IC卡中薄芯片碎裂失效機理的研究

文章出處：http://www.nyfzw.net 作者：倪錦峰，王家楫   人氣： 發表時間：2011年09月09日

　　摘要：薄／超薄芯片的碎裂占據IC卡早期失效的一半以上，其失效模式、失效機理亟待深入研究。本文分析了芯片碎裂的失效模式和機理，并結合實際IC卡制造工藝以及IC卡失效分析實例，就硅片減薄、劃片、頂針及卡片成型工藝對薄IC芯片碎裂的影響進行深入探討。

1 碎裂概述
　　芯片碎裂是硅器件的一種失效模式，約占早期失效總數的1％，而對于使用薄／超薄芯片的IC卡，芯片碎裂則占其失效總數的一半以上。雖然，通過改進封裝設計、限制器件使用環境可以有效地防止芯片碎裂引起的器件失效，但即使在良好的設計、合格的制造工藝以及規范的使用環境下，依然存在著一定的芯片碎裂幾率。隨著器件可靠性級別和系統復雜程度的不斷提高，十分有必要對芯片碎裂失效機理加以進一步的研究。
　　芯片碎裂歸根結底是由應力造成的，但是其產生的原因隨具體情況而不同：硅片前道工藝中的外延層淀積、擴散和離子注入、氧化、退火、淀積形成歐姆接觸、金屬內連、鈍化層淀積：硅片后道工藝中的機械減薄(研磨、拋光)、化學減薄(濕法或者干法刻蝕)、背面金屬層淀積；封裝工藝中的劃片、上芯、壓焊、塑封等都將會產生或影響硅片／芯片的應力。其中，減薄、上芯、壓焊、塑封是產生芯片碎裂隱患的主要工序。更為嚴重的是，一般在工藝過程中觀察不到碎裂現象，只有經過熱固化或者器件熱耗散時的瞬時加熱，由芯片和封裝材料熱膨脹系數存在差異或者使用中受外界應力作用，芯片碎裂才會最終顯現。例如：穿過結的裂紋可能導致短路或者漏電，裂紋也可能全部或者部分截斷電路。最為致命的是，裂紋引起的這些效應只有當有熱或者電流通過時才會顯現，而標準的電學測試則根本無法檢測到這些失效。
　　根據抽樣統計，芯片碎裂引起的IC卡失效約占據失效總數的6 0％。裂紋形狀多為“十”字、“T”字型，亦有一部分為橫貫芯片的單條裂紋，并在中心頂針觸碰部位略有彎折，圖1為典型芯片碎裂的OM照片。約50％以上的碎裂芯片，其裂紋位于芯片中央附近并垂直于邊緣；其余芯片的裂紋則靠近芯片邊緣或集中于芯片一角。

2 碎裂機理
　　芯片強度是研究芯片碎裂的最重要參數。芯片強度各不相同，只有強度最低的才最容易碎裂失效。此外，強度分布范圍很廣，那些最“脆弱”的芯片碎裂時候的強度只相當于芯片平均強度的幾分之一。因此只需設法將最“脆弱”芯片的強度提高或者予以剔除，就能從根本上提高芯片整體強度。圖2，給出了工藝應力與芯片強度的大致分布，兩者重疊區域表示可能發生芯片碎裂。

　　硅和其它半導體材料屬于高脆性材料，在材料完整無缺陷時，外加應力在樣品上的分布是均勻的。它們在碎裂時是由于原子間的鍵發生斷裂，因而它們的機械強度就決定于鍵的強度。在材料表面出現劃痕后，外加應力時，出現應力集中現象。特別對于垂直于表面劃痕的張應力，應力集中于裂紋的尖端。裂紋的擴展取決于裂紋尖端的應力分布。當其應力超過材料的應力強度因子時，裂紋就會失去穩定而發生擴展。因而對于脆性材料來說，表面劃痕對材料的強度有很大的影響。尤其是對于半導體器件中的薄IC芯片，它的厚度很小，表面劃痕的影響將更為嚴重。
對于長度為a的單邊裂紋，裂紋擴展的判據是：

