圖1　芯片背面碎裂的OM照片

　　芯片碎裂歸根結(jié)底是由應(yīng)力造成的，當(dāng)外應(yīng)力超出芯片碎裂強(qiáng)度時(shí)，芯片就會發(fā)生脆性碎裂2,。制造工藝中減薄,、上芯、壓焊,、塑封是引起芯片碎裂隱患的主要工序,，這些工序易造成芯片表面的微裂紋或損傷，外加應(yīng)力時(shí)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,，特別是垂直表面裂紋的張應(yīng)力,，多集中于裂紋的尖端。當(dāng)應(yīng)力超過芯片的應(yīng)力強(qiáng)度因子時(shí),，微裂紋就會失去穩(wěn)定并發(fā)生擴(kuò)展,，從而大大降低了芯片的強(qiáng)度。
 　　下面根據(jù)芯片碎裂物理機(jī)理,，結(jié)合IC卡制作工藝(包括硅片的后道工序,、模塊條帶制作、IC卡成型工藝),，對導(dǎo)致IC卡薄芯片碎裂的根本原因進(jìn)行深入分析,。 

圖2　芯片背面研磨損傷的OM照片
　　1.1　硅片減薄 
　　標(biāo)準(zhǔn)的硅片背面減薄工藝包括貼片、磨片(粗磨,、細(xì)磨),、腐蝕三道工序。常用的機(jī)械磨削法不可避免地會造成硅片表面和亞表面的損傷(圖2),，表面損傷分為3層:有微裂紋分布的非晶層;較深的晶格位錯(cuò)層;彈性變形層,。粗磨、細(xì)磨后,，硅片背面仍留有深度為15～20μm,、存在微損傷及微裂紋的薄層，極大影響了硅片的強(qiáng)度,。因此,，需要用腐蝕法來去除硅片背面殘留的晶格損傷層，避免硅片因殘余應(yīng)力而發(fā)生碎裂,。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)原始厚度為725μm的硅片,，經(jīng)磨片后，腐蝕深度約為25μm時(shí)可得到最大的強(qiáng)度值3;同時(shí),，分析表明,，芯片在鍵合與測試時(shí)發(fā)生碎裂，往往是由于磨片時(shí)造成的損傷在隨后的腐蝕或化學(xué)機(jī)械拋光中沒有被完全去除而引起的,。

　　由Giffith微裂紋擴(kuò)展理論4可知,，長度為a的一維裂紋的擴(kuò)展判據(jù)為σ2≥2Eγsπa，若腐蝕后芯片背面殘留裂紋長為c,，并將楊氏模量E=106,。9GPa，表面能γs=3,。1J/m2等參數(shù)代入,，可得到平面應(yīng)力狀態(tài)常載荷條件下芯片碎裂的臨界強(qiáng)度為σ=0。46/c(GPa),，圖3(a)給出了σ與芯片背面殘留裂紋長度的對應(yīng)關(guān)系,。
 　　對于碎裂面垂直于芯片表面，深a,、長2b的二維半橢圓型裂紋而言,，則滿足Ccr=[(Φ2KIC2)/(1。2πσIC2)][2],，其中Ccr=(acrbcr)1/2,，acr為臨界裂紋深度，bcr為臨界裂紋半長;裂紋幾何因子Φ=(1,。2π)1/2/Y,。設(shè)裂紋長為2b，深度恒定為1μm,，代入斷裂韌度KIC=0,。82MPa，Y=1,。42得,，平面應(yīng)力狀態(tài)常載荷條件下碎裂的臨界強(qiáng)度σ=0。58/4b(GPa),，σ與芯片背面殘留裂紋長度,、深度的對應(yīng)關(guān)系如圖3(b)?？梢?，芯片碎裂臨界強(qiáng)度隨著微裂紋長度的增大而急劇降低，當(dāng)裂紋大于1μm時(shí),，下降趨勢逐漸平緩,，并趨于穩(wěn)定小值。
 　　磨片過程不僅會造成硅片背面的微裂紋,，且表面的殘余應(yīng)力還會引起硅片翹曲,。硅片的背面減薄工芯對芯片碎裂有著直接的影響，因此需要開發(fā)新技術(shù),，實(shí)現(xiàn)背面減薄工藝集成,，以提高硅片減薄的效率,，減少芯片的碎裂。
 

