絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT）は、高効率と高速スイッチングを組み合わせた電子スイッチとして主に使用される3端子のパワー半導体デバイスです。現代の多くの機器で電力のスイッチングを行っています。インバータ（可変周波数ドライブ）、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搭載したステレオシステムに至るまで幅広く使用されています。

これらのデバイスは非常に複雑かつ高価であり、構成部品に莫大な負荷がかかります。フィールドにおけるIGBTユニットの故障メカニズムの大半は、過度な内部温度や熱応力に起因しています。重要な接合部におけるボイドの発生が、こうした故障の主要因であることが十分に実証され、広く認められています。 

ここでは、製造中および製造直後の非破壊・非接触の検査方法として、X線技術について解説します。目的は、ボイドの低減によってプロセスを改善し、交換に多額の費用がかかることが多いこれらの部品の長期信頼性を向上させることです。ユニットのコストだけでなく、設置場所や、ユニットが交換されるまでに発生する費用も考慮されます。これらのユニットは過酷な環境や重要な状況で使用されることが多く、故障は莫大なコストや保証の問題を引き起こします。 

家電製品では、より優れた性能、快適性、効率性を提供するインバータ駆動モーターの需要が高まっており、これらはハイエンド製品にとって必須の条件となっています。また、消費者は炊飯器のIHプレートのような、より高度な家庭向けソリューションを利用するようになっています。こうした新しい用途は民生分野におけるIGBTの成長に寄与する一方で、製造サイクルにおける価格競争力をさらに高める要因となっています。ボイドの低減は、この技術の継続的な成功にとって極めて重要です。 

IGBTモジュールの層状設計の目的は、ダイの上面にある回路から、熱が放散されるヒートシンクの底面へと、効率的で熱抵抗の低い経路を作り出すことです。ダイを含め、この一般的な設計では、熱は5つの材料層を通過します。セラミック基板やヒートシンクは、熱伝導率の低さに加え、サーマルインターフェースマテリアル（TIM）と同様に選定されています。

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なる材料や応力のかかる接合部が存在し、そこにボイドが加わることで、多くの故障を引き起こす要因となります。これらの故障のほとんどはフィールドで発生します。 

隙間（ボイド）があると、熱エネルギーはほとんど伝わりません。代わりにダイの方向へ押し返されます。隙間のない領域では、材料の接合部を介して伝導と放射が続けられ、最終的にヒートシンクの底面からモジュール外へと熱が放散されます。隙間のx-y平面上の総面積が大きくなるほど、ダイに向かう熱エネルギーが増加し、IGBTが故障するリスクが高まります。下図は、この現象を非常に明確に示しています。 

一部の企業では、故障を予測するためにモデリングを採用していますが、ボイドは一定ではないため数式に簡単に組み込むことができず、この方法は不十分です。従来のX線検査では、熱接合部の数が多いことや、下図に見られるようなIGBTアセンブリの非常に厚い銅製ヒートシンクが原因で、このボイドを鮮明に捉えることが困難です。

さらに、デバイス全体またはその一部の3Dモデルを簡単かつ迅速に再構築し、スライスして主要な領域を調査することができます。

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「ボイドに関連するIGBTの故障メカニズム」