IC卡模塊封裝中的ESD影響及對策

1、引言
　　ESD對整個半導體產業(yè)具有非常大的影響，每年半導體工業(yè)因為ESD造成的經濟損失以數十億美元計。隨著金卡工程和IC卡國產化在中國的逐步深入推廣，ESD對IC卡模塊封裝這種集成電路封裝形式的影響成為一個研究課題。
　　ESD的產生機理是什么？它對IC卡模塊封裝的影響體現在哪些方面？對這些影響應該采取什么措施去改善或消除？本文對上述問題進行了初步的探討，并結合上海斯倫貝謝智能卡技術有限公司的實際例子提出了幾點控制ESD影響的簡單措施。

2、ESD及產生原因
　　組成物質的原子包含電子和質子。物質獲得或者損失電子時，物質表現為帶有正電或負電。靜電是正電荷或負電荷在物質表面積累的結果。電荷積累通常由物質的接觸、分離或者摩擦引起，通常稱為摩擦生電。影響電荷積累的因素很多，包括物體的接觸程度、摩擦系數和分離速率等。在影響因素消除之前，電荷會持續(xù)積累，隨后釋放，或者一直積累到周圍物質的絕緣屬性或絕緣保護失效為止。一旦絕緣屬性被改變，會迅速實現靜電平衡。
　　ESD（ElectrostaticStorageDeflection，靜電積聚轉移）是電荷的快速平衡，電荷的迅速平衡被稱為靜電放電。研究表明，人走在地毯上由于摩擦產生的電荷，可引發(fā)高達20KV的靜電壓。由于電荷是在阻力很小的情況下迅速釋放的，因此釋放時的等效電流可以超過20安培。如果是通過集成電路或者其它對ESD敏感的元器件放電，那么大電流很可能會嚴重損壞原本只能傳導微安級或毫安級電流的線路。

3、ESD對IC卡模塊封裝的影響
　　ESD的影響存在于晶圓片生產、集成電路封裝、器件測試、裝配和使用的集成電路整個生命周期。不管什么原因，只要在器件表面或周圍區(qū)域積累電荷，就會產生ESD。ESD每年造成的半導體工業(yè)經濟損失高達數十億美元。
　　集成電路器件對ESD非常敏感。集成電路器件應該工作在一定的電壓、電流和功耗限定范圍內。大量聚集的靜電荷在條件適宜時就會產生高壓放電（如空氣濕度高于65％，或操作人員的接觸等），靜電放電通過器件引線的高壓瞬時傳送，可能會使氧化層（即絕緣體）斷開，造成器件功能失常。當較大靜電電流流過PN結時，由于熱散逸，PN結溫度急劇上升。半導體的熱時間常數一般比ESD脈沖的瞬變時間長，熱量很難迅速向外擴散，如果ESD產生大電流，會使金屬互連線熔化并損傷器件的PN結，使器件過熱而失效。ESD還能夠觸發(fā)硅控整流器而在CMOS器件中產生閉鎖。在一般的條件下，ESD不會導致器件即時失效，它往往潛伏在集成電路器件中，這種存在潛在缺陷的器件在使用時非常容易失效。
　　IC卡（IntegratedCircuitCard，集成電路卡）又稱智能卡，它將具有存儲、加密及數據處理能力的集成電路芯片鑲嵌于塑料基片中，涉及到微電子技術、計算機技術和信息安全技術等學科。作為一種成熟的高技術產品，IC卡提高了人們生活和工作的現代化程度，已成為一個國家科技發(fā)展水平的標志之一。IC卡在國外已經被廣泛應用于電信、金融、交通、醫(yī)療和政府公用事業(yè)等領域。在信息產業(yè)部、中國電信集團的大力推動下，IC卡在中國的應用，尤其是電信領域的應用取得了突飛猛進的發(fā)展。
　　IC卡模塊是IC卡的核心，是集成電路封裝的一種形式。IC卡模塊的基本制造流程與常規(guī)集成電路封裝非常相似，由貼片（DieBonding）、焊線（WireBonding）、封模（Encapsulation）和測試（Testing）組成。區(qū)別在于用的載帶（LeadFrame）是一種環(huán)氧樹脂基材敷銅并鍍鎳和金的軟基條帶，類似于TBGA和CSP等先進封裝形式用的軟基載帶?。‵lexibleSubstrate），IC卡模塊封裝每道工序的輸入輸出都卷繞在特定的卷盤上。
　　IC卡模塊封裝的集成電路芯片是集成電路技術發(fā)展微細化、高集成化的結晶。由于器件間相隔距離小到微米級，ESD的影響尤為突出，一旦靜電放電擊穿，后果非常嚴重。雖然電路設計人員可以采用必要的保護性器件，如齊納二極管、濾波器等將ESD的影響降至最低，但在生產設備上、生產環(huán)境中和操作人員身上存在的靜電積聚依然使硅片上和封裝時仍有短路擊穿的可能，使器件性能遭到損傷，導致成品率下降。

