IGBT模組失效了！如何突破基板與金屬遮蔽，找出晶粒異常點？

為了提升IGBT的性能，在晶粒層級（Die Level），溝槽閘極（Trench Gate）、場截止（Field Stop）與晶圓薄化等技術，持續改善耐壓、導通損耗與切換損耗之間的平衡。

而在模組層級（Module Level），AMB陶瓷基板、銀／銅燒結、銅夾板及雙面冷卻，都是目前業界改善模組表現的做法。但這些結構的優化，也會影響故障分析的量測、定位與樣品製備。因此，分析前必須先了解模組內部配置，才能選擇合適的方法找出缺陷。

IGBT模組除了晶粒，還包含接合層、功率基板、金屬互連與封裝材料，部分產品另有散熱銅底板。這些結構有助於導電、絕緣與散熱，卻也讓內部缺陷更難被看見。

當模組發生漏電(如ICES / IGES異常)或短路時，正面觀察可先確認打線脫落（Wire Lift-off）、封裝爆裂等明顯損傷；但若異常來自晶粒內部，往往會遇到以下三項限制：

（一）金屬遮蔽：

晶粒正面大面積的射極金屬層（Emitter Metal）與厚銅夾板(Copper Clip)，可能阻擋雷射或紅外光觀察的路徑，導致OBIRCH、InGaAs等定位設備無法偵測下方的MOS閘極結構與通道。

（二）熱擴散：

頂部金屬導熱性極佳，可能將局部熱量向外傳導，使熱點範圍變大，不易提供精確座標，供後續進行切片分析。

（三）製備損傷：

模組內部可能灌滿矽凝膠(Silicone Gel)或環氧樹脂，樣品製備時開蓋與除膠若處理不當，可能拉斷鍵合線或腐蝕金屬，改變原始失效特徵。

因此，當正面觀察受限，可評估從晶粒背面進行定位。但背面也可能有底板、接合層、陶瓷基板及金屬遮蔽，必須先移除相關結構。

關鍵在於能否均勻移除遮蔽物，同時確認原始電性異常仍可重現，才能為後續背向觀察與故障定位建立條件。

接著，我們將不藏私地分享宜特故障分析實驗室如何運用獨家手法找出IGBT晶片的故障點。主要六項步驟如下，從模組異常追到晶粒缺陷：

步驟一：確認電性，縮小異常範圍

透過電性量測，先確認IGBT晶片電性故障特徵，如短路(Short)、漏電(Leakage)、高阻值(High Resistance)，再依模組電路與端點配置，縮小異常相位及疑似晶粒範圍。若多顆晶粒（Die）並聯，則需搭配結構資訊與故障定位技術進行區分，進一步找出異常來源。若想知道IGBT模組哪一相出問題？歡迎來信索取《IGBT模組三相異常檢測｜腳位與量測點速查圖》，從腳位到量測點，一張圖快速對照。

步驟二：宜特獨家手法移除基板結構，露出IGBT晶背

IGBT模組的晶粒下方可能有接合層、功率基板與散熱底板。宜特可依不同結構規劃移除流程，搭配客製化化學試劑，均勻移除相關材料，露出晶粒背面。

步驟三：比對電性與紅外線影像，確認製備狀態

處理後，再確認原始電性異常是否仍存在，並以紅外光學顯微鏡（IROM）檢查晶背。若影像不清楚，則評估金屬殘留、矽厚度或表面狀態等因素，再進行必要處理，建立背向分析所需的觀察條件。

步驟四：移除殘留金屬，再次驗證電性與影像

進行第二次客製化化學試劑去除殘留金屬薄膜，並再次確認IGBT晶片電性與紅外線影像。此時可利用背向光學顯微鏡進一步觀察晶背結構及疑似異常區域；實際觀察內容需依元件設計而異。

步驟五：依訊號特性選工具，找出疑似異常位置

依據不同的電性失效模式，經由直流通電，並透過適合的亮點(Hot Spot)故障分析工具進行定位，包括雷射光束電阻異常偵測(Optical Beam Induced Resistance Change，簡稱OBIRCH)、熱輻射微光顯微鏡(Thermal EMMI)、砷化鎵銦微光顯微鏡(InGaAs)，請見表一，也可收看我們近期這篇小學堂：IC電性異常，四大工具InGaAs、OBIRCH、Thermal EMMI、QDm該選哪台找亮點?

OBIRCH觀察雷射引發的電性變化；Thermal EMMI與InGaAs則分別擷取相關熱訊號或發光點。

藉由故障點定位設備找出可能的異常熱點(Hot Spot)位置，以利後續的背向DB-FIB或TEM切片分析，順利找到異常點。實際適用性需依失效模式、電性條件、光學穿透條件及是否存在可偵測的Hot Spot而定。

步驟六：背向DB-FIB或TEM局部截面分析，進一步確認

不論是在光學顯微鏡下發現疑似異常點，或是已經有準確的熱點定位，接下來可進行背向雙束聚焦離子束(Dual-beam FIB，簡稱DB-FIB)局部截面分析，並依需求製備穿透式電子顯微鏡(Transmission Electron Microscopy，簡稱TEM)試片，再透過TEM進行奈米尺度結構與材料分析，以進一步釐清失效原因。

定位影像出現亮點，代表分析有了值得追查的線索，但仍不能直接視為故障原因。發熱或發光可能與缺陷直接相關，也可能是異常電流路徑造成的後續現象，需要透過結構與電性證據交叉判讀。

若能搭配良品、失效發生條件與操作歷程，便更有機會釐清缺陷與異常的關係。從模組端點測到異常，到晶粒內部確認缺陷，每一階段都會影響下一步判斷。