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
激光开封作为一种新型的芯片预开封工艺，可以显著提高芯片的开封效率和和开封速度，减轻环境污染。然而在实际的激光开封作业中，高峰值功率的激光束不仅可以汽化塑封层，也有可能对芯片键合丝或晶圆造成损坏，这样就会引入新的失效因素，因此，必须采用合理的开封工艺参数来保证开封效果。开封工艺参数主要包括激光功率、激光重复频率和开封速度（振镜扫描线速度）等。
（1）激光功率。文章使用的激光器通过调节泵浦电流的大小，在重复频率不变的条件下，激光输出的平均功率和峰值功率都随着电流的增加而增大。在激光开封过程中，功率过小会导致开封速度缓慢甚至无法实现“开封”作用，功率过大容易造成芯片键合丝或晶圆的损伤，如图5（a）、（b）所示。文章经过实验研究，结果表明设置泵浦电流为4A～4.5A，对应激光功率5W～10W时，可以获得较为理想的开封效果，同时保证开封速度和避免对芯片内部结构的损害。具体的激光功率参数还要依据待开封芯片的厚度来确定。
（2）重复频率。重复频率即单位时间内激光器输出的脉冲数目，文章采用的固体调Q激光器的峰值功率主要由重复频率决定，在泵浦电流一定的条件下，激光的平均功率随重复频率的增加而上升，而峰值功率随重复频率的增加而下降。在激光开封过程中，保持泵浦电流不变，在低频条件下开封效果较为理想，提高重复频率，开封速度减慢且开封效果变差，芯片发热量显著增加。当重复频率超过50kHz时，芯片表面呈现局部熔化现象，基本无法实现“开封”作用，这是由于当重复频率提高到一定程度，激光脉冲的峰值功率不足以使塑封材料等离子体化而全部转化为热效应。文章经过实验研究，结果表明，当激光重复频率为20kHz～30kHz时，开封区域表层平整，芯片发热量较小，具有较为理想的开封效果如图5（c）、（d）所示。
（3）开封速度。开封速度即振镜扫描线速度，激光开封过程是通过激光束在开封区域的逐行线扫描实现的，当全部开封区域扫描完成即实现了“一层”的开封。开封速度决定了激光束在开封区域单位面积上的作用时间，开封速度越快，激光在开封区域内的作用时间越短，去除的塑封材料也越薄，但完成一层扫描的时间越快。在实际的开封作业中，要根据芯片塑封层的厚度和开封区域的大小来设置合适的开封速度。对于塑封层较厚的芯片，要适当减小开封速度，以增加单层开封的厚度；对于开封区域较大的芯片，要适当提高开封速度，减小单层开封的时间。文章的实验结果表明，设置开封速度为500mm/s～600mm/s，完成开封的层数为10～15层时，可以尽可能的减小激光对芯片内部结构的损伤，实现较为理想的开封效果。
通过以上工艺参数的对比研究，分别开展了对金丝、铜丝、铝丝键合的模塑料EMC芯片进行开封试验，研究表明，以露出键合丝为停止开封的判断，可以有效保护好键合丝，且不受键合丝种类的影响。
4 结束语
激光开封的目标是对芯片塑封材料进行分层精细化去除，同时避免激光对芯片内部键合丝和晶圆的损害。为了实现这个开封目标，需要对激光功率、重复频率和开封速度（振镜扫描线速度）这三个工艺参数开展广泛的实验研究。LD-01型激光开封机的开封实验结果表明，激光功率5W～10W、重复频率20kHz～30kHz和开封速度500mm/s～600mm/s是实现较好开封效果的工艺参数窗口。
参考文献
[1]田民波.电子封装工程[M].北京：清华大学出版社，2003.
[2]郁道银.工程光学[M].北京：机械工业出版社，2005.
[3]Runge ER， Minck RW， Bryan FR. Spectrochemical analysis using a pulsed laser source. Spectrochim. Acta. 1964，20：733.
[4]张素娟，李海岸.新型塑封器件开封方法以及封装缺陷[J].半导体技术，2006，7：509，511.
作者简介：张庸（1987-），男，工程师，湖北三江航天红峰控制有限公司，主要从事光机电产品研究。