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高壓電源模塊在許多應用中用于構建高功率轉換器。從技術上講，這些模塊由不同的材料制成，其中介電材料有有機和無機。有機絕緣體（凝膠）用于避免連接線和高壓附近的電暈放電管芯（二極管和晶體管）并保護它們免受濕氣和污染物的影響。

無機絕緣體（陶瓷基板）用于隔離接地元件的高壓并將熱量傳遞到散熱器。盡管自 90 年代后期開始使用，但仍缺乏有關這些基板的電性能的基礎知識。因此，制造商傾向于通過加大尺寸來確保可靠性。由于沒有明確的規則說明如何做到這一點，因此會發生故障，導致轉換器關閉。本研究的目的是為了解這些模塊中使用的陶瓷材料的介電強度提供新的信息。我們通過相關實驗將工作重點放在陶瓷的機械性能和介電性能之間的相關性上。

根據機電擊穿模型，我們提供了有關現有裂紋對陶瓷介電失效影響的新信息。我們的結論提供了有關在功率模塊中制造和實施這些基板以降低發生此類可能性的可能性的預防措施的重要信息失敗的具體原因。

一、模塊和陶瓷

目前使用的高壓電力電子系統是基于一個基本的稱為“功率模塊”的磚，其中封裝了有源半導體。在這個組件中，人們發現了不同的材料，它們的功能是確保半導體與其環境之間的互連、絕緣和熱交換。電源模塊的簡化示意圖如圖1所示。

半導體的互連及其與散熱器（接地）的絕緣主要由稱為“基板”的單個元件實現。此外，其主要功能之一是保證半導體與其環境之間的電絕緣。此外，它還必須確保排出半導體產生的熱量。這些基板由金屬導體和絕緣材料組成。當熱要求很高時，陶瓷是首選，因為它們具有高導熱性（>20 W/m?K）。不同的陶瓷材料用于基板加工（例如 BeO、Si3N4、AlN）.不同的技術允許將陶瓷連接到導電金屬上，例如 DBC（直接銅焊）或 AMB（活性金屬釬焊）。基材的可靠性通常與陶瓷材料與所用金屬的機械性能有關。隨著新型寬帶隙半導體的發展，

如 SiC 或 GaN，更高的電壓和更高的電流密度可能會增加對內部陶瓷材料的絕緣要求底物。

1、不同的原因可能導致模塊故障：

- 模具故障；

- 鍵合線切割；

- 焊點分層；

- 封裝凝膠介電擊穿；

- 基板介電擊穿；

基板的設計和選擇取決于幾個參數，例如金屬-陶瓷組件的機械性能、陶瓷的熱性能及其電絕緣能力。作為基本原理，如果陶瓷材料能夠達到非常高的工作電壓，因此可以減小其厚度，從而降低沿排熱路徑的熱阻。電介質因此，強度是這些功率模塊中使用的陶瓷材料的關鍵尺寸參數。盡管如此，關于工藝參數、陶瓷微觀結構和介電擊穿場之間關系的可用信息很少。

（圖1用于封裝半導體芯片的功率模塊示意圖）

對于陶瓷基板，與其他固體材料一樣，介電擊穿的起源很大程度上取決于發生介電擊穿的熱力學條件。例如，在非常高的溫度下使用的氧化鋁和其他陶瓷(>600?C)，由于其高導電性，將顯示熱擊穿。然而，如果我們考慮到當前使用的模塊的溫度要低得多（即Si芯片為 135?C），則基板將面臨較低的工作溫度。在這些溫度下，熱擊穿已被排除在可能的機制之外。

以前的工作指出，陶瓷在室溫下的電擊穿可能與其機械性能密切相關。假設電場引起陶瓷材料內預先存在的裂紋的擴展。該假設已在高電場（短期擊穿）或中等電場（老化研究）下進行了研究。

該假設在文獻中被描述為“機電介電擊穿”，基于該理論與脆性材料中的機械擊穿的類比。 在這樣的模型中，預先存在的裂紋或缺陷在外加電場的影響下傳播，直到最終擊穿（圖 2）。

