大功率器件IGBT超声波扫描显微镜的声学扫描测试图像分析

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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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什么是IGBT？IGBT，Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管，被称为电力电子行业里的“CPU”，是工业控制及自动化领域的核心元器件。超声波扫描显微镜在IGBT模块封装检测中所发挥的作用，对IGBT模块质量提升具有一定的指导意义。IGBT是由 BJT（双极型三极管）和 MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，简单来讲，IGBT可被视为“非通即断”的开关，导通时可被看做导线，断开时可以充当开路。IGBT作为一种新型电力电子器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和BJT的低导通压降两方面优点，是电力电子领域较为理想的开关器件，能够根据工业装置中的信号指令来调节电路中的电压、电流、频率、相位等，以实现精准调控的目的。作为电力电子系统的核心器件，其性能参数直接决定了电力电子系统的性能和可靠性。IGBT模块运行中长期承受着电-热-力作用，非常容易失效，其中焊料层失效是主要失效模式之一，空洞缺陷的存在与生长是焊料层失效的主要原因之一。超声波扫描显微镜是一种采用高频超声波(频率高于20kHz)探测物体内部结构的无损检测技术。和其他常用于失效分析和可靠性测试的表征手段（X射线、红外成像）相比，超声波扫描显微镜可以更有效地识别和表征空洞、分层和裂缝等缺陷，因此在IGBT的科研和生产中得到了广泛的应用。

IGBT结构示意图及超声波扫描显微镜工作测试原理图

IGBT的结构、工作原理、缺陷产生机制、超声波扫描显微镜无损检测
如图所示简化的IGBT模块的结构示意图，包括芯片、焊层、基板、焊层和底板5层结构。
其中基板一般为DBC（Direct Bonding Coper，覆铜陶瓷基板），中间为陶瓷材料，两边直接键合铜箔。其中2层焊层均为软钎焊层，焊层是产品生产及使用过程中易于产生缺陷的部位，焊层中存在未排除尽的助焊剂或气体会导致空洞产生，由于温度的波动及各层材料热膨胀系数不一致在各层材料界面处会出现循环应力会导致分层产生。从IGBT模块的内部结构可以看出，焊接工艺是影响IGBT模块可靠性的重要因素之一，它是IGBT模块散热的主要通道，这些缺陷会影响焊层的局部热传导，严重时甚至会导致IGBT模块热失效。超声波扫描显微镜作为一种常用的非接触无损检测工具，在IGBT模块焊层缺陷检测中发挥着不可替代的作用，根据缺陷检测工作原理，超声波扫描显微镜可用于IGBT产品生产或使用过程中焊层缺陷的检测，能直观有效地反映出焊层缺陷情况。

IGBT超声波扫描显微镜DBC焊层缺陷测试扫描图像

IGBT的广泛应用
作为半导体开关之一，IGBT是能源变换与传输的核心器件，小到微波炉、变频空调、变频冰箱、电焊机，大到新能源、电动汽车、轨道交通、高铁、智能电网、航空航天，甚至航母的电磁弹射等，IGBT都不可或缺。IGBT应用如此广泛，足够的产能和良好的产品质量十分关键。通过选择合适的超声扫描模式及相匹配频率和焦距的超声波探头，超声波扫描显微镜可以很方便地实现对IGBT模块内部的无损检测。

IGBT基板内烧结不良超声波扫描显微镜测试扫描图像

建立在严苛军用标准之上，超声波扫描显微镜，能对电子器件从5兆赫兹~2000兆赫兹声学无损检测。最新一代多用途全功能型超声波扫描显微镜，已经陆续装备到航空航天、科研院所、大型后封装代工企业中。超声波扫描显微镜能检测到裂痕、材料瑕疵、包裹的异物、分层、空洞等缺陷，并可视化显示到屏幕上或保存成各种图像格式，以对失效成因和后续的工艺改进提供强力支撑。

