CN114371184A - 一种对igbt芯片键合区域微结构演化表征方法 - Google Patents

一种对igbt芯片键合区域微结构演化表征方法 Download PDF

Info

Publication number
CN114371184A
CN114371184A CN202210041222.2A CN202210041222A CN114371184A CN 114371184 A CN114371184 A CN 114371184A CN 202210041222 A CN202210041222 A CN 202210041222A CN 114371184 A CN114371184 A CN 114371184A
Authority
CN
China
Prior art keywords
sample
etching
target area
bonding region
clamp
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202210041222.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114371184B (zh
Inventor
安彤
陈晓萱
秦飞
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beijing University of Technology
Original Assignee
Beijing University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beijing University of Technology filed Critical Beijing University of Technology
Priority to CN202210041222.2A priority Critical patent/CN114371184B/zh
Publication of CN114371184A publication Critical patent/CN114371184A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114371184B publication Critical patent/CN114371184B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N23/00—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00
    • G01N23/20—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by using diffraction of the radiation by the materials, e.g. for investigating crystal structure; by using scattering of the radiation by the materials, e.g. for investigating non-crystalline materials; by using reflection of the radiation by the materials
    • G01N23/203—Measuring back scattering
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N23/00—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00
    • G01N23/20—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by using diffraction of the radiation by the materials, e.g. for investigating crystal structure; by using scattering of the radiation by the materials, e.g. for investigating non-crystalline materials; by using reflection of the radiation by the materials
    • G01N23/20008—Constructional details of analysers, e.g. characterised by X-ray source, detector or optical system; Accessories therefor; Preparing specimens therefor
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N23/00—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00
    • G01N23/22—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by measuring secondary emission from the material
    • G01N23/2202—Preparing specimens therefor
