超声波扫描技术在IGBT模块检测的应用

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)即绝缘栅双极型晶体管，是由BJT双极型三极管和绝缘栅型MOS场效应管组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件。其具有高输入阻抗，低导通压降，高速开关特性和低导通状态损耗等特点，非常适合高电压和高电流的光伏逆变器、储能装置和新能源汽车等电力电子应用。

IGBT模块作为大功率高效高速场合所使用的开关元器件，现在不仅仅在新能源汽车中担任“大脑”的角色，也在高铁、电机中也负责着“变频调速”的核心功能。近年来，随着新能源电动汽车、风能/光伏发电等产业的快速发展，功率器件相关的需求也出现巨大的增长，作为功率器件的“老大哥”IGBT模块随之迎来了井喷式增长。

由于IGBT模块内部为多层结构集成数个电子元器件，涉及材料、微电子、焊接等多个学科中数百种工艺。技术门槛高，研发投入大，如何保证IGBT内部封装质量是厂家们较为关心的问题。

IGBT模块中芯片产生的热量是通过芯片焊接层、陶瓷基板、焊接层、散热铜基板向周围环境排放，组成散热通道的各层材料都有各自不同的热阻，理想情况下，通过IGBT模块的热设计，可以使热量以一定速度通过各层材料，防止模块的过热失效。然而，受限制于实际制造工艺、材料、技术等因素，IGBT芯片与散热铜基板间的各层材料界面会存在各种类型的间隙型缺陷，如空洞、分层、虚焊等，对IGBT模块内的散热、正常运行能力有着相当大的影响。上述缺陷会形成的空隙，就算微小，也会逐渐在后续使用中逐步扩大，将运行时产生的大量热量反射回芯片电路上，从而导致模块过热而失效。

同时IGBT模块间歇工作时经历的周期性高低温循环，会对模块内部各层施加周期性热应力，造成间隙性缺陷的产生。这些缺陷会在IGBT模块的散热通道中形成一个个有效的热反射面，如果缺陷较多或较密集，就会把大量的热量反射回芯片，导致IGBT芯片结温升高，直接缩短模块的工作寿命甚至会导致其热疲劳失效。

因此消灭这些“危险”的空洞缝隙，保证IGBT模块的可靠性，从而得到高质量模块显得至关重要。

IGBT模组检测通常使用金相剖开手段或X-ray等检测手段检测。然而，IGBT模块单价以及检测成本较高，破坏性判断有无空洞的代价较大；X射线检查只能探测材料缺失的缺陷（如焊料中的空洞等），无法检测出IGBT内部具有多层结构的键合分层、空洞、有焊料但未粘结的复杂缺陷等。

超声波扫描显微镜检测，也就是俗称的超声SAT检测技术，也称为水浸式超声波断层扫描成像技术，是一种对分层等面积型缺陷相当敏感的无损检测手段，在IGBT质量检测领域的实践中得到了不错的评价。主要用于检测工件内部的空洞、裂纹、分层，焊接不良等缺陷，可以检测出工件内部缺陷处界面的二维图像，类似给工件做“B超”。

超声波扫描显微镜的原理就是通过超声波探头的换能器将超声波以脉冲的方式传送到样品内部，而由于超声波在不同材料结合界面会发生反射，所以一旦存在分层等缺陷，就会产生有明显区别的回波，在计算机的辨别和图像化处理后，最终生成IGBT模组内部的扫描成像图。

超声波扫描显微镜可对IGBT内部进行逐层扫描成像，检测内部各个结合面缺陷，多个深度位置，独立成像，与CT检测类似，超声检测效率更高，逐层检测每一层微小空洞、裂纹、虚焊、夹杂、分层、鼓包等缺陷，实现对IGBT模块内部界面缺陷的有效检测，准确找到IGBT模块材料、工艺中出现的问题。

超声扫描检测技术是利用不同材料声阻抗的差异来确定缺陷的大小和位置，具有探测深度大、定位准确、检测灵敏度高、成本低、使用方便、检测速度快（只需要2～8 min）、不损伤样品等优势，能够实现样品内部任意部位各种缺陷（如空洞、分层、虚焊等）的有效探测，因此对元器件的缺陷探测及可靠性评估有着重要的意义。并且高频超声波对面积型缺陷极为敏感，检测精度高，可以对工件内部对缺陷做定性定量分析，和X-ray设备形成充分互补。