IGBT基板覆铜层脱附超声波扫描显微镜测试扫描图像

为了实现IGBT模块的长期可靠性，必须保证在生产中每个组件都没有能够引起故障的内部结构缺陷。因此，IGBT模块装配线需要配备超声波扫描显微镜筛选大量的单个组件，尤其是这些类似塑封集成电路中的空隙缺陷，比如分层、虚焊、空洞等。对于已封装的和未封装的IGBT模块，都可以采用超声波扫描显微镜进行扫描和筛选。
通常，超声波扫描显微镜对电子器件进行扫描测试时，需要把电子器件浸入去离子水中，采用超声波扫描探头在器件上方做往复扫描测试，并形成超声波扫描测试图像。但是，IGBT模块如果浸入水中，将会引入污染物而导致电气故障，这是超声波扫描显微镜在IGBT检测中的局限性。为了解决这个问题，实现IGBT模块内部结构缺陷的无损检测，特开发并推出一款IGBT专用倒置型超声波扫描显微镜。该倒置型超声波扫描显微镜，采用倒置喷水头设计，与超声波探头一起置于IGBT的背面，在扫描过程中同时向上喷水，使超声波探头与IGBT模块之间存在无气泡的耦合介质，并且水流会离开IGBT模块并自由落下来，不会进入模块影响其性能。
有了该倒置型超声波扫描显微镜，就可以实现IGBT无论封装前还是封装后的非破坏、非接触、无损、无污染的缺陷检测，将具有空洞、分层、DBC倾斜等缺陷的产品筛选出来，实现生产过程中的质量控制和工艺改善，对于有缺陷的产品，还可以返工重新制作，避免了浪费。

IGBT抗疲劳测试中超声波扫描显微镜测试扫描图像

IGBT模块包括铝基板、覆铜板、芯片和电子元器件等部件，由于IGBT模块工作会产生大量热量，热量需要通过覆铜板传递到铝基板上并散发出去，因此铝基板对IGBT模块起到散热降温的效果。覆铜板的面与铝基板的面之间的粘贴或焊接质量直接关系到IGBT模块的散热性能的优劣，从而影响产品的性能和使用寿命。超声波扫描显微镜是一种非破坏性的无损检测仪器，可以在不破坏电子元器件性能和结构完整性的前提下对其分层、杂质颗粒、裂纹以及空洞气泡等进行检测，是对IGBT模块封装检测必不可少的设备。当覆铜板的面与铝基板的面之间存在空洞或分层缺陷时，覆铜板与铝基板的接触面积变小，不利于散热，并可能引起IGBT模块的性能失效。因此，必须采用超声波扫描显微镜对覆铜板与铝基板之间的连接面进行缺陷扫描检测，并通过软件中的图像识别出覆铜板与铝基板之间焊接面是否有空洞。但是超声波扫描显微镜检测过程需要以去离子水为耦合剂传递超声波信号，普通的超声波扫描显微镜设备需要将样本浸泡在水里作业，而现有的IGBT模块都是非密封的，若将其直接浸泡在介质水中，IGBT芯片会被介质水二次污染，影响IGBT模块的性能。因此需要特别设计的超声波扫描显微镜对IGBT模块进行超声波检测。目前行业内使用较多的是倒喷水结构的超声波扫描显微镜，由于额外购买一台倒喷水的超声波扫描显微镜花费巨大，增加了生产成本。该IGBT新型超声波扫描显微镜测试夹具不仅解决了现有扫描夹具效率低下的问题，而且通过定位准确提高了超声波扫描的成像效果，保证了覆铜板焊层缺陷的清晰呈现。
使用时，将IGBT模块依次放置在夹具槽内，IGBT放置槽对IGBT实现定位，装夹完成后，将夹具放置在超声波扫描显微镜设备上，超声波探头对IGBT进行扫描检测，在超声波扫描的过程中，定位机构使得IGBT模块定位稳定、不发生窜动，提高超声波扫描的成像效果，保证能够从超声波扫描显微镜检测图像中清晰的观察到IGBT的覆铜板与铝基板之间焊接面的空洞情况。

IGBT超声波扫描显微镜防水密封治具测试扫描图像