超声波扫描显微镜成功应用于车载IGBT模块缺陷检测

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超声波扫描显微镜,超声波扫描检测仪,超声波扫描显微检测系统

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在全球节能减排发展大趋势下，新能源汽车的普及已成为势不可挡，作为新能源汽车核心部件的IGBT模块，生产中的质量控制和工艺研发离不开超声波扫描显微镜的缺陷检测。新能源汽车由多达数千个电子零部件组成，特别是随着汽车的更新迭代，其控制电子系统、娱乐多媒体系统、导航及车载通信系统等越来越复杂。绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，简称IGBT)模块作为新能源汽车电力电子系统的核心器件，其性能参数直接决定了新能源汽车的性能和可靠性。作为非接触无损检测设备，超声波扫描显微镜能够对IGBT模块内部的气泡、分层、裂纹、异物等各种缺陷进行检测识别，是IGBT封装测试必不可少的环节。
随着电动汽车的快速普及和发展，车载半导体也迎来了一片欣欣向荣，电动汽车快速增长的销量带动了IGBT模块需求的激增。如何保质保量的供应充足的IGBT模块，成为各大车载半导体厂商无法规避的问题，这也要求超声波扫描显微镜既要能够准确检测IGBT模块的缺陷，又要保证具有足够快的生产节拍。IGBT诞生至今，经过几十年的发展，不断改进芯片结构，已更新迭代到第七代，目前使用最广泛的是IGBT4，并且已实现国产化量产。随着国产IGBT拐点的到来，高端装备国产化也逐步实现，包括生产制造封装测试设备和超声波扫描显微镜。国产功率半导体厂商中，比亚迪、斯达半导体、华润微、士兰微、闻泰科技、燕东微电子、时代电气等众多企业都在积极布局IGBT和碳化硅模块、芯片产线。
由于IGBT模块不仅重要，而且成本高，所以需要保证其具有出色的长期可靠性。为了保证IGBT模块的性能及可靠性，需要采用超声波扫描显微镜对其内部结构进行无损扫描检测，具有空洞、分层、裂纹、异物等缺陷并且不合格的产品，必须准确识别并筛选出来，以避免影响电动汽车的安全性和可靠性。由于IGBT模块的焊接层不仅直接影响模块的散热性能，而且还要符合材料的热膨胀系数和应力，所以焊接工艺是IGBT模块中最为重要的一步。焊接工艺如果控制不好，很容易引入空洞、分层等缺陷，而这些缺陷会直接影响焊接层的局部热传导，并导致IGBT模块失效。IGBT的发展方向是提高耐压、增加电流、扩大功率、提升最高工作结温等，为了保证IGBT模块的安全性和可靠性，必须采用超声波扫描显微镜，对其IGBT芯片与覆铜板、DBC陶瓷基板、铝基板或者IGBT模块底板之间的粘贴或焊接质量等进行扫描检测，准确识别内部缺陷，并自动判定是否合格。
通常，超声波扫描显微镜的探头位于被测产品上方，通过去离子水等介质向样品发射并接收超声波信号，实现对被测产品进行扫描成像，并自动识别缺陷判定优劣。但是IGBT模块不防水，不能够把样品浸入水中。为了实现IGBT模块既能够进行超声波扫描显微镜测试，又不被水污染，通常会采用密封治具，对IGBT模块进行密封防水以后，再浸入水中，进行超声波扫描显微镜测试。与此同时，为了摆脱检测过程中的密封治具，一种新的超声波扫描显微镜检测方法应运而生。这种新的检测方式，将超声波探头置于被测产品下面，同时配置倒置喷水装置，保证扫描测试过程中，探头和被测样品之间始终有去离子水作为超声波传导介质。这种新的检测方式，喷水装置恒速喷水，但是喷出的水会自然流下并被搜集循环使用，不会进入到被测产品内部。这种新的检测方式，使IGBT模块测试不再使用密封治具，同时超声波扫描显微镜操作流程也被简化，进而提升检测效率。

IGBT模块焊接层超声波扫描显微镜测试结果
灰色区域为陶瓷覆铜板上的焊接层，灰色区域内的红色标记为焊接层空洞或分层缺陷

IGBT模块芯片层超声波扫描显微镜测试结果
图像上小的红色标记为芯片焊接层空洞或分层缺陷