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i c卡失效分析及其机理研究 摘要: 作为信息时代的新型高技术存储产品，i c卡具有容量大、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。 随着半导体产品制造工艺水 平的提高以及高性能l s i 的涌现，i c卡向功能多样化、集成化方向发展，以满 足人们对方便、迅捷的不断追求。但与此同时，由于在i c卡制造和使用过程中 会产生芯片碎裂、内连引线脱落、 芯片电路击穿等引起的密码校验失效、 数据丢 失、 应用区不能读写等一系列失效和可靠性问 题， 对其可靠和广泛的应用带来很 大影响，其失效模式、失效机理i待深入研究。 本文分析了i c卡芯片碎裂、引线键合失效、静电放电失效等的失效模式和 失效机理， 并结合i c卡制造工艺和i c卡失效分析实例， 对引起这些失效的 根本 原因做了深入探讨，并就提升制造成品率、改善可靠性提出相应的应对措施。 关键词:i c 卡， 失效机理， 薄 / 超薄芯片， 碎裂， 键合 f a i l u r e a n a l y s i s a n d f a i l u r e me c h a n i s m r e s e a r c h o f i c c a r d s ab s t r a c t : a s a v e r y i m p o r ta n t r o l e i n t h e a r e a o f i n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y , i c c a r d s h a v e m a n y g o o d a d v a n t a g e s s u c h a s g r e a t c a p a c i t y , s t a n d o u t s e c u r i t y a n d a tt r a c t i v e c o n v e n i e n c e s , w h i c h l e a d t o i t s v a r i e t y o f a p p l i c a t i o n s d e v e l o p m e n t o f s e m i c o n d u c t o r m a n u f a c t u r e p o w e r f u l m i c r o p r o c e s s o r s 而没有身份 证就不能乘坐飞机、 订饭店房间: 利用在街头越来越普及的磁卡电话亭， 只要有 张电话磁卡，我们可以迅速接通世界各地 人们之所以广泛接受并使用各种卡片， 说明它的用途十分广泛， 并和人们的 日 常生活息息相关。 随着社会的进步、 科学技术的发展， 人们期望新型卡片的出 现，以 满足日 常生活、工作以 及社会发展的需要。 1 9 7 0 年，法国人罗兰德 莫瑞诺 ( r o l a n d m o r e n o )第一次将可进行编程设 置的i c ( i n t e g r a t e d c i r c u i t s ) 芯片放于卡片中，使卡片具有更多的功能。当 时他在专利申请书中， 对这项发明作了如下阐述: 卡片上具有可进行自 我保护的 存储器。这样就诞生了世界上第一张i c 卡，使得卡的功能迎来一个质的飞跃。 在此后的时间里， 随着超大规模集成电路技术、 计算机技术以及信息安全技 术的发展，i c卡不断推陈出 新，出现了存储卡 ( m e m o r y c a r d )、加密存储卡 ( s e c u r i t y c a r d )、c p u 卡 ( s m a r t c a r d )、射频卡 ( r a d i o f r e q u e n c y c a r d ) 等诸多种类 ( 为简便起见，本文统称为i c 卡)，i c 卡制作技术亦日 趋成熟，其 内存越来越大，处理器功能越来越强，多功能i c 卡在全球范围内越来越普及。 