IC智能卡作為信息時(shí)代的新型高技術(shù)存儲(chǔ)產(chǎn)品，具有容量大、保密性強(qiáng)以及攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域。通常所說的IC卡，是把含有非揮發(fā)存儲(chǔ)單元NVM或集成有微控制器MCU等的IC芯片嵌裝于塑料基片而成，主要包括塑料基片(有或沒有磁條)、接觸面、IC芯片3個(gè)部分。傳統(tǒng)的IC 卡制作工序?yàn)?對(duì)測(cè)試、信息寫入后的硅晶圓片進(jìn)行減薄、劃片，分離成小芯片，再經(jīng)裝片、引線鍵合、包封等工序制成IC卡模塊，最后嵌入IC卡塑料基板。

隨著IC產(chǎn)品制造工藝的提高以及高性能LSI的涌現(xiàn)，IC智能卡不斷向功能多樣化、智能化的方向發(fā)展，以滿足人們對(duì)方便、迅捷的追求。然而使用過程中出現(xiàn)的密碼校驗(yàn)錯(cuò)誤、數(shù)據(jù)丟失、數(shù)據(jù)寫入出錯(cuò)、亂碼、全“0”全“F”等諸多失效問題，嚴(yán)重影響了IC卡的廣泛應(yīng)用。因此，有必要結(jié)合IC卡的制作工藝及使用環(huán)境對(duì)失效的IC卡進(jìn)行分析，深入研究其失效模式及失效機(jī)理，探索引起失效的根本原因，以便采取相應(yīng)的措施，改進(jìn)IC卡的質(zhì)量和性能1。

由IC卡失效樣品的分析實(shí)例發(fā)現(xiàn)，芯片碎裂、內(nèi)連引線脫落(脫焊、虛焊等)、芯片電路擊穿等現(xiàn)象是引起IC卡失效的主要原因，本文著重對(duì)IC卡芯片碎裂、鍵合失效模式及機(jī)理進(jìn)行研究和討論，并簡(jiǎn)略介紹其他失效模式。

1　芯片碎裂引起的失效

由于IC卡使用薄/超薄芯片，芯片碎裂是導(dǎo)致其失效的主要原因，約占失效總數(shù)的一半以上，主要表現(xiàn)為IC卡數(shù)據(jù)寫入錯(cuò)、亂碼、全“0”全“F”。

對(duì)不同公司提供的1739張失效IC卡進(jìn)行電學(xué)測(cè)試，選取其中失效模式為全“0”全“F”的100個(gè)樣品進(jìn)行IC卡的正、背面腐蝕開封，光學(xué)顯微鏡(OM)觀察發(fā)現(xiàn)裂紋形狀多為“十”字、“T”字型，亦有部分為貫穿芯片的單條裂紋，并在頂針作用點(diǎn)處略有彎折，如圖1。碎裂芯片中的裂紋50%以上，位于芯片中央附近并垂直于邊緣;其余芯片的裂紋靠近芯片邊緣或集中于芯片。

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(huì)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(huì)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(duì)導(dǎo)致IC卡薄芯片碎裂的根本原因進(jìn)行深入分析。

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(huì)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(cè)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

對(duì)于碎裂面垂直于芯片表面，深a、長(zhǎng)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(zhǎng);裂紋幾何因子 Φ=(1。2π)1/2/Y。設(shè)裂紋長(zhǎng)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(zhǎng)度、深度的對(duì)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(zhǎng)度的增大而急劇降低，當(dāng)裂紋大于1μm時(shí)，下降趨勢(shì)逐漸平緩，并趨于穩(wěn)定小值。

磨片過程不僅會(huì)造成硅片背面的微裂紋，且表面的殘余應(yīng)力還會(huì)引起硅片翹曲。硅片的背面減薄工芯對(duì)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。