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DBC基板热循环试验及失效试样分析

作者:海飞乐技术 时间:2019-05-31 17:00

  1. DBC基板热循环试验
  由于DBC基板中铜层和陶瓷层材料的热膨胀系数不匹配,且??樵诜酃讨薪衅捣钡目囟贾轮芷谛缘奈露缺浠?,从而导致基板内上下铜层与中间陶瓷层之间相互变形约束而导致热应力的产生,长期工作条件下会进一步导致陶瓷层断裂、界面脱层等失效。为了加速失效,采用热循环试验对该失效机理进行分析。
 
  将该样品放入热循环试验箱中。根据JESD22-A104D国际标准设置热循环可靠性试验曲线,热循环温度变化范围为205℃(-55~150℃),由于热循环试验主要考察的是材料本身性能对极端环境条件的响应,要求元件内部湿度一致,排除温度梯度对失效的影响(与热冲击试验区分开),因此要求升降温速率不超过15℃/min。根据这一原则,本次试验中设定升降温时间分别为20分钟,高低温保持时间各为15分钟。试验箱内设置热电偶检测实时试样的实际温度,温度曲线如图1所示,实测温度基本与所设定的温度相吻合。

热循环试验温度曲线 
图1 热循环试验温度曲线
 
  同一批次取10块带有铜层线路设计的DBC基板为一个试验组,编号为1至10;前50次循环时每隔5次循环取出样品并在金相显微镜下进行目测,未见任何失效;之后每隔1次循环取出样品并进行SAm测试,观察铜层和陶瓷层直接是否出现脱层和裂纹。经试验发现,10个DBC基板样品有8个在65-70次循环间出现裂纹,1个在62次循环时出现裂纹,另一个在75次循环式出现裂纹,统计结果如图2所示,可见样品的制造工艺一致性良好。
DBC基板失效时热循环次巧的试验统计 
图2 DBC基板失效时热循环次巧的试验统计
 
  2. 失效分析
  为了分析DBC基板界面脱层失效中裂纹的萌生及扩展过程,为后期理论分析和数值分析建立试验基础及提供试验验证,按照从无损的到破坏性的失效分析方法,首先采用SAM无损测试方法检测裂纹萌生后随着热循环次数的增加DBC基板上铜层与陶瓷层界面裂纹的扩展情况。SAM测试结果如图3所示,分别为未进行热循环时(图3(a))、裂纹开始萌生时(图3(b))以及裂纹萌生后每隔10次循环的检测图片(图3(c)-(f)。从图3(a)-(f)中可以明显发现,约65次循环后DBC基板界面出现裂纹,且裂纹萌生位置均出现在铜层图形的边缘,增加热循环次数后,脱层面积逐渐增大,直至陶瓷层和该块铜层几乎完全脱层。
DBC基板热循环过程中裂纹萌生及扩展的SAM测试图片 
图3 DBC基板热循环过程中裂纹萌生及扩展的SAM测试图片
 
  接下来进行破坏性的失效分析。裂纹萌生后,每隔一次循环取DBC基板的失效样品沿界面脱层位置纵向切开,采用金相显微镜观察剖面裂纹,并对裂纹扩展情况进行定量测量;其中一块样品75次热循环后的失效照片、面积最大铜块的界面裂纹情况、界面脱层处的横截面剖面图及测量结果分别如图4(a)-(c)所示。对多组样品进行分析测试后可以发现,裂纹萌生及扩展趋势几乎一致,即DBC基板从上铜层中的面积最大的铜块(尺寸:20×10mm2)的边角处开裂,并且裂纹沿着红色箭头方向迅速朝着该铜块的内部扩展,最终使得铜层和陶瓷层沿界面脱层。从剖面图中进一步观察出裂纹扩展至陶瓷层内部,扩展方向与界面呈15°~30°倾角,待裂纹深入陶瓷200μm~300μm厚度后,再沿几乎与界面平行的方向继续扩展,直至铜和陶瓷彻底分离,且测得平行扩展时裂纹距陶瓷上界面的深度为170μm~190μm之间,大约位于陶瓷层中央。
经历75次热循环后氧化铝DBC基板的失效分析 
图4 经历75次热循环后氧化铝DBC基板的失效分析
 
  继续进行热循环测试,直至经历110次热循环后,DBC基板上面积最大的铜层块完全从陶瓷层上剥离开,失效分析结果如图5(a)-(b)所示。观察完全剥离下的铜层结构,可以发现铜层背面黏附着陶瓷薄层。对剥离下的黏附陶瓷的铜片进行SEM观测,可见界面处无明显过渡层。经能谱分析可得界面处的元素主要为O、Cu和Al且原子比例约为O:Cu:Al=2:1:1,这证明了DBC基板制造过程中铜-陶瓷界面间由于氧化反应生成Cu(AlO2)薄膜界面物质,从而使得铜和陶瓷之间形成了牢固的粘接。
经历110次热循环后的DBC样品失效分析 
图5 经历110次热循环后的DBC样品失效分析
 



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