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N23/00—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00
    • G01N23/22—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by measuring secondary emission from the material
    • G01N23/2206—Combination of two or more measurements, at least one measurement being that of secondary emission, e.g. combination of secondary electron [SE] measurement and back-scattered electron [BSE] measurement
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N23/00—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00
    • G01N23/22—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by measuring secondary emission from the material
    • G01N23/225—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by measuring secondary emission from the material using electron or ion
    • G01N23/2251—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by measuring secondary emission from the material using electron or ion using incident electron beams, e.g. scanning electron microscopy [SEM]

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Sampling And Sample Adjustment (AREA)

Abstract

本发明公开一种对IGBT芯片键合区域微结构演化表征方法，S1、获取样品：对IGBT模块进行预处理获取样品；S2、待刻蚀样品：将样品安装在自动磨抛夹具上，随后打磨样品获取待刻蚀样品；S3、获取刻蚀后待表征样品：确定刻蚀后待表征样品的目标区域。本发明采用聚焦离子束对键合区域进行刻蚀的方法进行制样，从而提高EBSD采集效率以及获得无漂移拉伸的EBSD图像，有效表征了键合区域微结构，同时避免了传统试样制备方法中因环氧树脂无导电性以及减少了器件中裸露的金属部分而导致的拍摄时信号漂移、图像失真等问题。此外，通过设置自动磨抛夹具对样品进行固定，提高磨抛后的样品表面平整度及表面整洁效果。

Description

一种对IGBT芯片键合区域微结构演化表征方法
技术领域
本发明涉及材料微观结构表征技术领域，特别是涉及一种对IGBT芯片键合区域微结构演化表征方法。
背景技术
随着电力电子行业的发展，IGBT模块作为实现电能控制和转换的核心功率器件，目前已广泛应用于各类场合。但是在服役过程中，IGBT芯片常承受着热应力的反复冲击，尤其是键合线与Al金属化层的键合区域，会发生微结构演化，致使其电性能退化，最终导致IGBT模块发生失效。因此为了更好的提高IGBT模块的服役可靠性，对于研究IGBT芯片键合区域微结构的演化尤为重要。
现有的对芯片样品的制样方法，采用的是混合树脂进行镶样的方法。然而由于在混合树脂的过程中搅拌不够充分，样品中存在大量的气泡以及样品在磨抛过程中人为很难控制试样表面平整及表面整洁，这成为目前此类试样制备过程中的难题。同时，环氧树脂的使用使器件中裸露的金属部分减少，这会导致样品的导电性大幅降低，从而导致图像失真。磨抛过程中投入的人工成本也是不可忽视的因素。
目前，对芯片失效机理和损伤演化规律的研究有多种方法，但对于不透明的IGBT芯片而言，其微结构的三维形态难以直接观测。大多数的非破坏的无损检测手段因分辨率较低、检测深度有限、使用范围小、成本高等原因不适用于试样。因此以连续切片为主的破坏性的方法，是目前获取IGBT芯片微结构和损伤形貌的最佳方法。扫描电镜聚焦离子束(SEM-FIB)双束系统与电子背散射衍射(EBSD)有效结合可使研究人员对材料的损伤形貌及取向等微结构信息进行表征。
发明内容
本发明的目的是提供一种对IGBT芯片键合区域微结构演化表征方法，以解决上述现有技术存在的问题，能够采用聚焦离子束对键合区域进行刻蚀的方法进行制样，从而提高EBSD采集效率以及获得无漂移拉伸的EBSD图像，有效表征了键合区域微结构，同时避免了传统试样制备方法中因环氧树脂无导电性以及同时减少了器件中裸露的金属部分而导致的拍摄时信号漂移、图像失真等问题。此外，通过设置自动磨抛夹具对样品进行固定，提高磨抛后的样品表面平整度及表面整洁效果。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种对IGBT芯片键合区域微结构演化表征方法，
S1、获取样品：对IGBT模块进行预处理获取样品；
S2、获取待刻蚀样品：将所述样品安装在自动磨抛夹具上，随后打磨所述样品获取待刻蚀样品；
