IC智能卡失效机理研究

    IC智能卡作为信息时代的新型高技术存储产品，具有容量大、保密性强以及携带方便等优点，被广泛应用于社会生活的各个领域。通常所说的IC卡，是把含有非挥发存储单元NVM或集成有微控制器MCU等的IC芯片嵌装于塑料基片而成，主要包括塑料基片(有或没有磁条)、接触面、IC芯片3个部分。传统的IC卡制作工序为:对测试、信息写入后的硅晶圆片进行减薄、划片，分离成小芯片，再经装片、引线键合、包封等工序制成IC卡模块，最后嵌入IC卡塑料基板。

    随着IC产品制造工艺的提高以及高性能LSI的涌现，IC智能卡不断向功能多样化、智能化的方向发展，以满足人们对方便、迅捷的追求。然而使用过程中出现的密码校验错误、数据丢失、数据写入出错、乱码、全“0”全“F”等诸多失效问题，严重影响了IC卡的广泛应用。因此，有必要结合IC卡的制作工艺及使用环境对失效的IC卡进行分析，深入研究其失效模式及失效机理，探索引起失效的根本原因，以便采取相应的措施，改进IC卡的质量和性能1。

    由IC卡失效样品的分析实例发现，芯片碎裂、内连引线脱落(脱焊、虚焊等)、芯片电路击穿等现象是引起IC卡失效的主要原因，本文着重对IC卡芯片碎裂、键合失效模式及机理进行研究和讨论，并简略介绍其他失效模式。

    1　芯片碎裂引起的失效

    由于IC卡使用薄/超薄芯片，芯片碎裂是导致其失效的主要原因，约占失效总数的一半以上，主要表现为IC卡数据写入错、乱码、全“0”全“F”。

    对不同公司提供的1739张失效IC卡进行电学测试，选取其中失效模式为全“0”全“F”的100个样品进行IC卡的正、背面腐蚀开封，光学显微镜(OM)观察发现裂纹形状多为“十”字、“T”字型，亦有部分为贯穿芯片的单条裂纹，并在顶针作用点处略有弯折，如图1。碎裂芯片中的裂纹50%以上，位于芯片中央附近并垂直于边缘;其余芯片的裂纹靠近芯片边缘或集中于芯片。 

图1　芯片背面碎裂的OM照片

    芯片碎裂归根结底是由应力造成的，当外应力超出芯片碎裂强度时，芯片就会发生脆性碎裂2。制造工艺中减薄、上芯、压焊、塑封是引起芯片碎裂隐患的主要工序，这些工序易造成芯片表面的微裂纹或损伤，外加应力时出现应力集中现象，特别是垂直表面裂纹的张应力，多集中于裂纹的尖端。当应力超过芯片的应力强度因子时，微裂纹就会失去稳定并发生扩展，从而大大降低了芯片的强度。

    下面根据芯片碎裂物理机理，结合IC卡制作工艺(包括硅片的后道工序、模块条带制作、IC卡成型工艺)，对导致IC卡薄芯片碎裂的根本原因进行深入分析。 

图2　芯片背面研磨损伤的OM照片

    1.1　硅片减薄

    标准的硅片背面减薄工艺包括贴片、磨片(粗磨、细磨)、腐蚀三道工序。常用的机械磨削法不可避免地会造成硅片表面和亚表面的损伤(图2)，表面损伤分为3层:有微裂纹分布的非晶层;较深的晶格位错层;弹性变形层。粗磨、细磨后，硅片背面仍留有深度为15～20μm、存在微损伤及微裂纹的薄层，极大影响了硅片的强度。因此，需要用腐蚀法来去除硅片背面残留的晶格损伤层，避免硅片因残余应力而发生碎裂。实验发现原始厚度为725μm的硅片，经磨片后，腐蚀深度约为25μm时可得到最大的强度值3;同时，分析表明，芯片在键合与测试时发生碎裂，往往是由于磨片时造成的损伤在随后的腐蚀或化学机械抛光中没有被完全去除而引起的。

    由Giffith微裂纹扩展理论4可知，长度为a的一维裂纹的扩展判据为σ2≥2Eγsπa，若腐蚀后芯片背面残留裂纹长为c，并将杨氏模量E=106。9GPa，表面能γs=3。1J/m2等参数代入，可得到平面应力状态常载荷条件下芯片碎裂的临界强度为σ=0。46/c(GPa)，图3(a)给出了σ与芯片背面残留裂纹长度的对应关系。

