給集成電路“開蓋” & 辨別真假芯片


文檔標識符:IC_DeCap_T-P3

作者:DLHC

最后修改日期:2021.10.2

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前言

       集成電路誕生於20世紀50年代,1952年,英國工程師喬福里•杜默("集成電路之父")發表了他對於將多個電路元件集成在一片半導體元件上而不用線來連接的想法。他認為這能夠解決接線出錯和繁重的連接工作的問題。六年后,1958年,德州儀器(TI)工程師傑克•基爾比獨自在實驗室(此時他的同事都在度假)制作了世界上第一塊芯片。21世紀,集成電路變得十分常見,以高集成度、可靠、廉價,被廣泛使用。小小的硅晶片,發展了半個多世紀,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,制程從最初的1um到現在的5nm,從最初的造價昂貴當現在的造價一般昂貴(迄今,設計和制造集成電路仍然是高投入和耗時的工作(3周到幾個月甚至幾年))。

   

世界上第一塊集成電路(很少有人知道,世界上第一個IC是1.2MHz的相移振盪器)

       作為一名工程師,需要對集成電路有基本的認識。通常,數據手冊可以提供芯片的很多信息。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,需要深入研究集成電路內部的工作原理,其制造工藝與其性能的關系,並且具有一定的分析集成電路的能力。

       硅晶片究竟有哪些奧秘?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

       硅晶片非常小,基本上都比你的指甲蓋要小的多。硅晶片非常脆弱,容易受到灰塵、液滴以及機械沖擊的影響。現代的CPU以及GPU的硅晶片大多是裸露的,方便散熱。為它們塗抹硅脂時需要十分小心。我曾經在換硅脂時不小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,就需要給它們封裝。

 

硅晶片到底有多小?封裝與硅晶片尺寸對比

       IC封裝有很多的種類,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,形狀如下。

 

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常用的封裝,體積最小,形狀如下。這種封裝的芯片使用本文介紹的方法不能很好的開蓋,它的內部可能是覆晶封裝。

 

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

       其他一些封裝,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單片機絲印為例。

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,工作電壓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,溫度范圍-40℃----85℃

        PDIP40:雙列直插封裝,40個引腳。

        后面一串:與制造工藝和制造日期有關,具體不詳。

STC單片機絲印

 

芯片封裝的材料

       一個芯片通常由以下結構構成:

    1.導線架。由金屬制成,用於連接硅晶片與電路板。所知的材料:鐵。

    2.塑膠或陶瓷外殼。由塑料或陶瓷制成,通常是黑色或白色,用於保護硅晶片。

    3.晶片與導線架之間的連接線。由金線或鋁線構成,用於連接硅晶片與導線架。

    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。由金屬制成,硅晶片通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,可以看見散熱底座與硅晶片通過膠水粘在一起)

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、稀硫酸等可以與金屬反應的酸。

        2.塑料外殼。塑料在高溫下變軟,通常加熱就可以移除塑料,但是可能無法完全移除。

        3.連接線。金線需要王水移除,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,為顯微鏡下觀察做准備。本次是RK2705,參數如下:RK2705是一種具有雙核體系結構的集成系統,主要用於多媒體產品應用,如mp3、mp4、pmp等。雙核體系結構集成了arm7eca。rk2705可在低功耗平台上獲得高性能的nDSP微處理器,並與這兩個cpu協同工作。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。

         於是,我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)

        1.一只手用鑷子夾住芯片,放在火上烤。塑料快開始燃燒時,停止加熱。使用另一個鑷子掰受熱的部分,可以看見塑料一掰就斷了。重復上述步驟直到可以看見散熱底座。

給芯片加熱

加熱后使用鑷子掰受熱的部分,可以輕松地掰斷塑料

重復上述步驟,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。一般來說,散熱底座一移除,硅晶片就會掉出來。如果沒有,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.如果通過步驟2硅晶片未掉出來(上圖),你可以選擇兩種方法:一、使用砂紙或小刀打磨,直到硅晶片暴露。二、使用強酸腐蝕塑料(濃硫酸加熱)。

 

