?王凱,賀利?電?技術(shù)(蘇州)有限公司

摘要

陶瓷材料的彎曲強度是金屬化陶瓷基板的一項重要性能,因為它在裝配過程中影響到基板的可靠性和強度。彎曲強度通常表征為陶瓷對拉伸強度的阻力。這取決于陶瓷材料和材料中宏觀缺陷的類型、分布以及測量、評估方法。

1定義

較薄的陶瓷基板(厚度0.25~0.63mm)的抗彎強度測量尚無通用指南。目前測量一般基于標準DIN EN 843-1:2008-08進行,該標準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準進行抗彎強度的測試,且使用三點彎曲法基于40 x 20 mm的試樣尺寸進行測試。

2測量

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。為了描述強度特征,Weibull選擇了一種特殊形式的極值分布,即后來以他的名字命名的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。材料強度的測量值以失效概率為63.2%(Sigma 0)的強度作為標記,Weibull模量m是強度變化的度量。Weibull模量越高,材料越均勻(即“缺陷”在整個數(shù)據(jù)上分布得越均勻),強度變化的分布曲線越窄。Weibull模量的值m通常可以達到10~20之間。

測量值的分布是陶瓷在失效時呈現(xiàn)的結(jié)果,用Weibull分布來描述。

? B= 斷裂概率

? σ= 外應(yīng)力

? V= 測試元件體積

? 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。彎曲強度為Weibull分布在σ0(Sigma 0)時的值,見圖1(典型Weibull分布)。

圖1:典型Weibull分布

2.2測量方法

測量陶瓷抗彎強度有多種方法,包括三點抗彎強度測試、四點抗彎強度測試和雙環(huán)抗彎強度測試,他們的測試方法和計算公式不同,這里只介紹最常用的三點和四點抗彎強度測試。

2.2.1三點抗彎強度測試

三點彎曲強度測試是根據(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是簡單的測試模型,兩個支撐柱支撐測試樣品,一個力加載器從頂部施加到測試樣品中心的壓力。

圖2:三點抗彎強度測試

用于三點抗彎強度測試設(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

? 測試速度: 10 mm/min

? 預(yù)加載力: 0.5 N

? 至預(yù)加載力前的測試速度: 5 mm/min

? 支撐柱直徑: 1.6 mm

測試至陶瓷破裂,記錄陶瓷破裂時的加載力,試件的抗彎強度可按下式計算(圖3)

圖3:三點抗彎強度計算公式

2.2.2四點抗彎強度

四點抗彎強度通常在日本使用,這種測試方式要求2個力加載器同時從試樣上表面施加壓力,計算公式如下圖4.

圖4:四點抗彎強度計算公式

3抗彎強度的影響因素

3.1 測試方法

試樣體積越大,測得的強度值越低,材料失效的概率越大。因此,由于一般四點抗彎強度測試試樣大于三點抗彎強度測試試樣,所以四點抗彎測試的強度值總是低于三點抗彎強度測試,見圖5。

圖5:三點、四點抗彎強度測試結(jié)果對比

3.2激光切割方向

在三點和四點彎曲測試中,試樣的制備,特別是試樣邊緣的制備是一個重要的問題。

圖6為上、下兩個側(cè)面切割的測試樣品,測試結(jié)果顯示,激光切割方向?qū)箯潖姸葴y試影響較大,每個激光點都會像錐形槽一樣,明顯降低抗彎強度,見圖6、7。

為了避免激光切割對彎曲強度測試的影響,賀利氏公司通常使用激光從頂部進行測試。

圖6:頂部、底部激光切割示意圖

圖7:激光從頂部、底部切割對陶瓷抗彎強度測試的影響

3.3激光種類

從激光切割的對比結(jié)果中,我們了解到激光切割在陶瓷表面所形成的激光點也可以對測試結(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形狀。

一般來說,激光種類對抗彎強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,標準DIN EN 843-1:2008-08只描述了2.0±0.2mm的試樣,因為陶瓷越薄,其韌性受到的沖擊越大,通過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在相同測試條件下的彎曲強度測試,越薄的陶瓷表現(xiàn)出相對較高的強度。

圖8:0.38mm和0.63mmAl2O3陶瓷抗彎強度測試結(jié)果對比

4賀利氏的抗彎強度測試

4.1賀利氏陶瓷抗彎強度標準

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自行業(yè)領(lǐng)先的陶瓷生產(chǎn)商,其抗彎強度均可達到較高的行業(yè)標準,賀利氏使用的陶瓷抗彎強度標準如下:

表1:賀利氏所使用陶瓷抗彎強度值

圖9:賀利氏所使用的陶瓷抗彎強度

4.2陶瓷覆銅基板的抗彎強度定義

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,再加上每個陶瓷覆銅基板上不同的銅厚度和銅布局設(shè)計,沒有一個通用的方法來定義陶瓷覆銅基板的通用抗彎強度。

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

圖10:陶瓷覆銅基板和陶瓷的抗彎強度測試對比

圖11:陶瓷覆銅基板和陶瓷的抗彎強度測試結(jié)果

對于某些客戶,由于特殊的應(yīng)用或封裝要求,確實需要定義陶瓷覆銅基板的抗彎強度,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度。

a)生產(chǎn)3批樣品,每批抽取50件樣品

b)對這3× 50 = 150件樣品進行抗彎強度測試

c)進行Cpk分析(Cpk>2.0),定義最小抗彎強度值(LSL)。

您可能注意到我們沒有使用Weibull分析來定義MCS的抗彎強度,這是因為客戶需要定義一個抗彎強度的最小值,這樣可以在功率模塊機械設(shè)計時帶來足夠的信心。如果客戶需要,我們也可以按照Weibull分布的Sigma0值進行陶瓷覆銅基板的抗彎強度定義。

5.結(jié)論

抗彎強度是陶瓷材料的一項關(guān)鍵物理性能,它主要受陶瓷材料特性的影響。通過以上系列評價,得出陶瓷的抗彎強度與陶瓷類型、激光類型、激光方向、陶瓷厚度和測量方法有關(guān)。對于陶瓷覆銅基板的抗彎強度,很難預(yù)測,唯一的識別方法是通過收集實際樣品的抗彎強度數(shù)據(jù)并進行Weibull分析或Cpk分析來確定。

引用文獻:

1) 維基百科: 抗彎強度

2) 維基百科: Weibull分布

3) 賀利氏內(nèi)部實驗室測試數(shù)據(jù).

審核編輯 黃宇