隨著汽車電子、工業(yè)控制及功率器件等領(lǐng)域?qū)Π雽?dǎo)體可靠性要求的不斷提高，封裝失效分析面臨著更大的挑戰(zhàn)。新型高可靠封裝結(jié)構(gòu)采用了更加復(fù)雜的材料和設(shè)計(jì)，例如使用銅線或銀線鍵合、多芯片堆疊封裝以及高耐溫的新型模塑料等。然而，傳統(tǒng)的芯片開(kāi)封技術(shù)（如酸腐蝕開(kāi)封或含CF4氣體的等離子刻蝕）在處理此類復(fù)雜封裝時(shí)逐漸暴露出局限：選擇性差、易損傷內(nèi)部結(jié)構(gòu)或腐蝕金屬互連，從而影響失效分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和可信度。針對(duì)這些挑戰(zhàn)，新一代等離子開(kāi)封技術(shù)——尤其是無(wú)CF4的微波誘導(dǎo)等離子（CF4-Free MIP）開(kāi)封——正展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

傳統(tǒng)酸腐蝕與CF4等離子開(kāi)封的局限

傳統(tǒng)化學(xué)酸/激光開(kāi)封依賴濃硝酸、發(fā)煙硫酸等強(qiáng)酸腐蝕塑封體。但在多層或敏感器件中，酸開(kāi)封往往難以控制腐蝕深度：頂部晶粒和鍵合線容易因過(guò)度腐蝕受損，而底部芯片可能仍被封裝材料覆蓋。例如，酸開(kāi)封常導(dǎo)致銅線、銀線等鍵合線被直接溶解或腐蝕，使關(guān)鍵的內(nèi)部連接無(wú)法保留。此外，酸液還可能侵蝕封裝外圍結(jié)構(gòu)，影響后續(xù)將器件裝入特定測(cè)試座繼續(xù)功能驗(yàn)證的可能。強(qiáng)酸試劑本身也對(duì)操作人員和環(huán)境造成潛在危害，需要嚴(yán)格的安全措施。

為避免化學(xué)腐蝕，一些傳統(tǒng)開(kāi)封改用含CF4氣體的等離子刻蝕（如RIE反應(yīng)離子刻蝕）。這種方法在去除塑封料的同時(shí)引入氟等活性種，可以在一定程度上保護(hù)金線等惰性金屬。然而，對(duì)于厚封裝層或多階結(jié)構(gòu)（如3D疊層封裝），CF4等離子開(kāi)封同樣面臨困難：受封裝厚度和結(jié)構(gòu)臺(tái)階影響，中下層結(jié)構(gòu)難以充分暴露。除此之外更為嚴(yán)重的是，CF4等離子中的活性氟原子會(huì)攻擊芯片表面的鈍化層（如Si3N4）以及硅晶圓本身，造成過(guò)度刻蝕損傷。常規(guī)RIE系統(tǒng)中的高能離子轟擊還可能破壞芯片的電功能，導(dǎo)致器件在開(kāi)封后無(wú)法正常工作。綜合來(lái)看，無(wú)論是酸開(kāi)封還是含CF4的等離子開(kāi)封，都可能對(duì)器件原始結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損壞或改變，引入腐蝕、過(guò)蝕甚至外來(lái)污染物，降低失效分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和可信度。

CF4-Free微波等離子開(kāi)封

針對(duì)上述難題，業(yè)界開(kāi)發(fā)出了無(wú)CF4的微波誘導(dǎo)等離子開(kāi)封技術(shù)。相比傳統(tǒng)方法，這種先進(jìn)的開(kāi)封方案具有諸多優(yōu)勢(shì)：

•     無(wú)損傷暴露內(nèi)部結(jié)構(gòu)：微波等離子體主要依靠中性氧自由基進(jìn)行化學(xué)蝕刻，能選擇性去除有機(jī)封裝材料，而對(duì)鍵合金屬（如金、銅、銀）、焊盤(pán)鈍化層和硅芯片幾乎不產(chǎn)生刻蝕作用。由于沒(méi)有離子直轟，封裝內(nèi)的鍵合線、焊盤(pán)、芯片在開(kāi)封后完好如初，器件功能也保持正常。實(shí)驗(yàn)證明，采用CF4-Free微波等離子開(kāi)封可實(shí)現(xiàn)對(duì)銅線、銀線等新型鍵合材料以及芯片失效跡象的無(wú)損傷曝光。