圖3　碎裂臨界強(qiáng)度與長度對應(yīng)關(guān)系圖

　1.2　劃片工藝 
　　減薄后的硅片被送進(jìn)劃片機(jī)進(jìn)行劃片,，劃片槽的斷面往往比較粗糙,，通常存在少量微裂紋和凹坑;有些地方甚至存在劃片未劃到底的情況，取片時(shí)就要靠頂針的頂力作用使芯片“被迫”分離,，斷口呈不規(guī)則狀,，如圖4為多個(gè)樣品的疊加圖。實(shí)驗(yàn)表明,，劃片引起芯片邊緣的損傷同樣會嚴(yán)重影響芯片的碎裂強(qiáng)度,。例如:斷口存在微裂紋或凹槽的芯片，在后續(xù)的引線鍵合工藝的瞬時(shí)沖擊下或者包封后熱處理過程中由于熱膨脹系數(shù)(CTE)的不匹配產(chǎn)生的應(yīng)力使微裂紋擴(kuò)展而發(fā)生碎裂,。
 

圖4　IC卡芯片劃片槽斷口(多圖疊加)
　　為減少劃片工藝對芯片的損傷,，目前已有新的劃片技術(shù)相繼問世:先劃片后減薄(dicingbeforegrinding，DBG)法和減薄劃片法(dicingbythinning,，DBT)5,，即在硅片背面減薄之前，先用磨削或腐蝕方式在正面切割出切口,，實(shí)現(xiàn)減薄后芯片的自動分離,。這兩種方法可以很好地避免/減少因減薄引起的硅片翹曲以及劃片引起的芯片邊緣損傷。此外,，采用非機(jī)械接觸加工的激光劃片技術(shù)也可避免機(jī)械劃片所產(chǎn)生的微裂痕,、碎片等現(xiàn)象，大大地提高成品率,。 
 　　1.3　模塊工藝 
　　模塊工藝包括裝片,、包封等工序)的裝片過程中，裝片機(jī)頂針從貼片膜上頂起芯片,，由真空吸頭吸起芯片,，將其粘結(jié)到芯片卡的引線框上。若裝片機(jī)工藝參數(shù)調(diào)整不當(dāng),，亦會造成芯片背面損傷,，嚴(yán)重影響芯片強(qiáng)度:如頂針頂力不均或過大，導(dǎo)致頂針刺穿藍(lán)膜而直接作用于芯片,，在芯片背面留有圓型損傷坑;或頂針在芯片背面有一定量的平等滑移過程,，留下較大面積的劃痕，此現(xiàn)象在碎裂芯片中占了相當(dāng)比例,。

圖5　頂針作用過程芯片張力分量極大值與接觸半徑關(guān)系
　　Fig頂針作用可等效為Vicker壓痕器4壓載過程,，將對芯片表面造成局部損傷。現(xiàn)將頂針對芯片背面的觸碰過程(暫不考慮頂針的滑移)簡化為球?qū)ΨQ平面垂直加載的理想情況,，則兩者接觸圓半徑a隨垂直載荷P的變化為a=34PR(1-v2)/E+(1-v′2)/E′1/3=αP1/3,，式中R是頂針端部半徑,，E，v和E′,，v′分別為芯片,、頂針端部的楊氏模量和泊松比。在接觸圓的邊緣,，芯片的張應(yīng)力分量達(dá)到極大值σm=12(1-2v)P0,，其中P0=P/πα2是端部所受的垂直應(yīng)力,，σm為作用在徑向方向并且與材料表面平等的應(yīng)力,。由于頂針尖端半徑較小，取硅材料v=0,。28,，在1N頂力作用下，得到芯片張力分量極大值與接觸半徑的對應(yīng)關(guān)系如圖5,?？梢姡跏记闆r下,，接觸半徑很小,，芯片張力分量初始值可達(dá)到GPa量級，與前面計(jì)算結(jié)果比較可知,，頂針過程是芯片碎裂的一個(gè)主要誘因,。
        