其中，E是材料的楊氏模量；γ是表面能；a是裂紋長度。
　　考慮二維情形，對于半橢圓型的裂紋,若其深為a，長為2b，碎裂面垂直于芯片表面,則滿足以下關系式

　　下面，根據芯片碎裂物理機理并結合實際IC卡制造工藝以及IC卡失效分析實例，對IC卡薄芯片的碎裂問題加以探討。
　　需要說明的是，在樣品失效分析中，觀察IC卡中芯片的方法是：先采用酸腐蝕的方法將IC卡表面的導電金屬層和芯片粘結劑除去，然后在顯微鏡下從背面觀察芯片完整性。實驗中腐蝕過程分多步進行，以防止反應過分劇烈，酸液鉆蝕芯片周圍及底部環氧，引起芯片碎裂；每步反應后均用熱水沖洗，以避免劇烈溫差導致裂片發生。同時將功能正常的IC卡進行芯片暴露分析，采用了相同的分析程序，結果其背面均未發現裂縫，說明了我們所采取的芯片暴露方法是可行和可信的。
3 碎裂失效機理
　　普通的IC卡是用導電的或絕緣的黏合材料將減薄后芯片貼到膠帶或者引線框上，進行金絲壓焊，接著用包封材料形成模塊。然後再用氰基丙烯酸酯黏合劑或熱熔技術把模塊裝在塑料卡上面的凹槽中，成為IC卡成品。硅片減薄、劃片、模塊工藝和成型工藝將對IC卡薄芯片碎裂產生重要的影響。
3．1 硅片減薄
　　硅片減薄，現一般采用的磨削法是利用固定在特定模具上的尺寸適宜的金剛砂輪對硅片背面進行磨削，金剛砂輪基材通常是陶瓷、環氧樹脂或塑性材料。標準的硅片減薄工序包括：粗磨、細磨、腐蝕，這三道工序相互配合，調節參數以得到最終所要求的厚度、最小的厚度變化以及最優的表面品質。
　　硅片減薄前的原始厚度大約為725μm(直徑200mm硅片)，通過磨削工藝減薄至150μm甚至更薄，先進行的粗磨工藝磨削量占總減薄量的90％以上，為525-565μm。粗磨過程中會引起硅片的晶格損筋，其損傷深度可以達20-30μm。隨后進行的細磨工藝磨削量只占總減薄量的10％，為10-50μm。細磨將消除粗磨時造成的晶格損傷，但同時也會對硅片表面產生輕微損傷，其深度約為15-20μm。
　　磨片引起的背面損傷(如圖3)極大地影響了硅片的強度，尤其在硅片不同介質層的作用下，薄硅片很容易彎曲變形，產生了碎裂隱患。在細磨工藝后采用濕法腐蝕工藝則可以去除硅片背面的殘留的晶格損傷層，大大增強了芯片強度，避免硅片因殘余應力而碎裂。

　　硅片的損傷是與磨片損傷痕跡相關的，去除／部分去除損傷痕跡，芯片強度將大大增強，如圖4。損傷層腐蝕掉越多，芯片強度越大。通常腐蝕25μm深度左右的硅片可得到最大的破斷強度值。在對芯片正面和背面進行的破壞性測試中，腐蝕25μm的芯片，其破壞所需外力遠遠大于腐蝕深度為3μm或者10μm的芯片。試驗表明，要接近該最大破斷力，腐蝕深度至少為10～15μm。
根據Griffith微裂紋擴展理論，考慮一維裂紋擴展，假設腐蝕后芯片背面殘留劃痕長為a，則由式(1)得平面應力狀態常載荷條件下碎裂的臨界強度：



