非接觸ic卡失效模式及機(jī)理研究

非接觸ic卡失效模式及機(jī)理研究

一、非接觸ic卡的基本失效ic卡（ic卡）也被稱為“電路卡”。非接觸IC卡成功地將IC卡技術(shù)和射頻識(shí)別技術(shù)結(jié)合起來,解決了卡內(nèi)能量來源和信號(hào)的無線傳輸兩大難題。非接觸IC卡內(nèi)部由大量集成電路構(gòu)成,其與讀卡器構(gòu)成的系統(tǒng)是用無線射頻信號(hào)進(jìn)行聯(lián)絡(luò)的,即按照通信協(xié)議用天線聯(lián)絡(luò)由于非接觸IC卡較接觸式IC卡興起較晚,對(duì)非接觸IC卡的失效分析相對(duì)較少,而我國幅員遼闊、人口眾多、地理環(huán)境和人文環(huán)境復(fù)雜,目前已有的失效分析只是針對(duì)偶爾取得的個(gè)別失效的非接觸IC卡,樣品數(shù)量很少,取得失效樣品的途徑有限且樣品涵蓋的使用地域和人群范圍小,由此得出的失效模式比較片面,具有局限性,不能真實(shí)反應(yīng)實(shí)際使用中出現(xiàn)的各種失效模式,因此得出的失效機(jī)理也不全面、不具代表性本文對(duì)目前占全國非接觸IC卡發(fā)放量之首的二代證按照科學(xué)的抽樣方法、合理的抽樣方案進(jìn)行了機(jī)讀功能抽樣調(diào)查,樣本涵蓋了全國7個(gè)省15個(gè)城市,抽查樣本數(shù)量高達(dá)幾十萬張。通過對(duì)失效實(shí)例的分析發(fā)現(xiàn),天線斷裂扭曲變形、壓焊點(diǎn)脫焊、模塊膠裂、引線鍵合斷裂、芯片碎裂、系統(tǒng)錯(cuò)誤、靜電放電損傷等現(xiàn)象是引起非接觸IC卡失效的主要原因。本文著重對(duì)上述失效模式及失效機(jī)理進(jìn)行研究和討論,并結(jié)合非接觸IC卡制造工藝和失效二代證的分析實(shí)例,深入探討引起這些失效的根本原因,此外,簡(jiǎn)要介紹了各種失效模式的檢測(cè)工具和手段。二、非接觸ic卡失敗機(jī)理研究(一)天線誤差畸變變形導(dǎo)致的失敗1.卡失去電性能非接觸IC卡天線是影響非接觸IC卡性能的一個(gè)決定性因素,天線的好壞與卡機(jī)讀功能是否失效直接相關(guān)。天線斷裂扭曲變形(見圖2)會(huì)直接導(dǎo)致卡失去電性能,即卡與讀卡器之間無法建立電連接,導(dǎo)致證件機(jī)讀功能失效。造成天線斷裂扭曲變形的原因主要有:在制卡層壓工序由于壓力控制不當(dāng)導(dǎo)致層壓時(shí)壓力過大,致使天線扭曲變形甚至斷裂;在包裝運(yùn)輸過程中卡與卡之間壓力過大導(dǎo)致天線斷裂;用戶在使用過程中將卡裝在衣袋或手提袋里致使卡彎曲變形,導(dǎo)致卡內(nèi)天線斷裂扭曲變形。2.精密x射線機(jī)sem采用掃描超聲顯微鏡(scanningacousticmicroscopy,SAM)和精密X射線機(jī)可完成對(duì)天線線圈的檢測(cè)。SAM工作站可以穿透非接觸IC卡模塊,提供精美的封裝內(nèi)部構(gòu)造圖像。使用X射線機(jī)進(jìn)行X射線檢測(cè)屬無損檢測(cè),即無需破壞失效證件即可檢測(cè)天線線圈的基本情況,此方法方便、快捷、直觀,可以快速定位失效點(diǎn)。(二)由于壓焊點(diǎn)的焊接，導(dǎo)致的失敗感1.電導(dǎo)率低的問題如圖1所示,天線與模塊之間要通過壓焊連接成通路。