文章列表
联系我们 产品咨询

联系人:吴海丽
电话:0755-2349 0212
手机:157-1205-5037
邮箱:tel-sherry@foxmail.com
地址:广东省深圳市龙华新区民治街道向南四区松花大厦
点击这里给我发消息

绝缘基板失效及可靠性优化设计

作者:海飞乐技术 时间:2019-05-27 17:33

  由于功率半导体器件在工作状态下芯片会需流过数百安培的电流,为了降低导体损耗采用电阻率低、金属层厚的直接敷铜(DBC)陶瓷基板来替代早期的厚膜工艺。DBC基板采用基于气体-金属共晶反应的陶瓷表面金属化的技术,该技术于1975年由Burgess和Sun最先提出并应用于电力??榉庾爸行?,具体是在氧化铝陶瓷基板上放置所需厚度的铜箔,在含氧的氮气气氛并如热至1066℃。铜在氧气氛围内形成含铜和氧的共晶液相,润湿在直接接触的铜层和氧化铅陶瓷层的界面,并通过化学反应CuO+Al2O3=CuAl2O4、CuAl2O4+Cu=2CuAlO2将铜和陶瓷牢固地结合到一起,其制造工艺流程如图1(a)所示。在工业批量生产中采用大块的陶瓷基板,根据所需的图形对基板上铜层进行排布,并用湿法刻蚀的方法形成所需线路,最后通过激光切割的方法分离开小块的基板,具体流程如图1(b)所示。
 
  DBC基板因其热阻低、热导率高、机械特性良好、附着强度高、绝缘性高和电流承载能力强,同时耐焊锡性优良,并可刻蚀出各种线路图形,广泛应用于功率半导体???、汽车电子、工业电子、航天航空等领域。同时,根据所采用陶瓷材料的不同,DBC基板分为Al2O3-DBC、AlN-DBC、Si3N4-DBC和BeO-DBC,其中BeO因为其毒性造成人体和环境问题而使用受限,现工业界实际应用的多为氧化铅基板和氮化铝基板。相比于氧化铅基板,氮化铝基板的热导率较离,氮化铝基板的机械强度较高,但是随之而来的是成本问题及加工难度,需要根据实际应用需求进行合理选择。一般情况下,氧化铅DBC基板由于其资源丰富,价格较为低廉,并且其机械性能、电绝缘性、热传导性、化学稳定性等均可以满足常规的功率半导体??榈男枨?,使用量较大,其可靠性和失效机理值得进行深入的研究。

DBC基板制造工艺流程 
图1 DBC基板制造工艺流程
 
  由于DBC基板的铜层和陶瓷层材料之间的热膨胀系数失配,在制造过程、回流工艺过程以及??橛τ霉讨蠨BC基板将遭受热应力而造成热疲劳失效,主要的失效模式为金属和陶瓷发生脱层以及陶瓷层断裂。裂纹根据其受力特征通??梢苑治只纠嘈?,即裂纹表面的位移垂直于裂纹面的张开型裂纹(记作I型)、裂纹表面的位移在裂纹面内且垂直于裂纹前缘的滑开型裂纹(记作Ⅱ型)以及裂纹表面的位移在裂纹面内且平行于裂纹前缘的撕开型裂纹(记作Ⅲ型)。其中,I型裂纹由垂直应力造成,是最为常见也最为危险的裂纹类型;Ⅱ型和Ⅲ型裂纹均由剪切力造成,差别在于Ⅱ型裂纹由面内剪切造成,而Ⅲ型裂纹由面外剪切造成。工程实际中DBC基板的裂纹情况由于其受力复杂,通常为上述三种基本形式叠加而成的复合裂纹。国内外学者针对应用在功率??橹械腄BC基板的失效模式及失效机理进行了大量的研究。
 
  Yoshino研究了Al2O3-DBC基板在-40℃~125℃热循环试验下的失效情况,原始试样的剥离强度较高(大于8kN/m),热循环过程中观察到裂纹在铜层边角。处萌生,并沿界面扩展约200μm之后以以个小角度(约为30°)向氧化铝陶瓷层中扩展,这是由于I型和Ⅱ型复合断裂模式所造成的,并且裂纹分布较广,多个小裂纹会在扩展过程中合并成贯穿性大裂纹;试验结束后将铜层腐蚀掉,采用荧光染色方法观察氧化铝的表面并沿着铜的四周测量裂纹的总长度,定义裂纹敏感性为裂纹长度与铜层周长的比值;试验发现裂纹敏感性与DBC基板加工温度有关,当湿度离于1090℃时,明显抗裂纹能力加强,这是因为不同湿度加工时造成不同的残余应力所导致的,Yoshino认为在热循环过程中多孔结构的氧化铅陶瓷结构会吸收一部分热应力,在一定程度上阻止了裂纹的扩展,因此裂纹的扩展路径与陶瓷层呈小角度。Wei等人究了层状材料的复合断裂模式;当金属-陶瓷界面发生脱层时金属的塑性变形对界面结合强度影响很大;通过理论分析了厚基板生长氮膜的层状复合结构的非线性脱层机理,当发生大范围塑性屈服时,界面裂纹尖端的塑性区的高度和薄膜的厚度相近;对于薄膜为弹塑性的金属且基板为弹性的陶瓷时,界面脱层的本质为氮膜屈服时除了裂纹尖端塑性区域以外的造成弹性卸载的应力释放。使用威布尔模型研究陶瓷层在热循环过程中由于内部缺陷而导致的脆性断裂,同时通过试验观察到裂纹从铜层-陶瓷层界面的几何奇异点处萌生,而后裂纹分叉扩展最终导致陶瓷断裂。
 
