DBC陶瓷基板為銅-陶瓷-銅組成的雙材料三層結(jié)合結(jié)構(gòu)，在熱循環(huán)試驗(yàn)過程中，界面上的邊界條件為一側(cè)材料對(duì)另一側(cè)材料的變形約束，當(dāng)基板整體受到均勻的隨時(shí)間變化的溫度載荷時(shí)，由于銅和陶瓷熱膨脹系數(shù)不匹配以及變形約束的存在而導(dǎo)致界面處出現(xiàn)應(yīng)力集中，尤其是在界面的幾何突變處（通常稱之為奇異點(diǎn)）。界面上奇異點(diǎn)及其附近的應(yīng)力σ和位移u可描述為：
其中
- r代表距離奇異點(diǎn)的距離：
- λn表示第n個(gè)特征值，該特征值由奇異點(diǎn)附近的幾何形狀及材料性能所決定，λn越小，奇異性越強(qiáng)；
- kn為應(yīng)力強(qiáng)度因子；
- f和F為角函數(shù)；
- N為奇異性個(gè)數(shù)。
從式（1）中可以看出，理想彈性條件下界面的奇異點(diǎn)處存在著非的應(yīng)力奇異性，即應(yīng)力趨于無窮大；裂紋通常萌生于奇異點(diǎn)。當(dāng)DBC陶瓷基板裂紋萌生后，熱循環(huán)載荷將驅(qū)動(dòng)裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展。
DBC陶瓷基板失效過程包括裂紋萌生與裂紋擴(kuò)展兩個(gè)階段。
由于界面端的當(dāng)外部溫度載荷超過125℃時(shí)，DBC陶瓷基板上的銅層將發(fā)生塑形變形，在熱循環(huán)過程中銅層的塑性變形累積較大，銅層-陶瓷層界面的幾何奇異處會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中；由于界面端處的應(yīng)力奇異性較弱，當(dāng)界面處出現(xiàn)應(yīng)力集中時(shí)，結(jié)合材料的破壞將從應(yīng)力集中的位置開始，從而萌生裂紋。
由剝離強(qiáng)度測(cè)試可知DBC陶瓷基板界面結(jié)合力較強(qiáng)，同時(shí)由于在制造過程中經(jīng)歷1066℃到室溫的較大溫差，基板中存在較大殘余應(yīng)為，這將導(dǎo)致裂紋萌生后偏離原裂紋方向而向陶瓷母材中擴(kuò)展，發(fā)生曲折破壞；
圖DBC基板熱循環(huán)試驗(yàn)中的常見失效模式
此外，陶瓷通過粉末燒結(jié)而成，通過試驗(yàn)檢測(cè)可知其中通常存在極微小的裂紋或空洞等固有缺陷，這些固有缺陷也會(huì)作為陶瓷母材的薄弱處而誘使裂紋朝缺陷方向擴(kuò)展。而后裂紋在擴(kuò)展一定長(zhǎng)度后沿平行于界面的方向繼續(xù)擴(kuò)展，最終導(dǎo)致基板完全斷裂。具體的失效橫式如上圖所示，即鋼層邊緣或幾何奇異處萌生裂紋，裂紋向陶瓷層中擴(kuò)展而最終導(dǎo)致陶瓷層斷裂。
DBC基板熱循環(huán)試驗(yàn)及失效試樣分析
1.DBC基板熱循環(huán)試驗(yàn)
由于DBC基板中銅層和陶瓷層材料的熱膨脹系數(shù)不匹配，且模塊在服役過程中進(jìn)行頻繁的開關(guān)而導(dǎo)致周期性的溫度變化，從而導(dǎo)致基板內(nèi)上下銅層與中間陶瓷層之間相互變形約束而導(dǎo)致熱應(yīng)力的產(chǎn)生，長(zhǎng)期工作條件下會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致陶瓷層斷裂、界面脫層等失效。為了加速失效，采用熱循環(huán)試驗(yàn)對(duì)該失效機(jī)理進(jìn)行分析。
將該樣品放入熱循環(huán)試驗(yàn)箱中。根據(jù)JESD22-A104D國際標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置熱循環(huán)可靠性試驗(yàn)曲線，熱循環(huán)溫度變化范圍為205℃（-55~150℃），由于熱循環(huán)試驗(yàn)主要考察的是材料本身性能對(duì)極端環(huán)境條件的響應(yīng)，要求元件內(nèi)部濕度一致，排除溫度梯度對(duì)失效的影響（與熱沖擊試驗(yàn)區(qū)分開），因此要求升降溫速率不超過15℃/min。根據(jù)這一原則，本次試驗(yàn)中設(shè)定升降溫時(shí)間分別為20分鐘，高低溫保持時(shí)間各為15分鐘。試驗(yàn)箱內(nèi)設(shè)置熱電偶檢測(cè)實(shí)時(shí)試樣的實(shí)際溫度，溫度曲線如圖1所示，實(shí)測(cè)溫度基本與所設(shè)定的溫度相吻合。
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圖1?熱循環(huán)試驗(yàn)溫度曲線