1 9 9 3 年，各种存储器 工 c 卡销量为2 . 6 亿张，带有微处理器的智能i c 卡 销量为3 5 0 0 万张， 而仅仅8 年以后的2 0 0 0 1 年， 全球就有5 亿张c p u 卡和近1 0 亿张存储器卡在市面流通， 主要应用领域是电信、 城市交通等等， 预计在通信以 及因特网相关的应用需求不断增长的激励下， 未来几年内全球的发行量将增长到 3 0 亿张。 作为信息时代的新型高技术存储产品，i c卡具有容量大、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:信息、金融、通讯、交通、 消费娱乐、医疗保健、 企业内部管理、出入控制等等。随着半导体产品制造工艺 的提高以及高性能 l s i的涌现，i c卡向功能多样化、集成化方向发展，以满足 人们对方便、迅捷的不断追求。但与此同时，由于 i c卡芯片碎裂、内连引线脱 落、 芯片电路击穿等引起的密码校验失效、 数据丢失、 应用区不能读写等一系列 失效和可靠性问题， 对其广泛应用带来很大影响， 因此十分有必要对其各类失效 模式及失效机理加以深入研究。 7 . 2 、后道工序 ( 植模块)的生产工艺 7 . 2 . i , 热溶胶带层合工艺 f 高压段 段 -压 1子宁认、 升温段保持段 冷却段 取出 图8 :工 c 卡层合工艺 果时间太短，三者未能有足够时间层合 将事先做好的热溶胶带在有模 块的地方打洞，露出模块封装的环 氧树脂，接着将此胶带与模块条带 加热碾压并层合，然后中间加隔离 带将已层合好的模块条带收卷、运 输或保存。同样，在层合工艺中， 将带磁条的膜，印刷后的片材，底 面膜三者对位置放在一起在镜面板 之间加热，加压，见图 8 。在升温 段中如果温度升高过快，低压段压 强偏高会导热应力产生，保持段如 迅速降温的话，也会引起芯片碎裂。 7 . 2 . 2 、基片铣槽工艺 即在i c 卡基片上铣槽以便植入模块。由于相关制造标准对模块在卡片上位 置精度有要求， 深度精确度需达到士5 u m ， 较难控制， 正如上文提及的， 这也是 引起成品率降低的原因之一。 7 . 3 、卡初始化、个人化 发行商通过读写设备对卡进行个人化处理， 根据应用要求写入一些信息， 即 可投入使用。 三、i c 卡应用及其常见失效模式 作为信息时代的新型高技术存储产品，i c卡具有容量大、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:信息、金融、通讯、交通、 消费娱乐、医疗保健、 企业内部管理、出入控制等等。随着半导体产品制造工艺 的提高以及高性能 l s i的涌现，i c卡向功能多样化、集成化方向发展，以满足 人们对方便、迅捷的不断追求。 但与此同时， 使用中亦出现了诸多失效问题， 常见的失效模式主要有: 密码 校验错误;数据写入出错;乱码;全 “ 0 、全 “ f ,数据丢失等。 这些失效问题的存在给使用者带来很大的不便甚至巨大的损失， 严重影响了 i c 卡的广泛应用。因此，十分有必要结合 i c 卡的制作工艺、使用环境对 i c 卡 作相应的失效分析， 对其失效模式及失效机理进行深入研究， 探索导致失效的根 本原因，然后采取相应的措施，改进i c 卡质量和性能。 i v , i c 卡失效分析 为深入分析i c卡失效机理， 探究其失效的根本原因， 在深入了解i c卡制造 工艺、使用状态的基础上，对失效的i c卡进行了以下几部分分析和实验。 一、客户返回i c 卡的批量检测 1 、客户返回i c 卡功能测试结果 共测试客户返回i c卡1 7 3 9 张，分属a , b ,c ,d四个公司。其中公司a , b , c所使用的i c卡模块来自 于公司a , d公司所使用的模块来自 于公司b 。表 2列出了不同客户返回 i c卡中失效类别及其所占百分比的数据，有关测试的详 细结果见实验数据附件一。 表2 :不同客户返回7 4 4 2 1 c卡的测试结果对比 失 效 类 别 公 司 ; ( 4 1 2 张 ) i c卡 来源及各类失效所占百分比 公 司 b (5 3 qrk ) 一 公 司 。 (2 6 张 )公司d ( 1 2 4 8 张) p w n o t v e r i f i e d 八u一八曰 p w v e r i f i e d 全 0 0 全 0 0 全 f f 全 f f ( 有电流) ( 无电流) ( 有电流) ( 无电流) 5 . 6 6 0 3 3 . 0 8 1 . 8 9 9 6 . 1 5 0 . 1 6 3 3 . 4 9 1 . 2 8 4 . 4 1 e c - 0 7 . 2 8 6 . 5 5 2 2 . 3 3 8 . 01 2 . 1 8 2 4 . 2 7 1 7 . 9 6 8 . 7 4 13 . 2 12 13 . 7 7 e c异常 c o l p m n e c - 0 6 / 0 0 0 . 4 0 0 . 3 2 0 . 4 8 0 . 1 6 n-n曰 nu-门 e c - 0 6 i-,. c - 0 7 e c - 6( 恢复) 功能正常 测试结果表明: 0 0 4 3 . 44_6 .724 .9 7 1 ) 、主要的失效模式为全f f 、全0 0 、乱码以及错误计数代码出错等; 2 ) 、不同客户返回i c 卡的失效模式的分布相差很大。如c 公司返回的2 6 张i c 卡中，属于 “ p w n o t v e r i f i e d ”的占到9 6 . 6 %; b 公司返回的5 3 张 i c 卡中， 功能正常的占到4 3 . 4 %。 可见相同模块， 而后期模块贴装、卡的制作工艺不同， 其质量亦有较大差别。 2 、失效i c 卡中硅片的 观察 观察i c 卡中硅片的方法是: 先将i c 卡表面的导电金属层和粘结硅片的粘结 剂除去，然后在o m 或s e m 下从硅片背面观察其完整性。具体实验方法、步骤见 后面补充实验。 从客户返回的由a 公司加工模块、b 公司制卡的i c 卡中取失效模式为全f f 和全 0 0 的各 2 0 张，取由b 公司加工模块、d 公司生产的失效模式为全 0 0 的i c 卡2 0 张。 先用万用表检测各样品输入、 输出端以及导电端的导通情况: 一般v c c - 地、工 / 0 , c l k和 r e s e t 等端子之间无开路，部分样品v c c 与 g n d 之间的反向电 阻偏小。 然后除去硅片背面的覆盖物后，观察硅片背面，得到以下结果: 1 ) 、几乎所有硅片均己裂开 ( 见表 3 ) 解剖样品数硅片破裂样品数 硅片未破裂样品数 公司a 全f f 1 8 1 7 1 公司a 全0 0 1 8 1 8 0 公司b 全 0 0 2 0 1 9 0 总计 5 6 5 5 1 2 ) 、 公司a 的硅片裂缝都位于硅片中央附近， 平行于硅片边缘。 裂缝表现为贯穿 硅片的一条，或 “ t ， 字型，或 “ 十”字形。 公司b 的硅片裂缝有几种形状: 裂缝位于硅片中央附近，垂直于边缘( 7 片) 裂缝靠近硅片边缘 ( 7片) 裂缝斜穿硅片或集中在硅片一角 ( 6 片) 其中两类的裂缝呈多条 3 ) 、在公司a 样品的中央附近， 硅片上均有明显的划痕， 且各个样品上的划痕位 置和形状也相近，如表4 及图1 9 所示。划痕近乎垂直于硅片边缘，为直线并带 有弯勾的形状。划痕多出现在硅片的裂缝附近，且裂缝在划痕处略有弯折。 距 a 边 ( m m ) 距 b 边 ( m m ) 距 c 边 ( ，) 距 d 边 ( m m ) 长( k m )宽( ， m ) 面积 ( ， m ) f f一51 . 1 0 . 60 . 6 1 . 09 0 . 58 . 0 - 1 1 . 1 8 3 9 f f 一 71 . 0 0 . 70 . 7 0 . 99 6 . 5 9 . 61 2 2 4 f f - 1 31 . 2 0 . 70 . 8 0 . 99 2 . 3 1 3 . 31 2 0 0 f f - 1 51 . 0 0 . 7 0 . 61 . 0 8 8 . 41 3 . 4 1 1 5 4 f f - 1 71 . 0 0 . 70 . 5 1 . 06 2 . 5 8 . 65 3 7 . 5 0 0 - 20 . 8 0 . 8 0 . 