電力電子系統(tǒng)的設(shè)計工程師希望選擇的功率模塊能夠?qū)崿F(xiàn)其數(shù)據(jù)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(nèi)工作，且故障率可以接受。由于焊層疲勞和導(dǎo)線脫落為限制傳統(tǒng)模塊使用壽命的主要因素，新的半導(dǎo)體裝配和封裝技術(shù)開始出現(xiàn)，從而新一代模塊能夠?qū)崿F(xiàn)更長的使用壽命。在未來，金屬化陶瓷基板仍將擔(dān)當(dāng)模塊的主要部件，以確保其功能性和可靠性。
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理解失效機(jī)制
金屬與陶瓷的熱膨脹系數(shù)（CTE）截然不同，意味著當(dāng)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(dāng)銅與陶瓷在超高溫下焊接時，基板中存在機(jī)械應(yīng)力?；钚越饘兮F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(huán)境溫度會發(fā)生變化，半導(dǎo)體器件在開關(guān)荷載時，其芯片結(jié)點溫度也會發(fā)生變化。這會導(dǎo)致基板交替受到壓縮和拉伸應(yīng)力。若沒有其它限制模塊可靠性的因素，這一應(yīng)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(chǎn)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(huán)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(yīng)用中的壽命有關(guān)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(dǎo)致不同加速度因數(shù)，從而極大地影響測試結(jié)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(yīng)用中，推薦在-55°C到150°C之間進(jìn)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(shù)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(jìn)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(xié)調(diào)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(yīng)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(jié)。要全面評估任何缺陷的臨界狀態(tài)，還應(yīng)結(jié)合熱阻測量，這是用來比較并證明新材料或供應(yīng)商具有資格的一個非常好的工具。
為電力電子應(yīng)用選擇最好的材料組合
高導(dǎo)熱氮化鋁（AlN）是散熱的最佳選擇。但可惜的是，其機(jī)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(huán)后就會失效。氧化鋁（Al2O3）直接鍵合銅基板更穩(wěn)定，能承受的溫度循環(huán)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(qiáng)，氧化鋁陶瓷的機(jī)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(zhì)地更硬，一旦經(jīng)活性金屬釬焊與銅結(jié)合，氮化硅基板能夠經(jīng)受1000多次循環(huán)。
陶瓷的供應(yīng)源和質(zhì)量也對基板的可靠性有極大影響。為確保業(yè)務(wù)連續(xù)性，應(yīng)選擇多家供貨源。羅杰斯調(diào)查了許多供應(yīng)源，而只有部分能確保良好一致質(zhì)量以確保最佳可靠性的供應(yīng)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(qiáng)度高的陶瓷基板能夠承受的循環(huán)比厚銅層的薄脆陶瓷基板更多。這些厚度通常被設(shè)計為實現(xiàn)所需絕緣、散熱和電流密度。但最佳的電力和熱學(xué)設(shè)計不太可能是最可靠的設(shè)計。這時候需要權(quán)衡，并應(yīng)根據(jù)應(yīng)用要求和任務(wù)目標(biāo)的變化而作出決定。
可靠性設(shè)計
最可靠的材料通常不會是最便宜的材料。幸運(yùn)的是還有其它解決方案。設(shè)計師可以通過設(shè)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(shè)計可以緩解熱應(yīng)力。由于dimple會減少銅板邊緣的厚度，陶瓷上施加應(yīng)力的銅材料更少了，這些關(guān)鍵部位的熱機(jī)械應(yīng)力也隨之減少，從而大幅增加其使用壽命。
另一項重要的設(shè)計根據(jù)是平衡陶瓷基板兩側(cè)受到的應(yīng)力。我們建議在兩側(cè)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(yīng)特別注意兩側(cè)的無銅邊緣，若相差超過500μm，則容易產(chǎn)生裂紋。
同樣地，銅板邊角的設(shè)計也會影響基板的可靠性。即使是兩種相同的設(shè)計，但其分別為尖角和圓角，它們能夠承受的溫度循環(huán)也不會相同。出人意料地，尖角設(shè)計能夠承受的循環(huán)比圓角設(shè)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?，F(xiàn)在還有許多方式可以結(jié)合現(xiàn)有基板材料技術(shù)來設(shè)計穩(wěn)定的模塊。想要以最低成本選擇最佳材料，設(shè)計師需要熟悉應(yīng)用場景及其任務(wù)要求。一些設(shè)計微調(diào)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(shè)計提供了最大選擇面。但隨著技術(shù)繼續(xù)發(fā)展，為了穩(wěn)定提升我們產(chǎn)品的性能和可靠性，我們團(tuán)隊一直致力于尋找創(chuàng)新的新材料和新工藝，并解決即將到來的挑戰(zhàn)。
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來源：羅杰斯
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