高韌性陶瓷材料技術之現況與機會：材料世界網

陳佑明、黃天恒、游勝閔 / 工研院材化所

因應全球氣候危機，歐盟宣布將於2035年停止銷售新的燃油車，此舉引發國際汽車大廠也逐漸跟進電動車的趨勢，提早布局電動車的戰場。隨著混合動力汽車和電動汽車的發展，高輸出功率模組的市場正迅速擴大，高效轉換和控制電力的功率器件是節能的關鍵技術。在功率模組中，絕緣基板是一種重要的材料，被用於半導體器件的電路和散熱器之間充當電氣絕緣體。基板的可靠性通常與陶瓷材料的機械性能以及所使用的金屬有關。而在DBC基板中，陶瓷和銅的熱膨脹係數差異是熱循環測試中導致基板失效的根本原因。隨著循環次數的增加，陶瓷基板與導體層之間的黏接界面會形成裂紋或導體層發生剝離。因此需增加整個模組的熱循環壽命，其中一項關鍵因子在於提升陶瓷基板的韌性。工研院成功開發導入雙摻雜元素ZnO及MnO₂之新技術，來改善ZTA因為相變化導致機械性能衰退之問題，現有研發結果顯示抗彎強度可達到700 MPa以上，未來將配合國內廠商進行技術轉移以應用在IGBT模組上，提升IGBT模組熱循環測試之耐久性。

【內文精選】

功率基板的應用

在功率模組中，絕緣基板是一種重要的材料，它在裝有半導體器件的電路和散熱器(金屬)之間被作為電氣絕緣體。半導體的互連和它們與散熱器(接地)之間的絕緣主要通過「基板」這單一元件來實現。隨著這些模組的功率密度和輸出的增加，半導體器件產生的熱量和密度逐年增加，使得散熱技術變得極為重要。因此，具有高熱導率的陶瓷基板被用作絕緣基板，包含以不同的陶瓷材料用於基板的製作(例如BeO、Si₃N₄、AlN)；不同的技術允許將陶瓷與導電金屬結合，如DBC(直接銅鍵合)或AMB(活性金屬接合)。基板的可靠性通常與陶瓷材料的機械性能以及所使用的金屬有關。隨著新型寬帶隙半導體的發展，如SiC或GaN，更高的電壓以及更高的電流密度可能會增加基板內陶瓷材料所需的絕緣要求。再者，為最大限度地減少構成材料之間的熱阻，電路金屬和散熱金屬在高溫下直接接合到陶瓷基板上，以形成一種金屬化基板的結合體。金屬化基板由熱膨脹係數顯著不同的金屬和陶瓷組成，當基板在高溫下接合後冷卻，熱膨脹係數的差異會導致高熱應力；此外，由於溫度變化，基板在使用過程中會受到反覆的熱應力，較低和較高的溫度分別對應冷區的環境溫度和半導體器件的最大結合溫度。因此，金屬化基板除了需要絕緣和散熱性能外，還需要高機械和熱可靠性。

為進一步研究溫度循環測試期間對金屬化基板的影響，Miyazaki等人根據ISO 17841對每種類型的AlN和Si3N4金屬化基板(導體層為銅)在溫度循環後的殘餘強度進行了系統評價，製備了如圖四(a)所示形狀的金屬化基板，並使用熱衝擊測試裝置(加熱和冷卻模式)，在指定數量的溫度循環(-40˚C至250˚C)後，通過四點彎曲測試(圖四(b))測量金屬化基板的殘餘強度。由於即使陶瓷中形成了肉眼看不見的微小裂紋，也會降低基板的強度，因此進行高精度的評估。

圖四、根據ISO 17841測量金屬化陶瓷基板的殘餘強度。(a)測試樣品的形狀；(b)金屬化基板的四點彎曲強度測量

ZTA陶瓷材料增韌機制之探討

陶瓷材料之中，由於氧化鋁具高強度、高硬度、高耐磨、抗氧化及抗熱震等優異性能，在機械、電子、化工等領域得到廣泛應用。但氧化鋁的斷裂韌性較低，抗衝擊能力差，限制了其更廣泛領域的應用。通過在氧化鋁基體中添加增韌材料，可明顯改善這一現象。其中氧化鋯增韌氧化鋁(Zirconia Toughened Alumina; ZTA)陶瓷被證明具有較好的增韌效果。氧化鋯增韌氧化鋁是一種極具潛力的陶瓷複合材料，通常用於與結構相關的應用，如：切削工具、醫療設備、模具、裝甲、高溫能量交換系統和假肢部件等領域，這是因為ZTA具有令人印象深刻的性能，特別是在抗壓強度、硬度和斷裂韌性方面表現優異。

工研院材料與化工研究所引入雙摻雜元素，來改善ZTA因為相變導致機械性能退化之問題。雙摻雜對ZTA之硬度影響如圖七所示。由圖中可知，摻雜第二氧化物可進一步提升其機械強度，其中經過摻雜2 wt%之ZnO及2 wt%之MnO₂，可以將ZTA由無摻雜之硬度1,414.1 HV提升至2,100 HV，同時抗彎強度(Bending Strength)亦可達到700MPa---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。