S3、获取刻蚀后待表征样品：确定待刻蚀样品的目标区域，对目标区域进行刻蚀获取刻蚀后待表征样品；
S4、获取刻蚀后待表征样品图像：扫描刻蚀后待表征样品，获取刻蚀后待表征样品的若干二维大范围高分辨截面图像，扫描刻蚀后待表征样品的目标区域，获取目标区域EBSD图像。
优选的，步骤S1中，去除所述IGBT模块的外壳和盖板，将所述IGBT模块置于硅胶去除剂内，去除所述IGBT模块表面硅胶后清洗所述IGBT模块表面残留硅胶，并对去除表面硅胶的所述IGBT模块进行烘干。
优选的，步骤S2中，通过磨抛机对所述样品进行打磨，所述自动磨抛夹具包括用于固定的底座吸盘，所述底座吸盘上设置有可调节角度的卡接件，所述卡接件上固定有夹具传动轴，所述夹具传动轴远离所述卡接件的一端可拆卸连接有芯片夹具，所述夹具传动轴顶端设置有用于提供重力的重力件。
优选的，所述卡接件包括与所述底座吸盘顶端可拆卸连接的夹具转动杆，所述夹具转动杆顶端可拆卸连接有下钳口，所述下钳口远离所述夹具转动杆的一侧可拆卸连接有上钳口，所述上钳口和所述下钳口配合固定所述夹具传动轴。
优选的，所述芯片夹具包括夹具块，所述夹具块远离所述夹具传动轴的一侧可拆卸连接有夹板，所述样品位于所述夹具块与所述夹板之间，且所述样品通过所述夹具块和所述夹板固定。
优选的，所述夹具块侧壁开设有若干通孔，所述通孔位于所述夹具块远离所述夹板和所述夹具传动轴的侧面上，所述夹具块两侧分别设置有激光发射器和激光接收器，所述激光接收器通过所述通孔接收所述激光发射器的发射激光，所述激光接收器与所述磨抛机电性连接。
优选的，所述重力件包括与所述夹具传动轴顶端固接的插杆，所述插杆上穿设有砝码。
优选的，步骤S3中，确定待刻蚀样品的目标区域后，向所述目标区域的表层沉积Pt薄层，随后对目标区域进行刻蚀。
优选的，步骤S3中，对目标区域进行初步刻蚀，去除大部分块状材料，随后刻蚀去除目标区域周边材料，最后对目标区域的成像面进行刻蚀，去除所述初步刻蚀再沉积痕迹。
优选的，步骤S2-步骤S4中，使用电镜聚焦离子术双束系统对目标区域进行刻蚀和获取若干二维大范围高分辨截面图像，使用EBSD探头获取目标区域EBSD图像。
本发明公开了以下技术效果：
1.将样品以特定角度安装在自动磨抛夹具上，并对样品施加恒定的压力位移约束，实现各个磨抛过程中，磨抛的痕迹自主去除，结合多段磨抛以增强磨抛效果，进一步降低待刻蚀样品截面的粗糙度，解决了现有带刻蚀后待表征样品制备过程中磨抛效果差、人工时间成本高等问题。
2.采用聚焦离子束对待刻蚀样品进行刻蚀，从而获取刻蚀后待表征样品，该过程可提高获取EBSD图像的效率，有效表征键合区域微结构；同时将目标区域的周边剔除以避免遮挡目标区域的图像采集。
3.避免了传统试样制备方法中因环氧树脂无导电性以及同时减少了器件中裸露的金属部分而导致的拍摄时信号漂移、图像失真等问题。
4.在选定的目标区域上刻蚀出切片定位标记和拍照定位标记；进而可以在每次切片和拍摄前，先扫描定位标记进行定位，从而使切片位置和拍摄位置更加精确，由此可以精确获得芯片键合区域的损伤形貌。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为自动磨抛夹具的立体图；
图2为夹具转动杆与底座吸盘连接关系的立体图；
图3为下钳口和上钳口连接关系示意图；
图4为芯片夹具的立体图；
图5为激光发射器和激光接收器位置关系示意图；
图6为EBSD采集的样品表征方法示意图
图7为聚焦离子束连续切片的样品表征方法示意图
图8为实施例1中样品夹持方式的示意图；
图9为实施例2中样品夹持方式的示意图；
图10为获取样品的流程图；
图11为重构三维结构的流程图；
图12为夹具块与通孔位置关系示意图；
其中，1-磨抛机，2-底座吸盘，3-夹具转动杆，4-下钳口，5-上钳口，6-夹具传动轴，7-夹具块，8-夹板，9-通孔，10-激光发射器，11-激光接收器，12-插杆，13-砝码，14-吸盘开关，15-螺杆，16-螺母，17-夹具底座，18-垫片，19-紧固螺栓，20-软橡胶垫圈，21-内六角螺栓。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
本发明提供一种对IGBT芯片键合区域微结构演化表征方法，
S1、获取样品：对IGBT模块进行预处理获取样品。拆解现有的IGBT模块，并对IGBT模块进行处理，去除IGBT模块上与试验无关的结构，并对IGBT模块进行表面处理，以便于下一操作步骤的进行。
本发明的一个具体实施方式中，IGBT模块型号为BOG450H12E2，功率等级为1200V/450A，片尺寸为150mm×60mm×17mm。
S2、获取待刻蚀样品：将样品安装在自动磨抛夹具上，随后打磨样品获取待刻蚀样品。调节自动磨抛夹具，将样品固定在自动磨抛夹具上，使得样品相对于磨抛平面倾斜设置，且通过调节自动磨抛夹具，使得样品倾斜角度达到预定值。通过对样品进行多段磨抛处理，从而使得样品初步获得特定角度的完成平整截面。
本发明的一个实施例中，对样品首先进行磨抛处理，其磨抛步骤包括：
a、粗磨工序：分别采用目数为400#、600#、800#的SiC砂纸配合磨抛机1的磨盘以顺时针同向且转速为250rad/min-300rad/min的相对转动形式对样品进行研磨，同时使用去离子水作为研磨液冲刷研磨过程产生的残渣，每研磨1mm，磨抛机1会自动制动，同时更换不同目数的砂纸，待样品表面粗糙度Ra:20μm-30μm,即可停止研磨。
b、精磨工序：完成步骤a后，分别采用目数为1000#、1200#、1500#的SiC砂纸配合磨抛机1的磨盘以同向且转速为350rad/min-400rad/min的相对转动形式对经过粗磨工序的样品进行研磨，同时使用去离子水作为研磨液冲刷研磨过程产生的残渣，得到样品待抛件。
待磨抛处理结束后，对得到的样品待抛件进行抛光处理，其抛光步骤包括：
