Entkapselung von integrierten Schaltkreisen (IC Decapsulation)
Die in integrierten Schaltkreisen verendeten Siliziumchips (Die) können für künstlerische Zwecke1 oder auch bei besonderer Vorgehensweise2 funktionsfähig bzw. auch für Reverse Engineering, ohne die äußere Verpackung durch sogenannte IC-Decapsulation (decapping) erhalten werden.
Material/Geräte:
SMD-Lötstation (mit Heißluft), Heizplatte mit interner Temperaturkontrolle, Becherglas (200 ml, hohe Form), Spatel und Pinzette (beide säurefest), Meßzylinder aus Glas oder PP
Chemikalien:
konzentrierte Schwefelsäure
30 % Wasserstoffperoxid
Piranha solution
Sicherheitshinweise:
Aus konzentrierter Schwefelsäure und Wasserstoffperoxid gebildete Caro’sche Säure ("Piranha Solution") ist extrem aggressiv und ätzend und setzt ozonhaltige Aerosole frei. Beim Arbeiten damit ist unbedingt auf entsprechende Lüftung (Abzug) und Schutzkleidung zu achten. Weiterführende Informationen dazu vgl. bei https://en.wikipedia.org/wiki/Piranha_solution
Versuchsdurchführung:
Mit der SMD-Lötstation werden die zum Decapping vorgesehenen integrierten ICs vom PCB entfernt. Sollten bei diversen CPUs noch größere Reste vom PCB vorhanden sein, werden diese mittels Seitenschneider oder Schere entfernt. Je weniger PCB-Eintrag in die Säure umso schneller geht das decappen.
Die so gewonnenen ICs werden in das Becherglas geben und ca. 20 bis 50 ml konz. Schwefelsäure zugefügt. Mittels der Heizplatte wird diese Mischung auf 160 °C bis 170 °C* erwärmt, wobei sich die Schwefelsäure schwarz verfärbt. eine Glasscheibe auf dem Becherglas, verhindert sehr gut das freisetzten von Dämpfen, wobei ab 170 °C so viel Dämpfe entstehen, dass ein Arbeiten ohne Abzug unmöglich ist. Man erhitzt solange (mehrere Stunden) bis sich die Kunststoffumhüllung aufgelöst hat und die Dies frei-liegen. U.U. muss die Schwefelsäure ausgetauscht werden, um das Decapping zu vervollständigen.
Nach der Reaktionszeit wird die Schwefelsäure vorsichtig abdekantiert und die Dies im Becherglas mehrfach mit Wasser gewaschen. U.U. sind sie jetzt schon so sauber, dass der nächste Schritt entfallen kann, wenn nicht dann geht man folgenderweise vor:
Die Dies dem Becherglas entnehmen und auf z.B. einem Papier zwischenlagern, das Becherglas auswaschen und gründlich trocken. In jeweils einem Messzylinder werden 15 ml konzentrierte Schwefelsäure und 5 ml 30 % Wasserstoffperoxid abgemessen (1 bis 2 ml positive Toleranz ist dabei in Ordnung). Die Schwefelsäure im Becherglas vorlegen und unter Umschwenken die Wasserstoffperoxid-Lösung zugeben. Nicht umgekehrt! Achtung: Die Mischung wird sehr heiß, erzeugt kleine Blasen und beginnt nach Ozon zu riechen.
Die Dies nun so sortieren, dass mit den am wenigsten "verschmutzen" begonnen wird, weil jeder Eintrag von organischen Substanzen, proportional zur Menge, zur Zersetzung der Mischung führt unter sehr starkem sprudeln. Faustregel: möglichst wenig Verunreinigung in die Mischung schleppen, da es ansonsten zum Überschäumen/-kochen und gefährlichen Siedeverzügen kommen kann. Nach Zugabe der Dies wurde das Becherglas wieder mit einer Glasscheibe abgedeckt, um das Aerosol zurückzuhalten. Nach kurzer Zeit ist die Reaktion beendet, sodass die Piranha Solution abdekantiert werden kann.
