?王凱,賀利?電?技術(shù)(蘇州)有限公司

摘要

陶瓷材料的彎曲強(qiáng)度是金屬化陶瓷基板的一項(xiàng)重要性能,因?yàn)樗谘b配過(guò)程中影響到基板的可靠性和強(qiáng)度。彎曲強(qiáng)度通常表征為陶瓷對(duì)拉伸強(qiáng)度的阻力。這取決于陶瓷材料和材料中宏觀缺陷的類型、分布以及測(cè)量、評(píng)估方法。

1定義

較薄的陶瓷基板(厚度0.25~0.63mm)的抗彎強(qiáng)度測(cè)量尚無(wú)通用指南。目前測(cè)量一般基于標(biāo)準(zhǔn)DIN EN 843-1:2008-08進(jìn)行,該標(biāo)準(zhǔn)描述了樣品的最小厚度為2.0±0.2mm,目前賀利氏公司也是基于這一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行抗彎強(qiáng)度的測(cè)試,且使用三點(diǎn)彎曲法基于40 x 20 mm的試樣尺寸進(jìn)行測(cè)試。

2測(cè)量

2.1Weibull分布

Weibull提出的基于最薄弱環(huán)節(jié)失效概念的理論,可以很好地描述陶瓷材料強(qiáng)度的分布特征。其中提到,失效行為是由單一的“缺陷類型”(結(jié)構(gòu)不均勻性)決定的。為了描述強(qiáng)度特征,Weibull選擇了一種特殊形式的極值分布,即后來(lái)以他的名字命名的Weibull分布。

如果分布參數(shù)已知,則載荷與斷裂概率之間有明確的關(guān)系。材料強(qiáng)度的測(cè)量值以失效概率為63.2%(Sigma 0)的強(qiáng)度作為標(biāo)記,Weibull模量m是強(qiáng)度變化的度量。Weibull模量越高,材料越均勻(即“缺陷”在整個(gè)數(shù)據(jù)上分布得越均勻),強(qiáng)度變化的分布曲線越窄。Weibull模量的值m通常可以達(dá)到10~20之間。

測(cè)量值的分布是陶瓷在失效時(shí)呈現(xiàn)的結(jié)果,用Weibull分布來(lái)描述。

? B= 斷裂概率

? σ= 外應(yīng)力

? V= 測(cè)試元件體積

? V0= 參考體積

? σ0= 參考張力

? m= Weibull模量

B表示體積V的一個(gè)元件在σ載荷作用下斷裂的概率。Weibull模量m描述了分布的寬度。彎曲強(qiáng)度為Weibull分布在σ0(Sigma 0)時(shí)的值,見圖1(典型Weibull分布)。

圖1:典型Weibull分布

2.2測(cè)量方法

測(cè)量陶瓷抗彎強(qiáng)度有多種方法,包括三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度測(cè)試、四點(diǎn)抗彎強(qiáng)度測(cè)試和雙環(huán)抗彎強(qiáng)度測(cè)試,他們的測(cè)試方法和計(jì)算公式不同,這里只介紹最常用的三點(diǎn)和四點(diǎn)抗彎強(qiáng)度測(cè)試。

2.2.1三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度測(cè)試

三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度測(cè)試是根據(jù)DIN EN 843-12008-08,但由于賀利氏使用的陶瓷較薄,因此樣品尺寸通常小于2.0mm。

圖2是簡(jiǎn)單的測(cè)試模型,兩個(gè)支撐柱支撐測(cè)試樣品,一個(gè)力加載器從頂部施加到測(cè)試樣品中心的壓力。

圖2:三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度測(cè)試

用于三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度測(cè)試設(shè)備可以有所不同, 但均需滿足如下條件:

? 陶瓷邊緣激光切割于陶瓷頂面

? L1+L2: 30 mm

? 測(cè)試速度: 10 mm/min

? 預(yù)加載力: 0.5 N

? 至預(yù)加載力前的測(cè)試速度: 5 mm/min

? 支撐柱直徑: 1.6 mm

測(cè)試至陶瓷破裂,記錄陶瓷破裂時(shí)的加載力,試件的抗彎強(qiáng)度可按下式計(jì)算(圖3)

圖3:三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度計(jì)算公式

2.2.2四點(diǎn)抗彎強(qiáng)度

四點(diǎn)抗彎強(qiáng)度通常在日本使用,這種測(cè)試方式要求2個(gè)力加載器同時(shí)從試樣上表面施加壓力,計(jì)算公式如下圖4.

圖4:四點(diǎn)抗彎強(qiáng)度計(jì)算公式

3抗彎強(qiáng)度的影響因素

3.1 測(cè)試方法

試樣體積越大,測(cè)得的強(qiáng)度值越低,材料失效的概率越大。因此,由于一般四點(diǎn)抗彎強(qiáng)度測(cè)試試樣大于三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度測(cè)試試樣,所以四點(diǎn)抗彎測(cè)試的強(qiáng)度值總是低于三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度測(cè)試,見圖5。

圖5:三點(diǎn)、四點(diǎn)抗彎強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果對(duì)比

