这篇文档是一篇关于碳化硅功率模块中烧结银焊层在温度梯度下裂纹扩展行为的研究报告，它详细描述了一项具体的数值模拟研究，包含了明确的研究背景、方法、结果和结论，属于一个独立的原创性科学研究报告。因此，我将按照“类型a”的要求，撰写一篇详细的学术报告。

关于温度梯度影响碳化硅功率模块烧结银焊层裂纹扩展及性能退化的研究报道

作者及发表信息

本研究的核心作者来自多所中国高校与研究所。其中，主要通讯作者为合肥工业大学的Shuibao Liang*。其他作者包括：合肥工业大学的Zhihao Guo、Kuijing Song、Zhihong Zhong；安徽大学的Han Jiang、Yaohua Xu；华东光电集成器件研究所的Zhenchao Li和Susu Li。这项研究工作在2025年于2025 26th International Conference on Electronic Packaging Technology (ICEPT) 会议上发表。ICEPT是电子封装技术领域的重要国际会议，这标志着该研究成果获得了学界的初步认可，并旨在与同行分享在功率模块可靠性领域的深入探索。

学术背景与研究动机

本研究隶属于电子封装与半导体器件可靠性这一交叉学科领域，具体聚焦于宽禁带半导体功率模块（特别是碳化硅SiC模块）的长期可靠性问题。随着电力电子技术向高效率、小型化和高热性能的方向发展，功率半导体器件的功率密度不断提升。这一趋势导致芯片表面产生显著的横向温度梯度，进而对芯片贴装材料的热机械响应产生关键影响，威胁着功率模块的长期可靠性。

在传统的功率模块中，基于锡的焊料由于熔点较低，难以适应高温工作环境，且界面金属间化合物(IMCs)的形成会带来脆性问题。为了解决这些限制，烧结银（Sintered Silver）作为一种新兴的芯片贴装（Die Attach）材料，因其卓越的导热性和机械强度而受到青睐。然而，在这种由多种热膨胀系数（CTEs）不匹配材料堆叠而成的模块中，温度循环产生的热应力会集中在芯片贴装层，引发裂纹的萌生与扩展，最终损害模块的结构完整性。

尽管温度梯度的重要性已受到关注，但现有研究对其在采用烧结银焊层的SiC功率模块中，如何具体影响裂纹萌生和扩展的机制仍缺乏深入理解。此前的研究多集中于温度分布的模拟、散热器优化或基于其他互联材料（如焊料）的失效分析，专门针对烧结银材料在热梯度下的断裂行为研究有限。因此，本研究旨在通过先进的计算模拟方法，动态揭示横向温度梯度对烧结银层裂纹扩展及性能退化的具体影响机制，从而为提升SiC功率模块的可靠性提供理论依据和设计指导。研究的具体目标是：开发一个包含烧结银层的代表性SiC功率模块有限元（FE）模型，耦合相场断裂模型以捕捉热应力下的裂纹演化，系统分析不同芯片表面温度梯度对裂纹行为、应力及应变能密度的影响，最终阐明其热机械退化机理。

详细研究流程与方法

本研究主要包含两个核心部分：有限元建模与热机械加载设置，以及耦合相场方法的裂纹扩展模拟。整个工作流程逻辑清晰，旨在通过数值仿真再现物理失效过程。

第一流程：有限元模型建立与边界条件设定

研究首先构建了一个SiC功率模块的数值模型。该模型的器件结构自上而下包括：SiC芯片、烧结银芯片贴装层以及氧化铝直接覆铜（DBC）基板。为了在保证计算精度的同时显著提升仿真效率，研究者将初始的三维模型简化为二维对称模型。模型的几何尺寸基于文献[7]设定，具体为：SiC芯片长3.1毫米，厚1.8毫米；烧结银层长3.1毫米，厚1.2毫米；DBC的顶层铜、氧化铝陶瓷和底层铜的尺寸也均被详细设定（见表I）。

模型采用三角形单元进行网格划分。其中，芯片区域包含716个单元，烧结银层包含1248个单元，DBC区域包含1246个单元。这种精细的网格划分，特别是在易发生失效的烧结银层，有助于更准确地捕捉应力集中和裂纹演化。

在材料属性定义方面，研究假设SiC芯片、铜层和氧化铝层为线弹性材料，而烧结银层则采用双线性弹塑性本构模型进行描述，以更真实地反映其在循环载荷下的塑性变形行为。文中详细列出了各材料的力学与热学参数（见表II），以及烧结银在不同温度下的屈服强度和硬化模量（见表III），这些数据均引用自已发表的文献，确保了模型输入参数的可靠性。