Die Dies werden nun mehrmals mit Wasser gewaschen, wobei die letzten Waschungen mit destilliertem Wasser vorgenommen werden. Die letzte Waschung erfolgt mit Ethanol, die Dies werden auf der Heizplatte bei 40 bis 50 °C getrocknet.
Entsorgung:
Da die Mengen an eingesetzter Schwefelsäure und der ICs sehr gering sind, können die Abfälle mit sehr viel kaltem Wasser verdünnt und über die Kanalisation entsorgt werden. Werden Abfälle gesammelt, ist zum einen eine Trennung wichtig und dass die Piranha Solution komplett abreagiert hat und unter keinen Umständen mit organischen Substanzen in Kontakt kommt!
Erklärungen:
a) Reaktion der Schwefelsäure mit dem Kunststoffmaterial der ICs:
Es dürfte sich um ähnliche Mechanismen handeln wie beim Zuckerkohle-Versuch https://www.chemieunterricht.de/dc2/tip/zucker.htm und https://www.chids.de/dachs/wiss_hausarb ... saeure.pdf . Die Schwefelsäure entzieht den Kunststoffen Wasser und scheidet dabei elementaren Kohlenstoff ab und da das Ganze bei 150-160 °C abläuft, dürfte dazu noch Pyrolyse kommen, wobei die entstehenden Pyrolyse-Produkte wieder mit der Schwefelsäure reagieren.
Bei 120 °C machte ich den Fehler mit einer Pinzette aus POM (Polyoxymethylen) in die Säure zu gehen, der sofort auftretende Geruch nach Formaldehyd war sehr intensiv (die Pinzette hat es überlebt).
b) Piranha Solution:
Bei der Zugabe von Wasserstoffperoxid zu konzentrierter Schwefelsäure laufen folgende Reaktionen ab:
1. Schwefelsäure reagiert mit dem Wasserstoffperoxid zur Peroxomonoschwefelsäure:
H2SO4 + H2O2→ H2SO5 + H2O
2. Peroxomonoschwefelsäure liegt im Gleichgewicht mit Schwefelsäure und Wasserstoffperoxid vor:
H2SO5 ⇌ H2SO4 + H2O2
3. Aus Schwefelsäure und Wasserstoffperoxid entsteht naszierender Sauerstoff Onasc:
H2SO4 + H2O2 → H3O+ + HSO4− + Onasc
4. Dieser naszierende Sauerstoff reagiert mit elementaren Kohlenstoff und löst diesen auf und greift auch C-C-Bindungen an vgl. https://en.wikipedia.org/wiki/Piranha_solution
Bilder:
Die ausgewählten ICs
Die ICs mit der Schwefelsäure....
Die Zersetzung beginnt....
Nach einigen Stunden....
Nachdem Abdekantieren der Schwefelsäure
Unten: Reste des Glasfaser-Vlieses vom PCB und oben das Die mit noch einer Kunststoffschicht
Nach ca. 5 bis 6 h bei 160 °C in konz. Schwefelsäure, abdekantiert und gewaschen. Ein Die wurde leider verloren, das schwarze Teil in der Mitte enthielt keinen Chip.
Zutaten für die Piranha Solution
Mischen der Piranha Solution, Zugabe der Dies und die Reaktion dieser Lösung, am Ende Abdeckung mit der Glasscheibe
Ende der Reaktion
Nach dem Waschen....
Endprodukt. Mikroskopische Aufnahmen der Dies siehe unter viewtopic.php?p=40109#p40109 (Ab Bild l)
Literatur:
https://en.wikipedia.org/wiki/Decapping
https://hackaday.io/project/165521-home-ic-decapping
https://hackaday.com/2012/11/21/boiling ... -chip-die/
https://hackaday.com/2020/10/21/learn-ic-decapping/
https://jcjc-dev.com/2020/10/20/learning-to-decap-ics/
Winter Y. Construction of electronic hybrid microcircuits: a 350 mg ECG-transmitter
IC Decapsulation
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IC Decapsulation
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Re: IC Decapsulation
Interessant weißt du welcher Kunststoff da genau für das Gehäuse verwendet wird? Nicht jeder ist so empfindlich gegen Schwefelsäure, das finde ich schon eher ungewöhnlich dass das so leicht geht.
