CN111103209A - 陶瓷衬板耐疲劳特性的快速测试方法 - Google Patents

陶瓷衬板耐疲劳特性的快速测试方法 Download PDF

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李亮星
赵凯
冯加云
程崛
冯会雨
曾雄
方赏华
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Abstract

本发明涉及一种陶瓷衬板耐疲劳特性的快速测试方法，涉及功率半导体技术领域，用于解决解决现有技术中存在的温度冲击试验中无法近距离观察产品变化的技术问题。本发明的陶瓷衬板耐疲劳特性的快速测试方法，由于加热设备和冷却设备为两个相互独立的设备，因此待测工件的加热和冷却过程互相不会干扰，在待测工件的任何一个操作步骤中，都可以使测试过程暂停，从而近距离地观测其产生的变化，从而能够快速准确地把握待测工件的状态。

Description

陶瓷衬板耐疲劳特性的快速测试方法
技术领域
本发明涉及功率半导体技术领域，特别地涉及一种陶瓷衬板耐疲劳特性的快速测试方法。
背景技术
典型的功率半导体模块均采用陶瓷衬板作为芯片的机械支撑和散热通道。陶瓷衬板整体成三明治结构，上下表面多为采用各种各样的工艺烧结而成的金属层，该金属一般是铜、铝等，用以实现后续的电气连接、机械连接和提供散热通道。中间层一般是陶瓷层或树脂层，主要用作绝缘隔离，材质多为氧化铝、氮化铝、氧化铍、各种绝缘树脂等等。由于金属层的热膨胀系数一般是绝缘层的好几倍，导致衬板在受热膨胀或受冷收缩时的变形量不一致，从而产生内应力。该内应力持续作用则可能导致在金属和绝缘层的结合界面发生裂纹，从而使得产品绝缘性能或电气性能降低甚至失效。
对陶瓷衬板耐疲劳特性的常规检测办法是进行温度冲击试验，即将衬板置于温度冲击试验箱中，在低温区保持一定时间后切换至高温区，如此循环反复，直至制定循环次数或时间后停止试验。
如图1所示为现有技术中温度冲击试验的设备，现有温度冲击试验方法的主要缺陷在于：试验时间长，难以中途停止进行观察。一般温度冲击需要保温足够时间，例如30min，来使得产品温度达到设置温度，一个循环周期至少需要1个小时。以100次温度循环则至少需要100h才能完成实验，期间设备腔体一直保持封闭状态，难以近距离观察产品变化或是否失效，如果需要中途暂停实验，则需至少一个小时等待设备降温。
发明内容
本发明提供一种陶瓷衬板耐疲劳特性的快速测试方法，用于解决现有技术中存在的温度冲击试验中无法近距离观察产品变化的技术问题。
本发明提供一种陶瓷衬板耐疲劳特性的快速测试方法，包括以下步骤：
用加热设备将待测工件加热至第一预定温度；
用冷却设备将待测工件冷却至第二预定温度；
重复上述步骤直至待测工件失效为止；
其中，所述加热设备和所述冷却设备为两个相互独立的设备。
在一个实施方式中，所述加热设备为加热平台或加热炉。
在一个实施方式中，所述冷却设备为冷却板、具有冷却介质的冷却槽或喷淋式冷却装置。
在一个实施方式中，所述冷却设备为金属热沉。
在一个实施方式中，所述冷却槽中的冷却介质为水、冰水混合物、冷却油或液化气体。
在一个实施方式中，所述液化气体为液氮。
与现有技术相比，本发明的优点在于：由于加热设备和冷却设备为两个相互独立的设备，因此待测工件的加热和冷却过程互相不会干扰，在待测工件的任何一个操作步骤中，都可以使测试过程暂停，从而近距离地观测其产生的变化，从而能够快速准确地把握待测工件的状态。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。
图1是现有技术中温度冲击试验的设备；
图2是本发明的实施例中的陶瓷衬板耐疲劳特性的快速测试方法的流程图；
图3是本发明的一个实施例中加热设备的结构示意图；
图4是本发明的另一个实施例中加热设备的结构示意图；
图5是本发明的一个实施例中冷却设备的结构示意图；
图6是本发明的另一个实施例中冷却设备的结构示意图；
图7是本发明的实施例中待测工件的结构示意图。
附图标记：
1-加热平台；1’-加热炉；11-支架；
2-冷却板；2’-冷却槽；21-冷却介质；
3-待测工件。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
如图2所示，本发明提供一种陶瓷衬板耐疲劳特性的快速测试方法，包括以下步骤：
第一步，用加热设备将待测工件3加热至第一预定温度，并使待测工件在该温度下保持一定的时间，以确保其各个部位的温度均达到第一预定温度。
其中，第一预定温度为设定的温度，例如200℃或300℃等温度。
