長期以來，由于水將掃描超聲換能器與IGBT模塊耦合，IGBT模塊無法通過聲學系統進行檢測。模塊制造商擔心，水蒸發后留下的微小殘留物可能會在高功率水平下形成泄漏路徑。

　　兩年前，Sonoscan通過翻轉換能器并將其放置在IGBT模塊下方，解決了實驗室聲學系統的這一問題，這樣可以掃描散熱器的底面。與此同時，系統配備了一個向上噴射水的水流，以維持換能器和其上方散熱器底面之間的水柱。這種系統設計使得水無法接觸到模塊頂部暴露的功率芯片和電路。

　　系統設計師現在已經將這一概念推進到了邏輯的下一步，推出了第一款用于IGBT模塊檢測的自動化聲學系統(專利申請中)。與其他為生產環境設計的聲學顯微鏡不同，這一自動化系統由于對部件(在本例中為IGBT模塊)的優越處理，能夠實現比實驗室系統更高的通量。

圖1

　　與實驗室系統的不同

　　與實驗室系統不同，自動化系統可以配備自動進料和出料裝置來處理IGBT模塊。這意味著它可以直接集成到生產線中。待檢模塊在系統一端堆疊，系統有兩個工作站和兩個換能器，以實現更高的整體通量。在圖1中，模塊被遮罩以保護制造商的身份。可以看到的兩塊PCB上方的換能器不在視線范圍內，分別位于每塊電路板的下方，并且是倒置的。由于系統是自動化的，操作員只需將待檢模塊堆放到指定位置，并激活用于檢測該類模塊的軟件配方。從這一點起，無需人為干預。

　　一個自動化機械系統將兩個IGBT模塊加載到各自的工作臺上，掃描過程開始。在一些現有系統中，模塊中唯一感興趣的深度是將散熱器與散熱器上方的陶瓷漂浮體結合的焊料層。此處的目標是氣孔、未粘結、分層和裂紋——這些缺陷很重要，因為它們會阻礙熱量傳遞到散熱器并被散發出模塊外。結果可能導致模塊過熱和故障。

　　在掃描過程中，換能器每秒通過水柱向散熱器表面發送數千個超聲波脈沖。每秒發射的數千個x-y坐標將通過一個像素在聲學圖像中表示，像素的顏色標識回波的強度。超聲波在材料界面處反射，生產材料之間良好結合的界面通常會反射部分脈沖并將其余部分通過界面傳遞。反射部分——即回波——通常具有中等幅度，并會形成某種灰色陰影的像素。聲學圖像中均勻灰色的材料界面正是工程師通常希望看到的。

　　他不希望看到的是明亮的紅色特征，紅色表示>99.99%的超聲波脈沖被反射為回波。在單色聲學圖像中，這些最高幅度的回波是明亮的白色;為了更好地可視化，通常會偽彩色為明亮的紅色(如這里所示)。這種回波特征通常出現在固體生產材料和氣體(如空氣)或真空之間的界面。空氣與如銅等材料的性質差異巨大，導致超聲波幾乎完全反射。

　　圖2中顯示的內容就是這一點，展現了一個相當大的IGBT模塊的聲學圖像片段。灰色方塊特征是焊料與下方兩塊陶瓷漂浮體之間界面的聲學圖像。超聲波是通過散熱器發射的;散熱器本身通常缺乏內部特征。灰色方塊內的紅色特征是焊料缺失或未與相鄰表面結合的區域。

圖2

　　在掃描過程中收集的數據會立即進行分析。系統的數字圖像分析?(DIA)軟件將測量每個陶瓷漂浮體上方焊料中氣孔的總面積。用戶定義的接受/拒絕標準可能要求，如果氣孔的總面積例如超過漂浮體面積的2%，則模塊應被拒絕。標準還可能考慮缺陷的x-y位置——不直接位于芯片下方的氣孔不如直接位于下方的氣孔嚴重。在掃描過程結束時，合格的模塊堆疊在系統前面，而不合格的模塊則堆疊在后面。聲學數據和圖像可以存儲在系統的計算機中，或存儲在用戶的工廠信息系統中。

　　因此，檢測過程迅速完成且人力介入最小。技術員稍后會檢查不合格模塊的圖像，以確定哪些模塊適合返工，但無需檢查合格模塊的圖像。

　　上述描述的最簡單檢測過程并不是唯一的選擇。在某些情況下，可以通過使用僅掃描模塊的重要區域而縮短檢測時間，并跳過沒有焊料、芯片粘接或芯片的區域。本次描述的檢測過程適合檢測單一感興趣層，例如焊料層。但系統用戶可能關注模塊內多個層次的缺陷。通常，關鍵缺陷是焊料層和芯片粘接材料中的氣孔。這兩者都會阻礙熱量，并因此構成模塊故障的風險。

　　在掃描期間，焊料層和芯片粘接層可以同時成像，而不增加掃描時間。使用一種掃描配方，為焊料層設置了一個門控——這意味著僅接受那些到達時間表明它們是由散熱器與漂浮體之間的材料界面反射的回波進行焊料層成像。為芯片粘接材料設置第二個門控，只使用那些源自漂浮體頂部和芯片底部之間的回波進行成像。

　　對于兩個感興趣深度的門控結果是兩個聲學圖像，一個用于焊料層，另一個用于芯片粘接層。變化的只有軟件從每個脈沖中接收兩個回波而不是一個。這個過程不會延長時間，并使用戶能夠覆蓋兩個潛在的故障點。焊料層中的氣孔將呈現明亮的白色。芯片粘接層中的氣孔也會呈現明亮的白色，但這些回波必須通過焊料層才能到達換能器。如果焊料層中存在氣孔，它們將在芯片粘接圖像中呈現為黑色聲學陰影，因為它們阻擋了一部分從芯片粘接層反射的超聲波。當然，芯片粘接層中的氣孔可能不會被看到，因為焊料中的氣孔正好位于其與換能器之間，但是，存在這種問題的模塊很可能已經被拒絕。

圖3

　　圖3中的聲學圖像覆蓋的區域與圖2相同，但它是在IGBT模塊的六個深度中的第五個深度上進行門控的。在圖2中看到的紅色缺陷在這里作為黑色特征顯示，因為第五深度返回的超聲波被這些氣孔阻擋。因此，圖2左側中央的三叉氣孔在圖3中變為黑色。圖3中的門控深度包括陶瓷漂浮體與芯片粘接材料之間的界面。每個芯片區域內的小紅色特征是芯片粘接中的氣孔。

　　門控的一個好處，特別是設置相對較窄的門控，可以使陶瓷漂浮體的傾斜更加明顯。如果漂浮體的一個區域實際上顯示出焊料層的一部分和芯片粘接層的一部分，那么漂浮體就傾斜，可能導致過熱。

　　結論

　　這個新的自動化系統提供了非破壞性地以高通量率檢查IGBT模塊內部特征的能力，符合用戶定義的接受與拒絕標準。除了啟動外，它在運行時無需技術人員，從而提高了模塊的質量。

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