高壓電源模塊在許多應(yīng)用中用于構(gòu)建高功率轉(zhuǎn)換器。從技術(shù)上講，這些模塊由不同的材料制成，其中介電材料有有機(jī)和無(wú)機(jī)。有機(jī)絕緣體（凝膠）用于避免連接線和高壓附近的電暈放電管芯（二極管和晶體管）并保護(hù)它們免受濕氣和污染物的影響。

無(wú)機(jī)絕緣體（陶瓷基板）用于隔離接地元件的高壓并將熱量傳遞到散熱器。盡管自 90 年代后期開(kāi)始使用，但仍缺乏有關(guān)這些基板的電性能的基礎(chǔ)知識(shí)。因此，制造商傾向于通過(guò)加大尺寸來(lái)確保可靠性。由于沒(méi)有明確的規(guī)則說(shuō)明如何做到這一點(diǎn)，因此會(huì)發(fā)生故障，導(dǎo)致轉(zhuǎn)換器關(guān)閉。本研究的目的是為了解這些模塊中使用的陶瓷材料的介電強(qiáng)度提供新的信息。我們通過(guò)相關(guān)實(shí)驗(yàn)將工作重點(diǎn)放在陶瓷的機(jī)械性能和介電性能之間的相關(guān)性上。

根據(jù)機(jī)電擊穿模型，我們提供了有關(guān)現(xiàn)有裂紋對(duì)陶瓷介電失效影響的新信息。我們的結(jié)論提供了有關(guān)在功率模塊中制造和實(shí)施這些基板以降低發(fā)生此類可能性的可能性的預(yù)防措施的重要信息失敗的具體原因。

一、模塊和陶瓷

目前使用的高壓電力電子系統(tǒng)是基于一個(gè)基本的稱為“功率模塊”的磚，其中封裝了有源半導(dǎo)體。在這個(gè)組件中，人們發(fā)現(xiàn)了不同的材料，它們的功能是確保半導(dǎo)體與其環(huán)境之間的互連、絕緣和熱交換。電源模塊的簡(jiǎn)化示意圖如圖1所示。

半導(dǎo)體的互連及其與散熱器（接地）的絕緣主要由稱為“基板”的單個(gè)元件實(shí)現(xiàn)。此外，其主要功能之一是保證半導(dǎo)體與其環(huán)境之間的電絕緣。此外，它還必須確保排出半導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量。這些基板由金屬導(dǎo)體和絕緣材料組成。當(dāng)熱要求很高時(shí)，陶瓷是首選，因?yàn)樗鼈兙哂懈邔?dǎo)熱性（>20 W/m?K）。不同的陶瓷材料用于基板加工（例如 BeO、Si3N4、AlN）.不同的技術(shù)允許將陶瓷連接到導(dǎo)電金屬上，例如 DBC（直接銅焊）或 AMB（活性金屬釬焊）。基材的可靠性通常與陶瓷材料與所用金屬的機(jī)械性能有關(guān)。隨著新型寬帶隙半導(dǎo)體的發(fā)展，

如 SiC 或 GaN，更高的電壓和更高的電流密度可能會(huì)增加對(duì)內(nèi)部陶瓷材料的絕緣要求底物。

1、不同的原因可能導(dǎo)致模塊故障：

- 模具故障；

- 鍵合線切割；

- 焊點(diǎn)分層；

- 封裝凝膠介電擊穿；

- 基板介電擊穿；

基板的設(shè)計(jì)和選擇取決于幾個(gè)參數(shù)，例如金屬-陶瓷組件的機(jī)械性能、陶瓷的熱性能及其電絕緣能力。作為基本原理，如果陶瓷材料能夠達(dá)到非常高的工作電壓，因此可以減小其厚度，從而降低沿排熱路徑的熱阻。電介質(zhì)因此，強(qiáng)度是這些功率模塊中使用的陶瓷材料的關(guān)鍵尺寸參數(shù)。盡管如此，關(guān)于工藝參數(shù)、陶瓷微觀結(jié)構(gòu)和介電擊穿場(chǎng)之間關(guān)系的可用信息很少。

