IC decapsulation
Wie bekomme ich einen Chip auf?
Jeder kennt sie, die kleinen schwarzen Käfer, die scheinbar nur aus Plastik und Beinen bestehen. Möchte man wissen, was sie machen, notiert man sich die Typennummer, und schaut in das Datenblatt des Herstellers. Wie aber nun der eigentliche Siliziumchip aussieht, auf dem die ganze Magie passiert, bekommt man nicht raus. Nur ganz selten sind in Datenblättern Bilder vom Layout des Chips zu finden, gelegentlich geistern ein paar Bilder im Netz rum.
Der Chip muß also auf. Aber wie? Im Folgenden gibt eine kleine Anleitung mit einigen Erklärungen, die ich aus dem Netz destilliert habe.
1. Das Package
Zuerst einige Informationen über den Aufbau des Packages
Der Siliziumchip, an den ich ran will ist zunächst auf einem Kupferträger montiert. Über dünne Bondingdrähte ist der Chip elektrisch mit den Kupfersteifen verbunden, die außerhalb des alles umhüllenden Kunststoffes die Pins bilden.
Der Kunststoff, der den eigentlichen Chip umhüllt besteht aus einer Epoxidharzmischung, die aus Polyepoxidharz und Polycyanidharz besteht, das mit silanisiertem Quarzgutfüllstoff zu 70-90% gefüllt ist. Daneben sind noch spezelle Zusätze wie zum Beispiel Flammhemmer (die häufig Halogene wie etwa Brom enthalten) und Hilfsstoffe, Reaktionsbeschleuniger und -inhibitoren (Imidazol, Triphenylphosphinoxid), Additive (z.B. Ruß zur Farbgebung) und Verarbeitungshilfen (Stearate und Wachse) beigemischt. Im Wesentlichen besteht das Gehäuse also aus Sand, und daher ist es auch so hart, und hat ein keramisches Aussehen. Deswegen lässt sich das Gehäuse auch nicht einfach in Aceton oder einem normalen Lösungsmittel auflösen. Wer möchte, kann natürlich dem Quarz mit Flußsäure zu Leibe rücken, aber wer will schon mit Flußsäure arbeiten?
2. Grobes Entfernen des Kunststoffes
Der erste Schritt im Öffnen des IC-Gehäuses ist das grobe mechanische Entfernen des Kunststoffes über dem Siliziumchip
Ich möchte nicht das ganze Gehäuse des ICs auflösen, da sonst die einzelnen Beinchen nur an den sehr dünnen (µm) Bondingdrähten hängen, und höchstwarscheinlich abreißen würden. Außerdem ist so der Aufwand und der Verbrauch an Chemikalien geringer.
Zunächst muß also der Siliziumchip lokalisiert werden. Dazu gibt es mehrere Möglichkeiten: Entweder man legt den Chip unter ein Röntgengerät (wenn man eines hat) oder man trägt den Chip von oben so lange ab, bis in der Mitte ein Siliziumrechteck auftaucht, oder man rät die Position einfach (etwa die Mitte des Packages).
Oberhalb des Chips entfernt man nun zum Beispiel mit einer kleinen Bohrmaschine und einem kleinen Schleifstein aus Korund den Kunstsoff. Je mehr Kunststoff man entfernt, desto schneller geht nachher die chemische Entfernung des verbleibenden Restes. Fräst man aber zu tief, zerstört man die Bondingdräte oder die Chipoberfläche, und damit den Chip. Deswegen ist es wichtig, vorher zu wissen, wie tief man fräsen darf. Es reicht auch, mit einem Bohrer (z.B. 3mm Durchmesser) ein nicht zu tiefes Loch in das Packages zu bohren.
Ich habe auch noch eine andere Art den Kunststoff zu entfernen ausprobiert: Mit einem fokussierten IR-Laser (808nm, 500mW) lässt sich der Kunststoff sehr selektiv erhitzen, und so das Epoxidharz zerstören. Das funktioniert ganz hervorragend. Das Problem ist nur, dass der Quarzsand im Package das IR Licht stark streut, und somit eine weitere Thermolyse verhindert. Die Quarzkörnchen haften dabei aber leider noch so gut an dem restlichen Plastik, dass sie auch im Ultraschallbad nicht entfernt werden können. Mit dieser Methode lässt sich also die Oberfläche nur wenig abtragen. Vielleicht erreicht man mit etwas höherer Laserleistung mehr.
