DBC陶瓷基板熱循環(huán)試驗及失效試樣分析

1.?DBC陶瓷基板熱循環(huán)試驗

由于DBC陶瓷基板中銅層和陶瓷層材料的熱膨脹系數不匹配，且模塊在服役過程中進行頻繁的開關而導致周期性的溫度變化，從而導致基板內上下銅層與中間陶瓷層之間相互變形約束而導致熱應力的產生，長期工作條件下會進一步導致陶瓷層斷裂、界面脫層等失效。為了加速失效，采用熱循環(huán)試驗對該失效機理進行分析。

圖1?熱循環(huán)試驗溫度曲線

將該樣品放入熱循環(huán)試驗箱中。根據JESD22-A104D國際標準設置熱循環(huán)可靠性試驗曲線，熱循環(huán)溫度變化范圍為205℃（-55~150℃），由于熱循環(huán)試驗主要考察的是材料本身性能對極端環(huán)境條件的響應，要求元件內部濕度一致，排除溫度梯度對失效的影響（與熱沖擊試驗區(qū)分開），因此要求升降溫速率不超過15℃/min。根據這一原則，本次試驗中設定升降溫時間分別為20分鐘，高低溫保持時間各為15分鐘。試驗箱內設置熱電偶檢測實時試樣的實際溫度，溫度曲線如圖1所示，實測溫度基本與所設定的溫度相吻合。

圖2?DBC陶瓷基板失效時熱循環(huán)次巧的試驗統(tǒng)計

同一批次取10塊帶有銅層線路設計的DBC陶瓷基板為一個試驗組，編號為1至10；前50次循環(huán)時每隔5次循環(huán)取出樣品并在金相顯微鏡下進行目測，未見任何失效；之后每隔1次循環(huán)取出樣品并進行SAm測試，觀察銅層和陶瓷層直接是否出現脫層和裂紋。經試驗發(fā)現，10個DBC陶瓷基板樣品有8個在65-70次循環(huán)間出現裂紋，1個在62次循環(huán)時出現裂紋，另一個在75次循環(huán)式出現裂紋，統(tǒng)計結果如圖2所示，可見樣品的制造工藝一致性良好。

2.失效分析

為了分析DBC陶瓷基板界面脫層失效中裂紋的萌生及擴展過程，為后期理論分析和數值分析建立試驗基礎及提供試驗驗證，按照從無損的到破壞性的失效分析方法，首先采用SAM無損測試方法檢測裂紋萌生后隨著熱循環(huán)次數的增加DBC陶瓷基板上銅層與陶瓷層界面裂紋的擴展情況。SAM測試結果如圖3所示，分別為未進行熱循環(huán)時（圖3（a））、裂紋開始萌生時（圖3（b））以及裂紋萌生后每隔10次循環(huán)的檢測圖片（圖3（c）-（f）。從圖3（a）-（f）中可以明顯發(fā)現，約65次循環(huán)后DBC陶瓷基板界面出現裂紋，且裂紋萌生位置均出現在銅層圖形的邊緣，增加熱循環(huán)次數后，脫層面積逐漸增大，直至陶瓷層和該塊銅層幾乎完全脫層。

圖3?DBC陶瓷基板熱循環(huán)過程中裂紋萌生及擴展的SAM測試圖片

接下來進行破壞性的失效分析。裂紋萌生后，每隔一次循環(huán)取DBC陶瓷基板的失效樣品沿界面脫層位置縱向切開，采用金相顯微鏡觀察剖面裂紋，并對裂紋擴展情況進行定量測量；其中一塊樣品75次熱循環(huán)后的失效照片、面積最大銅塊的界面裂紋情況、界面脫層處的橫截面剖面圖及測量結果分別如圖4（a）-（c）所示。對多組樣品進行分析測試后可以發(fā)現，裂紋萌生及擴展趨勢幾乎一致，即DBC陶瓷基板從上銅層中的面積最大的銅塊（尺寸：20×10mm2）的邊角處開裂，并且裂紋沿著紅色箭頭方向迅速朝著該銅塊的內部擴展，最終使得銅層和陶瓷層沿界面脫層。從剖面圖中進一步觀察出裂紋擴展至陶瓷層內部，擴展方向與界面呈15°~30°傾角，待裂紋深入陶瓷200μm~300μm厚度后，再沿幾乎與界面平行的方向繼續(xù)擴展，直至銅和陶瓷徹底分離，且測得平行擴展時裂紋距陶瓷上界面的深度為170μm~190μm之間，大約位于陶瓷層中央。

圖4?經歷75次熱循環(huán)后氧化鋁DBC陶瓷基板的失效分析

繼續(xù)進行熱循環(huán)測試，直至經歷110次熱循環(huán)后，DBC陶瓷基板上面積最大的銅層塊完全從陶瓷層上剝離開，失效分析結果如圖5（a）-（b）所示。觀察完全剝離下的銅層結構，可以發(fā)現銅層背面黏附著陶瓷薄層。對剝離下的黏附陶瓷的銅片進行SEM觀測，可見界面處無明顯過渡層。經能譜分析可得界面處的元素主要為O、Cu和Al且原子比例約為O：Cu：Al＝2：1：1，這證明了DBC陶瓷基板制造過程中銅-陶瓷界面間由于氧化反應生成Cu（AlO2）薄膜界面物質，從而使得銅和陶瓷之間形成了牢固的粘接。

圖5?經歷110次熱循環(huán)后的DBC陶瓷基板樣品失效分析

來源：海飛樂技術?

原文始發(fā)于微信公眾號（艾邦陶瓷展）：DBC陶瓷基板熱循環(huán)試驗及失效試樣分析