        此外，伴隨壓痕作用,，芯片常發(fā)生破片現(xiàn)象,，即在壓痕的周圍有部分材料呈碎屑狀。頂針作用時(shí),，在壓痕表面下的形變帶會有橫向裂紋的產(chǎn)生,，壓痕作用消失后，橫向裂紋會發(fā)生增殖直至樣品表面,，導(dǎo)致破片的產(chǎn)生,。一般情況下，壓力越大,，破片現(xiàn)象越嚴(yán)重,。
 　
　　當(dāng)頂針作用在芯片背面的滑移過程時(shí)，頂針端部受到垂直載荷成比例的摩擦阻力作用,，使得接觸圓的張應(yīng)力隨之增高,。同時(shí)頂針滑過芯片，會在其背面留下條帶狀劃痕,，有可能產(chǎn)生細(xì)微碎屑,，楔入硅襯底材料形成微裂紋,，極大地影響了芯片的強(qiáng)度。
 
　　對開封后的IC卡芯片背面進(jìn)行OM觀察,，發(fā)現(xiàn)約大部分碎裂芯片的裂紋處或其附近都存在頂針劃痕,，多為直線帶有彎鉤的形狀，且裂紋在劃痕處均有不同程度的彎折,。劃痕尺寸較大,，一般長數(shù)十μm，寬大于10μm,，且有一定深度,，約為幾μm(圖6為20個(gè)樣品劃痕形狀、大小統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)所得示意圖),。
 在特定接觸半徑下,，芯片表面接觸圓外的張應(yīng)力與離接觸中心的徑向距離間滿足σr=σm(a/r)2，隨離接觸中心的徑向距離r的增大σr下降,。因此,，在離頂針作用點(diǎn)一定范圍內(nèi)，芯片表面仍存在張應(yīng)力表面層,，為裂紋產(chǎn)生及擴(kuò)展提供了非常有利的條件,。

圖6 　頂針劃痕示意圖

　1.4　成型工藝 
　　IC卡成型工藝中，由于制作工藝因素,，模塊厚度,、卡基凹槽幾何形狀間存在一定差異，不能完全匹配,，從而會引發(fā)較在成倍應(yīng)力,，加上使用過程中的不同材料的熱脹冷縮或者外力扭曲，也容易引起芯片碎裂,。
 
圖7　鍵合引線工藝中的失效機(jī)理

　　焊盤/引線界面需有合金化過程以形成良好的接觸,，但過渡的合金化會導(dǎo)致金屬中間化合物(IMC)的形成，引起鍵合失效,。鍵合引線的張力也是引起鍵合失效的重要參數(shù)之一,，張力過小，會導(dǎo)致引線過于松軟,，與其他引線形成短路;引線張力過大則通常會引起鍵合處的斷裂或開裂,，如圖8(a，b)為鍵合失效樣品的芯片的正面照片,。
 　　2　鍵合相關(guān)失效 
　　IC卡組裝工藝中,，因鍵合引起的失效也是影響IC卡質(zhì)量和可靠性的重要因素之一。鍵合失效主要表現(xiàn)為IC卡電學(xué)特征上的不連續(xù),，如開路同時(shí)伴有短路,、漏電等現(xiàn)象,，或出現(xiàn)“輸入高”或者“輸入低”的失效。圖7給出了與鍵合相關(guān)的諸多失效機(jī)理6,。

圖8　鍵合相關(guān)失效
 
　　水汽的侵蝕會引發(fā)電解效應(yīng),，很大程度上加速金屬電遷移。焊盤基底諸如C等雜質(zhì)沾污則會導(dǎo)致空洞的產(chǎn)生,，引起焊盤隆起,。圖8(c)所示為具有不連續(xù)電學(xué)特征的失效樣品。SEM,，EDX(圖9)分析證明連結(jié)部位存在爆裂現(xiàn)象,，且焊盤中有氯的存在。 
 　　3　注塑成型相關(guān)失效 
　　與其他塑封IC產(chǎn)品一樣,，注塑成型時(shí)的沖絲,、包封材料空洞等現(xiàn)象也會引起IC卡的失效問題6,。環(huán)氧塑封料在注塑成型時(shí)呈熔融狀態(tài),，是有粘度的運(yùn)動流體，因此具有一定的沖力,，沖力作用在金絲上,，使金絲產(chǎn)生偏移，極端情況下金絲被沖斷,，這就是所謂的沖絲,。

