AMB陶瓷基板可靠性--热循环测试

在功率半导体模块的设计和验证中，关键材料AMB陶瓷基板的可靠性，是一项重要考虑因素。出于对目标达成和封装方式的考虑，工程设计不得不综合考虑陶瓷基板的电气、热性能和机械性能。陶瓷覆铜板的可靠性，可以表现为耐机械应力和热应力的能力，通常用热循环或热冲击测试来表征。

　陶瓷覆铜板可靠性的影响因素包括：原材料的物理特性（铜和陶瓷以及同它们直接的界面过渡层）、基板设计、测试条件、测试标准等。

陶瓷基板在测试或使用中失效的机理主要有以下几种：

a、陶瓷属于脆性材料，在应力条件下容易产生疲劳断裂；

b、由于铜和陶瓷的热膨胀系数（CTE）不匹配产生内应力；

c、内应力主要集中在铜的边缘和陶瓷连接处；

d、尖角避免圆角更容易产生裂纹；

模块在服役过程中进行频繁的开关而导致周期性的温度变化，由于陶瓷基板中铜层和陶瓷层材料的热膨胀系数不匹配，基板内上下铜层与中间陶瓷层之间相互变形约束而导致热应力的产生，长期工作条件下会进一步导致陶瓷层断裂、界面脱层等失效。为了测试失效次数，了解失效机理，常采用热冲击或热循环试验。

因此，陶瓷基板可靠性测试分为热冲击测试和热循环测试。一般来说，热冲击测试比热循环测试严苛。热冲击测试或热循环池测试，按试样在高低温室之间的转换方式不同，可分为三种（以+125↔-40℃循环为例，125℃为高温室，-40℃为低温室）：

第一种：冷热冲击箱为2箱，高低温转换时间短，样品从高温到低温或者从低温到高温的转换时间小于10秒，转换时高低温箱体有轻微的温度扰动，样品停留在高温室或低温室的时间均为30分钟；

第二种：冷热冲击箱为2箱，高低温转换时间长，样品从高温到低温或者从低温到高温的转换时间为5分钟，转换时高低温箱体有严重的温度扰动，样品要花费更多的时间才能达到标称温度，样品停留在高温室或低温室的时间均为30分钟；

第三种：冷热冲击箱为3箱，除高温室和低温室，还有一个25℃的常温室，作为高低温室之间的过渡。任何时候，样品从低温室到高温室或从高温室到低温室，首先用小于10秒的时间到25℃常温室，并保温10分钟，从而使得样品达到常温。样品停留在高温室或低温室的时间均为30分钟。

本公司的冷热冲击试验箱，满足GJB548B-2005-1010，条件C（同等标准MIL-STD-883J-1010,Condition C）对热循环设备的要求，测试温度是在 -65℃↔+150℃之间循环。

根据标准，热循环温度变化范围为215℃（-65~150℃），由于热循环试验主要考察的是材料本身性能对极端环境条件的响应，要求元件内部湿度一致，排除温度梯度对失效的影响（与热冲击试验区分开）。本次试验高低温保持时间各为15分钟，中间冷热转换时间不超过2分钟。试验箱内设置热电偶检测实时试样的实际温度，温度曲线如图1所示，实测温度基本与所设定的温度相吻合。