断熱ゲートバイポーラ トランジスタ（IGBT）は、主に電子スイッチとして使用される3端子のパワー半導体デバイスで、高効率と高速スイッチングを両立させるために開発されました。可変周波数駆動装置（VFD）、電気自動車、電車、可変速冷蔵庫、風力タービン、ランプ安定器、エアコン、炊飯器、さらにはスイッチングアンプを備えたステレオシステムなど、多くの現代機器で電力のスイッチングに使用されています。

これらのデバイスは非常に複雑で高価であり、構成部品に大きな負荷がかかります。現場で使用されているIGBTユニットの故障メカニズムの大部分は、内部温度の上昇や熱応力の増大に起因しています。重要な界面におけるボイドの発生が、これらの故障の主な原因であることは、十分に立証され、広く認められています。 

本稿では、製造中および製造直後の非破壊・非損傷検査方法として、X線技術の活用について検討する。目的は、ボイドの発生を抑制することで製造工程を改善し、交換費用が高額になりがちなこれらの部品の長期的な信頼性を向上させることである。これは、ユニットのコストだけでなく、設置場所や交換までの費用にも関わる。これらのユニットは遠隔地や重要な場所に設置されることが多く、故障すると莫大なコストと保証問題が発生する。 

家電製品には、性能、快適性、効率性を向上させるインバータ駆動モーターがますます求められるようになっています。これらはハイエンド製品にとって必須の要素です。消費者は、炊飯器のIHクッキングヒーターなど、より高度な家庭用ソリューションも利用しています。これらの新しい用途は、民生用アプリケーションにおけるIGBTの成長に貢献する一方で、製造サイクルに価格面での圧力を増大させるでしょう。ボイドの発生を抑制することは、この技術の継続的な成功にとって極めて重要です。 

IGBTモジュールの積層構造の目的は、ダイ上の回路からヒートシンクの底面まで、熱を効率的に伝導する低熱抵抗経路を作り出すことです。この一般的な設計では、ダイを含めて、熱は5層の材料を通過します。セラミック基板とヒートシンクは、熱伝導抵抗が低いという理由で選ばれており、熱界面材料（TIM）も同様です。

上の図からわかるように、これらのアセンブリには多くの異種材料と応力のかかる接合部があり、そこに空隙が加わると、多くの故障が発生する原因となります。これらの故障のほとんどは現場で発生します。 

ギャップ（空隙）を通過する熱エネルギーはごくわずかです。代わりに、熱エネルギーはダイに向かって反射されます。ギャップのない領域では、伝導と放射が材料の界面を横切って継続し、ヒートシンクの底部でモジュールから熱が運び去られます。ギャップの総面積（xy）が大きいほど、ダイに向かって反射される熱エネルギーが多くなり、IGBTの故障リスクが高くなります。下の図はこれを非常に明確に示しています。 

一部の企業は故障予測のためにモデリングに頼ったが、ボイドは一定ではないため、これらの式に簡単に組み込むことができず、この方法は不十分である。従来のX線では、IGBTアセンブリに見られる多数の熱界面と非常に厚い銅製ヒートシンクのために、このボイドをうまく示すことが困難である（下の画像を参照）。

さらに、デバイスまたはその一部の3Dモデルを簡単かつ迅速に再構築し、重要な領域を調査するために断面表示することも可能です。

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「ボイドに関連するIGBTの故障メカニズム」