IGBT功率模块超声检测:超声C扫描如何识别多层界面缺陷

IGBT（绝缘栅双极型晶体管）是一种用于控制高电压、大电流快速通断，实现电能变换和功率控制的功率半导体器件。

在新能源汽车中，IGBT主要用于电机逆变器，将直流电转换为交流电并控制电机驱动。

在光伏和风电系统中，用于逆变、变流及并网功率控制。

在轨道交通中，用于牵引电机的调速、牵引和制动。

IGBT功率模块内部通常包含功率芯片、DBC基板、底板及多个连接界面，芯片产生的热量需要沿这些结构向外传递。芯片连接层出现空洞，有效传热面积减小，局部热阻和结温随之升高。

DBC铜—陶瓷界面发生分层、脱粘，会破坏层间结合和传热，并影响绝缘性能。DBC与底板之间的焊接层出现大面积空洞或疲劳退化，则会抬高模块整体热阻，引起过温保护或功率输出异常。

IGBT功率模块内部结构示意图

针对这些封装内部界面，V422水浸超声扫描显微镜利用高频超声波对IGBT功率模块进行无损成像。设备支持A/B/C扫描及多层扫描，探头频率范围1–300MHz，可根据模块材料、厚度、检测深度和目标缺陷匹配探头，并对C扫异常区域的位置、面积及分布进行分析。

V422水浸超声扫描显微镜

IGBT功率模块内部的多个连接界面分布在不同深度，超声波到达不同深度的界面后，回波到达时间不同，因此可以选取不同深度分别生成C扫图像。 

底板-DBC下铜层结合界面：位于DBC向底板传热的连接区域，空洞、脱粘会减少有效结合面积，影响热量继续向底板传递。

底板-DBC下铜层结合界面C-Scan图

DBC下铜层-DBC陶瓷结合界面：下铜层与陶瓷层之间发生分层、脱粘，会破坏DBC内部的层间结合，影响热传导和结构可靠性。

DBC下铜层-陶瓷结合界面C-Scan图

DBC陶瓷-DBC上铜层结合界面：该界面靠近芯片侧，分层、脱粘会阻碍热量由上铜层向陶瓷层传递，并影响铜—陶瓷界面的结合状态。

陶瓷-DBC上铜层结合界面C-Scan图

空洞、分层、脱粘会改变局部界面的超声反射，C扫将回波差异转化为平面图像，可显示异常的位置、轮廓、面积及分布。不同深度的界面分别成像后，同一X-Y位置出现异常，也可以进一步确认缺陷具体位于哪个连接层。

底板-DBC下铜层结合C-Scan图

缺陷面积相近，分布方式不同，对模块的影响也会不同。缺陷集中在芯片下方，会直接减少局部有效传热面积。沿连接层边缘扩展，则反映界面结合状态正在发生变化。因此，IGBT超声检测除了观察缺陷面积，还需要结合位置、形态、分布和所在层位判断内部连接质量。

常规X-Ray采用穿透投影成像，多层结构沿厚度方向的信息会叠加在同一幅图中，对异常具体属于哪个连接界面的判断有限。分层、脱粘等沿结合界面发展的缺陷，超声C扫描利用深度信息对目标界面分别成像，既能看到缺陷在平面上的位置、面积和分布，也能确定异常所在层位，更直观地呈现IGBT功率模块内部多层界面的结合状态。

未来，Hiwave和伍将继续围绕IGBT等功率半导体器件的内部质量检测，持续提升超声成像、多层界面分析与缺陷定量能力，为研发验证、制程控制和质量检测提供更高效的无损检测方案。