中心議題：

• IC智能卡失效的機理研究
• 芯片碎裂引起的失效分析

解決方案：

• 矽片減薄
• 模塊工藝

IC智能卡作為信息時代的新型高技術存儲產品，具有容量大、保密性強以及攜帶方便等優點，被廣泛應用於社會生活的各個領域。通常所說的IC卡
，是把含有非揮發存儲單元NVM或集成有微控製器MCU等的IC芯片嵌裝於塑料基片而成，主要包括塑料基片(有或沒有磁條)
、接觸麵、IC芯片3個部分。傳統的IC卡製作工序為:對測試、信息寫入後的矽晶圓片進行減薄、劃片，分離成小芯片，再經裝片、引線鍵合、包封等工序製成IC卡模塊，最後嵌入IC卡塑料基板。　　

隨著IC產品製造工藝的提高以及高性能LSI的湧現，IC智能卡不斷向功能多樣化
、智能化的方向發展，以滿足人們對方便、迅捷的追求。然而使用過程中出現的密碼校驗錯誤
、數據丟失
、數據寫入出錯

、亂碼
、全“0”全“F”等諸多失效問題，嚴重影響了IC卡的廣泛應用。因此，有必要結合IC卡的製作工藝及使用環境對失效的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
，以便采取相應的措施，改進IC卡的質量和性能1。　　

由IC卡失效樣品的分析實例發現
，芯片碎裂、內連引線脫落(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，本文著重對IC卡芯片碎裂、鍵合失效模式及機理進行研究和討論，並簡略介紹其他失效模式。　　

芯片碎裂引起的失效　　

由於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、背麵腐蝕開封
，光學顯微鏡(OM)觀察發現裂紋形狀多為“十”字、“T”字型
，亦有部分為貫穿芯片的單條裂紋，並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
，位於芯片中央附近並垂直於邊緣;其餘芯片的裂紋靠近芯片邊緣或集中於芯片。


圖　芯片背麵碎裂的OM照片
　　
下麵根據芯片碎裂物理機理
，結合IC卡製作工藝(包括矽片的後道工序、模塊條帶製作、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　芯片背麵研磨損傷的OM照片　　
[page]
矽片減薄　
　
標準的矽片背麵減薄工藝包括貼片
、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矽片表麵和亞表麵的損傷(圖2)，表麵損傷分為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
、細磨後，矽片背麵仍留有深度為15～20μm、存(cun)在(zai)微(wei)損(sun)傷(shang)及(ji)微(wei)裂(lie)紋(wen)的(de)薄(bo)層(ceng)，極(ji)大(da)影(ying)響(xiang)了(le)矽(gui)片(pian)的(de)強(qiang)度(du)。因(yin)此(ci)，需(xu)要(yao)用(yong)腐(fu)蝕(shi)法(fa)來(lai)去(qu)除(chu)矽(gui)片(pian)背(bei)麵(mian)殘(can)留(liu)的(de)晶(jing)格(ge)損(sun)傷(shang)層(ceng)，避(bi)免(mian)矽(gui)片(pian)因(yin)殘(can)餘(yu)應(ying)力(li)而(er)發(fa)生(sheng)碎(sui)裂(lie)。實(shi)驗(yan)發(fa)現(xian)原(yuan)始(shi)厚(hou)度(du)為(wei)725μm的矽片，經磨片後

，腐蝕深度約為25μm時可得到最大的強度值3;tongshi，fenxibiaoming
，xinpianzaijianheyuceshishifashengsuilie，wangwangshiyouyumopianshizaochengdesunshangzaisuihoudefushihuohuaxuejixiepaoguangzhongmeiyoubeiwanquanquchueryinqide。

對於碎裂麵垂直於芯片表麵，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，平麵應力狀態常載荷條件下碎裂的臨界強度σ=0。58/4b(GPa）可見，芯片碎裂臨界強度隨著微裂紋長度的增大而急劇降低，當裂紋大於1μm時，下降趨勢逐漸平緩，並趨於穩定小值。　　

磨(mo)片(pian)過(guo)程(cheng)不(bu)僅(jin)會(hui)造(zao)成(cheng)矽(gui)片(pian)背(bei)麵(mian)的(de)微(wei)裂(lie)紋(wen)，且(qie)表(biao)麵(mian)的(de)殘(can)餘(yu)應(ying)力(li)還(hai)會(hui)引(yin)起(qi)矽(gui)片(pian)翹(qiao)曲(qu)。矽(gui)片(pian)的(de)背(bei)麵(mian)減(jian)薄(bo)工(gong)芯(xin)對(dui)芯(xin)片(pian)碎(sui)裂(lie)有(you)著(zhe)直(zhi)接(jie)的(de)影(ying)響(xiang)
，因(yin)此(ci)需(xu)要(yao)開(kai)發(fa)新(xin)技(ji)術(shu)，實(shi)現(xian)背(bei)麵(mian)減(jian)薄(bo)工(gong)藝(yi)集(ji)成(cheng)，以(yi)提(ti)高(gao)矽(gui)片(pian)減(jian)薄(bo)的(de)效(xiao)率(lv)
，減(jian)少(shao)芯(xin)片(pian)的(de)碎(sui)裂(lie)。