驗證這一假設的主要挑戰之一是控制陶瓷中初始缺陷或裂紋的大小。以前的嘗試包括使用在不同溫度下燒結的陶瓷，具有不同的微觀結構或具有不同的成分。這可能會導致所研究材料的固有介電擊穿強度發生變化，從而可能使結果產生偏差。

在這項工作中，我們將采用機械預應力，以便在陶瓷內部產生不同尺寸的缺陷，而不改變其微觀結構的化學成分。主要用于功率模塊的氧化鋁（Al2O3）基板已被選為代表性樣品。 結果將面臨機電擊穿模型。最后，將對我們的實驗進行分析，以提取關于陶瓷基板制造過程中可以考慮的設計規則的建議。

2、介電擊穿的起源

這項工作的目的是了解用于制作電力電子基板的陶瓷的電擊穿機制。固體的介電擊穿可以分為三種類型，具體取決于潛在的物理現象：

1）電子起源（電子雪崩或場或本征效應）；

2）熱起源，它消散由傳導電流引起的熱量或介電損耗和；

3) 解釋材料無法承受由電場引起的機械應力的機電起源；

（圖2機電故障的一般模型（受 Griffith 提議的啟發）

一般來說，這些機制不是獨立的，可能會相互作用，直到最終崩潰。 因此，通常難以確定和隔離導致介電擊穿的一種物理現象。

二、實驗程序

   1、研究中的陶瓷材料

選擇的陶瓷材料是工業可用的氧化鋁 (Al2O3)板（厚度635μm），通常用于電源模塊的DBC陶瓷基板。據報道，氧化鋁的純度為96%；4%的其他燒結添加劑和雜質（主要是Si、B、Mg、Ca）。通過掃描電子顯微鏡觀察到氧化鋁的平均晶粒尺寸為4 μm（圖3）。

為了限制加工條件造成的分散，我們特別注意確保來自同一制造商的氧化鋁板是從同一批號中提取的。 隨機抽樣（18 次測試）表明，分析批次的介電擊穿為 21 kV/mm（在室溫下）。 分解實驗在第 2.3 節中有詳細說明。 然后通過激光切割將氧化鋁板從收到的 115 × 115 mm 尺寸切割成 38 × 38 mm 的較小板。 激光切割后，中心部分的介質擊穿場氧化鋁保持不變。

（圖3研究中氧化鋁的微觀結構）

2、機械預應力

在機電擊穿模型中，由于存在缺陷，介電擊穿強度受到限制，類似于格里菲斯的提議用于機械故障。在其最基本的形式中，這些缺陷可能是材料主體內部的裂縫、裂縫或任何機械不連續性。如前所述，為了避免任何化學或微觀結構修改，我們對氧化鋁樣品施加了機械預應力。機械應力可以通過壓縮、牽引或彎曲施加。考慮到氧化鋁的高抗壓強度，我們決定施加彎曲力。施加彎曲應力的最簡單配置之一是通過3點彎曲測試（圖4a）。我們假設在這種配置中，裂紋將在3點彎曲配置的最大拉伸應力區域產生，即在上沖頭施加力的中心區域（圖 4b）。在這些條件下，初始裂紋將擴展或形成新裂紋。氧化鋁的壓縮（2000 GPa）和拉伸（200 GPa）強度的巨大差異將有利于陶瓷材料橫截面的拉伸區域（與上柱塞接觸點相反）形成裂紋.

施加的總機械應力是樣品尺寸和測試臺幾何形狀的函數，如下所示：

圖4(a)用于在氧化鋁板上施加機械預應力的三點彎曲試驗臺，(b)在氧化鋁板底部產生拉應力。其中M是彎矩，l是支撐（外）跨度的長度，F是斷裂點處的載荷（力），B是樣品的底部，h是樣品的有效厚度。

由于裂紋或裂紋網絡的形成減少了氧化鋁板的有效截面，如果施加恒定的力，實際應力將隨著裂紋沿材料厚度的傳播而增加。最終裂紋尺寸將與其初始尺寸、施加的力和在這種力下花費的時間相關。進行了一系列測試以確定電氣擊穿之前的機械預應力條件（力和應用時間）。擊穿時間（機械）與施加力的特性如圖5所示。

