IC智能卡失效機(jī)理研究

文章出處：http:// 作者：倪錦峰, 王家楫等   人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年10月08日

    IC智能卡作為信息時(shí)代的新型高技術(shù)存儲(chǔ)產(chǎn)品，具有容量大、保密性強(qiáng)以及攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)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(chǔ)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(tǒng)的IC卡制作工序?yàn)?對(duì)測(cè)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IC產(chǎn)品制造工藝的提高以及高性能LSI的涌現(xiàn)，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(duì)方便、迅捷的追求。然而使用過(guò)程中出現(xiàn)的密碼校驗(yàn)錯(cuò)誤、數(shù)據(jù)丟失、數(shù)據(jù)寫(xiě)入出錯(cuò)、亂碼、全“0”全“F”等諸多失效問(wèn)題，嚴(yán)重影響了IC卡的廣泛應(yīng)用。因此，有必要結(jié)合IC卡的制作工藝及使用環(huán)境對(duì)失效的IC卡進(jìn)行分析，深入研究其失效模式及失效機(jī)理，探索引起失效的根本原因，以便采取相應(yīng)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(xiàn)，芯片碎裂、內(nèi)連引線(xiàn)脫落(脫焊、虛焊等)、芯片電路擊穿等現(xiàn)象是引起IC卡失效的主要原因，本文著重對(duì)IC卡芯片碎裂、鍵合失效模式及機(jī)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(dǎo)致其失效的主要原因，約占失效總數(shù)的一半以上，主要表現(xiàn)為IC卡數(shù)據(jù)寫(xiě)入錯(cuò)、亂碼、全“0”全“F”。

    對(duì)不同公司提供的1739張失效IC卡進(jìn)行電學(xué)測(cè)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)觀察發(fā)現(xiàn)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。 

圖1　芯片背面碎裂的OM照片

    芯片碎裂歸根結(jié)底是由應(yīng)力造成的，當(dāng)外應(yīng)力超出芯片碎裂強(qiáng)度時(shí)，芯片就會(huì)發(fā)生脆性碎裂2。制造工藝中減薄、上芯、壓焊、塑封是引起芯片碎裂隱患的主要工序，這些工序易造成芯片表面的微裂紋或損傷，外加應(yīng)力時(shí)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，特別是垂直表面裂紋的張應(yīng)力，多集中于裂紋的尖端。當(dāng)應(yīng)力超過(guò)芯片的應(yīng)力強(qiáng)度因子時(shí)，微裂紋就會(huì)失去穩(wěn)定并發(fā)生擴(kuò)展，從而大大降低了芯片的強(qiáng)度。

    下面根據(jù)芯片碎裂物理機(jī)理，結(jié)合IC卡制作工藝(包括硅片的后道工序、模塊條帶制作、IC卡成型工藝)，對(duì)導(dǎo)致IC卡薄芯片碎裂的根本原因進(jìn)行深入分析。 

圖2　芯片背面研磨損傷的OM照片

    1.1　硅片減薄

    標(biāo)準(zhǔn)的硅片背面減薄工藝包括貼片、磨片(粗磨、細(xì)磨)、腐蝕三道工序。常用的機(jī)械磨削法不可避免地會(huì)造成硅片表面和亞表面的損傷(圖2)，表面損傷分為3層:有微裂紋分布的非晶層;較深的晶格位錯(cuò)層;彈性變形層。粗磨、細(xì)磨后，硅片背面仍留有深度為15～20μm、存在微損傷及微裂紋的薄層，極大影響了硅片的強(qiáng)度。因此，需要用腐蝕法來(lái)去除硅片背面殘留的晶格損傷層，避免硅片因殘余應(yīng)力而發(fā)生碎裂。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)原始厚度為725μm的硅片，經(jīng)磨片后，腐蝕深度約為25μm時(shí)可得到最大的強(qiáng)度值3;同時(shí)，分析表明，芯片在鍵合與測(cè)試時(shí)發(fā)生碎裂，往往是由于磨片時(shí)造成的損傷在隨后的腐蝕或化學(xué)機(jī)械拋光中沒(méi)有被完全去除而引起的。

