倒置声学系统中减少IGBT陶瓷基板之间的故障

    IGBT的声学成像显示了陶瓷和金属散热器之间的焊料层，也就是声学图像可以区分空隙和结合良好的区域。IGBT模块在那里，因为它们在服务、可靠性测试或过程控制监控期间失败。它们将通过声学显微镜成像，以非破坏性的方式查看管芯和散热器之间的分层结构，来查明电气故障的根本原因。一些发生故障IGBT陶瓷基板模块几乎没有显示电气故障的外部证据，但在其他模块上，塑料密封剂已变形或烧毁。

   由于它们是高压和大功率开关，IGBT模块会产生大量热量，必须以足以避免过热的速度消散这些热量。一些热量从管芯顶部通过塑料密封剂向上逸出，但更多的热量通过专为该特定模块提供足够散热率的路径向下传播。多个管芯通过材料连接到陶瓷基板，管芯连接材料也用作一种热界面材料（TIM）。陶瓷的底面又通过第二个TIM通常是焊料连接到金属散热器。

   IGBT模块分层设计的目的是创建一条有效的低热阻通路，从管芯顶部的电路到散热片底部热量被带走。包括管芯内这种典型设计中的热量将穿过五层材料，选择陶瓷基板和散热器的部分原因是它们对热能传播的阻力较低，TIM也是如此。

但是IGBT仍然会过热无法使用，从中发现到两种故障机制是：

1、TIM内部或附近的空隙、分层或其他缝隙，即使它们非常薄间隙也是有效的绝缘体。热能通过传导从管芯向下传递，很少有热能穿过间隙。相反，它被重定向回模具，在无间隙区域里传导和辐射继续穿过材料界面，直到在散热器底部，热量从模块中带走。间隙的集体xy面积越大，返回芯片的热能就越多，IGBT失效的风险就越大。

2、陶瓷元件有时会翘曲或倾斜，上面的模具也可能倾斜。翘曲或倾斜可能导致陶瓷和散热器之间的焊料TIM 具有不同的厚度，这反过来可能会产生局部热点，从而导致芯片过热或破裂。

  在组装过程中，模块内部接口处可能会形成空隙、分层和其他缝隙。空隙通常只是TIM材料中的气泡，而分层通常被认为比空隙更薄，可能是由于表面污染阻碍了粘合。由于重复的热循环，IGBT模块和其他电子组件中的任何类型的间隙都可能变大，通常在x和y维度上。在某些模块中，冲击和振动等其他因素也会产生间隙。随着间隙逐渐变宽（但不一定变厚），其阻止热传输的能力会增加。在某些时候，间隙变得足够大，足以使芯片过热，并且模块出现电气故障。

  声学显微镜通过使用一个换能器对IGBT和其他样品进行成像，该换能器在扫描样品表面的同时将高频超声波脉冲输入样品中。移动换能器的工作是将超声波脉冲发送到样品中，并在百万分之几秒后接收来自不同深度的返回回波。在一秒钟内，换能器可以收集来自数千个xy坐标的回波，拾取将创建数千个像素的数据。超声波是“界面敏感的”，因为它仅从固体材料和间隙之间的界面反射，而不是从大量均质材料反射。用于成像IGBT陶瓷基板的超声波频率通常为30 MHz至50 MHz。

   由于焊料和空气具有截然不同的声学特性，因此空隙或其他间隙底部的焊料-空气界面几乎将所有脉冲反射回换能器。实际上，没有超声波能量可以穿过间隙顶部，在那里它会遇到另一个空气-焊料界面。间隙的近乎全反射有两个结果：

1、来自间隙的回波的振幅远高于来自粘合界面的回波，并且在声学图像中呈亮白色。绑定接口是一些灰色阴影。

2、无法对间隙正上方的特征进行成像，因为没有超声波能量到达它们。

   能器扫描散热器底部，将超声波脉冲发射到其表面。超声波通过散热器向上传播，并从焊料层的底部和顶部发回回波。在这些界面中的每一个处，一部分超声波被反射回换能器，另一部分继续传播。

   IGBT模块中三个管芯的散热器和陶瓷基板之间焊料层的声学图像。为了制作这幅图像，只有回波到达传感器的时间表明它们是从焊料层正下方的深度到焊料层正上方的深度也就是说，它们包括块状焊料及其两个界面。

   另一个IGBT陶瓷基板模块中芯片粘附层的声学图像。当沉积的芯片附着材料在通过放置芯片展开之前稍微固化时，形成了大而微弱的深色圆形特征。白色特征是管芯附着中的空隙。它们的数量和大小足以阻碍热传递，尤其是当它们在一定面积内生长时。如果它们扩展，它们中的一些足够接近以合并。

   由于IGBT陶瓷基板模块在飞机、电动汽车、火车和其他关键环境中提供高效率和快速切换，因此越来越多地在安装前对它们进行声学成像，以发现可能导致现场故障的异常情况。这种成像是在产品开发和生产过程中进行的，后者是因为工艺和材料都可能以微妙的方式发生变化，从而导致内部缺陷。设计出散热路径障碍物的IGBT陶瓷基板模块可能具有较长且无故障的使用寿命。