c、粗抛工序：完成步骤b后，分别采用1μm、0.5μm的抛光剂作为研磨液配合带有抛光布的磨盘以同向且转速为100rad/min-150rad/min的相对转动形式对得到的样品待抛件进行抛光处理，同时使用去离子水冲刷样品表面残留的抛光剂，形成表面粗糙度Ra:0.5μm-1μm的样品截面。
d、精抛工序：完成步骤c后，分别采用0.1μm、0.05μm的抛光液作为研磨液配合带有抛光布的磨盘以同向且转速为100-150rad/min的相对转动，对经过粗抛工序的样品进行抛光处理。
e、获取待刻蚀样品：完成步骤d后，使用去离子水对样品表面残留的抛光液进行清理，根据实际使用需要对样品进行烘干，以得到截面表面平整且无明显纹理的待刻蚀样品。
为清楚地说明多段磨抛工序，下表1列出本实施例中磨抛过程的所述参数：
表1实施例1磨抛参数
Figure BDA0003470301100000081
S3、获取刻蚀后待表征样品：确定待刻蚀样品的目标区域，对目标区域进行刻蚀获取刻蚀后待表征样品。样品磨抛完毕后得到的待刻蚀样品，将待刻蚀样品转移至电镜聚焦离子束(SEM-FIB)双束系统的仓体内，并利用聚焦离子束对目标区域进行初步刻蚀，再将目标区域的周边剔除，随后对目标区域进行精细刻蚀。
S4、获取刻蚀后待表征样品图像：扫描刻蚀后待表征样品，获取刻蚀后待表征样品的若干二维大范围高分辨截面图像，扫描刻蚀后待表征样品的目标区域，获取目标区域EBSD图像。扫描刻蚀后待表征样品，获取若干二维大范围高分辨截面图像，将在电镜聚焦离子束(SEM-FIB)双束系统中的刻蚀后待表征样品由电镜聚焦离子束(SEM-FIB)双束系统取出，并转移至配有EBSD附件的扫描电镜系统中，以采集刻蚀后待表征样品的采集EBSD图像。
本发明的一个实施例中，采用电镜聚焦离子束(SEM-FIB)双束系统对待刻蚀样品进行刻蚀和获取刻蚀后待表征样品的若干二维大范围高分辨截面图像，当获得刻蚀后待表征样品后，对电镜聚焦离子束(SEM-FIB)双束系统中的探头进行切换，以使其既可以对待刻蚀样品进行刻蚀，又可以对刻蚀后待表征样品进行图像获取。
进一步优化方案，步骤S1中，去除IGBT模块的外壳和盖板，将IGBT模块置于硅胶去除剂内，去除IGBT模块表面硅胶后清洗IGBT模块表面残留硅胶，并对去除表面硅胶的IGBT模块进行烘干。采用机械去除的方法对IGBT模块进行开盖处理，以去除IGBT模块上的外壳和盖板，同时相应的去除IGBT模块外部连接端子等结构，将拆解完毕的IGBT模块放入与其匹配的防腐器皿中，并向防腐器皿中加入硅胶去除剂，以对IGBT模块表面硅胶进行去除，待IGBT模块表面硅胶去除完毕后，冲洗残留硅胶去除剂并烘干分割为单枚样品。
本发明的一个实施例中，去除IGBT模块上的表面硅胶后，将IGBT模块放入加热台(图中未示出)中，通过加热台提供高温将与IGBT模块连接的铜基板去除。
上述实施例中，加热台预设温度优选但不限于380°，其加热时间优选但不限于20s，以熔化IGBT模块与铜基板之间的焊料层为优选。
本发明的一个实施例中，硅胶去除剂可以为K770-3硅胶表面去除剂，IGBT模块在硅胶去除剂内浸泡时间优选48h。
本发明的一个实施例中，使用离子水冲洗IGBT模块表面残留硅胶去除剂。
本发明的一个实施例中，将冲洗完毕的IGBT模块放入烘干箱内进行烘干，烘干温度优选45°，烘干时间优选2h。
本发明的一个实施例中，将烘干完毕的IGBT模块通过低速金相切割机分割为单枚试样，以便于后续制样观测。
本发明的一个实施例中，将分割得到的单枚试样放入盛有丙酮的烧杯中，并将烧杯放入超声波清洗剂内，对单枚试样清洗20min-30min，从而去除单枚试样表面油污，对单枚试样进行温度45°，2h烘干后，最终得到样品。
进一步优化方案，步骤S2中，通过磨抛机1对样品进行打磨，自动磨抛夹具包括用于固定的底座吸盘2，底座吸盘2上设置有可调节角度的卡接件，卡接件上固定有夹具传动轴6，夹具传动轴6远离卡接件的一端可拆卸连接有芯片夹具，夹具传动轴6顶端设置有用于提供重力的重力件。底座吸盘2起到支撑作用，而夹具转动杆3具有调节角度的效果，卡接件可改变夹持位置，因此夹具传动轴6和芯片夹具可调节角度，从而使得样品的角度可调节。而重力件的作用是在对样品进行磨抛过程中以重力加压的方式对芯片夹具上的样品加压，从而实现对样品的自动磨抛。
本发明的一个实施例中，样品与磨抛平面角度呈78°-80°。在卡接件的作用下，使得样品具有一定的倾斜角度，以便于更好的进行EBSD图像采集。
本发明的一个实施例中，底座吸盘2位于磨抛机1的工作台上，底座吸盘2底部为空腔，且底座吸盘2上设置有吸盘开关14，当吸盘开关14启动时，底座吸盘2内的空气被排出，因此使得底座吸盘2可以固定在磨抛机1的工作台上。
本发明的一个实施例中，夹具传动轴6为梯台型结构，夹具传动轴6靠近芯片夹具的一侧的直径小于夹具传动轴6靠近卡接件的直径。在对样品进行磨抛过程中可以防止夹具传动轴6触碰到磨抛机1的磨盘，从而影响样品的磨抛效果，同时可以减小夹具传动轴6的直径，为样品磨抛提供较大的加工空间。
进一步优化方案，卡接件包括与底座吸盘2顶端可拆卸连接的夹具转动杆3，夹具转动杆3顶端可拆卸连接有下钳口4，下钳口4远离夹具转动杆3的一侧可拆卸连接有上钳口5，上钳口5和下钳口4配合固定夹具传动轴6。底座吸盘2通过夹具底座17与夹具转动杆3连接，夹具转动杆3为T型结构，在夹具底座17上穿设有螺杆15，螺杆15与夹具底座17螺纹连接，螺杆15的一端螺纹连接有螺母16，螺母16与夹具底座17外壁抵接，螺杆15穿设夹具转动杆3，且螺杆15与夹具转动杆3转动连接。通过螺杆15和螺母16配合，当螺杆15与螺母16锁紧时，使得夹具转动杆3固定，当需要调节夹具转动杆3的角度时，仅需要解除螺杆15与螺母16的锁定即可。而下钳口4和上钳口5配合，可以对夹具传动轴6进行固定。
