高压电源模块在许多应用中用于构建高功率转换器。从技术上讲，这些模块由不同的材料制成，其中介电材料有有机和无机。有机绝缘体（凝胶）用于避免连接线和高压附近的电晕放电管芯（二极管和晶体管）并保护它们免受湿气和污染物的影响。

无机绝缘体（陶瓷基板）用于隔离接地元件的高压并将热量传递到散热器。尽管自 90 年代后期开始使用，但仍缺乏有关这些基板的电性能的基础知识。因此，制造商倾向于通过加大尺寸来确保可靠性。由于没有明确的规则说明如何做到这一点，因此会发生故障，导致转换器关闭。本研究的目的是为了解这些模块中使用的陶瓷材料的介电强度提供新的信息。我们通过相关实验将工作重点放在陶瓷的机械性能和介电性能之间的相关性上。

根据机电击穿模型，我们提供了有关现有裂纹对陶瓷介电失效影响的新信息。我们的结论提供了有关在功率模块中制造和实施这些基板以降低发生此类可能性的可能性的预防措施的重要信息失败的具体原因。

一、模块和陶瓷

目前使用的高压电力电子系统是基于一个基本的称为“功率模块”的砖，其中封装了有源半导体。在这个组件中，人们发现了不同的材料，它们的功能是确保半导体与其环境之间的互连、绝缘和热交换。电源模块的简化示意图如图1所示。

半导体的互连及其与散热器（接地）的绝缘主要由称为“基板”的单个元件实现。此外，其主要功能之一是保证半导体与其环境之间的电绝缘。此外，它还必须确保排出半导体产生的热量。这些基板由金属导体和绝缘材料组成。当热要求很高时，陶瓷是首选，因为它们具有高导热性（>20 W/m∙K）。不同的陶瓷材料用于基板加工（例如 BeO、Si3N4、AlN）.不同的技术允许将陶瓷连接到导电金属上，例如 DBC（直接铜焊）或 AMB（活性金属钎焊）。基材的可靠性通常与陶瓷材料与所用金属的机械性能有关。随着新型宽带隙半导体的发展，

如 SiC 或 GaN，更高的电压和更高的电流密度可能会增加对内部陶瓷材料的绝缘要求底物。

1、不同的原因可能导致模块故障：

- 模具故障；

- 键合线切割；

- 焊点分层；

- 封装凝胶介电击穿；

- 基板介电击穿；

基板的设计和选择取决于几个参数，例如金属-陶瓷组件的机械性能、陶瓷的热性能及其电绝缘能力。作为基本原理，如果陶瓷材料能够达到非常高的工作电压，因此可以减小其厚度，从而降低沿排热路径的热阻。电介质因此，强度是这些功率模块中使用的陶瓷材料的关键尺寸参数。尽管如此，关于工艺参数、陶瓷微观结构和介电击穿场之间关系的可用信息很少。

（图1用于封装半导体芯片的功率模块示意图）

对于陶瓷基板，与其他固体材料一样，介电击穿的起源很大程度上取决于发生介电击穿的热力学条件。例如，在非常高的温度下使用的氧化铝和其他陶瓷(>600˚C)，由于其高导电性，将显示热击穿。然而，如果我们考虑到当前使用的模块的温度要低得多（即Si芯片为 135˚C），则基板将面临较低的工作温度。在这些温度下，热击穿已被排除在可能的机制之外。

以前的工作指出，陶瓷在室温下的电击穿可能与其机械性能密切相关。假设电场引起陶瓷材料内预先存在的裂纹的扩展。该假设已在高电场（短期击穿）或中等电场（老化研究）下进行了研究。

该假设在文献中被描述为“机电介电击穿”，基于该理论与脆性材料中的机械击穿的类比。 在这样的模型中，预先存在的裂纹或缺陷在外加电场的影响下传播，直到最终击穿（图 2）。

验证这一假设的主要挑战之一是控制陶瓷中初始缺陷或裂纹的大小。以前的尝试包括使用在不同温度下烧结的陶瓷，具有不同的微观结构或具有不同的成分。这可能会导致所研究材料的固有介电击穿强度发生变化，从而可能使结果产生偏差。

在这项工作中，我们将采用机械预应力，以便在陶瓷内部产生不同尺寸的缺陷，而不改变其微观结构的化学成分。主要用于功率模块的氧化铝（Al2O3）基板已被选为代表性样品。 结果将面临机电击穿模型。最后，将对我们的实验进行分析，以提取关于陶瓷基板制造过程中可以考虑的设计规则的建议。

2、介电击穿的起源

这项工作的目的是了解用于制作电力电子基板的陶瓷的电击穿机制。固体的介电击穿可以分为三种类型，具体取决于潜在的物理现象：

1）电子起源（电子雪崩或场或本征效应）；

2）热起源，它消散由传导电流引起的热量或介电损耗和；

3) 解释材料无法承受由电场引起的机械应力的机电起源；

（图2机电故障的一般模型（受 Griffith 提议的启发）

一般来说，这些机制不是独立的，可能会相互作用，直到最终崩溃。 因此，通常难以确定和隔离导致介电击穿的一种物理现象。

二、实验程序

   1、研究中的陶瓷材料

选择的陶瓷材料是工业可用的氧化铝 (Al2O3)板（厚度635µm），通常用于电源模块的DBC陶瓷基板。据报道，氧化铝的纯度为96%；4%的其他烧结添加剂和杂质（主要是Si、B、Mg、Ca）。通过扫描电子显微镜观察到氧化铝的平均晶粒尺寸为4 µm（图3）。