　　由此得到σ與芯片背面殘留劃痕長度的對應關系如圖5。


　　二維情況下，假設劃痕長為2b，深為a，則由式(2)簡化得平面應力狀態常載荷條件下碎裂的臨界強度

　　由此得到口與芯片背面殘留劃痕長度、深度的對應關系如圖6。


從圖5，6可知，當劃痕長度大于1μm時,芯片碎裂臨界強度急劇降低，并趨于穩定值。
　　上述分析表明，背面磨削技術及其工藝對芯片碎裂失效有著直接的影響，近年來，國內外不斷開展硅片背面磨削新技術和新工藝的研究，通過開發新型的超精密磨床、研究超細粒度金剛石砂輪及其應用技術以及實現背面減薄工藝集成來提高硅片減薄的效率、減小表面和亞表面損傷碎裂。
3．2 劃片工藝
　　減薄后的硅片粘在一個帶有金屬環或塑料框架的薄膜(常稱為藍膜)上，送進劃片機進行劃片。
　　芯片劃片槽的斷面往往比較粗糙，有少量微裂紋和凹槽存在；同時有些地方劃片時并未劃到底，取片時，頂針頂力作用致使芯片“被迫”分離，致使斷口呈不規則狀。實驗顯示，劃片引起的芯片邊緣的損傷同樣會嚴重影響芯片的碎裂強度。
　　因而，作為劃片工藝的改進，相繼開發了DBG和DBT方法。先劃片后減薄(DBG，Dicing Before Grinding)法，即在背面磨削之前將硅片的正面切割出一定深度的切口，然后再進行背面磨削：減薄劃片法(DBT，Dicing By Thinning)，即在減薄之前先用機械的或化學的方式切割出切口，用磨削方法減薄到一定厚度以后，采用ADP腐蝕技術去除掉剩余加工量，實現裸芯片的自動分離。這兩種方法都很好地避免／減少了減薄引起的硅片翹曲以及劃片引起的芯片邊緣損傷，特別對于DBT技術，各相同性的Si刻蝕劑不僅能去除硅片背面研磨損傷，而且能除去芯片邊緣由于劃片引起的微裂縫和凹槽，大大增強了芯片的抗碎裂能力(圖7)。

3．3 模塊工藝
　　模塊工藝包括裝片機頂針從薄膜上頂起芯片,真空吸頭吸起芯片將其粘結到芯片卡的引線框上,具體操作如圖8所示。


　　裝片過程中，頂針的伸長長度、拾取高度、吸嘴的大小必須隨芯片厚度、芯片大小不同而需要進行調整，以防止頂針刺破藍膜而損傷芯片。
　　但是，在裝片機工藝參數調整不當情況下，如：頂力不均或過大，頂針接觸位置有較大偏移，作用時間過長等，很容易導致頂針刺穿藍膜而直接作用于芯片，并在芯片背部產生一定量的滑移過程，在其中部留下較大面積的規律性的劃傷痕跡。圖9顯示，芯片裂紋位于頂針產生的劃痕附近，表明頂針劃痕嚴重影響了芯片強度，直接導致芯片碎裂。

　　頂針尖端的半徑較小，在1N頂力的情況下，容易產生數十至數百MPa的瞬間壓強，對比式(3)，(4)的計算結果可知，頂針過程是芯片碎裂的一個主要誘因。
　　對于頂針劃痕，通過對其形狀、大小進行統計，發現劃痕多為直線并帶有彎鉤形狀，多出現于硅片裂紋處或者在其附近，且裂紋在劃痕處均有不同程度的彎折。擦痕尺寸較大，一般長數十μm，寬大于10μm，如圖10(典型頂針劃痕的示意圖)。按照示意圖計算，芯片碎裂臨界強度約為70MPa，可知此類擦傷將導致芯片強度大大降低，極易造成芯片直接／間接碎裂。

3．4 成型工藝
　　IC卡成型工藝中，需要在基片上用銑削的方法加工凹槽，在凹槽內粘貼模塊。IC卡工藝標準對模塊在卡片上位置精度有較高的要求，需達到+-5μm。
　　考慮到工藝制作工藝因素，模塊厚度(如圖11)、卡基凹槽幾何形狀等往往存在一定差異，致使兩者匹配不佳，引發較大應力的產生，加上使用過程中的不同材料的熱脹冷縮或者外力扭曲，容易引起芯片碎裂。

　　因此，迫切需要提升環氧樹脂包封固化后打磨的精度，降低模塊厚度極差，同時提高凹槽銑削精度，以獲得兩者的最佳匹配。
　　除了上面所述的4個因素以外，其他的諸如：芯片粘合過程中芯片與導電膠之間產生的氣泡，引線鍵合時劈刀的瞬時作用等等，都是芯片碎裂的潛在／直接誘因，經過包封、后固化的過程，整個芯片是封閉的，溫度經過室溫→175℃(包封)→室溫(包封后)→175℃(后固化)→室溫的不斷變化，應力無處釋放，加上使用過程中的冷熱沖擊或者機械扭曲，也有可能導致最終芯片裂紋的產生。
4 結論
　　薄芯片碎裂已經成為IC卡失效的主要模式之一，硅片減薄、劃片、裝片時的頂針過程以及IC卡成型工藝是芯片碎裂的主要誘因。通過改進研磨材料和研磨工藝，采用更先進的劃片技術，改善裝片機的工藝參數，優化IC卡的成型工藝，將有利于降低薄芯片的碎裂幾率，從而進一步提高IC卡的可靠性。