为模拟功率循环条件，研究者设定了特定的载荷与边界条件。整个SiC芯片被假设为均匀的内部热源，施加一个典型的功率循环载荷：周期为4秒，其中2秒通电（功率开启），2秒断电（功率关闭）。在热边界条件上，模块底部施加对流热通量以模拟散热条件，其他边界设为绝热。初始温度和 ambient温度均设为293.15 K（20°C）。在力学边界条件上，模型的左侧边缘应用对称约束，DBC底部被机械固定，其余边界为自由表面。通过改变功率循环载荷的大小和对流热通量，研究者在芯片表面成功建立了五种不同的横向温度梯度分布，范围从4.88 K/mm到8.60 K/mm（见图3），为后续的对比分析奠定了基础。

第二流程：相场断裂模型耦合与裂纹模拟

为了超越传统应力分析的局限，并能够动态、自然地模拟裂纹的萌生与扩展路径，本研究引入了一种先进的数值方法——相场断裂模型（Phase Field Fracture Model），并将其与上述有限元模型进行耦合。这是本研究方法学上的一个重要创新点。

相场法通过引入一个连续的标量场变量（相场变量φ）来描述材料的断裂状态：φ=1表示材料完整，φ=0表示材料完全断裂，在0到1之间则表示存在一个弥散的裂纹区域。这种方法无需预先定义裂纹路径或跟踪复杂的裂纹尖端，能够自动处理裂纹的起始、分叉和合并，特别适用于复杂的多物理场耦合问题。

研究中采用的相场模型基于经典的变分原理，其裂纹表面能量密度函数由相场变量及其梯度表示（见公式2）。总的断裂能则与材料的临界能量释放率Gc相关联（见公式3）。在本研究的特定背景下，裂纹扩展的驱动机制被归结为三种相互关联的现象：热效应（温度梯度导致的不均匀膨胀）、机械响应（产生的热应力和弹塑性应变）以及断裂行为本身。在循环热载荷下，弹性应变能的周期性变化，结合塑性应变能的累积与耗散，共同为裂纹的萌生和沿芯片贴装层的扩展提供了驱动力。

通过将这套相场断裂理论框架嵌入到有限元分析中，研究者得以模拟在设定的五种不同温度梯度下，烧结银层在经历功率循环后的损伤演化与裂纹扩展过程。

主要研究结果与分析

本研究的结果部分图文并茂，清晰地展示了温度梯度对裂纹行为、应力分布和能量演变的系统性影响。

关于裂纹扩展行为的直接观察

模拟结果首先揭示了裂纹萌生的典型位置。如图4(a)所示，在功率循环后，裂纹首先在烧结银层靠近DBC基板界面的边缘区域萌生，随后水平沿着该界面区域扩展。这一位置正是由于烧结银与周围材料（SiC和DBC）之间的热膨胀系数不匹配而导致机械应力最大的区域。研究者将这一模拟结果与文献[10]中的实验观测图（图4(b)）进行了对比，发现两者在裂纹位置上高度吻合。这有力地验证了所建立的相场断裂模型能够准确地捕捉热循环下烧结银层的主导断裂行为，增强了仿真结果的可靠度。

图5则直观地展示了在不同横向温度梯度（4.88至8.60 K/mm）下，烧结银层内预测的裂纹形态演变。结果明确显示，温度梯度的幅值显著影响裂纹的萌生时间和扩展程度。在较低的4.88 K/mm梯度下（图5(a)），裂纹非常轻微，仅局限于层的边缘附近。随着梯度增加至6.00 K/mm和6.90 K/mm（图5(b)和©），裂纹更早萌生，并沿着烧结银-DBC基板界面向更深处扩展。当梯度进一步提高到7.69 K/mm和8.60 K/mm时（图5(d)和(e)），裂纹变得更为显著，并大幅度地向层中心区域延伸。这一趋势明确证实，更大的横向温度梯度会显著加速界面裂纹的生长，对芯片贴装层的结构完整性构成潜在风险。