本发明的一个实施例中，夹具转动杆3与夹具底座17之间设置有垫片18，垫片18可以用于机械密封以及减小压力，使得夹具转动杆3可以较为容易的进行固定。
本发明的一个实施例中，下钳口4与夹具转动杆3螺纹连接，下钳口4和下钳口4通过紧固螺栓19进行定位连接，且在下钳口4和下钳口4的内壁上设置有软橡胶垫圈20。通过调节紧固螺栓19的预紧力可以调节对夹具传动轴6的夹持尺寸，而软橡胶垫圈20的存在可以对夹具传动轴6进行保护。
进一步优化方案，芯片夹具包括夹具块7，夹具块7远离夹具传动轴6的一侧可拆卸连接有夹板8，样品位于夹具块7与夹板8之间，且样品通过夹具块7和夹板8固定。夹具块7可夹板8上开设有相匹配的螺孔，螺孔内螺纹连接有内六角螺栓21，内六角螺栓21优选设置有两个，两内六角螺栓21分别位于样品两侧，以起到连接夹具块7与夹板8的作用。
进一步优化方案，夹具块7侧壁开设有若干通孔9，通孔9位于夹具块7远离夹板8和夹具传动轴6的侧面上，夹具块7两侧分别设置有激光发射器10和激光接收器11，激光接收器11通过通孔9接收激光发射器10的发射激光，激光接收器11与磨抛机1电性连接。由于研磨过程中样品的进给量需十分精确，不宜过大，所以芯片夹具上设有刻度线以及每个刻度相对应的通孔9，将激光传感器中的激光发射器10对准刻度为0的通孔9，大面积激光接收器11放置在可以接收到激光的位置，激光接收器11与磨抛机1的电磁阀开关连接，用于控制磨抛机1的开断，即可实现磨抛机1自动控制间歇进给量，每磨抛1mm,磨抛机1会自动关断。
如图12所示，通孔9开设在夹具块7上，而多个通孔9的长度不同，可以将通孔9作为刻度使用，而相邻两通孔9之间的距离为1mm，以使得磨抛机1自动控制间隙进给量。
进一步优化方案，重力件包括与夹具传动轴6顶端固接的插杆12，插杆12上穿设有砝码13。设置插杆12的目的是便于安装砝码13，从而以重力作用始终对样品施加恒定的压力位移约束，从而提高对样品的磨抛效果。
进一步优化方案，步骤S3中，确定待刻蚀样品的目标区域后，向目标区域的表层沉积Pt薄层，随后对目标区域进行刻蚀。使用离子束在目标区域的表面沉积一薄层Pt，从而防止成像面上有遮挡阴影。
进一步优化方案，步骤S3中，对目标区域进行初步刻蚀，去除大部分块状材料，随后刻蚀去除目标区域周边材料，最后对目标区域的成像面进行刻蚀，去除初步刻蚀再沉积痕迹。
本发明的一个具体实施例中，处理过后的待刻蚀样品转移至电镜聚焦离子束(SEM-FIB)双束系统仓体内，然后将样品倾斜52°，使能量为30KeV的聚焦离子束垂直于样品表面进行切割，同时使用SEM对制备过程进行检测。
对目标区域进行初步刻蚀时，优选采用电压30kV、电流65nA的强离子束对选定的目标区域进行初步刻蚀加工，尽可能在较短的时间内去除大部分块状材料，刻蚀区域为长方形，尺寸为50μm×20μm。
去除目标区域周边材料时，优选采用电压30kV、电流13nA的聚焦离子束将目标区域周边剔除，以避免遮挡EBSD信号的采集。
对目标区域进行刻蚀时，优选使用电流9.3nA和2.5nA的弱离子束对成像面进行更精细的刻蚀，以去除之前刻蚀留下的再沉积痕迹。
进一步优化方案，步骤S2-步骤S4中，使用电镜聚焦离子术双束系统对目标区域进行刻蚀和获取若干二维大范围高分辨截面图像，使用EBSD探头获取目标区域EBSD图像。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于，步骤S2中，样品在自动磨抛夹具上的装夹方式不同，且本实施例中对损伤形貌进行表征，表面粗糙度无需达到EBSD采集的要求，所以可省略抛光工序，增加精磨工序即可，其实施步骤包括：
获取刻蚀后待表征样品切片图像：对刻蚀后待表征样品的目标区域连续切片，获取所有刻蚀后待表征样品切片的SEM图像。精磨工序完成后，利用聚焦离子束对刻蚀后待表征样品的目标区域进行连续切边，同时，在每次切片后使用SEM对每个截面进行检测。
其中，每个切片的厚度优选设置为50nm，其优选采集200张刻蚀后待表征样品切片图像，其刻蚀深度优选为10μm。
重构图像：使用三维重构软件重构得到目标区域的三维微结构。
具体的精磨工序二步骤如下：
经精磨工序一后，通过砝码13以重力形式对芯片夹具上的样品施加压力，分别采用目数为2000#、2200#、2500#的SiC砂纸配合磨盘以顺时针同向且转速为350rad/min-400rad/min的相对转动形式对样品进行研磨，同时使用去离子水作为研磨液冲刷研磨过程产生的残渣，得到待表征样品；
同样，为了更具体地描述多段磨抛工序，下表2也列出本实施例中磨抛过程的所述参数：
表2实施例2磨抛参数
Figure BDA0003470301100000151
Figure BDA0003470301100000161
本实施例表征过程与实施例1存在较大差异，所以表征过程还需具体描述，具体步骤包括：
(a)将上述步骤中处理过后的待表征样品转移至双束系统仓体内，同样地将样品倾斜52°，使能量为30KeV的聚焦离子束垂直于样品表面，在切片拍摄的目标区域选定某一位置，同时在目标区域表面沉积一薄层Pt，使用聚焦离子束刻蚀出参考图形标记为切片以及拍摄定位；
(b)在连续切片之前，采用电压30kV、电流9.3nA的离子束在目标区域的左、右、下三侧刻蚀出凹槽，深度为10μm为切片过程留出足够的空间，离子束扫描区域形状为三个矩形，尺寸分别为16μm×20μm、16μm×20μm、50μm×16μm，目标区域的尺寸则为40μm×20μm；
(c)将准备好的样品设置为与水平呈38°倾斜，使用聚焦离子束进行连续切片并采集SEM图像，每个切片的厚度设置为50nm，共采集200张SEM图像，刻蚀深度为10μm；