減薄後的矽片被送進劃片機進行劃片，劃片槽的斷麵往往比較粗糙
，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，在後續的引線鍵合工藝的瞬時衝擊下或者包封後熱處理過程中由於熱膨脹係數(CTE)的不匹配產生的應力使微裂紋擴展而發生碎裂。

為減少劃片工藝對芯片的損傷，目前已有新的劃片技術相繼問世:先劃片後減薄(dicingbeforegrinding，DBG)法和減薄劃片法(dicingbythinning，DBT)5
，即在矽片背麵減薄之前
，先用磨削或腐蝕方式在正麵切割出切口，實現減薄後芯片的自動分離。這兩種方法可以很好地避免/減(jian)少(shao)因(yin)減(jian)薄(bo)引(yin)起(qi)的(de)矽(gui)片(pian)翹(qiao)曲(qu)以(yi)及(ji)劃(hua)片(pian)引(yin)起(qi)的(de)芯(xin)片(pian)邊(bian)緣(yuan)損(sun)傷(shang)。此(ci)外(wai)，采(cai)用(yong)非(fei)機(ji)械(xie)接(jie)觸(chu)加(jia)工(gong)的(de)激(ji)光(guang)劃(hua)片(pian)技(ji)術(shu)也(ye)可(ke)避(bi)免(mian)機(ji)械(xie)劃(hua)片(pian)所(suo)產(chan)生(sheng)的(de)微(wei)裂(lie)痕(hen)、碎片等現象
，大大地提高成品率。　　

模塊工藝　　

模塊工藝包括裝片、包封等工序)的(de)裝(zhuang)片(pian)過(guo)程(cheng)中(zhong)
，裝(zhuang)片(pian)機(ji)頂(ding)針(zhen)從(cong)貼(tie)片(pian)膜(mo)上(shang)頂(ding)起(qi)芯(xin)片(pian)，由(you)真(zhen)空(kong)吸(xi)頭(tou)吸(xi)起(qi)芯(xin)片(pian)，將(jiang)其(qi)粘(zhan)結(jie)到(dao)芯(xin)片(pian)卡(ka)的(de)引(yin)線(xian)框(kuang)上(shang)。若(ruo)裝(zhuang)片(pian)機(ji)工(gong)藝(yi)參(can)數(shu)調(tiao)整(zheng)不(bu)當(dang)，亦(yi)會(hui)造(zao)成(cheng)芯(xin)片(pian)背(bei)麵(mian)損(sun)傷(shang)
，嚴(yan)重(zhong)影(ying)響(xiang)芯(xin)片(pian)強(qiang)度(du):如頂針頂力不均或過大
，導致頂針刺穿藍膜而直接作用於芯片，在芯片背麵留有圓型損傷坑;或頂針在芯片背麵有一定量的平等滑移過程
，留下較大麵積的劃痕，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壓載過程，將對芯片表麵造成局部損傷。現將頂針對芯片背麵的觸碰過程(暫不考慮頂針的滑移)簡化為球對稱平麵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鬆比。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為作用在徑向方向並且與材料表麵平等的應力。由於頂針尖端半徑較小，取矽材料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係如圖5。可見，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
，與前麵計算結果比較可知，頂針過程是芯片碎裂的一個主要誘因。

此ci外wai，伴ban隨sui壓ya痕hen作zuo用yong
，芯xin片pian常chang發fa生sheng破po片pian現xian象xiang，即ji在zai壓ya痕hen的de周zhou圍wei有you部bu分fen材cai料liao呈cheng碎sui屑xie狀zhuang。頂ding針zhen作zuo用yong時shi，在zai壓ya痕hen表biao麵mian下xia的de形xing變bian帶dai會hui有you橫heng向xiang裂lie紋wen的de產chan生sheng
，壓ya痕hen作zuo用yong消xiao失shi後hou
，橫heng向xiang裂lie紋wen會hui發fa生sheng增zeng殖zhi直zhi至zhi樣yang品pin表biao麵mian，導dao致zhi破po片pian的de產chan生sheng。一yi般ban情qing況kuang下xia，壓ya力li越yue大da
，破po片pian現xian象xiang越yue嚴yan重zhong。　　　

dangdingzhenzuoyongzaixinpianbeimiandehuayiguochengshi
，dingzhenduanbushoudaochuizhizaihechengbilidemocazulizuoyong，shidejiechuyuandezhangyinglisuizhizenggao。tongshidingzhenhuaguoxinpian
，huizaiqibeimianliuxiatiaodaizhuanghuahen

，youkenengchanshengxiweisuixie
，xieruguichendicailiaoxingchengweiliewen，jidadiyingxianglexinpiandeqiangdu。　　

