基于X 射線光電子能譜的絕緣柵雙極型晶體管失效分析

章小余 ，趙志娟 ，劉 芬 ，徐 鵬 ，屈寶龍

（1.中國科學院化學研究所， 北京 100190；2.國家納米科學研究中心， 北京 100190）

絕緣柵雙極晶體管（IGBT）模塊是電力電子領域常用的主要功率器件之一，它具有開關速度快、驅動功率低、輸入電阻高、控制電路簡單和耐壓能力強等一系列優(yōu)點，能夠為我國的節(jié)能減排貢獻一份力量[1-3]，廣泛應用于電力行業(yè)、傳統(tǒng)和新興消費電子、電動汽車、高鐵動車等市場前景廣闊的領域[4-5].據統(tǒng)計研究表明[6-7]，在長期運作過程中暴露在復雜環(huán)境下的IGBT 是失效率最高的器件之一，因此其可靠性往往會影響整個電力電子系統(tǒng)的效率、能耗和成本[8].隨著我國高新技術以及微電子產業(yè)的快速發(fā)展，對相關電子器件的環(huán)境失效分析與評估是電子行業(yè)領域研究器件可靠性的關鍵問題，可以為實際應用過程中盡可能規(guī)避失效工況，或者盡力降低失效發(fā)生的可能性[9]提供科學的指導.

X射線光電子能譜（XPS）是一種無損表面檢測方法，作為表面科學領域中應用最廣泛也是最有效的一種分析技術[10]，可以從納米尺度研究材料表面元素的組成、分布及化學結構.XPS 對分析電子元器件表面的失效機制具有不可替代的優(yōu)勢，尤其是現(xiàn)代高性能的電子能譜儀可在微米級分析區(qū)域獲得較高的靈敏度，能夠為微電子行業(yè)領域快速評價早期失效電子器件提供重要的科學依據.

國內某公司生產的IGBT 模塊在廠房使用一段時間后由于過電壓擊穿無法使用，導致整個系統(tǒng)不能正常工作.為查找故障原因，避免由此出現(xiàn)安全事故，將封裝的聚苯硫醚（PPS）工程塑料外殼拆開，并去除封裝的透明硅橡膠，發(fā)現(xiàn)模塊的陶瓷材料部分區(qū)域存在黑色枝狀物，為了確定該黑色枝狀物的組成，本文采用XPS 對其進行小面積分析.

圖1 故障器件拆封后的實物圖(紅色標注區(qū)為XPS 測試區(qū)域，其中右下角為放大的區(qū)域圖示)Fig.1 Photos of faulty component after unpacking (The red marked region is XPS analysis area, with an enlarged illustration in the lower right corner)

圖2 三個測試區(qū)域的光學像(a)區(qū)域①，(b)區(qū)域②，(c)區(qū)域③Fig.2 Optical images of three analysis areas(a) area ①, (b) area ②, (c) area ③

1 試驗部分

1.1 儀器及測試條件

測試所用儀器為 ThermoFisher Scientific NEXSA 型號X射線光電子能譜儀，數據采集及處理使用儀器自帶的Avantage 軟件.測試所用激發(fā)源為單色化的Al Kα（1 486.6 eV）X射線，分析室真空為8×10?7Pa，采用standard 模式進行測試（分析面積300 μm×300 μm）.采譜時X射線功率72 W（電壓12 kV，電流6 mA），全譜通能100 eV，步長1.0 eV，窄譜通能40 eV，步長0.05 eV.所有樣品測試前手動聚焦到最佳Z值，儀器接地，使用同一荷電中和參數.

1.2 XPS 測試過程

將出現(xiàn)故障的器件外殼拆開并去除封裝的硅橡膠，實物如圖1 所示，IGBT 模塊包括芯片、陶瓷直接覆銅基板、焊料層、鍵合引線等，通過回流焊等互連方法將所有組件焊接在3 mm 厚的不銹鋼底板上，整體模塊尺寸（長寬高）為105 mm×60 mm×10 mm， 這個尺寸比較特殊且模塊不易切割，無法直接使用一些通用表征儀器，如XPS、掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線衍射（XRD）進行測試.根據調研，本試驗所用NEXSA 型號X射線光電子能譜儀最大測試樣品尺寸為60 mm×60 mm，適宜的樣品厚度為0～20 mm，小面積分析束斑尺寸在10～400 μm 連續(xù)可調且具有較高的靈敏度，因此對于此類大尺寸/不規(guī)則樣品的小面積分析具有很大的優(yōu)勢.具體測試過程如下：將簡單處理后的模塊粘貼到NEXSA 能譜儀樣品臺上，送入進樣室預抽真空，待真空達到約10?6Pa 后送入分析室進行XPS 測試，分別測試了區(qū)域①黑色枝狀物、區(qū)域②黑色枝狀物臨近空白區(qū)域和區(qū)域③遠離黑色枝狀物的空白區(qū)域（具體測試區(qū)域見圖1 標注）.借助NEXSA 型能譜儀分析室內配置的同軸相機（through-the-lens，TTL）和高度設置的相機，獲得整個樣品臺表面清晰的光學視圖，快速定位至目標區(qū)域，對應測試區(qū)域的光學圖像如圖2 所示，可以清晰地看到在模塊陶瓷材料上形成的黑色枝狀物形貌.

