基于同轴共焦的激光芯片开封工艺技术研究

　摘 要：介绍了基于同轴共焦的激光芯片开封机的工作原理和总体结构组成，分析了激光开封工艺在开封速度、适应性和可控性等方面的特点相对。文章利用自主研制的LD-01型激光芯片开封机开展芯片开封实验研究，实验结果表明，激光功率5W～10W、重复频率20kHz～30kHz和开封速度500mm/s～600mm/s是较为理想开封效果的工艺参数窗口。
　　关键词：激光开封；同轴共焦；可视化操作
　　引言
　　芯片开封（IC decap）是通过物理或化学的方法逐层剥离各类芯片的封装材料，以实现芯片内部结构的目检和电气测试[1]。芯片开封是进行芯片失效分析的重要手段。现行的芯片开封方法有机械开封法、酸刻蚀开封法和等离子体开封法等。机械开封法利用钻头或刀具去除芯片的封装材料，这种开封方法速度慢，可控性差，对结构尺寸微小的芯片不适用；酸刻蚀开封法的原理是以适量强酸腐蚀芯片的塑封层，酸刻蚀开封法形成的废液容易造成环境污染，且开封过程也不可控；等离子体开封也称为化学干腐蚀法[2]，是利用高电压产生强电场，引起反应室内的气体电离产生等离子体，利用等离子体将环氧树脂裂变成粉末，这种方法对芯片性能的影响最小，但是开封过程非常缓慢，一般用于高度集成的器件开封或者进行失效分析。
　　激光开封是随着激光技术的发展而形成的一种新型芯片开封技术，具有开封速度快、可控性好、无污染等一系列优势，正在成为芯片开封技术领域的研究热点。
　　激光芯片开封的基本原理是利用高峰值功率、高稳定性的脉冲激光作用到芯片的塑封层上，激光作用点处的塑封层发生汽化而被逐层剥离。在实际的激光开封系统中，激光束被聚焦成微米量级的光斑来完成精细化的开封作业，同时采用高速振镜作为光束偏转器实现高速开封。激光开封机是综合了光学、精密机械、电子和计算机等技术于一体的光机电系统。文章研究工作所依托的激光开封系统集成了同轴影像系统、排烟除尘系统、升降工作台等辅助系统，在此基础上对激光芯片开封工艺进行研究。
　　1 激光开封工作原理
　　激光开封的工作原理示意图如图1所示，一束经过聚焦的脉冲激光作用到芯片的塑封材料上，当激光束的功率密度达到108W/cm2，所产生的高温使激光作用点处的塑封材料等离子体化[3]，在表面形成一个“凹坑”。激光束通过振镜的偏转在芯片表面作面扫描，塑封材料就会被逐层等离子体化，直至露出键合丝或晶圆。开封过程中产生的等离子体冷却后形成的烟尘由排烟除尘系统实时排除。
　　文章试验使用的LD-01型激光开封机是一款自主研发主要应用于塑封芯片开封的专用设备，使用该设备对某芯片进行开封，前后效果如图2（a）（b）所示。
　　2 激光开封系统总体结构组成及工艺流程
　　激光芯片开封机主要由激光器、控制系统、光学系统、摄像系统和排烟除尘系统等部分构成，分别实现激光加工功能、Z轴升降调节功能、同轴共焦摄像[4]功能（含辅助照明）和排烟除尘功能等。
　　（1）激光器。激光器是激光开封系统的核心部件之一，经过不同波长激光器开封试验，确认实现塑封芯片开封效果较好的激光波长为1064nm。本试验使用的激光开封系统采用了进口高峰值功率、高光束质量的固体调Q激光器，最高平均功率为20W，输出重复频率可达15kHz～200kHz。通过调节激光输出的泵浦电流、重复频率等参数实现不同材料、不同厚度的芯片开封作业。
　　（2）控制系统。控制系统主要包括工控机和相关控制板卡，通过自主开发的激光开封软件实现对激光器、扫描振镜、变焦镜头以及升降工作台等部件的智能控制和影像数据的采集。
　　（3）光学系统。文章使用的激光开封系统实现了激光光路与影像光路的同轴共焦设计，即实现激光与相机镜头的主光轴重合，激光焦点与成像焦平面重合。光学系统是激光开封机实现可视化开封作业的关键部件。
　　（4）摄像系统。摄像系统通过对工作台面上的待开封芯片高清成像来实现可视化开封过程。文章采用的摄像机镜头可以实现最高十级光学放大，最大视场为50mm×50mm。因此，对不同大小的芯片设置不同的放大倍率，以获得最佳的可视化效果。
　　（5）排烟除尘系统。激光开封过程中产生的大量烟尘、废气等会对设备和操作人员的人身安全造成一定的威胁，需要通过独立的排烟除尘系统来排除烟尘、废气。
　　使用该套自主研发的激光开封系统，其操作工艺流程：首先将待开封芯片放置于工作台上并夹紧，电动调节工作台的高度直至获得芯片表面的清晰像，此时芯片也处于激光的焦平面上，调节相机的放大倍率以获得最佳的视场。再在芯片的像面上直接绘制开封区域图形，也可以根据导入的待开封芯片的X光图选定开封区域，这样可以进一步提高开封效率。选定开封区域后，根据芯片塑封层的材料、厚度等设置开封速度、激光功率、重复频率等参数，启动开封作业，待芯片键合丝露出后停止开封。具体流程图如图4所示。
　　在进行实际激光开封时，需要对样品模塑料EMC芯片进行不同开封工艺参数的尝试，即对图4所示的设置开封参数进行不同的组合，以达到较好开封的目的，但无论怎么设置，对于激光开封而言，其开封工艺参数基本在激光功率、重复频率和开封速度上，其他的参数可作为辅助参数进一步提高开封效率。
　　3 激光开封工艺研究