功率器件IGBT的金相制備
2024-08-01
功率器件IGBT概述
隨著節能環保等理念的推進，功率器件在市場上越來越多見；IGBT 是能源變換與傳輸的核心器件，俗稱電力電子裝置的“CPU”，作為國家戰略性新興產業，在軌道交通、智能電網、航空航天、電動汽車與新能源裝備等領域應用極廣。IGBT 模塊具有節能、安裝維修方便、散熱穩定等特點；當前市場上銷售的多為此類模塊化產品，一般所說的 IGBT也指IGBT模塊。
IGBT 模塊有3個連接部分：硅片上的鋁線鍵合點、硅片與陶瓷絕緣基板的焊接面、陶瓷絕緣基板與銅底板的焊接面。由于IGBT模塊內部為多層結構集成數個電子元器件，涉及材料、微電子、焊接等多種工藝。保證IGBT內部封裝質量是廠家們非常關心的問題，因為這些接點的失效都會直接影響產品工作狀態。
IGBT模塊結構圖
所以，IGBT在制備生產及產品失效時均需要金相切片破壞性試驗用于管控生產工藝質量及確認失效原因，但因IGBT模塊內部結構復雜，對其在研磨/拋光階段存在較大的難度，需要選擇合適的工藝及耗材。常見問題包括DBC層難去除、拋光后劃痕嚴重、顯微形貌浮凸嚴重同時影響各層尺寸測量準確性。
一、切割方案
因樣品內部結構復雜，含銅金屬、陶瓷層、硅材料及焊接材料，建議選擇功率較大的高速精密切割機，在保證良好的切割效率的同時可以得到較少的切割表面損傷。
切割刀片建議使用高濃度的金剛石切割片，該刀片適用材料范圍廣，可以得到良好的切割表面，減少后續研磨的時間，提高制備效率。
切割時需注意切割位置需距離觀察位置2.54mm以上，留出足夠的空間以避免損壞所要測試的區域。（備注：位置要求依據IPC-TM-650-2.1.1標準）
二、研磨方案
1.平面研磨
客戶需對IGBT進行平面逐層去除，觀測不同層次前后的芯片形貌特征及尺寸測量等。在使用反應離子刻蝕機去除IGBT產品中的鈍化層或介質層時，該設備無法去除DBC陶瓷層，需配合自動研磨機去除IGBT產品中的金屬層和DBC層。
因DBC采用了陶瓷表面金屬化技術，所以共包含3層。中間為白色陶瓷絕緣層，上下分別有覆銅層。
DBC常用的陶瓷絕緣材料是氧化鋁（Al2O3）和氮化鋁（AlN），常規砂紙無法有效研磨，效率極低，且實驗人員疲勞強度高。實驗室經過多次嘗試后，選擇采用單個樣品中心力加載研磨搭配金剛石磨盤的方案，將整層DBC陶瓷層去除的時間縮短至8min。
注意事項
研磨夾具：需根據樣品尺寸定制單個樣品中心力的固定夾具；
在去除DBC層的軟金屬銅層時，建議使用普通砂紙去除。因為銅層較粘會快速帶走金剛石磨盤的顆粒，損耗金剛石磨盤壽命；
在去除DBC陶瓷層時，力值需大于有效研磨力值180N時，才能有效去除陶瓷層。
2.截面研磨
目前IGBT芯片與DBC板及DBC板與基板間的連接普遍是通過SnAg焊接的方式，但溫度循環產生應力容易導致DBC板和散熱基板各層之間的焊接層出現裂縫，焊接老化也會引起芯片溫度上升，最終影響模塊的壽命。客戶需要對IGBT模塊進行截面切片制備，經過樣品制備后，用于觀察各層之間的層間結構形貌，尺寸測量及焊接層有效性及成分分析等。
因IGBT層間結構材料較多，Cu層及焊接層較軟，DBC陶瓷層較硬，Si基材料硬且脆，在磨拋過程中極易產生浮凸并伴隨硅基的碎裂，情況嚴重時還會影響各層的尺寸測量準確性。推薦客戶在前期研磨階段使用金剛石磨盤，因為金剛石磨盤具有良好的剛性，可以提供一致的材料去除速率。若在研磨階段硅片碎裂較多，建議在研磨最后一步采用DGD terra磨盤，該磨盤平整性極好，對易碎材料非常友好。最后，拋光階段，建議使用硬編制拋光布，減少浮凸的產生。
三、制備結果
通過該制備方案和相關耗材，可以看到IGBT樣品的截面形貌各層分界明顯、無明顯浮凸，可快速準確的完成樣品尺寸測量及成分分析等。
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