從塑料封裝組件中恢復半導體裸晶片的方法

2023-09-20 07:30:50

專利名稱：從塑料封裝組件中恢復半導體裸晶片的方法
技術領域：
本發明涉及塑料密封的半導體晶片，更具體地說，本發明涉及一種在不對該晶片造成任何損傷的情況下從密封該晶片的塑料封裝組件中恢復該半導體裸晶片的打開方法。結果，應用該方法可恢復具有充分的功能和可測試性的裸晶片，該晶片可用於任何目的，例如用於檢驗/觀察、分析或重新利用(可能是在修復之後)。本發明的方法可用於任何塑料封裝的組件。甚至當該半導體晶片被澆鑄於一種抗已知的刻蝕技術的塑料密封樹脂中時也是如此。
對於塑料封裝元件(在典型情況下是半導體晶片)的結構和失效分析來說，除去塑料封裝外殼的技術是絕對必要的。特別是在失效分析的情況下，對一種有缺陷晶片的起因的鑑別意味著該打開方法要保留集成於該晶片中的器件和金屬性互連繫統的充分的完整性。同樣，為了產品的可靠性、物理設計的有效性和對器件結構圖形的鑑別的目的從物理意義上來評價超大規模集成電路器件經常是必要的。最後一點是，由於一些供應商甚至不願出售裸晶片，因此目前在商品市場上可檢驗的裸晶片的大量供應是不能保證的。以上所述的這種情況已迫使一些組件製造者購買封裝好的晶片並在很高的成本下將晶片分解開來進行重新利用。裸晶片的質量是這些組件製造者考慮的主要問題，這是因為他們不想看到已恢復的裸晶片不具有為進行重新利用所需的全部功能。因為該打開方法不但必須使該晶片保留其全部功能，而且必須使該晶片處於可供測試的良好狀態，故除了晶片的功能方面的考慮外，晶片的可測試性也是一個主要的考慮方面。因此，要解決的基本問題是發展一種可靠的打開塑料封裝組件的方法，應用該方法可在不改變其物理和電的完整性的前提下恢復封於組件中的半導體(在典型情況下是矽)裸晶片。
應用熱的發煙硝酸的溼化學方法廣泛地用於用氮化矽(Si3N4)和/或氧化矽(SiO2)進行鈍化的矽晶片。當矽晶片是用聚醯亞胺進行鈍化時，因為硝酸對聚醯亞胺材料造成損傷從而不能保留晶片的原有功能(在聚醯亞胺鈍化的情況下只用手工拋光)，故上述溼化學方法不能應用。當很硬的、抗腐蝕的塑性樹脂作為澆鑄化合物用於密封晶片時，對於用SiO2/Si3N4進行鈍化的矽晶片來說近來出現一個更具體的問題。舉例來說，TOSHIBA KE 2000H塑性樹脂屬於這一類。該塑性樹脂在密封性、可靠性和純度(汙染物含量極少)方面具有良好的性能。但遺憾的是因為這種塑性樹脂能完全地耐包括熱發煙硝酸在內的所有的酸的腐蝕，故在不損傷被密封的晶片的情況下將其完全去除顯然是一個非常困難的任務。


圖1示出一個常規的SOJ(小外形J狀引線)型的塑料封裝組件，在該組件內澆鑄入一個半導體晶片。圖1(A)示出該塑料封裝組件的一個去除了部分塑料封裝的剖面圖，圖1(B)示出該組件的截面圖，以及圖1(C)示出在該晶片的終端連接系統附近的局部放大示意圖。現在回到圖1，在圖1中示出一個常規的、封入一個有源面朝上安裝的矽晶片11的塑料封裝組件10。該塑料封裝組件10具有許多條延伸通過塑料密封樹脂13的引線框導體12，該導體12最好通過一層複合聚合物14粘結到該矽晶片11上。在典型情況下，該複合層由一種分層結構組成，該分層結構由一個底部的聚醯亞胺聚合物層14a粘到一個第一阻擋層14b上而形成。該第一阻擋層是一個熔點大於175℃的、不含有離化物質的聚合物材料薄膜。一種可用作第一阻擋層的聚合物材料是KAPTON(Dupont公司的商標)。直徑為30μm的金線15用熱超聲法鍵合在該引線框的每條導體與該晶片的接觸區之間。此外，如該引線框導體散發出多餘的、會對該晶片造成損傷的熱量的話，可看出該複合聚合物層14顯然是有用的。
