Ликбез по химии: кислотный реверсинг микросхем (как обнажить кристалл микросхемы для последующего его фотографирования)

Введение

Если вы уже занимаетесь стравливанием и фотографированием микросхем, то мало что сможете почерпнуть из этой статьи. Однако, если вы хотите сфотографировать микросхему, но не знаете с чего начать, то эта статья определённо для вас. Кроме того, имейте в виду, что на первых шагах освоения этой увлекательной процедуры, вам скорее всего будет немного больно.

Пожалуйста, соблюдайте крайнюю осторожность, тогда вам больно хоть и будет, но не сильно. Также, если у вас есть хотя бы крохотная наклонность к здравому смыслу, – проводите данную процедуру в специально оборудованной химической лаборатории, под присмотром опытных специалистов; и не становитесь жертвой своей самонадеянности, думая, что после прочтения этого ликбеза, вы сразу сможете проводить данную процедуру самостоятельно. Более того, если вы без обращения к Google не знаете, что во что нужно лить (кислоту в воду или воду кислоту) и не знаете, чем для вас будет чревато это незнание, – пожалуйста прекратите читать этот ликбез и сначала запишитесь на курсы в какой-нибудь местный техникум, где есть хорошая химическая лаборатория.

Химическое оборудование

Если исходить из абсолютно необходимого минимума, то вам потребуется высококонцентрированная азотная кислота (HNO3) и серная кислота (H2SO4). Правомерность их приобретения варьируется от страны к стране. Если вы проживаете на территории страны, в которой правительство проявляет особую заботу об окружающей среде, вам вероятно потребуется другой метод (я слышал, что немцы добиваются хороших результатов при помощи канифоли). Кроме двух этих кислот, вам также потребуется изопропиловый спирт и ацетон, – в качестве растворителей, для зачистки. Помимо химикатов, вам также понадобится немного стеклянной посуды. К счастью, процедура довольно-таки проста, поэтому всё что вам потребуется, это несколько пробирок, несколько стаканов и кольцевой штатив с зажимом для бюретки.

• Приобретая зажимы, уже бывшие в употреблении, имейте в виду, что металл не должен соприкасаться со стеклянными стенками пробирок; на зажимах, уже бывших в употреблении, может отсутствовать прокладка (резиновая или тканевая), предохраняющая от царапин.
• Кислоты, с которыми вам придётся работать, могут вгрызаться в металл, поэтому запаситесь кислотоустойчивыми пинцетами. Как показывает практика, пинцеты имеют тенденцию теряться или гнуться, так что купите сразу десяток, чтобы решить эту проблему раз и навсегда.
• Поскольку кислотные пары, – в особенности пары азотной кислоты, – очень вредны, вам понадобится вытяжной шкаф, для надлежащего «обуздания» кислотного газа, который будет выкипать из пробирки, когда вы начнёте нагревать её.
• В качестве удобного индикатора того, до какого уровня поднялись кислотные пары, можно использовать термобумагу от авиа и ж/д билетов. При соприкосновении с кислотными парами термобумага чернеет или краснеет. Подвешенный над пробиркой билет даст вам визуальный сигнал, когда кислотные пары будут извергаться излишне бурно.
• Для очистки поверхности микросхемы растворителем, вы в принципе можете обойтись зубной щёткой, но предпочтительней и безопасней использовать ультразвуковые ванночки. Недорогие ультразвуковые ванночки можно найти у ювелиров, – они работают довольно-таки неплохо. Но будьте внимательны с тем, чтобы ваши очищающие растворители не растворяли пластиковые детали этих ультразвуковых ванночек.

• Наконец, вам понадобится источник регулируемого тепла. Вы наверняка уже радостно протянули руку за газовой горелкой Бунзена… Но она для нашей процедуры совершенно не подходит. Вместо неё лучше воспользоваться недорогой термовоздушной паяльной станцией, предназначенная для работы с SMD: печатными платами поверхностного монтажа. Например Aoyue 850A. Вращая регулятор воздушного потока термофена вблизи максимума и медленно поднимая его температуру, вы сможете нагревать пробирку до нужной температуры, и затем поддерживать её.

