給集成電路「開蓋」

前言

       集成電路誕生於20世紀50年代，德州儀器(TI)製做了世界上第一塊IC。21世紀，集成電路變得常見，以集成度高、可靠、廉價，被普遍應用。小小的硅晶片，發展了接近半個世紀，逐漸走向成熟。單片集成度從最初的幾個晶體管到3500萬個晶體管，製程從最初的1um到如今的6nm，從最初的造價昂貴當如今的造價通常昂貴(迄今，設計和製造集成電路仍然是高投入和耗時的工做)。

   

世界上第一塊集成電路(來源於網絡)

       做爲一名工程師，須要對集成電路有基本的認識。一般，數據手冊能夠提供芯片的不少信息。若想要設計可靠、低功耗、高性能的產品，就不能停留在數據手冊上，須要深刻研究集成電路內部的工做原理，其製造工藝與其性能的關係，而且具備必定的分析集成電路的能力。

       硅晶片究竟有哪些奧祕？本文不嘗試回答此問題，本文將介紹一種簡單的、溫和的打開IC封裝的方法。

 

典型的74系列邏輯門的封裝(雙列直插封裝)

 

英特爾南北橋的硅晶片(超大規模集成電路,覆晶封裝)

 

芯片的封裝

       硅晶片很是小，基本上都比你的指甲蓋要小的多。硅晶片很是脆弱，容易受到灰塵、液滴以及機械衝擊的影響。現代的CPU以及GPU的硅晶片大可能是裸露的，方便散熱。爲它們塗抹硅脂時須要十分當心。我曾經在換硅脂時不當心碰到了一個硅晶片的邊緣，這個晶片就報廢了。要保護這樣小的芯片，就須要給它們封裝。

 

硅晶片到底有多小？封裝與硅晶片尺寸對比

       IC封裝有不少的種類，本文對常見的四側引腳扁平封裝(QFP)、雙列直插封裝(DIP)、球柵陣列封裝(BGA)進行簡單的介紹。

       四側引腳扁平封裝(QFP)，體積中等，形狀以下。

 

使用四側引腳扁平封裝的STM32單片機

 QFP四側引腳扁平封裝圖,HD3_封裝的種類與材料00847

       雙列直插封裝(DIP)，一種常見的封裝，體積最大，其形狀像一條蜈蚣。

 

使用雙列直插封裝的運算放大器

 DIP雙列直插封裝圖,HD3_封裝的種類與材料00847

       球柵陣列封裝(BGA)，一種在手機、電腦等高集成度設備中的芯片經常使用的封裝，體積最小，形狀以下。這種封裝的芯片使用本文介紹的方法不能很好的開蓋，它的內部多是覆晶封裝。

 

使用球柵陣列封裝的手機IC

  BGA封裝圖,HD3_封裝的種類與材料0084

       其餘一些封裝，包括PGA、PLCC/CLCC、QFN、SOIC和SOJ。

使用PGA封裝的CPU

PGA針格陣列封裝圖,HD3_針格陣列00849

PLCC/CLCC封裝圖,HD3_四方封裝0084

使用QFN封裝的射頻IC

QFN封裝圖,HD3_四方封裝00849

使用SOIC封裝的SDRAM

 SOIC封裝圖,HD3_兩排直立封裝00849

 SOJ封裝圖,HD3_兩排直立封裝00849

 

芯片絲印的命名規則

        以STC51單片機絲印爲例。

說到STC我就想吐槽他的DATASHEET...

        STC：芯片設計公司。

        8：8051內核。

        9：含有Flash E^2PROM存儲器。

        C：CMOS工藝，工做電壓5.5V--3.3V。

        52：8K字節程序存儲空間。

        RC：512字節RAM存儲空間。

        40：芯片外部晶振最高可接入40MHz。

        I：工業級，溫度範圍-40℃----85℃

        PDIP40：雙列直插封裝，40個引腳。

        後面一串：與製造工藝和製造日期有關，具體不詳。

STC單片機絲印

 

芯片封裝的材料

       一個芯片一般由如下結構構成：

    1.導線架。由金屬製成，用於鏈接硅晶片與電路板。所知的材料：鐵。

    2.塑膠或陶瓷外殼。由塑料或陶瓷製成，一般是黑色或白色，用於保護硅晶片。

    3.晶片與導線架之間的鏈接線。由金線或鋁線構成，用於鏈接硅晶片與導線架。

    4.硅晶片。由高純硅、摻雜物和金屬構成，是集成電路的核心組件。

    5.散熱底座。由金屬製成，硅晶片經過膠水粘在散熱底座上。

 

