IC智能卡失效机理分析

时间：2012-04-29来源：网络

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。
　
　　当顶针作用在芯片背面的滑移过程时，顶针端部受到垂直载荷成比例的摩擦阻力作用，使得接触圆的张应力随之增高。同时顶针滑过芯片，会在其背面留下条带状划痕，有可能产生细微碎屑，楔入硅衬底材料形成微裂纹，极大地影响了芯片的强度。

　　对开封后的IC卡芯片背面进行OM观察，发现约大部分碎裂芯片的裂纹处或其附近都存在顶针划痕，多为直线带有弯钩的形状，且裂纹在划痕处均有不同程度的弯折。划痕尺寸较大，一般长数十μm，宽大于10μm，且有一定深度，约为几μm(图6为20个样品划痕形状、大小统计数据所得示意图)。
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。


图6 　顶针划痕示意图
　　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。

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。
　　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。

　　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。
　　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。
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