ISO 4825-12023 精细陶瓷（高级陶瓷、高级工业陶瓷）金属化陶瓷基片热性能测量的试验方法第1部分功率模块用热阻的评定标准立项发展报告

精细陶瓷（高级陶瓷、高级工业陶瓷）金属化陶瓷基片热性能测量的试验方法第1部分：功率模块用热阻的评定标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Fineceramics(advancedceramics,advancedtechnicalceramics)—Testmethodforthermalpropertymeasurementsofmetalizedceramicsubstrates—Part1:Evaluationofthermalresistanceforuseinpowermodules摘要随着功率半导体器件向高功率密度、高可靠性和小型化方向快速发展，功率模块的热管理问题已成为制约其性能和寿命的关键瓶颈。金属化陶瓷基片作为功率模块的核心散热与电气绝缘载体，其热阻的准确评定直接关系到器件结温预测、散热设计优化及可靠性评估。在此背景下，国际标准化组织（ISO）于2023年1月12日正式发布ISO4825-1:2023《精细陶瓷（高级陶瓷、高级工业陶瓷）金属化陶瓷基片热性能测量的试验方法第1部分：功率模块用热阻的评定》。本标准由ISO/TC206精细陶瓷技术委员会组织制定，首次系统规范了功率模块用金属化陶瓷基片热阻的测试原理、试验装置、试样制备、测量程序及数据处理方法，填补了该领域国际标准的空白。本报告系统梳理了该标准的立项背景、技术内容、关键创新点及其行业影响，并重点介绍了标准主要制定单位——日本精细陶瓷中心（JFCC）在标准研制过程中的技术贡献。本标准的发布为全球功率模块产业链提供了统一、可比、可信的热阻评价技术依据，对推动宽禁带半导体器件应用和新能源产业发展具有重要的基础性支撑作用。关键词：精细陶瓷；金属化陶瓷基片；热阻测量；功率模块；ISO4825-1；国际标准；热管理Keywords:Fineceramics;Metalizedceramicsubstrates;Thermalresistancemeasurement;Powermodules;ISO4825-1;Internationalstandard;Thermalmanagement1引言功率模块是现代电力电子系统的核心器件，广泛应用于新能源汽车、轨道交通、工业变频、智能电网及可再生能源发电等领域。随着碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）等宽禁带半导体器件的商业化进程加速，功率模块的功率密度和开关频率持续攀升，单位面积发热量急剧增加。研究表明，功率模块的失效约有55%以上与热应力直接相关，而器件的结温每升高10℃，其失效率约翻倍。因此，准确表征功率模块散热路径中各组成材料的热性能，尤其是作为核心散热通道的金属化陶瓷基片的热阻，对于热设计优化和可靠性保障至关重要。金属化陶瓷基片（MetalizedCeramicSubstrate）通常由陶瓷绝缘层（如Al₂O₃、AlN、Si₃N₄）与金属导电层（如Cu、Al）经薄膜或厚膜工艺复合而成，兼具优异的绝缘性能、导热性能和焊接可靠性。其中，氮化铝（AlN）陶瓷基片因具有接近碳化硅的高热导率（170~230W/(m·K)）而被视为高功率模块的理想选择；氮化硅（Si₃N₄）基片则凭借优异的力学性能和较高的热导率在车规级功率模块中逐步推广。然而，在ISO4825-1:2023发布之前，金属化陶瓷基片热阻的测试长期缺乏统一的国际标准。不同制造商和检测机构采用各自的测试方法、样品尺寸和数据处理方式，导致测试结果之间缺乏可比性，严重制约了材料筛选、工艺优化和供应链质量管控。