    由Giffith微裂紋擴(kuò)展理論4可知，長(zhǎng)度為a的一維裂紋的擴(kuò)展判據(jù)為σ2≥2Eγsπa，若腐蝕后芯片背面殘留裂紋長(zhǎng)為c，并將楊氏模量E=106。9GPa，表面能γs=3。1J/m2等參數(shù)代入，可得到平面應(yīng)力狀態(tài)常載荷條件下芯片碎裂的臨界強(qiáng)度為σ=0。46/c(GPa)，圖3(a)給出了σ與芯片背面殘留裂紋長(zhǎng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

    對(duì)于碎裂面垂直于芯片表面，深a、長(zhǎng)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(zhǎng);裂紋幾何因子Φ=(1。2π)1/2/Y。設(shè)裂紋長(zhǎng)為2b，深度恒定為1μm，代入斷裂韌度KIC=0。82MPa，Y=1。42得，平面應(yīng)力狀態(tài)常載荷條件下碎裂的臨界強(qiáng)度σ=0。58/4b(GPa)，σ與芯片背面殘留裂紋長(zhǎng)度、深度的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3(b)?？梢?jiàn)，芯片碎裂臨界強(qiáng)度隨著微裂紋長(zhǎng)度的增大而急劇降低，當(dāng)裂紋大于1μm時(shí)，下降趨勢(shì)逐漸平緩，并趨于穩(wěn)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(yīng)力還會(huì)引起硅片翹曲。硅片的背面減薄工芯對(duì)芯片碎裂有著直接的影響，因此需要開(kāi)發(fā)新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)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。 

圖3　碎裂臨界強(qiáng)度與長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)關(guān)系圖

    1.2　劃片工藝

    減薄后的硅片被送進(jìn)劃片機(jī)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(guī)則狀，如圖4為多個(gè)樣品的疊加圖。實(shí)驗(yàn)表明，劃片引起芯片邊緣的損傷同樣會(huì)嚴(yán)重影響芯片的碎裂強(qiáng)度。例如:斷口存在微裂紋或凹槽的芯片，在后續(xù)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(shù)(CTE)的不匹配產(chǎn)生的應(yīng)力使微裂紋擴(kuò)展而發(fā)生碎裂。 

圖4　IC卡芯片劃片槽斷口(多圖疊加)

    為減少劃片工藝對(duì)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(xiàn)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(jī)械接觸加工的激光劃片技術(shù)也可避免機(jī)械劃片所產(chǎn)生的微裂痕、碎片等現(xiàn)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(jī)頂針從貼片膜上頂起芯片，由真空吸頭吸起芯片，將其粘結(jié)到芯片卡的引線(xiàn)框上。若裝片機(jī)工藝參數(shù)調(diào)整不當(dāng)，亦會(huì)造成芯片背面損傷，嚴(yán)重影響芯片強(qiáng)度:如頂針頂力不均或過(guò)大，導(dǎo)致頂針刺穿藍(lán)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(xiàn)象在碎裂芯片中占了相當(dāng)比例。 

圖5　頂針作用過(guò)程芯片張力分量極大值與接觸半徑關(guān)系

    Fig頂針作用可等效為Vicker壓痕器4壓載過(guò)程，將對(duì)芯片表面造成局部損傷?，F(xiàn)將頂針對(duì)芯片背面的觸碰過(guò)程(暫不考慮頂針的滑移)簡(jiǎn)化為球?qū)ΨQ(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(yīng)力分量達(dá)到極大值σm=12(1-2v)P0，其中P0=P/πα2是端部所受的垂直應(yīng)力，σm為作用在徑向方向并且與材料表面平等的應(yīng)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(duì)應(yīng)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(dá)到GPa量級(jí)，與前面計(jì)算結(jié)果比較可知，頂針過(guò)程是芯片碎裂的一個(gè)主要誘因。

    在特定接觸半徑下，芯片表面接觸圓外的張應(yīng)力與離接觸中心的徑向距離間滿(mǎn)足σr=σm(a/r)2，隨離接觸中心的徑向距離r的增大σr下降。因此，在離頂針作用點(diǎn)一定范圍內(nèi)，芯片表面仍存在張應(yīng)力表面層，為裂紋產(chǎn)生及擴(kuò)展提供了非常有利的條件。

