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IC卡中薄芯片碎裂失效机理的研究

1 碎裂概述  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IC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、限制器件使用环境可以有效地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。随着器件可靠性级别和系统复杂程度的不断提高,十分有必要对芯片碎裂失效机理加以进一步的研究。  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、塑封等都将会产生或影响硅片/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,芯片碎裂才会最终显现。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。  根据抽样统计,芯片碎裂引起的IC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,图1为典型芯片碎裂的OM照片。约50%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。2 碎裂机理  芯片强度是研究芯片碎裂的最重要参数。合肥安防监控芯片强度各不相同,只有强度最低的才最容易碎裂失效。此外,强度分布范围很广,那些最“脆弱”的芯片碎裂时候的强度只相当于芯片平均强度的几分之一。因此只需设法将最“脆弱”芯片的强度提高或者予以剔除,就能从根本上提高芯片整体强度。图2,给出了工艺应力与芯片强度的大致分布,两者重叠区域表示可能发生芯片碎裂。  硅和其它半导体材料属于高脆性材料,在材料完整无缺陷时,外加应力在样品上的分布是均匀的。它们在碎裂时是由于原子间的键发生断裂,因而它们的机械强度就决定于键的强度。在材料表面出现划痕后,外加应力时,出现应力集中现象。特别对于垂直于表面划痕的张应力,应力集中于裂纹的尖端。裂纹的扩展取决于裂纹尖端的应力分布。当其应力超过材料的应力强度因子时,停车场系统裂纹就会失去稳定而发生扩展。因而对于脆性材料来说,表面划痕对材料的强度有很大的影响。尤其是对于半导体器件中的薄IC芯片,它的厚度很小,表面划痕的影响将更为严重。对于长度为a的单边裂纹,裂纹扩展的判据是:其中,E是材料的杨氏模量;γ是表面能;a是裂纹长度。  考虑二维情形,对于半椭圆型的裂纹,若其深为a,长为2b,碎裂面垂直于芯片表面,则满足以下关系式  下面,根据芯片碎裂物理机理并结合实际IC卡制造工艺以及IC卡失效分析实例,对IC卡薄芯片的碎裂问题加以探讨。  需要说明的是,在样品失效分析中,观察IC卡中芯片的方法是:先采用酸腐蚀的方法将IC卡表面的导电金属层和芯片粘结剂除去,然后在显微镜下从背面观察芯片完整性。实验中腐蚀过程分多步进行,以防止反应过分剧烈,酸液钻蚀芯片周围及底部环氧,引起芯片碎裂;每步反应后均用热水冲洗,以避免剧烈温差导致裂片发生。同时将功能正常的IC卡进行芯片暴露分析,采用了相同的分析程序,结果其背面均未发现裂缝,说明了我们所采取的芯片暴露方法是可行和可信的。3 碎裂失效机理  普通的IC卡是用导电的或绝缘的黏合材料将减薄后芯片贴到胶带或者引线框上,进行金丝压焊,接着用包封材料形成模块。然後再用氰基丙烯酸酯黏合剂或热熔技术把模块装在塑料卡上面的凹槽中,成为IC卡成品。硅片减薄、划片、模块工艺和成型工艺将对IC卡薄芯片碎裂产生重要的影响。3.1 硅片减薄  硅片减薄,现一般采用的磨削法是利用固定在特定模具上的尺寸适宜的金刚砂轮对硅片背面进行磨削,金刚砂轮基材通常是陶瓷、环氧树脂或塑性材料。标准的硅片减薄工序包括:粗磨、细磨、腐蚀,这三道工序相互配合,调节参数以得到最终所要求的厚度、最小的厚度变化以及最优的表面品质。  硅片减薄前的原始厚度大约为725μm(直径200mm硅片),通过磨削工艺减薄至150μm甚至更薄,先进行的粗磨工艺磨削量占总减薄量的90%以上,合肥安防监控为525-565μm。粗磨过程中会引起硅片的晶格损筋,其损伤深度可以达20-30μm。随后进行的细磨工艺磨削量只占总减薄量的10%,为10-50μm。细磨将消除粗磨时造成的晶格损伤,但同时也会对硅片表面产生轻微损伤,其深度约为15-20μm。  磨片引起的背面损伤(如图3)极大地影响了硅片的强度,尤其在硅片不同介质层的作用下,薄硅片很容易弯曲变形,产生了碎裂隐患。在细磨工艺后采用湿法腐蚀工艺则可以去除硅片背面的残留的晶格损伤层,大大增强了芯片强度,避免硅片因残余应力而碎裂。  硅片的损伤是与磨片损伤痕迹相关的,去除/部分去除损伤痕迹,芯片强度将大大增强,如图4。损伤层腐蚀掉越多,芯片强度越大。通常腐蚀25μm深度左右的硅片可得到最大的破断强度值。在对芯片正面和背面进行的破坏性测试中,腐蚀25μm的芯片,其破坏所需外力远远大于腐蚀深度为3μm或者10μm的芯片。试验表明,要接近该最大破断力,腐蚀深度至少为10~15μm。