IGBT模块焊料层空洞的形成及常用的无损检测方式

日期：2024-05-05 08:50

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摘要：绝缘栅双极晶体管（IGBT）由于其高输入阻抗，开关速度快，通态电压低、阻断电压高、承受电流大和良好的热稳定性而成为当今功率半导体器件开发的主流。其应用领域广泛，已广泛应用于高铁及轨道交通，汽车电子，风力发电，太阳能，家用电器，节能，UPS，数控机床，焊接机，动力传动等领域。对于IGBT模块，模块的外部是外壳和金属端子。不仅有芯片，而且还有键合线，绝缘陶瓷基板和焊接层，统称为机械连接。为了保证产品的耐用性，即产品的使用寿命。 IGBT模块制造商将在产品*终确定之前进行一系列可靠性测试，以确保产...

绝缘栅双极晶体管（IGBT）由于其高输入阻抗，开关速度快，通态电压低、阻断电压高、承受电流大和良好的热稳定性而成为当今功率半导体器件开发的主流。其应用领域广泛，已广泛应用于高铁及轨道交通，汽车电子，风力发电，太阳能，家用电器，节能，UPS，数控机床，焊接机，动力传动等领域。

对于IGBT模块，模块的外部是外壳和金属端子。不仅有芯片，而且还有键合线，绝缘陶瓷基板和焊接层，统称为机械连接。为了保证产品的耐用性，即产品的使用寿命。 IGBT模块制造商将在产品*终确定之前进行一系列可靠性测试，以确保产品的长期耐用性。

IGBT模块生产工艺过程涉及许多环节。在真空回流焊接过程中，芯片与直接键合铜（DBC）基板上的铜层之间的焊料层以及DBC下部铜层与模块底板之间的焊料层由于工艺限制，焊料层将会存在空洞。

焊料层的空洞缺陷也会出现在贴装工艺步骤中。IGBT模块期间在使用期间，空洞会不稳定，由于材料热膨胀系数（CTE，热膨胀系数）的不匹配，在工作过程中模块温度变化时会产生热应力，从而进一步扩大空洞。甚至导致相邻的空洞连接成一片，使得焊料层分层，从而导致模块的功能失效。

出现空洞的原因有很多，它们的存在极大地影响了模块的热性能，这使得模块的热阻增加，散热性能下降，器件的局部温度升高甚至焊料层和基板分层等故障会进一步降低模块的可靠性和使用寿命。

将芯片焊接到DBC基板上，再将DBC基板焊接到铜基板上，然后通过厚铝线键合工艺实现芯片与外部端子之间的电连接，然后在外壳上安装密封胶然后倒入硅胶以实现模块内部的IGBT密封，防潮，防震和绝缘。

IGBT模块的内部由MOSFET和BJT组成，该产品极易发生静电击穿和过电应力破坏。装置的安装面暴露在空气中，极易氧化，影响后续安装和使用。IGBT模块的封闭性就导致了对其工艺检测的难度，内部缺陷只能通过无损检测的方式进行，必须采用专用的检测手段进行筛选及防护。

无损检测焊料层的空洞通常采用X-RAY（X射线）无损检测，X-ray检测设备是通过X射线穿透被检物，对其内部进行成像，从而直观的通过检测图像，看到内部缺陷的一种检测方式。X射线无损检测在半导体检测领域的应用十分广泛。可以有效的检测出IGBT模块内部的空洞率、空洞的位置和尺寸，有效的帮助客户进行半导体可靠性分析。

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