IC智能卡失效的機(jī)理研究
加入技術(shù)交流群
此外，伴隨壓痕作用，芯片常發(fā)生破片現(xiàn)象，即在壓痕的周圍有部分材料呈碎屑狀。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)。
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。
圖6 頂針劃痕示意圖
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 鍵合引線工藝中的失效機(jī)理
圖7 鍵合引線工藝中的失效機(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。
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。
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。
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)引起短路或者引線連結(jié)處脫落，導(dǎo)致IC卡失效。
此外，注塑過程中留下的氣泡、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IMC的形成，引起焊盤腐蝕。
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)生來流熔化、電荷注入、氧化層損傷和薄膜燒毀等諸多失效。
此外，注塑過程中留下的氣泡、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IMC的形成，引起焊盤腐蝕。
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)生來流熔化、電荷注入、氧化層損傷和薄膜燒毀等諸多失效。
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)電路的開啟，使ESD能量通過主保護(hù)電路得到釋放。
此外，通過改善生產(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卡采用引線鍵合條帶技術(shù)，芯片碎裂是其最主要的失效機(jī)理。通過改進(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，與引線鍵合、注模相關(guān)的失效，如虛焊、脫焊、引線過松、過緊、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，可通過改進(jìn)相應(yīng)的工藝技術(shù)來減少此類失效的發(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/多晶硅電阻燒穿、晶體管柵氧化層損壞或者結(jié)損傷，對(duì)此可通過設(shè)計(jì)專門的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。
此外，與引線鍵合、注模相關(guān)的失效，如虛焊、脫焊、引線過松、過緊、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，可通過改進(jìn)相應(yīng)的工藝技術(shù)來減少此類失效的發(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/多晶硅電阻燒穿、晶體管柵氧化層損壞或者結(jié)損傷，對(duì)此可通過設(shè)計(jì)專門的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。
評(píng)論