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?同一批次取10塊帶有銅層線路設(shè)計(jì)的DBC基板為一個(gè)試驗(yàn)組，編號(hào)為1至10；前50次循環(huán)時(shí)每隔5次循環(huán)取出樣品并在金相顯微鏡下進(jìn)行目測(cè)，未見任何失效；之后每隔1次循環(huán)取出樣品并進(jìn)行SAm測(cè)試，觀察銅層和陶瓷層直接是否出現(xiàn)脫層和裂紋。經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，10個(gè)DBC基板樣品有8個(gè)在65-70次循環(huán)間出現(xiàn)裂紋，1個(gè)在62次循環(huán)時(shí)出現(xiàn)裂紋，另一個(gè)在75次循環(huán)式出現(xiàn)裂紋，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖2所示，可見樣品的制造工藝一致性良好。
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圖2?DBC基板失效時(shí)熱循環(huán)次巧的試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)
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??2.?失效分析
為了分析DBC基板界面脫層失效中裂紋的萌生及擴(kuò)展過程，為后期理論分析和數(shù)值分析建立試驗(yàn)基礎(chǔ)及提供試驗(yàn)驗(yàn)證，按照從無損的到破壞性的失效分析方法，首先采用SAM無損測(cè)試方法檢測(cè)裂紋萌生后隨著熱循環(huán)次數(shù)的增加DBC基板上銅層與陶瓷層界面裂紋的擴(kuò)展情況。SAM測(cè)試結(jié)果如圖3所示，分別為未進(jìn)行熱循環(huán)時(shí)（圖3（a））、裂紋開始萌生時(shí)（圖3（b））以及裂紋萌生后每隔10次循環(huán)的檢測(cè)圖片（圖3（c）-（f）。從圖3（a）-（f）中可以明顯發(fā)現(xiàn)，約65次循環(huán)后DBC基板界面出現(xiàn)裂紋，且裂紋萌生位置均出現(xiàn)在銅層圖形的邊緣，增加熱循環(huán)次數(shù)后，脫層面積逐漸增大，直至陶瓷層和該塊銅層幾乎完全脫層。
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圖3?DBC基板熱循環(huán)過程中裂紋萌生及擴(kuò)展的SAM測(cè)試圖片
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?接下來進(jìn)行破壞性的失效分析。裂紋萌生后，每隔一次循環(huán)取DBC基板的失效樣品沿界面脫層位置縱向切開，采用金相顯微鏡觀察剖面裂紋，并對(duì)裂紋擴(kuò)展情況進(jìn)行定量測(cè)量；其中一塊樣品75次熱循環(huán)后的失效照片、面積最大銅塊的界面裂紋情況、界面脫層處的橫截面剖面圖及測(cè)量結(jié)果分別如圖4（a）-（c）所示。對(duì)多組樣品進(jìn)行分析測(cè)試后可以發(fā)現(xiàn)，裂紋萌生及擴(kuò)展趨勢(shì)幾乎一致，即DBC基板從上銅層中的面積最大的銅塊（尺寸：20×10mm2）的邊角處開裂，并且裂紋沿著紅色箭頭方向迅速朝著該銅塊的內(nèi)部擴(kuò)展，最終使得銅層和陶瓷層沿界面脫層。從剖面圖中進(jìn)一步觀察出裂紋擴(kuò)展至陶瓷層內(nèi)部，擴(kuò)展方向與界面呈15°~30°傾角，待裂紋深入陶瓷200μm~300μm厚度后，再沿幾乎與界面平行的方向繼續(xù)擴(kuò)展，直至銅和陶瓷徹底分離，且測(cè)得平行擴(kuò)展時(shí)裂紋距陶瓷上界面的深度為170μm~190μm之間，大約位于陶瓷層中央。
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圖4?經(jīng)歷75次熱循環(huán)后氧化鋁DBC基板的失效分析
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?繼續(xù)進(jìn)行熱循環(huán)測(cè)試，直至經(jīng)歷110次熱循環(huán)后，DBC基板上面積最大的銅層塊完全從陶瓷層上剝離開，失效分析結(jié)果如圖5（a）-（b）所示。觀察完全剝離下的銅層結(jié)構(gòu)，可以發(fā)現(xiàn)銅層背面黏附著陶瓷薄層。對(duì)剝離下的黏附陶瓷的銅片進(jìn)行SEM觀測(cè)，可見界面處無明顯過渡層。經(jīng)能譜分析可得界面處的元素主要為O、Cu和Al且原子比例約為O：Cu：Al＝2：1：1，這證明了DBC基板制造過程中銅-陶瓷界面間由于氧化反應(yīng)生成Cu（AlO2）薄膜界面物質(zhì)，從而使得銅和陶瓷之間形成了牢固的粘接。
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圖5?經(jīng)歷110次熱循環(huán)后的DBC樣品失效分析
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