如今功率半導體模塊主要用于控制電動機，尤其是在運輸應用（汽車和航空電子設備）中。在提高大功率電子設備的可靠性和疲勞壽命，對于這些應用中的實際挑戰是一個真正的挑戰，在這些應用中功率模塊越來越多地被使用。特別是為了降低發動機的燃料消耗。

在許多此類應用中，電源模塊會經歷周期性的溫度變化。有兩種類型的熱循環疊加在一起，功率循環來自在運行階段（焦耳效應）在模塊的有源部分中施加的電流，以及來自環境溫度變化的被動循環。在飛機發動機環境中，這些變化通常在-30℃和+180℃之間℃，在最壞的情況下，介于-55℃和200℃之間。因此，電力電子器件極易受到變幅熱疲勞的影響。而這些研究的目的是了解失效起源的機制并對其進行建模，以優化功率模塊的幾何形狀或制造過程，從而提高其疲勞壽命和可靠性。

在研究的模塊由芯片、陶瓷基板和基板組成，芯片本身焊接在陶瓷基板上。為了確保陶瓷基板在芯片與基板的電絕緣，基板還必須允許從芯片到基板的功率耗散產生的熱量排出。為此，氮化鋁直接鍵合銅DBC基板通常用于功率模塊，因為它們具有良好的導熱性。它們由陶瓷層氮化鋁組成，銅薄片通過高溫氧化工藝粘合在兩面。上銅層（厚度tCu1 = 127–300μm），然后被化學蝕刻以形成電路。瓷板（厚度tAlN = 635 μm）確保電絕緣，下部銅層保持平整并焊接到安裝在散熱器上的陶瓷基板（銅或AISiC）上。

DBC陶瓷基板的整體熱膨脹系數接近于硅芯片的整體熱膨脹系數，從而降低了芯片與基板界面處的熱循環效應。相反特別是對于最高溫度變化，熱疲勞失效會出現在DBC陶瓷基板內部，并且限制模塊的疲勞壽命。

因此，對DBC陶瓷基板的熱疲勞進行了大致分析，銅和氮化鋁的熱膨脹系數之間的差異是熱疲勞的根源。據觀察裂紋要么直接從陶瓷層開始，要么從DBC陶瓷基板中的幾何奇點開始。在第一種情況下，陶瓷層的失效會在幾個循環后發生。在第二種情況下，如果溫度變化足夠大，陶瓷層會出現貫穿厚度的裂紋，這兩種機制競爭破壞DBC基板內部結構。

本文分別對這兩種失效機制進行了表征和建模，最后建立了DBC陶瓷基板的有限元模型，提出了提高模塊疲勞壽命的方法。

審核編輯：湯梓紅