（圖1用于封裝半導(dǎo)體芯片的功率模塊示意圖）

對(duì)于陶瓷基板，與其他固體材料一樣，介電擊穿的起源很大程度上取決于發(fā)生介電擊穿的熱力學(xué)條件。例如，在非常高的溫度下使用的氧化鋁和其他陶瓷(>600?C)，由于其高導(dǎo)電性，將顯示熱擊穿。然而，如果我們考慮到當(dāng)前使用的模塊的溫度要低得多（即Si芯片為 135?C），則基板將面臨較低的工作溫度。在這些溫度下，熱擊穿已被排除在可能的機(jī)制之外。

以前的工作指出，陶瓷在室溫下的電擊穿可能與其機(jī)械性能密切相關(guān)。假設(shè)電場(chǎng)引起陶瓷材料內(nèi)預(yù)先存在的裂紋的擴(kuò)展。該假設(shè)已在高電場(chǎng)（短期擊穿）或中等電場(chǎng)（老化研究）下進(jìn)行了研究。

該假設(shè)在文獻(xiàn)中被描述為“機(jī)電介電擊穿”，基于該理論與脆性材料中的機(jī)械擊穿的類比。 在這樣的模型中，預(yù)先存在的裂紋或缺陷在外加電場(chǎng)的影響下傳播，直到最終擊穿（圖 2）。

驗(yàn)證這一假設(shè)的主要挑戰(zhàn)之一是控制陶瓷中初始缺陷或裂紋的大小。以前的嘗試包括使用在不同溫度下燒結(jié)的陶瓷，具有不同的微觀結(jié)構(gòu)或具有不同的成分。這可能會(huì)導(dǎo)致所研究材料的固有介電擊穿強(qiáng)度發(fā)生變化，從而可能使結(jié)果產(chǎn)生偏差。

在這項(xiàng)工作中，我們將采用機(jī)械預(yù)應(yīng)力，以便在陶瓷內(nèi)部產(chǎn)生不同尺寸的缺陷，而不改變其微觀結(jié)構(gòu)的化學(xué)成分。主要用于功率模塊的氧化鋁（Al2O3）基板已被選為代表性樣品。 結(jié)果將面臨機(jī)電擊穿模型。最后，將對(duì)我們的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析，以提取關(guān)于陶瓷基板制造過(guò)程中可以考慮的設(shè)計(jì)規(guī)則的建議。

2、介電擊穿的起源

這項(xiàng)工作的目的是了解用于制作電力電子基板的陶瓷的電擊穿機(jī)制。固體的介電擊穿可以分為三種類型，具體取決于潛在的物理現(xiàn)象：

1）電子起源（電子雪崩或場(chǎng)或本征效應(yīng)）；

2）熱起源，它消散由傳導(dǎo)電流引起的熱量或介電損耗和；

3) 解釋材料無(wú)法承受由電場(chǎng)引起的機(jī)械應(yīng)力的機(jī)電起源；

（圖2機(jī)電故障的一般模型（受 Griffith 提議的啟發(fā)）

一般來(lái)說(shuō)，這些機(jī)制不是獨(dú)立的，可能會(huì)相互作用，直到最終崩潰。 因此，通常難以確定和隔離導(dǎo)致介電擊穿的一種物理現(xiàn)象。

二、實(shí)驗(yàn)程序

   1、研究中的陶瓷材料

選擇的陶瓷材料是工業(yè)可用的氧化鋁 (Al2O3)板（厚度635μm），通常用于電源模塊的DBC陶瓷基板。據(jù)報(bào)道，氧化鋁的純度為96%；4%的其他燒結(jié)添加劑和雜質(zhì)（主要是Si、B、Mg、Ca）。通過(guò)掃描電子顯微鏡觀察到氧化鋁的平均晶粒尺寸為4 μm（圖3）。

為了限制加工條件造成的分散，我們特別注意確保來(lái)自同一制造商的氧化鋁板是從同一批號(hào)中提取的。 隨機(jī)抽樣（18 次測(cè)試）表明，分析批次的介電擊穿為 21 kV/mm（在室溫下）。 分解實(shí)驗(yàn)在第 2.3 節(jié)中有詳細(xì)說(shuō)明。 然后通過(guò)激光切割將氧化鋁板從收到的 115 × 115 mm 尺寸切割成 38 × 38 mm 的較小板。 激光切割后，中心部分的介質(zhì)擊穿場(chǎng)氧化鋁保持不變。

