如何使用MIP進行2.5D封裝解封

隨著半導體器件的質量和可靠性標準越來越高，高度集成、復雜的封裝解決方案正在被采用，因此在失效分析中對解封提出了更高的要求。

圖1

2.5D封裝是傳統(tǒng)2D IC封裝技術的進步，可實現更精細的線路與空間利用。在2.5D封裝中，裸片堆疊或并排放置在具有硅通孔（TSV）的中介層頂部。其底座，即中介層，可提供芯片之間的互聯。

3D晶圓級封裝，包括CIS發(fā)射器、MEMS封裝、標準器件封裝。是指在不改變封裝體尺寸的前提下，在同一個封裝體內于垂直方向疊放兩個以上芯片的封裝技術，它起源于快閃存儲器(NOR/NAND)及SDRAM的疊層封裝。

隨著半導體器件的質量和可靠性標準越來越高，必須采取廣泛的措施來確保滿足這些標準。與此同時，高度集成、復雜的封裝解決方案（包括各種新材料和結構）正在被采用，以實現以前通過硅縮放所滿足的經濟和性能優(yōu)勢。這些因素要求使用高度先進的工具來分析潛在的故障，這通常需要物理訪問芯片。在失效分析中獲得明確的結果在很大程度上取決于樣品制備的質量，例如選擇性地去除封裝材料，同時保留鍵合線，重新分布金屬、焊盤、鈍化、芯片和原始失效部位。

?傳統(tǒng)的解封方法

由于堆疊結構和相對較小的封裝與芯片尺寸比，當使用涉及酸或基于四氟化碳（CF4）的反應離子蝕刻（RIE）系統(tǒng)的傳統(tǒng)技術時，復雜的3D堆疊芯片封裝的解封似乎非常具有挑戰(zhàn)性。后兩種技術具有固有的局限性，這在包含3D結構的高級軟件包中尤為明顯。

傳統(tǒng)的酸解封裝很容易由于過度暴露于酸而損壞頂層芯片和鍵合線，而中間和底層結構則保持未曝光。使用酸解封裝時，保持封裝周邊以在特定測試插座中進行進一步的電氣測試也非常具有挑戰(zhàn)性。上面的功能照片比較了酸解封裝（左）和MIP解封裝后的26mmx29mm SiP模塊。標有“酸”的圖像表示系統(tǒng)級封裝（SiP）模塊的酸解封裝引起的過度蝕刻和腐蝕損壞。

使用傳統(tǒng)的基于CF4的反應離子蝕刻（RIE）解封裝，使得到達中層和底層結構變得更加困難。此外，CF4經常對鈍化層和硅晶片造成過度蝕刻損傷，因為這些材料很容易在氟等離子體中蝕刻。常用的RIE等離子系統(tǒng)中的高能離子轟擊會損壞設備的電氣功能，從而無法進行下一步的分析步驟。總而言之：使用基于酸或CF4的等離子體解封方法可能會引起原始結構的損壞或改變，并可能在根本原因失效分析期間引入腐蝕、過度蝕刻和外來污染，從而降低分析精度和置信水平。

?微波誘導等離子體解封

為了克服傳統(tǒng)解封技術的局限性并實現無偽影的樣品制備，基于新型低功耗（P<100W）大氣壓微波誘導等離子體（MIP）開發(fā)了全自動解封機。MIP 工具的高度受限等離子束在等離子余輝中產生高通量的中性氧自由基，有助于實現金、銀、銅和硅芯片等常見引線鍵合材料的高模塑料蝕刻速率和高蝕刻選擇性。如前所述，常壓純氧MIP蝕刻可以實現模塑料對線材/焊盤/鈍化/模具的高選擇性。沒有離子轟擊和微波雜散場對于防止損壞封裝內的器件至關重要。已經證明，半導體器件在使用MIP工具解封封裝后仍保持完全功能。

MIP 工具由一個低功耗微波發(fā)生器 （2450 MHz）、一個定制的 Beenakker 型微波諧振腔、一個氣體放電管、質量流量控制器、一個攝像頭、一個可編程 XYZ 級、清潔單元和干燥單元組成（圖 2）。

