超聲檢測(cè)在IGBT可靠性評(píng)估中的應(yīng)用

王 斌,王之哲,陳 思,周 帥,王小強(qiáng)

(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(jié)型晶體三極管)和MOS(絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型-電壓驅(qū)動(dòng)式-功率半導(dǎo)體器件,具有輸入阻抗大、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、控制功率小、開(kāi)關(guān)速度快、導(dǎo)通電壓低、電流密度大等優(yōu)點(diǎn)[1],因此廣泛應(yīng)用于功率電子系統(tǒng)中。在實(shí)際間歇工作時(shí),IGBT模塊會(huì)經(jīng)歷周期性高低溫?zé)嵫h(huán),這就要求其擁有良好的熱可靠性,能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。IGBT模塊內(nèi)部的界面缺陷會(huì)影響其散熱,進(jìn)而導(dǎo)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(guān)注。

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

本文將超聲檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于IGBT模塊的可靠性評(píng)估,從IGBT模塊的熱失效機(jī)理出發(fā),通過(guò)采用逐層超聲掃描檢測(cè)技術(shù)分析模塊內(nèi)部各界面的工藝質(zhì)量,實(shí)現(xiàn)對(duì)IGBT模塊內(nèi)部分層、空洞等界面缺陷的無(wú)損檢測(cè),為研制單位的工藝改進(jìn)提供指導(dǎo)和借鑒。

1 IGBT模塊熱失效機(jī)理

IGBT模塊理想熱傳導(dǎo)示意圖如圖1(a)所示,IGBT模塊中芯片產(chǎn)生的熱量是通過(guò)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(guò)IGBT模塊的熱設(shè)計(jì),可以使熱量以一定速度通過(guò)各層材料,防止模塊的過(guò)熱失效。然而,受限制于實(shí)際制造工藝,IGBT芯片與散熱銅基板間的各層材料界面會(huì)存在各種類型的間隙型缺陷,如空洞、分層、虛焊等。同時(shí)IGBT模塊間歇工作時(shí)經(jīng)歷的周期性高低溫循環(huán),會(huì)對(duì)模塊內(nèi)部各層施加周期性熱應(yīng)力,造成間隙性缺陷的產(chǎn)生[4]。這些缺陷會(huì)在IGBT模塊的散熱通道中形成一個(gè)個(gè)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(huì)把大量的熱量反射回芯片,導(dǎo)致IGBT芯片結(jié)溫升高,直接縮短模塊的工作壽命甚至?xí)?dǎo)致其熱疲勞失效。

圖1 IGBT模塊理想熱傳導(dǎo)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(cè)原理及方法

2.1 超聲檢測(cè)原理

超聲檢測(cè)是一種采用高頻超聲波(頻率高于20 kHz)探測(cè)物體內(nèi)部各層結(jié)構(gòu)的無(wú)損探測(cè)技術(shù)。超聲波需要通過(guò)一定的介質(zhì)傳播,而且這些介質(zhì)的分子間距越小,超聲波傳播的速度越快。這一效應(yīng)直接決定了接收信號(hào)的特征,形成了顯微照片的對(duì)比度[5]。

不同介質(zhì)具有不同的聲阻抗,聲阻抗Z代表超聲波在該介質(zhì)中的傳播能力,一般是材料的密度ρ與超聲波在該介質(zhì)中傳播速度v的乘積,即Z=ρv。超聲波在同一介質(zhì)內(nèi)部是沒(méi)有反射的,但是在不同介質(zhì)的界面會(huì)發(fā)生反射,不同深度的界面反射回聲到達(dá)傳感器的時(shí)間會(huì)有所差異,可以實(shí)現(xiàn)特定深度的界面顯像[6],能夠有效探測(cè)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(guān)系,可以使用聲強(qiáng)反射率R和聲強(qiáng)透射率T來(lái)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(cè)方法

超聲檢測(cè)是通過(guò)利用超聲波掃描顯微鏡實(shí)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(qiáng)弱逐級(jí)變化的模式。在傳感器來(lái)回掃描的過(guò)程中,會(huì)以每秒數(shù)千次的速度向樣品發(fā)射超聲波脈沖信號(hào),并接收樣品內(nèi)部界面產(chǎn)生的反射信號(hào),系統(tǒng)則會(huì)通過(guò)處理反射回來(lái)的信號(hào)得到對(duì)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(diǎn)掃描,用于表征樣品內(nèi)部單點(diǎn)回波特性;B掃描模式是在A掃描模式(點(diǎn)對(duì)點(diǎn))的基礎(chǔ)上,通過(guò)換能器在樣品X方向的移動(dòng),同時(shí)逐點(diǎn)做A掃描,相當(dāng)于對(duì)樣品的某一X方向位置做了縱截面分析圖(見(jiàn)圖2(a));而C掃描模式則是在A掃描模式基礎(chǔ)上,通過(guò)對(duì)整個(gè)樣品或樣品的某一區(qū)域進(jìn)行X-Y方向的平面掃描,從而得到樣品的橫截面切片圖(見(jiàn)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(cè)。

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(cè)

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

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

以目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的日本三菱FM600TU-07A型大功率三相橋IGBT模塊(見(jiàn)圖4)為例,通過(guò)采用德國(guó)PVA公司的SAM400超聲波掃描顯微鏡,對(duì)其內(nèi)部開(kāi)展逐層超聲檢測(cè)。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(cè)IGBT模塊內(nèi)部任意一層界面。

圖4 測(cè)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(cè)結(jié)果如圖5所示,界面總?cè)毕萋试?%以內(nèi)。超聲波在界面缺陷處會(huì)發(fā)生全反射,顯示為白色圓點(diǎn)。

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(cè)結(jié)果如圖6所示,只在樣品左側(cè)發(fā)現(xiàn)有一個(gè)微小的空洞缺陷,界面工藝質(zhì)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(diǎn),投影到圖6中,可以找到相對(duì)應(yīng)的黑點(diǎn)。

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(cè)結(jié)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(biāo)準(zhǔn)。

IGBT芯片和芯片焊接層界面的超聲檢測(cè)結(jié)果如圖8所示,白點(diǎn)對(duì)應(yīng)界面缺陷,分析可得界面總?cè)毕萋试?%以內(nèi)。

逐層超聲檢測(cè)結(jié)果顯示該進(jìn)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(wú)密集型缺陷存在,界面工藝質(zhì)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(jié)論

本文從IGBT模塊的熱失效機(jī)理出發(fā),結(jié)合超聲檢測(cè)原理,利用逐層超聲掃描檢測(cè)技術(shù),實(shí)現(xiàn)IGBT模塊內(nèi)部界面和結(jié)構(gòu)缺陷的無(wú)損檢測(cè),準(zhǔn)確找到IGBT模塊材料、工藝中出現(xiàn)的問(wèn)題,對(duì)IGBT模塊質(zhì)量提升具有一定的指導(dǎo)意義。