71 . 0 5 7 . 5 2 01 1 5 0 0 0 - 70 . 8 0 . 90 . 6 0 . 97 6 . 7 1 91 4 5 0 0 0 -1 4 1 . 10 . 6 0 . 60 . 9 9 6 . 82 2 . 3 1 3 0 0 0 0 - 1 60 . 9 0 . 8 0 . 71 . 0 8 03 7 2 1 6 0 0 0 - 1 70 . 9 0 . 60 . 8 0 . 97 0 1 2 . 28 4 0 平均 1 . 00 . 6 0 . 6 60 . 9 3 7 7 . 7 21 6 . 4 1 1 8 5 . 5 a c 0 翻 a 圃翻t b 辛 圈 图1 9 :硅片背面裂缝及划痕位置示意图 公司 b样品的硅片背面亦有 明显的划痕，其形状基本上是长 方形，且也垂直于硅片边缘。就 公司 a 和 b的硅片样品相比较， 公司 a样品背面的划痕显然较长 划伤程度也较为严重。 同时，我们取了来自公司 a 和 b的功能正常的样品各四片， 采用相同的解剖程序对它们进行 了解剖，结果这 8个硅片背面均 无裂纹，这就说明我们的解剖方 法是可行和可信的， 解剖过程本身并不会造成硅片开裂。另外，我们在功能正常 的硅片背面也观察到了划痕的存在， 但与碎片背面的划痕相比， 他们的划伤程度 明显要轻微些。 4 ) 、 在公司a 和b的硅片背面均发现存在明显的硅片减薄工艺和顶针工艺带来的 条纹痕迹， 这表明硅片背面存有应力损伤层， 可能会导致应力集中甚至硅片碎裂 的潜在因素。值得指出的是，我们在进口 s i me n s芯片的背面发现有着良 好的 光洁度，并且芯片背面的划痕也非常轻微。 更详细的实验结果参见附件二、三。 3 、模块有关尺寸的测量 我们测量了2 0 张公司d 的i c 卡样品的 基板和模块厚度， 亦对m i c r o 2 4 c 0 1 s c e 4 4 4 2 样品进行了同样的测量。 注: mi c r o 2 4 c 0 1 . 8 c e 4 4 4 2 模块经过磨削处理 结果如下: 1 ) 、公司d模块 ( 由b 公司生产) 基板厚度: 2 5 9 w m 是 d模块厚度 i 2 583一12一583 598一11一579 mi c r o 2 4 c 0 1 样品编号 基板厚度 模块厚度 模块参数 1 2 11目-一-一.， 、-门一-、肠-6 一、分一j口一又-习旧一自卜-、 寻乍二犷们-限川-f犷-侣月一介 烈 l 林 111 夕 2 74583一 _2 7 859 02 8 o 一， 2 7 45 8 3 11 5 8 5 3 ) 、表 7 : 样品编号 基板厚度 模块厚度 8 c e 4 4 4 2 模块参数 1 2 ( ji m ) 、卜ui i 3 2 6 4 5 5 7 4 2 6 6 5 4 95 5 3 为便于比较， 表8 和表9 又分别列出了上述三种样品基板和模块厚度的统计结果 表8 、三种i c卡样品基板厚度的比较 最大值 ( p m ) 最 小 值( l m ) 平 均 值( a m )极差 ( a m ) 公司 d 2 6 0 2 5 8 2 5 9 2 mi c r o 2 4 c01 2 8 0 2 71 2 7 5 . 4 1 9 8 ce4 4 4 2 2 6 8 2 6 4 2 6 64 最大值 ( lx m ) 最 小 值( ji m ) 平 均 值( ja m ) 极差 ( p m ) 公司 b 5 9 85 5 9 5 7 2 . 3 3 9 mi c r o 2 4 c0 1 5 9 0 5 8 3 5 8 57 8 ce4 4 4 2 5 6 5 5 4 9 5 5 7 1 6 由此可见， mi c r o 2 4 c 0 1 和8 c e 4 4 4 2 i c卡样品的基板厚度虽有一定的分散 但由于模块经过磨削处理，所以 其一致性较好。 失效模式分布 失 效 机 理 密 码 校 验 错一 芯 片 抗 干 扰 能 力 差 数据写入错 裂片 乱 码一 裂 片 全 “ 0 ” 全 “ f 裂片 数据丢失 芯 片 数 据 保 存 可 靠 性 差 其中芯片碎裂是i c卡的主要失效机理，其引起的失效占据总数的6 0 %以上。 