(d)将采集的SEM图像导入Mimics中进行重构，并进行修复完善模型，重构后可以表征键合区域的损伤形貌并且得到芯片键合区域的三维微结构。
其中，如图11所示，将得到的连续切片图像导入到三维重构软件Mimics进行提取；重构后的模型仍存大量的孔洞，需要导入Geomajic Wrap中进行一定的修复和光滑处理，得到服役后芯片键合区域三维显微结构，使用软件的任意截面位置剖切功能，详尽入微地了解键合区域内部的每个末端或细节,采用透明或半透明的方式展示缺陷的位置,并以不同颜色表征缺陷的大小，把芯片键合区域损伤形貌的三维空间分布情况清晰地呈现出来，方便以后的研究和分析；将精确重构后的三维结构在3-matic软件中进行网格划分，在将模型输出到第三方软件之前,还可以进一步优化模型的网格质量,从而使得后续的处理更加方便,快捷；对模型进行网格划分之后，输出STL等标准格式的数据文件,直接导入到Abaqus等有限元分析软件进行热机械性能分析，与服役前的参照物进行比较,得到数值或性能上的差异，为设计人员与工艺流程的制定者提供了有益的参考信息，并对键合区域的损伤形貌和微结构做出了全面、直观的显示。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种对IGBT芯片键合区域微结构演化表征方法，其特征在于，
S1、获取样品：对IGBT模块进行预处理获取样品；
S2、获取待刻蚀样品：将所述样品安装在自动磨抛夹具上，随后打磨所述样品获取待刻蚀样品；
S3、获取刻蚀后待表征样品：确定待刻蚀样品的目标区域，对目标区域进行刻蚀获取刻蚀后待表征样品；
S4、获取刻蚀后待表征样品图像：扫描刻蚀后待表征样品，获取刻蚀后待表征样品的若干二维大范围高分辨截面图像，扫描刻蚀后待表征样品的目标区域，获取目标区域EBSD图像。
2.根据权利要求1所述的对IGBT芯片键合区域微结构演化表征方法，其特征在于：步骤S1中，去除所述IGBT模块的外壳和盖板，将所述IGBT模块置于硅胶去除剂内，去除所述IGBT模块表面硅胶后清洗所述IGBT模块表面残留硅胶，并对去除表面硅胶的所述IGBT模块进行烘干。
3.根据权利要求1所述的对IGBT芯片键合区域微结构演化表征方法，其特征在于：步骤S2中，通过磨抛机(1)对所述样品进行打磨，所述自动磨抛夹具包括用于固定的底座吸盘(2)，所述底座吸盘(2)上设置有可调节角度的卡接件，所述卡接件上固定有夹具传动轴(6)，所述夹具传动轴(6)远离所述卡接件的一端可拆卸连接有芯片夹具，所述夹具传动轴(6)顶端设置有用于提供重力的重力件。
4.根据权利要求3所述的对IGBT芯片键合区域微结构演化表征方法，其特征在于：所述卡接件包括与所述底座吸盘(2)顶端可拆卸连接的夹具转动杆(3)，所述夹具转动杆(3)顶端可拆卸连接有下钳口(4)，所述下钳口(4)远离所述夹具转动杆(3)的一侧可拆卸连接有上钳口(5)，所述上钳口(5)和所述下钳口(4)配合固定所述夹具传动轴(6)。
5.根据权利要求3所述的对IGBT芯片键合区域微结构演化表征方法，其特征在于：所述芯片夹具包括夹具块(7)，所述夹具块(7)远离所述夹具传动轴(6)的一侧可拆卸连接有夹板(8)，所述样品位于所述夹具块(7)与所述夹板(8)之间，且所述样品通过所述夹具块(7)和所述夹板(8)固定。
6.根据权利要求5所述的对IGBT芯片键合区域微结构演化表征方法，其特征在于：所述夹具块(7)侧壁开设有若干通孔(9)，所述通孔(9)位于所述夹具块(7)远离所述夹板(8)和所述夹具传动轴(6)的侧面上，所述夹具块(7)两侧分别设置有激光发射器(10)和激光接收器(11)，所述激光接收器(11)通过所述通孔(9)接收所述激光发射器(10)的发射激光，所述激光接收器(11)与所述磨抛机(1)电性连接。
7.根据权利要求5所述的对IGBT芯片键合区域微结构演化表征方法，其特征在于：所述重力件包括与所述夹具传动轴(6)顶端固接的插杆(12)，所述插杆(12)上穿设有砝码(13)。
8.根据权利要求1所述的对IGBT芯片键合区域微结构演化表征方法，其特征在于：步骤S3中，确定待刻蚀样品的目标区域后，向所述目标区域的表层沉积Pt薄层，随后对目标区域进行刻蚀。
9.根据权利要求1所述的对IGBT芯片键合区域微结构演化表征方法，其特征在于：步骤S3中，对目标区域进行初步刻蚀，去除大部分块状材料，随后刻蚀去除目标区域周边材料，最后对目标区域的成像面进行刻蚀，去除所述初步刻蚀再沉积痕迹。
10.根据权利要求1所述的对IGBT芯片键合区域微结构演化表征方法，其特征在于：步骤S2-步骤S4中，使用电镜聚焦离子术双束系统对目标区域进行刻蚀和获取若干二维大范围高分辨截面图像，使用EBSD探头获取目标区域EBSD图像。
CN202210041222.2A 2022-01-14 2022-01-14 一种对igbt芯片键合区域微结构演化表征方法 Active CN114371184B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210041222.2A CN114371184B (zh) 2022-01-14 2022-01-14 一种对igbt芯片键合区域微结构演化表征方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210041222.2A CN114371184B (zh) 2022-01-14 2022-01-14 一种对igbt芯片键合区域微结构演化表征方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114371184A true CN114371184A (zh) 2022-04-19
CN114371184B CN114371184B (zh) 2022-11-08

Family