  DBC基板为直角结合双材料体系,对于双材料体系界面裂纹的研究起于二十世纪五十年代末,采用渐进级数展开的方法对各向同性双材料界面裂纹的萌生和扩展问题进行分析,并发现裂纹尖端的应力具有奇异性。研究发现热应力载荷下的裂纹尖端应力场与机械载荷下的应力场具有相似的奇异性。然而裂纹尖端的应力奇异性决定了有限元法中裂尖应力相对于网格尺寸不收敛,增加了裂纹分析的难度。直到80年代初期,对于不同材料间的裂纹的面内扩展问题,提出了采用结合了特征函数展开方法的复合应力强度因子K来描述裂纹尖端的应力场,从而克服了数值求解的固有难点。利用复变函数的方法研究了不同材料键合界面裂纹的稳态热应力。有人提出了双材料体系在均匀温度场作用下界面裂纹的复合热应力强度因子,该因子决定了界面裂纹萌生后,裂纹在温度场载荷下的扩展情况。研究了部分绝缘的双材料键合体系中界面裂纹在均匀热流下的热应力强度因子,发现其复合应力强度因子以Ⅱ型应力强度因子为主,且绝缘程度降低时热应力强度因子随之降低。采用光热弹性法以及有限元法研究了双材料体系界面裂纹的瞬态热应力,将试验数据用最小二乘法进行多参数拟合,与数值方法计算出的J积分相互验证,证明了常规的温度变化会产生较大的应力。数值方法计算应力强度因子从早期的利用裂纹尖端前沿应力或裂纹尖端附近的开口位移的数值解进行外插,发展到利用J积分方法将包含裂尖的等效积分区域与有限元相结合,再到两次有限元分析的虚拟裂纹扩展法,而后到一次有限元分析的虚拟裂纹闭合法,发展极为迅速。
 
  DBC基板的热疲劳寿命方面的研究也备受关注。Lutz等人研究了热疲劳寿命和温度曲线之间的关系,并且发现DBC基板的热疲劳寿命随着热循环试验峰值温度的增加而降低。对于Al2O3-DBC基板,当峰值温度商达200°C时,疲劳寿命数不到20次循环。应用有限元分析方法和线弹性断裂力学理论来分析DBC基板的失效,用I型和Ⅱ型应力强度因子来描述奇异点附近的应力场,而铜层的弹塑性本构特性则是预测应力强度因子发展的关键因素,因此提高基板的热疲劳寿命应该从优化基板整体的热机械性能方向着手;通过在常规的热循环(-30°C~180℃)之前预加载三个过载热循环(-70℃~180℃)可化将DBC基板的疲劳寿命从20~40次循环延长到350次循环。采用有限元分析方法研究回流焊接过程对DBC基板疲劳寿命的影响,并应用超低周疲劳寿命模型对基板的疲劳寿命进行预测,发现回流过程中基板会发生变形,并且王次循环后基板出现界面裂纹和早期失效。
 
  同时,在已有研究基础上提出了各种提高DBC基板可靠性的方案。一类方案是对DBC基板几何结构进行优化设计,例如氮少铜层的厚度、在铜层边角处设计蜂窝孔结构以降低铜层局部的应力集中、延长钢层末端长度来降低塑性应变等方法来提高DBC基板的可靠性寿命。另一类方案是对DBC基板的加工制造工艺进行优化,例如在铜和陶瓷共晶熔化发生化学反应前预先在铜层中通入氧气、调整热处理过程的温度等方法来提高基板的可靠性。其他的一些方法还包括使用直接覆铝陶瓷基板(DBA)或活性金属钎焊基板(ACB)替代DBC基板。Lei等人研究了-55℃~150℃的热循环试验中DBA基板的可靠性,通过扫描电子显微镜观察到热循环过程中DBA基板的金属层表面粗挺度不断增加,这是由于热应力和晶粒变形而导致再结晶和晶界滑移所导致;并且试验证明持续1500次热循环后DBA基板仍未出现脱层现象。AMB基板则是采用金属钎焊的方法,在铜层和陶瓷层之间加入一层铜银合金并在840℃的钎焊温度下实现牢固的界面连接,相比于DBC基板,界面强度、可靠性寿命长。
 
  上述这些研究对DBC基板失效机理的研究及可靠性优化具有深刻的参考价值。然而对于DBC基板的裂纹萌生及扩展行为,尚未建立具有说服性的破坏准则,仍需要结合可靠性试验和失效分析进行深入研究。此外,为了提高DBC基板寿命,已有的方法存在成本高或者制造难度大等缺点,无法广泛应用于低成本IGBT??橹圃觳抵?。如何在保证低成本和易制造性的前提下实现DBC基板可靠性寿命的有效提高,需要继续探索。




上一篇:IGBT串联功率端和栅极驱动端的电压均衡电路
下一篇:DBC基板剥离强度测试

欧洲杯买球app