二、工艺检测与评估 1 、为了解、评估模块加工工艺状况，特对b公司生产的、三类工艺产品的金丝 m一一一 p-nll 弧高、金丝拉力等进行了抽样测试。 1 )表1 0 :三类工艺金丝弧高 ( 单位: 一 2 )表 1 1 : ( 单位:克力)三类工艺金线拉力测试结果 2 、对蓝膜进行检查的初步分析结果 从公司a 和b 取回的原来粘贴7 4 4 2 芯片的蓝膜进行了显微观察，发现 1 ) 、蓝膜上，凡芯片己取下处，均可看到蓝膜被刺穿的孔洞。 2 ) 、 在芯片己取下处， 部分位置的蓝膜上没有留下划片的痕迹， 这说明有些地方 的划片没有划彻底; 3 ) 、有些芯片边缘有裂纹及硅片崩落现象。 三、补充分析 为了对芯片碎裂及引线焊接失效等有进一步了解， 以深入分析失效的根本原 因，又对i c卡模块进行正面、背面开封，用o m. s e m进行进一步观察分析。 1 , i c卡正面开封观察 1 . 1 、目 检 卡基本身有无折裂、扭曲等异常情况。 1 .2 、电学检测 所测i c卡为6 触点 1 25 3 4 1 .2 . 1 、使用万用表测量测量6 个触点间的电阻 表 1 2 :万用表测量结果( 单位:ko) 正面 1 - - 02 - - 0 3 - - 04 - - 05 - - 0 1 号 6 05 65 6 5 6 c 眨， 2 号 6 05 8 5 85 6 0 : 】 3 号 5 65 65 6 5 6 斌j 4号 1 2 01 3 01 3 0 6 0 仁 名 勺 5号 1 2 01 2 0 1 2 06 0 沈j 6号 5 65 55 5 5 5 己o 7 号 5 65 6 5 65 5 co 8 号 5 75 55 5 5 6 仁 火， 9号 5 6 5 55 65 5 o口 反面 0 - - 10 - - 2 0 - - 30 - - 40 - - 5 1 号 1 2 03 2 03 2 0 3 2 0 口o 2 号 8 5 2 6 02 6 02 6 0 心 书j 3 号 6 52 6 0 2 6 02 6 0 心 洲j 4号 1 5 04 0 0 5 0 02 8 0 o 口 5 号 4 3 06 0 0 6 0 04 0 0 co 6 号 7 53 4 0 3 4 02 5 0 oo 7号 7 59 0 2 5 02 0 0 c . 自 2 7 附件一: i c卡来源: 失效类别 客户返回7 4 4 2 1 c卡测试统计 公司a ( 4 1 2 张) p w n o t v e r i f i e d 所占比例 7 . 2 8 % 全0 0( 有电 流) 9 2 2 2 . 3 3 % 33-100一9-36 全0 0( 无电流) 全f f( 无电流) 全f f( 有电 流) e c异常 8 乃1 % 2 4 . 2 7 % 2 . 1 8 % 8 _ 7 4% p w v e r i f e d 6 . 5 5% 1 7 . 9 6 % 失效描述 只能读， 不能验证口 令或进行擦写操作， 用户地址 有些有内容， 有些无内容， e c 存在0 7 , 0 6 , 0 4 三 种 加v c c 便有0 . 1 5 - 0 .2 5 a电 流， 其中 有3 个为多次读 操作后分别由 乱码、 e c - 0 7 和e c - 0 6 变为此状态 加v c c 或进行读操作均无电流 加v c c 无电流 加 v c c 有0 . 1 - -0 . 2 5 a电流 e c为0 7 , 0 6 , 0 4 , 0 0以外的异常数，如0 1 , 0 3 , 0 5 , f f . f c , 4 7等，存储地址内 容多为乱码， 有 些a t r也己出 错 错误计数代码原先为0 4 或验证口 令后由0 7 变为0 6 或由0 6 变为0 4 ，其中有6 个a t r己出错 错误计数代码变为0 0 ，其中 有 3 个 a t r出 错，1 e c - 0 6 -s e c- 0 7 0 . 2 4% 验证口令后恢复为 0 7 , e c - 6 f( 恢复) 4 0 . 