對開封後的IC卡芯片背麵進行OMguancha


，faxianyuedabufensuiliexinpiandeliewenchuhuoqifujindoucunzaidingzhenhuahen，duoweizhixiandaiyouwangoudexingzhuang
，qieliewenzaihuahenchujunyoubutongchengdudewanzhe。huahenchicunjiaoda，yibanchangshushiμm，寬大於10μm，且有一定深度，約為幾μm(圖6為20個樣品劃痕形狀、大小統計數據所得示意圖)。在特定接觸半徑下，芯片表麵接觸圓外的張應力與離接觸中心的徑向距離間滿足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
，在離頂針作用點一定範圍內，芯片表麵仍存在張應力表麵層
，為裂紋產生及擴展提供了非常有利的條件。

圖 頂針劃痕示意圖
IC卡成型工藝中
，由於製作工藝因素，模塊厚度

、卡ka基ji凹ao槽cao幾ji何he形xing狀zhuang間jian存cun在zai一yi定ding差cha異yi，不bu能neng完wan全quan匹pi配pei
，從cong而er會hui引yin發fa較jiao在zai成cheng倍bei應ying力li
，加jia上shang使shi用yong過guo程cheng中zhong的de不bu同tong材cai料liao的de熱re脹zhang冷leng縮suo或huo者zhe外wai力li扭niu曲qu，也ye容rong易yi引yin起qi芯xin片pian碎sui裂lie。
[page]

圖 鍵合引線工藝中的失效機理
　　
鍵合相關失效　　

IC卡組裝工藝中
，因鍵合引起的失效也是影響IC卡質量和可靠性的重要因素之一。鍵合失效主要表現為IC卡電學特征上的不連續


，如開路同時伴有短路、漏電等現象，或出現“輸入高”或者“輸入低”的失效。圖給出了與鍵合相關的諸多失效機理。



圖　鍵合相關失效　　

水汽的侵蝕會引發電解效應，很大程度上加速金屬電遷移。焊盤基底諸如C等雜質沾汙則會導致空洞的產生，引起焊盤隆起。圖所示為具有不連續電學特征的失效樣品。SEM，EDX分析證明連結部位存在爆裂現象

，且焊盤中有氯的存在。　　

注塑成型相關失效　　

與其他塑封IC產品一樣，注塑成型時的衝絲
、包封材料空洞等現象也會引起IC卡的失效問題6。huanyangsufengliaozaizhusuchengxingshichengrongrongzhuangtai
，shiyouzhandudeyundongliuti
，yincijuyouyidingdechongli，chonglizuoyongzaijinsishang，shijinsichanshengpianyi，jiduanqingkuangxiajinsibeichongduan，zhejiushisuoweidechongsi。
　　
假設熔融塑封料為理想流體，不考慮塑封體厚度
，則塑封料流動對金絲的衝力大小可表示為F=Kfηυsinθ

，其中F為單位麵積的衝力，Kf為常數
，η為熔融塑封料的粘度
，υ為流動速度
，θ為流動方向與金絲的夾角。由公式可知，塑封料粘度越大，流速越快，θ角度越大，產生的衝力就越大，衝絲程度也越嚴重

，會引起短路或者引線連結處脫落，導致IC卡失效。　　此外，注塑過程中留下的氣泡、小孔以及麻點(表麵多孔)在後續工藝後會擴散
、增大，易造成潮氣以及其他有害雜質的侵入，加速IMC的形成，引起焊盤腐蝕。　　

靜電放電引起的失效　　

靜電放電(ESD)是直接接觸或靜電場感應引起的兩個不同靜電勢的物體之間靜電荷的傳輸，常使芯片電路發生來流熔化、電荷注入、氧化層損傷和薄膜燒毀等諸多失效。
　　
防護ESD的一種有效方法
，即設計特定的保護電路。圖10即為一種基於CMOS工藝的IC卡芯片ESD保護電路7。該結構包括兩個部分:主保護電路和箝拉電路。在ESD發生時，箝拉電路首先導通，使輸入端柵上的電壓箝拉在低於柵擊穿的電壓。中間的串聯電阻起限流作用

，更重要的是使PAD上的電壓能觸發主保護電路的開啟，使ESD能量通過主保護電路得到釋放。

此外，通過改善生產工藝、控製使用環境等也能有效減少ESD的發生。傳統的IC卡采用引線鍵合條帶技術，芯片碎裂是其最主要的失效機理。通過改進研磨
、劃片等工藝技術，提高組裝(特別是裝片時的頂針過程)

、鍵合、模塊鑲嵌等工藝質量
，可大大降低芯片碎裂率，提高IC卡的成品率和可靠性。　　

此外，與引線鍵合
、注模相關的失效，如虛焊、脫焊、引線過鬆、過緊、衝絲或由於外界潮氣的侵入和電學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，可通過改進相應的工藝技術來減少此類失效的發生。ESD亦是IC卡失效的重要機理之一，嚴重時將導致Al線/多晶矽電阻燒穿、晶體管柵氧化層損壞或者結損傷，對此可通過設計專門的ESD保護電路徠提升IC卡芯片抗ESD的能力
，以提升IC卡的可靠性。