1 碎裂概述  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IC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、限制器件使用环境可以有效地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。随着器件可靠性级别和系统复杂程度的不断提高,十分有必要对芯片碎裂失效机理加以进一步的研究。  芯片碎裂归根结底是由应力造成的,智能停车场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、塑封等都将会产生或影响硅片/芯片的应力。其中,摆闸减薄、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,芯片碎裂才会最终显现。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。  根据抽样统计,芯片碎裂引起的IC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,图1为典型芯片碎裂的OM照片。约50%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。2 碎裂机理  芯片强度是研究芯片碎裂的最重要参数。芯片强度各不相同,只有强度最低的才最容易碎裂失效。此外,强度分布范围很广,那些最“脆弱”的芯片碎裂时候的强度只相当于芯片平均强度的几分之一。因此只需设法将最“脆弱”芯片的强度提高或者予以剔除,就能从根本上提高芯片整体强度。图2,给出了工艺应力与芯片强度的大致分布,两者重叠区域表示可能发生芯片碎裂。  硅和其它半导体材料属于高脆性材料,在材料完整无缺陷时,外加应力在样品上的分布是均匀的。它们在碎裂时是由于原子间的键发生断裂,因而它们的机械强度就决定于键的强度。在材料表面出现划痕后,外加应力时,出现应力集中现象。特别对于垂直于表面划痕的张应力,应力集中于裂纹的尖端。裂纹的扩展取决于裂纹尖端的应力分布。当其应力超过材料的应力强度因子时,裂纹就会失去稳定而发生扩展。因而对于脆性材料来说,表面划痕对材料的强度有很大的影响。尤其是对于半导体器件中的薄IC芯片,它的厚度很小,表面划痕的影响将更为严重。对于长度为a的单边裂纹,翼闸裂纹扩展的判据是:http://www.ahlinbo.com其中,E是材料的杨氏模量;γ是表面能;a是裂纹长度。电动伸缩门  考虑二维情形,对于半椭圆型的裂纹,若其深为a,长为2b,碎裂面垂直于芯片表面,则满足以下关系式  下面,根据芯片碎裂物理机理并结合实际IC卡制造工艺以及IC卡失效分析实例,对IC卡薄芯片的碎裂问题加以探讨。  需要说明的是,在样品失效分析中,观察IC卡中芯片的方法是:先采用酸腐蚀的方法将IC卡表面的导电金属层和芯片粘结剂除去,然后在显微镜下从背面观察芯片完整性。实验中腐蚀过程分多步进行,以防止反应过分剧烈,酸液钻蚀芯片周围及底部环氧,引起芯片碎裂;每步反应后均用热水冲洗,以避免剧烈温差导致裂片发生。同时将功能正常的IC卡进行芯片暴露分析,采用了相同的分析程序,结果其背面均未发现裂缝,说明了我们所采取的芯片暴露方法是可行和可信的。3 碎裂失效机理  普通的IC卡是用导电的或绝缘的黏合材料将减薄后芯片贴到胶带或者引线框上,进行金丝压焊,接着用包封材料形成模块。然後再用氰基丙烯酸酯黏合剂或热熔技术把模块装在塑料卡上面的凹槽中,成为IC卡成品。硅片减薄http://www.ahmenkong.com、划片、模块工艺和成型工艺将对IC卡薄芯片碎裂产生重要的影响。3.1 硅片减薄  硅片减薄,现一般采用的磨削法是利用固定在特定模具上的尺寸适宜的金刚砂轮对硅片背面进行磨削,金刚砂轮基材通常是陶瓷、环氧树脂或塑性材料。标准的硅片减薄工序包括:粗磨、细磨、腐蚀,这三道工序相互配合,调节参数以得到最终所要求的厚度、最小的厚度变化以及最优的表面品质。  硅片减薄前的原始厚度大约为725μm(直径200mm硅片),通过磨削工艺减薄至150μm甚至更薄,先进行的粗磨工艺磨削量占总减薄量的90%以上,为525-565μm。粗磨过程中会引起硅片的晶格损筋,其损伤深度可以达20-30μm。随后进行的细磨工艺磨削量只占总减薄量的10%,为10-50μm。细磨将消除粗磨时造成的晶格损伤,但同时也会对硅片表面产生轻微损伤,其深度约为15-20μm。  磨片引起的背面损伤(如图3)极大地影响了硅片的强度,尤其在硅片不同介质层的作用下,薄硅片很容易弯曲变形,产生了碎裂隐患。在细磨工艺后采用湿法腐蚀工艺则可以去除硅片背面的残留的晶格损伤层,大大增强了芯片强度,避免硅片因残余应力而碎裂。  硅片的损伤是与磨片损伤痕迹相关的,去除/部分去除损伤痕迹,芯片强度将大大增强,如图4。损伤层腐蚀掉越多,芯片强度越大。通常腐蚀25μm深度左右的硅片可得到最大的破断强度值。在对芯片正面和背面进行的破坏性测试中,腐蚀25μm的芯片,其破坏所需外力远远大于腐蚀深度为3μm或者10μm的芯片。试验表明,要接近该最大破断力,腐蚀深度至少为10~15μm。