为了限制加工条件造成的分散，我们特别注意确保来自同一制造商的氧化铝板是从同一批号中提取的。 随机抽样（18 次测试）表明，分析批次的介电击穿为 21 kV/mm（在室温下）。 分解实验在第 2.3 节中有详细说明。 然后通过激光切割将氧化铝板从收到的 115 × 115 mm 尺寸切割成 38 × 38 mm 的较小板。 激光切割后，中心部分的介质击穿场氧化铝保持不变。

（图3研究中氧化铝的微观结构）

2、机械预应力

在机电击穿模型中，由于存在缺陷，介电击穿强度受到限制，类似于格里菲斯的提议用于机械故障。在其最基本的形式中，这些缺陷可能是材料主体内部的裂缝、裂缝或任何机械不连续性。如前所述，为了避免任何化学或微观结构修改，我们对氧化铝样品施加了机械预应力。机械应力可以通过压缩、牵引或弯曲施加。考虑到氧化铝的高抗压强度，我们决定施加弯曲力。施加弯曲应力的最简单配置之一是通过3点弯曲测试（图4a）。我们假设在这种配置中，裂纹将在3点弯曲配置的最大拉伸应力区域产生，即在上冲头施加力的中心区域（图 4b）。在这些条件下，初始裂纹将扩展或形成新裂纹。氧化铝的压缩（2000 GPa）和拉伸（200 GPa）强度的巨大差异将有利于陶瓷材料横截面的拉伸区域（与上柱塞接触点相反）形成裂纹.

施加的总机械应力是样品尺寸和测试台几何形状的函数，如下所示：

图4(a)用于在氧化铝板上施加机械预应力的三点弯曲试验台，(b)在氧化铝板底部产生拉应力。其中M是弯矩，l是支撑（外）跨度的长度，F是断裂点处的载荷（力），B是样品的底部，h是样品的有效厚度。

由于裂纹或裂纹网络的形成减少了氧化铝板的有效截面，如果施加恒定的力，实际应力将随着裂纹沿材料厚度的传播而增加。最终裂纹尺寸将与其初始尺寸、施加的力和在这种力下花费的时间相关。进行了一系列测试以确定电气击穿之前的机械预应力条件（力和应用时间）。击穿时间（机械）与施加力的特性如图5所示。

可能施加的最大力为 180 N，这对应于所研究的氧化铝的机械弯曲强度。试图研究所有适用的力。但是，需要从机械测试中运输样品工作台到介电击穿试验台，对于高值的力 (>100 N)，即使是短时间的预应力也可能在样品操作过程中破坏样品。在这项研究中，样品被预应力从20 N到80 N，施加力1分钟。这使得样品可以在没有损坏样品的风险的情况下进行处理。用毡尖笔标记样品以识别力柱接触的区域。

2、预应力氧化铝的介电击穿

介电强度测量在平面尖端配置中进行。与样品接触的尖端是直径为1 mm的圆柱体。由自耦变压器调节的交流发电机由步进电机控制，以调节施加电压幅度的斜坡。以1.6 kV/s的斜率获得短期介电击穿值。电介质击穿检测和电压切断是由电流的快速增加触发的。将样品浸入介电流体 (Galden HT270) 中以避免表面闪络。 毡尖笔线有助于将尖端定位在最大应力区域，以在该区域引起介电击穿。针对每个样品的机械预应力绘制了介电击穿值的结果。

（图5击穿时间（机械）与应用机械正在研究的 635 µm 氧化铝板的力）

3、结果与讨论

图7显示了介电击穿后的陶瓷板。氧化铝板的尺寸允许每个样品进行 3 到 4 次介电击穿测试。

在 Weibull 图中绘制结果时，我们可以很容易地发现，预应力样品所得结果的离散度明显高于无应力样品 (0 N) 所得结果的离散度（图 8）。

为了更好地观察机械预应力的影响，仅绘制了从双系数 Weibull 分布中提取的介电击穿的 α 参数（累积概率为 63.2%）（图 9）。

尽管这些值存在显着差异，但我们可以观察到氧化铝在受到机械预应力时的介电强度下降。随着机械预应力值的增加，α参数的降低更为重要。Ebr 值差异很大的原因之一可能源于我们。

图6(a)初始裂纹长度为 l0 的参考样品，(b)增加陶瓷内部裂纹长度的机械预应力，总长度为 l0 + lm，(c) 介电击穿预应力陶瓷。

图7介电分解的氧化铝样品。 顶面经受压缩（黑线，毡尖笔），底面经受拉应力。 红色圆圈表示氧化铝表面上的破裂通道出口点。

图8预应力氧化铝板介电击穿的完整结果（0到80 N 1分钟）

图9预应力氧化铝介电击穿的 α 值板（0 到 80 N，tappl = 1 分钟），误差线对应于90% 置信区间。

将高压尖端与最大应力区域完美对齐。 毡尖笔厚 1 毫米，受力区域的确切宽度暂时未知。Ebr 值大分散的另一个原因可能是裂纹扩展本身的性质，特别是如果裂纹不是均匀的 沿应力平面分布。

氧化铝的介电击穿结果表明，较低的机械预应力具有较高的介电强度假设一个恒定的延伸速度，介电强度的演变与预应力裂纹的演变相关，这支持了机械性能对氧化铝介电击穿现象的贡献。这可以通过以下事实来解释：氧化铝基陶瓷的介电失效机制与裂纹的传播密切相关，并且后者会影响介电强度。

我们应该考虑到，出于应用目的，氧化铝（或第1节中提到的任何其他陶瓷）是与其他材料组成的复杂组件的一部分，其中金属与基板组件直接接触。虽然有一些研究强调了陶瓷基板组件中的初始机械性能的重要性，但此处提供的数据表明氧化铝的其他加工参数可能是相关的。这可能表明需要考虑陶瓷的机械历史，因为它对介电强度值有影响。