•     避免腐蝕和污染：MIP開(kāi)封過(guò)程不使用強(qiáng)酸溶劑，且采用氧氣等離子而不使用CF4等鹵素氣體。這意味著不會(huì)產(chǎn)生例如氟化銅、氟化銀等腐蝕性副產(chǎn)物，避免了對(duì)銅線、銀線和鋁墊的化學(xué)腐蝕，也杜絕了氟化物殘留對(duì)器件的污染風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，無(wú)需處理劇毒化學(xué)品，大幅提升了實(shí)驗(yàn)室的安全性和環(huán)保性。

•     全自動(dòng)化的配方控制：現(xiàn)代微波等離子開(kāi)封設(shè)備配備了自動(dòng)化的XYZ平臺(tái)和過(guò)程控制軟件，可以預(yù)先設(shè)定工藝參數(shù)，一鍵完成開(kāi)封操作。由于擺脫了人工反復(fù)滴酸和目測(cè)判斷開(kāi)封終點(diǎn)的過(guò)程，設(shè)備間和批次間的開(kāi)封結(jié)果更為一致且高度可重復(fù)。研究表明，在汽車電子等嚴(yán)苛應(yīng)用中，MIP等離子開(kāi)封能夠保證失效分析的高成功率，并提供高度重復(fù)、再現(xiàn)的結(jié)果。這種穩(wěn)定性顯著降低了人為干預(yù)因素，提升了分析效率。

•     適用于復(fù)雜封裝結(jié)構(gòu)：CF4-Free微波等離子開(kāi)封已被用于諸多復(fù)雜封裝的失效分析，展現(xiàn)出傳統(tǒng)方法不具備的靈活性和成功率。例如，它可有效開(kāi)封多芯片疊層封裝（3D封裝）內(nèi)部的各層芯片，而不損傷任何一層的連接；也可局部去除封裝材料以定位局部故障。在某研究中，工程師將裸露銅線、樹(shù)脂重填、HAST老化等多種困難情形疊加于一個(gè)三層堆疊封裝中，結(jié)果O2等離子開(kāi)封成功逐層去除了封裝，并完整保留了預(yù)先埋入的微小污染物失效點(diǎn)。再如，對(duì)于BOAC封裝中直接暴露于鈍化層上的細(xì)微銅互連，只有MIP等離子開(kāi)封能在不損傷這些銅線的情況下清除覆蓋的塑封材料，傳統(tǒng)酸蝕或含氟等離子方法在此類案例中均無(wú)法避免損傷發(fā)生。這些應(yīng)用案例充分證明了MIP等離子開(kāi)封在復(fù)雜封裝失效分析中的可靠性和優(yōu)越性。

微波等離子開(kāi)封的原理與工藝靈活性

CF4-Free微波誘導(dǎo)等離子開(kāi)封（MIP）的基本原理，是利用微波能量在大氣壓下激發(fā)氣體產(chǎn)生高活性等離子體，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)塑封體的高選擇性去除。設(shè)備通過(guò)2.45 GHz微波發(fā)生器將能量耦合至定制的Beenakker型微波諧振腔，在其中激發(fā)出等離子體火焰，并由放電管引出一個(gè)受控的等離子射流。工作氣體通常為純氧氣，微波將氧氣電離產(chǎn)生高密度的氧自由基。這些中性氧自由基在大氣壓“后光”區(qū)域內(nèi)壽命長(zhǎng)、濃度高，能夠高效分解環(huán)氧樹(shù)脂等有機(jī)塑封材料。由于大氣壓下離子平均自由程極短，等離子蝕刻過(guò)程幾乎完全由化學(xué)活性主導(dǎo)，沒(méi)有高能離子轟擊帶來(lái)的物理?yè)p傷。這正是MIP工藝選擇性高且對(duì)內(nèi)部器件無(wú)損傷的根本原因。