（圖3研究中氧化鋁的微觀結(jié)構(gòu)）

2、機(jī)械預(yù)應(yīng)力

在機(jī)電擊穿模型中，由于存在缺陷，介電擊穿強(qiáng)度受到限制，類似于格里菲斯的提議用于機(jī)械故障。在其最基本的形式中，這些缺陷可能是材料主體內(nèi)部的裂縫、裂縫或任何機(jī)械不連續(xù)性。如前所述，為了避免任何化學(xué)或微觀結(jié)構(gòu)修改，我們對(duì)氧化鋁樣品施加了機(jī)械預(yù)應(yīng)力。機(jī)械應(yīng)力可以通過(guò)壓縮、牽引或彎曲施加。考慮到氧化鋁的高抗壓強(qiáng)度，我們決定施加彎曲力。施加彎曲應(yīng)力的最簡(jiǎn)單配置之一是通過(guò)3點(diǎn)彎曲測(cè)試（圖4a）。我們假設(shè)在這種配置中，裂紋將在3點(diǎn)彎曲配置的最大拉伸應(yīng)力區(qū)域產(chǎn)生，即在上沖頭施加力的中心區(qū)域（圖 4b）。在這些條件下，初始裂紋將擴(kuò)展或形成新裂紋。氧化鋁的壓縮（2000 GPa）和拉伸（200 GPa）強(qiáng)度的巨大差異將有利于陶瓷材料橫截面的拉伸區(qū)域（與上柱塞接觸點(diǎn)相反）形成裂紋.

施加的總機(jī)械應(yīng)力是樣品尺寸和測(cè)試臺(tái)幾何形狀的函數(shù)，如下所示：

圖4(a)用于在氧化鋁板上施加機(jī)械預(yù)應(yīng)力的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)臺(tái)，(b)在氧化鋁板底部產(chǎn)生拉應(yīng)力。其中M是彎矩，l是支撐（外）跨度的長(zhǎng)度，F是斷裂點(diǎn)處的載荷（力），B是樣品的底部，h是樣品的有效厚度。

由于裂紋或裂紋網(wǎng)絡(luò)的形成減少了氧化鋁板的有效截面，如果施加恒定的力，實(shí)際應(yīng)力將隨著裂紋沿材料厚度的傳播而增加。最終裂紋尺寸將與其初始尺寸、施加的力和在這種力下花費(fèi)的時(shí)間相關(guān)。進(jìn)行了一系列測(cè)試以確定電氣擊穿之前的機(jī)械預(yù)應(yīng)力條件（力和應(yīng)用時(shí)間）。擊穿時(shí)間（機(jī)械）與施加力的特性如圖5所示。

可能施加的最大力為 180 N，這對(duì)應(yīng)于所研究的氧化鋁的機(jī)械彎曲強(qiáng)度。試圖研究所有適用的力。但是，需要從機(jī)械測(cè)試中運(yùn)輸樣品工作臺(tái)到介電擊穿試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)于高值的力 (>100 N)，即使是短時(shí)間的預(yù)應(yīng)力也可能在樣品操作過(guò)程中破壞樣品。在這項(xiàng)研究中，樣品被預(yù)應(yīng)力從20 N到80 N，施加力1分鐘。這使得樣品可以在沒(méi)有損壞樣品的風(fēng)險(xiǎn)的情況下進(jìn)行處理。用氈尖筆標(biāo)記樣品以識(shí)別力柱接觸的區(qū)域。

2、預(yù)應(yīng)力氧化鋁的介電擊穿

介電強(qiáng)度測(cè)量在平面尖端配置中進(jìn)行。與樣品接觸的尖端是直徑為1 mm的圓柱體。由自耦變壓器調(diào)節(jié)的交流發(fā)電機(jī)由步進(jìn)電機(jī)控制，以調(diào)節(jié)施加電壓幅度的斜坡。以1.6 kV/s的斜率獲得短期介電擊穿值。電介質(zhì)擊穿檢測(cè)和電壓切斷是由電流的快速增加觸發(fā)的。將樣品浸入介電流體 (Galden HT270) 中以避免表面閃絡(luò)。 氈尖筆線有助于將尖端定位在最大應(yīng)力區(qū)域，以在該區(qū)域引起介電擊穿。針對(duì)每個(gè)樣品的機(jī)械預(yù)應(yīng)力繪制了介電擊穿值的結(jié)果。

