功率器件IGBT的金相制備
2024-08-01
功率器件IGBT概述
隨著節(jié)能環(huán)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?shù)暮诵钠骷追Q電力電子裝置的“CPU”，作為國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，在軌道交通、智能電網(wǎng)、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(jié)能、安裝維修方便、散熱穩(wěn)定等特點；當前市場上銷售的多為此類模塊化產(chǎn)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(nèi)部為多層結(jié)構(gòu)集成數(shù)個電子元器件，涉及材料、微電子、焊接等多種工藝。保證IGBT內(nèi)部封裝質(zhì)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(chǎn)品工作狀態(tài)。
IGBT模塊結(jié)構(gòu)圖
所以，IGBT在制備生產(chǎn)及產(chǎn)品失效時均需要金相切片破壞性試驗用于管控生產(chǎn)工藝質(zhì)量及確認失效原因，但因IGBT模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(nèi)部結(jié)構(gòu)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(xù)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(qū)域。（備注：位置要求依據(jù)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(chǎn)品中的鈍化層或介質(zhì)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(chǎn)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(guī)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(jīng)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(jù)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(huán)產(chǎn)生應力容易導致DBC板和散熱基板各層之間的焊接層出現(xiàn)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(jīng)過樣品制備后，用于觀察各層之間的層間結(jié)構(gòu)形貌，尺寸測量及焊接層有效性及成分分析等。
因IGBT層間結(jié)構(gòu)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(chǎn)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(chǎn)生。
三、制備結(jié)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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