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IC卡模块封装中的ESD影响及对策

来源:一卡通世界      作者:李颢      2010/6/5 13:32:08
    1、引言

  ESD对整个半导体产业具有非常大的影响,每年半导体工业因为ESD造成的经济损失以数十亿美元计。随着金卡工程和IC卡国产化在中国的逐步深入推广,ESD对IC卡模块封装这种集成电路封装形式的影响成为一个研究课题。

  ESD的产生机理是什么?它对IC卡模块封装的影响体现在哪些方面?对这些影响应该采取什么措施去改善或消除?本文对上述问题进行了初步的探讨,并结合上海斯伦贝谢智能卡技术有限公司的实际例子提出了几点控制ESD影响的简单措施。

    2、ESD及产生原因

  组成物质的原子包含电子和质子。物质获得或者损失电子时,物质表现为带有正电或负电。静电是正电荷或负电荷在物质表面积累的结果。电荷积累通常由物质的接触、分离或者摩擦引起,通常称为摩擦生电。影响电荷积累的因素很多,包括物体的接触程度、摩擦系数和分离速率等。在影响因素消除之前,电荷会持续积累,随后释放,或者一直积累到周围物质的绝缘属性或绝缘保护失效为止。一旦绝缘属性被改变,会迅速实现静电平衡。

  ESD(ElectrostaticStorageDeflection,静电积聚转移)是电荷的快速平衡,电荷的迅速平衡被称为静电放电。研究表明,人走在地毯上由于摩擦产生的电荷,可引发高达20KV的静电压。由于电荷是在阻力很小的情况下迅速释放的,因此释放时的等效电流可以超过20安培。如果是通过集成电路或者其它对ESD敏感的元器件放电,那么大电流很可能会严重损坏原本只能传导微安级或毫安级电流的线路。

    3、ESD对IC卡模块封装的影响

  ESD的影响存在于晶圆片生产、集成电路封装、器件测试、装配和使用的集成电路整个生命周期。不管什么原因,只要在器件表面或周围区域积累电荷,就会产生ESD。ESD每年造成的半导体工业经济损失高达数十亿美元。

  集成电路器件对ESD非常敏感。集成电路器件应该工作在一定的电压、电流和功耗限定范围内。大量聚集的静电荷在条件适宜时就会产生高压放电(如空气湿度高于65%,或操作人员的接触等),静电放电通过器件引线的高压瞬时传送,可能会使氧化层(即绝缘体)断开,造成器件功能失常。当较大静电电流流过PN结时,由于热散逸,PN结温度急剧上升。半导体的热时间常数一般比ESD脉冲的瞬变时间长,热量很难迅速向外扩散,如果ESD产生大电流,会使金属互连线熔化并损伤器件的PN结,使器件过热而失效。ESD还能够触发硅控整流器而在CMOS器件中产生闭锁。在一般的条件下,ESD不会导致器件即时失效,它往往潜伏在集成电路器件中,这种存在潜在缺陷的器件在使用时非常容易失效。

  IC卡(IntegratedCircuitCard,集成电路卡)又称智能卡,它将具有存储、加密及数据处理能力的集成电路芯片镶嵌于塑料基片中,涉及到微电子技术、计算机技术和信息安全技术等学科。作为一种成熟的高技术产品,IC卡提高了人们生活和工作的现代化程度,已成为一个国家科技发展水平的标志之一。IC卡在国外已经被广泛应用于电信、金融、交通、医疗和政府公用事业等领域。在信息产业部、中国电信集团的大力推动下,IC卡在中国的应用,尤其是电信领域的应用取得了突飞猛进的发展。

  IC卡模块是IC卡的核心,是集成电路封装的一种形式。IC卡模块的基本制造流程与常规集成电路封装非常相似,由贴片(DieBonding)、焊线(WireBonding)、封模(Encapsulation)和测试(Testing)组成。区别在于用的载带(LeadFrame)是一种环氧树脂基材敷铜并镀镍和金的软基条带,类似于TBGA和CSP等先进封装形式用的软基载带 (FlexibleSubstrate),IC卡模块封装每道工序的输入输出都卷绕在特定的卷盘上。

  IC卡模块封装的集成电路芯片是集成电路技术发展微细化、高集成化的结晶。由于器件间相隔距离小到微米级,ESD的影响尤为突出,一旦静电放电击穿,后果非常严重。虽然电路设计人员可以采用必要的保护性器件,如齐纳二极管、滤波器等将ESD的影响降至最低,但在生产设备上、生产环境中和操作人员身上存在的静电积聚依然使硅片上和封装时仍有短路击穿的可能,使器件性能遭到损伤,导致成品率下降。

    4、对策与实例

  除了集成电路设计中的保护措施外,消除ESD影响的措施集中在生产设备和生产环境两个方面。

    4.1生产设备

  自动封装设备的进步使静电问题变得越来越突出。许多封装设备可以达到每小时20000个的产量,如果设计不合理,较短时间内产生的大量静电会使大批器件遭到损坏。IC卡模块封装设备大量使用轨道和滑动装置等组成步进系统,使用机械手臂或者其它夹持装置组成拾取系统。如果设备设计不合理,步进系统和拾取系统会积累大量电荷,并在传送过程中放电。为了防止ESD发生,设备需要选择适当的材料、夹紧装置、正确的工艺和接地方式。

