碳化硅和氮化鎵是寬帶隙(WBG)半導(dǎo)體，也是被認(rèn)為要求更高功率和更高溫度的電力電子應(yīng)用最佳材料。由于這些WBG半導(dǎo)體具有優(yōu)異的性能，如寬禁帶(>3eV)、高臨界電場(>3 MV/cm)和高飽和速度(>2x10cm/s)，SiC和在功率轉(zhuǎn)換效率方面，GaN可以克服基于硅的器件所達(dá)到的終極性能。

此外，WBG半導(dǎo)體器件的工作溫度(>250℃)比基于硅的器件(<150℃)如圖1/2/3所示，這意味著可以從功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中去除龐大、復(fù)雜和沉重的冷卻系統(tǒng)。逆變器和轉(zhuǎn)換器汽車部件可以通過在高溫環(huán)境中的簡單散熱設(shè)計變得更小。通常，功率模塊的結(jié)構(gòu)具有半導(dǎo)體芯片和散熱/絕緣板的多層結(jié)構(gòu)，所有層都有不同的材料特性，例如熱膨脹系數(shù)(CTE)，這會在重復(fù)操作過程中引起熱機(jī)械應(yīng)力。

另外為了承受更高的功率和更高的熱密度，如何絕緣和散熱是WBG功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的關(guān)鍵問題之一。因此，出現(xiàn)了一些問題，例如如何將這些多層互連以在高溫下實現(xiàn)并具有熱穩(wěn)定可靠性。此外，電力電子陶瓷基板在散熱以防止電力電子模塊故障方面起著重要作用。功率半導(dǎo)體器件與散熱器之間存在直接鍵合銅DBC和直接鍵合鋁DBA的散熱/絕緣陶瓷基板。熱量從功率半導(dǎo)體器件的表面?zhèn)鬟f到散熱器，DBC和DBA在陶瓷板的兩側(cè)金屬化，以提高陶瓷基板的導(dǎo)熱性并形成電路，由于其優(yōu)異的導(dǎo)熱性、低熱阻和絕緣電壓高。

然而，DBC和DBA基板的夾層結(jié)構(gòu)會由于CTE不匹配而引起熱機(jī)械應(yīng)力。據(jù)報道，陶瓷基板的耐熱性取決于陶瓷和金屬的類型。在-50℃至250℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行了苛刻的熱沖擊循環(huán)測試期間，在各種陶瓷應(yīng)用的活性金屬釬焊(AMB)DBC陶瓷基板與鍍鎳層的熱機(jī)械穩(wěn)定性。DBC襯底與氮化硅陶瓷中間層在1000次熱沖擊循環(huán)內(nèi)沒有嚴(yán)重?fù)p壞，而氮化鋁和氧化鋁在相同循環(huán)后由于銅層嚴(yán)重分層。

結(jié)果表明，這些失效可能表明氮化鋁和氧化鋁具有比氮化硅更高的CTE值和更低的韌性的關(guān)鍵缺點。由于以前的研發(fā)只是觀察了DBC陶瓷基板本身，因此故障必須是由Cu和陶瓷之間的不匹配引起的，這意味著應(yīng)力來自DBC。這種熱循環(huán)僅在陶瓷基板樣品中產(chǎn)生均勻的溫度變化如圖4所示。然而，陶瓷基板中的實際熱分布必須具有較大的溫度梯度，才能將產(chǎn)生的熱量從器件芯片表面?zhèn)鬟f到冷卻系統(tǒng)如圖4所示，在從芯片到冷卻系統(tǒng)的熱傳導(dǎo)過程中，由CTE失配引起的應(yīng)力比單個DBC陶瓷基板更復(fù)雜，因此在設(shè)計功率模塊時迫切需要評估這種實際的溫度分布。在這種情況下，功率循環(huán)測試是一種非常有用的評估方法，用于評估在類似于實際操作條件下使用的器件封裝的可靠性。

在這個過程中，這種陶瓷基板的傳熱性能主要取決于所采用的陶瓷材料的熱性能，例如氧化鋁、氮化鋁和氮化硅，這些在功率模塊需要導(dǎo)電銅和絕緣陶瓷的全面組合，包括層厚和電路圖案，以同時實現(xiàn)熱管理和最小的功率損耗。通常要在功率循環(huán)測試后測量器件的熱阻，需要一個功率循環(huán)系統(tǒng)設(shè)備和一個T3ster系統(tǒng)，即熱瞬態(tài)測試儀系統(tǒng)。它是一種監(jiān)測通過設(shè)備的熱傳輸技術(shù)。然而，動力循環(huán)系統(tǒng)和T3ster系統(tǒng)非常昂貴，需要占用大量空間。實際上需要一個簡單、快速和小型化的熱測量系統(tǒng)。

在碳化硅微加熱器芯片中，并用于與各種類型的DBC陶瓷基板如氮化鋁和氧化鋁以及氮化硅鍵合。Ag燒結(jié)連接被用作連接材料的模具，因為它可以承受高溫應(yīng)用，并且在許多先前的研究中都有講到，測量了不同類型DBC的SiC微加熱器芯片到冷卻系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)熱阻。此外，還進(jìn)行了功率循環(huán)測試，以研究每種類型DBC陶瓷基板上的SiC微加熱器芯片貼片結(jié)構(gòu)的高溫可靠性。通過微焦點3D計算機(jī)斷層掃描(CT) X射線系統(tǒng)分析電源循環(huán)后的故障。這種方法可以顯著區(qū)別于傳統(tǒng)的熱循環(huán)測試，因為可以在重復(fù)的熱環(huán)境中考慮材料的熱性能。