2 結果與討論

根據圖3 中測試的XPS 全譜圖可知，區(qū)域①、區(qū)域②和區(qū)域③所含元素相同，均包含元素Cu/Sn/S/C/O/Si/Al.相比空白區(qū)域（區(qū)域②和區(qū)域③），黑色枝狀物區(qū)域（區(qū)域①）中Cu 與S 元素的光電子峰更強，并且區(qū)域①與區(qū)域②所含的Sn 元素光電子峰也更強.由圖3 定性分析可見，各區(qū)域中主要成分為絕緣的陶瓷材料，Si2p 結合能位于102.5 eV，Al2p 結合能位于74.6 eV，對應于含Si 和Al 的氧化物.對三個區(qū)域測得的XPS 高分辨譜圖進行定量分析，定量結果如表1 所列.其中區(qū)域①Cu 和S 含量較高，結合圖4（a）（b）中XPS 高分辨譜圖的分峰擬合結果可知，該區(qū)域含有更多的金屬硫化物（S2p 結合能位于162.1 eV）和硫酸鹽（S2p 結合能位于168.2 eV），Cu 元素以+2 價（Cu2p 結合能位于934.9 eV，伴有明顯的shake-up 峰）和+1 價（Cu2p結合能位于932.8 eV）的離子形式存在.而區(qū)域②和區(qū)域③Cu 和S 含量相對較低，主要以硫酸鹽的形式存在，而Cu 元素以+1 價（Cu2p 結合能位于932.8 eV）為主，少量+2 價的離子形式存在[圖4（c）～（f）].從器件結構來看，Sn 和Cu 主要來自于器件中鍍錫層和銅材料.

表1 三個測試區(qū)域中各元素相對百分含量Table 1 Relative percentage of each elements in three analysis areas /%

圖3 三個測試區(qū)域的XPS 全譜圖Fig.3 XPS survey spectra in three analysis areas

圖4 Cu2p 和S2p 的高分辨XPS 譜圖(a) (b)區(qū)域①，(c) (d)區(qū)域②，(e) (f)區(qū)域③Fig.4 High-resolution XPS spectra of Cu2p & S2p(a) (b) area ①, (c) (d) area ②, (e) (f) area ③

試驗進一步對封裝電路板表面的硅橡膠進行XPS 測試，從圖5 的XPS 全譜及S2p 高分辨譜圖分析，硅橡膠包含C/O/Si 三種元素，并未測出S 元素信號.XPS 定量結果顯示：硅膠中的C∶Si∶O 相對原子數之比近似為2∶1∶1，與IGBT 器件中常用的封裝材料聚二甲基硅氧烷（PDMS）化學結構一致.

圖5 硅橡膠的XPS 全譜圖及S2p 高分辨譜圖Fig.5 XPS survey spectrum and S2p high-resolution spectrum of silicone rubber

利用XPS 方法對環(huán)境失效的電子器件IGBT模塊進行小面積檢測，綜合XPS 測試結果分析，電路板的空白區(qū)域（區(qū)域②和③）含有少量的Cu+，SO42-，可能來自于器件使用環(huán)境中一些含硫污染物導致的輕微腐蝕.而黑色枝狀物區(qū)域（區(qū)域①）含有更多的金屬硫化物和硫酸鹽，其中Cu 元素以+2和+1 價的離子存在，表明腐蝕污染加劇形成了黑色枝狀物（可能為CuS，具有導電性），從而導致該器件使用中出現(xiàn)過電壓被擊穿而無法正常使用的現(xiàn)象.分析認為，硫的來源主要是環(huán)境中存在氣態(tài)空氣污染物（如SO2、H2S），也可能來自于器件生產過程中常用的包裝膠袋、PCB 板、塑料、泡沫等.環(huán)境中釋放的含硫污染物與潮濕空氣作用會生成H2SO4等酸性物質，在長期帶電工作環(huán)境下產生器件腐蝕，從而導致電子模塊短路失效.

封裝電路板使用的PDMS 硅橡膠具有發(fā)達的微孔結構，且具有透濕透氧的特性，對空氣中含硫物質和水分有較強的吸附，最終穿透硅橡膠分子間隙，在高濕高硫環(huán)境下造成電路板表面局部腐蝕，形成我們所看到的黑色枝狀物.

3 結論

由于銅具有良好的導電、導熱性能，是電子元器件電路板上常用的金屬材料.在電子器件運作的工況環(huán)境下，銅與環(huán)境中的含硫物質很容易反應生成金屬硫化物和硫酸鹽等腐蝕性物質，從而導致電路板局部腐蝕發(fā)生過電壓應力失效而被擊穿，器件故障使得整個系統(tǒng)無法正常使用，帶來嚴重的經濟損失或安全事故，應引起足夠重視.因此，為保證和提高微電子行業(yè)領域中器件的穩(wěn)定性和可靠性，電子元器件在設計、生產、原材料以及使用環(huán)境等環(huán)節(jié)必須采取必要的早期防硫措施.比如：（1）器件完全密封，防止有害氣體進入.（2）封裝時使用環(huán)氧樹脂等分子間隙小、氣密性好、抗硫化能力高的材料替代硅橡膠材料.（3）杜絕或者減少器件生產過程原材料和輔料中含硫物.（4）加強空氣凈化，避免器件所接觸環(huán)境的含硫污染.