Химическая процедура

Форм-фактор вашего образца микросхемы должен быть минимальным, из всех тех, что доступны в продаже. Например, Texas Instruments MSP430F2012 поставляется в двух форм-факторах: PDIP (Plastic Dual Inline Package; Пластмассовый корпус с двухрядным расположением выводов) и QFN (Quad Flat No-leads; Квадратный корпус, без ножек). Хотя описываемая процедура применима для любых форм-факторов, QFN предпочтительней. Потому что он намного меньше и на нём меньше пластика, который в любом случае придётся вытравливать; а значит азотной кислоты для вытравливания QFN-образца потребуется гораздо меньше.

• Начните с подсоединения зажима бюретки к кольцевому штативу. И направьте сопло паяльной станции, чуть ниже дна пробирки. Но пока не включайте нагрев.
• Поместите микросхему в пробирку с количеством азотной кислоты, достаточным для того, чтобы она полностью скрылась под кислотой. По вкусу, можете добавить капельку серной кислоты (но не переборщите, а то она съест не только пластик, но и проволочные соединения). Из соображений самосохранения, вы довольно быстро научитесь проделывать эту процедуру за тот короткий промежуток времени, пока стекло ещё холодное; также как вы очень быстро, и довольно болезненно узнаете, что, как это ни странно, холодное стекло на вид точно такое же, как и горячее.
• Поместите пробирку в зажим для бюретки. Пробирка должна быть слегка под наклоном. Нижней стороной ближе к вам, верхней дальше от вас, – чтобы взрывные извержения кипящей кислоты, порой случающиеся, пролетали стороной от вашего лица.
• Итак, у вас есть микросхема, покрытая кислотой. Теперь настройте паяльную станцию на высокую скорость воздушного потока термофена и на слабый нагрев. Медленно поднимайте температуру, наблюдая за хорошо освещённым столбом кислотных паров. Идея заключается в том, чтобы найти такую температуру, при котором кислота кипит весьма интенсивно, но при этом столб кислотных паров над ней – остаётся ниже краёв пробирки и не вылетает наружу.
• Луч лазерной указки, направленный в пробирку, покажет точную высоту этого столба, поскольку кислотные пары, в отличие от чистого воздуха, будут подсвечиваться лазерным лучом.
• Перегрев пробирки приведёт к тому, что кислотные пары вылетят наружу, – заполнив собой либо вытяжной шкаф, либо лабораторию. В последнем случае всё находящееся в комнате железо начнёт ржаветь, ваши лёгкие станут гореть, и помимо всего прочего сработает пожарная тревога. Не делайте так.
• По мере кипения микросхемы в азотной кислоте, её корпус будет выкрашиваться по кусочкам. Это выкрашивание необходимо продолжать до тех пор, пока кислота не начнёт разъедать уже сам кристалл микросхемы, либо до тех пор пока кислота не утратит разъедающую способность.
• Вы можете заметить, что цвет кислотного раствора меняется. HNO3 после растворения меди становится зелёной или синей, – и это сигнализирует о том, что её способность разъедать пластик значительно снизилась. После того как кислота израсходовалась, дайте пробирке остыть, а затем вылейте её содержимое в пустой стакан.
• На данный момент кислота уже недостаточно сильна, чтобы разъедать корпус микросхемы, – но ещё достаточно сильна чтобы разъесть вашу кожу. Ожоги от HNO3 поначалу болят не сильно, и они кроме того светлые. Поэтому вы можете их сразу даже не заметить, за исключением пожелтевшей кожи, которая будет постепенно отслаиваться в течение недели (или около того). Иногда вы можете ощутить их как зуд, а не ожог. Поэтому если какое-то пятно на вашей руке начало зудеть, бегите как ошпаренный к раковине. H2SO4 горит более интенсивно. При её попадании на кожу ощущается резкая жгучая боль, и кожа покрывается красной сыпью.

