zvětšením 200

Obr. 6 Snímek další části popisu čipu z polarizačního mikroskopu se zvětšením 200

Při vývoji receptury jsme s výhodou využili dosavadních zkušeností s porovnáváním voltampérových charakteristik při analýze původnosti elektronických součástek na 256kanálovém zařízení Sentry, zmíněném v mých předchozích článcích. Této metodiky totiž lze využít i pro orientační monitorování vlivu laserové ablace na elektrickou funkčnost součástky a příslušně reagovat úpravou receptury nebo ukončením procesu v bezpečné hloubce. Referenční voltampérové charakteristiky jsou sejmuty před zahájením procesu ablace na příslušné součástce a vliv konkrétního nastavení parametrů je sledován v rámci jednotlivých segmentů receptury porovnáním aktuálních voltampérových charakteristik s referenčními. Na obrázku 7 je detail otevřeného kontaktního adaptéru zařízení Sentry s vloženou součástkou po laserové ablaci.

Obr. 7 Detail kontaktního adaptéru s vloženou součástkou po otevření pouzdra

Kromě možného poškození povrchových vrstev čipu a propojovacího systému dochází při laserové ablaci i k tepelné modifikaci povrchové vrstvy materiálu pouzdra, která byla v kontaktu s laserovým paprskem a zůstala součástí kompaktu pouzdra. Následkem této modifikace se vytvářejí svody mezi vodiči propojovacího systému a ovlivňují výrazně elektrické parametry součástky.

Obrázek 8 ilustruje postupné zvýrazňování tohoto vlivu až do převažujícího odporového charakteru daného vývodu, zkratu nebo úplného přerušení kontinuity (není ilustrováno – projeví se jako horizontální úsek na ose napětí).

Obr. 8 Voltampérová charakteristika pinu součástky po odstranění první části pouzdra laserem (vlevo), s výrazným ovlivněním průběhu procesem (uprostřed) a ovlivněná svodem modifikovaného materiálu pouzdra mezi propojovacími vodiči (vpravo)

Inspirace dosavadními Zkušenostmi

Přestože bylo možné při výhradním použití laserové ablace opakovaně spolehlivě vyhodnotit rozdíly v údajích uvedených v popisu pouzdra součástky v porovnání s popisem čipu, jsme si vědomi, že jsme ještě nevyužili všech variant, které nastavení hodnot jednotlivých parametrů procesu umožňuje. Jejich prověření bude náplní dalších experimentů s cílem vymezit rozsah použití laseru v případné kombinaci s dokončovacím chemickým leptáním. Voltampérové charakteristiky budou nepochybně opět pohotovým nástrojem poskytujícím zpětnou vazbu při ladění ablačního procesu. Přes publikovaný optimismus mnohých výrobců a prodejců technologií se opět potvrdilo, že rozhodující je vlastní zkušenost s daným procesem.

Poděkování:

Práce byla podpořena výzkumným projektem CEBIA-Tech CZ.1.05/2.1.00/03.0089.