圖9　連結(jié)處的爆裂現(xiàn)象，EDX能譜顯示了Cl的存在
　　假設(shè)熔融塑封料為理想流體,，不考慮塑封體厚度,，則塑封料流動對金絲的沖力大小可表示為F=Kfηυsinθ，其中F為單位面積的沖力,，Kf為常數(shù),，η為熔融塑封料的粘度，υ為流動速度,，θ為流動方向與金絲的夾角,。由公式可知，塑封料粘度越大,，流速越快,，θ角度越大，產(chǎn)生的沖力就越大,，沖絲程度也越嚴(yán)重,，會引起短路或者引線連結(jié)處脫落，導(dǎo)致IC卡失效,。
 　　此外,，注塑過程中留下的氣泡,、小孔以及麻點(diǎn)(表面多孔)在后續(xù)工藝后會擴(kuò)散、增大,，易造成潮氣以及其他有害雜質(zhì)的侵入,，加速IMC的形成，引起焊盤腐蝕,。 
　　4　靜電放電引起的失效 
　　靜電放電(ESD)是直接接觸或靜電場感應(yīng)引起的兩個(gè)不同靜電勢的物體之間靜電荷的傳輸,，常使芯片電路發(fā)生來流熔化、電荷注入,、氧化層損傷和薄膜燒毀等諸多失效,。 

　　IC卡產(chǎn)呂由于封裝形式和使用環(huán)境的特殊性，芯片的工作條件較差,，更易受到ESD的損傷,。IC卡中的E2PROM存儲著重要的信息，若因ESD而引起數(shù)據(jù)出錯(cuò),、丟失等,，必將造成巨大的損失。所以IC卡芯片對ESD有較高的要求,，一般大于4kV,。
 
　　防護(hù)ESD的一種有效方法，即設(shè)計(jì)特定的保護(hù)電路,。圖10即為一種基于CMOS工藝的IC卡芯片ESD保護(hù)電路7,。該結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)部分:主保護(hù)電路和箝拉電路。在ESD發(fā)生時(shí),，箝拉電路首先導(dǎo)通,，使輸入端柵上的電壓箝拉在低于柵擊穿的電壓。中間的串聯(lián)電阻起限流作用,，更重要的是使PAD上的電壓能觸發(fā)主保護(hù)電路的開啟,，使ESD能量通過主保護(hù)電路得到釋放。
 

圖10　一種ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)線路圖
　　此外,，通過改善生產(chǎn)工藝,、控制使用環(huán)境等也能有效減少ESD的發(fā)生。傳統(tǒng)的IC卡采用引線鍵合條帶技術(shù),，芯片碎裂是其最主要的失效機(jī)理,。通過改進(jìn)研磨、劃片等工藝技術(shù),，提高組裝(特別是裝片時(shí)的頂針過程),、鍵合、模塊鑲嵌等工藝質(zhì)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，與引線鍵合,、注模相關(guān)的失效,，如虛焊、脫焊,、引線過松,、過緊、沖絲或由于外界潮氣的侵入和電學(xué)因素的共同作用而形成IMC等都將降低IC卡的可靠性,，引起IC卡失效,，可通過改進(jìn)相應(yīng)的工藝技術(shù)來減少此類失效的發(fā)生。ESD亦是IC卡失效的重要機(jī)理之一,，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致Al線/多晶硅電阻燒穿,、晶體管柵氧化層損壞或者結(jié)損傷，對此可通過設(shè)計(jì)專門的ESD保護(hù)電路徠提升IC卡芯片抗ESD的能力,，以提升IC卡的可靠性,。