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非破壞性超聲檢測GBT模塊

IGBT（絕緣柵雙極晶體管）可以用于大功率電流的控制，從而降低功耗和成本，模塊如今在許多領域已變得非常重要。因為IGBT模塊通常既重要又昂貴，它們就需要良好的長期可靠性。

為了實現(xiàn)這種可靠性，IGBT模塊必須保證在制造時各個組件沒有引起故障的內部結構缺陷，這些類似塑封集成電路中的空隙缺陷，例如分層，虛焊，空洞等。裝配線常常用聲學顯微鏡篩選大量的單個組件，以除去那些制造商已確定為具有內部缺陷（例如，芯片表面剝離）而引起失效的組件。

從理論上講，未封裝的IGBT模塊也可以通過聲學顯微成像篩選工具成像和篩選。然而，直到最近，他們幾乎都沒有用聲學顯微鏡檢測過。在IGBT模塊內，所有重要的散熱基片粘接到陶瓷DBC上，而芯片和芯片連接劑在DBC上面。最常見的內部結構上的缺陷包括：結合加散熱片焊錫層中的空隙; DBC傾斜;芯片結合劑的空隙或脫層等等。有些IGBT模塊有額外的結構層。結構缺陷阻擋熱量通過散熱片散出。如果有一個或多層深度結構上的缺陷對熱構成阻擋，將造成IGBT模塊的失敗。

其它電子器件通常是通過聲學顯微鏡從樣品上方掃描成像。超聲波換能器，通過水耦合到頂面，來回掃描器件并發(fā)射脈沖超聲波并接收回波。IGBT模塊的制造商希望不從模塊的頂面掃描，因為水留下污染物的可引起電氣故障。很長一段時間，模塊的制造商一直沒有找到好的非破壞性方法來檢測可能導致這些故障的結構缺陷的方法。

圖1：具有雙換能器C-SAM?系統(tǒng)的正面圖。樣品支架下面換能器把水從掃描探頭耦合到IGBT模塊。

為了解決這個問題，使IGBT模塊容易地檢查內部結構缺陷，Sonoscan公司最近開發(fā)并開始發(fā)布一款C-SAM?聲學顯微成像設備，這款設備的換能器被倒置并被定位在IGBT模塊的下面（有的有多個換能器，如圖1所示）。新的系統(tǒng)還包括一個倒置噴水頭，它可保持換能器與IGBT模塊底表面之間無氣泡的恒定水柱。向上發(fā)射超聲脈沖進入模塊，可以使焊錫層，DBC以及芯片結合層成像。倒置噴水頭的設計水保持在模塊的下方，不會進入模塊支架的上面，即使是未封裝的模塊，水也不會進入模塊內部。水自由落入下面的換能器的水槽中，然后再循環(huán)使用。

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以這種方式進行超聲成像具有以下優(yōu)點：

? 非破壞性地檢測模塊結構缺陷，而對模塊不會產(chǎn)生污染。

? 具有空隙，分層，DBC傾斜或其他結構缺陷IGBT 模塊可以從生產(chǎn)中去除。

? 許多這些模塊可以返工。

? 從聲學成像所獲得的數(shù)據(jù)可作為生產(chǎn)過程的依據(jù)去消除產(chǎn)生結構缺陷的因素。

? 即使封裝后，IGBT模塊仍然可以通過散熱片成像。雖然此次階段不能再進行返工，但數(shù)據(jù)仍然可以被收集，用于修改生產(chǎn)工藝。

開始聲成像時，未封裝的IGBT模塊被放置在支架的開口處，正個模塊在支架的上面，但超聲可以通過開口從模塊底面的散熱基板進入模塊。

在支架下面，超聲換能器開始來回掃描散熱板的表面，由換能器射出水流保持恒定流量，使得超聲脈沖可以進入散熱板。超聲 - 尤其是這里使用的高頻率換能器 - 不能在空氣中傳播。

當換能器來回掃描散熱板表面并以每秒發(fā)送幾千次的超聲波脈沖進入模塊，因為聲音通過固體材料的速度通常是每秒數(shù)千米，換能器在幾百萬分之一秒內接收到返射信號。