 使用小刀小心地打磨黑色的塑料直到可以看見硅晶片,繼續操作直到所有塑料被移除

        4.打開光源,將硅晶片放在顯微鏡下觀察。

 

開蓋小建議

        1.建議初學者先開蓋中小規模集成電路,如555定時器、DS1302時鍾芯片、74系列邏輯門、ASM1117穩壓芯片之類的。因為,中小規模的集成電路晶體管較少、金屬導線層很少,可以在低倍顯微鏡下看見半導體(CMOS)和金屬導線的結構(但這一類芯片的晶片面積通常很小,可能只有1mm^2)。

 

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可以先滴一點水在硅晶片上面。

        3.通常,你可以在硅晶片的邊緣四周找到代號和廠商LOGO,這可以讓你分辨芯片的真偽。

芯片代號與廠商LOGO,放大300x(士蘭半導體,SC3010)

        4.如果光源過於強烈、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.如果不做化學處理,通過顯微鏡看到的圖像是包含了金屬導線層以及其他的材料層(例如,用於金屬導線層層間隔離的聚酰亞胺(一種有機材料),或是其它起到支撐、保護層間結構的材料,如氮化硅等)的,如果想要看到CMOS真正的結構,需要移除這些層。 金屬導線層通常由銅或鋁構成(具體由IC制造商或制造工藝決定),需要使用濃硫酸、濃鹽酸、稀硝酸或濃硝酸移除。其他的材料層需要使用特定的化學葯劑移除。

IC的層間結構示意圖(以一個簡單的CMOS為例)--《集成電路版圖基礎--實用指南(清華大學出版社)》

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為0.2μm,透射電子顯微鏡的分辨率為0.2nm。通常,一個質量優秀的光學顯微鏡配和一個強大的光源就可以滿足一般需求。

 

真芯片 VS 假芯片

     淘寶上有很多的芯片,但是你不一定會買到真的芯片。舉個例子,一個原裝的STM32F103C8T6微處理器在淘寶上售價為24元(今天是2021.2.22,一年前購買的時候才5元一個),但是在淘寶上你可以只花10元買到一個STM32F103C8T6的最小系統(最小系統包含微處理器及其外圍電路)。這不符合邏輯,除非你買到的最小系統用的是假芯片

     作假是一門藝術(但可能也是違法的),目前芯片作假技術有兩種

  1.翻新的舊芯片。將芯片從廢棄的PCB上拆除,然后清洗這些芯片的封裝和引腳(或者打磨封裝並重新雕刻絲印),讓它們從外觀上與原裝芯片相似。這一類芯片售價低廉,但是內部可能已經損壞,無法正常使用,只有少數可以正常工作。這類芯片可以通過外觀進行分辨。在上述案例中,我發現此類翻新芯片(STM32F103C8T6)可以通過SWD下載調試接口識別,但是無法下載程序。

  2.真正的假芯片。制作這類芯片就是技術活了(實際上就是設計山寨IC然后貼上大廠的品牌並廉價出售)。首先需要設計集成電路,然后制作掩膜(MASK),接下來制造、測試、封裝......讓它們不僅從外觀上與原裝芯片相似,並且功能也一致(可能會閹割一些功能以節省成本)。這類芯片可以工作,但由於不是原廠設計的IC,實際上會出現一些兼容性問題。就比如像FT232/MAX232這一類電平轉換的假芯片所存在的驅動兼容性問題。

     總之,從正規的渠道購買IC,不要貪圖便宜。假芯片會給工程帶來很多不確定因素,尤其是一些重要的應用場合(醫療電子或汽車電子),器件一旦發生致命故障,損失就不是一個IC的代價了。

真芯片與假芯片正面對比(左為原裝芯片,右側為翻新處理的假芯片)

真芯片與假芯片反面對比(左為原裝芯片,右側為翻新處理的假芯片)

真芯片正面

假芯片正面(翻新處理假芯片)

真芯片反面

假芯片反面(翻新處理假芯片)

 

更多閱讀 

          1.《數字集成電路電路系統與設計(第二版)》(6gym)(僅用於學習,一旦發現濫用(制作盜版書籍等),將立即取消分享)

 

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