非接触ic卡失效模式及机理研究

非接触ic卡失效模式及机理研究

一、非接触ic卡的基本失效ic卡（ic卡）也被称为“电路卡”。非接触IC卡成功地将IC卡技术和射频识别技术结合起来,解决了卡内能量来源和信号的无线传输两大难题。非接触IC卡内部由大量集成电路构成,其与读卡器构成的系统是用无线射频信号进行联络的,即按照通信协议用天线联络由于非接触IC卡较接触式IC卡兴起较晚,对非接触IC卡的失效分析相对较少,而我国幅员辽阔、人口众多、地理环境和人文环境复杂,目前已有的失效分析只是针对偶尔取得的个别失效的非接触IC卡,样品数量很少,取得失效样品的途径有限且样品涵盖的使用地域和人群范围小,由此得出的失效模式比较片面,具有局限性,不能真实反应实际使用中出现的各种失效模式,因此得出的失效机理也不全面、不具代表性本文对目前占全国非接触IC卡发放量之首的二代证按照科学的抽样方法、合理的抽样方案进行了机读功能抽样调查,样本涵盖了全国7个省15个城市,抽查样本数量高达几十万张。通过对失效实例的分析发现,天线断裂扭曲变形、压焊点脱焊、模块胶裂、引线键合断裂、芯片碎裂、系统错误、静电放电损伤等现象是引起非接触IC卡失效的主要原因。本文着重对上述失效模式及失效机理进行研究和讨论,并结合非接触IC卡制造工艺和失效二代证的分析实例,深入探讨引起这些失效的根本原因,此外,简要介绍了各种失效模式的检测工具和手段。二、非接触ic卡失败机理研究(一)天线误差畸变变形导致的失败1.卡失去电性能非接触IC卡天线是影响非接触IC卡性能的一个决定性因素,天线的好坏与卡机读功能是否失效直接相关。天线断裂扭曲变形(见图2)会直接导致卡失去电性能,即卡与读卡器之间无法建立电连接,导致证件机读功能失效。造成天线断裂扭曲变形的原因主要有:在制卡层压工序由于压力控制不当导致层压时压力过大,致使天线扭曲变形甚至断裂;在包装运输过程中卡与卡之间压力过大导致天线断裂;用户在使用过程中将卡装在衣袋或手提袋里致使卡弯曲变形,导致卡内天线断裂扭曲变形。2.精密x射线机sem采用扫描超声显微镜(scanningacousticmicroscopy,SAM)和精密X射线机可完成对天线线圈的检测。SAM工作站可以穿透非接触IC卡模块,提供精美的封装内部构造图像。使用X射线机进行X射线检测属无损检测,即无需破坏失效证件即可检测天线线圈的基本情况,此方法方便、快捷、直观,可以快速定位失效点。(二)由于压焊点的焊接，导致的失败感1.电导率低的问题如图1所示,天线与模块之间要通过压焊连接成通路。压焊点失效(见图3)主要表现为非接触IC卡电学特征上的不连续,如开路同时伴有短路、漏电等现象,或出现“输入高”或者“输入低”的失效。出现压焊点脱焊的原因主要是焊接的方法和手段还不成熟,存在缺陷,且在后续出厂检查中存在漏洞,导致在用户使用当中出现证件机读功能失效的现象。2.电子线网定位方法利用X射线机可以直接观测到脱焊现象,而利用电学测试则可准确定位。若卡不能与读卡器建立电连接,且天线线圈以及对模块测试后没有发现异常,则说明压焊点脱焊。(三)由于模块化合物断裂，模块中断1.物理损伤金相出现的缺陷由于模块塑封表面裂纹(见图4)以及抓附区裂纹(见图5)导致非接触IC卡失效的情况大致可分为3类:沿胶体中心贯穿性裂纹(但未在连线区处);连线区域连续性裂纹,导致金丝断;连线区域胶体变形导致楔焊点撕裂。该类失效属于典型物理损伤。损伤需要两个条件:一是应力集中点,应力集中点位于模块长宽的中心线以及边角、抓附区;二是较大外力诱发应力释放。当外力大于产品的内应力时,产品将沿着应力集中点(或区域)释放变形,导致裂纹。模块封装采用热固性环氧树脂胶,固化后刚性强,因此变形裂纹呈纵深向、贯穿连续性,且瞬间形成,破坏性较大,引起金丝断裂和(或)芯片裂片,导致电特性和功能异常。