Что скрывается внутри микросхемы?
Добрый день, уважаемые читатели.
Сегодня мы поговорим немного о необычной тематике - о внутреннем устройстве интегральных схем (ИС) и попробуем заглянуть что же скрывается у них внутри.
Итак, согласно определению интегральная схема (ИС, микросхема) - это функционально-законченное микроэлектронное изделие, представляющее собой совокупность электрически соединённых между собой радиоэлементов (транзисторов, резисторов, диодов,конденсаторов и пр.), сформированных на полупроводниковой подложке и помещённых в неразборный корпус или без такового в случае вхождения в состав микросборки. Интегральные схемы являются элементной базой всех современных электронных устройств.
Если вам доводилось раньше разбирать относительно современную электронику (или видеть её в разобранном виде), то вы однозначно видели интегральные схемы, хотя могли и не знать об этом. В подборке фото ниже представлены примеры интегральных схем в различных корпусах.
Да-да, вот эти кирпичики со множеством выводов для подключения - это они. Сегодня нас интересуют только те корпуса, которые изготовлены из различных пластиков (т.к. керамические и металлические корпуса вскрываются при помощи «молотка и кусачек», а у нас статья всё-таки по химии). Обычно такие корпуса изготавливаются из эпоксидных, фенол-формальдегидных и полиимидных смол с наполнителем и без. В качестве наполнителя часто используется диоксид кремния (песок), либо оксид алюминия.
Так зачем же нам всё это нужно? Как минимум, для удовлетворения собственного любопытства: далеко не все знают как выглядит микроэлектроника изнутри. Помимо собственного любопытства полученные данные могут быть использованы для обратного проектирования интегральных схем (и разработки способов защиты от него), выборочного контроля партии продукции на наличие подделок, определения параметров не отражённых в технической документации (в т.ч.наличие аппаратных закладок) и пр.
Для разрушения полимерных корпусов широкое распространение получили концентрированные кислоты и их смеси (серная, азотная), а также некоторые органические растворители (диметилформамид и диметилсульфоксид). Сегодня мы воспользуемся кислотами и «грубой силой» т.к. основная цель - удовлетворение собственного любопытства.
1. Итак, первой на очереди будет концентрированная серная кислота. Воспользуемся 96% кислотой. Для проведения опыта возьмём 50-100 мл, поместим туда микросхему в пластиковом корпусе и начнём нагревать в вытяжном шкафу. Примерно при 70-80 градусах Цельсия начнётся процесс разрушения корпуса - от него потянутся коричневые струйки. При 120-140 градусах Цельсия процесс разрушения идёт достаточно интенсивно и за 5-15 минут даже такой толстый пластиковый корпус полностью разрушается.
Вживую это выглядит вот так:
Из плюсов способа можно отметить: высокую температуру кипения концентрированной серной кислоты (96% кипит примерно при 330 градусах Цельсия), что позволяет варьировать скорость разрушения пластика в широком диапазоне; серная кислота не летуча, что несколько снижает требования к приточно-вытяжной вентиляции; серная кислота достаточно дешёвая.
Из минусов можно отметить: раствор серной кислоты достаточно быстро загрязняется и становится непрозрачным - при массовом «растворении» корпусов процесс приходится проводить в 2 этапа (на первом этапе - до появления очертаний кристалла, а на втором этапе - до полного разрушения в свежей партии кислоты); продукты разрушения пластиковых корпусов имеют резкий неприятный запах и достаточно маркие; из-за загрязнения продуктами разложения пластика кислота перестаёт «стравливать» мелкие участки пластика достаточно быстро - приходится поднимать температуру травления, что чревато перетравливанием и разрушением части кристалла (несмотря на процесс пассивации); в процессе травления образуются густые вязкие компоненты, оседающие на дно.
2. Второй на очереди будет концентрированная азотная кислота. Воспользуемся 68% кислотой. Для проведения опыта возьмём 50-100 мл, поместим туда микросхему и начнём нагревать в вытяжном шкафу. Пластиковые корпуса микросхем начинают разрушаться уже при 80-90 градусах Цельсия.
В отличие от серной кислоты корпус будет отслаиваться в виде хлопьев и плавать в объеме кислоты. При этом эффективное разрушение происходит в кипящей или практически кипящей азотной кислоте т.е. при температуре около 120 градусов Цельсия.
В самом конце травления температуру лучше несколько понизить для предотвращения повреждения кристалла при сильном бурлении кислоты.
