王凯,贺利⽒电⼦技术(苏州)有限公司
摘要
陶瓷材料的弯曲强度是金属化陶瓷基板的一项重要性能,因为它在装配过程中影响到基板的可靠性和强度。弯曲强度通常表征为陶瓷对拉伸强度的阻力。这取决于陶瓷材料和材料中宏观缺陷的类型、分布以及测量、评估方法。
1 定义
较薄的陶瓷基板(厚度0.25~0.63mm)的抗弯强度测量尚无通用指南。目前测量一般基于标准DIN EN 843-1:2008-08进行,该标准描述了样品的最小厚度为2.0±0.2mm,目前贺利氏公司也是基于这一标准进行抗弯强度的测试,且使用三点弯曲法基于40 x 20 mm的试样尺寸进行测试。
2 测量
2.1 Weibull分布
Weibull提出的基于最薄弱环节失效概念的理论,可以很好地描述陶瓷材料强度的分布特征。其中提到,失效行为是由单一的“缺陷类型”(结构不均匀性)决定的。为了描述强度特征,Weibull选择了一种特殊形式的极值分布,即后来以他的名字命名的Weibull分布。
如果分布参数已知,则载荷与断裂概率之间有明确的关系。材料强度的测量值以失效概率为63.2%(Sigma 0)的强度作为标记,Weibull模量m是强度变化的度量。Weibull模量越高,材料越均匀(即“缺陷”在整个数据上分布得越均匀),强度变化的分布曲线越窄。Weibull模量的值m通常可以达到10~20之间。
测量值的分布是陶瓷在失效时呈现的结果,用Weibull分布来描述。
• B= 断裂概率
• σ= 外应力
• V= 测试元件体积
• V0= 参考体积
• σ0= 参考张力
• m= Weibull模量
B表示体积V的一个元件在σ载荷作用下断裂的概率。Weibull模量m描述了分布的宽度。弯曲强度为Weibull分布在σ0(Sigma 0)时的值,见图1(典型Weibull分布)。
图1: 典型Weibull分布
2.2 测量方法
测量陶瓷抗弯强度有多种方法,包括三点抗弯强度测试、四点抗弯强度测试和双环抗弯强度测试,他们的测试方法和计算公式不同,这里只介绍最常用的三点和四点抗弯强度测试。
2.2.1 三点抗弯强度测试
三点弯曲强度测试是根据DIN EN 843-12008-08,但由于贺利氏使用的陶瓷较薄,因此样品尺寸通常小于2.0mm。
图2是简单的测试模型,两个支撑柱支撑测试样品,一个力加载器从顶部施加到测试样品中心的压力。
图2: 三点抗弯强度测试
用于三点抗弯强度测试设备可以有所不同, 但均需满足如下条件:
• 陶瓷边缘激光切割于陶瓷顶面
• L1+L2: 30 mm
• 测试速度: 10 mm/min
• 预加载力: 0.5 N
• 至预加载力前的测试速度: 5 mm/min
• 支撑柱直径: 1.6 mm
测试至陶瓷破裂,记录陶瓷破裂时的加载力,试件的抗弯强度可按下式计算(图3)
图3: 三点抗弯强度计算公式
2.2.2 四点抗弯强度
四点抗弯强度通常在日本使用,这种测试方式要求2个力加载器同时从试样上表面施加压力,计算公式如下图4.