Ich nehme an die Beinchen und Lötstellen haben sich spurlos aufgelöst?
Ich hatte mal ganze Wafers, noch unzersägt, aus verschiedenen Stufen der Fertigung, die sehen schon recht nice aus. Aber irgendwann sieht man sich satt daran
Btw, die letzte Schicht bei der Fertigung ist idR SiO2, damit wird das ganze geschützt. Solange du nicht mit HF drauf gehst sollte es also alles sehr gut mitmachen. Ein Kratzer mit der Pinzette ist natürlich der Tod...
Ich nehme an die Beinchen und Lötstellen haben sich spurlos aufgelöst?
Ich hatte mal ganze Wafers, noch unzersägt, aus verschiedenen Stufen der Fertigung, die sehen schon recht nice aus. Aber irgendwann sieht man sich satt daran
Btw, die letzte Schicht bei der Fertigung ist idR SiO2, damit wird das ganze geschützt. Solange du nicht mit HF drauf gehst sollte es also alles sehr gut mitmachen. Ein Kratzer mit der Pinzette ist natürlich der Tod...
Re: IC Decapsulation
mgritsch hat geschrieben: ↑Sonntag 7. März 2021, 22:58 Interessant weißt du welcher Kunststoff da genau für das Gehäuse verwendet wird? Nicht jeder ist so empfindlich gegen Schwefelsäure, das finde ich schon eher ungewöhnlich dass das so leicht geht.
Ich nehme an die Beinchen und Lötstellen haben sich spurlos aufgelöst?
Aus "Packaging Materials"*:
Übersicht:
Aus dem Text:Polymers:
Epoxies (overmold) Filled epoxies (overmold) Silica-filled anhydride resin (underfills) Conductive adhesives (die bonding, interconnects) Laminated epoxy/glass substrates Polyimide dielectric Benzoyclobutene Silicones Photosensitive polymers for photomasks (acrylates, monomers, etc.)
The polymer resin portion consists of 25–35% of the total mold compound (by weight) and consists of epoxy resin, a hardener and a curing agent. The mold compound material is filled with powders of silica (SiO2), alumina (Al2O3) or glass (65–75% of the total weight) to reduce the thermal expansion coefficient of the polymer and add strength. Amorphous silica is used for a minimum thermal expansion coefficient but results in a decrease in thermal conductivity. Crystalline silica improves thermal conductivity but is abrasive to the molds. Small amounts of pigments (to color the mold compound), accelerants, flame retardants, mold release agents, getterers, and antioxidants are also added to the final mold compound.
*= Frear D. (2017) Packaging Materials. In: Kasap S., Capper P. (eds) Springer Handbook of Electronic and Photonic Materials. Springer Handbooks. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-319-48933-9_53
Beinchen und Lötstellen ja...die sind weg, aber die Golddrähte sind zum Teil noch vorhanden, geht mit kleinen Tricks auch bei Kupferverbindungen vgl. "Effective decapsulation of copper wire-bonded microelectronic devices for
reliability assessment" https://www.researchgate.net/publicatio ... assessment
In dem Artikel https://books.google.ch/books?id=AcWYu- ... 22&f=false wird beschrieben wie Du die Teil funktionsfähig erhältst z.B. indem Du eine Teflonnetz hernimmst um die Dies und die Anschlüsse zu schonen...bin in meiner Honolulu-Zeit drauf gestoßen, weil eine Idee/Projekt war die zu der Zeit käuflichen ECG-Transmitter für unsere Mäuse noch keiner zu machen....ein Versuch das ganze mit kleiner Batterie auszustatten und mit aufgeschrumpften (mit vorher mit Toluol erweichen/vergrößern) Silikonschlauch zu versiegeln schlug fehl, da Silikon wasserdampfdurchlässig ist und nach dem implatieren da Wasser ein kondensiert ist. Die nächste Idee war dann sich keramische Hülsen zu machen...dazu hab ich mir Porzellanmasse für Zahnkronen besorgt und einen Brennofen, der es von Hawaii bis nach Deutschland geschafft hat (trotz 110V):
viewtopic.php?p=58067#p58067
Leider ist das Teil nach Hawaii zu spät bekommen, so dass ich es nicht mehr ausprobieren konnte....der Eimer mit der Porzellanmasse müsste auch noch in BY im Keller rumdümpeln...
bj68
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Re: IC Decapsulation
edit: korrekturgelesen, ein paar Anpassungen und verschoben.
