基于有限元模型的IC卡芯片受力分析与研究
吴彩凤王秀雷谢立松
北京中电华达电子设计有限公司RFID芯片检测技术北京市重点实验室
概括：
在三轮智能卡测试中，故障表现为芯片损坏。 基于有限元模型，研究了智能IC卡（卡）芯片的受力分析和强度改进方法，分析了其结构尺寸参数变化时对芯片机械强度的影响。 我们进行了相关的有限元模拟来分析芯片的受力情况，并从芯片尺寸、芯片厚度、芯片偏转角度、EMC层厚度、PVC厚度、引线框架厚度、芯片邦定这7个因素对IC卡的单因素进行了比较。胶水厚度。 基于正交设计表分析尺寸参数变化对芯片应力的影响，分析IC卡七大因素参数变化时对芯片的应力，得出尺寸参数变化对芯片应力的影响最大。得到了芯片上的EMC层、引线框架和PVC卡应力有显着影响的结论，并且芯片上的最大应力随着这三个部件厚度的增加而减小，为有效提高芯片的机械强度提供了方法。 IC卡芯片。
0 前言
《GB/T 17554.3-2006识别卡测试方法第3部分带触点的集成电路卡及相关接口设备》标准规定，IC卡（卡、集成电路卡）的机械强度需要进行测试[1]。
标准规定，当芯片面积大于4mm 2 时，机械强度测试方法为三轮测试，而当芯片面积小于4mm 2 时，测试方法为点压测试。 在IC卡的实际生产控制中，无论芯片面积是否小于4mm 2 ，都对卡生产和使用的相关环节安排三轮测试。
三轮测试中的严重故障一般是IC卡内封装的芯片在压力下发生物理损坏造成的。 芯片承受的强度与IC卡各部件的物理规格有关，如芯片的尺寸、芯片的厚度、封装时芯片的偏转角度等。 在应力模拟过程中，首先找到芯片在三轮测试中受到最大应力的危险位置。 以此位置为基础，分析IC卡各元件尺寸参数变化时芯片所受的应力，并分析IC卡各元件的单因素尺寸。 参数变化对芯片应力的影响。 本次仿真分析基于正交实验，共设计了18组实验。
本次仿真是通过仿真软件完成的，仿真软件是一款有限元分析软件，在模拟复杂系统方面具有强大的分析能力和可靠性。 软件包含丰富的单元库，可以模拟任意几何形状，并拥有各类材料模型库。 在复杂的固体力学和结构力学系统中，它可以处理非常大、复杂的问题，模拟高度非线性问题。 本次仿真涉及多个部件的静态应力、位移分析和动态分析，涵盖了接触和几何非接触两大类。 线性问题。 仿真软件可以实现多个部件的快速建模，并保证解的收敛性。
1 IC卡有限元模型
1.1 IC卡结构
IC卡由芯片封装（业内常称为“模块”）和PVC卡组成。 芯片封装包括芯片、引线框架、键合线、芯片键合层、EMC层（注塑塑料，多为环氧塑料）。 ）等，将芯片封装与PVC卡的空腔部分组装起来，形成IC卡[2]。 IC卡实物图如图1所示，IC卡结构图如图2所示。
1.2 IC卡材料力学参数
表1为IC卡所用不同材料的机械参数。 三轮试验所用车轮的弹性模量为，泊松比为0.31。
1.3 IC卡有限元模型
IC卡的实际模型比较复杂，模型各部件尺寸跨度较大。 根据实际的IC卡图纸进行有限元建模比较困难，因此对模型进行了相应的简化和等效。 首先，除了EMC层外，IC卡的所有部件都可以看作是薄板。 在实际情况中，EMC层类似于水滴形状。 这种形状很难建模，所以它相当于一个矩形。 IC卡中的键合线在建模时被故意忽略，因为它们的直径只有25μm或更小。 最终建立的IC卡有限元模型如图3所示。
1.4 模型网格划分及网格收敛验证
由于IC卡有限元模型涉及的零件较多，有些零件不是主要关注的零件，例如PVC卡远离芯片的部分。 因此，在对PVC卡进行分区时，每个区域的网格类型数量不一致。 PVC空腔部分必须与引线框架和封装芯片的胶体层接触。 接触部分的网格类型数量与引线框架中的网格类型数量一致，以保证有限元模拟过程中应力和位移都在接触面上。 良好的传输，使结果更加准确； 对于关注的主要部件——芯片，相应加密了网格类型的数量，芯片键合层与芯片连接，引线框架（含铜基材、环氧材料、粘合剂）网格布的数量类型是一致的[3]。