ID=81144615

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210041222.2A Active CN114371184B (zh) 2022-01-14 2022-01-14 一种对igbt芯片键合区域微结构演化表征方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114371184B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116429573A (zh) * 2023-04-17 2023-07-14 北京工业大学 一种焊接型igbt模块键合线拉力测试装置及方法

Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1270910A (en) * 1971-01-27 1972-04-19 Mullard Ltd Improvements in or relating to orientation jigs
US5967889A (en) * 1997-05-16 1999-10-19 Sony Corporation Fixture for mechanical grinding and inspection of failed or defective semiconductor devices
US20040118824A1 (en) * 1996-06-05 2004-06-24 Laservia Corporation, An Oregon Corporation Conveyorized blind microvia laser drilling system
GB0423963D0 (en) * 2004-10-28 2004-12-01 The Technology Partnership Plc Microstructures and methods of manufacturing the same
US20050205778A1 (en) * 2003-10-17 2005-09-22 Gsi Lumonics Corporation Laser trim motion, calibration, imaging, and fixturing techniques
US20110309553A1 (en) * 2010-04-30 2011-12-22 Corporation For National Research Initiatives System and method for precision fabrication of micro- and nano-devices and structures
US20130100977A1 (en) * 2011-10-21 2013-04-25 Sharp Kabushiki Kaisha Ultraviolet laser
JP2014155981A (ja) * 2013-02-15 2014-08-28 Takada Corp 研磨治具及び研磨治具に試料をセットする試料取付け治具
CN105563328A (zh) * 2016-02-23 2016-05-11 武汉大学 一种基于飞秒激光机器人磨抛系统及磨抛方法
CN108333203A (zh) * 2018-02-09 2018-07-27 中国科学院地球化学研究所 一种原位检测矿物微区ebsd图像的方法
CN109366321A (zh) * 2018-11-08 2019-02-22 中山市德工机械科技有限公司 一种智能金属表面机器人抛光打磨处理生产线
CN109443295A (zh) * 2018-10-28 2019-03-08 北京工业大学 一种用于汽车级IGBT芯片表面Al金属化层粗糙度的测试方法
CN110297006A (zh) * 2019-04-04 2019-10-01 北京工业大学 一种用于观测IGBT芯片Al金属化内晶粒晶向的试样制备方法

Patent Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1270910A (en) * 1971-01-27 1972-04-19 Mullard Ltd Improvements in or relating to orientation jigs
US20040118824A1 (en) * 1996-06-05 2004-06-24 Laservia Corporation, An Oregon Corporation Conveyorized blind microvia laser drilling system
US5967889A (en) * 1997-05-16 1999-10-19 Sony Corporation Fixture for mechanical grinding and inspection of failed or defective semiconductor devices
US20050205778A1 (en) * 2003-10-17 2005-09-22 Gsi Lumonics Corporation Laser trim motion, calibration, imaging, and fixturing techniques
GB0423963D0 (en) * 2004-10-28 2004-12-01 The Technology Partnership Plc Microstructures and methods of manufacturing the same