Re: IC Decapsulation
Nachtrag:
Habe in den letzten zwei Wochen sehr viele alte PCBs von Smartphones, einer Digitalkamera usw. von ICs befreit und die Teile deacappt. Um die Dies möglichst ohne Kratzer un Schäden zu erhalten und auch einen höheren Durchsatz zu bekommen hat sich folgendes Protokoll bewährt:
In Bechergläsern 25 ml oder Vials wie z.B. CG-4912-05 https://chemglass.com/reaction-vials-pr ... lass-trays einige mL konz. Schwefelsäure (waren unter 5 mL) vorlegen und jeweils einen IC dort hineingeben.
Beim Magnetrührer mit Heizplatte (IKA RCT Standard) die interne Temperaturregelung auf 150°C stellen und die Vials und Bechergläser ca. drei Stunden darauf belassen.
Danach abkühlen lassen und Wasser zugeben, Fluss stark genug um Übersieden zu vermeiden, ohne den Inhalt herausspritzen zu lassen, dabei Vial/Becherglas leicht bewegen. Bei den Bechergläsern war es zum Teil möglich zwei Schichten zu erzeugen. Wichtig ist, dass der Inhalt auf RT abgekühlt ist und um sicher zu gehen, die Mündung von einem weg zeigt. Den Inhalt dann vorsichtig in ein großes (2 L) Plastikbecherglas dekantieren ohne das Die zu verlieren. Meist liegt es schon lose vor, dabei Glasfaserfliese und auch Reste vom Die Pad usw. entfernen. U.U. sind am Die auch noch die Bond-Drähte verblieben. Mehrmals mit Wasser waschen und anschließend zwei mal mit Ethanol und zum Trocknen auf eine 100°C Platte stellen. Nochmals ca. 5 mL konz. Schwefelsäure hinzugeben und je nach Sauberkeit der Dies weiter verfahren:
a) Die sehr sauber: Tropfenweise 30% Wasserstoffperoxid zugeben, dabei Vial Becherglas nach jeder Zugabe umschwenken. Es tritt dann Gasentwicklung auf und Mischung wird sehr heiß. Tropfenweise Zugabe von Wasserstoffperoxid führt zu starkem Aufbrausen der Lösung. Nach teilweisem abreagieren auf die 100°C Heizplatte stellen und solange reagieren lassen, bis keine Gasentwicklung mehr erfolgt.
b) Die mit schwarzen Resten: Nochmals bei 150°C auf die Heizplatte stellen (OHNE vorherige Zugabe von Wasserstoffperoxid) und weiter reagieren lassen. Schwefelsäure verfärbt sich wieder Richtung schwarz. Diese dann dekantieren, waschen und trockenen und wenn sauber wie in a) weiter verfahren.
c) Zwischenfall: Schwefelsäure nur leicht gefärbt, nach der 150°C Behandlung: Abkühlen lassen und tropfenweise Wasserstoffperoxid zugeben, dabei nach jedem Tropfen mischen. Färbung verschwindet und danach wie in a) verfahren.
Weiterverarbeitung: Abkühlen lassen und Wasser zugeben (gleiche Prozedur wie mit der Schwefelsäure) zwei- bis dreimal, waschen mit DI-Wasser und Ethanol. Dies und die dann meist noch vorhanden Bonding-Drähte mit etwas Ethanol versetzen und zusammen auf ein Filterpapier zum trocken (Heizplatte) geben.