• Итак, теперь, когда ваши познания простираются уже немного дальше, чем понимание того факта, что не стоит засовывать пальцы в пробирки с кислотой, воспользуйтесь пинцетом, чтобы осторожно вынуть кристалл микросхемы из кислоты, и опустите его в другой стакан – с ацетоном. Этот стакан (стакан ацетона) затем на несколько минут отправляется в ультразвуковую ванночку.
• На данном этапе кристалл, как правило, уже практически полностью обнажён. Наблюдаются лишь незначительные кусочки грязи. Однако если корпус микросхемы большой, то одной порции азотной кислоты может оказаться недостаточно (после первого раза кристалл всё ещё остаётся покрытым). Для достижения наилучшего результата, процедуру с HNO3 следует повторять до тех пор, пока на кристалле микросхемы останется совсем немного грязи. Затем, перед фото-сессией, кристалл должен принять ванну в H2SO4, где с него отчистятся оставшиеся крошки грязи.
• Эти две кислоты очень отличаются друг от друга по своему поведению. Вы обнаружите, что принимая ванну с H2SO4, ваша микросхема ведёт себя совершенно иначе, чем в ваннах с HNO3. У H2SO4 гораздо более высокая температура кипения, чем у HNO3, но она при этом хорошо отъедает корпус микросхемы даже ниже точки своего кипения. Вы также обнаружите, что в H2SO4 корпус микросхемы ни открашивается, а растворяется, а кислота при этом приобретает чернильно-чёрный цвет, и через неё из-за этого уже не получается разглядеть кристалл микросхемы, чтобы понять, пора его уже вытаскивать или ещё нет.
• После купания в H2SO4, несколько минут подержите кристалл в ультразвуковой ванночке. Всё, теперь он готов к фото-сессии.

Оборудование для фотосъёмки

Теперь, когда у вас есть обнажённый кристалл, вы можете его сфотографировать. Для этого потребуется металлографический микроскоп, – т.е. тот который высвечивает картинку отражающим светом, а не проходящим.

• Для фотографирования кристалла микросхемы, вы либо можете приобрести специальную камеру для микроскопа, либо воспользоваться цифровым зеркальным фотоаппаратом. У обоих вариантов есть свои преимущества, однако стоит отметить, что «специальные камеры для микроскопа», зачастую оказываются – самыми примитивными бюджетными вариантами веб-камер, с неудобным софтом, который работает только под Windows. Поэтому лучше воспользоваться цифровым зеркальным фотоаппаратом.
  Процедура фотосъёмки. Какую бы камеру вы не использовали, вам не удастся сфотографировать всю микросхему одним снимком. Чтобы получить изображение всей микросхемы, её придётся сфотографировать по частям, и затем сшить эти части в единое изображение. Это можно сделать, воспользовавшись софтом, предназначенным для работы с панорамными снимками.
• Для обеспечения наилучшего результата, каждый фрагмент изображения должен перекрываться примерно на треть, с изображениями до и после него, а также с соседними строками.
• После того как отснимите всю микросхему, загрузите полученные изображения в Hugin, на компьютере с достаточным объёмом оперативной памяти. Hugin – это утилита для сшивания панорамных изображений. Она, в числе прочего, хороша тем, что может исправлять ошибки, допущенные при фотографировании, если их не слишком много. Hugin сделает всё возможное для того, чтобы выровнять все фрагменты вашего изображения. На выходе она выдаёт либо почти идеальный рисунок, либо безобразную путаницу. Если эта путаница происходит из-за незначительной ошибки, вы можете внести через Hugin необходимые корректировки. Однако в случае серьёзных ошибок, таких как недостаточное перекрытие или плохой фокус, – нужно будет провести для кристалла микросхемы повторную фото-сессию. На следующем рисунке показана полная фотография кристалла (в уменьшенном разрешении) микросхемы Clipper. Фотография построена при помощи утилиты Hugin.

Автор: VolKarev

Источник