超聲波掃描技術(shù)在IGBT模塊檢測(cè)的應(yīng)用

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)即絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT雙極型三極管和絕緣柵型MOS場(chǎng)效應(yīng)管組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件。其具有高輸入阻抗，低導(dǎo)通壓降，高速開關(guān)特性和低導(dǎo)通狀態(tài)損耗等特點(diǎn)，非常適合高電壓和高電流的光伏逆變器、儲(chǔ)能裝置和新能源汽車等電力電子應(yīng)用。

IGBT模塊作為大功率高效高速場(chǎng)合所使用的開關(guān)元器件，現(xiàn)在不僅僅在新能源汽車中擔(dān)任“大腦”的角色，也在高鐵、電機(jī)中也負(fù)責(zé)著“變頻調(diào)速”的核心功能。近年來，隨著新能源電動(dòng)汽車、風(fēng)能/光伏發(fā)電等產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，功率器件相關(guān)的需求也出現(xiàn)巨大的增長，作為功率器件的“老大哥”IGBT模塊隨之迎來了井噴式增長。

由于IGBT模塊內(nèi)部為多層結(jié)構(gòu)集成數(shù)個(gè)電子元器件，涉及材料、微電子、焊接等多個(gè)學(xué)科中數(shù)百種工藝。技術(shù)門檻高，研發(fā)投入大，如何保證IGBT內(nèi)部封裝質(zhì)量是廠家們較為關(guān)心的問題。

IGBT模塊中芯片產(chǎn)生的熱量是通過芯片焊接層、陶瓷基板、焊接層、散熱銅基板向周圍環(huán)境排放，組成散熱通道的各層材料都有各自不同的熱阻，理想情況下，通過IGBT模塊的熱設(shè)計(jì)，可以使熱量以一定速度通過各層材料，防止模塊的過熱失效。然而，受限制于實(shí)際制造工藝、材料、技術(shù)等因素，IGBT芯片與散熱銅基板間的各層材料界面會(huì)存在各種類型的間隙型缺陷，如空洞、分層、虛焊等，對(duì)IGBT模塊內(nèi)的散熱、正常運(yùn)行能力有著相當(dāng)大的影響。上述缺陷會(huì)形成的空隙，就算微小，也會(huì)逐漸在后續(xù)使用中逐步擴(kuò)大，將運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的大量熱量反射回芯片電路上，從而導(dǎo)致模塊過熱而失效。

同時(shí)IGBT模塊間歇工作時(shí)經(jīng)歷的周期性高低溫循環(huán)，會(huì)對(duì)模塊內(nèi)部各層施加周期性熱應(yīng)力，造成間隙性缺陷的產(chǎn)生。這些缺陷會(huì)在IGBT模塊的散熱通道中形成一個(gè)個(gè)有效的熱反射面，如果缺陷較多或較密集，就會(huì)把大量的熱量反射回芯片，導(dǎo)致IGBT芯片結(jié)溫升高，直接縮短模塊的工作壽命甚至?xí)?dǎo)致其熱疲勞失效。

因此消滅這些“危險(xiǎn)”的空洞縫隙，保證IGBT模塊的可靠性，從而得到高質(zhì)量模塊顯得至關(guān)重要。

IGBT模組檢測(cè)通常使用金相剖開手段或X-ray等檢測(cè)手段檢測(cè)。然而，IGBT模塊單價(jià)以及檢測(cè)成本較高，破壞性判斷有無空洞的代價(jià)較大；X射線檢查只能探測(cè)材料缺失的缺陷（如焊料中的空洞等），無法檢測(cè)出IGBT內(nèi)部具有多層結(jié)構(gòu)的鍵合分層、空洞、有焊料但未粘結(jié)的復(fù)雜缺陷等。

超聲波掃描顯微鏡檢測(cè)，也就是俗稱的超聲SAT檢測(cè)技術(shù)，也稱為水浸式超聲波斷層掃描成像技術(shù)，是一種對(duì)分層等面積型缺陷相當(dāng)敏感的無損檢測(cè)手段，在IGBT質(zhì)量檢測(cè)領(lǐng)域的實(shí)踐中得到了不錯(cuò)的評(píng)價(jià)。主要用于檢測(cè)工件內(nèi)部的空洞、裂紋、分層，焊接不良等缺陷，可以檢測(cè)出工件內(nèi)部缺陷處界面的二維圖像，類似給工件做“B超”。