4、對策與實例
　 除了集成電路設計中的保護措施外，消除ESD影響的措施集中在生產設備和生產環(huán)境兩個方面。

4.1生產設備
　　自動封裝設備的進步使靜電問題變得越來越突出。許多封裝設備可以達到每小時20000個的產量，如果設計不合理，較短時間內產生的大量靜電會使大批器件遭到損壞。IC卡模塊封裝設備大量使用軌道和滑動裝置等組成步進系統(tǒng)，使用機械手臂或者其它夾持裝置組成拾取系統(tǒng)。如果設備設計不合理，步進系統(tǒng)和拾取系統(tǒng)會積累大量電荷，并在傳送過程中放電。為了防止ESD發(fā)生，設備需要選擇適當的材料、夾緊裝置、正確的工藝和接地方式。
　　IC卡模塊封裝設備中，有些部件使用塑料或塑料合成物制造，制造過程必須中混入添加劑，并調節(jié)添加劑的比例，從而使塑料或塑料合成物獲得一定程度的導電性和耗散性（導電材料是指表面電阻系數小于106Ω/m2的材料，耗散材料是指表面電阻系數小于1012Ω/m2的材料）。除此以外，添加物還可以增加材料的硬度。另外，設備上使用的塑料罩應使用耗散材料制作或使用導電性或耗散性涂料，以防止摩擦生電。
　　IC卡模塊的生產中，必須使用各種保護帶對半成品和成品進行保護。貼片、焊線和封裝工序使用帶齒的保護帶，之后用隔離帶對成品進行保護。保護帶應該用耗散材料制成。由于IC卡模塊采用軟基條帶作為載帶，生產組織一般按卷到卷進行，用以卷繞的圓盤也應該用導電材料或者耗散材料制成。并且用以卷繞的圓盤、承重的支架和設備機架必須相連接地，否則就會因為電勢差而引起ESD現象。
　　定位裝置、軌道和滑動裝置組成了IC卡模塊封裝的步進系統(tǒng)。在保證這些裝置或部件與設備機架互連并接地的前提下，條帶在步進中，應該保持與步進系統(tǒng)互連接地。IC卡用芯片對ESD十分敏感，定位裝置、導軌和滑動裝置不能使用尼龍等材料直接制作。
　　貼片使用的拾取芯片的吸嘴應該用耗散性材料制造，并且應該很好地接地，否則存在靜電荷積聚損壞芯片的可能。
　　設備必須具有良好的接地裝置以耗散積累的電荷。如果沒有接地，導電的部件將積累電荷。如果合頁接地不良，那么耗散性塑料蓋也會積累電荷。合頁可能會受到腐蝕，并成為絕緣體或產生很大的電阻。因此，需要使用編織接地帶將機架和耗散性外殼的合頁接地。設備的表面應該是導電材料或者經過電鍍。如果由于設計原因，不能使用導電涂料，則應該在兩個表面之間安裝編織接地帶。如果設備的可選部件同設備的主體相連，則必須使用接地裝置，以保持整個機器的電位平衡。接地線不能代替編織接地帶，因為接地帶表面積大，可以釋放更多的電荷，并且編織接地帶產生的電場最小。

