|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||| TECNOLOGIA

| 105

Análise estruturAl no CirCuito integrAdo Cd4007uB - Com o ProCesso metAlográfiCo

g.s. filipe1

resumo

Este artigo descreverá os procedimentos de ensaios de desencapsulamento em circuito integrado para estrutura DIP (Dual In-line Package) com o processo de desbaste mecânico na estrutura do chip CD4007UB da Texas Instruments. Este processo de desbaste mecânico é chamado de metalografia, com o intuito de analisar falhas no encapsulamento do circuito integrado, visualizar defeitos de processo de fabricação, análise estrutural dos transistores por efeito de campo (FET), comparar o elemento condutor do circuito integrado com o layout estrutural do fabricante, mostrar as estruturas de microeletrônica e de materiais: poliméricos, metálicos e semicondutores. Que acarretará para um futuro uso da microscopia eletrônica de varredura, diagnosticando características dos materiais e suas concentrações no circuito integrado.

Palavras-chaves: metalografia, Circuito Integrado, amostra, embutido.

ABstrACt

This article will pass the testing procedures of decapsulation in integrated circuit structure to DIP (Dual In-line Package) with the process of mechanical grinding on the structure of the CD4007UB chip from Texas Instruments. This process of mechanical thinning is called metallography, with the aim of analyzing failures in integrated circuit packaging, display defects in the manufacturing process, structural analysis of the field effect transistor (FET), compare the element driver integrated circuit with structural layout of the manufacturer showing the structures of microelectronics and materials: polymer, metal and semiconductor. That will lead to a future use of scanning electron microscopy, diagnosing characteristics of materials and their concentrations in the integrated circuit.

Key-words: metallographic, Integrated Circuit, sample, embedded.

1 Centro de Ciência, Tecnologia e Inovação do Pólo Industrial de Manaus (CT-PIM), e-mail: filipegon_a@yahoo.com.br

TECNOLOGIA ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||

106 |

1. introdução

Os níveis de confiabilidade dos pro-dutos eletrônicos vêm aumentando com o uso de sistemas de conformidade dos cir-cuitos até do componente integrado. Com o uso desses sistemas é possível encontrar o defeito por meio de testes elétricos de acordo com fabricante, porém os laudos técnicos dos defeitos fica restrito só com bases elétricos de forma que não se sabe em que parte internamente do compo-nente é afetada. Com o uso do processo de desencapsulamento poderá ser feito o laudo enviando ao fabricante do compo-nente dando detalhes estruturais do cir-cuito integrado por meio de uma análise metalográfica.

O processo de desbaste metalo-gráfico é considerado um estudo da mor-fologia dos metais.

“A PRÁTICA METALOGRÁFICA abor-da de uma forma compreensível todos os estágios da preparação de um corpo de prova para o ensaio micrográfico, através de uma sequência lógica e objetiva, forne-cendo ao metalografo subsídios teóricos necessários à perfeita execução do seu trabalho” (FAZANO, 1980).

Esta prática de desencapsulamen-to tem o seguinte procedimento: 1- ma-nuseio da amostra; 2- embutimento da amostra; 3- desbaste com lixas de SiC; 4- limpeza da amostra; 5- microscopia; 6- po-limento; 7- limpeza final; 8 - microscopia . As imagens desse processo serão abor-dadas com uso do software da Olympus chamado de ALYSIS. Descreveremos por meio planar a analisar uma estrutura do componente desde seu encapsulamento de epóxi até a estrutura semicondutora (veja figura 1).

Figura 1: Estrutura do circuito integrado.

Finalizando com uma abordagem ao uso da metalografia para meios de aná-lise de defeito e para aprendizagem técni-ca metalográfica para a microeletrônica.

2. métodos

2.1. Processo de desencapsula-mento

O processo da metalografia consiste em analisar um ponto incomum da maté-ria tanto macroscópico quanto microscó-pico. No circuito integrado (CI) a analise macroscópica será o encapsulamento e terminais e a analise microscópica será usado um equipamento chamado micros-cópio estéreo da Olympus modelo SZX16, quanto o metalográfico Olympus modelo BX51M e para ser analisados com estes equipamentos será feito um desgaste do encapsulamento.