超聲波掃描顯微鏡的原理就是通過超聲波探頭的換能器將超聲波以脈沖的方式傳送到樣品內(nèi)部，而由于超聲波在不同材料結(jié)合界面會(huì)發(fā)生反射，所以一旦存在分層等缺陷，就會(huì)產(chǎn)生有明顯區(qū)別的回波，在計(jì)算機(jī)的辨別和圖像化處理后，最終生成IGBT模組內(nèi)部的掃描成像圖。

超聲波掃描顯微鏡可對(duì)IGBT內(nèi)部進(jìn)行逐層掃描成像，檢測(cè)內(nèi)部各個(gè)結(jié)合面缺陷，多個(gè)深度位置，獨(dú)立成像，與CT檢測(cè)類似，超聲檢測(cè)效率更高，逐層檢測(cè)每一層微小空洞、裂紋、虛焊、夾雜、分層、鼓包等缺陷，實(shí)現(xiàn)對(duì)IGBT模塊內(nèi)部界面缺陷的有效檢測(cè)，準(zhǔn)確找到IGBT模塊材料、工藝中出現(xiàn)的問題。

超聲掃描檢測(cè)技術(shù)是利用不同材料聲阻抗的差異來確定缺陷的大小和位置，具有探測(cè)深度大、定位準(zhǔn)確、檢測(cè)靈敏度高、成本低、使用方便、檢測(cè)速度快（只需要2～8 min）、不損傷樣品等優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)崿F(xiàn)樣品內(nèi)部任意部位各種缺陷（如空洞、分層、虛焊等）的有效探測(cè)，因此對(duì)元器件的缺陷探測(cè)及可靠性評(píng)估有著重要的意義。并且高頻超聲波對(duì)面積型缺陷極為敏感，檢測(cè)精度高，可以對(duì)工件內(nèi)部對(duì)缺陷做定性定量分析，和X-ray設(shè)備形成充分互補(bǔ)。

目前超聲掃描檢測(cè)技術(shù)已廣泛應(yīng)用在集成電路、片式多層瓷介電容器（MLCC）等領(lǐng)域的批量測(cè)試中。隨著技術(shù)的發(fā)展以及應(yīng)用需要，超聲檢測(cè)技術(shù)正朝著高精度、高分辨率、數(shù)字化、圖像化、自動(dòng)化、智能化方向不斷發(fā)展。

官網(wǎng)：http://www.szgranda.com/

蘇州廣林達(dá)電子科技有限公司是一家立足于光電顯示、半導(dǎo)體封測(cè)領(lǐng)域的檢測(cè)和智能裝備系統(tǒng)提供商。作為一家高新技術(shù)企業(yè)，廣林達(dá)踐行“科技改變世界，創(chuàng)新決定未來”的理念，致力于研發(fā)具有高度創(chuàng)新性、技術(shù)性的產(chǎn)品。從研發(fā)、實(shí)驗(yàn)室到生產(chǎn)線，廣林達(dá)均可提供全面優(yōu)質(zhì)的整套解決方案。經(jīng)過多年的耕耘，廣林達(dá)掌握了精密機(jī)械、高速運(yùn)動(dòng)控制、設(shè)備軟件、機(jī)器視覺、先進(jìn)封裝工藝等關(guān)鍵技術(shù)，攻克了多個(gè)半導(dǎo)體封測(cè)核心設(shè)備，所研發(fā)的超聲波掃描、熱壓鍵合等設(shè)備處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。