壓焊點(diǎn)失效(見圖3)主要表現(xiàn)為非接觸IC卡電學(xué)特征上的不連續(xù),如開路同時(shí)伴有短路、漏電等現(xiàn)象,或出現(xiàn)“輸入高”或者“輸入低”的失效。出現(xiàn)壓焊點(diǎn)脫焊的原因主要是焊接的方法和手段還不成熟,存在缺陷,且在后續(xù)出廠檢查中存在漏洞,導(dǎo)致在用戶使用當(dāng)中出現(xiàn)證件機(jī)讀功能失效的現(xiàn)象。2.電子線網(wǎng)定位方法利用X射線機(jī)可以直接觀測(cè)到脫焊現(xiàn)象,而利用電學(xué)測(cè)試則可準(zhǔn)確定位。若卡不能與讀卡器建立電連接,且天線線圈以及對(duì)模塊測(cè)試后沒有發(fā)現(xiàn)異常,則說明壓焊點(diǎn)脫焊。(三)由于模塊化合物斷裂，模塊中斷1.物理損傷金相出現(xiàn)的缺陷由于模塊塑封表面裂紋(見圖4)以及抓附區(qū)裂紋(見圖5)導(dǎo)致非接觸IC卡失效的情況大致可分為3類:沿膠體中心貫穿性裂紋(但未在連線區(qū)處);連線區(qū)域連續(xù)性裂紋,導(dǎo)致金絲斷;連線區(qū)域膠體變形導(dǎo)致楔焊點(diǎn)撕裂。該類失效屬于典型物理損傷。損傷需要兩個(gè)條件:一是應(yīng)力集中點(diǎn),應(yīng)力集中點(diǎn)位于模塊長(zhǎng)寬的中心線以及邊角、抓附區(qū);二是較大外力誘發(fā)應(yīng)力釋放。當(dāng)外力大于產(chǎn)品的內(nèi)應(yīng)力時(shí),產(chǎn)品將沿著應(yīng)力集中點(diǎn)(或區(qū)域)釋放變形,導(dǎo)致裂紋。模塊封裝采用熱固性環(huán)氧樹脂膠,固化后剛性強(qiáng),因此變形裂紋呈縱深向、貫穿連續(xù)性,且瞬間形成,破壞性較大,引起金絲斷裂和(或)芯片裂片,導(dǎo)致電特性和功能異常。由此推測(cè)產(chǎn)生此類失效的原因如下:(1)制卡加工過程中,外力施加過大所致;(2)居民使用不當(dāng),造成不可預(yù)期的過大外力所致;(3)失效分析開封過程中,開封外力過大所致。2.檢測(cè)工具和方法膠裂較深的,可以用肉眼直接觀察,膠裂較淺或非常細(xì)微的裂紋則需利用光學(xué)顯微鏡OM進(jìn)行觀察。(四)由于引用中斷造成的誤差1.管路金屬界面失效非接觸IC卡組裝工藝中,因鍵合引起的失效也是影響非接觸IC卡質(zhì)量和可靠性的重要因素之一。鍵合失效與壓焊點(diǎn)失效類似,主要表現(xiàn)為非接觸IC卡電學(xué)特征上的不連續(xù),如開路同時(shí)伴有短路、漏電等現(xiàn)象,或出現(xiàn)“輸入高”或者“輸入低”的失效。模塊內(nèi)芯片與金屬條帶之間的金線開路(見圖6),失效原因可能是在加工過程或使用過程中模塊受到了較大的外力作用導(dǎo)致。焊盤/引線界面需有合金化過程以形成良好的接觸,但過渡的合金化會(huì)導(dǎo)致金屬中間化合物(IMC)的形成,引起鍵合失效。鍵合引線的張力也是引起鍵合失效的重要參數(shù)之一,張力過小,會(huì)導(dǎo)致引線過于松軟,與其他引線形成短路;引線張力過大則通常會(huì)引起鍵合處的斷裂或開裂。2.c模式掃描c-sm利用X射線檢測(cè)可以直接觀察到鍵合絲斷裂的情況,利用C模式掃描聲學(xué)顯微鏡C-SAM則可準(zhǔn)確判定。C-SAM通常用于無損檢測(cè)及失效點(diǎn)定位,檢查IC卡模塊是否有空洞、分層以及鍵合引線情況。