IC智能卡失效機理分析

IC智能卡作為信息時(shí)代的新型高技術(shù)存儲產(chǎn)品，具有容量大、保密性強以及攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應用于社會(huì )生活的各個(gè)領(lǐng)域。通常所說(shuō)的IC卡，是把含有非揮發(fā)存儲單元NVM或集成有微控制器MCU等的IC芯片嵌裝于塑料基片而成，主要包括塑料基片(有或沒(méi)有磁條)、接觸面、IC芯片3個(gè)部分。傳統的IC卡制作工序為:對測試、信息寫(xiě)入后的硅晶圓片進(jìn)行減薄、劃片，分離成小芯片，再經(jīng)裝片、引線(xiàn)鍵合、包封等工序制成IC卡模塊，最后嵌入IC卡塑料基板。

　　隨著(zhù)IC產(chǎn)品制造工藝的提高以及高性能LSI的涌現，IC智能卡不斷向功能多樣化、智能化的方向發(fā)展，以滿(mǎn)足人們對方便、迅捷的追求。然而使用過(guò)程中出現的密碼校驗錯誤、數據丟失、數據寫(xiě)入出錯、亂碼、全“0”全“F”等諸多失效問(wèn)題，嚴重影響了IC卡的廣泛應用。因此，有必要結合IC卡的制作工藝及使用環(huán)境對失效的IC卡進(jìn)行分析，深入研究其失效模式及失效機理，探索引起失效的根本原因，以便采取相應的措施，改進(jìn)IC卡的質(zhì)量和性能1。

　　由IC卡失效樣品的分析實(shí)例發(fā)現，芯片碎裂、內連引線(xiàn)脫落(脫焊、虛焊等)、芯片電路擊穿等現象是引起IC卡失效的主要原因，本文著(zhù)重對IC卡芯片碎裂、鍵合失效模式及機理進(jìn)行研究和討論，并簡(jiǎn)略介紹其他失效模式。

　　1　芯片碎裂引起的失效
　　由于IC卡使用薄/超薄芯片，芯片碎裂是導致其失效的主要原因，約占失效總數的一半以上，主要表現為IC卡數據寫(xiě)入錯、亂碼、全“0”全“F”。
　　對不同公司提供的1739張失效IC卡進(jìn)行電學(xué)測試，選取其中失效模式為全“0”全“F”的100個(gè)樣品進(jìn)行IC卡的正、背面腐蝕開(kāi)封，光學(xué)顯微鏡(OM)觀(guān)察發(fā)現裂紋形狀多為“十”字、“T”字型，亦有部分為貫穿芯片的單條裂紋，并在頂針作用點(diǎn)處略有彎折，如圖1。碎裂芯片中的裂紋50%以上，位于芯片中央附近并垂直于邊緣;其余芯片的裂紋靠近芯片邊緣或集中于芯片。

　　對于碎裂面垂直于芯片表面，深a、長(cháng)2b的二維半橢圓型裂紋而言，則滿(mǎn)足Ccr=[(Φ2KIC2)/(1。2πσIC2)][2]，其中Ccr=(acrbcr)1/2，acr為臨界裂紋深度，bcr為臨界裂紋半長(cháng);裂紋幾何因子Φ=(1。2π)1/2/Y。設裂紋長(cháng)為2b，深度恒定為1μm，代入斷裂韌度KIC=0。82MPa，Y=1。42得，平面應力狀態(tài)常載荷條件下碎裂的臨界強度σ=0。58/4b(GPa)，σ與芯片背面殘留裂紋長(cháng)度、深度的對應關(guān)系如圖3(b)?？梢?jiàn)，芯片碎裂臨界強度隨著(zhù)微裂紋長(cháng)度的增大而急劇降低，當裂紋大于1μm時(shí)，下降趨勢逐漸平緩，并趨于穩定小值。
　　磨片過(guò)程不僅會(huì )造成硅片背面的微裂紋，且表面的殘余應力還會(huì )引起硅片翹曲。硅片的背面減薄工芯對芯片碎裂有著(zhù)直接的影響，因此需要開(kāi)發(fā)新技術(shù)，實(shí)現背面減薄工藝集成，以提高硅片減薄的效率，減少芯片的碎裂。

　　減薄后的硅片被送進(jìn)劃片機進(jìn)行劃片，劃片槽的斷面往往比較粗糙，通常存在少量微裂紋和凹坑;有些地方甚至存在劃片未劃到底的情況，取片時(shí)就要靠頂針的頂力作用使芯片“被迫”分離，斷口呈不規則狀，如圖4為多個(gè)樣品的疊加圖。實(shí)驗表明，劃片引起芯片邊緣的損傷同樣會(huì )嚴重影響芯片的碎裂強度。例如:斷口存在微裂紋或凹槽的芯片，在后續的引線(xiàn)鍵合工藝的瞬時(shí)沖擊下或者包封后熱處理過(guò)程中由于熱膨脹系數(CTE)的不匹配產(chǎn)生的應力使微裂紋擴展而發(fā)生碎裂。

　　為減少劃片工藝對芯片的損傷，目前已有新的劃片技術(shù)相繼問(wèn)世:先劃片后減薄(dicingbeforegrinding，DBG)法和減薄劃片法(dicingbythinning，DBT)5，即在硅片背面減薄之前，先用磨削或腐蝕方式在正面切割出切口，實(shí)現減薄后芯片的自動(dòng)分離。這兩種方法可以很好地避免/減少因減薄引起的硅片翹曲以及劃片引起的芯片邊緣損傷。此外，采用非機械接觸加工的激光劃片技術(shù)也可避免機械劃片所產(chǎn)生的微裂痕、碎片等現象，大大地提高成品率。
　　1.3　模塊工藝
　　模塊工藝包括裝片、包封等工序)的裝片過(guò)程中，裝片機頂針從貼片膜上頂起芯片，由真空吸頭吸起芯片，將其粘結到芯片卡的引線(xiàn)框上。若裝片機工藝參數調整不當，亦會(huì )造成芯片背面損傷，嚴重影響芯片強度:如頂針頂力不均或過(guò)大，導致頂針刺穿藍膜而直接作用于芯片，在芯片背面留有圓型損傷坑;或頂針在芯片背面有一定量的平等滑移過(guò)程，留下較大面積的劃痕，此現象在碎裂芯片中占了相當比例。

　　Fig頂針作用可等效為Vicker壓痕器4壓載過(guò)程，將對芯片表面造成局部損傷?，F將頂針對芯片背面的觸碰過(guò)程(暫不考慮頂針的滑移)簡(jiǎn)化為球對稱(chēng)平面垂直加載的理想情況，則兩者接觸圓半徑a隨垂直載荷P的變化為a=34PR(1-v2)/E+(1-v′2)/E′1/3=αP1/3，式中R是頂針端部半徑，E，v和E′，v′分別為芯片、頂針端部的楊氏模量和泊松比。在接觸圓的邊緣，芯片的張應力分量達到極大值σm=12(1-2v)P0，其中P0=P/πα2是端部所受的垂直應力，σm為作用在徑向方向并且與材料表面平等的應力。由于頂針尖端半徑較小，取硅材料v=0。28，在1N頂力作用下，得到芯片張力分量極大值與接觸半徑的對應關(guān)系如圖5?？梢?jiàn)，初始情況下，接觸半徑很小，芯片張力分量初始值可達到GPa量級，與前面計算結果比較可知，頂針過(guò)程是芯片碎裂的一個(gè)主要誘因。