圖 2.MIP系統(tǒng)的示意圖

MIP 過程分兩步執(zhí)行。在第一步中，模塑料中的環(huán)氧樹脂被MIP流出光束中的高密度氧自由基選擇性地去除。在第二步中，在超聲波去離子水浴中除去二氧化硅填充劑顆粒的剩余團聚層。重復這種蝕刻-清潔-干燥循環(huán)，從而能夠逐層去除環(huán)氧樹脂模塑料，同時保留中的功能組件和原始故障部位。

圖3示出了所描述的MIP解封工藝流程。在MIP處理之前不一定需要樣品制備。然而，為了優(yōu)化工藝并減少整體解封時間，使用激光燒蝕或銑削方法去除頂絲環(huán)上方的散裝模塑料是有幫助的。圖3a顯示了激光燒蝕后的封裝，然后通過圖3b中的MIP蝕刻，并在圖3c中的去離子水中清潔以除去填充物顆粒。

圖 3.無鹵MIP解封的工藝流程，顯示a）激光燒蝕后的封裝表面，b）隨后進行MIP蝕刻，以及c）隨后在去離子水中超聲清洗以除去SiO2填料顆粒。d） 完全解封的樣品。

MIP解封裝工藝的蝕刻化學和隨后的高選擇性消除了過度延伸的風險，并有助于去除封裝材料，同時確保鍵合線、鍵合焊盤、芯片、原始結構和失效部位保持在極好的狀態(tài)。圖1中標記為MIP的圖像說明了使用MIP的SiP模塊中所有有源和無源器件的無偽影曝光。圖4顯示了SiP模塊上解封3D結構的更詳細圖像。

圖 4.MIP解封裝后SiP模塊中第一層（a）和第二層閃存堆疊芯片（b）上的光學顯微鏡圖像

?使用 MIP 進行 2.5D 封裝解封

作為MIP工具持續(xù)應用開發(fā)的一部分，最近將重點放在2.5D封裝上，證明MIP工藝選擇性地去除了2.5D封裝上或兩個模具之間的有機材料，例如環(huán)氧模塑料、底部填充物或聚酰亞胺，以實現進一步的分析步驟。2.5D 轉接板芯片或 3D NAND 芯片上的銅微凸塊、焊點、芯片焊盤曝光（自上而下或橫截面曝光）是 MIP 與傳統(tǒng)解封技術相比具有獨特功能的領域。

例如，使用傳統(tǒng)的解封裝方法很難暴露轉接板互連，因為層壓板、芯片凸塊和μ浮標會受到濕化學品的腐蝕。基于氟碳的等離子體蝕刻器將腐蝕鈍化層，金屬層和芯片硅。與此相反，大氣壓力MIP是一種高度選擇性和各向同性的過程，可以暴露轉接板互連，同時保留所有材料和原始故障點，從而允許進行后續(xù)的仔細分析。

使用大氣壓MIP工藝去除2.5D結構上方或周圍的底部填充物不會改變樣品上的所有其他材料。μBumps也可以從上到下或在橫截面上干凈地暴露出來（圖5），從而能夠分析進一步進入橫截面的缺陷，同時保證樣品制備不會引起偽影。

圖 5.（a）MIP處理在橫截面中暴露了第一排μpillars，（b）MIP工藝能夠將第二行暴露到樣品中，其中第一排μpillar被機械拋光成。

去除硅轉接板上緊密間隔的芯片之間的封裝材料是相當具有挑戰(zhàn)性的。MIP 能夠從這些非常高的縱橫比空間中去除封裝材料，從而可以在互連故障高風險區(qū)域檢測硅轉接板中的導電跡線。

圖 6.（a） 高帶寬存儲器 （HBM） 包覆成型和周圍底部填充物的光學圖像。（b） MIP處理后的HBM光學圖像去除了轉接板上和頂部芯片之間的包覆成型和底部填充。

大氣壓力MIP系統(tǒng)是無偽影解封的獨特工具，可實現無可爭議的故障識別。該系統(tǒng)的高蝕刻選擇性、速度和可重復性可實現復雜的高級封裝解封，確保相關故障分析和可靠性調查的高成功率。

編輯：黃飛

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