    此外，伴隨壓痕作用，芯片常發(fā)生破片現(xiàn)象，即在壓痕的周?chē)胁糠植牧铣仕樾紶?。頂針作用時(shí)，在壓痕表面下的形變帶會(huì)有橫向裂紋的產(chǎn)生，壓痕作用消失后，橫向裂紋會(huì)發(fā)生增殖直至樣品表面，導(dǎo)致破片的產(chǎn)生。一般情況下，壓力越大，破片現(xiàn)象越嚴(yán)重。 

    當(dāng)頂針作用在芯片背面的滑移過(guò)程時(shí)，頂針端部受到垂直載荷成比例的摩擦阻力作用，使得接觸圓的張應(yīng)力隨之增高。同時(shí)頂針滑過(guò)芯片，會(huì)在其背面留下條帶狀劃痕，有可能產(chǎn)生細(xì)微碎屑，楔入硅襯底材料形成微裂紋，極大地影響了芯片的強(qiáng)度。

    對(duì)開(kāi)封后的IC卡芯片背面進(jìn)行OM觀察，發(fā)現(xiàn)約大部分碎裂芯片的裂紋處或其附近都存在頂針劃痕，多為直線(xiàn)帶有彎鉤的形狀，且裂紋在劃痕處均有不同程度的彎折。劃痕尺寸較大，一般長(zhǎng)數(shù)十μm，寬大于10μm，且有一定深度，約為幾μm(圖6為20個(gè)樣品劃痕形狀、大小統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)所得示意圖)。 

圖6 　頂針劃痕示意圖

    1.4　成型工藝

    IC卡成型工藝中，由于制作工藝因素，模塊厚度、卡基凹槽幾何形狀間存在一定差異，不能完全匹配，從而會(huì)引發(fā)較在成倍應(yīng)力，加上使用過(guò)程中的不同材料的熱脹冷縮或者外力扭曲，也容易引起芯片碎裂。 

圖7　鍵合引線(xiàn)工藝中的失效機(jī)理

    2　鍵合相關(guān)失效 

    IC卡組裝工藝中，因鍵合引起的失效也是影響IC卡質(zhì)量和可靠性的重要因素之一。鍵合失效主要表現(xiàn)為IC卡電學(xué)特征上的不連續(xù)，如開(kāi)路同時(shí)伴有短路、漏電等現(xiàn)象，或出現(xiàn)“輸入高”或者“輸入低”的失效。圖7給出了與鍵合相關(guān)的諸多失效機(jī)理6。

    焊盤(pán)/引線(xiàn)界面需有合金化過(guò)程以形成良好的接觸，但過(guò)渡的合金化會(huì)導(dǎo)致金屬中間化合物(IMC)的形成，引起鍵合失效。鍵合引線(xiàn)的張力也是引起鍵合失效的重要參數(shù)之一，張力過(guò)小，會(huì)導(dǎo)致引線(xiàn)過(guò)于松軟，與其他引線(xiàn)形成短路;引線(xiàn)張力過(guò)大則通常會(huì)引起鍵合處的斷裂或開(kāi)裂，如圖8(a，b)為鍵合失效樣品的芯片的正面照片。 

圖8　鍵合相關(guān)失效

    水汽的侵蝕會(huì)引發(fā)電解效應(yīng)，很大程度上加速金屬電遷移。焊盤(pán)基底諸如C等雜質(zhì)沾污則會(huì)導(dǎo)致空洞的產(chǎn)生，引起焊盤(pán)隆起。圖8(c)所示為具有不連續(xù)電學(xué)特征的失效樣品。SEM，EDX(圖9)分析證明連結(jié)部位存在爆裂現(xiàn)象，且焊盤(pán)中有氯的存在。

    3　注塑成型相關(guān)失效

    與其他塑封IC產(chǎn)品一樣，注塑成型時(shí)的沖絲、包封材料空洞等現(xiàn)象也會(huì)引起IC卡的失效問(wèn)題6。環(huán)氧塑封料在注塑成型時(shí)呈熔融狀態(tài)，是有粘度的運(yùn)動(dòng)流體，因此具有一定的沖力，沖力作用在金絲上，使金絲產(chǎn)生偏移，極端情況下金絲被沖斷，這就是所謂的沖絲。 

