IC智能卡失效的機理研究
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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，以滿足人們對方便、迅捷的追求。然而使用過程中出現(xiàn)的密碼校驗錯誤、數(shù)據(jù)丟失、數(shù)據(jù)寫入出錯、亂碼、全“0”全“F”等諸多失效問題，嚴重影響了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)境對失效的IC卡進行分析，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(yīng)的措施，改進IC卡的質(zhì)量和性能1。
由IC卡失效樣品的分析實例發(fā)現(xiàn)，芯片碎裂、內(nèi)連引線脫落(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IC卡芯片碎裂、鍵合失效模式及機理進行研究和討論，并簡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(shù)的一半以上，主要表現(xiàn)為IC卡數(shù)據(jù)寫入錯、亂碼、全“0”全“F”。
對不同公司提供的1739張失效IC卡進行電學測試，選取其中失效模式為全“0”全“F”的100個樣品進行IC卡的正、背面腐蝕開封，光學顯微鏡(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
下面根據(jù)芯片碎裂物理機理，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)，對導致IC卡薄芯片碎裂的根本原因進行深入分析。
圖2 芯片背面研磨損傷的OM照片
1.1 硅片減薄
標準的硅片背面減薄工藝包括貼片、磨片(粗磨、細磨)、腐蝕三道工序。常用的機械磨削法不可避免地會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;較深的晶格位錯層;彈性變形層。粗磨、細磨后，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度。因此，需要用腐蝕法來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。實驗發(fā)現(xiàn)原始厚度為725μm的硅片，經(jīng)磨片后，腐蝕深度約為25μm時可得到最大的強度值3;同時，分析表明，芯片在鍵合與測試時發(fā)生碎裂，往往是由于磨片時造成的損傷在隨后的腐蝕或化學機械拋光中沒有被完全去除而引起的。
對于碎裂面垂直于芯片表面，深a、長2b的二維半橢圓型裂紋而言，則滿足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;裂紋幾何因子Φ=(1。2π)1/2/Y。設(shè)裂紋長為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度σ=0。58/4b(GPa)，σ與芯片背面殘留裂紋長度、深度的對應(yīng)關(guān)系如圖3(b)?？梢姡酒榱雅R界強度隨著微裂紋長度的增大而急劇降低，當裂紋大于1μm時，下降趨勢逐漸平緩，并趨于穩(wěn)定小值。
磨片過程不僅會造成硅片背面的微裂紋，且表面的殘余應(yīng)力還會引起硅片翹曲。硅片的背面減薄工芯對芯片碎裂有著直接的影響，因此需要開發(fā)新技術(shù)，實現(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。
磨片過程不僅會造成硅片背面的微裂紋，且表面的殘余應(yīng)力還會引起硅片翹曲。硅片的背面減薄工芯對芯片碎裂有著直接的影響，因此需要開發(fā)新技術(shù)，實現(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。
減薄后的硅片被送進劃片機進行劃片，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為多個樣品的疊加圖。實驗表明，劃片引起芯片邊緣的損傷同樣會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(xù)的引線鍵合工藝的瞬時沖擊下或者包封后熱處理過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，實現(xiàn)減薄后芯片的自動分離。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(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(jié)到芯片卡的引線框上。若裝片機工藝參數(shù)調(diào)整不當，亦會造成芯片背面損傷，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程，留下較大面積的劃痕，此現(xiàn)象在碎裂芯片中占了相當比例。
1.3 模塊工藝
模塊工藝包括裝片、包封等工序)的裝片過程中，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(jié)到芯片卡的引線框上。若裝片機工藝參數(shù)調(diào)整不當，亦會造成芯片背面損傷，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程，留下較大面積的劃痕，此現(xiàn)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壓載過程，將對芯片表面造成局部損傷?，F(xiàn)將頂針對芯片背面的觸碰過程(暫不考慮頂針的滑移)簡化為球?qū)ΨQ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應(yīng)關(guān)系如圖5?？梢?，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(jié)果比較可知，頂針過程是芯片碎裂的一個主要誘因。
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