图4: 三点抗弯强度计算公式
3 抗弯强度的影响因素
3.1 测试方法
试样体积越大,测得的强度值越低,材料失效的概率越大。因此,由于一般四点抗弯强度测试试样大于三点抗弯强度测试试样,所以四点抗弯测试的强度值总是低于三点抗弯强度测试,见图5。
图5: 三点、四点抗弯强度测试结果对比
3.2激光切割方向
在三点和四点弯曲测试中,试样的制备,特别是试样边缘的制备是一个重要的问题。
图6为上、下两个侧面切割的测试样品,测试结果显示,激光切割方向对抗弯强度测试影响较大,每个激光点都会像锥形槽一样,明显降低抗弯强度,见图6、7。
为了避免激光切割对弯曲强度测试的影响,贺利氏公司通常使用激光从顶部进行测试。
图6:顶部、底部激光切割示意图
图7: 激光从顶部、底部切割对陶瓷抗弯强度测试的影响
3.3激光种类
从激光切割的对比结果中,我们了解到激光切割在陶瓷表面所形成的激光点也可以对测试结果起到关键作用,不同的激光切割技术种类可以得到完全不同的激光点形状。
一般来说,激光种类对抗弯强度的影响遵循以下规律: CO2激光<光纤激光器<HNLT激光(皮秒激光)
3.4 陶瓷厚度
如前文所述,标准DIN EN 843-1:2008-08只描述了2.0±0.2mm的试样,因为陶瓷越薄,其韧性受到的冲击越大,通过其柔性变形可以承受更大的载荷力,图8是0.38mm Al2O3和0.63mm Al2O3在相同测试条件下的弯曲强度测试,越薄的陶瓷表现出相对较高的强度。
图8: 0.38mm 和 0.63mm Al2O3陶瓷抗弯强度测试结果对比
4 贺利氏的抗弯强度测试
4.1 贺利氏陶瓷抗弯强度标准
作为陶瓷覆铜基板的全球领先供应商,贺利氏所使用的陶瓷均来自行业领先的陶瓷生产商,其抗弯强度均可达到较高的行业标准,贺利氏使用的陶瓷抗弯强度标准如下:
表1: 贺利氏所使用陶瓷抗弯强度值
图9: 贺利氏所使用的陶瓷抗弯强度
4.2 陶瓷覆铜基板的抗弯强度定义
由于陶瓷覆铜基板的陶瓷两侧都附着有较厚的铜层,因此陶瓷覆铜基板不是一种均一的材料,再加上每个陶瓷覆铜基板上不同的铜厚度和铜布局设计,没有一个通用的方法来定义陶瓷覆铜基板的通用抗弯强度。
作为复合材料,由于铜的增强作用,陶瓷覆铜基板的抗弯强度测试结果通常高于裸陶瓷,我们采用普通的Al2O3-DBC材料进行抗弯强度测试,并与裸陶瓷的抗弯强度进行对比,结果如图10、11所示。
图10: 陶瓷覆铜基板和陶瓷的抗弯强度测试对比
图11: 陶瓷覆铜基板和陶瓷的抗弯强度测试结果
对于某些客户,由于特殊的应用或封装要求,确实需要定义陶瓷覆铜基板的抗弯强度,在这里贺利氏可以根据以下程序定义陶瓷覆铜基板的抗弯强度。
a)生产3批样品,每批抽取50件样品
b)对这3× 50 = 150件样品进行抗弯强度测试
c)进行Cpk分析(Cpk>2.0),定义最小抗弯强度值(LSL)。
您可能注意到我们没有使用Weibull分析来定义MCS的抗弯强度,这是因为客户需要定义一个抗弯强度的最小值,这样可以在功率模块机械设计时带来足够的信心。如果客户需要,我们也可以按照Weibull分布的Sigma0值进行陶瓷覆铜基板的抗弯强度定义。
5.结论
抗弯强度是陶瓷材料的一项关键物理性能,它主要受陶瓷材料特性的影响。通过以上系列评价,得出陶瓷的抗弯强度与陶瓷类型、激光类型、激光方向、陶瓷厚度和测量方法有关。对于陶瓷覆铜基板的抗弯强度,很难预测,唯一的识别方法是通过收集实际样品的抗弯强度数据并进行Weibull分析或Cpk分析来确定。
引用文献:
1) 维基百科: 抗弯强度
2) 维基百科: Weibull分布
3) 贺利氏内部实验室测试数据.
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