验证模型的网格收敛性，选择合适的网格数进行划分。 网格收敛计算通过改变芯片、引线框架等各部件的网格类型数量来检查芯片的应力变化。 当网格数和计算时间适中且计算结果变化不大时，网格数即为当时的模拟适用量。 表2是网格收敛性验证的对照表。
根据表中数据最终选择的有限元网格模型包括n个单元和n个节点。 图4为有限元模型网格划分示意图。
2 基于动力学的三轮试验仿真结果分析
2.1 动态仿真参数设置
根据《GB/T 17554.3-2006识别卡测试方法第3部分带触点的集成电路卡及相关接口设备》，三轮测试IC卡的机械强度，需要设置动态模拟所需的参数，其中包括IC卡插入速度，确定IC卡插入的起始位置和结束位置等。以下是三轮IC卡测试的操作要求：
(1)将带有芯片的卡片置于机器的测试辊之间，芯片在三个钢辊之间循环滚动；
(2)当芯片朝上时，滚动50次；
(3)芯片正面朝下时，滚压50次，循环频率0.5Hz；
(4)卡片滚动时，需要对芯片施加一定的重量。 经过往复循环测试，验证卡内芯片是否正常工作。 标准规定施加的力为8N，实际测试时可进行8N、12N、15N等强度测试。
图5是IC卡插入起始位置和终止位置示意图。
从图5可以看出，三个测试辊的直径均为10mm。 测试时，滚轮厚度方向的中心线与IC卡引线框架的中心线一致。 IC卡插入初始位置的上侧滚轮的垂直中心线与IC卡一致。 一侧边缘之间的距离为0.1mm，最终插入为40mm。 根据插入距离和三个测试循环频率，可以计算出IC卡插入速度为40mm/s。 测试时，上滚轮对IC卡施加8N的垂直向下的力。 IC卡一端由三轮测试仪夹紧装置夹紧，进行插拔测试。 这也是模拟过程中对IC卡施加的边界条件。
2.2 动态模拟与危险位置判定
整体仿真思路：对IC卡金属面朝上和金属面朝下的测试过程进行动态仿真，提取IC卡和芯片的动态应力云图，找到芯片的最大应力位置，将其视为将此位置视为危险位置，并重构危险位置。 通过静态仿真对芯片在不同工作条件下的应力进行建模和比较。 通过动态模拟发现的两组危险位置如图6和图7所示：
由表3可知，金属面朝上时，IC卡插入0.375s时，芯片受力较大。 该位置被确定为危险位置。 根据动态仿真结果，对插卡0.375s时刻的位置进行建模，并进行后续的多步分析。 因素模拟分析。
3 基于静力学的IC卡多因素仿真结果分析
3.1 仿真中考虑的设计因素和设计水平
当考虑多种因素对芯片应力的影响时，选择正交设计方法。 其原则是根据正交性从综合测试中选取一些代表点。 这些代表点分布均匀、整齐、具有可比性。 ，最后可以利用极差分析法对结果进行处理，得到各因素的主次关系。
该正交设计考虑了七个因素，包括芯片尺寸（单位mm，记为因素①）、芯片厚度（单位μm，记为因素②）、芯片偏转角度（单位.，记为因素③）、芯片贴装粘合剂厚度（单位：μm，记录为因子 ④）、EMC 层厚度（单位：μm，记录为因子 ⑤）、PVC 厚度（单位：μm，记录为因子 ⑥）、引线框架（通常称为“条带”，单位为μm，记为因子⑦)等。每个因子选取三个水平。 各级别的数值如表4所示。各数值是根据实际产品规格和生产经验得出的。
查询正交设计表。 本次选择18次正交试验。
由于智能卡的应用范围广泛，如银行卡、电信卡、社保卡等，以及各公司质量控制的差异，在实际判定产品质量时，需要在不同工况下进行测试。经常进行。 因此，我们为每组试验安排了三种工况下的静态模拟：上辊分别承受8N、12N和15N的工况，共进行了54次模拟操作。 通过后处理提取芯片应力云图，找出芯片上的最大应力，记录在表5中，并对结果进行极差分析。 以上侧滚轮施力8N为例，分析找出各因素的主次影响。 关系。
计算上述侧滚轮施加不同力学试验强度下各因素各试验强度的应力和K（各因素1级、2级、3级分别记为K1、K2、K3），并计算各因素在不同水平下的应力总和K。 各因素各试验强度的平均应力k（各因素的1级、2级、3级分别记为k1、k2、k3），以及不同条件下各试验强度的平均应力范围R计算每个因子的水平（R= max {k1,k2,k3}-min{k1,k2,k3}）。 根据R值之间的关系，可以判断各因素对机械强度的影响程度。 判断规则是R值越大，影响越大。 K、k和R的计算结果如表6所示。