2.2. manuseio da amostra

Ao manusear o componente terá que tomar precauções de proteção contra

|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||| TECNOLOGIA

| 107

descargas eletrostáticas, pois, se ocorrer a descarga nos terminais do chip a cons-tituição interna será modificada, logo sendo difícil análise da falha ocorrida no processo da indústria. Para estas devidas precauções, usará equipamento individu-al de proteção específica contra descarga eletrostática, como: luvas, bata e calca-nheira. Este procedimento só será usado para o momento do transporte do compo-nente para o interior do centro do molde de silicone, de maneira que sua face com código do componente fique em contato com o silicone, o molde mede 4,5 cm de diâmetro por 2 cm de profundidade, para o embutido.

2.3 embutimento do Ci

O embutimento consiste em envolver o componente com uma resina polimérica para ter o seu melhor manuseio e pode ser realizado pelo processo a quente ou a frio.

Pelo método ‘‘a quente’’ o componen-te é envolvido pela resina de epóxi em pó e que será prensado a uma temperatura pró-ximo a da fusão e resfriado posteriormente. Com este processo o componente estará em-butido em vinte minutos, porem a desvanta-gem de haver um embutimento com a tem-peratura elevadas as suas estruturas internas do ci tenderá a modificar.

Logo será usado o processo a frio com a finalidade de não modificar a estrutura pela ação térmica e pressão. O processo a frio será usado a resina poliéster e o polimerizante, com a seguinte adição de 25 ml da resina e 8 gotas de auto polimerizante dentro de um béquer, ao mexer com calma criará a solução homogênea amarelada clara transparente e posteriormente será adicionada no molde de silicone que estar o CI. Quanto mais tempo passar o processo de endurecimento, mais rígida e transparente ficará o embutimento (veja a figura 2).

Figura 2: Imagem do componente embutido.

Após dois dias de polimerização o em-butimento será registrado na lateral, com um pincel atômico descrevendo no embutimen-to: a amostra, o componente e a marcação do primeiro terminal do componente.

2.4. desbaste do embutido

Será desbastado o embutido com li-xas de carbeto de silício (SiC) de numeração : 400à600à8001000, a rotação da politriz de modelo Aropol E, inicialmente é usada com 100 RPM. Será usada água para refrigeração do atrito entre a lixa e o componente, e a auto-limpeza do desbastado. Aplicando le-vemente uma pressão no centro da amostra e em cada cinco minutos o embutido é rota-cionando com um ângulo de 90° (veja figura 3), este procedimento usa-se para retirar os alinhamento dos riscos e manter a amostra plana. Observando que a lixa esta ficando muito desgastada aumente a rotação da politriz e pressione com um pouco mais de pressão no centro do componente da amos-tra.

Este material desbastado do compo-nente se chama polímero, plástico termofixo constituído com material base de epóxi. E para cada tipo de fabricante ocorrem adições químicas para melhorar as características: dielétricas, termodinâmicas, peso, resistên-cias mecânicas e químicas, de acordo com as características pedidas pelo cliente.

TECNOLOGIA ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||

108 |

Figura 3: Rotação do embutido.

No decorrer do desbaste do epóxi com o uso da lixa ocorrerão pequenas man-chas marrons. Ao ter estas observações, mude a lixa por outra de mesma numeração. Observe o componente ao ter a mudança e faça rotação de 90°.

2.5. limpeza do embutido

Para cada mudança de lixa e verifi-cação microscópica da amostra usa-se uma água deionizada para a limpeza do embuti-do, para tirar os resíduos de epóxi e da lixa, após aplicar a água deionizada usa-se um se-cador de modelo de ar quente (veja a figura 4).

Figura 4: (A) modo correto para secagem.(B) modo incor-reto para a secagem.

2.6. Processo microscópico

Este processo tende a ter o manuseio do ajuste grosso e fino do foco do micros-cópio onde o embutido ficará na platina e

poderá ter um desnível planar em relação à lente objetiva, que logo pode ser corri-gido no retorno do desbaste. No processo microscópico foram usadas lentes objetivas de 5x e 10x com a ocular de 10x, logo o au-mento será de 50x(multiplica a objetiva e a ocular) e 100x.

2.7. retorno ao desbaste

As conexões de liga de ouro (wire-bonding) (veja a figura 5) são para fazer contatos elétricos dos pads do substrato de silício para conexão macro, chamado “lead-frame”. O wire-bonding é constituído com por alta concentração Au e baixa de Si, formando uma liga eutética. Estas conexões são normalmente conectadas por soldagem ultra- sônica.

Figura 5: Conexões de ouro (wire-bonding).

