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车规级功率器件之显微分析样品制备

发布：普锐斯（上海）贸易有限公司

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1.背景介绍

? 绝缘栅双极晶体管 (IGBT)，是近年来高速发展的，复合全控型电压驱动式功率半导体器件。由于其所具有的电压控制功耗低，电路控制简单，电压和电流处理能力高等特性，使得IGBT产品在包含电动汽车在内的高压大电流应用场景中表现出色。

? IGBT模块主要由以下几个部分组成：IGBT芯片、键合导线、封装结构（基板、散热、硅凝胶等）、驱动与保护电路。用途是将芯片、功率端子、控制端子以及DBC连接起来。

? DBC (Direct Bond Copper) 直接覆铜基板，中间为陶瓷绝缘层，上下为覆铜层。DBC常用的陶瓷绝缘材料为氧化铝 (Al2O3) 和氮化铝 (AlN)。铜层正面刻蚀出电流图形，背面焊接在散热基板上。

? 散热基板位于IGBT模块最底层，可将IGBT开关过程中产生的热量快速传递出去。由于铜的导热效果比较好，因此基板通常是用铜制成的。其它的基板材料还有碳化硅铝 (AlSiC)。

? 随着对功率器件更高效率、更低功耗、更小尺寸、更强可靠性的需求，SiC MOSFET作为典型的宽禁带半导体功率器件，已越来越多的进入车规应用场景。相对于Si基IGBT，SiC MOSFET在耐高压，耐高温，开关速度快，导热率高，导通电阻低等方面具有优势，被认为是电动汽车功率器件未来的发展方向之一。

? 除重量及体积优势外，SiC模块封装结构与IGBT相似。但若要替代Si基IGBT，尚需解决原材料成本、产能、生产良率等诸多挑战。

2.显微分析样品制备

? 对于Si基IGBT和SiC MOSFET功率器件的显微分析目的，主要是对不同材料界面的观察，如DBC层中铜与陶瓷的IMC（金属间化合物），芯片与相邻焊接层界面等。各构成材料之间可能存在的硬度差，不良的样品制备工艺，将导致产生浮凸、分层、碎裂、孔洞、异物、划痕等缺陷，为在光镜和电镜下获得完整、真实、准确的样品工作面信息带来挑战。选择合适的制样设备、耗材和工艺，对于后续的显微分析至关重要。

? MECATOME T215精密切割机所独具的多种切割方式组合，配合PRESI – 法国普锐斯专业的切割片选择（切削颗粒、粘接方式、分布浓度、切割片厚度等）可保证实现有效切割。切割效率高，切割面平整，切割损伤小，非常适合功率器件的取样切割。

? 3500 PREMIUM金刚石线切割机适用于未封装、相对小型的芯片样品的精密切割。除了具有切割精度高，切割损伤小的特点，可以选用线径更细、颗粒更小的金刚石线，进一步避免芯片中产生深度方向的裂纹，并极大降低切割损耗。

? 对于未封装的芯片样品，在切割前进行冷镶嵌，有助于保护样品表面，方便样品夹持，对于芯片切割面附近的崩边碎裂问题有明显改善。

? 在机械磨抛的过程中，样品不同硬度的材料之间容易出现高度差，影响制备、观察和测量。

? 陶瓷基板，SiC芯片难以产生有效去除。铜、锡、银等金属容易产生浮凸、变形、嵌入等问题。

? 可采用树脂基金刚石磨盘对功率器件样品进行研磨，工作效率高（可节约40%的时间），可以兼顾非金属和金属材料的有效去除，获得极佳的样品工作面平整度和表面质量。

? 可采用丝织抛光布TOP和醋酸纤维丝缎抛光布RAM，搭配对应的多晶金刚石悬浮液进行抛光，工作面平整度高，丝织物较低的摩擦力也避免了金属材料可能出现的塑性流变问题。

? 可采用短绒抛光布RFI搭配氧化物抛光液进行最终抛光，时间不宜过长，以免放大界面处的高度差。若增加1微米金刚石进行抛光，可缩短氧化物抛光时间，工作面平整度和质量更佳。

? 氧化铝抛光液可提供更佳的平整度，弱碱性的二氧化硅抛光液可使得IMC层更容易显现。

? 自动磨抛机的夹具和磨盘采用同向旋转，样品与制备表面相对运动较小，工作面平整度更高。

? 如需简化制备工艺，对于精密切割后的样品，可省略粗磨（第1步）和粗抛（第3步）的步骤。

? 对于SiC MOSFET，需根据SiC芯片的表面质量，适当增加精抛（第4步）的工作时间。

通过选用合适的制备工艺，可以获得清晰，真实的样品表面，从而为后续样品分析提供准确可靠的数据。

END

PRESI-法国普锐斯

PRESI–法国普锐斯是专业从事生产固态材料显微组织分析试样制备设备的世界领导者。公司自1961年在法国成立以来，在继承了欧洲先进制造技术的同时，凭借其强大的技术研发能力、稳定可靠的质量以及全面的用户服务，始终处于该专业领域的领先地位。

PRESI中国普锐斯中国于2010年在上海成立，并已经建立了完善的销售，应用支持，售后服务和商务平台。其中包括在上海、香港、南京、成都、北京，厦门，沈阳等地的办事机构，和在华东和华南地区的应用支持实验室。具有在材料制备领域多年从业资历的中国团队正协同全球PRESI资源，为您提供全面的实验室解决方案。

PRESI–法国普锐斯为您提供：

1.精密，砂轮切割设备及其所有附件和耗材；

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2024-08-27

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