分别计算 8N、12N 和 15N 的 R 值。 结果如图8所示：
根据8N、12N和15N的分析结果可以看出，EMC层、PVC卡和Lead frame的厚度变化对芯片应力影响较大，而芯片键合层厚度的变化则对芯片应力产生较大影响。对芯片应力无显着影响。 随着上辊施加的力增大，切屑上的应力也增大。 但当上滚轮施加不同的力时，各种因素对切屑上最大应力的影响是相同的。 通过k查看各因素对芯片最大应力的影响趋势，如图9所示。由于篇幅限制，图9仅列出了EMC层、PVC卡和引线框架厚度三个因素的变化趋势。
从图9可以看出，芯片的最大应力随着EMC层、PVC卡和Lead frame厚度的增加而减小。 图9中未示出的因素是：芯片最大应力随着芯片偏转角的增大先减小后增大，并随着芯片尺寸、芯片粘合层和芯片厚度的增大而增大。
3.2 最大应力对切屑相关因素的影响分析
因为现在的芯片工艺技术、芯片尺寸等更新迭代很快，而智能卡所用的封装材料几乎没有迭代。 为了给实际生产提供更多指导，分别从以下几个方面对芯片的受力情况进行了分析。
3.2.1 切屑厚度对切屑最大应力影响的趋势分析
在前面的仿真分析中，在改变芯片厚度的同时保持EMC层的总厚度不变，如图10所示。考虑到EMC层和芯片的厚度变化之间可能存在交互作用，经典的层压板利用理论进行了两组对比仿真，即固定EMC 3层厚度T 3 和固定EMC层总厚度T Total ，改变芯片厚度来观察芯片上最大应力的变化趋势。
当EMC层总厚度（）固定时，仿真得到三组芯片不同厚度下芯片的最大应力。
当胶体上三层EMC层总厚度固定时，仿真得到三组芯片不同厚度下芯片的最大应力。
上述数据记录如表7所示。
从表7可以看出，当EMC层总厚度一定时，芯片的最大应力随着芯片厚度的增加而增加。 当3个EMC层的厚度固定时，芯片的最大应力随着芯片厚度的增加而减小。
3.2.2 芯片不同工作条件下的应力分析
在仿真软件中查看不同工况下的芯片应力云图，发现当上侧滚轮施加的力增大时，芯片上的整体应力呈现增大趋势，但应力分布趋势相同。 具体应力情况读者可参考表5。 进行分析。
在仿真软件中，对比所有测试组的芯片应力云图，发现芯片应力较大的表面是与EMC层接触的表面，芯片上的最大应力就在这个表面或表面的一角。
3.2.3 切屑在不同偏转角度下的应力分析
选择芯片尺寸为3mm×2.3mm。 在仿真软件中，比较芯片在不同偏转角度下的应力云图。 发现芯片上的最大应力先减小后增大。 芯片旋转到45°时，芯片上的应力最小。
3.2.4 不同尺寸芯片时的芯片应力分布
选择偏转角度为0。在仿真软件中，对比芯片不同尺寸时芯片的应力云图，发现芯片表面应力分布不受芯片尺寸的影响。
4。结论
通过以上分析，可以得到以下结论以及提高IC卡集成电路芯片机械强度的方法：
(1) EMC层、引线框架和PVC卡厚度的变化对芯片的最大应力有显着影响。 随着这三个元件的厚度增加，芯片上的最大应力减小。 芯片粘合层厚度的变化对芯片的最大应力没有影响。 更大的影响。 因此，增加PVC、EMC层和引线框架的厚度可以提高智能卡的机械强度。 特别是EMC层厚度，如果封装条件允许，应采用较大的EMC层厚度值。
(2)芯片与EMC层接触的表面是芯片承受较大应力的表面，芯片上的最大应力就在这个表面或者这个表面的拐角处。 据推测，适当改进芯片表面也是提高智能卡机械强度的一种方法。
(3)当切屑尺寸相同且发生偏转时，切屑上的最大应力先减小后增大，且切屑受力面积与滚轮下压面积一致。 因此，封装芯片时，旋转角度要适当，如45°，这样可以提高智能卡的机械强度。
(4)当EMC总厚度固定时，改变芯片厚度。 随着切屑变厚，切屑的最大应力也变大； 当EMC 3厚度固定时，芯片厚度改变。 随着切屑变厚，切屑的最大应力变小。 因此，增加芯片厚度可以提高智能卡的机械强度。 封装芯片时，如果情况允许，应采用较大的芯片厚度值。
