电子功率器件陶瓷基板的热疲劳和失效

如今功率半导体模块主要用于控制电动机，尤其是在运输应用（汽车和航空电子设备）中。在提高大功率电子设备的可靠性和疲劳寿命，对于这些应用中的实际挑战是一个真正的挑战，在这些应用中功率模块越来越多地被使用。特别是为了降低发动机的燃料消耗。

在许多此类应用中，电源模块会经历周期性的温度变化。有两种类型的热循环叠加在一起，功率循环来自在运行阶段（焦耳效应）在模块的有源部分中施加的电流，以及来自环境温度变化的被动循环。在飞机发动机环境中，这些变化通常在-30℃和+180℃之间℃，在最坏的情况下，介于-55℃和200℃之间。因此，电力电子器件极易受到变幅热疲劳的影响。而这些研究的目的是了解失效起源的机制并对其进行建模，以优化功率模块的几何形状或制造过程，从而提高其疲劳寿命和可靠性。

在研究的模块由芯片、陶瓷基板和基板组成，芯片本身焊接在陶瓷基板上。为了确保陶瓷基板在芯片与基板的电绝缘，基板还必须允许从芯片到基板的功率耗散产生的热量排出。为此，氮化铝直接键合铜DBC基板通常用于功率模块，因为它们具有良好的导热性。它们由陶瓷层氮化铝组成，铜薄片通过高温氧化工艺粘合在两面。上铜层（厚度t Cu1  =  127–300 μm），然后被化学蚀刻以形成电路。瓷板（厚度t AlN  =  635  μm）确保电绝缘，下部铜层保持平整并焊接到安装在散热器上的陶瓷基板（铜或AISiC）上。

DBC陶瓷基板的整体热膨胀系数接近于硅芯片的整体热膨胀系数，从而降低了芯片与基板界面处的热循环效应。相反特别是对于最高温度变化，热疲劳失效会出现在DBC陶瓷基板内部，并且限制模块的疲劳寿命。

因此，对DBC陶瓷基板的热疲劳进行了大致分析，铜和氮化铝的热膨胀系数之间的差异是热疲劳的根源。据观察裂纹要么直接从陶瓷层开始，要么从DBC陶瓷基板中的几何奇点开始。在第一种情况下，陶瓷层的失效会在几个循环后发生。在第二种情况下，如果温度变化足够大，陶瓷层会出现贯穿厚度的裂纹，这两种机制竞争破坏DBC基板内部结构。

本文分别对这两种失效机制进行了表征和建模，最后建立了DBC陶瓷基板的有限元模型，提出了提高模块疲劳寿命的方法。

审核编辑：汤梓红