Вживую это выглядит вот так:
Из плюсов способа можно выделить: при разрушении пластиков раствор практически не теряет прозрачности (плавающие хлопья не в счёт); продукты разрушения пластиков не имеют резкого неприятного запаха; кристалл, как правило, сразу получается достаточно чистым и не требует «дотравливания» в свежей партии азотной кислоты.
Из минусов способа можно отметить: низкую температуру кипения 68% азотной кислоты по сравнению с серной (около 120 градусов Цельсия), что практически не позволяет варьировать скоростью разрушения пластиков; выделение диоксида азота при разрушении пластиков и разложении самой азотной кислоты; азотная кислота летуча; азотная кислота требуется больше времени для разрушения пластикового корпуса того же объёма; возможно разрушение некоторых металлических элементов конструкции.
А что же будет, если объединить первые 2 способа и попробовать разрушить пластиковый корпус в нитрующей смеси?
3. Итак, третьей на очереди будет смесь концентрированной серной кислоты (96%) с концентрированной азотной кислотой (68%) в соотношении 9:1 - 8.5:1.5 по объёму. Для проведения опыта возьмем 50-100 мл смеси, поместим туда микросхемы и начнём нагревать в вытяжном шкафу. Пластиковые корпуса микросхем также начинают разрушаться примерно при 70-80 градусах Цельсия.
Вживую это выглядит вот так:
Из плюсов способа можно выделить: несмотря на более низкую температуру кипения (по сравнению с серной кислотой) нитрующая смесь позволяет варьировать скорость разрушения в широком диапазоне (температура кипения описанной смеси около 160-180 градусов Цельсия); при разрушении пластиковых корпусов образуется значительно меньше летучих, резко пахнущих продуктов (видимо они нитруются в растворимые соединения); диоксид азота начинает выделяться в ощутимых объёмах значительно выше температуры кипения чистой азотной кислоты; как правило, нет необходимости дотравливания кристалла в свежей партии смеси для полной очистки поверхности; время разрушения пластиков примерно сопоставимо с чистой серной кислотой; несмотря на то что раствор теряет прозрачность, в нем практически не образуется густых вязких компонентов, оседающих на дно.
Из минусов способа можно отметить: необходимость использования пары кислот вместо одной; выделение диоксида азота; присутствие летучей азотной кислоты в смеси; возможность разрушения некоторых металлических элементов конструкции.
Таким образом наиболее эффективным и подходящим для наших целей способом можно назвать третий способ. Но что же делать дальше после разрушения корпуса?
А дальше необходимо слить отработанный раствор, вытащить аккуратно кристалл пинцетом и несколько раз тщательно промыть в воде от остатков кислот. Но как выглядит сам кристалл и что из себя представляет? Выглядит примерно вот так:
А представляет из себя подложку из кремния (германия, арсенида галлия и пр.) на которой как раз и сформированы все радиокомпоненты и электрические соединения между ними.
После промывки в воде необходимо поместить кристалл в небольшую тару с ацетоном и отмыть в ультразвуковой ванне 5-10 минут от остатков загрязнений на поверхности. После этого можно аккуратно положить кристалл сушиться от ацетона на ватный диск (бумажную салфетку). Пока кристаллы сохнут можно подготовить микроскоп…
В подборке фото ниже показан внешний вид кристалла двухканального операционного усилителя К157УЛ1.
Все желающие могут сравнить топологию кристалла микросхемы со схемой электрической принципиальной и найти все приведённые там элементы.
А вот так выглядит поверхность кристалла поддельного микроконтроллера Atmega328PU. В данном случае электрическую схему восстановить без послойного стравливания невозможно т.к. верхний слой представляет из себя слой межсоединений - все компоненты находятся во внутренних слоях. Но сам по себе логотип китайской компании уже говорит о многом.
А вот так выглядит фирменный микроконтроллер Atmega64AU. Тут уже можно без проблем определить отдельные функциональные блоки.
Так выглядит драйвер ключей верхнего и нижнего уровней IR2113.
Ну и напоследок поверхность кристалла интегральных стабилизаторов напряжения LM317/337. Тут электрическая схема также достаточно неплохо считывается.
А теперь на минутку представьте, что данные электрические схемы расположены на площади всего несколько квадратных мм… Представили? Так вот, это достаточно простые примеры относительно современной микроэлектроники. Если взять процессоры ваших ПК и смартфонов, то там уже не сотни и тысячи компонентов соединены в единую схему, а десятки и сотни МИЛЛИОНОВ, а иногда и несколько МИЛЛИАРДОВ! Не правда ли впечатляет?
А на этом на сегодня всё. Спасибо что дочитали до конца!