基于X 射线光电子能谱的绝缘栅双极型晶体管失效分析

章小余 ，赵志娟 ，刘 芬 ，徐 鹏 ，屈宝龙

（1.中国科学院化学研究所， 北京 100190；2.国家纳米科学研究中心， 北京 100190）

绝缘栅双极晶体管（IGBT）模块是电力电子领域常用的主要功率器件之一，它具有开关速度快、驱动功率低、输入电阻高、控制电路简单和耐压能力强等一系列优点，能够为我国的节能减排贡献一份力量[1-3]，广泛应用于电力行业、传统和新兴消费电子、电动汽车、高铁动车等市场前景广阔的领域[4-5].据统计研究表明[6-7]，在长期运作过程中暴露在复杂环境下的IGBT 是失效率最高的器件之一，因此其可靠性往往会影响整个电力电子系统的效率、能耗和成本[8].随着我国高新技术以及微电子产业的快速发展，对相关电子器件的环境失效分析与评估是电子行业领域研究器件可靠性的关键问题，可以为实际应用过程中尽可能规避失效工况，或者尽力降低失效发生的可能性[9]提供科学的指导.

X射线光电子能谱（XPS）是一种无损表面检测方法，作为表面科学领域中应用最广泛也是最有效的一种分析技术[10]，可以从纳米尺度研究材料表面元素的组成、分布及化学结构.XPS 对分析电子元器件表面的失效机制具有不可替代的优势，尤其是现代高性能的电子能谱仪可在微米级分析区域获得较高的灵敏度，能够为微电子行业领域快速评价早期失效电子器件提供重要的科学依据.

国内某公司生产的IGBT 模块在厂房使用一段时间后由于过电压击穿无法使用，导致整个系统不能正常工作.为查找故障原因，避免由此出现安全事故，将封装的聚苯硫醚（PPS）工程塑料外壳拆开，并去除封装的透明硅橡胶，发现模块的陶瓷材料部分区域存在黑色枝状物，为了确定该黑色枝状物的组成，本文采用XPS 对其进行小面积分析.

图1 故障器件拆封后的实物图(红色标注区为XPS 测试区域，其中右下角为放大的区域图示)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)

图2 三个测试区域的光学像(a)区域①，(b)区域②，(c)区域③Fig.2 Optical images of three analysis areas(a) area ①, (b) area ②, (c) area ③

1 试验部分

1.1 仪器及测试条件

测试所用仪器为 ThermoFisher Scientific NEXSA 型号X射线光电子能谱仪，数据采集及处理使用仪器自带的Avantage 软件.测试所用激发源为单色化的Al Kα（1 486.6 eV）X射线，分析室真空为8×10−7Pa，采用standard 模式进行测试（分析面积300 µm×300 µm）.采谱时X射线功率72 W（电压12 kV，电流6 mA），全谱通能100 eV，步长1.0 eV，窄谱通能40 eV，步长0.05 eV.所有样品测试前手动聚焦到最佳Z值，仪器接地，使用同一荷电中和参数.

1.2 XPS 测试过程

将出现故障的器件外壳拆开并去除封装的硅橡胶，实物如图1 所示，IGBT 模块包括芯片、陶瓷直接覆铜基板、焊料层、键合引线等，通过回流焊等互连方法将所有组件焊接在3 mm 厚的不锈钢底板上，整体模块尺寸（长宽高）为105 mm×60 mm×10 mm， 这个尺寸比较特殊且模块不易切割，无法直接使用一些通用表征仪器，如XPS、扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）进行测试.根据调研，本试验所用NEXSA 型号X射线光电子能谱仪最大测试样品尺寸为60 mm×60 mm，适宜的样品厚度为0～20 mm，小面积分析束斑尺寸在10～400 µm 连续可调且具有较高的灵敏度，因此对于此类大尺寸/不规则样品的小面积分析具有很大的优势.具体测试过程如下：将简单处理后的模块粘贴到NEXSA 能谱仪样品台上，送入进样室预抽真空，待真空达到约10−6Pa 后送入分析室进行XPS 测试，分别测试了区域①黑色枝状物、区域②黑色枝状物临近空白区域和区域③远离黑色枝状物的空白区域（具体测试区域见图1 标注）.借助NEXSA 型能谱仪分析室内配置的同轴相机（through-the-lens，TTL）和高度设置的相机，获得整个样品台表面清晰的光学视图，快速定位至目标区域，对应测试区域的光学图像如图2 所示，可以清晰地看到在模块陶瓷材料上形成的黑色枝状物形貌.