在圖1的放大視圖(C)中示出金線15鍵合到晶片11上的終端連接系統附近的較詳細的結構。現在轉到圖1(C)上來，在圖1(C)中示出一個由矽襯底16(其中形成有源/無源器件)直至包含鎢柱(未示出)的磷矽玻璃(PSG)組成的標準矽晶片11。第一金屬化層(M1)由分型面17來表示。在該分型面17上形成一個鈍化層18。在典型情況下，根據本發明的範圍，正如本領域的一般技術人員所知道的，該鈍化層18是由諸如氮化矽(Si3N4)和/或二氧化矽(SiO2)等的無機材料製成的。在該鈍化層18中形成一個開口或通孔。在該通孔內形成第二金屬化層(M2)並導致成為一個金線15鍵合在其上的接觸區19。舉例來說，按照一種用於製造16兆位DRAM晶片的先進的CMOS技術，該第一和第二金屬化層分別由下述複合冶金化層組成Ti-AlCuSi-TiN-Si和Ti-AlCuSi-TiN。金線15的另一端鍵合到引線框(未示出)的內引線或導體12之中的一條上。當金線15用熱超聲法鍵合到晶片接觸區19上時，在該處形成一個球狀的連接點20，這一點從圖1的放大視圖(C)中可清楚地看出。
在圖1的最佳實施例中，晶片接觸區19位於沿縱向的晶片11的中心區域內。如是這樣的話，圖1所示的塑料封裝組件10在許多方面是很有吸引力的。該複合聚合物層14除了起到其作為第一阻擋層的作用處，它與導體12(它復蓋該晶片表面的很大的部分)結合在一起有利於晶片產生的熱量的發散。此外，短的連接線15有助於晶片的較快的響應。這種特殊的將晶片/封裝結合起來的技術在共同轉讓的美國專利4 796 098和4 862 245中進行了描述。該技術廣泛地用於1、4和16兆位DRAM晶片的封裝(在後者的情況下，包含晶片接觸區的中心區域是在橫向上而不是如圖1所示那樣在縱向上)，目前該技術被稱為A-線(A代表區域-窗口)。
現在結合圖2和圖3來描述一種能除去諸如TOSHIBA KE 2000H(它廣泛地用於上述先進的半導體存儲器產品的封裝)那樣的硬的澆鑄樹脂的常規打開方法的不同工藝步驟。
圖2示出在該打開方法的不同階段的圖1的組件10的情況。圖3(A)和圖3(B)是示出等離子刻蝕前後在晶片終端連接系統附近的放大視圖的微照片。值得注意的是在常規的打開方法中根本不用熱發煙硝酸。
1)用一種金屬磨盤(粒度為60μm，轉速為300rpm)和一種諸如PRESI Mecapol P 250的常規手動拋光器對圖1所示的組件10的頂部表面進行粗磨直到達到引線框為止。最好對本步驟進行監測以免對頂部表面進行過份的拋光，因為這樣做會損壞終端連接系統。在本拋光步驟中調整組件頂部表面對於磨盤的平面度是可取的。本步驟完成後得到的組件示於圖2(A)。
2)用一對鑷子簡單地從組件10處除去引線框。本步驟完成後得到的組件示於圖2(B)。
3)繼續進行拋光以除去複合聚合物層14。應用與步驟1)同樣的金屬磨盤來除去K APTON頂部層14b。最好用具有較小粒度(如9μm)的金屬磨盤來除去底部的聚醯亞胺層14a。必須對本拋光步驟進行仔細的監測，必須在侵蝕防護性的鈍化層18之前停止拋光。本步驟完成後得到的組件示於圖2(C)。因為密封塑性樹脂13比聚合物材料層14硬得多，一旦後者已被全部除去，仍然留下少量的塑性樹脂13復蓋在晶片的中心區域，這種復蓋層不利於晶片分析，尤其是因為它妨礙對晶片的直觀觀察。圖3(A)的微照片示出埋於在拋光步驟之後遺留的塑性樹脂復蓋層內的球狀連接點20的襯墊狀部分。
4)除去這種遺留的塑性樹脂復蓋層通常需要兩個子步驟，即第一個相對來說較粗的拋光步驟和第二個精細的氧等離子刻蝕步驟。因為已知無機材料對氧等離子體是敏感的，故後者的子步驟必須在儘可能最短的時間內進行。
在子步驟4-1中，用一種布盤(粒度為6μm)和一種拋光劑(Buehler Diamond……)對組件頂部表面進行軟性拋光以除去該遺留的塑性樹脂復蓋層的絕大部分。同樣，必須注意避免對下面的鈍化層18造成任何損傷，從而來保留晶片的全部功能。