Dies unter Mikroskop ansehen....und je nach Zustand weiter verfahren, denn bei einigen war z.B. eine Gold- oder andere Metallschicht aufgebracht die sich mit Königswasser entfernen ließ. Die meisten konnten allerdings direkt für Aufnahmen verwendet werden.
bj68
Habe in den letzten zwei Wochen sehr viele alte PCBs von Smartphones, einer Digitalkamera usw. von ICs befreit und die Teile deacappt. Um die Dies möglichst ohne Kratzer un Schäden zu erhalten und auch einen höheren Durchsatz zu bekommen hat sich folgendes Protokoll bewährt:
In Bechergläsern 25 ml oder Vials wie z.B. CG-4912-05 https://chemglass.com/reaction-vials-pr ... lass-trays einige mL konz. Schwefelsäure (waren unter 5 mL) vorlegen und jeweils einen IC dort hineingeben.
Beim Magnetrührer mit Heizplatte (IKA RCT Standard) die interne Temperaturregelung auf 150°C stellen und die Vials und Bechergläser ca. drei Stunden darauf belassen.
Danach abkühlen lassen und Wasser zugeben, Fluss stark genug um Übersieden zu vermeiden, ohne den Inhalt herausspritzen zu lassen, dabei Vial/Becherglas leicht bewegen. Bei den Bechergläsern war es zum Teil möglich zwei Schichten zu erzeugen. Wichtig ist, dass der Inhalt auf RT abgekühlt ist und um sicher zu gehen, die Mündung von einem weg zeigt. Den Inhalt dann vorsichtig in ein großes (2 L) Plastikbecherglas dekantieren ohne das Die zu verlieren. Meist liegt es schon lose vor, dabei Glasfaserfliese und auch Reste vom Die Pad usw. entfernen. U.U. sind am Die auch noch die Bond-Drähte verblieben. Mehrmals mit Wasser waschen und anschließend zwei mal mit Ethanol und zum Trocknen auf eine 100°C Platte stellen. Nochmals ca. 5 mL konz. Schwefelsäure hinzugeben und je nach Sauberkeit der Dies weiter verfahren:
a) Die sehr sauber: Tropfenweise 30% Wasserstoffperoxid zugeben, dabei Vial Becherglas nach jeder Zugabe umschwenken. Es tritt dann Gasentwicklung auf und Mischung wird sehr heiß. Tropfenweise Zugabe von Wasserstoffperoxid führt zu starkem Aufbrausen der Lösung. Nach teilweisem abreagieren auf die 100°C Heizplatte stellen und solange reagieren lassen, bis keine Gasentwicklung mehr erfolgt.
b) Die mit schwarzen Resten: Nochmals bei 150°C auf die Heizplatte stellen (OHNE vorherige Zugabe von Wasserstoffperoxid) und weiter reagieren lassen. Schwefelsäure verfärbt sich wieder Richtung schwarz. Diese dann dekantieren, waschen und trockenen und wenn sauber wie in a) weiter verfahren.
c) Zwischenfall: Schwefelsäure nur leicht gefärbt, nach der 150°C Behandlung: Abkühlen lassen und tropfenweise Wasserstoffperoxid zugeben, dabei nach jedem Tropfen mischen. Färbung verschwindet und danach wie in a) verfahren.
Weiterverarbeitung: Abkühlen lassen und Wasser zugeben (gleiche Prozedur wie mit der Schwefelsäure) zwei- bis dreimal, waschen mit DI-Wasser und Ethanol. Dies und die dann meist noch vorhanden Bonding-Drähte mit etwas Ethanol versetzen und zusammen auf ein Filterpapier zum trocken (Heizplatte) geben.
Dies unter Mikroskop ansehen....und je nach Zustand weiter verfahren, denn bei einigen war z.B. eine Gold- oder andere Metallschicht aufgebracht die sich mit Königswasser entfernen ließ. Die meisten konnten allerdings direkt für Aufnahmen verwendet werden.
bj68
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Kunst und Wissenschaft, Forschung und Lehre sind frei. Art 5 Abs. 3 GG
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