3.2激光切割方向

在三點(diǎn)和四點(diǎn)彎曲測(cè)試中,試樣的制備,特別是試樣邊緣的制備是一個(gè)重要的問題。

圖6為上、下兩個(gè)側(cè)面切割的測(cè)試樣品,測(cè)試結(jié)果顯示,激光切割方向?qū)箯潖?qiáng)度測(cè)試影響較大,每個(gè)激光點(diǎn)都會(huì)像錐形槽一樣,明顯降低抗彎強(qiáng)度,見圖6、7。

為了避免激光切割對(duì)彎曲強(qiáng)度測(cè)試的影響,賀利氏公司通常使用激光從頂部進(jìn)行測(cè)試。

圖6:頂部、底部激光切割示意圖

圖7:激光從頂部、底部切割對(duì)陶瓷抗彎強(qiáng)度測(cè)試的影響

3.3激光種類

從激光切割的對(duì)比結(jié)果中,我們了解到激光切割在陶瓷表面所形成的激光點(diǎn)也可以對(duì)測(cè)試結(jié)果起到關(guān)鍵作用,不同的激光切割技術(shù)種類可以得到完全不同的激光點(diǎn)形狀。

一般來(lái)說(shuō),激光種類對(duì)抗彎強(qiáng)度的影響遵循以下規(guī)律: CO2激光<光纖激光器

3.4陶瓷厚度

如前文所述,標(biāo)準(zhǔn)DIN EN 843-1:2008-08只描述了2.0±0.2mm的試樣,因?yàn)樘沾稍奖?其韌性受到的沖擊越大,通過(guò)其柔性變形可以承受更大的載荷力,圖8是0.38mm Al2O3和0.63mm Al2O3在相同測(cè)試條件下的彎曲強(qiáng)度測(cè)試,越薄的陶瓷表現(xiàn)出相對(duì)較高的強(qiáng)度。

圖8:0.38mm和0.63mmAl2O3陶瓷抗彎強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果對(duì)比

4賀利氏的抗彎強(qiáng)度測(cè)試

4.1賀利氏陶瓷抗彎強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)

作為陶瓷覆銅基板的全球領(lǐng)先供應(yīng)商,賀利氏所使用的陶瓷均來(lái)自行業(yè)領(lǐng)先的陶瓷生產(chǎn)商,其抗彎強(qiáng)度均可達(dá)到較高的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),賀利氏使用的陶瓷抗彎強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)如下:

表1:賀利氏所使用陶瓷抗彎強(qiáng)度值

圖9:賀利氏所使用的陶瓷抗彎強(qiáng)度

4.2陶瓷覆銅基板的抗彎強(qiáng)度定義

由于陶瓷覆銅基板的陶瓷兩側(cè)都附著有較厚的銅層,因此陶瓷覆銅基板不是一種均一的材料,再加上每個(gè)陶瓷覆銅基板上不同的銅厚度和銅布局設(shè)計(jì),沒有一個(gè)通用的方法來(lái)定義陶瓷覆銅基板的通用抗彎強(qiáng)度。

作為復(fù)合材料,由于銅的增強(qiáng)作用,陶瓷覆銅基板的抗彎強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果通常高于裸陶瓷,我們采用普通的Al2O3-DBC材料進(jìn)行抗彎強(qiáng)度測(cè)試,并與裸陶瓷的抗彎強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如圖10、11所示。

圖10:陶瓷覆銅基板和陶瓷的抗彎強(qiáng)度測(cè)試對(duì)比

圖11:陶瓷覆銅基板和陶瓷的抗彎強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

對(duì)于某些客戶,由于特殊的應(yīng)用或封裝要求,確實(shí)需要定義陶瓷覆銅基板的抗彎強(qiáng)度,在這里賀利氏可以根據(jù)以下程序定義陶瓷覆銅基板的抗彎強(qiáng)度。

a)生產(chǎn)3批樣品,每批抽取50件樣品

b)對(duì)這3× 50 = 150件樣品進(jìn)行抗彎強(qiáng)度測(cè)試

c)進(jìn)行Cpk分析(Cpk>2.0),定義最小抗彎強(qiáng)度值(LSL)。

您可能注意到我們沒有使用Weibull分析來(lái)定義MCS的抗彎強(qiáng)度,這是因?yàn)榭蛻粜枰x一個(gè)抗彎強(qiáng)度的最小值,這樣可以在功率模塊機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)帶來(lái)足夠的信心。如果客戶需要,我們也可以按照Weibull分布的Sigma0值進(jìn)行陶瓷覆銅基板的抗彎強(qiáng)度定義。

5.結(jié)論

抗彎強(qiáng)度是陶瓷材料的一項(xiàng)關(guān)鍵物理性能,它主要受陶瓷材料特性的影響。通過(guò)以上系列評(píng)價(jià),得出陶瓷的抗彎強(qiáng)度與陶瓷類型、激光類型、激光方向、陶瓷厚度和測(cè)量方法有關(guān)。對(duì)于陶瓷覆銅基板的抗彎強(qiáng)度,很難預(yù)測(cè),唯一的識(shí)別方法是通過(guò)收集實(shí)際樣品的抗彎強(qiáng)度數(shù)據(jù)并進(jìn)行Weibull分析或Cpk分析來(lái)確定。

引用文獻(xiàn):

1) 維基百科: 抗彎強(qiáng)度

2) 維基百科: Weibull分布

3) 賀利氏內(nèi)部實(shí)驗(yàn)室測(cè)試數(shù)據(jù).

審核編輯 黃宇