隨著電力電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在選擇的電源模塊能夠?qū)崿F(xiàn)其數(shù)據(jù)表中描述的電氣功能，并且該模塊是可靠的。這就意味著它應(yīng)該在給定的條件下、在定義的時(shí)間段內(nèi)運(yùn)行并且在可接受的故障率范圍內(nèi)。雖然焊料疲勞和線剝離一直是傳統(tǒng)模塊壽命的主要限制因素，但半導(dǎo)體組裝和封裝的新技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)，新一代模塊實(shí)現(xiàn)了更長的壽命。展望未來，金屬化陶瓷基板仍將是模塊中的關(guān)鍵組件，以保證其功能和可靠性。

一、了解故障機(jī)制

金屬和陶瓷具有不同的熱膨脹系數(shù)（CTE），這意味著這兩種材料在暴露于溫度變化時(shí)不會以相同的速度膨脹和收縮。在接合過程中，由于銅和陶瓷在非常高的溫度下接合，對于活性金屬釬焊（AMB）或1060℃的直接鍵合銅（DBC）基板，機(jī)械應(yīng)力將被在基板中。然后在操作期間，由于環(huán)境溫度可能會發(fā)生變化，并且半導(dǎo)體器件的結(jié)溫會隨著它們打開和關(guān)閉負(fù)載而發(fā)生變化，因此襯底將暴露于顯著的溫度波動中，這將在基材中引起交替的壓縮和拉伸應(yīng)力。

二、如何測試和評估金屬化陶瓷基板的壽命？

熱循環(huán)是用于評估金屬化陶瓷基板可靠性的最常用測試方法，這是一種加速測試方法，因此無法提供有關(guān)實(shí)際應(yīng)用案例中基材壽命的任何信息，但可以很好的比較各種基材。雖然幾乎每個(gè)陶瓷基板制造商都會使用相同的測試方法，但你應(yīng)該注意溫度曲線，因?yàn)椴煌臏y試條件可能會導(dǎo)致不同的加速因子，從而顯著影響測試結(jié)果。在大多數(shù)情況下，陶瓷基板將在——40℃和+125℃之間進(jìn)行測試，但可以發(fā)現(xiàn)-55℃到150℃，如某些軍事應(yīng)用規(guī)范中所建議的那樣。

染料滲透測試和共振頻率測量等各種測試方法可用于揭示裂紋的數(shù)量和長度，但它們要么具有破壞性，要么不適應(yīng)于任何測試車輛。掃描聲學(xué)顯微鏡是一種眾所周知的用于故障分析的非破壞性測試方法。它利用超聲波穿透固體材料，并形成裂紋、分層和空隙等缺陷的可見圖像。圖像上的對比度突出了缺陷的位置，通過一些適用于圖像分析的軟件以及圖像的非常好的和一致的分辨率，可以測量退化進(jìn)程占總金屬化面積的百分比。

并非基材中的每中降解形式都對你的應(yīng)用至關(guān)重要。但是，最低要求應(yīng)該是不影響芯片的散熱。這在很大程度上取決于芯片相對于退化的位置，圖像的視覺評估通常不足以確定基材的使用壽命。它應(yīng)該與熱阻抗測量相結(jié)合，以全面評估任何缺陷的嚴(yán)重性，這是比較和鑒定新材料或供應(yīng)商的非常好的工具。

三、在應(yīng)用選擇最佳材料組合

高導(dǎo)熱氮化鋁是散熱目的最佳選擇，但不幸的是它的機(jī)械性能較差。因此，氮化鋁DBC陶瓷基板在幾個(gè)溫度循環(huán)后容易失效。氧化鋁DBC陶瓷基板更堅(jiān)固，即使其典型厚度減半，它們也可以承受幾乎兩倍于氮化鋁DBC陶瓷基板的循環(huán)次數(shù)。一旦摻雜和增強(qiáng)氧化鋯，氧化鋁陶瓷的機(jī)械性能得到改善，并且在相同的測試條件下可靠性再次提高了兩倍。氮化硅陶瓷基板更堅(jiān)韌，一旦通過活性金屬釬焊與銅連接，氮化硅基材可以承受超過1000次循環(huán)。

陶瓷基板的壽命還取決于銅和陶瓷之間的厚度比，一般來說，用薄銅層金屬化的厚而堅(jiān)固的陶瓷基板預(yù)計(jì)比用厚銅金屬化的薄而脆弱的陶瓷基板承受更多的循環(huán)。這些厚度通常旨在實(shí)現(xiàn)所需的絕緣、散熱和電流密度，但最好的電氣和熱設(shè)計(jì)不一定是最可靠的。

四、可靠性設(shè)計(jì)

最可靠的材料很少是最便宜的材料，幸運(yùn)的是，還有其他選項(xiàng)可以通過設(shè)計(jì)提高可靠性，并且不會增加解決方案的大量成本。陶瓷基材具有專有的凹坑設(shè)計(jì)，用于緩解熱應(yīng)力。由于凹坑減少了銅焊盤邊緣的銅厚度，因此對陶瓷施加壓縮力的銅材料減少，這些關(guān)鍵區(qū)域的熱機(jī)械應(yīng)力降低，壽命顯著提高。

另一個(gè)重要的設(shè)計(jì)考慮因素是均衡陶瓷基板兩側(cè)的應(yīng)力，我們建議在兩面使用相同的銅圖案和相同的銅厚度。由于背面通常需要平坦的銅表面，因此只有在需要滿足電氣隔離要求時(shí)才應(yīng)在組件側(cè)去除銅。應(yīng)特別注意兩側(cè)的無銅周邊，因?yàn)槿绻鼈兿嗖畛^ 500μm，則很容易出現(xiàn)裂縫。

此外，銅焊盤拐角的設(shè)計(jì)也會影響陶瓷基板的可靠性，兩個(gè)相同的設(shè)計(jì)但分別具有尖銳的圓角將不會實(shí)現(xiàn)相同數(shù)量的溫度循環(huán)。令人驚訝的是，具有尖角的基板比具有圓角的相同陶瓷基板能承受更多的循環(huán)。

五、外表

如今，功率模塊的壽命不受陶瓷基板的限制，并且有許多方法可以使用現(xiàn)有的陶瓷基板技術(shù)來設(shè)計(jì)穩(wěn)健的模塊。必須充分了解您的應(yīng)用及其任務(wù)概況，才能以最低的成本選擇最好的材料。一些設(shè)計(jì)調(diào)整可以幫助解決一些潛在的可靠性問題，并充分利用可用的基板表面。