IC智能卡失效机理研究

图6 　顶针划痕示意图

    1.4　成型工艺

    IC卡成型工艺中，由于制作工艺因素，模块厚度、卡基凹槽几何形状间存在一定差异，不能完全匹配，从而会引发较在成倍应力，加上使用过程中的不同材料的热胀冷缩或者外力扭曲，也容易引起芯片碎裂。 

图7　键合引线工艺中的失效机理

    2　键合相关失效 

    IC卡组装工艺中，因键合引起的失效也是影响IC卡质量和可靠性的重要因素之一。键合失效主要表现为IC卡电学特征上的不连续，如开路同时伴有短路、漏电等现象，或出现“输入高”或者“输入低”的失效。图7给出了与键合相关的诸多失效机理6。

    焊盘/引线界面需有合金化过程以形成良好的接触，但过渡的合金化会导致金属中间化合物(IMC)的形成，引起键合失效。键合引线的张力也是引起键合失效的重要参数之一，张力过小，会导致引线过于松软，与其他引线形成短路;引线张力过大则通常会引起键合处的断裂或开裂，如图8(a，b)为键合失效样品的芯片的正面照片。 

图8　键合相关失效

    水汽的侵蚀会引发电解效应，很大程度上加速金属电迁移。焊盘基底诸如C等杂质沾污则会导致空洞的产生，引起焊盘隆起。图8(c)所示为具有不连续电学特征的失效样品。SEM，EDX(图9)分析证明连结部位存在爆裂现象，且焊盘中有氯的存在。

    3　注塑成型相关失效

    与其他塑封IC产品一样，注塑成型时的冲丝、包封材料空洞等现象也会引起IC卡的失效问题6。环氧塑封料在注塑成型时呈熔融状态，是有粘度的运动流体，因此具有一定的冲力，冲力作用在金丝上，使金丝产生偏移，极端情况下金丝被冲断，这就是所谓的冲丝。 

   
图9　连结处的爆裂现象，EDX能谱显示了Cl的存在

    假设熔融塑封料为理想流体，不考虑塑封体厚度，则塑封料流动对金丝的冲力大小可表示为F=Kfηυsinθ，其中F为单位面积的冲力，Kf为常数，η为熔融塑封料的粘度，υ为流动速度，θ为流动方向与金丝的夹角。由公式可知，塑封料粘度越大，流速越快，θ角度越大，产生的冲力就越大，冲丝程度也越严重，会引起短路或者引线连结处脱落，导致IC卡失效。

    此外，注塑过程中留下的气泡、小孔以及麻点(表面多孔)在后续工艺后会扩散、增大，易造成潮气以及其他有害杂质的侵入，加速IMC的形成，引起焊盘腐蚀。

    4　静电放电引起的失效

    静电放电(ESD)是直接接触或静电场感应引起的两个不同静电势的物体之间静电荷的传输，常使芯片电路发生来流熔化、电荷注入、氧化层损伤和薄膜烧毁等诸多失效。

    IC卡产吕由于封装形式和使用环境的特殊性，芯片的工作条件较差，更易受到ESD的损伤。IC卡中的E2PROM存储着重要的信息，若因ESD而引起数据出错、丢失等，必将造成巨大的损失。所以IC卡芯片对ESD有较高的要求，一般大于4kV。

    防护ESD的一种有效方法，即设计特定的保护电路。图10即为一种基于CMOS工艺的IC卡芯片ESD保护电路7。该结构包括两个部分:主保护电路和箝拉电路。在ESD发生时，箝拉电路首先导通，使输入端栅上的电压箝拉在低于栅击穿的电压。中间的串联电阻起限流作用，更重要的是使PAD上的电压能触发主保护电路的开启，使ESD能量通过主保护电路得到释放。 

图10　一种ESD保护结构线路图

    此外，通过改善生产工艺、控制使用环境等也能有效减少ESD的发生。传统的IC卡采用引线键合条带技术，芯片碎裂是其最主要的失效机理。通过改进研磨、划片等工艺技术，提高组装(特别是装片时的顶针过程)、键合、模块镶嵌等工艺质量，可大大降低芯片碎裂率，提高IC卡的成品率和可靠性。

    此外，与引线键合、注模相关的失效，如虚焊、脱焊、引线过松、过紧、冲丝或由于外界潮气的侵入和电学因素的共同作用而形成IMC等都将降低IC卡的可靠性，引起IC卡失效，可通过改进相应的工艺技术来减少此类失效的发生。ESD亦是IC卡失效的重要机理之一，严重时将导致Al线/多晶硅电阻烧穿、晶体管栅氧化层损坏或者结损伤，对此可通过设计专门的ESD保护电路徕提升IC卡芯片抗ESD的能力，以提升IC卡的可靠性。