关于应力与能量分布的机理分析

为了深入探究热循环下裂纹萌生和扩展背后的力学机理，研究者进一步分析了烧结银层内的应力分布。图6展示了在不同温度梯度下，烧结银层内的米塞斯（Von Mises）应力云图。研究发现，温度梯度极大地影响了烧结银内部的应力水平和分布。在4.88 K/mm的低梯度下（图6(a)），应力水平相对较低，且集中在层的边缘，峰值应力仅为69.54 MPa，这与观察到的初始裂纹区域相对应。当梯度增至6.00和6.90 K/mm时（图6(b)和©），峰值应力值分别升高至82.77 MPa和96.01 MPa，高应力区沿界面进一步扩展，表明裂纹扩展的风险增大。在更高的7.69和8.60 K/mm梯度下（图6(d)和(e)），应力集中现象更为突出，峰值应力超过100 MPa，且沿着预想的裂纹路径形成了更广泛的高应力区。

图7定量地绘制了烧结银层在不同温度梯度下的平均和最大 Von Mises 应力变化曲线。结果清晰地显示，在功率循环条件下，烧结银层内的平均应力和最大应力均随温度梯度的增加而显著上升。这表明热梯度不仅提升了局部应力峰值，还使得整个贴装层承受了更高的整体应力水平。

除了应力，应变能密度是驱动裂纹扩展的另一个关键能量参数。图8展示了在功率循环结束时，烧结银层内的平均和最大应变能密度随横向温度梯度的变化。结果表明，增加温度梯度会显著提高应变能密度。这意味着更高的热梯度为裂纹扩展提供了更多的能量来源，这与文献[2]中报道的趋势一致。结合应力分析，本研究从“力”（应力水平提高）和“能”（应变能密度增加）两个维度，完整地阐释了高温梯度加速裂纹扩展的内在机理：更大的温度差导致更剧烈的热失配变形，产生更高的局部应力和更集中的应变能，从而更快地达到并超过材料的断裂韧性阈值，驱动裂纹快速扩展。

研究结论与价值

基于上述系统的模拟分析，本研究得出以下核心结论： 首先，裂纹在烧结银层中的萌生位置具有规律性，始终起始于靠近DBC基板侧的边缘区域，这与实验观察结果吻合良好。 其次，横向温度梯度的增大会显著提升烧结银层内部的热机械应力和应变能密度。 最终，这些升高的应力和能量水平会促进界面裂纹更快地扩展，从而加剧损伤演化，降低功率模块的机械和热可靠性。

本研究的科学价值在于，它首次系统性地采用相场断裂模型这一先进工具，量化揭示了横向温度梯度对SiC功率模块中烧结银焊层裂纹扩展行为的动态影响规律，深化了对其热机械退化机理的理解。在应用价值方面，该研究为功率模块的设计与优化提供了重要指导：它强调了在追求高功率密度的同时，必须高度重视芯片表面的温度均匀性管理。通过优化散热设计、芯片布局或封装结构来降低横向温度梯度，将是提升采用烧结银等先进贴装材料的SiC功率模块长期可靠性的有效途径。

研究亮点与特色

本研究的突出亮点体现在以下几个方面： 1. 方法创新性： 成功将相场断裂模型应用于功率模块封装可靠性的研究。相较于传统的基于应力强度因子或经验寿命模型的方法，相场法能够更物理地、无需预设裂纹路径地模拟复杂热机械载荷下的裂纹萌生与扩展全过程，在研究手段上具有先进性。 2. 问题聚焦性： 专门针对“烧结银”这一新兴高性能贴装材料，并紧扣“横向温度梯度”这一在高功率密度器件中日益突出的关键失效驱动因素，研究目标明确且具有前沿性。 3. 机理揭示的深度： 不仅展示了“现象”（裂纹如何扩展），更通过详尽的应力场和应变能密度分析，从力学本质上解释了“原因”（为何梯度越大裂纹越快），完成了从现象观测到机理阐释的深化。 4. 模型验证充分： 将模拟得到的裂纹萌生位置与独立的实验观测结果进行对比并取得良好一致，有效增强了整个数值研究工作的可信度。

其他有价值信息

本研究的资助信息也值得一提。工作得到了安徽省自然科学基金和国家自然科学基金的支持，这表明该研究方向符合国家与地方在半导体和先进制造领域的科技发展需求。此外，文中引用的参考文献涵盖了从宽禁带半导体器件综述到具体失效分析、从实验研究到模拟方法的多个方面，为有兴趣的读者提供了进一步深入探索的丰富线索。这些引用也反映了研究者对领域内最新进展的把握和扎实的文献基础。