    对于碎裂面垂直于芯片表面，深a、长2b的二维半椭圆型裂纹而言，则满足Ccr=[(Φ2KIC2)/(1。2πσIC2)][2]，其中Ccr=(acrbcr)1/2，acr为临界裂纹深度，bcr为临界裂纹半长;裂纹几何因子Φ=(1。2π)1/2/Y。设裂纹长为2b，深度恒定为1μm，代入断裂韧度KIC=0。82MPa，Y=1。42得，平面应力状态常载荷条件下碎裂的临界强度σ=0。58/4b(GPa)，σ与芯片背面残留裂纹长度、深度的对应关系如图3(b)。可见，芯片碎裂临界强度随着微裂纹长度的增大而急剧降低，当裂纹大于1μm时，下降趋势逐渐平缓，并趋于稳定小值。

    磨片过程不仅会造成硅片背面的微裂纹，且表面的残余应力还会引起硅片翘曲。硅片的背面减薄工芯对芯片碎裂有着直接的影响，因此需要开发新技术，实现背面减薄工艺集成，以提高硅片减薄的效率，减少芯片的碎裂。 

图3　碎裂临界强度与长度对应关系图

    1.2　划片工艺

    减薄后的硅片被送进划片机进行划片，划片槽的断面往往比较粗糙，通常存在少量微裂纹和凹坑;有些地方甚至存在划片未划到底的情况，取片时就要靠顶针的顶力作用使芯片“被迫”分离，断口呈不规则状，如图4为多个样品的叠加图。实验表明，划片引起芯片边缘的损伤同样会严重影响芯片的碎裂强度。例如:断口存在微裂纹或凹槽的芯片，在后续的引线键合工艺的瞬时冲击下或者包封后热处理过程中由于热膨胀系数(CTE)的不匹配产生的应力使微裂纹扩展而发生碎裂。 

图4　IC卡芯片划片槽断口(多图叠加)

    为减少划片工艺对芯片的损伤，目前已有新的划片技术相继问世:先划片后减薄(dicingbeforegrinding，DBG)法和减薄划片法(dicingbythinning，DBT)5，即在硅片背面减薄之前，先用磨削或腐蚀方式在正面切割出切口，实现减薄后芯片的自动分离。这两种方法可以很好地避免/减少因减薄引起的硅片翘曲以及划片引起的芯片边缘损伤。此外，采用非机械接触加工的激光划片技术也可避免机械划片所产生的微裂痕、碎片等现象，大大地提高成品率。

    1.3　模块工艺

    模块工艺包括装片、包封等工序)的装片过程中，装片机顶针从贴片膜上顶起芯片，由真空吸头吸起芯片，将其粘结到芯片卡的引线框上。若装片机工艺参数调整不当，亦会造成芯片背面损伤，严重影响芯片强度:如顶针顶力不均或过大，导致顶针刺穿蓝膜而直接作用于芯片，在芯片背面留有圆型损伤坑;或顶针在芯片背面有一定量的平等滑移过程，留下较大面积的划痕，此现象在碎裂芯片中占了相当比例。 

图5　顶针作用过程芯片张力分量极大值与接触半径关系

    Fig顶针作用可等效为Vicker压痕器4压载过程，将对芯片表面造成局部损伤。现将顶针对芯片背面的触碰过程(暂不考虑顶针的滑移)简化为球对称平面垂直加载的理想情况，则两者接触圆半径a随垂直载荷P的变化为a=34PR(1-v2)/E+(1-v′2)/E′1/3=αP1/3，式中R是顶针端部半径，E，v和E′，v′分别为芯片、顶针端部的杨氏模量和泊松比。在接触圆的边缘，芯片的张应力分量达到极大值σm=12(1-2v)P0，其中P0=P/πα2是端部所受的垂直应力，σm为作用在径向方向并且与材料表面平等的应力。由于顶针尖端半径较小，取硅材料v=0。28，在1N顶力作用下，得到芯片张力分量极大值与接触半径的对应关系如图5。可见，初始情况下，接触半径很小，芯片张力分量初始值可达到GPa量级，与前面计算结果比较可知，顶针过程是芯片碎裂的一个主要诱因。

    在特定接触半径下，芯片表面接触圆外的张应力与离接触中心的径向距离间满足σr=σm(a/r)2，随离接触中心的径向距离r的增大σr下降。因此，在离顶针作用点一定范围内，芯片表面仍存在张应力表面层，为裂纹产生及扩展提供了非常有利的条件。

    此外，伴随压痕作用，芯片常发生破片现象，即在压痕的周围有部分材料呈碎屑状。顶针作用时，在压痕表面下的形变带会有横向裂纹的产生，压痕作用消失后，横向裂纹会发生增殖直至样品表面，导致破片的产生。一般情况下，压力越大，破片现象越严重。