日本、德国、美国等功率半导体产业强国虽各自拥有相关的行业标准或企业规范，但测试条件差异显著，难以满足全球产业链协同发展的需求。为此，ISO/TC206技术委员会于2019年前后启动了金属化陶瓷基片热性能测量方法的国际标准制定工作。2标准编制背景与立项必要性2.1功率模块热管理需求日益迫切功率模块的小型化和高集成化使得单位体积内的热流密度持续攀升。以新能源汽车用功率模块为例，其IGBT芯片的峰值热流密度已超过200W/cm²，而SiC器件的目标热流密度更高。在此背景下，散热路径中每一层材料的热阻都直接影响器件的结温水平。金属化陶瓷基片作为连接芯片与散热器的关键中间层，其热阻通常占模块总热阻的20%~35%，准确测量和评价该参数对热设计优化意义重大。2.2测试方法缺乏统一标准在ISO4825-1:2023制定之前，国际上针对金属化陶瓷基片热阻的测试方法主要存在以下几个方面的不统一：（1）测试原理分岐：部分方法采用稳态法（如热流计法、保护热板法），部分采用瞬态法（如激光闪射法），还有部分采用结构函数法（基于瞬态双界面测量）。不同原理之间对"热阻"的定义边界存在差异。（2）样品尺寸与结构不一致：不同标准对试样尺寸、金属层厚度、陶瓷层厚度等参数的规约不同，导致测试结果难以横向比较。（3）接触热阻处理方式不统一：测试过程中，基片与热沉、热源之间的接触热阻如何处理和扣除，直接关系到测量结果的准确性，但各方法对此差异显著。（4）测量条件不明确：测试温度、夹持力、导热界面材料类型等条件缺乏统一规约，造成不同实验室间的复现性较差。2.3产业发展亟需国际标准支撑功率半导体产业属于高度全球化的产业，其材料供应链遍布全球。以金属化陶瓷基片为例，主要生产商分布在日本（丸和、同和）、德国（罗杰斯、贺利氏）、中国（福建华清、浙江德汇）等国家和地区。缺乏统一的国际标准，使得下游模块制造商在供应商选择和来料检验过程中面临较大的技术壁垒。此外，随着中国、韩国等新兴市场功率半导体产业的迅速崛起，对国际标准的参与和话语权需求也与日俱增。在上述背景下，ISO/TC206（精细陶瓷技术委员会）敏锐地捕捉到产业需求，于2017年提出制定金属化陶瓷基片热性能测量方法系列标准的建议，并随即启动了新工作项目提案（NWIP）的准备工作。经过多轮讨论和投票，ISO4825-1:2023作为该系列标准的第1部分正式立项，主要聚焦功率模块用金属化陶瓷基片热阻的评定。3标准主要技术内容3.1标准范围与适用对象ISO4825-1:2023适用于功率模块中使用的金属化陶瓷基片，包括但不限于直接覆铜（DBC，DirectBondedCopper）、活性金属钎焊（AMB，ActiveMetalBrazing）及直接镀铜（DPC，DirectPlatedCopper）等类型的基片产品。标准规定了在-40℃~250℃温度范围内测量金属化陶瓷基片总热阻的试验方法，其结果可用于基片材料的质量评价、工艺一致性检验和设计选型参考。3.2热阻的定义与物理模型标准中明确定义了功率模块用金属化陶瓷基片热阻的物理量纲和边界条件。热阻定义为热量流经基片时，其上表面中心区域（模拟芯片贴装区域）与下表面（模拟散热器接触面）之间的温差与热流功率之比。标准在定义层面即清晰区分了"基片总热阻"（含金属层/陶瓷界面热阻）和"陶瓷体热阻"的概念边界，为后续测量方法的选定奠定了物理基础。3.3测量原理与方法作为该系列标准的第1部分，ISO4825-1:2023推荐将稳态热流法作为基准仲裁方法，同时引入瞬态结构函数法作为快速比对手段：（1）稳态热流法：在基片试样上方设置已知发热功率的加热器（模拟芯片），下方通过恒温控制的散热器维持稳定的热沉温度，在达到热平衡后测量试样上下表面的温度差，结合已知的热流功率计算总热阻。