超聲檢測在IGBT可靠性評估中的應用

王 斌,王之哲,陳 思,周 帥,王小強

(工業(yè)和信息化部電子第五研究所,廣東 廣州 510610)

絕緣柵雙極晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)是由BJT(雙極結型晶體三極管)和MOS(絕緣柵型場效應管)組成的復合全控型-電壓驅動式-功率半導體器件,具有輸入阻抗大、驅動電路簡單、控制功率小、開關速度快、導通電壓低、電流密度大等優(yōu)點[1],因此廣泛應用于功率電子系統(tǒng)中。在實際間歇工作時,IGBT模塊會經(jīng)歷周期性高低溫熱循環(huán),這就要求其擁有良好的熱可靠性,能夠長期穩(wěn)定工作。IGBT模塊內(nèi)部的界面缺陷會影響其散熱,進而導致熱失效,是影響其可靠性的重要因素之一[2],因而受到業(yè)界的廣泛關注。

目前常用的缺陷檢測方法有制樣鏡檢、X射線檢查和超聲檢測等。制樣鏡檢是通過制樣、研磨和拋光,利用顯微鏡或掃描電鏡對樣品內(nèi)部缺陷進行檢查,可以實現(xiàn)較高的分辨率,檢測精度高。但是制樣鏡檢是一種破壞性檢測;同時由于需要制樣,檢測時間較長(一般超過8 h),不適合大批量產(chǎn)品的缺陷檢測。X射線檢查是利用不同材料對X射線吸收能力的差異來確定缺陷的大小和位置,檢測時間相對較短(3D-Xray一般在1 h左右),且對樣品無損傷。但是X射線檢查只能探測材料缺失的缺陷(如焊料中的空洞等),無法探測分層、虛焊等缺陷。而超聲掃描檢測技術是利用不同材料聲阻抗的差異來確定缺陷的大小和位置,具有探測深度大、定位準確、檢測靈敏度高、成本低、使用方便、檢測速度快(只需要2～8 min)、不損傷樣品等優(yōu)勢,能夠實現(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,因此對元器件的缺陷探測及可靠性評估有著重要的意義,目前已廣泛應用在集成電路、片式多層瓷介電容器(MLCC)等領域的批量測試中。隨著技術的發(fā)展以及應用需要,超聲檢測技術正朝著高精度、高分辨率、數(shù)字化、圖像化、自動化、智能化方向不斷發(fā)展。

本文將超聲檢測技術應用于IGBT模塊的可靠性評估,從IGBT模塊的熱失效機理出發(fā),通過采用逐層超聲掃描檢測技術分析模塊內(nèi)部各界面的工藝質量,實現(xiàn)對IGBT模塊內(nèi)部分層、空洞等界面缺陷的無損檢測,為研制單位的工藝改進提供指導和借鑒。

1 IGBT模塊熱失效機理

IGBT模塊理想熱傳導示意圖如圖1(a)所示,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[3]。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模塊的熱設計,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,受限制于實際制造工藝,IGBT芯片與散熱銅基板間的各層材料界面會存在各種類型的間隙型缺陷,如空洞、分層、虛焊等。同時IGBT模塊間歇工作時經(jīng)歷的周期性高低溫循環(huán),會對模塊內(nèi)部各層施加周期性熱應力,造成間隙性缺陷的產(chǎn)生[4]。這些缺陷會在IGBT模塊的散熱通道中形成一個個有效的熱反射面,如圖1(b)所示。如果缺陷較多或較密集,就會把大量的熱量反射回芯片,導致IGBT芯片結溫升高,直接縮短模塊的工作壽命甚至會導致其熱疲勞失效。

圖1 IGBT模塊理想熱傳導示意圖(a)和熱失效示意圖(b)Fig.1 Schematic diagrams of(a)ideal thermal conduction and(b)thermal failure in the IGBT modules

2 超聲檢測原理及方法

2.1 超聲檢測原理

超聲檢測是一種采用高頻超聲波(頻率高于20 kHz)探測物體內(nèi)部各層結構的無損探測技術。超聲波需要通過一定的介質傳播,而且這些介質的分子間距越小,超聲波傳播的速度越快。這一效應直接決定了接收信號的特征,形成了顯微照片的對比度[5]。

不同介質具有不同的聲阻抗,聲阻抗Z代表超聲波在該介質中的傳播能力,一般是材料的密度ρ與超聲波在該介質中傳播速度v的乘積,即Z=ρv。超聲波在同一介質內(nèi)部是沒有反射的,但是在不同介質的界面會發(fā)生反射,不同深度的界面反射回聲到達傳感器的時間會有所差異,可以實現(xiàn)特定深度的界面顯像[6],能夠有效探測空洞、分層等界面回波明顯的缺陷。

