随着电力电子系统设计，在选择的电源模块能够实现其数据表中描述的电气功能，并且该模块是可靠的。这就意味着它应该在给定的条件下、在定义的时间段内运行并且在可接受的故障率范围内。虽然焊料疲劳和线剥离一直是传统模块寿命的主要限制因素，但半导体组装和封装的新技术已经出现，新一代模块实现了更长的寿命。展望未来，金属化陶瓷基板仍将是模块中的关键组件，以保证其功能和可靠性。

一、了解故障机制

金属和陶瓷具有不同的热膨胀系数（CTE），这意味着这两种材料在暴露于温度变化时不会以相同的速度膨胀和收缩。在接合过程中，由于铜和陶瓷在非常高的温度下接合，对于活性金属钎焊（AMB）或1060℃的直接键合铜（DBC）基板，机械应力将被在基板中。然后在操作期间，由于环境温度可能会发生变化，并且半导体器件的结温会随着它们打开和关闭负载而发生变化，因此衬底将暴露于显着的温度波动中，这将在基材中引起交替的压缩和拉伸应力。

二、如何测试和评估金属化陶瓷基板的寿命？

热循环是用于评估金属化陶瓷基板可靠性的最常用测试方法，这是一种加速测试方法，因此无法提供有关实际应用案例中基材寿命的任何信息，但可以很好的比较各种基材。虽然几乎每个陶瓷基板制造商都会使用相同的测试方法，但你应该注意温度曲线，因为不同的测试条件可能会导致不同的加速因子，从而显着影响测试结果。在大多数情况下，陶瓷基板将在——40℃和+125℃之间进行测试，但可以发现-55℃到150℃，如某些军事应用规范中所建议的那样。

染料渗透测试和共振频率测量等各种测试方法可用于揭示裂纹的数量和长度，但它们要么具有破坏性，要么不适应于任何测试车辆。扫描声学显微镜是一种众所周知的用于故障分析的非破坏性测试方法。它利用超声波穿透固体材料，并形成裂纹、分层和空隙等缺陷的可见图像。图像上的对比度突出了缺陷的位置，通过一些适用于图像分析的软件以及图像的非常好的和一致的分辨率，可以测量退化进程占总金属化面积的百分比。

并非基材中的每中降解形式都对你的应用至关重要。但是，最低要求应该是不影响芯片的散热。这在很大程度上取决于芯片相对于退化的位置，图像的视觉评估通常不足以确定基材的使用寿命。它应该与热阻抗测量相结合，以全面评估任何缺陷的严重性，这是比较和鉴定新材料或供应商的非常好的工具。

三、在应用选择最佳材料组合

高导热氮化铝是散热目的最佳选择，但不幸的是它的机械性能较差。因此，氮化铝DBC陶瓷基板在几个温度循环后容易失效。氧化铝DBC陶瓷基板更坚固，即使其典型厚度减半，它们也可以承受几乎两倍于氮化铝DBC陶瓷基板的循环次数。一旦掺杂和增强氧化锆，氧化铝陶瓷的机械性能得到改善，并且在相同的测试条件下可靠性再次提高了两倍。氮化硅陶瓷基板更坚韧，一旦通过活性金属钎焊与铜连接，氮化硅基材可以承受超过1000次循环。

陶瓷基板的寿命还取决于铜和陶瓷之间的厚度比，一般来说，用薄铜层金属化的厚而坚固的陶瓷基板预计比用厚铜金属化的薄而脆弱的陶瓷基板承受更多的循环。这些厚度通常旨在实现所需的绝缘、散热和电流密度，但最好的电气和热设计不一定是最可靠的。

四、可靠性设计

最可靠的材料很少是最便宜的材料，幸运的是，还有其他选项可以通过设计提高可靠性，并且不会增加解决方案的大量成本。陶瓷基材具有专有的凹坑设计，用于缓解热应力。由于凹坑减少了铜焊盘边缘的铜厚度，因此对陶瓷施加压缩力的铜材料减少，这些关键区域的热机械应力降低，寿命显着提高。

另一个重要的设计考虑因素是均衡陶瓷基板两侧的应力，我们建议在两面使用相同的铜图案和相同的铜厚度。由于背面通常需要平坦的铜表面，因此只有在需要满足电气隔离要求时才应在组件侧去除铜。应特别注意两侧的无铜周边，因为如果它们相差超过 500µm，则很容易出现裂缝。

此外，铜焊盘拐角的设计也会影响陶瓷基板的可靠性，两个相同的设计但分别具有尖锐的圆角将不会实现相同数量的温度循环。令人惊讶的是，具有尖角的基板比具有圆角的相同陶瓷基板能承受更多的循环。

五、外表

如今，功率模块的寿命不受陶瓷基板的限制，并且有许多方法可以使用现有的陶瓷基板技术来设计稳健的模块。必须充分了解您的应用及其任务概况，才能以最低的成本选择最好的材料。一些设计调整可以帮助解决一些潜在的可靠性问题，并充分利用可用的基板表面。