第二步，将待测工件3快速地从加热设备转移至冷却设备，并用冷却设备将待测工件3冷却至第二预定温度。其中，第二预定温度为设定的温度，例如室温。
在冷却后，可以对待测工件3进行必要的观察，例如观察待测工件3是否出现裂纹或者是否已经失效等。
第三步，重复上述步骤直至达到设定的循环次数或设定的时间为止。
其中，加热设备和冷却设备为两个相互独立的设备。因此待测工件3的加热和冷却过程互相不会干扰，在待测工件3的任何一个操作步骤中，都可以近距离地观测其产生的变化，从而能够快速准确地把握待测工件3的状态。
可选地，如图3所示，加热设备为加热平台1。进一步地，加热平台1采用电加热或高温火焰灼烧的方式加热待测工件3。
可选地，如图4所示，加热设备为加热炉1’，加热炉1’中设置有用于放置待测工件3的支架11。
在本发明中，由于加热平台1或者加热炉1’的加热温度范围大，且连续可调，因此通过调节加热设备和冷却设备的温度，能够利用二者之间巨大的温度差使待测工件3失效，从而利用很少的试验次数即可获得较好的试验或筛选效果。
此外，现有的温度冲击设备之间的差异性较大，从而导致不同设备的试验数据之间没有可对比性。由于温度冲击效果除了与高低温区域温度设置有关外，还与冷热温度切换速度有关，不同设备的加热或冷却功率不同，导致冷热切换速度不一样，最终测试结果差异很大，难以有效对比。即便是不同操作人员和测试设备，也可以获得基本一致的评估结果。而本发明的快速测试方法中，其操作更简单，并且由于加热设备和冷却设备相互独立，因此即便是不同操作人员和测试设备，也可以获得基本一致的评估结果。
可选地，如图5所示，冷却设备为冷却板2。进一步地，冷却板为金属冷却板。
可选地，如图6所示，冷却设备为具有冷却介质的冷却槽2’。通过选择合理的冷却介质21，可以调节不同的冷却速度。例如，冷却槽2’中的冷却介质21为水、冰水混合物、冷却油或液化气体；特别地，液化气体为液氮。
可选地，冷却设备为喷淋式冷却装置。其中，喷淋式冷却装置为喷水装置或气体喷雾冷却器。
可选地，冷却设备还可以是金属热沉。
在一个具体的实施例中，首先，通过电加热台1对待测工件3进行加热，在加热过程中，通过温度传感器获其他的测温设备测量待测工件3的温度。当待测工件3的温度达到200℃时停止加热。
其次，通过夹持工具将待测工件3快速转移到冷却槽2’中，冷却槽2’中的冷却介质21为水。使待测工件3完全浸没到水中，使其温度到室温为止。同样地，在冷却过程中，通过温度传感器获其他的测温设备测量待测工件3的温度。
第三，重复地对待测工件3进行加热和冷却的操作，直至达到100次温度循环为止。
在任意一次温度循环完成后，操作人员都可以选择暂停或者继续测试过程，并且每次冷却后，都可以近距离地观察待测工件3的状态，例如是否有裂纹等。
需要说明的是，一次温度循环是指待测工件3被加热一次并冷却一次。
上述测试过程所需的测试设备成本低，操作简单，并且即使由不同操作人员进行操作，也可以获得基本一致的评估结果。
需要说明的是，本发明的待测工件3为陶瓷衬板(或陶瓷底板、陶瓷覆铜板、陶瓷覆铝板等)。如图7所示，其典型结构为三明治结构，上、下表面为金属层，该金属一般是铜、铝等，用以实现后续的电气连接、机械连接和提供散热通道。中间层一般是陶瓷层或树脂层，主要用作绝缘隔离，材质多为氧化铝、氮化铝、氧化铍、各种绝缘树脂等。
虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (6)

1.一种陶瓷衬板耐疲劳特性的快速测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
用加热设备将待测工件加热至第一预定温度；
用冷却设备将待测工件冷却至第二预定温度；
重复上述步骤直至达到设定的循环次数或设定的时间为止；
其中，所述加热设备和所述冷却设备为两个相互独立的设备。
2.根据权利要求1所述的陶瓷衬板耐疲劳特性的快速测试方法，其特征在于，所述加热设备为加热平台或加热炉。
3.根据权利要求1或2所述的陶瓷衬板耐疲劳特性的快速测试方法，其特征在于，所述冷却设备为冷却板、具有冷却介质的冷却槽或喷淋式冷却装置。
4.根据权利要求1或2所述的陶瓷衬板耐疲劳特性的快速测试方法，其特征在于，所述冷却设备为金属热沉或金属冷却板。
5.根据权利要求3所述的陶瓷衬板耐疲劳特性的快速测试方法，其特征在于，所述冷却槽中的冷却介质为水、冰水混合物、冷却油或液化气体。
6.根据权利要求5所述的陶瓷衬板耐疲劳特性的快速测试方法，其特征在于，所述液化气体为液氮。
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