為了兼顧對(duì)不同封裝的工藝適配性，MIP系統(tǒng)的氣體組成和流程可靈活調(diào)整。對(duì)于一般金線或銅線封裝，使用O2-only純氧等離子即可達(dá)到良好效果；而針對(duì)銀線等特殊封裝材料，引入少量氫氣可以有效抑制銀的氧化或鹵化物揮發(fā)，從而保護(hù)銀鍵合線在開(kāi)封過(guò)程中不被侵蝕。研究發(fā)現(xiàn)，在氧等離子中加入氫氣后，盡管對(duì)塑封料的刻蝕速率略有下降，但能夠阻止揮發(fā)性銀化合物的生成與分解，最終實(shí)現(xiàn)銀線在開(kāi)封后的完好無(wú)損。這種氣體化學(xué)的靈活控制，使MIP技術(shù)可以針對(duì)不同材料體系優(yōu)化刻蝕配方，拓展了應(yīng)用范圍。

微波等離子開(kāi)封過(guò)程通常分為刻蝕-清洗循環(huán)兩個(gè)步驟：第一步利用等離子體中的高密度氧自由基選擇性分解塑封料中的環(huán)氧樹(shù)脂，使其轉(zhuǎn)化為氣相產(chǎn)物逸出，封裝中原本包裹芯片的材料被逐層“燒掉”；此時(shí)殘留下來(lái)的惰性填料顆粒（如二氧化硅粉末）形成松散的骨架堆積在器件表面。第二步將樣品浸入超聲波去離子水中，以機(jī)械震蕩清洗方式去除這些松散顆粒，再對(duì)樣品烘干。一個(gè)循環(huán)完成后，如有需要可繼續(xù)執(zhí)行下一輪等離子刻蝕和清洗。通過(guò)這樣逐層交替刻蝕與清潔的方式，MIP開(kāi)封可以溫和地移除厚實(shí)的模塑料封裝，卻不傷及任何一層功能結(jié)構(gòu)或微小失效跡象。這種層析式開(kāi)封對(duì)多芯片堆疊結(jié)構(gòu)尤為有效，每次只去除上一層的封裝，確保下層芯片在適當(dāng)時(shí)機(jī)才暴露，極大地提高了對(duì)復(fù)雜封裝的分析成功率。

值得一提的是，MIP等離子開(kāi)封還可以與其他開(kāi)封手段組合以提高效率。例如，對(duì)于封裝體積特別厚或塑封料填充物含量極高的器件，可先用激光或CNC精密銑削去除大部分上層樹(shù)脂（俗稱“粗開(kāi)封”），然后再使用MIP進(jìn)行精細(xì)的等離子刻蝕和清洗，以加速開(kāi)封進(jìn)程。這種多工藝結(jié)合的方案既保持了等離子開(kāi)封的高選擇性和無(wú)損優(yōu)勢(shì)，又顯著縮短了總開(kāi)封耗時(shí)，體現(xiàn)出工藝上的靈活性。

結(jié)語(yǔ)

在高可靠封裝失效分析領(lǐng)域，等離子開(kāi)封技術(shù)（尤其是CF4-Free微波等離子開(kāi)封）憑借高選擇性、不損傷內(nèi)部結(jié)構(gòu)、自動(dòng)化高效和工藝靈活等優(yōu)點(diǎn)，正成為取代傳統(tǒng)酸蝕和鹵素等離子開(kāi)封的理想解決方案。大量案例驗(yàn)證了該技術(shù)能夠以更高的成功率和精度完成復(fù)雜封裝的開(kāi)封，同時(shí)將人為因素降至最低。對(duì)于追求卓越質(zhì)量的B端客戶而言，引入先進(jìn)的等離子開(kāi)封工藝，不僅有助于準(zhǔn)確還原故障真因、避免二次破壞，還能提升分析流程的一致性和安全性，為產(chǎn)品可靠性的提升提供了堅(jiān)實(shí)保障。通過(guò)等離子開(kāi)封技術(shù)的應(yīng)用，工程師能夠更從容地應(yīng)對(duì)當(dāng)今電子封裝快速演進(jìn)所帶來(lái)的失效分析挑戰(zhàn)，為高可靠電子產(chǎn)品保駕護(hù)航。