反射波和透射波的能量關系,可以使用聲強反射率R和聲強透射率T來反映。

式中:Z1為入射材料的聲阻抗值;Z2為反射材料的聲阻抗值。

2.2 超聲檢測方法

超聲檢測是通過利用超聲波掃描顯微鏡實現(xiàn)的,在超聲波掃描顯微鏡系統(tǒng)中,圖像是隨聲波反射強弱逐級變化的模式。在傳感器來回掃描的過程中,會以每秒數(shù)千次的速度向樣品發(fā)射超聲波脈沖信號,并接收樣品內(nèi)部界面產(chǎn)生的反射信號,系統(tǒng)則會通過處理反射回來的信號得到對比度非常高的超聲波顯微圖像。

超聲波掃描顯微鏡主要的掃描模式有A掃描模式、B掃描模式和C掃描模式三種[7-10]。其中A掃描模式為最基本的掃描模式,即單點掃描,用于表征樣品內(nèi)部單點回波特性;B掃描模式是在A掃描模式(點對點)的基礎上,通過換能器在樣品X方向的移動,同時逐點做A掃描,相當于對樣品的某一X方向位置做了縱截面分析圖(見圖2(a));而C掃描模式則是在A掃描模式基礎上,通過對整個樣品或樣品的某一區(qū)域進行X-Y方向的平面掃描,從而得到樣品的橫截面切片圖(見圖2(b)),是目前最常用的掃描模式,非常適合大批量產(chǎn)品特定界面的缺陷檢測。

圖2 (a)B掃描模式;(b)C掃描模式Fig.2 (a)B scanning mode;(b)C scanning mode

3 IGBT模塊的逐層超聲檢測

IGBT模塊逐層超聲檢測示意圖如圖3所示,針對制約IGBT模塊可靠性的熱失效問題,可以利用超聲波掃描顯微鏡,通過采用C掃描模式,對模塊內(nèi)部各層界面開展逐層超聲掃描,檢測內(nèi)部各界面的缺陷,對IGBT模塊熱可靠性評估具有重要的意義。

圖3 IGBT模塊逐層超聲檢測示意圖Fig.3 Schematic diagram of the layer-by-layer acoustic inspection of the IGBT modules

以目前市場上常見的日本三菱FM600TU-07A型大功率三相橋IGBT模塊(見圖4)為例,通過采用德國PVA公司的SAM400超聲波掃描顯微鏡,對其內(nèi)部開展逐層超聲檢測。顯微鏡的探頭頻率為35 MHz,焦距為30 mm,可以穿透厚度3～8 mm的散熱銅基板檢測IGBT模塊內(nèi)部任意一層界面。

圖4 測試樣品外部形貌(a)和內(nèi)部形貌(b)(去掉首層PCB)Fig.4 (a)External and(b)internal features(without the first PCB layer)of the test sample

散熱銅基板和焊接層界面的超聲檢測結果如圖5所示,界面總缺陷率在2%以內(nèi)。超聲波在界面缺陷處會發(fā)生全反射,顯示為白色圓點。

圖5 銅基板和焊接層界面照片F(xiàn)ig.5 Photograph of the interface between the Cu base-plate and the solder

DBC陶瓷基板和焊接層界面的超聲檢測結果如圖6所示,只在樣品左側發(fā)現(xiàn)有一個微小的空洞缺陷,界面工藝質量良好。由于超聲波在全反射后不能繼續(xù)往下層傳播,所以圖5中的白色圓點,投影到圖6中,可以找到相對應的黑點。

圖6 陶瓷基板和焊接層界面照片F(xiàn)ig.6 Photograph of the interface between the ceramic base-plate and the solder

DBC陶瓷基板和芯片焊接層界面的超聲檢測結果如圖7所示,可以發(fā)現(xiàn)界面不存在較為明顯的缺陷,焊接工藝符合標準。

IGBT芯片和芯片焊接層界面的超聲檢測結果如圖8所示,白點對應界面缺陷,分析可得界面總缺陷率在3%以內(nèi)。

逐層超聲檢測結果顯示該進口大功率三相橋IGBT模塊內(nèi)部各層界面的空洞、分層等缺陷較少,且缺陷位置分散,無密集型缺陷存在,界面工藝質量較好。

圖7 陶瓷基板和芯片焊接層界面照片F(xiàn)ig.7 Photograph of the interface between the ceramic base-plate and the chip solder

圖8 芯片和芯片焊接層界面照片F(xiàn)ig.8 Photograph of the interface between the chip and the chip solder

4 結論

本文從IGBT模塊的熱失效機理出發(fā),結合超聲檢測原理,利用逐層超聲掃描檢測技術,實現(xiàn)IGBT模塊內(nèi)部界面和結構缺陷的無損檢測,準確找到IGBT模塊材料、工藝中出現(xiàn)的問題,對IGBT模塊質量提升具有一定的指導意義。