技术博客 | 陶瓷覆铜基板抗弯强度介绍

Weibull提出的基于最薄弱环节失效概念的理论，可以很好地描述陶瓷材料强度的分布特征。其中提到，失效行为是由单一的“缺陷类型”(结构不均匀性)决定的。为了描述强度特征，Weibull选择了一种特殊形式的极值分布，即后来以他的名字命名的Weibull分布。

如果分布参数已知，则载荷与断裂概率之间有明确的关系。材料强度的测量值以失效概率为63.2%(Sigma 0)的强度作为标记，Weibull模量m是强度变化的度量。Weibull模量越高，材料越均匀(即“缺陷”在整个数据上分布得越均匀)，强度变化的分布曲线越窄。Weibull模量的值m通常可以达到10~20之间。

测量值的分布是陶瓷在失效时呈现的结果，用Weibull分布来描述。

B表示体积V的一个元件在σ载荷作用下断裂的概率。Weibull模量m描述了分布的宽度。弯曲强度为Weibull分布在σ₀（Sigma 0）时的值，见图1（典型Weibull分布）。

图1: 典型Weibull分布

三点弯曲强度测试是根据DIN EN 843-12008-08，但由于贺利氏使用的陶瓷较薄，因此样品尺寸通常小于2.0mm。

图2是简单的测试模型，两个支撑柱支撑测试样品，一个力加载器从顶部施加到测试样品中心的压力。

图2: 三点抗弯强度测试

用于三点抗弯强度测试设备可以有所不同，但均需满足如下条件：

测试至陶瓷破裂，记录陶瓷破裂时的加载力，试件的抗弯强度可按下式计算(图3)

图4: 三点抗弯强度计算公式

试样体积越大，测得的强度值越低，材料失效的概率越大。因此，由于一般四点抗弯强度测试试样大于三点抗弯强度测试试样，所以四点抗弯测试的强度值总是低于三点抗弯强度测试，见图5。

图5: 三点、四点抗弯强度测试结果对比

在三点和四点弯曲测试中，试样的制备，特别是试样边缘的制备是一个重要的问题。

图6为上、下两个侧面切割的测试样品，测试结果显示，激光切割方向对抗弯强度测试影响较大，每个激光点都会像锥形槽一样，明显降低抗弯强度，见图6、7。

为了避免激光切割对弯曲强度测试的影响，贺利氏公司通常使用激光从顶部进行测试。

图6:顶部、底部激光切割示意图

图7: 激光从顶部、底部切割对陶瓷抗弯强度测试的影响

从激光切割的对比结果中，我们了解到激光切割在陶瓷表面所形成的激光点也可以对测试结果起到关键作用，不同的激光切割技术种类可以得到完全不同的激光点形状。

一般来说，激光种类对抗弯强度的影响遵循以下规律: CO₂激光<光纤激光器<HNLT激光（皮秒激光）

图8: 0.38mm 和 0.63mm Al₂O₃陶瓷抗弯强度测试结果对比

图9: 贺利氏所使用的陶瓷抗弯强度

由于陶瓷覆铜基板的陶瓷两侧都附着有较厚的铜层，因此陶瓷覆铜基板不是一种均一的材料，再加上每个陶瓷覆铜基板上不同的铜厚度和铜布局设计，没有一个通用的方法来定义陶瓷覆铜基板的通用抗弯强度。

作为复合材料，由于铜的增强作用，陶瓷覆铜基板的抗弯强度测试结果通常高于裸陶瓷，我们采用普通的Al₂O₃-DBC材料进行抗弯强度测试，并与裸陶瓷的抗弯强度进行对比，结果如图10、11所示。

图10: 陶瓷覆铜基板和陶瓷的抗弯强度测试对比

对于某些客户，由于特殊的应用或封装要求，确实需要定义陶瓷覆铜基板的抗弯强度，在这里贺利氏可以根据以下程序定义陶瓷覆铜基板的抗弯强度。

a)生产3批样品，每批抽取50件样品

b)对这3× 50 = 150件样品进行抗弯强度测试

c)进行Cpk分析(Cpk>2.0)，定义最小抗弯强度值(LSL)。