9 7 % 个用户地址内容为乱码 错误计数代码原先为0 6 , 但不能正常完成擦写操作 错误计数代码原先为0 6 , 令后错误计数代码恢复为 正常操作 用户地址无内容， 验证口 0 7 ， 并可进行所有功能的 功能正常 1 . 4 6 错误计数代码为正常的0 7 ， 可进行所有功能的正常 操作 失效类别数量 所占比例失效描述 p w n o r v e r i f i e d 35 . 6 6 % 用户地址无内 容， 只能读， 不能验证口 令或进行擦 写操作， 其中 有1 个e c为0 7 , 2 个e c为0 6 全0 0( 有电流) 1 73 2 . 0 8 %加v c c 便有0 . 1 5 - - 0 .2 5 a电流( 有几个是在多次 读后 由 乱码变为此状态) ， 其中有 1 个只是在未进行读 操作时有o . i a电 流 全0 0( 有电流) 11 . 8 9 %加v c 。 或进行读操作均无电流 全0 0( 无电流) 71 3 . 2 1 %加v c c 无电流 全f f( 无电流) 23 . 7 7 %错误计数代码变为00 功能正常 2 34 3 . 4 0 %错误计数代码为正常的0 7 ， 可进行所有功能的 正常 操作 i c卡来源:公司 失效类别 p w n o r v e r i f i e d c ( 2 6 张) 一 数 量 所 占 比 例 9 6 . 1 5 % 全f f( 无电流)3 . 8 5 y . 失效描述 用户地址无内 容， 只能读， 不能验证口 令或进行擦 写操作，其中有 1 个e c为0 6 ，其余的e c全部为 0 7 无电流 i c卡来源:公司d ( 1 2 4 8 张) 失效类别数量所占比例失效描述 p w n o t v e r i f i e d20 . 1 6 % 只能读， 不能验证口 令或进行擦写操作， e c为0 7 , 用户地址有内容，a t r和标识码也错 全0 0( 有电流) 1 61 . 2 8 % 加v c c 便有。 . 1 5 a电 流， 其中有2 个为多次读操作 后分别由乱码和e c - 0 7 变为此状态 全0 0( 无电流) 5 54 . 4 1 %加we 或进行读操作均无电流 全f f( 无电流) 9 37 . 4 5 % 加v c c 无电流 全f f( 有电 流) 20 . 1 6 %加v c c 有0 . l - 0 .2 5 a电流 e c异常 40 . 3 2 % e c为0 7 , 0 6 , 0 4 , 0 0以 外的异常数，存储地址内 容多为乱码， 有些a t r也己出 错 p w v e r i f i e d ( 乱码) 41 83 3 . 4 9 % 错误计数代码原先为0 4 或验证口 令后按常规递减， 即由0 7 变为0 6 ( 2 6 张) 或由0 6 变为0 4 ( 3 8 1 张) ， 存储器地址绝大多数有内容 e c- 0 050 . 4 0 错误计数代码变为 0 0 ， 其中有 3个a t r出 错，1 个用户地址内容为乱码 co l u mm60 .4 8 %错误计数代码为0 6 ， 用户地址内容呈规则的列状排 列 e c - 6 f( 恢复) 5 8 34 6 . 7 2 %错误计数代码原先为0 6 ， 用户地址无内容， 验证口 令后错误计数代码恢复为0 7 ， 并可进行所有功能的 正常操作， 其中有 5 7个存储器用户地址有内 容， 而其它的存储器用户地址无内容 e c- 0 6 / 0 020 . 1 6错误计数代码为0 6 ，用户地址内容绝大部分为0 0 功能正常 6 24 . 9 7 y.错误计数代码为正常的0 7 ， 可进行所有功能的 正常 操作 v , i c 卡失效机理及应对措施 工 c 卡生产以及使用过程中发现的诸多失效及可靠性问题， 严重影响了质量、 成本以及发展和应用， 而诸多工艺试验以及失效分析发现， 芯片碎裂、内 连引线 脱落 ( 脱焊、 虚焊) 、芯片电路击穿等是引起 i c 卡失效的主要原因， 而对批量失 效i c 卡的失效分析亦表明，其中芯片碎裂占据失效总数的6 0 %以上，因而有必 要对导致各类失效特别是芯片碎裂失效的根本原因 ( r o o t c a u s e ) 进行深入的研 究。 