（圖5擊穿時(shí)間（機(jī)械）與應(yīng)用機(jī)械正在研究的 635 μm 氧化鋁板的力）

3、結(jié)果與討論

圖7顯示了介電擊穿后的陶瓷板。氧化鋁板的尺寸允許每個(gè)樣品進(jìn)行 3 到 4 次介電擊穿測(cè)試。

在 Weibull 圖中繪制結(jié)果時(shí)，我們可以很容易地發(fā)現(xiàn)，預(yù)應(yīng)力樣品所得結(jié)果的離散度明顯高于無(wú)應(yīng)力樣品 (0 N) 所得結(jié)果的離散度（圖 8）。

為了更好地觀察機(jī)械預(yù)應(yīng)力的影響，僅繪制了從雙系數(shù) Weibull 分布中提取的介電擊穿的 α 參數(shù)（累積概率為 63.2%）（圖 9）。

盡管這些值存在顯著差異，但我們可以觀察到氧化鋁在受到機(jī)械預(yù)應(yīng)力時(shí)的介電強(qiáng)度下降。隨著機(jī)械預(yù)應(yīng)力值的增加，α參數(shù)的降低更為重要。Ebr 值差異很大的原因之一可能源于我們。

圖6(a)初始裂紋長(zhǎng)度為 l0 的參考樣品，(b)增加陶瓷內(nèi)部裂紋長(zhǎng)度的機(jī)械預(yù)應(yīng)力，總長(zhǎng)度為 l0 + lm，(c) 介電擊穿預(yù)應(yīng)力陶瓷。

圖7介電分解的氧化鋁樣品。 頂面經(jīng)受壓縮（黑線，氈尖筆），底面經(jīng)受拉應(yīng)力。 紅色圓圈表示氧化鋁表面上的破裂通道出口點(diǎn)。

圖8預(yù)應(yīng)力氧化鋁板介電擊穿的完整結(jié)果（0到80 N 1分鐘）

圖9預(yù)應(yīng)力氧化鋁介電擊穿的 α 值板（0 到 80 N，tappl = 1 分鐘），誤差線對(duì)應(yīng)于90% 置信區(qū)間。

將高壓尖端與最大應(yīng)力區(qū)域完美對(duì)齊。 氈尖筆厚 1 毫米，受力區(qū)域的確切寬度暫時(shí)未知。Ebr 值大分散的另一個(gè)原因可能是裂紋擴(kuò)展本身的性質(zhì)，特別是如果裂紋不是均勻的 沿應(yīng)力平面分布。

氧化鋁的介電擊穿結(jié)果表明，較低的機(jī)械預(yù)應(yīng)力具有較高的介電強(qiáng)度假設(shè)一個(gè)恒定的延伸速度，介電強(qiáng)度的演變與預(yù)應(yīng)力裂紋的演變相關(guān)，這支持了機(jī)械性能對(duì)氧化鋁介電擊穿現(xiàn)象的貢獻(xiàn)。這可以通過(guò)以下事實(shí)來(lái)解釋：氧化鋁基陶瓷的介電失效機(jī)制與裂紋的傳播密切相關(guān)，并且后者會(huì)影響介電強(qiáng)度。

我們應(yīng)該考慮到，出于應(yīng)用目的，氧化鋁（或第1節(jié)中提到的任何其他陶瓷）是與其他材料組成的復(fù)雜組件的一部分，其中金屬與基板組件直接接觸。雖然有一些研究強(qiáng)調(diào)了陶瓷基板組件中的初始機(jī)械性能的重要性，但此處提供的數(shù)據(jù)表明氧化鋁的其他加工參數(shù)可能是相關(guān)的。這可能表明需要考慮陶瓷的機(jī)械歷史，因?yàn)樗鼘?duì)介電強(qiáng)度值有影響。