3. Ätzen
Nun wird der verbleibende Kunststoff entfernt
Das Mittel der Wahl dazu ist rote oder weiße rauchende Salpetersäure (HNO3). Die normal erhältliche azeotrope Salpetersäure enthält 65% HNO3 und lässt sich durch Erhitzten nicht weiter konzentrieren.
Vorsicht: Salpetersäure ist stark ätzend, wirkt stark oxidierend und kann manche leicht brennbaren Stoffe entzünden. Die rotbraunen Dämpfe, die sich bei einigen Reaktionen entwickeln bestehen aus NO2 und sind hochgiftig, korrosiv und krebserregend. Die nachfolgenden Experimente sind daher unbedingt im Abzug mit geeigneter Schutzkleidung auszuführen. Und bitte keine Nitril-Handschuhe verwenden:
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Warum geht nicht auch 65%ige HNO3? Diese enthält zuviel Wasser. Das führt zu zwei Problemen: Zum einen läuft die Reaktion mit dem Kunststoff stark verlangsamt ab, zum anderen greift die verdünnte Säure das Kupfer des Pads und der IC-Beinchen an. Interessanterweise tut das die 90%ige Säure nicht (zumindest nicht so sehr).
Der zu öffenende IC mit der Vertiefung wird auf einer Heizplatte auf etwa 70°C aufgeheizt, in die Vertiefung wird dann konzentrierte Salpetersäure getropft. Die Säure löst dann den Kunststoff auf, und nach 20-30 Sekunden (hängt etwas von der Temperatur ab) wird die Reaktion abgebrochen, in dem die verbrauchte Säure mit Aceton abgewaschen wird. Vorsicht, das kann spritzen! Lässt man den IC zu lange auf der Heizplatte, trocknet der angelöste Kunststoff mit dem Säurerest ein, und die Brühe schäumt etwas auf.
Dieser Schritt wird so lange widerholt, bis nach und nach der ganze Chip freigelegt ist. Die Bondingdrähte sind zum Glück aus Gold, und werden daher von der Salpetersäure nicht angelöst. Auch Kupfer ist gegen die konzentrierte HNO3 einigermaßen resistent. Dennoch sollte man aufhören, wenn die Kupferbahnen freiliegen. Idealerweise sieht das Ergebnis dann folgendermassen aus:
Bei meinen Versuchen habe ich immer eine starke Unterätzung erhalten.
4. Beispiele
In folgendem sind einige der ICs abgebildet, die ich ausgepackt habe. Manche funktionierten nach dem Auspacken noch, die meisten, vor allen die ersten paar, habe ich zerstört. Sie sehen dennoch schön aus.
Angefangen habe ich mit einem billigen SN74LS05.
Der Chip im ursprünglichen Zustand:
Mein erster Versuch mit 65% iger HNO3:
Der zweite Versuch. Zunächst aufgelasert, dann mit 90%iger HNO3 behandelt. Leider habe ich mit einer Pinzette ein Bondingdraht abgerissen.
Dann ein PIC18F4680. Den habe ich zunächst aufgefräst, und dann mit HNO3 (90%) behandelt. Warscheinlich war ich beim Auffräsen etwas zu großzügig: Der Chip ist tot.
Danach habe ich mich über einen PIC18F4580 her gemacht. Hier habe ich ein 3mm Loch über dem Silizium Chip gebohrt, in das ich dann Säure geträufelt habe. Das Ergebnis ist ein funktionsfähiger µC. Die Farben kommen von der Braggreflexion an parallelen Leiterbahnen auf der Chipoberfläche.
Und so sieht ein PIC18F458 innen aus. Gleiche Technik wie bein PIC18F4580:
5. Links
Im Folgenden einige weiterführende Links:
- Über die Vorgehensweise beim Einpacken eines Chips in ein Gehäuse informiert gut das Patent EP0828774A1
- Dann gibts da noch ein Tutorial um einen PIC12F508 auszupacken: http://www.rampantapathy.co.uk/12c508a.html
- Laserentpacken ist möglich: http://www.ultratecusa.com/PDFlibrary/SESAME-1000.pdf
- Ein Patent für ein automatisiertes Ätzgerät US6387206
- Mehr über die Sicherheit von Mikrokontrollern: http://www.cl.cam.ac.uk/techreports/UCAM-CL-TR-630.pdf
Achim
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