?王凱,賀利?電?技術(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

2.1 Weibull分布

Weibull提出的基于最薄弱環節失效概念的理論,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”(結構不均勻性)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。

如果分布參數已知,則載荷與斷裂概率之間有明確的關系。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”在整個數據上分布得越均勻),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的結果,用Weibull分布來描述。

•            B= 斷裂概率

•            σ= 外應力

•            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

•  預加載力: 0.5 N

•  至預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、下兩個側面切割的測試樣品,測試結果顯示,激光切割方向對抗彎強度測試影響較大,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果起到關鍵作用,不同的激光切割技術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律: CO2激光<光纖激光器<HNLT激光(皮秒激光)

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,越薄的陶瓷表現出相對較高的強度。

圖8: 0.38mm 和 0.63mm Al2O3陶瓷抗彎強度測試結果對比

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先供應商,賀利氏所使用的陶瓷均來自行業領先的陶瓷生產商,其抗彎強度均可達到較高的行業標準,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果

對于某些客戶,由于特殊的應用或封裝要求,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以下程序定義陶瓷覆銅基板的抗彎強度。

a)生產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.結論

抗彎強度是陶瓷材料的一項關鍵物理性能,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。對于陶瓷覆銅基板的抗彎強度,很難預測,唯一的識別方法是通過收集實際樣品的抗彎強度數據并進行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)      賀利氏內部實驗室測試數據.