US20110309553A1 (en) * 2010-04-30 2011-12-22 Corporation For National Research Initiatives System and method for precision fabrication of micro- and nano-devices and structures
US20130100977A1 (en) * 2011-10-21 2013-04-25 Sharp Kabushiki Kaisha Ultraviolet laser
JP2014155981A (ja) * 2013-02-15 2014-08-28 Takada Corp 研磨治具及び研磨治具に試料をセットする試料取付け治具
CN105563328A (zh) * 2016-02-23 2016-05-11 武汉大学 一种基于飞秒激光机器人磨抛系统及磨抛方法
CN108333203A (zh) * 2018-02-09 2018-07-27 中国科学院地球化学研究所 一种原位检测矿物微区ebsd图像的方法
CN109443295A (zh) * 2018-10-28 2019-03-08 北京工业大学 一种用于汽车级IGBT芯片表面Al金属化层粗糙度的测试方法
CN109366321A (zh) * 2018-11-08 2019-02-22 中山市德工机械科技有限公司 一种智能金属表面机器人抛光打磨处理生产线
CN110297006A (zh) * 2019-04-04 2019-10-01 北京工业大学 一种用于观测IGBT芯片Al金属化内晶粒晶向的试样制备方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116429573A (zh) * 2023-04-17 2023-07-14 北京工业大学 一种焊接型igbt模块键合线拉力测试装置及方法
CN116429573B (zh) * 2023-04-17 2023-12-08 北京工业大学 一种焊接型igbt模块键合线拉力测试装置及方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN114371184B (zh) 2022-11-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108318304B (zh) 一种宇航用pcba有效剖面制备及损伤检测方法
CN114371184B (zh) 一种对igbt芯片键合区域微结构演化表征方法
US7319915B1 (en) High speed and repeatability serial sectioning device for 3-D reconstruction of microstructures
JP2008529031A (ja) マイクロ分析のためのサンプル調製
CN107063797A (zh) 一种合金薄带厚度截面的电子背散射衍射试样制备方法
CN107727663A (zh) 一种对led芯片表征进行失效检测的方法
CN107478668A (zh) 一种多相合金ebsd分析测试试样的制备方法
CN111965205B (zh) 镍基粉末高温合金原位试样微区观察sem+ebsd的制样方法
CN103411807A (zh) 用于背散射电子图像与能谱研究的无机非金属粉体材料的制样方法
Slavik et al. Determining fracture facet crystallography using electron backscatter patterns and quantitative tilt fractography
KR20150112799A (ko) 검사용 지그, 절단 장치 및 절단 방법
US9952272B2 (en) Fixture for in situ electromigration testing during X-ray microtomography
CN110297006A (zh) 一种用于观测IGBT芯片Al金属化内晶粒晶向的试样制备方法
CN109443295B (zh) 一种用于汽车级IGBT芯片表面Al金属化层粗糙度的测试方法
CN110514683B (zh) 一种在介观尺度捕捉块体材料裂纹萌生的试样及制作方法
CN111077004A (zh) 一种燃气轮机耐高温合金试样高效的金相试样腐蚀工艺
TWI322720B (en) Mechanism and method for automatic cleaning test interface of ic test socket
CN115683795A (zh) 一种用于ebsd检测的取向硅钢样品制备方法
CN112903393B (zh) 一种基于扫描电镜准原位拉伸ebsd与dic信号同步采集的测试方法
CN111469048A (zh) 一种抛光垫微观接触状态的测量装置及其使用方法
CN1888849A (zh) 制备电子显微镜检测样品的模具及其制造方法
Suder et al. Thin solid film sample preparation by a small-angle cleavage for transmission electron microscopy
CN205218903U (zh) 电子背散射衍射分析样品夹具
CN114112580A (zh) 一种制备ebsd样品的方法
CN116297586A (zh) 一种封装基板ebsd样品及其制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant