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DBC基板失效模式及机理

作者:海飞乐技术 时间:2019-05-29 16:29

  DBC基板为铜-陶瓷-铜组成的双材料三层结合结构,在热循环试验过程中,界面上的边界条件为一侧材料对另一侧材料的变形约束,当基板整体受到均匀的随时间变化的温度载荷时,由于铜和陶瓷热膨胀系数不匹配以及变形约束的存在而导致界面处出现应力集中,尤其是在界面的几何突变处(通常称之为奇异点)。界面上奇异点及其附近的应力σ和位移u可描述为:

计算公式1 
 
其中r代表距离奇异点的距离:λn表示第n个特征值,该特征值由奇异点附近的几何形状及材料性能所决定,λn越小,奇异性越强;kn为应力强度因子;f和F为角函数,N为奇异性个数。从式(1)中可以看出,理想弹性条件下界面的奇异点处存在着非公式的应力奇异性,即应力趋于无穷大;裂纹通常萌生于奇异点。当DBC基板裂纹萌生后,热循环载荷将驱动裂纹进一步扩展。
 
  DBC基板失效过程包括裂纹萌生与裂纹扩展两个阶段。由于界面端的当外部温度载荷超过125℃时,DBC基板上的铜层将发生塑形变形,在热循环过程中铜层的塑性变形累积较大,铜层-陶瓷层界面的几何奇异处会产生应力集中;由于界面端处的应力奇异性较弱,当界面处出现应力集中时,结合材料的破坏将从应力集中的位置开始,从而萌生裂纹。由剥离强度测试可知DBC基板界面结合力较强,同时由于在制造过程中经历1066℃到室温的较大温差,基板中存在较大残余应为,这将导致裂纹萌生后偏离原裂纹方向而向陶瓷母材中扩展,发生曲折破坏;此外,陶瓷通过粉末烧结而成,通过试验检测可知其中通常存在极微小的裂纹或空洞等固有缺陷,这些固有缺陷也会作为陶瓷母材的薄弱处而诱使裂纹朝缺陷方向扩展。而后裂纹在扩展一定长度后沿平行于界面的方向继续扩展,最终导致基板完全断裂。具体的失效横式如图1所示,即钢层边缘或几何奇异处萌生裂纹,裂纹向陶瓷层中扩展而最终导致陶瓷层断裂。
DBC基板热循环试验中的常见失效模式 
图1 DBC基板热循环试验中的常见失效模式
 



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