Ao ter esta observação da amostra acima, terá que haver mudança de lixa 400P para uma lixa de 600P e inicia-se novamente o desbaste até observar pontos de conexões de ouro formando uma figura retangular (veja a figura 6), e mude para a lixa de 800P deixando uma pequena película de epóxi (veja a figura 7). Na figura (veja a figura 8) houve a retirada da película de epóxi, pois foi usada uma lixa 1000P de acabamento.

|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||| TECNOLOGIA

| 109

Figura 6: Retângulo de pontos de ouro.

Figura 7: Película fina de epóxi.

Figura 8: Término do desbaste com lixa.

Na figura (veja a figura 8) está estru-tura se chama lead-frame é constituído com liga de cobre para conexões elétricas e refor-ço mecânico do componente. Esta liga de cobre tem sobre posta uma liga de proteção contra corrosão chamada de proteção galvâ-nica.

2.8 Polimento do Ci

Quando chegar neste estágio da figu-ra (veja a figura a 8) será feito o polimento este procedimento é considero um desbas-te, porem com um material no qual não será necessário o uso da água para a refrigeração.

O material usado se chama solução de alumina (Al2O3). Uso da solução de 1µ (um micra) de alumina e o pano de polimento do tipo TOP (com a descrição do fabricante para o uso da solução de alumina e material a ser polido). A solução será misturada com água e posteriormente aplicada no centro do pano.

A amostra será pressionada com uma rotação da politriz em alta rotação. Sempre verifique no centro CI com uso do microscó-pio metalográfico até chegar ao DIE (subs-trato com base de semicondutor e trilhas de condução com liga de alumínio (veja a figura 9).

Figura 9: Fim do processo do desencapsulamento.

TECNOLOGIA ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||

110 |

De acordo com diagrama estrutu-ral dos transistores MOSFET (transistor por efeito de campo com estrutura metal oxido e semicondutor) e CMOS (comple-mento - metal - óxido - semicondutor). Com datasheet (manual do componen-te) foi identificado os transistores NMOS (transistor com canal com cargas nega-tivas) e PMOS (transistor com canal com cargas positivas). Abaixo comparação das conexões dadas pelo fabricante e com o processo de desencapsulamento (veja as figuras 10 e 11). Na figura (veja a figura 10) é identificada a estrutura do circuito integrado.

As conexões condutoras são de liga altamente pura de alumínio e em alguns chips usa- se o cobre por ser a melhor re-sistividade e com menor custo e melhor dureza mecânicas. Logo o alumínio é mais leve em comparação ao cobre e tem como característica como um elemento metálico refratário e seu custo é mais barato em re-lação ao cobre.

Figura 10: Conexão interna do circuito integrado.

Figura 11: Caracterização estrutural dos transistores MOSFET.

3. disCussões e ConsiderA-ções finAis

Com a finalização do polimento ob-

servou-se que ocorreu resíduos do epóxi e se retornar o processo de polimento o DIE estaria comprometido (basta visualizar no canto direito DIE).

Com o uso desse procedimento de desencapsulamento de chip os profissio-nais na área de materiais, eletro-eletrônico estarão conhecendo o ambiente de microe-letrônica e poderão observar entre um chip defeituoso e um com sem defeito, logo, irá ser diagnosticados e relatados para o fa-bricante do componente a localização do defeito do CI. Assim, diminui os defeitos de funcionamento do circuito antes de ocorrer à fabricação do aparelho eletrônico.

E para os laboratórios de metalogra-fia serão disponíveis não só para curso da área de mecânica como também para área de estudos de eletrônica e microeletrônica criando assim uma vivencia com circuitos eletrônicos integrados e obtendo um am-biente prático e de percepção das estru-turas eletrônicas digitais e analógicas para alunos e professores.

|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||| TECNOLOGIA

| 111

4. referênCiAs

BRITO, Alírio Cavalcante. Considerações So-bre a Utilização de Microcircuitos Eletrônicos encapsulados em Plástico nas Aplicações de Alta Confiabilidade. São José dos Campos: INPE, 2003. Escola Politécnica de São Paulo. 2003. Disponível <http://150.163.34.248/col/sid.inpe.br/jeferson/2003/09.15.09.25/doc/publicacao.pdf.>. Acesso em: 12 de out. 2009.

Datasheet. CD4007UB, CMOS: Dual Com-plementary, Pair Plus inverter. Disponível em: <www.alldatasheet.com>. Acesso em: Acesso em: 12 de out. 2009.

FAZANO,C.A. A prática metalográfica. Edi-tora Hemus livraria, LTDA 1980.

Sedra, Adel S.; Smith, Kenneth, C. Micro-eletrônica. São Paulo: Pearson Markron Books, 2000.Titulo original: Microeletronic Circuits - Fourth Edition.