目前超声扫描检测技术已广泛应用在集成电路、片式多层瓷介电容器（MLCC）等领域的批量测试中。随着技术的发展以及应用需要，超声检测技术正朝着高精度、高分辨率、数字化、图像化、自动化、智能化方向不断发展。

官网：http://www.szgranda.com/

苏州广林达电子科技有限公司是一家立足于光电显示、半导体封测领域的检测和智能装备系统提供商。作为一家高新技术企业，广林达践行“科技改变世界，创新决定未来”的理念，致力于研发具有高度创新性、技术性的产品。从研发、实验室到生产线，广林达均可提供全面优质的整套解决方案。经过多年的耕耘，广林达掌握了精密机械、高速运动控制、设备软件、机器视觉、先进封装工艺等关键技术，攻克了多个半导体封测核心设备，所研发的超声波扫描、热压键合等设备处于国内领先水平。

2.和伍智造营（上海）科技发展有限公司（证券代码：837263）

官网：https://www.ihiwave.com/

和伍智造成立于2015年，是一家以超声无损检测标准定制服务提供商为定位，专注于超声无损检测仪器设计、系统集成及技术服务的科技创新型企业。公司围绕不同行业的应用需求，可为客户提供LVDT位移传感器、数据采集与处理、环境可靠性试验设备、超声无损检测仪器定制、检测标准定制、检测方案及夹具定制服务。现已形成S100标准机型、S200大构件机型、S300高速机型及S400小型机，可满足低压电器焊接质量检测、金刚石缺陷和厚度测量、水冷板散热器检测、半导体封测等行业需求。

3.津上智造智能科技江苏有限公司

津上智造智能科技江苏有限公司成立于2018年，是一家集自动化设备研发、制造、销售于一体的高新技术企业。津上智造高效整合光学、机械、电气、物联网和软件控制等技术系统、机器视觉和机器人应用，为客户量身定制各类自动化设备及产线，现已广泛应用在半导体封测、精密制造、电子、医疗和汽车等诸多领域。核心产品包含超声波扫描显微镜SAT和IGBT产业平面度测量机、分板机、抓针机及生产整线设备集成等。

4.德国Pvatepla

官网：https://www.pvatepla.com/

PVA TePla分析系统有限公司是PVA TePla AG的子公司，30多年来一直专注于用于无损材料检测的高分辨率超声扫描显微镜，主要应用在半导体、硬金属、电气/电子和光学行业以及能源、光伏和环境技术领域。

5.美国sonix

官网：https://www.sonix.com/

Sonix于1986年在弗吉尼亚州的斯普林菲尔德成立，在美国以及欧洲、中国、韩国和马来西亚设立了办事处，并在全球所有主要晶圆和封装半导体制造中心设有区域代表。Sonix于1987年推出业界第一个基于PC的无损检测系统，1990年又推出了第一个IC检测系统，为市场带来了自动检测、TAMI和ICEBERG成像软件创新、晶圆检测等等。

6.美国Nordson

官网：https://www.nordson.com

Nordson（诺信）成立于1954年（前身是1909年成立的美国自动化有限公司），总部位于美国俄亥俄州。2018年Nordson收购超声波扫描显微镜供应商 SONOSCAN。SONOSCAN发明了适用于商业领域的超声显微术(AM)，尤其是C-SAM超声波扫描技术，是无损内部检测领域的领导者。

7.日本日立

株式会社日立电力解决方案成立于1960年，能够一站式地提供融合了高水平多样化的工程技术、产品和服务解决方案。产品包括超声波扫描显微镜、X射线检测设备。

资料来源：

1.广林达、和伍智造及各公司官网

2.王斌，王之哲，陈思等.超声检测在IGBT可靠性评估中的应用[J].电子元件与材料，2018，37(06):89-92.DOI:10.14106/j.cnki.1001-2028.2018.06.018.