4.2生產環(huán)境
　　IC卡模塊封裝的凈化廠房要進行立體空間全方位防靜電處理，對四壁、天花板、地板的材料和溫濕度進行控制。
　　當前凈化廠房中因怕摩擦而產生粉塵往往使用一些比較硬的耐磨材料作建筑和裝飾材料，而這些材料往往又是非常容易產生靜電的，這是相互矛盾的。解決的一條途徑是整個凈化廠房的墻壁和天花板通過由耗散材料制作的防靜電地板消散積聚的靜電荷。
　　相對濕度高或低都會加劇ESD的影響。實驗表明，相對濕度低于45％時，摩擦產生的靜電荷數量比相對濕度55％環(huán)境下靜電荷高出數倍，相對濕度高于65％時，靜電放電發(fā)生的概率明顯增大。所以，IC卡模塊封裝廠房在控制10000級凈化級別的同時，還需要選擇好的恒溫恒濕控制系統(tǒng)以嚴格控制車間的溫濕度。
　　IC生產車間由于氣流的摩擦及工人的潔凈服經摩擦下來的纖維塵埃仍然是帶靜電體，這些纖維塵埃積聚在操作人員身上，通過操作人員與IC卡模塊器件的接觸產生ESD影響。
　　所以，操作人員的潔凈服應該具有耗散性，并且在操作時使用腕帶將身體與設備相連接地。

4.3實例
　 上海斯倫貝謝智能卡技術有限公司（原上海金長城智能卡有限公司）是國 家信息產業(yè)部定點生產預付費電話卡模塊和移動通信GSMSIM卡的企業(yè)。公司業(yè)務范圍包括設計、生產電話卡模塊和SIM卡等智能卡，銷售自產產品，提供維護、安裝、咨詢服務。公司在成立之初就非常重視產品質量控制，建立了嚴格的全面的質量管理體系，并順利通過了信息產業(yè)部組織的一系列認證。在近兩年的生產實踐中，公司產品在常規(guī)測試及抗機械損壞強度（貼片剪切力、金線拉力和焊球剪切力）檢驗、高溫存儲試驗、高低溫沖擊試驗和高溫高壓蒸汽試驗等一系列領先于業(yè)界同行的質量測試手段的控制下，經意法半導體公司、憶恒公司等國際知名企業(yè)測試達到了較高的水準，取得了用戶的信任。
　　如何在生產過程中最大限度地減少ESD的影響，同樣是質量控制的重要研究課題。結合上述消除ESD影響的對策，上海斯倫貝謝智能卡技術有限公司在生產設備改造、生產環(huán)境控制兩方面都進行了探索，較好地控制了ESD的影響。上海斯倫貝謝智能卡技術有限公司IC卡模塊生產設備分別從法國和瑞士引進，在穩(wěn)定性和精確性方面都達到了較高的水準。經過一段時間的生產觀察，設備上一些塑料部件被改良以進一步提高抗ESD的性能。關鍵部位，如步進導軌的塑料件經過嚴格測量，除符合耗散性要求的外，其余采用金屬件進行替換。輸入輸出卷盤的承重支架與設備的連接得到了加強。原裝引進的生產用塑料卷盤被重新設計成金屬卷盤，除抗ESD性能得到提高外，還改善了生產能力和穩(wěn)定性。上海斯倫貝謝智能卡技術有限公司IC卡模塊生產車間恒溫恒濕，溫度和濕度分別控制在21℃～25℃、45％～65％范圍內，這樣的溫度和濕度條件限制了ESD的影響。車間及外部走廊區(qū)域鋪設防靜電地板，及時消散可能積聚的靜電荷。實際效果采用專門的設備進行了測量，測量結果表明了以上措施切實可行。
　　當然，ESD的影響是很難完全消除的，隨著生產實踐的進一步發(fā)展，控制精度的進一步提高，新的現象會逐步顯現并得到改善或解決。隨著其它核心技術逐漸被掌握，IC卡應用的蓬勃發(fā)展將會成為一個新的亮點。