IC智能卡失效机理分析

 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。
 

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。