2 结果与讨论

根据图3 中测试的XPS 全谱图可知，区域①、区域②和区域③所含元素相同，均包含元素Cu/Sn/S/C/O/Si/Al.相比空白区域（区域②和区域③），黑色枝状物区域（区域①）中Cu 与S 元素的光电子峰更强，并且区域①与区域②所含的Sn 元素光电子峰也更强.由图3 定性分析可见，各区域中主要成分为绝缘的陶瓷材料，Si2p 结合能位于102.5 eV，Al2p 结合能位于74.6 eV，对应于含Si 和Al 的氧化物.对三个区域测得的XPS 高分辨谱图进行定量分析，定量结果如表1 所列.其中区域①Cu 和S 含量较高，结合图4（a）（b）中XPS 高分辨谱图的分峰拟合结果可知，该区域含有更多的金属硫化物（S2p 结合能位于162.1 eV）和硫酸盐（S2p 结合能位于168.2 eV），Cu 元素以+2 价（Cu2p 结合能位于934.9 eV，伴有明显的shake-up 峰）和+1 价（Cu2p结合能位于932.8 eV）的离子形式存在.而区域②和区域③Cu 和S 含量相对较低，主要以硫酸盐的形式存在，而Cu 元素以+1 价（Cu2p 结合能位于932.8 eV）为主，少量+2 价的离子形式存在[图4（c）～（f）].从器件结构来看，Sn 和Cu 主要来自于器件中镀锡层和铜材料.

表1 三个测试区域中各元素相对百分含量Table 1 Relative percentage of each elements in three analysis areas /%

图3 三个测试区域的XPS 全谱图Fig.3 XPS survey spectra in three analysis areas

图4 Cu2p 和S2p 的高分辨XPS 谱图(a) (b)区域①，(c) (d)区域②，(e) (f)区域③Fig.4 High-resolution XPS spectra of Cu2p & S2p(a) (b) area ①, (c) (d) area ②, (e) (f) area ③

试验进一步对封装电路板表面的硅橡胶进行XPS 测试，从图5 的XPS 全谱及S2p 高分辨谱图分析，硅橡胶包含C/O/Si 三种元素，并未测出S 元素信号.XPS 定量结果显示：硅胶中的C∶Si∶O 相对原子数之比近似为2∶1∶1，与IGBT 器件中常用的封装材料聚二甲基硅氧烷（PDMS）化学结构一致.

图5 硅橡胶的XPS 全谱图及S2p 高分辨谱图Fig.5 XPS survey spectrum and S2p high-resolution spectrum of silicone rubber

利用XPS 方法对环境失效的电子器件IGBT模块进行小面积检测，综合XPS 测试结果分析，电路板的空白区域（区域②和③）含有少量的Cu+，SO42-，可能来自于器件使用环境中一些含硫污染物导致的轻微腐蚀.而黑色枝状物区域（区域①）含有更多的金属硫化物和硫酸盐，其中Cu 元素以+2和+1 价的离子存在，表明腐蚀污染加剧形成了黑色枝状物（可能为CuS，具有导电性），从而导致该器件使用中出现过电压被击穿而无法正常使用的现象.分析认为，硫的来源主要是环境中存在气态空气污染物（如SO2、H2S），也可能来自于器件生产过程中常用的包装胶袋、PCB 板、塑料、泡沫等.环境中释放的含硫污染物与潮湿空气作用会生成H2SO4等酸性物质，在长期带电工作环境下产生器件腐蚀，从而导致电子模块短路失效.

封装电路板使用的PDMS 硅橡胶具有发达的微孔结构，且具有透湿透氧的特性，对空气中含硫物质和水分有较强的吸附，最终穿透硅橡胶分子间隙，在高湿高硫环境下造成电路板表面局部腐蚀，形成我们所看到的黑色枝状物.

3 结论

由于铜具有良好的导电、导热性能，是电子元器件电路板上常用的金属材料.在电子器件运作的工况环境下，铜与环境中的含硫物质很容易反应生成金属硫化物和硫酸盐等腐蚀性物质，从而导致电路板局部腐蚀发生过电压应力失效而被击穿，器件故障使得整个系统无法正常使用，带来严重的经济损失或安全事故，应引起足够重视.因此，为保证和提高微电子行业领域中器件的稳定性和可靠性，电子元器件在设计、生产、原材料以及使用环境等环节必须采取必要的早期防硫措施.比如：（1）器件完全密封，防止有害气体进入.（2）封装时使用环氧树脂等分子间隙小、气密性好、抗硫化能力高的材料替代硅橡胶材料.（3）杜绝或者减少器件生产过程原材料和辅料中含硫物.（4）加强空气净化，避免器件所接触环境的含硫污染.