Обнаружение дефектов модуля IGBT с помощью 3D

Отсутствие планарности вдоль границы раздела между спайкой и керамической платформой, в модуле IGBT является общей аномалией, которая может сделать рассеивание тепла неравномерным по всему устройству и вызвать разрушение матрицы. Отклонения от планарности как в керамической подложки, так и в слое припоя обычно незначительны, причем вариации обычно измеряются в десятках (а иногда и в единицах) микрон.

Эти отклонения могут быть отображены с помощью ряда режимов акустического микро-объектива. Тем не менее, режим, который облегчает визуализацию неровностей конкретного модуля и расчета возможных последствий, которые он может представить, представляет собой трехмерную акустическую микро-визуализацию или 3D-AMI.

Как инструмент, Sonoscan C-SAM, который посылает ультразвук в образец и «собирает» сигналы, отраженные от поверхности слоя (эхо-сигналы), создает трехмерное изображение? Модуль IGBT расположен над преобразователем, который вместе с его сопровождающим «Waterplume» перевернут. В этом положении он может сканировать нижнюю боковую пластину модуля. Ультразвук на этих частотах (например, 30 МГц) не будет перемещаться по воздуху, поэтому Waterplume постоянно держит основную плату преобразователя включенной в двух развертках — назад и вперед.

Каждую секунду преобразователь генерирует несколько тысяч импульсов ультразвука. По мере того, как ультразвук переходит в модуль IGBT, его частично отражают переходные площадки между материалами. Первой переходной площадкой является то, что находится между слоем охлаждения (охлаждающее вещество) и основной платой. Вторая переходная площадка находится между основной платформой и припоем. Оба этих интерфейса обычно плоские.

Эхо, отраженное от поверхности слоя охлаждающая жидкость — основная плата, будет возвращаться к преобразователю за одинаковое количество наносекунд. Однако те, которые отражены от слоя пайки к подложке, будут поступать на преобразователь с однородным интервалом, только в том случае, если подложка плоская. Если на ней имеются какие-то дефекты — ультразвуковые сигналы, отраженные от поверхности, будут приходить с разным интервалом.

Скорость отражения ультразвука определяется материалом, через который он проходит. Через припой он перемещается со скоростью около 4000 метров в секунду. Поскольку каждая последовательность импульсного эха занимает всего несколько микросекунд, быстродействующий преобразователь может посылать тысячи ультразвуковых сигналов и обрабатывать тысячи эхо-сигналов из отдельных точек в секунду.

Преобразователь может обнаруживать четыре свойства отражающегося сигнала: его спектр ультразвуковой частоты, амплитуду, полярность и время его поступления. Для построения 3D изображения, преобразователю необходимо знать время прохождения сигнала через все слои IGBT транзистора. Время пересчитывается в расстояние, и каждое отражение ультразвукового сигнала становится одним пикселем в изображении.

На рисунке ниже представлено акустическое изображение слоя припоя к подложке в модуле, где три платформы сильно искажены. Это изображение режима разности по времени, в котором поступающим эхо-сигналам назначаются цвета пикселей в соответствии с их глубиной. Хотя оно различает глубины, это не 3D-изображение, потому что пиксели не были преобразованы в вертикальные линии.

На рисунке ниже показан сигнал через плоскую опорную платформу. Слой пайки является самым толстым, а слой припоя наиболее глубоким, в красной области справа от центра платформы. Вертикальная цветная карта слева отображает всю последовательность цветов: желтый припой тоньше красного, синий еще тоньше и так далее. Разная толщина припоя вызвана искажением поверхности платформы, на которой расположен p-n переход. Тысячи ультразвуковых сигналов, используемых для создания этого изображения, были получены с разных уровней транзистора в пределах глубины, начиная от слоя радиатор — слой пайки и до предполагаемого слоя пайки-платформы.

Создание «акустического изображения»

Для получения изображения, непосредственно отображающего размеры, программное обеспечение сначала идентифицирует расстояние каждой точки отражения ультразвукового сигнала от главной платы и устанавливает цвет для каждого расстояния. Вертикальное расстояние всех пикселей затем увеличивается на заданную величину. Полученная трехмерная структура должна быть отклонена от вертикальной оси, чтобы сделать все три измерения видимыми.