   
圖9　連結(jié)處的爆裂現(xiàn)象，EDX能譜顯示了Cl的存在

    假設(shè)熔融塑封料為理想流體，不考慮塑封體厚度，則塑封料流動(dòng)對(duì)金絲的沖力大小可表示為F=Kfηυsinθ，其中F為單位面積的沖力，Kf為常數(shù)，η為熔融塑封料的粘度，υ為流動(dòng)速度，θ為流動(dòng)方向與金絲的夾角。由公式可知，塑封料粘度越大，流速越快，θ角度越大，產(chǎn)生的沖力就越大，沖絲程度也越嚴(yán)重，會(huì)引起短路或者引線(xiàn)連結(jié)處脫落，導(dǎo)致IC卡失效。

    此外，注塑過(guò)程中留下的氣泡、小孔以及麻點(diǎn)(表面多孔)在后續(xù)工藝后會(huì)擴(kuò)散、增大，易造成潮氣以及其他有害雜質(zhì)的侵入，加速I(mǎi)MC的形成，引起焊盤(pán)腐蝕。

    4　靜電放電引起的失效

    靜電放電(ESD)是直接接觸或靜電場(chǎng)感應(yīng)引起的兩個(gè)不同靜電勢(shì)的物體之間靜電荷的傳輸，常使芯片電路發(fā)生來(lái)流熔化、電荷注入、氧化層損傷和薄膜燒毀等諸多失效。

    IC卡產(chǎn)呂由于封裝形式和使用環(huán)境的特殊性，芯片的工作條件較差，更易受到ESD的損傷。IC卡中的E2PROM存儲(chǔ)著重要的信息，若因ESD而引起數(shù)據(jù)出錯(cuò)、丟失等，必將造成巨大的損失。所以IC卡芯片對(duì)ESD有較高的要求，一般大于4kV。

    防護(hù)ESD的一種有效方法，即設(shè)計(jì)特定的保護(hù)電路。圖10即為一種基于CMOS工藝的IC卡芯片ESD保護(hù)電路7。該結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)部分:主保護(hù)電路和箝拉電路。在ESD發(fā)生時(shí)，箝拉電路首先導(dǎo)通，使輸入端柵上的電壓箝拉在低于柵擊穿的電壓。中間的串聯(lián)電阻起限流作用，更重要的是使PAD上的電壓能觸發(fā)主保護(hù)電路的開(kāi)啟，使ESD能量通過(guò)主保護(hù)電路得到釋放。 

圖10　一種ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)線(xiàn)路圖

    此外，通過(guò)改善生產(chǎn)工藝、控制使用環(huán)境等也能有效減少ESD的發(fā)生。傳統(tǒng)的IC卡采用引線(xiàn)鍵合條帶技術(shù)，芯片碎裂是其最主要的失效機(jī)理。通過(guò)改進(jìn)研磨、劃片等工藝技術(shù)，提高組裝(特別是裝片時(shí)的頂針過(guò)程)、鍵合、模塊鑲嵌等工藝質(zhì)量，可大大降低芯片碎裂率，提高IC卡的成品率和可靠性。

    此外，與引線(xiàn)鍵合、注模相關(guān)的失效，如虛焊、脫焊、引線(xiàn)過(guò)松、過(guò)緊、沖絲或由于外界潮氣的侵入和電學(xué)因素的共同作用而形成IMC等都將降低IC卡的可靠性，引起IC卡失效，可通過(guò)改進(jìn)相應(yīng)的工藝技術(shù)來(lái)減少此類(lèi)失效的發(fā)生。ESD亦是IC卡失效的重要機(jī)理之一，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致Al線(xiàn)/多晶硅電阻燒穿、晶體管柵氧化層損壞或者結(jié)損傷，對(duì)此可通過(guò)設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的ESD保護(hù)電路徠提升IC卡芯片抗ESD的能力，以提升IC卡的可靠性。