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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(jìn)，功率器件在市場(chǎng)上越來(lái)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(guó)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(dòng)汽車與新能源裝備等領(lǐng)域應(yīng)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(diǎn)；當(dāng)前市場(chǎng)上銷售的多為此類模塊化產(chǎn)品，一般所說(shuō)的 IGBT也指IGBT模塊。
IGBT 模塊有3個(gè)連接部分：硅片上的鋁線鍵合點(diǎn)、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(gè)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(guān)心的問(wèn)題，因?yàn)檫@些接點(diǎn)的失效都會(huì)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(shí)均需要金相切片破壞性試驗(yàn)用于管控生產(chǎn)工藝質(zhì)量及確認(rèn)失效原因，但因IGBT模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)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(wèn)題包括DBC層難去除、拋光后劃痕嚴(yán)重、顯微形貌浮凸嚴(yán)重同時(shí)影響各層尺寸測(cè)量準(zhǔn)確性。
一、切割方案
因樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)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(jī)，在保證良好的切割效率的同時(shí)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(shí)間，提高制備效率。
切割時(shí)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(cè)試的區(qū)域。（備注：位置要求依據(jù)IPC-TM-650-2.1.1標(biāo)準(zhǔn)）
二、研磨方案
1.平面研磨
客戶需對(duì)IGBT進(jìn)行平面逐層去除，觀測(cè)不同層次前后的芯片形貌特征及尺寸測(cè)量等。在使用反應(yīng)離子刻蝕機(jī)去除IGBT產(chǎn)品中的鈍化層或介質(zhì)層時(shí)，該設(shè)備無(wú)法去除DBC陶瓷層，需配合自動(dòng)研磨機(jī)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(shù)，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(wú)法有效研磨，效率極低，且實(shí)驗(yàn)人員疲勞強(qiáng)度高。實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過(guò)多次嘗試后，選擇采用單個(gè)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(shí)間縮短至8min。
注意事項(xiàng)
研磨夾具：需根據(jù)樣品尺寸定制單個(gè)樣品中心力的固定夾具；
在去除DBC層的軟金屬銅層時(shí)，建議使用普通砂紙去除。因?yàn)殂~層較粘會(huì)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(shí)，力值需大于有效研磨力值180N時(shí)，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(guò)SnAg焊接的方式，但溫度循環(huán)產(chǎn)生應(yīng)力容易導(dǎo)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(huì)引起芯片溫度上升，最終影響模塊的壽命。客戶需要對(duì)IGBT模塊進(jìn)行截面切片制備，經(jīng)過(guò)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(cè)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(guò)程中極易產(chǎn)生浮凸并伴隨硅基的碎裂，情況嚴(yán)重時(shí)還會(huì)影響各層的尺寸測(cè)量準(zhǔn)確性。推薦客戶在前期研磨階段使用金剛石磨盤，因?yàn)榻饎偸ケP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(duì)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(guò)該制備方案和相關(guān)耗材，可以看到IGBT樣品的截面形貌各層分界明顯、無(wú)明顯浮凸，可快速準(zhǔn)確的完成樣品尺寸測(cè)量及成分分析等。
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