电力电子应用金属化陶瓷基板的可靠性

电力电子系统的设计工程师希望选择的功率模块能够实现其数据资料表中描述的电气性能，并希望该模块足够可靠，能够在给定条件下和确定时间段内工作，且故障率可以接受。由于焊层疲劳和导线脱落为限制传统模块使用寿命的主要因素，新的半导体装配和封装技术开始出现，从而新一代模块能够实现更长的使用寿命。在未来，金属化陶瓷基板仍将担当模块的主要部件，以确保其功能性和可靠性。

理解失效机制

金属与陶瓷的热膨胀系数（CTE）截然不同，意味着当这两种材料暴露在温度变化下时，它们不会以同样的速度膨胀和收缩。在焊接过程中，当铜与陶瓷在超高温下焊接时，基板中存在机械应力。活性金属钎焊（AMB）的焊接温度通常为800°C，而直接键合铜（DBC）基板的焊接温度通常为1060°C。随后，在工作中，基板将面对大幅温度波动，因为不仅环境温度会发生变化，半导体器件在开关荷载时，其芯片结点温度也会发生变化。这会导致基板交替受到压缩和拉伸应力。若没有其它限制模块可靠性的因素，这一应力不会均匀分布在铜板整个表面，而是集中在其边角处，最终产生陶瓷边缘裂纹。

如何测试并评估金属化陶瓷基板的使用寿命？

热循环是评估金属化陶瓷基板可靠性时最常用的测试方法。这是一种加速试验方法。正因如此，它无法提供与基板在实际应用中的寿命有关的信息，但能够很好地对比各种基板的性能。虽然几乎所有基板的制造商都会使用这种测试方法，但需要注意其温度曲线，因为不同测试条件会导致不同加速度因数，从而极大地影响测试结果。大部分情况下，通常在-40°C到+125°C之间测试基板。但在某些军事应用中，推荐在-55°C到150°C之间进行测试。

染色渗透试验和共振频率测试等各种测试方法可用于检测裂纹的数量和长度，但它们对测试车辆有害或不适合测试车辆。超声波扫描显微镜是进行失效分析的一种著名的非破坏性试验方法。它采用超声波穿透固体材料，并生成裂纹、层离和孔洞等缺陷的可见图像。图像上的反差表明缺陷的位置。凭借合适的图像分析软件，配合协调的高分辨率，失效的过程可按金属化总面积的百分比衡量。

对电力电子应用而言，并非基板中所有的失效形式都很重要。但是，最起码芯片的散热不能受影响。这很大程度上取决于芯片相对于失效的位置。对图像的目测评估通常不足以确定基板的使用寿命终结。要全面评估任何缺陷的临界状态，还应结合热阻测量，这是用来比较并证明新材料或供应商具有资格的一个非常好的工具。

为电力电子应用选择最好的材料组合

高导热氮化铝（AlN）是散热的最佳选择。但可惜的是，其机械性能较差，因此氮化铝直接键合铜基板在几十次温度循环后就会失效。氧化铝（Al2O3）直接键合铜基板更稳定，能承受的温度循环几乎是氮化铝直接键合铜基板的两倍，虽然其典型厚度是后者的一半。一旦掺杂并用氧化锆加强，氧化铝陶瓷的机械性能将会得到提升，在相同测试条件下，其可靠性将会再增加两倍。氮化硅（Si3N4）陶瓷质地更硬，一旦经活性金属钎焊与铜结合，氮化硅基板能够经受1000多次循环。

陶瓷的供应源和质量也对基板的可靠性有极大影响。为确保业务连续性，应选择多家供货源。罗杰斯调查了许多供应源，而只有部分能确保良好一致质量以确保最佳可靠性的供应源才符合资格。

基板的使用寿命还取决于铜和陶瓷的厚度比。一般而言，薄铜层的厚且强度高的陶瓷基板能够承受的循环比厚铜层的薄脆陶瓷基板更多。这些厚度通常被设计为实现所需绝缘、散热和电流密度。但最佳的电力和热学设计不太可能是最可靠的设计。这时候需要权衡，并应根据应用要求和任务目标的变化而作出决定。

可靠性设计

最可靠的材料通常不会是最便宜的材料。幸运的是还有其它解决方案。设计师可以通过设计提高其可靠性，同时成本不会增加太多。curamik®基板专有的蚀坑设计可以缓解热应力。由于dimple会减少铜板边缘的厚度，陶瓷上施加应力的铜材料更少了，这些关键部位的热机械应力也随之减少，从而大幅增加其使用寿命。

另一项重要的设计根据是平衡陶瓷基板两侧受到的应力。我们建议在两侧使用同样的铜膜和厚度。由于背面通常需要制成纯铜表面，只有在需要绝缘要求时才可移除正面的铜。此外，还应特别注意两侧的无铜边缘，若相差超过500µm，则容易产生裂纹。

同样地，铜板边角的设计也会影响基板的可靠性。即使是两种相同的设计，但其分别为尖角和圆角，它们能够承受的温度循环也不会相同。出人意料地，尖角设计能够承受的循环比圆角设计的基板多。

展望

如今，电源模块的使用寿命不再只受基板限制。现在还有许多方式可以结合现有基板材料技术来设计稳定的模块。想要以最低成本选择最佳材料，设计师需要熟悉应用场景及其任务要求。一些设计微调处理也能克服一些潜在的可靠性问题，还能充分利用可用基板表面。罗杰斯电力电子解决方案（PES）旗下的curamik品牌为基板设计提供了最大选择面。但随着技术继续发展，为了稳定提升我们产品的性能和可靠性，我们团队一直致力于寻找创新的新材料和新工艺，并解决即将到来的挑战。

来源：罗杰斯