一、芯片碎裂 芯片碎裂是硅器件的一种失效模式，约占早期失效总数的1 %，而对于使用 薄/ 超薄芯片的i c卡，芯片碎裂则占其失效总数的一半以上。虽然，通过改进封 装设计、 限制器件使用环境条件可以很好的防止芯片碎裂引起的器件失效， 但即 使在良 好的设计、 合格的制造工艺以 及规范的使用环境下， 依然存在着一定的芯 片碎裂几率。随着i c卡可靠性级别和芯片系统复杂程度的不断提高，对芯片碎 裂失效应予以更多的关注。 1 、碎裂概述 芯片碎裂归根结底是由 应力造成的， 但是其产生的原因随具体情况而不同: 硅片前道工艺中的外延层淀积、 扩散和离子注入、 氧化、 退火、 淀积形成欧姆接 触、金属内连、钝化层淀积; 硅片后道工艺中的机械减薄 ( 研磨、抛光) 、化学 减薄 ( 湿法或者干法刻蚀) 、 背面金属层淀积;封装工艺中的划片、上芯、 压焊、 塑封等都将影响硅片/ 芯片的应力。其中，减薄、上芯、压焊、塑封是产生芯片 碎裂隐患的主要工序， 更为严重的是， 一般在工艺过程中观察不到碎裂现象， 只 有经过热固化或者器件热耗散时的瞬时加热， 由芯片和封装材料热膨胀系数存在 差异或者使用中受外界应力作用， 芯片碎裂才会最终暴露。 例如: 穿过结的裂纹 可能导致短路或者漏电， 裂纹也可能全部或者部分截断电路， 最为致命的是， 裂 纹引起的这些效应只有当有热或者电流通过时才会显现， 而标准的电学测试则根 本无法检测到这些失效。 根据前面的抽样分析结果，芯片碎裂引起的 i c卡失效约占 据失效总数的 6 0 %。裂纹形状多为 “ 十” 字、 t ”字型，亦有一部分为横贯芯片的单条裂纹， 并在中心顶针触碰部位略有弯折。 约5 0 %以上的 碎裂芯片， 其裂纹位于芯片中央 附近并垂直于边缘;其余芯片的裂纹则靠近芯片边缘或集中于芯片一角。 三、注塑成型相关失效 诚然， i c卡模块注塑成型工艺相对于一般i c产品来说比 较简单， 但由于其 加工设备相对同样简易些， 所以依然会出现一些质量和可靠性问题， 比如: 冲丝、 包封材料孔洞等，严重时会引起i c卡失效。 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， 小岛 图5 1 :冲丝影响的衡量方法示意图 使金丝产生偏移，极端情况 下金丝冲断，这就是所谓的 冲丝。冲丝是塑封产品的一 个通病，无法完全消除，但 可以采取各种方法将其控制 如图5 1 给出了冲丝影响的一个衡量方法， 当a / b 2 0 %时，可判为不良品 a / b 1 2 - 1 5 %时，必须引起重视并进行调整 a l b 1 0 %时，情况较好 ( 注: a 为偏移量， 到一个合适的范围内。 a l b 越大，冲丝程度越严重: b 为键合点间距) 。 ，卿 注费过程 巡豁 厂 冲力 图5 2 :冲丝过程示意图 冲丝缺陷涉及到键 合和塑封两个工序， 这里 主要讨论塑封的各种因 素。 塑封料流动对金丝的 冲力大小， 可先建立一个 理想模式。 假设熔融塑封 料为理想流体， 也不考虑 塑封体厚度， 则这种冲力 f 可表示为: f = k f r ju s i n 0 其中， f为单位面积的冲 力， k f 为常数， ” 为熔融 塑封料的粘度，。为流动速度，0 为流动方向与金丝的夹角。虽然一般无法测定 成型时的粘度和速度值， 此公式也无法用数值来比 较， 但可以 从中看出 各参数的 影响程度:冲力越大，冲丝程度越严重，粘度越大，速度越快，冲力越大，0 角 度越大，冲力越大。 图5 3 表示a u 丝偏移量同封装树脂在型腔内的流速及封装树脂在型腔内的 粘度的关系。从图中可以 看出，为了 减小a u 丝偏移，应降低封装树脂的粘度， 并控制封装树脂尽量缓慢地在型腔内流动。 封装树脂 粘度o p a - 4 竹“日路、喇的理翻奥 图5 3 : a u 丝偏移量同 封装树脂在型腔内的流速及封装树脂在型 腔内的粘度的关系 翼 时 间 图5 4 :塑封料粘度变化过程示意图 塑封料在成型过程中粘度是不 断变化的。