功率器件IGBT的金相制备
2024-08-01
功率器件IGBT概述
随着节能环保等理念的推进，功率器件在市场上越来越多见；IGBT 是能源变换与传输的核心器件，俗称电力电子装置的“CPU”，作为国家战略性新兴产业，在轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车与新能源装备等领域应用极广。IGBT 模块具有节能、安装维修方便、散热稳定等特点；当前市场上销售的多为此类模块化产品，一般所说的 IGBT也指IGBT模块。
IGBT 模块有3个连接部分：硅片上的铝线键合点、硅片与陶瓷绝缘基板的焊接面、陶瓷绝缘基板与铜底板的焊接面。由于IGBT模块内部为多层结构集成数个电子元器件，涉及材料、微电子、焊接等多种工艺。保证IGBT内部封装质量是厂家们非常关心的问题，因为这些接点的失效都会直接影响产品工作状态。
IGBT模块结构图
所以，IGBT在制备生产及产品失效时均需要金相切片破坏性试验用于管控生产工艺质量及确认失效原因，但因IGBT模块内部结构复杂，对其在研磨/抛光阶段存在较大的难度，需要选择合适的工艺及耗材。常见问题包括DBC层难去除、抛光后划痕严重、显微形貌浮凸严重同时影响各层尺寸测量准确性。
一、切割方案
因样品内部结构复杂，含铜金属、陶瓷层、硅材料及焊接材料，建议选择功率较大的高速精密切割机，在保证良好的切割效率的同时可以得到较少的切割表面损伤。
切割刀片建议使用高浓度的金刚石切割片，该刀片适用材料范围广，可以得到良好的切割表面，减少后续研磨的时间，提高制备效率。
切割时需注意切割位置需距离观察位置2.54mm以上，留出足够的空间以避免损坏所要测试的区域。（备注：位置要求依据IPC-TM-650-2.1.1标准）
二、研磨方案
1.平面研磨
客户需对IGBT进行平面逐层去除，观测不同层次前后的芯片形貌特征及尺寸测量等。在使用反应离子刻蚀机去除IGBT产品中的钝化层或介质层时，该设备无法去除DBC陶瓷层，需配合自动研磨机去除IGBT产品中的金属层和DBC层。
因DBC采用了陶瓷表面金属化技术，所以共包含3层。中间为白色陶瓷绝缘层，上下分别有覆铜层。
DBC常用的陶瓷绝缘材料是氧化铝（Al2O3）和氮化铝（AlN），常规砂纸无法有效研磨，效率极低，且实验人员疲劳强度高。实验室经过多次尝试后，选择采用单个样品中心力加载研磨搭配金刚石磨盘的方案，将整层DBC陶瓷层去除的时间缩短至8min。
注意事项
研磨夹具：需根据样品尺寸定制单个样品中心力的固定夹具；
在去除DBC层的软金属铜层时，建议使用普通砂纸去除。因为铜层较粘会快速带走金刚石磨盘的颗粒，损耗金刚石磨盘寿命；
在去除DBC陶瓷层时，力值需大于有效研磨力值180N时，才能有效去除陶瓷层。
2.截面研磨
目前IGBT芯片与DBC板及DBC板与基板间的连接普遍是通过SnAg焊接的方式，但温度循环产生应力容易导致DBC板和散热基板各层之间的焊接层出现裂缝，焊接老化也会引起芯片温度上升，最终影响模块的寿命。客户需要对IGBT模块进行截面切片制备，经过样品制备后，用于观察各层之间的层间结构形貌，尺寸测量及焊接层有效性及成分分析等。
因IGBT层间结构材料较多，Cu层及焊接层较软，DBC陶瓷层较硬，Si基材料硬且脆，在磨抛过程中极易产生浮凸并伴随硅基的碎裂，情况严重时还会影响各层的尺寸测量准确性。推荐客户在前期研磨阶段使用金刚石磨盘，因为金刚石磨盘具有良好的刚性，可以提供一致的材料去除速率。若在研磨阶段硅片碎裂较多，建议在研磨最后一步采用DGD terra磨盘，该磨盘平整性极好，对易碎材料非常友好。最后，抛光阶段，建议使用硬编制抛光布，减少浮凸的产生。
三、制备结果
通过该制备方案和相关耗材，可以看到IGBT样品的截面形貌各层分界明显、无明显浮凸，可快速准确的完成样品尺寸测量及成分分析等。
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