硅晶片在散熱底座上示意

硅晶片與散熱底座(正面，能夠看見散熱底座與硅晶片經過膠水粘在一塊兒)

硅晶片與散熱底座(反面)

 

這些材料的移除方法

        1.導線架。稀鹽酸、稀硫酸等能夠與金屬反應的酸。

        2.塑料外殼。塑料在高溫下變軟，一般加熱就能夠移除塑料，可是可能沒法徹底移除。

        3.鏈接線。金線須要王水移除，王水很危險也很難獲取。鋁線使用稀酸移除。

        4.散熱底座。使用稀酸移除。

 

工具

        1.火爐

        2.兩個鑷子

        3.光學顯微鏡(有直射光源)或電子顯微鏡(不太現實)

        4.待開蓋的芯片

        

方法舉例

        0.查閱該芯片的資料，爲顯微鏡下觀察作準備。本次是RK2705，參數以下：RK2705是一種具備雙核體系結構的集成系統，主要用於多媒體產品應用，如mp三、mp四、pmp等。雙核體系結構集成了arm7eca。rk2705可在低功耗平臺上得到高性能的nDSP微處理器，並與這兩個cpu協同工做。內存儲器空間-DSP IMEM 32Kwords-DSP DMEM 32 Kword-ARM7EJC嵌入式同步SRAM 4K字節-ARM7EJC嵌入式引導ROM8K字節。

         因而，咱們知道這個芯片有兩個CPU核心和片上存儲器。

待開蓋的芯片(正面)

 

(反面)

        1.一隻手用鑷子夾住芯片，放在火上烤。塑料快開始燃燒時，中止加熱。使用另外一個鑷子掰受熱的部分，能夠看見塑料一掰就斷了。重複上述步驟直到能夠看見散熱底座。

給芯片加熱

加熱後使用鑷子掰受熱的部分，能夠輕鬆地掰斷塑料

重複上述步驟，直到看見散熱底座

        2.繼續加熱，按照步驟1的方法移除散熱底座。通常來講，散熱底座一移除，硅晶片就會掉出來。若是沒有，繼續加熱，將硅晶片四周的塑料移除，此時硅晶片應該就會掉出來。

分離了散熱底座與硅晶片

將硅晶片四周的塑料移除

        3.若是經過步驟2硅晶片未掉出來(上圖)，你能夠選擇兩種方法：1、使用砂紙或小刀打磨，直到硅晶片暴露。2、使用強酸腐蝕塑料(濃硫酸加熱)。

 

 使用小刀當心地打磨黑色的塑料直到能夠看見硅晶片,繼續操做直到全部塑料被移除

        4.打開光源，將硅晶片放在顯微鏡下觀察。

 

建議

        1.建議初學者先開蓋中小規模集成電路，如555定時器、DS1302時鐘芯片、74系列邏輯門、ASM1117穩壓芯片之類的。由於，中小規模的集成電路晶體管較少、金屬導線層不多，能夠在低倍顯微鏡下看見半導體(CMOS)和金屬導線的結構。

 

555定時器中的一種結構,放大300x

集成電路的金屬導線層示意圖,A3-20多層導線技術M2U00106

        2.使用小刀打磨塑料前能夠先滴一點水在硅晶片上面。

        3.一般，你能夠在硅晶片的邊緣四周找到代號和廠商LOGO，這可讓你分辨芯片的真僞。

芯片代號與廠商LOGO,放大300x

        4.若是光源過於強烈、看不清芯片結構，使用濾光片。

濾光片

透過濾光片,放大300x(可知打線封裝)

        5.若是不作化學處理，經過顯微鏡看到的圖像是包含了金屬導線層的，若是想要看到CMOS的結構，須要移除金屬導線層。 金屬導線層一般由銅構成，須要濃硫酸、濃鹽酸、稀硝酸或濃硝酸處理。

未移除金屬導線層(74HC182N,https://zeptobars.com/,license: CC BY 3.0,未修改)

移除了金屬導線層(74HC182N,https://zeptobars.com/,license: CC BY 3.0,未修改)

         6.光學顯微鏡的分辨率爲0.2μm，透射電子顯微鏡的分辨率爲0.2nm。一般，一個質量優秀的光學顯微鏡配和一個強大的光源就能夠知足通常需求。

 

聲明

       因爲本人學識有限，若有錯誤，請你們指正。

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