陶瓷线路板不同材料的热膨胀系数对结合力的影响

陶瓷线路板和金属导体之间的热膨胀系数存在差异时，随着温度的升高或下降，两种材料之间会产生热应力。这会对它们之间的结合力造成影响。当温度升高时，热膨胀系数小的陶瓷线路板会缩小，而热膨胀系数大的金属导体则会膨胀。这会导致两者之间产生间隙，从而影响它们之间的结合力，增加分离风险。以下是一些陶瓷材料和铜的热膨胀系数的数据（单位：ppm/K）：

需要注意的是，材料的热膨胀系数可以受到许多因素的影响，例如温度范围、材料的组成和制备条件等。因此，上述数据仅供参考。在实际设计中，应考虑到具体的材料和工艺条件，进行实际材料测试和热膨胀系数计算。

而当温度下降时，热膨胀系数小的陶瓷线路板会扩张，而热膨胀系数大的金属导体则会收缩。这会导致陶瓷线路板与金属导体之间的结合力增加，但同时也会增加陶瓷线路板的开裂风险。

因此，在设计陶瓷线路板时需要考虑两种材料的热膨胀系数之间的差异，并采取适当的措施来减小它们之间的热应力，确保线路板与金属导体之间的结合牢固，不易分离和开裂。

以下是几种减小陶瓷线路板和金属导体之间热应力的措施：

1. 更换材料：选择热膨胀系数相似的材料作为线路板和金属导体的接合材料，可减少热膨胀系数差异带来的热应力。

2. 引入缓冲层：引入缓冲层（如橡胶、PE、PP等）作为两种材料之间的垫片，可以降低热应力。缓冲层具有较好的弹性，能够吸收热膨胀引起的变形，从而减缓热应力。

3. 调整结构：通过调整线路板和金属导体的结构设计，例如增加排列方式的间距，增大焊点的尺寸等，可减少机械应力对接点的影响，从而减少热应力的影响。

4. 采用半固化胶水或流动性更强的焊接材料：使用半固化胶水或流动性更强的焊接材料，可以增加材料之间的粘合力，减少材料之间产生的间隔和断裂，从而减少热应力的解除措施。

5. 升温和降温过程区域温和，不要断崖式降温，升/降温区间温度不要超过40℃。

以上几种方法或者结合起来使用，可以降低热应力和Mechanical stress，提高陶瓷线路板与金属导体之间的结合牢固性。

以下是案例解析：客户在做剪切强度测试中，实验参数是： 40℃*1.5min --280℃*1.5min--340℃*3min，实验过后板子崩开成两半，分开部分从氧化铝陶瓷中间开始。

一、样品分析

从样品设计来看，两面都是大铜皮设计，因陶瓷与铜皮的膨胀系数不一样，在遇高温后再遇冷，铜皮先膨胀后集聚收缩，两边的铜皮张力会拉扯陶瓷基板，导致有崩板的风险。

二、归零实验

2.1实验还原

实验参数：240℃*1.5min

实验过程：在240℃的无铅锡炉中，将样品放入90s后，放置在室温环境中，240℃断崖式降温到25℃。样品在2-3min内发生爆板。如下图：

斯利通陶瓷基板拉力测试

结果分析：从崩开平视图来看，样品都是向铜皮面翘曲，说明铜皮的拉扯力度大，导致爆板。

正如前页设计分析的结果，240℃的高温下，再进入25℃室温的环境中，温度跨度太大，铜皮急剧收缩，而陶瓷几乎没有涨缩，所以导致爆板

2.3实验验证

实验参数：240℃*1.5min → 280℃*1.5min → 340℃*3min→ 逐渐降至室温

实验过程：先将板子在烤炉中逐渐升温到180℃*10min，在无铅锡炉中按实验参数逐渐完成以上步骤，在锡炉升温的过程中，产品不能暴露在室温环境中，持续保持原有温度，并缓慢将至室温。实验后逐渐降到室温再取出陶瓷板

2.4实验结果

样品经过240℃-280℃-340℃后逐步降至室温后无爆板、无翘曲、裂纹，无任何异常。

爆板原因：两面都是大铜皮设计，因氧化铝陶瓷与铜皮的膨胀系数相差2倍左右，在遇高温后再断崖式冷却，铜皮先膨胀后集聚收缩，两边的铜皮张力会拉扯陶瓷基板，导致爆板。

使用建议：

1.因陶瓷板在高温后几乎没有涨缩，在使用或者实验过程中高温后不要急剧降温，或放置在室温中冷却。应逐步降温，陶瓷基板能够承受铜皮的拉扯。

2.在设计陶瓷板的时候尽量不要同时使用两面大铜皮设计，加网格或者附加图形。
 

审核编辑：汤梓红