长期以来，由于水将扫描超声换能器与IGBT模块耦合，IGBT模块无法通过声学系统进行检测。模块制造商担心，水蒸发后留下的微小残留物可能会在高功率水平下形成泄漏路径。

　　两年前，Sonoscan通过翻转换能器并将其放置在IGBT模块下方，解决了实验室声学系统的这一问题，这样可以扫描散热器的底面。与此同时，系统配备了一个向上喷射水的水流，以维持换能器和其上方散热器底面之间的水柱。这种系统设计使得水无法接触到模块顶部暴露的功率芯片和电路。

　　系统设计师现在已经将这一概念推进到了逻辑的下一步，推出了第一款用于IGBT模块检测的自动化声学系统(专利申请中)。与其他为生产环境设计的声学显微镜不同，这一自动化系统由于对部件(在本例中为IGBT模块)的优越处理，能够实现比实验室系统更高的通量。

图1

　　与实验室系统的不同

　　与实验室系统不同，自动化系统可以配备自动进料和出料装置来处理IGBT模块。这意味着它可以直接集成到生产线中。待检模块在系统一端堆叠，系统有两个工作站和两个换能器，以实现更高的整体通量。在图1中，模块被遮罩以保护制造商的身份。可以看到的两块PCB上方的换能器不在视线范围内，分别位于每块电路板的下方，并且是倒置的。由于系统是自动化的，操作员只需将待检模块堆放到指定位置，并激活用于检测该类模块的软件配方。从这一点起，无需人为干预。

　　一个自动化机械系统将两个IGBT模块加载到各自的工作台上，扫描过程开始。在一些现有系统中，模块中唯一感兴趣的深度是将散热器与散热器上方的陶瓷漂浮体结合的焊料层。此处的目标是气孔、未粘结、分层和裂纹——这些缺陷很重要，因为它们会阻碍热量传递到散热器并被散发出模块外。结果可能导致模块过热和故障。

　　在扫描过程中，换能器每秒通过水柱向散热器表面发送数千个超声波脉冲。每秒发射的数千个x-y坐标将通过一个像素在声学图像中表示，像素的颜色标识回波的强度。超声波在材料界面处反射，生产材料之间良好结合的界面通常会反射部分脉冲并将其余部分通过界面传递。反射部分——即回波——通常具有中等幅度，并会形成某种灰色阴影的像素。声学图像中均匀灰色的材料界面正是工程师通常希望看到的。

　　他不希望看到的是明亮的红色特征，红色表示>99.99%的超声波脉冲被反射为回波。在单色声学图像中，这些最高幅度的回波是明亮的白色;为了更好地可视化，通常会伪彩色为明亮的红色(如这里所示)。这种回波特征通常出现在固体生产材料和气体(如空气)或真空之间的界面。空气与如铜等材料的性质差异巨大，导致超声波几乎完全反射。

　　图2中显示的内容就是这一点，展现了一个相当大的IGBT模块的声学图像片段。灰色方块特征是焊料与下方两块陶瓷漂浮体之间界面的声学图像。超声波是通过散热器发射的;散热器本身通常缺乏内部特征。灰色方块内的红色特征是焊料缺失或未与相邻表面结合的区域。

图2

　　在扫描过程中收集的数据会立即进行分析。系统的数字图像分析™(DIA)软件将测量每个陶瓷漂浮体上方焊料中气孔的总面积。用户定义的接受/拒绝标准可能要求，如果气孔的总面积例如超过漂浮体面积的2%，则模块应被拒绝。标准还可能考虑缺陷的x-y位置——不直接位于芯片下方的气孔不如直接位于下方的气孔严重。在扫描过程结束时，合格的模块堆叠在系统前面，而不合格的模块则堆叠在后面。声学数据和图像可以存储在系统的计算机中，或存储在用户的工厂信息系统中。

　　因此，检测过程迅速完成且人力介入最小。技术员稍后会检查不合格模块的图像，以确定哪些模块适合返工，但无需检查合格模块的图像。

　　上述描述的最简单检测过程并不是唯一的选择。在某些情况下，可以通过使用仅扫描模块的重要区域而缩短检测时间，并跳过没有焊料、芯片粘接或芯片的区域。本次描述的检测过程适合检测单一感兴趣层，例如焊料层。但系统用户可能关注模块内多个层次的缺陷。通常，关键缺陷是焊料层和芯片粘接材料中的气孔。这两者都会阻碍热量，并因此构成模块故障的风险。

　　在扫描期间，焊料层和芯片粘接层可以同时成像，而不增加扫描时间。使用一种扫描配方，为焊料层设置了一个门控——这意味着仅接受那些到达时间表明它们是由散热器与漂浮体之间的材料界面反射的回波进行焊料层成像。为芯片粘接材料设置第二个门控，只使用那些源自漂浮体顶部和芯片底部之间的回波进行成像。

　　对于两个感兴趣深度的门控结果是两个声学图像，一个用于焊料层，另一个用于芯片粘接层。变化的只有软件从每个脉冲中接收两个回波而不是一个。这个过程不会延长时间，并使用户能够覆盖两个潜在的故障点。焊料层中的气孔将呈现明亮的白色。芯片粘接层中的气孔也会呈现明亮的白色，但这些回波必须通过焊料层才能到达换能器。如果焊料层中存在气孔，它们将在芯片粘接图像中呈现为黑色声学阴影，因为它们阻挡了一部分从芯片粘接层反射的超声波。当然，芯片粘接层中的气孔可能不会被看到，因为焊料中的气孔正好位于其与换能器之间，但是，存在这种问题的模块很可能已经被拒绝。

图3

　　图3中的声学图像覆盖的区域与图2相同，但它是在IGBT模块的六个深度中的第五个深度上进行门控的。在图2中看到的红色缺陷在这里作为黑色特征显示，因为第五深度返回的超声波被这些气孔阻挡。因此，图2左侧中央的三叉气孔在图3中变为黑色。图3中的门控深度包括陶瓷漂浮体与芯片粘接材料之间的界面。每个芯片区域内的小红色特征是芯片粘接中的气孔。

　　门控的一个好处，特别是设置相对较窄的门控，可以使陶瓷漂浮体的倾斜更加明显。如果漂浮体的一个区域实际上显示出焊料层的一部分和芯片粘接层的一部分，那么漂浮体就倾斜，可能导致过热。

　　结论

　　这个新的自动化系统提供了非破坏性地以高通量率检查IGBT模块内部特征的能力，符合用户定义的接受与拒绝标准。除了启动外，它在运行时无需技术人员，从而提高了模块的质量。

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