如今功率半導(dǎo)體模塊主要用于控制電動(dòng)機(jī)，尤其是在運(yùn)輸應(yīng)用（汽車和航空電子設(shè)備）中。在提高大功率電子設(shè)備的可靠性和疲勞壽命，對(duì)于這些應(yīng)用中的實(shí)際挑戰(zhàn)是一個(gè)真正的挑戰(zhàn)，在這些應(yīng)用中功率模塊越來越多地被使用。特別是為了降低發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料消耗。

在許多此類應(yīng)用中，電源模塊會(huì)經(jīng)歷周期性的溫度變化。有兩種類型的熱循環(huán)疊加在一起，功率循環(huán)來自在運(yùn)行階段（焦耳效應(yīng)）在模塊的有源部分中施加的電流，以及來自環(huán)境溫度變化的被動(dòng)循環(huán)。在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)境中，這些變化通常在-30℃和+180℃之間℃，在最壞的情況下，介于-55℃和200℃之間。因此，電力電子器件極易受到變幅熱疲勞的影響。而這些研究的目的是了解失效起源的機(jī)制并對(duì)其進(jìn)行建模，以優(yōu)化功率模塊的幾何形狀或制造過程，從而提高其疲勞壽命和可靠性。

在研究的模塊由芯片、陶瓷基板和基板組成，芯片本身焊接在陶瓷基板上。為了確保陶瓷基板在芯片與基板的電絕緣，基板還必須允許從芯片到基板的功率耗散產(chǎn)生的熱量排出。為此，氮化鋁直接鍵合銅DBC基板通常用于功率模塊，因?yàn)樗鼈兙哂辛己玫膶?dǎo)熱性。它們由陶瓷層氮化鋁組成，銅薄片通過高溫氧化工藝粘合在兩面。上銅層（厚度tCu1 = 127–300μm），然后被化學(xué)蝕刻以形成電路。瓷板（厚度tAlN = 635 μm）確保電絕緣，下部銅層保持平整并焊接到安裝在散熱器上的陶瓷基板（銅或AISiC）上。

DBC陶瓷基板的整體熱膨脹系數(shù)接近于硅芯片的整體熱膨脹系數(shù)，從而降低了芯片與基板界面處的熱循環(huán)效應(yīng)。相反特別是對(duì)于最高溫度變化，熱疲勞失效會(huì)出現(xiàn)在DBC陶瓷基板內(nèi)部，并且限制模塊的疲勞壽命。

因此，對(duì)DBC陶瓷基板的熱疲勞進(jìn)行了大致分析，銅和氮化鋁的熱膨脹系數(shù)之間的差異是熱疲勞的根源。據(jù)觀察裂紋要么直接從陶瓷層開始，要么從DBC陶瓷基板中的幾何奇點(diǎn)開始。在第一種情況下，陶瓷層的失效會(huì)在幾個(gè)循環(huán)后發(fā)生。在第二種情況下，如果溫度變化足夠大，陶瓷層會(huì)出現(xiàn)貫穿厚度的裂紋，這兩種機(jī)制競爭破壞DBC基板內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

本文分別對(duì)這兩種失效機(jī)制進(jìn)行了表征和建模，最后建立了DBC陶瓷基板的有限元模型，提出了提高模塊疲勞壽命的方法。

審核編輯：湯梓紅