在子步驟4-2中，在一種各向同性的RIE刻蝕機中對經過上述子步驟4-1的組件頂部表面進行在氧氣氛中的等離子刻蝕。也必須對本步驟進行仔細的監測。該刻蝕時間必須足以除去所有遺留的塑性樹脂復蓋層，但不能太長以免損傷上述鈍化層18。一種適合於完成該子步驟的RIE系統是PLASSYS MDS 150。主要的操作參數功率為850W，在30分的兩個周期內的氧流量為20cc。最後，在去離子水中衝洗晶片。從圖2(D)中可清楚地看出，在該工藝的這個階段，該晶片仍然部分地被澆鑄於該塑性樹脂內，即該樹脂密封晶片11的無源面和側壁。圖3(B)的微照片示出在該工藝的這個最後階段仍保持鍵合到晶片接觸區的狀態的襯墊狀部分(當成功地完成所有步驟時)。
這種常規的打開方法有一些不便之處。必須對目的在於除去聚合物層14和至少部分地除去遺留的塑性樹脂復蓋層的拋光步驟進行非常精確的控制，以避免破壞晶片終端連接系統(該系統的完整性對於可測試性來說是很需要的)以及損傷鈍化層(為了保留晶片中的器件功能)。此外按照本方法，等離子刻蝕是必要的，因此就需要一臺昂貴的等離子RIE刻蝕機。該等離子刻蝕子步驟的持續時間相對來說較長(1小時的工藝持續時間)以及因為氧等離子體易於損傷SiO2/Si3N4的晶片鈍化層18，故需要對等離子刻蝕進行精確的控制。事實上，要除去在中心區域的所有遺留的塑性樹脂復蓋層是不可能的，因此晶片的可測試性經常小於10%。此外，已廣泛地觀察到有害的汙染效應。汙染是由於周圍的塑料的存在而產生的，這種塑料引起RIE刻蝕機內壁的汙染並在其後也汙染掃描電鏡(SEM)裝置。作為最終的結果，上面描述的常規的打開方法引起很多顧慮結果因操作者而異、成功率低、樣品準備時間長以及終端連接系統經常被損壞。此外，當晶片的尺寸變大時該方法變得更困難，這一點意味著在較近的將來可預料本方法的效率是低的。因此，這種常規的打開方法在許多方面是不能令人滿意的。
因此本發明的第一個目的是提供一種對晶片的功能性和可測試性不造成損害的從塑料封裝組件中恢復半導體裸晶片的方法。
本發明的第二個目的是提供一種可以完全除去塑料密封樹脂的從塑料封裝組件中恢復半導體裸晶片的方法。
本發明的第三個目的是提供一種保留終端連接系統的完整性的從塑料封裝組件中恢復半導體裸晶片的方法。
本發明的第四個目的是提供一種可應用於任何類型的塑料密封樹脂的從塑料封裝組件中恢復半導體裸晶片的方法。
本發明的第五個目的是提供一種很簡單和廉價的從塑料封裝組件中恢復半導體裸晶片的方法。
本發明的第六個目的是提供一種對晶片以及工藝/檢驗設備不會引起任何汙染的從塑料封裝組件中恢復半導體裸晶片的方法。
本發明的第七個目的是提供一種可實現完全自動化的從塑料封裝組件中恢復半導體裸晶片的方法。
本發明的打開方法的目的在於從澆鑄矽裸晶片的塑料封裝組件中恢復無損傷的矽裸晶片。對於下述這樣一種類型的塑料封裝組件，其中晶片具有通過引線鍵合連接到引線框的導體的接觸區以及晶片被澆鑄於一種抗熱發煙硝酸腐蝕的塑料密封樹脂內，上述打開方法基本上包括以下步驟1)從上面開始對組件進行拋光直到露出引線框為止;
2)除去引線框;
3)從背面開始對組件進行粗拋直到露出矽晶片的無源面為止;
4)把經過上述步驟的組件沉浸在溫度在約80℃至150℃之間的熱發煙硝酸中維持一段約4分至10分之間的時間;
5)立即冷卻經過上述步驟的組件以建立一個熱衝擊，這樣一來所有的塑料密封樹脂的遺留部分均被除去，只留下所要的矽裸晶片。
在可能是最後一個步驟的清洗步驟後，就可以對晶片進行分析。
如果要進行電測試的話，就輪到要除去球狀的連接點，通過把晶片浸在一種汞浴中的方法來露出晶片接觸區。這一步驟可根據需要選擇進行。
在最佳實施例中，通過將組件沉浸在純的溫度為120℃的熱發煙硝酸中維持8分，然後在環境溫度下把壓縮空氣吹到晶片上來冷卻組件的方法來建立熱衝擊。