可能施加的最大力為 180 N，這對應于所研究的氧化鋁的機械彎曲強度。試圖研究所有適用的力。但是，需要從機械測試中運輸樣品工作臺到介電擊穿試驗臺，對于高值的力 (>100 N)，即使是短時間的預應力也可能在樣品操作過程中破壞樣品。在這項研究中，樣品被預應力從20 N到80 N，施加力1分鐘。這使得樣品可以在沒有損壞樣品的風險的情況下進行處理。用氈尖筆標記樣品以識別力柱接觸的區域。

2、預應力氧化鋁的介電擊穿

介電強度測量在平面尖端配置中進行。與樣品接觸的尖端是直徑為1 mm的圓柱體。由自耦變壓器調節的交流發電機由步進電機控制，以調節施加電壓幅度的斜坡。以1.6 kV/s的斜率獲得短期介電擊穿值。電介質擊穿檢測和電壓切斷是由電流的快速增加觸發的。將樣品浸入介電流體 (Galden HT270) 中以避免表面閃絡。 氈尖筆線有助于將尖端定位在最大應力區域，以在該區域引起介電擊穿。針對每個樣品的機械預應力繪制了介電擊穿值的結果。

（圖5擊穿時間（機械）與應用機械正在研究的 635 μm 氧化鋁板的力）

3、結果與討論

圖7顯示了介電擊穿后的陶瓷板。氧化鋁板的尺寸允許每個樣品進行 3 到 4 次介電擊穿測試。

在 Weibull 圖中繪制結果時，我們可以很容易地發現，預應力樣品所得結果的離散度明顯高于無應力樣品 (0 N) 所得結果的離散度（圖 8）。

為了更好地觀察機械預應力的影響，僅繪制了從雙系數 Weibull 分布中提取的介電擊穿的 α 參數（累積概率為 63.2%）（圖 9）。

盡管這些值存在顯著差異，但我們可以觀察到氧化鋁在受到機械預應力時的介電強度下降。隨著機械預應力值的增加，α參數的降低更為重要。Ebr 值差異很大的原因之一可能源于我們。

圖6(a)初始裂紋長度為 l0 的參考樣品，(b)增加陶瓷內部裂紋長度的機械預應力，總長度為 l0 + lm，(c) 介電擊穿預應力陶瓷。

圖7介電分解的氧化鋁樣品。 頂面經受壓縮（黑線，氈尖筆），底面經受拉應力。 紅色圓圈表示氧化鋁表面上的破裂通道出口點。

圖8預應力氧化鋁板介電擊穿的完整結果（0到80 N 1分鐘）

圖9預應力氧化鋁介電擊穿的 α 值板（0 到 80 N，tappl = 1 分鐘），誤差線對應于90% 置信區間。

將高壓尖端與最大應力區域完美對齊。 氈尖筆厚 1 毫米，受力區域的確切寬度暫時未知。Ebr 值大分散的另一個原因可能是裂紋擴展本身的性質，特別是如果裂紋不是均勻的 沿應力平面分布。

氧化鋁的介電擊穿結果表明，較低的機械預應力具有較高的介電強度假設一個恒定的延伸速度，介電強度的演變與預應力裂紋的演變相關，這支持了機械性能對氧化鋁介電擊穿現象的貢獻。這可以通過以下事實來解釋：氧化鋁基陶瓷的介電失效機制與裂紋的傳播密切相關，并且后者會影響介電強度。

我們應該考慮到，出于應用目的，氧化鋁（或第1節中提到的任何其他陶瓷）是與其他材料組成的復雜組件的一部分，其中金屬與基板組件直接接觸。雖然有一些研究強調了陶瓷基板組件中的初始機械性能的重要性，但此處提供的數據表明氧化鋁的其他加工參數可能是相關的。這可能表明需要考慮陶瓷的機械歷史，因為它對介電強度值有影響。