Optimizing defect detection in connections of power electronics by laser speckle photometry

For reliable structures in power electronics, it is crucial to guarantee the proper quality of their interconnection layers. At the moment, most of these joints are made by a solder process. Like every joining process, irregularities such as cracks or voids can impair their thermal and structural resilience. In the context of power electronics, one of the most important factors is the heat path from semiconductor devices into the substrates they are soldered onto. A disturbed heat path can, in the worst case, lead to failure of an entire (safety-relevant) system. Recent investigations have shown that the Laser Speckle Photometry (LSP) is a promising method to detect such impurities. Therefore, the specimen is illuminated by coherent monochromatic light. The interfering effects can then be recorded and analysed, since their behaviour can be correlated with the sample's state. Additionally, due to its easy setup and its non-contact, non-destructive manner, the LSP could be well suited even for inline applications. The previous publication presented a simulation that showed the underlying physical processes and the transmission of these into a real setup, testing on synthetically provoked voids. This paper will concentrate on improving the system to analyse real samples, optimize measurement times and provide an outlook for further development steps.

Für zuverlässige Aufbauten in der Leistungselektronik ist es von entscheidender Bedeutung, dass die Qualität von Verbindungsschichten gewährleistet ist. Gegenwärtig werden die meisten dieser Verbindungen durch ein Lötverfahren hergestellt. Wie bei jedem Fügeverfahren können Unregelmäßigkeiten wie Risse oder Hohlräume die thermische und strukturelle Belastbarkeit beeinträchtigen. Im Zusammenhang mit der Leistungselektronik ist einer der wichtigsten Faktoren der Wärmepfad von Halbleiterbauelementen in die Substrate, auf die sie gelötet sind. Ein gestörter Wärmepfad kann im schlimmsten Fall zum Ausfall eines ganzen (sicherheitsrelevanten) Systems führen. Neuere Untersuchungen haben gezeigt, dass die Laser-Speckle-Photometrie (LSP) eine vielversprechende Methode ist, um solche Fehlstellen zu erkennen. Dabei wird die Probe mit kohärentem, monochromatischem Licht beleuchtet. Die entstehenden Interferenzeffekte werden aufgezeichnet und analysiert, da ihr Verhalten mit dem Dehnungszustand der Probe, der vom Defektzustand beeinflussten Wärmepfad abhängt, korreliert werden kann. Aufgrund ihres einfachen Aufbaus und der berührungslosen, zerstörungsfreien Arbeitsweise, eignet sich die LSP auch für Inline-Anwendungen. In einer vorangegangenen Veröffentlichung wurden die zugrundeliegenden physikalischen Prozesse beschrieben und gezeigt, wie diese auf eine reale Versuchsanordnung mit synthetisch provozierten Hohlräumen übertragen werden können. Dieser Beitrag konzentriert sich nun auf die Verbesserung des Systems zur Analyse realer Proben, die Verkürzung der Messzeiten und gibt einen Ausblick auf weitere Entwicklungsschritte.