标准中对加热器面积与基片面积的比值、温度传感器的布置方式（如热电偶的埋设位置或红外热像测温的规约）、夹持压力的施加范围（通常为0.5~2.0MPa）以及接触界面是否使用导热硅脂等界面材料等细节均做出了明确规约，以减少测量不确定度。（2）瞬态结构函数法：该方法基于对基片施加阶跃热功率后监测其瞬态热响应曲线，通过数学变换（如累积结构函数和微分结构函数的计算）对散热路径中各层材料的热阻-热容特性进行解析。该方法能够将基片自身的热阻从接触热阻和散热器热阻中有效分离，适用于界面热阻的对比分析和多层结构的热阻分解研究。3.4试样制备与要求标准对试样的制备提出了严格规范，包括：试样尺寸的推荐范围（如典型25mm×25mm或50mm×50mm的方片或圆片）、陶瓷层厚度和金属层厚度的允许偏差（陶瓷厚度偏差不超过标称值的±5%，金属层厚度偏差不超过±10%）、表面粗糙度的限值要求（基片金属面Ra不大于0.8μm）以及试样数量（每组不少于5个，报告提供平均值和标准差）。此外，标准还对试样在测试前的清洁处理、干燥条件和环境适应时间做出了明确要求。3.5测量不确定度与报告规范标准引入测量不确定度评定框架，要求在测试报告中给出不确定度分析结果（包含A类不确定度和B类不确定度的来源分析）。报告规范方面，标准统一了测试报告中应当包含的信息要素：材料名称与规格、制造工艺、试样几何尺寸、测试温度、夹持力、界面材料类型、热阻实测值及平均值、测量不确定度以及测试日期和操作人员信息，确保报告的完整性和可追溯性。4标准的创新点与技术特色4.1首次系统构建金属化陶瓷基片热阻测试的国际标准体系ISO4825-1:2023是国际上首个专门针对功率模块用金属化陶瓷基片热阻评价的标准文件，填补了ISO标准体系在先进陶瓷金属化热性能评价领域的空白。该标准的发布使精细陶瓷国际标准体系从传统块体材料性能测试向功能化器件应用性能评价迈出了关键一步。4.2稳态法与瞬态法的协同化设计标准将稳态热流法和瞬态结构函数法有机整合，首次在国际标准层面实现两种测量方法的相互印证与补充。稳态法具有物理模型清晰、结果直接可比的优点，但无法分离各层界面的贡献；瞬态法虽可解析多层结构，但对数据采集系统和数学算法要求较高。两者的协同应用，既保证了测试结果的溯源性，又为更深入的热阻分解分析提供了工具。4.3面向应用场景的测试条件规约不同于传统材料性能标准一味强调"理想化"的测量条件，ISO4825-1:2023的测试条件设计充分考虑了功率模块实际封装和应用场景。加热器面积模拟实际芯片尺寸、夹持力模拟模块组装过程中的压力条件、温度范围覆盖功率模块的实际工作温度窗口，使得测试结果能够更为直接地反映基片在真实工况下的热性能表现。4.4引入不确定度评定的系统化框架标准在测试方法文本中系统引入了测量不确定度的评定框架，要求对每一项关键影响量（包括温度测量误差、热损失、接触热阻波动等）进行定量分析，显著提升了测试结果的科学性和可信度，也为实验室间的比对和能力验证提供了统一的评判依据。5标准制定主要参与单位5.1标准制定组织架构ISO4825-1:2023由国际标准化组织ISO/TC206（精细陶瓷技术委员会）归口管理，其秘书处由日本工业标准调查会（JIS）承担。该标准在制定过程中，来自日本、德国、中国、韩国、美国等国家的数十位专家参与了草案起草、试验比对和技术讨论。该标准的制定核心团队由WG（工作组）成员构成，由具有丰富功率模块热管理研究经验的日本专家担任项目负责人（ProjectLeader），协调各国意见并推进标准草案的各个阶段（CD、DIS、FDIS）投票和修订工作。5.2核心研制单位——日本精细陶瓷中心（JFCC）日本精细陶瓷中心（JapanFineCeramicsCenter，JFCC）是ISO4825-1:2023制定工作的主要技术依托单位。JFCC成立于1985年，是日本经济产业省（METI）下属的公益性研究机构，长期致力于精细陶瓷材料的基础研究、性能评价、标准制定和技术推广工作，在先进陶瓷领域享有崇高的国际声誉。