本發明的方法可在不損傷晶片(特別是其鈍化層)的情況下除去全部塑料密封樹脂，由此來保留晶片的功能。因為不再有任何遺留的塑性樹脂復蓋在晶片的中心區域上，從而晶片的可測試性達到最大(100%)。
在以下的權利要求書中陳述了本發明的被認為是新穎的特徵。通過參照以下的一個說明性的實施例的詳細描述並結合附圖可以很好地理解本發明本身及其另外的目的和優點。
圖1示出一個常規的SOJ(小外形J狀引線)型的塑料封裝組件(一個半導體晶片被澆鑄於其中)。圖1(A)示出除去了一部分塑料封裝的塑料封裝組件的一個剖面圖，(B)示出該組件的一個截面圖，以及(C)示出在晶片終端連接系統附近的一個放大了的示意圖。
圖2示出按照從塑料封裝組件中恢復裸晶片的先有技術的一個常規方法在不同的工藝階段的圖1所示的組件的情況。
圖3(A)和(B)是示出按照該常規方法在等離子刻蝕步驟前後晶片終端連接系統的放大圖的微照片。
圖4示出按照本發明的方法的一個最佳實施例在不同的工藝階段的圖1所示的組件的情況。
圖5(A)和(B)是示出在金的球狀連結點已被除去的前後晶片終端連接系統的放大圖的微照片。
現在結合說明不同工藝步驟的圖4來描述本發明的方法的一個最佳實施例。
1)把標號為10的組件夾緊在一個手持的工件夾具中或固定到該拋光裝置的一個臂上。把組件放到面朝下的拋光碟處。在具有粒度為從120至200μm(不是臨界的)的一個旋轉的金剛石金屬磨盤上對組件10的頂部表面進行拋光以除去塑料密封樹脂13的頂部。繼續進行拋光直到露出引線框的金屬導體12為止。操作條件與上面給出的關於常規方法的操作條件是相同的。圖4(A)說明在該工藝的這個階段的組件10。
2)從圖4(B)中可清楚地看出，如標準方法那樣用鑷子除去引線框。現在可對組件頂部表面進行一個精細的附加拋光步驟以除去在引線框下面的膠粘物的痕跡。這一步驟可根據需要選擇是否進行。
以上的步驟1和2與上述常規打開方法的相應步驟是完全相同的。但是步驟1不需要進行仔細的監測。對於引線框是否損壞是不關心的。事實上，甚至可以允許拋光到KAPTON薄層14b(見圖1)。
3)然後，按照本發明的內容，用與步驟1)中所述的類似操作條件完成在組件10的背面的粗拋。一種粒度為120μm的磨盤足以除去塑料密封樹脂13直到露出半導體晶片11的無源面為止。可通過測量遺留的樹脂厚度或通過光探測來自動地進行監測。圖4(C)中示出在步驟3)結束時的組件。
4)現在仍按照本發明的內容進行一個對該組件的熱衝擊的主要步驟。最好是在以下三個相繼的加熱、冷卻和加熱的子步驟中來完成該熱衝擊。
按照子步驟4-1，把該組件沉浸在一個含熱發煙純硝酸的容器內，該容器被放置於一個溫度升至約120℃的熱板上。該子步驟的持續時間約8分。雖然在有些情況下，常用加熱可能就足夠了，但應用發煙硝酸已證明是很有效的，原因是應用發煙硝酸與加熱結合在一起在本步驟的終了時(正如將要解釋的那樣)可全部除去塑性樹脂13。
在子步驟4-2中，迅速地使加熱了的組件10受到一個快冷卻過程。舉例來說，將一種壓縮氣體(例如空氣或一種中性氣體)在較低的或環境溫度下吹到組件上。在子步驟4-2的終了時，全部或幾乎全部遺留的塑性樹脂部分發生破裂，只保留無任何損傷的裸晶片。
在子步驟4-3中，再次將該晶片沉浸在熱發煙硝酸中。實施本步驟是為了更徹底地除去可能在本方法的這個階段遺留的任何塑料殘餘物。熱板的溫度仍約為120℃，持續時間約3-4分。
最後將裸晶片放在去離子水中衝洗，然後如標準方法那樣用一種浸於丙酮中的複製薄膜進行清洗。至此就可以進行對於晶片的觀察/分析。在本工藝的這個階段，正如圖4(D)示出的那樣，在無損傷的情況下恢復了裸晶片。從圖5(A)的微照片中可以清楚地看出，與上述常規方法的結果相反，在本發明的方法的結果中晶片終端連接系統沒有損壞。
