陶瓷線路板不同材料的熱膨脹系數(shù)對(duì)結(jié)合力的影響

陶瓷線路板和金屬導(dǎo)體之間的熱膨脹系數(shù)存在差異時(shí)，隨著溫度的升高或下降，兩種材料之間會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。這會(huì)對(duì)它們之間的結(jié)合力造成影響。當(dāng)溫度升高時(shí)，熱膨脹系數(shù)小的陶瓷線路板會(huì)縮小，而熱膨脹系數(shù)大的金屬導(dǎo)體則會(huì)膨脹。這會(huì)導(dǎo)致兩者之間產(chǎn)生間隙，從而影響它們之間的結(jié)合力，增加分離風(fēng)險(xiǎn)。以下是一些陶瓷材料和銅的熱膨脹系數(shù)的數(shù)據(jù)（單位：ppm/K）：

需要注意的是，材料的熱膨脹系數(shù)可以受到許多因素的影響，例如溫度范圍、材料的組成和制備條件等。因此，上述數(shù)據(jù)僅供參考。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮到具體的材料和工藝條件，進(jìn)行實(shí)際材料測(cè)試和熱膨脹系數(shù)計(jì)算。

而當(dāng)溫度下降時(shí)，熱膨脹系數(shù)小的陶瓷線路板會(huì)擴(kuò)張，而熱膨脹系數(shù)大的金屬導(dǎo)體則會(huì)收縮。這會(huì)導(dǎo)致陶瓷線路板與金屬導(dǎo)體之間的結(jié)合力增加，但同時(shí)也會(huì)增加陶瓷線路板的開裂風(fēng)險(xiǎn)。

因此，在設(shè)計(jì)陶瓷線路板時(shí)需要考慮兩種材料的熱膨脹系數(shù)之間的差異，并采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣頊p小它們之間的熱應(yīng)力，確保線路板與金屬導(dǎo)體之間的結(jié)合牢固，不易分離和開裂。

以下是幾種減小陶瓷線路板和金屬導(dǎo)體之間熱應(yīng)力的措施：

1. 更換材料：選擇熱膨脹系數(shù)相似的材料作為線路板和金屬導(dǎo)體的接合材料，可減少熱膨脹系數(shù)差異帶來的熱應(yīng)力。

2. 引入緩沖層：引入緩沖層（如橡膠、PE、PP等）作為兩種材料之間的墊片，可以降低熱應(yīng)力。緩沖層具有較好的彈性，能夠吸收熱膨脹引起的變形，從而減緩熱應(yīng)力。

3. 調(diào)整結(jié)構(gòu)：通過調(diào)整線路板和金屬導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，例如增加排列方式的間距，增大焊點(diǎn)的尺寸等，可減少機(jī)械應(yīng)力對(duì)接點(diǎn)的影響，從而減少熱應(yīng)力的影響。

4. 采用半固化膠水或流動(dòng)性更強(qiáng)的焊接材料：使用半固化膠水或流動(dòng)性更強(qiáng)的焊接材料，可以增加材料之間的粘合力，減少材料之間產(chǎn)生的間隔和斷裂，從而減少熱應(yīng)力的解除措施。

5. 升溫和降溫過程區(qū)域溫和，不要斷崖式降溫，升/降溫區(qū)間溫度不要超過40℃。

以上幾種方法或者結(jié)合起來使用，可以降低熱應(yīng)力和Mechanical stress，提高陶瓷線路板與金屬導(dǎo)體之間的結(jié)合牢固性。

以下是案例解析：客戶在做剪切強(qiáng)度測(cè)試中，實(shí)驗(yàn)參數(shù)是： 40℃*1.5min --280℃*1.5min--340℃*3min，實(shí)驗(yàn)過后板子崩開成兩半，分開部分從氧化鋁陶瓷中間開始。

一、樣品分析

從樣品設(shè)計(jì)來看，兩面都是大銅皮設(shè)計(jì)，因陶瓷與銅皮的膨脹系數(shù)不一樣，在遇高溫后再遇冷，銅皮先膨脹后集聚收縮，兩邊的銅皮張力會(huì)拉扯陶瓷基板，導(dǎo)致有崩板的風(fēng)險(xiǎn)。

二、歸零實(shí)驗(yàn)

2.1實(shí)驗(yàn)還原

實(shí)驗(yàn)參數(shù)：240℃*1.5min

實(shí)驗(yàn)過程：在240℃的無鉛錫爐中，將樣品放入90s后，放置在室溫環(huán)境中，240℃斷崖式降溫到25℃。樣品在2-3min內(nèi)發(fā)生爆板。如下圖：

斯利通陶瓷基板拉力測(cè)試

結(jié)果分析：從崩開平視圖來看，樣品都是向銅皮面翹曲，說明銅皮的拉扯力度大，導(dǎo)致爆板。

正如前頁(yè)設(shè)計(jì)分析的結(jié)果，240℃的高溫下，再進(jìn)入25℃室溫的環(huán)境中，溫度跨度太大，銅皮急劇收縮，而陶瓷幾乎沒有漲縮，所以導(dǎo)致爆板

2.3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)參數(shù)：240℃*1.5min → 280℃*1.5min → 340℃*3min→ 逐漸降至室溫

實(shí)驗(yàn)過程：先將板子在烤爐中逐漸升溫到180℃*10min，在無鉛錫爐中按實(shí)驗(yàn)參數(shù)逐漸完成以上步驟，在錫爐升溫的過程中，產(chǎn)品不能暴露在室溫環(huán)境中，持續(xù)保持原有溫度，并緩慢將至室溫。實(shí)驗(yàn)后逐漸降到室溫再取出陶瓷板

2.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

樣品經(jīng)過240℃-280℃-340℃后逐步降至室溫后無爆板、無翹曲、裂紋，無任何異常。

爆板原因：兩面都是大銅皮設(shè)計(jì)，因氧化鋁陶瓷與銅皮的膨脹系數(shù)相差2倍左右，在遇高溫后再斷崖式冷卻，銅皮先膨脹后集聚收縮，兩邊的銅皮張力會(huì)拉扯陶瓷基板，導(dǎo)致爆板。

使用建議：

1.因陶瓷板在高溫后幾乎沒有漲縮，在使用或者實(shí)驗(yàn)過程中高溫后不要急劇降溫，或放置在室溫中冷卻。應(yīng)逐步降溫，陶瓷基板能夠承受銅皮的拉扯。

2.在設(shè)計(jì)陶瓷板的時(shí)候盡量不要同時(shí)使用兩面大銅皮設(shè)計(jì)，加網(wǎng)格或者附加圖形。

審核編輯：湯梓紅