電力電子系統的設計工程師希望選擇的功率模塊能夠實現其數據資料表中描述的電氣性能，并希望該模塊足夠可靠，能夠在給定條件下和確定時間段內工作，且故障率可以接受。由于焊層疲勞和導線脫落為限制傳統模塊使用壽命的主要因素，新的半導體裝配和封裝技術開始出現，從而新一代模塊能夠實現更長的使用壽命。在未來，金屬化陶瓷基板仍將擔當模塊的主要部件，以確保其功能性和可靠性。

?

?

理解失效機制

金屬與陶瓷的熱膨脹系數（CTE）截然不同，意味著當這兩種材料暴露在溫度變化下時，它們不會以同樣的速度膨脹和收縮。在焊接過程中，當銅與陶瓷在超高溫下焊接時，基板中存在機械應力。活性金屬釬焊（AMB）的焊接溫度通常為800°C，而直接鍵合銅（DBC）基板的焊接溫度通常為1060°C。隨后，在工作中，基板將面對大幅溫度波動，因為不僅環境溫度會發生變化，半導體器件在開關荷載時，其芯片結點溫度也會發生變化。這會導致基板交替受到壓縮和拉伸應力。若沒有其它限制模塊可靠性的因素，這一應力不會均勻分布在銅板整個表面，而是集中在其邊角處，最終產生陶瓷邊緣裂紋。

如何測試并評估金屬化陶瓷基板的使用壽命？

熱循環是評估金屬化陶瓷基板可靠性時最常用的測試方法。這是一種加速試驗方法。正因如此，它無法提供與基板在實際應用中的壽命有關的信息，但能夠很好地對比各種基板的性能。雖然幾乎所有基板的制造商都會使用這種測試方法，但需要注意其溫度曲線，因為不同測試條件會導致不同加速度因數，從而極大地影響測試結果。大部分情況下，通常在-40°C到+125°C之間測試基板。但在某些軍事應用中，推薦在-55°C到150°C之間進行測試。

染色滲透試驗和共振頻率測試等各種測試方法可用于檢測裂紋的數量和長度，但它們對測試車輛有害或不適合測試車輛。超聲波掃描顯微鏡是進行失效分析的一種著名的非破壞性試驗方法。它采用超聲波穿透固體材料，并生成裂紋、層離和孔洞等缺陷的可見圖像。圖像上的反差表明缺陷的位置。憑借合適的圖像分析軟件，配合協調的高分辨率，失效的過程可按金屬化總面積的百分比衡量。

對電力電子應用而言，并非基板中所有的失效形式都很重要。但是，最起碼芯片的散熱不能受影響。這很大程度上取決于芯片相對于失效的位置。對圖像的目測評估通常不足以確定基板的使用壽命終結。要全面評估任何缺陷的臨界狀態，還應結合熱阻測量，這是用來比較并證明新材料或供應商具有資格的一個非常好的工具。

為電力電子應用選擇最好的材料組合

高導熱氮化鋁（AlN）是散熱的最佳選擇。但可惜的是，其機械性能較差，因此氮化鋁直接鍵合銅基板在幾十次溫度循環后就會失效。氧化鋁（Al2O3）直接鍵合銅基板更穩定，能承受的溫度循環幾乎是氮化鋁直接鍵合銅基板的兩倍，雖然其典型厚度是后者的一半。一旦摻雜并用氧化鋯加強，氧化鋁陶瓷的機械性能將會得到提升，在相同測試條件下，其可靠性將會再增加兩倍。氮化硅（Si3N4）陶瓷質地更硬，一旦經活性金屬釬焊與銅結合，氮化硅基板能夠經受1000多次循環。

陶瓷的供應源和質量也對基板的可靠性有極大影響。為確保業務連續性，應選擇多家供貨源。羅杰斯調查了許多供應源，而只有部分能確保良好一致質量以確保最佳可靠性的供應源才符合資格。

基板的使用壽命還取決于銅和陶瓷的厚度比。一般而言，薄銅層的厚且強度高的陶瓷基板能夠承受的循環比厚銅層的薄脆陶瓷基板更多。這些厚度通常被設計為實現所需絕緣、散熱和電流密度。但最佳的電力和熱學設計不太可能是最可靠的設計。這時候需要權衡，并應根據應用要求和任務目標的變化而作出決定。

可靠性設計

最可靠的材料通常不會是最便宜的材料。幸運的是還有其它解決方案。設計師可以通過設計提高其可靠性，同時成本不會增加太多。curamik?基板專有的蝕坑設計可以緩解熱應力。由于dimple會減少銅板邊緣的厚度，陶瓷上施加應力的銅材料更少了，這些關鍵部位的熱機械應力也隨之減少，從而大幅增加其使用壽命。

另一項重要的設計根據是平衡陶瓷基板兩側受到的應力。我們建議在兩側使用同樣的銅膜和厚度。由于背面通常需要制成純銅表面，只有在需要絕緣要求時才可移除正面的銅。此外，還應特別注意兩側的無銅邊緣，若相差超過500μm，則容易產生裂紋。

同樣地，銅板邊角的設計也會影響基板的可靠性。即使是兩種相同的設計，但其分別為尖角和圓角，它們能夠承受的溫度循環也不會相同。出人意料地，尖角設計能夠承受的循環比圓角設計的基板多。

展望

如今，電源模塊的使用壽命不再只受基板限制。現在還有許多方式可以結合現有基板材料技術來設計穩定的模塊。想要以最低成本選擇最佳材料，設計師需要熟悉應用場景及其任務要求。一些設計微調處理也能克服一些潛在的可靠性問題，還能充分利用可用基板表面。羅杰斯電力電子解決方案（PES）旗下的curamik品牌為基板設計提供了最大選擇面。但隨著技術繼續發展，為了穩定提升我們產品的性能和可靠性，我們團隊一直致力于尋找創新的新材料和新工藝，并解決即將到來的挑戰。

?

來源：羅杰斯

長按識別二維碼關注公眾號，點擊下方菜單欄左側“微信群”，申請加入交流群。