由此推测产生此类失效的原因如下:(1)制卡加工过程中,外力施加过大所致;(2)居民使用不当,造成不可预期的过大外力所致;(3)失效分析开封过程中,开封外力过大所致。2.检测工具和方法胶裂较深的,可以用肉眼直接观察,胶裂较浅或非常细微的裂纹则需利用光学显微镜OM进行观察。(四)由于引用中断造成的误差1.管路金属界面失效非接触IC卡组装工艺中,因键合引起的失效也是影响非接触IC卡质量和可靠性的重要因素之一。键合失效与压焊点失效类似,主要表现为非接触IC卡电学特征上的不连续,如开路同时伴有短路、漏电等现象,或出现“输入高”或者“输入低”的失效。模块内芯片与金属条带之间的金线开路(见图6),失效原因可能是在加工过程或使用过程中模块受到了较大的外力作用导致。焊盘/引线界面需有合金化过程以形成良好的接触,但过渡的合金化会导致金属中间化合物(IMC)的形成,引起键合失效。键合引线的张力也是引起键合失效的重要参数之一,张力过小,会导致引线过于松软,与其他引线形成短路;引线张力过大则通常会引起键合处的断裂或开裂。2.c模式扫描c-sm利用X射线检测可以直接观察到键合丝断裂的情况,利用C模式扫描声学显微镜C-SAM则可准确判定。C-SAM通常用于无损检测及失效点定位,检查IC卡模块是否有空洞、分层以及键合引线情况。(五)芯片断裂引起的失败1.深失效机理缺陷芯片碎裂是硅器件的一种失效模式,裂纹形状主要有“一”字型、“T”字型、“人”字型、“之”字型等(见图7、图8、图9)。裂纹的深浅和部位也不同,裂纹较深的在低倍显微镜甚至用肉眼即可观察到,裂纹较轻微的需在高倍显微镜下才能观察到,大多数裂纹在芯片的最上层,少数裂纹在芯片的衬底部位。(1)裂纹较深的失效机理裂纹在芯片的最上层且裂纹较深的失效属于物理损伤。芯片结构决定了沿X-Y向上为应力集中区域,当有较大外力时便诱发应力释放。外力在金属面或经刚性物质的传递,施加在相对较脆的芯片上,当外力过大时,芯片将延应力集中点(或区域)释放应力,导致裂纹。芯片刚性大,易碎,裂纹呈纵深向,贯穿连续性或放射状,且瞬间形成,破坏性较大,引起芯片裂片,最终导致电特性和功能异常。产生此类裂纹的原因很多,主要有以下三方面:·加工过程中,工件或原材料表面沾污,存在硬质颗粒,表面损伤最终导致芯片裂;·使用者使用不当;·在失效分析过程中由于开封不当外力过大所致。(2)轻微裂纹的失效机理裂纹在芯片的最上层且裂纹较轻微的失效属于物理损伤。从裂纹的纵深方向极浅,并且在高倍显微镜下才能发现的特征看,推测机理是在芯片加工期内的潜在极轻损伤(如细小划伤),在后续加工过程中缓慢延伸,直到裂纹延伸到测试失败时。此类细小损伤主要来自于以下两方面:·模块加工中取、放片的划伤;·芯片检验过程中放片的划伤。2.检测工具和方法在开帽前,可利用C-SAM进行无损探伤;在开帽后,可利用光学显微镜OM、扫描电子显微镜SEM和X线能量色散谱等。(六)eeprm早期失效应发生情况某些芯片功能测试和性能测试正常,开封后检查芯片表面完好,EMMI和OBIRCH分析也未发现异常,推断可能是EEPROM早期失效或者随机失效导致(七)非接触ic卡产品抗氧化性静电放电(ESD)是直接接触或静电场感应引起的两个不同静电势的物体之间静电荷的传输,常使芯片电路发生来流熔化、电荷注入、氧化层损伤和薄膜烧毁等诸多失效。非接触IC卡产品由于封装形式和使用环境的特殊性,芯片的工作条件较差,更易受到ESD的损伤。非接触IC卡中E2PROM存储着重要的信息,若因ESD而引起数据出错、丢失等,必将造成巨大的损失。所以非接触IC卡芯片对ESD有较高的要求,一般大于4KV。防护ESD的一种有效方法,即设计特定的保护电路。通常情况下,IC卡芯片ESD保护电路包括主保护电路和箝拉电路两部分三、常见失效模式分析本文在对占全国非接触IC卡发放量之首的二代证进行抽样调查并进行机读功能失效分析的基础上,深入分析研究了非接触IC卡天线断裂扭曲变形、压焊点脱焊、模块胶裂、引线键合断