IC卡中薄芯片碎裂失效機(jī)理的研究

文章出處：http://www.xianjuhong.com 作者：倪錦峰，王家楫   人氣： 發(fā)表時間：2011年09月09日

　　摘要：薄／超薄芯片的碎裂占據(jù)IC卡早期失效的一半以上，其失效模式、失效機(jī)理亟待深入研究。本文分析了芯片碎裂的失效模式和機(jī)理，并結(jié)合實(shí)際IC卡制造工藝以及IC卡失效分析實(shí)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(jìn)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(shù)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(shù)的一半以上。雖然，通過改進(jìn)封裝設(shè)計(jì)、限制器件使用環(huán)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(shè)計(jì)、合格的制造工藝以及規(guī)范的使用環(huán)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(tǒng)復(fù)雜程度的不斷提高，十分有必要對芯片碎裂失效機(jī)理加以進(jìn)一步的研究。
　　芯片碎裂歸根結(jié)底是由應(yīng)力造成的，但是其產(chǎn)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(kuò)散和離子注入、氧化、退火、淀積形成歐姆接觸、金屬內(nèi)連、鈍化層淀積：硅片后道工藝中的機(jī)械減薄(研磨、拋光)、化學(xué)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(chǎn)生或影響硅片／芯片的應(yīng)力。其中，減薄、上芯、壓焊、塑封是產(chǎn)生芯片碎裂隱患的主要工序。更為嚴(yán)重的是，一般在工藝過程中觀察不到碎裂現(xiàn)象，只有經(jīng)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(shù)存在差異或者使用中受外界應(yīng)力作用，芯片碎裂才會最終顯現(xiàn)。例如：穿過結(jié)的裂紋可能導(dǎo)致短路或者漏電，裂紋也可能全部或者部分截?cái)嚯娐贰Ｗ顬橹旅氖?，裂紋引起的這些效應(yīng)只有當(dāng)有熱或者電流通過時才會顯現(xiàn)，而標(biāo)準(zhǔn)的電學(xué)測試則根本無法檢測到這些失效。
　　根據(jù)抽樣統(tǒng)計(jì)，芯片碎裂引起的IC卡失效約占據(jù)失效總數(shù)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(jī)理
　　芯片強(qiáng)度是研究芯片碎裂的最重要參數(shù)。芯片強(qiáng)度各不相同，只有強(qiáng)度最低的才最容易碎裂失效。此外，強(qiáng)度分布范圍很廣，那些最“脆弱”的芯片碎裂時候的強(qiáng)度只相當(dāng)于芯片平均強(qiáng)度的幾分之一。因此只需設(shè)法將最“脆弱”芯片的強(qiáng)度提高或者予以剔除，就能從根本上提高芯片整體強(qiáng)度。圖2，給出了工藝應(yīng)力與芯片強(qiáng)度的大致分布，兩者重疊區(qū)域表示可能發(fā)生芯片碎裂。

　　硅和其它半導(dǎo)體材料屬于高脆性材料，在材料完整無缺陷時，外加應(yīng)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(fā)生斷裂，因而它們的機(jī)械強(qiáng)度就決定于鍵的強(qiáng)度。在材料表面出現(xiàn)劃痕后，外加應(yīng)力時，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。特別對于垂直于表面劃痕的張應(yīng)力，應(yīng)力集中于裂紋的尖端。裂紋的擴(kuò)展取決于裂紋尖端的應(yīng)力分布。當(dāng)其應(yīng)力超過材料的應(yīng)力強(qiáng)度因子時，裂紋就會失去穩(wěn)定而發(fā)生擴(kuò)展。因而對于脆性材料來說，表面劃痕對材料的強(qiáng)度有很大的影響。尤其是對于半導(dǎo)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(yán)重。
對于長度為a的單邊裂紋，裂紋擴(kuò)展的判據(jù)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(guān)系式

