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。

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。