粘度变化如图5 4所示。 虽然 i c卡引脚数目比较少，但是冲 丝严重的话， 仍然会引起短路或者引 线连结处脱落，导致i c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) 在经过后 续工艺后将会扩散、 增大， 容易导致 潮气以及其它有害杂质的侵入， 加速 i mc生成、引起焊盘腐蚀，导致i c卡失效。 冲丝等诸多失效的 最佳分析手段为x - r a y 扫描，因时间及仪器方面的问 题 未能对各类 i c模块的冲丝情况进行详细分析。 四、静电放电 ( e s d )引起的失效 1 , e s d 对i c 卡失效的影响 静电放电( e s d ) 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。 它是一种大能量( 可包含几百毫微焦耳能量) 、 短持续时间的事件 ( 上升时间为 1 5 n s ，下降时间为 1 5 0 n s ) ， 它可以损坏几乎绝大部分半导体器件和 半导体集成电 路。 在典型的工作条件下，1 5 0 p f 的人体电 容，能累积。 ap c的 1 .3 、倒装芯片的应用给芯片暴露提出了诸多难题。 1 . 4 、倒装芯片工艺的一些失效，比如焊球连结失效等，不像引线键合技术那样 暴露在外面可以直接观测。 2 、一些可行的失效分析方法 2 . 1 、 精密x - r a y 设备: s a m ( s c a n n i n g a c o u s t i c m i c r o s c o p y ， 扫描超声显微镜) 。 配有高频转换装置的s a m工作站有能力穿透 1 c 卡模块，提供精美的封装内部构 造图像。2 . 2 、背面分析技术:利用p e m 技术可以从芯片背面进行失效诊断和失 效点的隔离。通过去除i c 卡模块背部结构以暴露硅片背面。然后对硅片背面进 行进一步减薄、 抛光，以 透过薄硅片获取信号， 或者也可以用f i b ( f o c u s e d i o n b e a m ，聚焦粒子束) 或 c e l ( c h e m i c a l e n h a n c e d l a s e r ，化学增强激光)技术 对硅片进行更深入地减薄。 四、前景展望 目 前， 在i c 封装领域及i c 卡生产厂家和市场上引起普遍关注的一个新技术 是 “ 卡上系统集成” ，即 “ s o c ( s y s t e m o n c a r d ) . s o c 实际上是在卡内安装微 型个人电脑， 早期的s o c 样品配置有液晶显示器、 生物传感器和工 n f i e o n 技术制 造的工 s o 模块。 这些配置为用户提供了 很大方便， 市场需求量大增。 因此， 对于 s o c 的封装和集成来说，厚度小于1 0 0 p m 超薄i c 芯片的生产相当重要。 随着新技术开发的成功和运用， 芯片将越来越薄， 最终将有像纸片一样薄的 i c电路，如数码相机用来存储图片的存储卡。超薄封装的下一个研究目 标是3 0 p m 厚的 ( 人体头发直径的1 / 2 )超薄芯片减薄技术的开发及应用。芯片厚度的 物理极限为1 0 1a m ，因集成电路芯片的有源区厚度在 1 0. 3 0 u m 之间，因此， 2 0 p m 的芯片厚度将是生产工艺上能达到的极点。 如此薄的芯片将引发一些新的失 效机理及可靠性问题的产生，有待进一步研究。 v i i 、总结 如今， i s卡不断向功能多样化、 集成化方向发展，以 满足人们对方便、 迅捷 的不懈追求。但与此同时，在 i c卡制造和使用过程中出现了密码校验失效、数 据丢失、 应用区不能读写等一系列失效和可靠性问题， 对其可靠和广泛的应用带 来很大影响。 传统的i c卡采用的是引线键合条带技术， 芯片碎裂是其最主要的失效机理， 占 据i c卡失效总数的6 0 %左右。 通过改进、 发展研磨、 划片等工艺技术， 监控、 提高组装 ( 特别是芯片摘取时的顶针过程) 、键合、模块镶嵌等工艺质量，可大 大降低芯片碎裂几率，改进i c卡成品率和可靠性。 此外，引线键合、注模相关的失效，诸如