  IC卡模块封装设备中,有些部件使用塑料或塑料合成物制造,制造过程必须中混入添加剂,并调节添加剂的比例,从而使塑料或塑料合成物获得一定程度的导电性和耗散性(导电材料是指表面电阻系数小于106Ω/m2的材料,耗散材料是指表面电阻系数小于1012Ω/m2的材料)。除此以外,添加物还可以增加材料的硬度。另外,设备上使用的塑料罩应使用耗散材料制作或使用导电性或耗散性涂料,以防止摩擦生电。

  IC卡模块的生产中,必须使用各种保护带对半成品和成品进行保护。贴片、焊线和封装工序使用带齿的保护带,之后用隔离带对成品进行保护。保护带应该用耗散材料制成。由于IC卡模块采用软基条带作为载带,生产组织一般按卷到卷进行,用以卷绕的圆盘也应该用导电材料或者耗散材料制成。并且用以卷绕的圆盘、承重的支架和设备机架必须相连接地,否则就会因为电势差而引起ESD现象。

  定位装置、轨道和滑动装置组成了IC卡模块封装的步进系统。在保证这些装置或部件与设备机架互连并接地的前提下,条带在步进中,应该保持与步进系统互连接地。IC卡用芯片对ESD十分敏感,定位装置、导轨和滑动装置不能使用尼龙等材料直接制作。

  贴片使用的拾取芯片的吸嘴应该用耗散性材料制造,并且应该很好地接地,否则存在静电荷积聚损坏芯片的可能。

  设备必须具有良好的接地装置以耗散积累的电荷。如果没有接地,导电的部件将积累电荷。如果合页接地不良,那么耗散性塑料盖也会积累电荷。合页可能会受到腐蚀,并成为绝缘体或产生很大的电阻。因此,需要使用编织接地带将机架和耗散性外壳的合页接地。设备的表面应该是导电材料或者经过电镀。如果由于设计原因,不能使用导电涂料,则应该在两个表面之间安装编织接地带。如果设备的可选部件同设备的主体相连,则必须使用接地装置,以保持整个机器的电位平衡。接地线不能代替编织接地带,因为接地带表面积大,可以释放更多的电荷,并且编织接地带产生的电场最小。

    4.2生产环境

  IC卡模块封装的净化厂房要进行立体空间全方位防静电处理,对四壁、天花板、地板的材料和温湿度进行控制。

  当前净化厂房中因怕摩擦而产生粉尘往往使用一些比较硬的耐磨材料作建筑和装饰材料,而这些材料往往又是非常容易产生静电的,这是相互矛盾的。解决的一条途径是整个净化厂房的墙壁和天花板通过由耗散材料制作的防静电地板消散积聚的静电荷。

  相对湿度高或低都会加剧ESD的影响。实验表明,相对湿度低于45%时,摩擦产生的静电荷数量比相对湿度55%环境下静电荷高出数倍,相对湿度高于65%时,静电放电发生的概率明显增大。所以,IC卡模块封装厂房在控制10000级净化级别的同时,还需要选择好的恒温恒湿控制系统以严格控制车间的温湿度。

  IC生产车间由于气流的摩擦及工人的洁净服经摩擦下来的纤维尘埃仍然是带静电体,这些纤维尘埃积聚在操作人员身上,通过操作人员与IC卡模块器件的接触产生ESD影响。
  所以,操作人员的洁净服应该具有耗散性,并且在操作时使用腕带将身体与设备相连接地。

    4.3实例

  上海斯伦贝谢智能卡技术有限公司(原上海金长城智能卡有限公司)是国 家信息产业部定点生产预付费电话卡模块和移动通信GSMSIM卡的企业。公司业务范围包括设计、生产电话卡模块和SIM卡等智能卡,销售自产产品,提供维护、安装、咨询服务。公司在成立之初就非常重视产品质量控制,建立了严格的全面的质量管理体系,并顺利通过了信息产业部组织的一系列认证。在近两年的生产实践中,公司产品在常规测试及抗机械损坏强度(贴片剪切力、金线拉力和焊球剪切力)检验、高温存储试验、高低温冲击试验和高温高压蒸汽试验等一系列领先于业界同行的质量测试手段的控制下,经意法半导体公司、忆恒公司等国际知名企业测试达到了较高的水准,取得了用户的信任。

  如何在生产过程中最大限度地减少ESD的影响,同样是质量控制的重要研究课题。结合上述消除ESD影响的对策,上海斯伦贝谢智能卡技术有限公司在生产设备改造、生产环境控制两方面都进行了探索,较好地控制了ESD的影响。上海斯伦贝谢智能卡技术有限公司IC卡模块生产设备分别从法国和瑞士引进,在稳定性和精确性方面都达到了较高的水准。经过一段时间的生产观察,设备上一些塑料部件被改良以进一步提高抗ESD的性能。关键部位,如步进导轨的塑料件经过严格测量,除符合耗散性要求的外,其余采用金属件进行替换。输入输出卷盘的承重支架与设备的连接得到了加强。原装引进的生产用塑料卷盘被重新设计成金属卷盘,除抗ESD性能得到提高外,还改善了生产能力和稳定性。上海斯伦贝谢智能卡技术有限公司IC卡模块生产车间恒温恒湿,温度和湿度分别控制在21℃~25℃、45%~65%范围内,这样的温度和湿度条件限制了ESD的影响。车间及外部走廊区域铺设防静电地板,及时消散可能积聚的静电荷。实际效果采用专门的设备进行了测量,测量结果表明了以上措施切实可行。

  当然,ESD的影响是很难完全消除的,随着生产实践的进一步发展,控制精度的进一步提高,新的现象会逐步显现并得到改善或解决。随着其它核心技术逐渐被掌握,IC卡应用的蓬勃发展将会成为一个新的亮点。
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