2.和伍智造營（上海）科技發(fā)展有限公司（證券代碼：837263）

官網(wǎng)：https://www.ihiwave.com/

和伍智造成立于2015年，是一家以超聲無損檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)定制服務(wù)提供商為定位，專注于超聲無損檢測(cè)儀器設(shè)計(jì)、系統(tǒng)集成及技術(shù)服務(wù)的科技創(chuàng)新型企業(yè)。公司圍繞不同行業(yè)的應(yīng)用需求，可為客戶提供LVDT位移傳感器、數(shù)據(jù)采集與處理、環(huán)境可靠性試驗(yàn)設(shè)備、超聲無損檢測(cè)儀器定制、檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)定制、檢測(cè)方案及夾具定制服務(wù)?，F(xiàn)已形成S100標(biāo)準(zhǔn)機(jī)型、S200大構(gòu)件機(jī)型、S300高速機(jī)型及S400小型機(jī)，可滿足低壓電器焊接質(zhì)量檢測(cè)、金剛石缺陷和厚度測(cè)量、水冷板散熱器檢測(cè)、半導(dǎo)體封測(cè)等行業(yè)需求。

3.津上智造智能科技江蘇有限公司

津上智造智能科技江蘇有限公司成立于2018年，是一家集自動(dòng)化設(shè)備研發(fā)、制造、銷售于一體的高新技術(shù)企業(yè)。津上智造高效整合光學(xué)、機(jī)械、電氣、物聯(lián)網(wǎng)和軟件控制等技術(shù)系統(tǒng)、機(jī)器視覺和機(jī)器人應(yīng)用，為客戶量身定制各類自動(dòng)化設(shè)備及產(chǎn)線，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用在半導(dǎo)體封測(cè)、精密制造、電子、醫(yī)療和汽車等諸多領(lǐng)域。核心產(chǎn)品包含超聲波掃描顯微鏡SAT和IGBT產(chǎn)業(yè)平面度測(cè)量機(jī)、分板機(jī)、抓針機(jī)及生產(chǎn)整線設(shè)備集成等。

4.德國Pvatepla

官網(wǎng)：https://www.pvatepla.com/

PVA TePla分析系統(tǒng)有限公司是PVA TePla AG的子公司，30多年來一直專注于用于無損材料檢測(cè)的高分辨率超聲掃描顯微鏡，主要應(yīng)用在半導(dǎo)體、硬金屬、電氣/電子和光學(xué)行業(yè)以及能源、光伏和環(huán)境技術(shù)領(lǐng)域。

5.美國sonix

官網(wǎng)：https://www.sonix.com/

Sonix于1986年在弗吉尼亞州的斯普林菲爾德成立，在美國以及歐洲、中國、韓國和馬來西亞設(shè)立了辦事處，并在全球所有主要晶圓和封裝半導(dǎo)體制造中心設(shè)有區(qū)域代表。Sonix于1987年推出業(yè)界第一個(gè)基于PC的無損檢測(cè)系統(tǒng)，1990年又推出了第一個(gè)IC檢測(cè)系統(tǒng)，為市場(chǎng)帶來了自動(dòng)檢測(cè)、TAMI和ICEBERG成像軟件創(chuàng)新、晶圓檢測(cè)等等。

6.美國Nordson

官網(wǎng)：https://www.nordson.com

Nordson（諾信）成立于1954年（前身是1909年成立的美國自動(dòng)化有限公司），總部位于美國俄亥俄州。2018年Nordson收購超聲波掃描顯微鏡供應(yīng)商 SONOSCAN。SONOSCAN發(fā)明了適用于商業(yè)領(lǐng)域的超聲顯微術(shù)(AM)，尤其是C-SAM超聲波掃描技術(shù)，是無損內(nèi)部檢測(cè)領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者。

7.日本日立

株式會(huì)社日立電力解決方案成立于1960年，能夠一站式地提供融合了高水平多樣化的工程技術(shù)、產(chǎn)品和服務(wù)解決方案。產(chǎn)品包括超聲波掃描顯微鏡、X射線檢測(cè)設(shè)備。

資料來源：

1.廣林達(dá)、和伍智造及各公司官網(wǎng)

2.王斌，王之哲，陳思等.超聲檢測(cè)在IGBT可靠性評(píng)估中的應(yīng)用[J].電子元件與材料，2018，37(06):89-92.DOI:10.14106/j.cnki.1001-2028.2018.06.018.