5)如現在需對晶片進行測試的話，則要除去金的球狀連接點。為此目的，讓晶片11以有源面朝下的方式浮在一個攪拌的汞浴上，在一段有限的時間周期內(例如約45分)維持該汞浴的攪拌，這樣來使金線15和球狀連接點20不被全部除去，而只是保留在該處露出的鍍一層薄金的晶片部分，這一點從圖5(B)的微照片上可看得很清楚。這一步驟對於改善晶片的可測試性來說是很需要的，這是因為否則的話用一個探針尖端來接觸如圖5(A)所示的終端連接系統的遺留部分將是很困難的。相反地，用上述探針尖端來接觸露出的相對來說較平坦的和大的接觸區是很容易的。最後，如標準方法那樣用一種複製薄膜(乙醯纖維素)對晶片11進行清洗。
應用本發明的方法可除去在用SiO2或Si3N4鈍化的集成電路晶片的範圍內的任何類型的塑料密封樹脂。本方法不適用於用聚醯亞胺鈍化的晶片。從已用本發明的方法處理過的組件中可得到表現出100%的功能性和可測試性的晶片。特別是，晶片的接觸區未被剝蝕，可用測試探針來進行良好的電接觸。除此之外，在晶片的功能性方面來說，沒有觀察到物理的或電的退化現象。本發明的打開方法對於將已恢復的裸晶片用於檢驗/觀察或失效分析的目的來說已證明是非常有用的。但當為了重新利用(可能在經過修復之後)的目的而恢復晶片時，本方法也是很有利的。相對於以往的工藝方法來說，本發明的方法保持了晶片終端連接系統的完整性。此外，晶片無任何汙染(沒有塑料殘餘物)。本發明的打開方法是比較簡單的和廉價的(不需要RIE刻蝕機)，並已顯示出高達100%的成功率。
本發明的方法適用於諸如小外形J狀引線(SOJ)外殼、塑封有引線晶片載體外殼(PLCC)、小外形外殼(SOP)等許多類型的塑料封裝組件。上述的打開方法也可直接應用於許多別的類型的電子元件。
權利要求
1.一種從一種類型的塑料封裝組件(10)恢復一個無損傷的半導體裸晶片(11)的方法，在該類型的塑料封裝組件(10)中該晶片的接觸區(19)通過鍵合的金屬引線(15)連接到一個引線框的導體(12)上以及該晶片被澆鑄於一種耐發煙硝酸腐蝕的塑性密封樹脂(13)中，上述打開方法的特徵包括以下步驟a)從上面開始對該組件進行拋光直到露出引線框的導體為止；b)除去引線框；c)從背面開始對該組件進行粗拋直到大致露出該矽片的無源面為止；d)在不對該晶片的功能性產生有害影響的情況下加熱經過上述處理的組件至高於約80℃的溫度並維持一個確定的時間周期；e)立即冷卻上述組件以建立一個熱衝擊，由此除去所有該塑料密封樹脂的遺留部分並保留所需要的矽裸晶片。
2.權利要求1的方法的特徵還包括以下步驟f)除去在上述晶片接觸區附近的引線。
3.權利要求1或2的方法的特徵在於加熱經上述處理的組件的上述步驟d)由以下子步驟組成d1)把該組件沉浸在一個溫度升到約80℃至約150℃之間的熱發煙硝酸的浴鍋中維持一段約4分至約10分之間的時間。
4.權利要求1、2或3的方法的特徵在於建立一個熱衝擊的上述步驟e)由以下子步驟組成e1)在環境溫度下吹壓縮空氣。
5.上述任何一條權利要求的方法的特徵在於步驟f)存在於將該晶片浸在一個攪拌的汞浴中維持約45分。
全文摘要
本發明的方法尤其較適用於這樣一種類型的塑料封裝組件(10)，其中晶片(11)的接觸區通過引線鍵合連接到引線導體(12)以及該晶片被澆鑄於一種抗腐蝕的樹脂中。所述方法包括以下步驟a)從上面開始對該組件(10)進行拋光；b)除去引線框；c)從背面開始對該組件進行粗拋光；d)把經過上述處理的組件沉浸在一個溫度升到約120℃的熱發煙硝酸浴鍋中並維持約8分鐘；e)立即通過在環境溫度下吹壓縮空氣於其上來冷卻經上述處理的組件。
文檔編號G01R1/04GK1108808SQ9411343
公開日1995年9月20日 申請日期1994年12月31日 優先權日1994年2月22日
發明者P·達米奧特 申請人:國際商業機器公司