На рисунке ниже пиксельные данные были увеличены, чтобы отобразить все три измерения, а модуль был наклонен. Белая область — это базовая платформа, поэтому различные углы контура интерфейсов сплава-пайдера теперь сверху и выглядят как купола. Самая высокая точка на плоту центра, которая была красной на рисунке выше, также здесь красная. Это самый дальний от белой плиты и, таким образом, представляет собой самую глубокую депрессию в этой подложке. Две другие подложки имеют более мягкие округлые углубления; они более умеренно размыты.

Высокие тонкие линии — это просто места, где припой на краю подложки поднимается выше уровня подложки. Вертикальные размеры этих «шишек» больше других вместе с интерфейсом припоя-подложки, и припой обычно поднимается лишь чуть выше подложки.

На рисунке ниже изображение модуля было повернуто для просмотра функций сбоку. Многоцветные плоские стены на ближних сторонах платформ просто используют цвет пикселя непосредственно выше. Это может быть вид подложки B, где часть наклонной поверхности находится на темно-синей глубине; на плоской стороне, обращенной к зрителю, синие линии с этой глубины просто проходят прямо вниз. Вертикальные размеры, конечно, увеличены, но пропорции сохранены. Средний слой фактически имеет на левой стороне толщину припоя примерно один к пяти, по сравнению с его правой стороной. Шкала внизу изображения показывает, что ширина группы слоев составляет около 100 мм.

Основные несоответствия

Явное расхождение в структуре припоя А на рисунке выше и структура одного и того же припоя на первом рисунке. На первом рисунке, становится ясно, что очень мало припоя существует между опорной плитой и левыми верхними и нижними углами подложки. Но на рисунке выше нижние левые углы всех трех плотов видны в трех измерениях, и похоже, что слой припоя (розовый цвет) на углу подложки A относительно толстый. Фактически, он толще, чем припой в левом нижнем углу подложки B справа.

Объяснение этого несоответствия можно увидеть в двух левых углах подложки A на первом рисунке. Углы выглядят белыми, что указывает на очень тонкий слой припоя. Но в углах также есть множество мелких зеленых объектов. Это пустоты (пузырьки воздуха), которые, как правило, присутствуют в IGBT-модулях в углах, где слой припоя тонкий. Пустоты в IGBT часто относительно большие, и в этом случае они достаточно толстые, чтобы изменить внешний вид угла на последнем рисунке.

Слой C отличается в этом смысле, что его край переместился довольно близко к подложке. Вертикальные белые линии между верхним слоем и подложкой похожи визуально на пустое пространство. В центре слоя C большие выступы от припоя, достигающего почти такой же высоты, как и самая верхняя точка слоя.

Верхняя часть слоя В на рисунке выше, обозначенная стрелкой, увеличена на рисунке ниже. Как отмечалось ранее, высокие тонкие линии, которые поднимаются над соединением между слоями на краях подложки, представляют собой скромные высоты припоя между соседними слоями. Но в центре, показанном на рисунке ниже, расположены несколько высоких линий, которые отчетливо видны не близко к краю подложки. Они вызваны отражениями от верхних поверхностей пустот, которые лежат между основной подложкой и припоем.

Изображение планарного отражения этих пустот также можно увидеть прямо справа от центра на рисунке ниже, который представляет собой изображение без 3D-отражения, где амплитуда обратного эха преобразуется в цвет или, как здесь, яркость. Ниже на рисунке показана глубина примерно от половины слоя припоя к поверхности подложки и немного дальше. Пустоты также видны, хотя и менее отчетливо, справа от центра, чем на самом первом изображении.

В общем случае, если IGBT-модуль может отображаться акустически в режиме отражения, его можно также визуализировать в 3D. Эхо-сигналы одинаковы в обоих режимах, но в режиме отражения они преобразуются в цвет, а в 3D — в однопиксельную вертикальную функцию. Значение 3D-акустической визуализации заключается в обработке значительных функций. Другие режимы могут измерять эти функции и создавать плоские изображения, но акустический 3D упрощает визуализацию их структуры.