在ISO4825-1:2023的研制过程中，JFCC主要承担了以下几方面的重要工作：（1）牵头起草测试方法草案JFCC的研究团队基于其在陶瓷基片热性能评价领域超过20年的研究积累，牵头起草了热阻测试方法的核心技术框架。JFCC开发的稳态热流测试装置原型和数据分析方法，成为标准草案的主要技术蓝本。该装置具有温度控制精度高（±0.1℃）、热流均匀性好、样品安装重复性强等突出优点。（2）组织国际实验室间比对试验为验证标准草案中测试方法的可行性和复现性，JFCC组织了中国、德国、韩国、美国等国的8个实验室开展了循环比对试验（Round-RobinTest）。比对试验结果揭示了各实验室在热阻测量中的系统偏差来源，推动了对测试装置设计细节和操作流程的进一步优化。例如，首轮比对试验发现，不同实验室之间的接触热阻差异可导致总热阻测量偏差超过15%，为此，标准最终引入了对接触热阻进行独立标定和扣除的强制性要求。（3）建立标准用标准样品体系JFCC利用自身在陶瓷材料制备方面的技术优势，研制了具有精确热性能标称值的AlN和Si₃N₄标准样品系列，作为各实验室校准设备和验证测量程序的标准参考物质。这一工作为全球各实验室之间测量结果的可比性提供了关键的溯源基础。（4）推动标准在产业界的宣贯与应用JFCC通过举办技术研讨会、发布操作指南、开展人员培训等形式，积极推动ISO4825-1:2023在功率模块产业链的推广应用。目前，日本主要金属化陶瓷基片制造商和功率模块企业，均已参考该标准建立了内部质量评价体系。5.3其他主要参与力量除JFCC外，德国弗劳恩霍夫研究所（FraunhoferISC）、中国建筑材料科学研究总院、韩国陶瓷技术院（KICET）等机构也在标准制定过程中积极参与了草案讨论和试验验证工作。中国作为全球最大的功率半导体消费市场之一，在标准制定过程中充分表达了对测试条件实用性和供应链适用性的关注，部分建议被采纳并体现在标准文本中。6标准应用前景与行业影响6.1对功率模块制造企业的价值对于功率模块制造商而言，ISO4825-1:2025为其提供了一套统一的基片热性能评价工具。企业可以在供应商选择过程中，基于统一标准对不同厂家、不同工艺的基片产品进行公正比较，有效降低了因测试方法不一致而导致的选材风险。同时，在来料质量检验、生产工艺稳定性监控和失效分析等环节，该标准均可发挥重要的技术支撑作用。6.2对金属化陶瓷基片供应商的意义对于基片制造企业，该标准为其产品性能标定和市场推广提供了权威的技术背书。通过按照国际标准进行规范的性能测试并出具标准化的测试报告，企业可以增强客户对其产品质量的信心，提升产品的市场竞争力。同时，标准的统一也有助于企业优化内部质量控制体系，降低因客户验收标准不一致而产生的额外测试成本。6.3对新能源汽车与可再生能源产业的推动作用新能源汽车、光伏逆变器、风电变流器等领域是功率模块最主要的终端应用市场。随着全球"碳中和"目标的推进，以SiC功率器件为代表的新一代电力电子技术正在加速推广。SiC器件的高温工作能力（结温可达200℃以上）对散热基片的热性能提出了更为苛刻的要求。ISO4825-1:2023所提供的标准化的热阻评价工具，对于加速SiC功率模块的产业化应用、缩短产品研发周期和提升系统可靠性具有重要的间接推动作用。6.4对国际标准体系完善的促进ISO4825-1:2023的发布为ISO/TC206后续开展金属化陶瓷基片其他性能测试标准的制定奠定了方法论基础。据悉，该系列标准的后续部分正在规划或制定之中，将覆盖热导率的稳态测量方法扩展、热膨胀系数匹配性能评价、以及可靠性相关的热循环试验方法等内容。这些标准的逐步完善，将最终形成覆盖金属化陶瓷基片主要热性能维度的完整国际标准体系。7结论与展望ISO4825-1:2023《精