　　下面，根據(jù)芯片碎裂物理機(jī)理并結(jié)合實(shí)際IC卡制造工藝以及IC卡失效分析實(shí)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(dǎo)電金屬層和芯片粘結(jié)劑除去，然后在顯微鏡下從背面觀察芯片完整性。實(shí)驗(yàn)中腐蝕過程分多步進(jìn)行，以防止反應(yīng)過分劇烈，酸液鉆蝕芯片周圍及底部環(huán)氧，引起芯片碎裂；每步反應(yīng)后均用熱水沖洗，以避免劇烈溫差導(dǎo)致裂片發(fā)生。同時將功能正常的IC卡進(jìn)行芯片暴露分析，采用了相同的分析程序，結(jié)果其背面均未發(fā)現(xiàn)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(jī)理
　　普通的IC卡是用導(dǎo)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(jìn)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(shù)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(chǎn)生重要的影響。
3．1 硅片減薄
　　硅片減薄，現(xiàn)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(jìn)行磨削，金剛砂輪基材通常是陶瓷、環(huán)氧樹脂或塑性材料。標(biāo)準(zhǔn)的硅片減薄工序包括：粗磨、細(xì)磨、腐蝕，這三道工序相互配合，調(diào)節(jié)參數(shù)以得到最終所要求的厚度、最小的厚度變化以及最優(yōu)的表面品質(zhì)。
　　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(jìn)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(dá)20-30μm。隨后進(jìn)行的細(xì)磨工藝磨削量只占總減薄量的10％，為10-50μm。細(xì)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(chǎn)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(qiáng)度，尤其在硅片不同介質(zhì)層的作用下，薄硅片很容易彎曲變形，產(chǎn)生了碎裂隱患。在細(xì)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(qiáng)了芯片強(qiáng)度，避免硅片因殘余應(yīng)力而碎裂。

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



　　由此得到σ與芯片背面殘留劃痕長度的對應(yīng)關(guān)系如圖5。


　　二維情況下，假設(shè)劃痕長為2b，深為a，則由式(2)簡化得平面應(yīng)力狀態(tài)常載荷條件下碎裂的臨界強(qiáng)度

　　由此得到口與芯片背面殘留劃痕長度、深度的對應(yīng)關(guān)系如圖6。


從圖5，6可知，當(dāng)劃痕長度大于1μm時,芯片碎裂臨界強(qiáng)度急劇降低，并趨于穩(wěn)定值。
　　上述分析表明，背面磨削技術(shù)及其工藝對芯片碎裂失效有著直接的影響，近年來，國內(nèi)外不斷開展硅片背面磨削新技術(shù)和新工藝的研究，通過開發(fā)新型的超精密磨床、研究超細(xì)粒度金剛石砂輪及其應(yīng)用技術(shù)以及實(shí)現(xiàn)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(huán)或塑料框架的薄膜(常稱為藍(lán)膜)上，送進(jìn)劃片機(jī)進(jìn)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(guī)則狀。實(shí)驗(yàn)顯示，劃片引起的芯片邊緣的損傷同樣會嚴(yán)重影響芯片的碎裂強(qiáng)度。
　　因而，作為劃片工藝的改進(jìn)，相繼開發(fā)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(jìn)行背面磨削：減薄劃片法(DBT，Dicing By Thinning)，即在減薄之前先用機(jī)械的或化學(xué)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(shù)去除掉剩余加工量，實(shí)現(xiàn)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(shù)，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(qiáng)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(jī)頂針從薄膜上頂起芯片,真空吸頭吸起芯片將其粘結(jié)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(jìn)行調(diào)整，以防止頂針刺破藍(lán)膜而損傷芯片。
　　但是，在裝片機(jī)工藝參數(shù)調(diào)整不當(dāng)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(dǎo)致頂針刺穿藍(lán)膜而直接作用于芯片，并在芯片背部產(chǎn)生一定量的滑移過程，在其中部留下較大面積的規(guī)律性的劃傷痕跡。圖9顯示，芯片裂紋位于頂針產(chǎn)生的劃痕附近，表明頂針劃痕嚴(yán)重影響了芯片強(qiáng)度，直接導(dǎo)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(chǎn)生數(shù)十至數(shù)百M(fèi)Pa的瞬間壓強(qiáng)，對比式(3)，(4)的計(jì)算結(jié)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(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)劃痕多為直線并帶有彎鉤形狀，多出現(xiàn)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(shù)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(jì)算，芯片碎裂臨界強(qiáng)度約為70MPa，可知此類擦傷將導(dǎo)致芯片強(qiáng)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(nèi)粘貼模塊。IC卡工藝標(biāo)準(zhǔn)對模塊在卡片上位置精度有較高的要求，需達(dá)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(fā)較大應(yīng)力的產(chǎn)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(huán)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(dǎo)電膠之間產(chǎn)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(jīng)過包封、后固化的過程，整個芯片是封閉的，溫度經(jīng)過室溫→175℃(包封)→室溫(包封后)→175℃(后固化)→室溫的不斷變化，應(yīng)力無處釋放，加上使用過程中的冷熱沖擊或者機(jī)械扭曲，也有可能導(dǎo)致最終芯片裂紋的產(chǎn)生。
4 結(jié)論
　　薄芯片碎裂已經(jīng)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(jìn)研磨材料和研磨工藝，采用更先進(jìn)的劃片技術(shù)，改善裝片機(jī)的工藝參數(shù)，優(yōu)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(jìn)一步提高IC卡的可靠性。