(五)芯片斷裂引起的失敗1.深失效機(jī)理缺陷芯片碎裂是硅器件的一種失效模式,裂紋形狀主要有“一”字型、“T”字型、“人”字型、“之”字型等(見圖7、圖8、圖9)。裂紋的深淺和部位也不同,裂紋較深的在低倍顯微鏡甚至用肉眼即可觀察到,裂紋較輕微的需在高倍顯微鏡下才能觀察到,大多數(shù)裂紋在芯片的最上層,少數(shù)裂紋在芯片的襯底部位。(1)裂紋較深的失效機(jī)理裂紋在芯片的最上層且裂紋較深的失效屬于物理損傷。芯片結(jié)構(gòu)決定了沿X-Y向上為應(yīng)力集中區(qū)域,當(dāng)有較大外力時(shí)便誘發(fā)應(yīng)力釋放。外力在金屬面或經(jīng)剛性物質(zhì)的傳遞,施加在相對(duì)較脆的芯片上,當(dāng)外力過大時(shí),芯片將延應(yīng)力集中點(diǎn)(或區(qū)域)釋放應(yīng)力,導(dǎo)致裂紋。芯片剛性大,易碎,裂紋呈縱深向,貫穿連續(xù)性或放射狀,且瞬間形成,破壞性較大,引起芯片裂片,最終導(dǎo)致電特性和功能異常。產(chǎn)生此類裂紋的原因很多,主要有以下三方面:·加工過程中,工件或原材料表面沾污,存在硬質(zhì)顆粒,表面損傷最終導(dǎo)致芯片裂;·使用者使用不當(dāng);·在失效分析過程中由于開封不當(dāng)外力過大所致。(2)輕微裂紋的失效機(jī)理裂紋在芯片的最上層且裂紋較輕微的失效屬于物理損傷。從裂紋的縱深方向極淺,并且在高倍顯微鏡下才能發(fā)現(xiàn)的特征看,推測(cè)機(jī)理是在芯片加工期內(nèi)的潛在極輕損傷(如細(xì)小劃傷),在后續(xù)加工過程中緩慢延伸,直到裂紋延伸到測(cè)試失敗時(shí)。此類細(xì)小損傷主要來自于以下兩方面:·模塊加工中取、放片的劃傷;·芯片檢驗(yàn)過程中放片的劃傷。2.檢測(cè)工具和方法在開帽前,可利用C-SAM進(jìn)行無損探傷;在開帽后,可利用光學(xué)顯微鏡OM、掃描電子顯微鏡SEM和X線能量色散譜等。(六)eeprm早期失效應(yīng)發(fā)生情況某些芯片功能測(cè)試和性能測(cè)試正常,開封后檢查芯片表面完好,EMMI和OBIRCH分析也未發(fā)現(xiàn)異常,推斷可能是EEPROM早期失效或者隨機(jī)失效導(dǎo)致(七)非接觸ic卡產(chǎn)品抗氧化性靜電放電(ESD)是直接接觸或靜電場(chǎng)感應(yīng)引起的兩個(gè)不同靜電勢(shì)的物體之間靜電荷的傳輸,常使芯片電路發(fā)生來流熔化、電荷注入、氧化層損傷和薄膜燒毀等諸多失效。非接觸IC卡產(chǎn)品由于封裝形式和使用環(huán)境的特殊性,芯片的工作條件較差,更易受到ESD的損傷。非接觸IC卡中E2PROM存儲(chǔ)著重要的信息,若因ESD而引起數(shù)據(jù)出錯(cuò)、丟失等,必將造成巨大的損失。所以非接觸IC卡芯片對(duì)ESD有較高的要求,一般大于4KV。防護(hù)ESD的一種有效方法,即設(shè)計(jì)特定的保護(hù)電路。通常情況下,IC卡芯片ESD保護(hù)電路包括主保護(hù)電路和箝拉電路兩部分三、常見失效模式分析本文在對(duì)占全國非接觸IC卡發(fā)放量之首的二代證進(jìn)行抽樣調(diào)查并進(jìn)行機(jī)讀功能失效分析的基礎(chǔ)上,深入分析研究了非接觸IC卡天線斷裂扭曲變形、壓焊點(diǎn)脫焊、模塊膠裂、引線鍵合斷