圖2：模塊散熱片焊料層的聲學圖像。許多白色的小點是焊料中的空隙（氣泡）。

圖3：超聲脈沖從底面穿過散熱片揭示了在芯片結合層的異常，以及焊料中空隙的聲波陰影。

或焊料與DBC之間的界面。固體之間良好粘結的界面上反射回波的振幅可以從兩種材料的物理性質進行精確計算。固體到固體良好的粘結界面反射大約20％到60％的超聲波脈沖。這些回波所產(chǎn)生的是各種灰色色調的像素。其余的超聲波會穿過界面到達更深層。如果超聲波脈沖遇到固體，如銅，和與焊錫之間間隙，如空氣，大于99.99 ％脈沖會被界面反射。空隙，脫層，虛焊及裂縫都具有這種非常高的反射率，即使缺陷本身只有100埃的厚度。這個幅度的回聲在

圖像上顯現(xiàn)出白色像素。換能器掃描模塊時，遇到的缺陷就會聲像圖中顯現(xiàn)出來。

像圖顯示了許多不規(guī)則的特征。

通常換能器通過電腦軟件編程僅接收那些來所希望深度或界面的回波。這個過程被稱為門控。如焊料層的回波只限于散熱器片與DBC之間的回波- 即焊料。門控可以被設置成任何期望的寬度，以圖像，例如，在芯片和芯片膠料之間的界面（一個非常窄的門控）或與DBC之間的界面（相對寬的門控）。

圖2是從Sonoscan品牌的C-SAM得到的中的IGBT模塊的（共9個）中2個DBC區(qū)域的超聲圖像。配備倒置換能器的聲學顯微鏡用來得到這些圖象，門控是散熱片與陶瓷DBC間的焊料層。大部分圖像區(qū)域的暗灰色由超聲波又銅散熱板與陶瓷DBC之間的界面的反射引起的。大部分的脈沖穿過界面到達更深層，只有較小部分脈沖被反射回來，所以在圖像呈暗灰色。許多小明亮或白色的區(qū)域是焊料中的空隙（氣泡）?？障秲鹊目諝馀c焊料和的聲學特性是如此不同，大于超聲波的99.99％被反射，并且像素是明亮的白色。

圖3示出了IGBT模塊上的兩個區(qū)域。這張圖像是通過把門控放在芯片與DBC的界面上得到的，因為主要關注的是芯片下面的粘接層。像前面的圖像，這樣的 IGBT模塊進行成像時，超聲脈沖要穿過在模塊底部的散熱片及DBC才能到達芯片。線白色型區(qū)域是DBC無金屬層的區(qū)域。黑色橢圓形的區(qū)域是內部導線或金屬片的焊接區(qū)域。因為門控覆蓋芯片的深度而忽略了其他深度的回聲來成像，但在靠近左上側有一組小，暗，不規(guī)則的特點。這些是在焊料層中空隙的陰影。但是從芯片深度反射的回波必須返回到換能器。因為超聲傳播時，一些回波遇到的焊錫中的這些空隙而被阻擋（回波實際上反映背面朝向模層）。因此，在遠離芯片的焊料中的空隙會在都在芯片的圖像成像為黑色聲學陰影。還有就是在最右邊區(qū)域的上方也有一組類似的陰影。

圖4是圖3最左邊的芯片的放大，少數(shù)在焊料層中的空隙的陰影被在這里看到的，但這里最關注的是芯片的結合層。似乎有在芯片靠近右下角有一小的孔隙，整個芯片結合層的圖像亮度有相當大的變化，但整的芯片沒有明顯的脫層區(qū)域。亮度的變化不是關心的問題。

通過超聲使IGBT模塊的內部結合層非破壞性地成像，讓工程師看到在模塊內部條件，例如圖4的狀況，來決定模塊的下一步工序。如果模塊時合格的，該模塊可以移動到封裝。如果有可以被修復的缺陷，可以將模塊返工，重新掃描，然后進行封裝。