覆銅陶瓷基板（Direct Copper Bonding, DCB）是指銅箔在高溫下直接鍵合到氧化鋁或氮化鋁陶瓷基板表面上的特殊工藝方法，制成的復(fù)合板具有優(yōu)良的電絕緣性能、高導(dǎo)熱性、高軟釬焊性、高附著強(qiáng)度、高電流承載能力。DCB 基板還可刻蝕出各種圖形，已成為大功率電力電子器件如絕緣柵雙極型晶體管(InsulatedGate Biopolar Thrans istor, IGBT)封裝結(jié)構(gòu)和互連技術(shù)的基礎(chǔ)料，作為電力電子裝置的一部分，被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)/混合動(dòng)力汽車、風(fēng)能發(fā)電、太陽能發(fā)電、柔性直流輸電、蓄電池、牽引傳動(dòng)（高鐵、動(dòng)車、飛機(jī)）等領(lǐng)域中。

銅結(jié)晶粒度是覆銅陶瓷基板領(lǐng)域中重要又往往容易被忽略的一環(huán)，較大的銅晶粒對(duì)于改善覆銅陶瓷基板的溫度循環(huán)( Temperature Cycling )與可靠性有一定幫助，同時(shí)較大的銅晶粒對(duì)于提升塑封類模塊中塑封料與基板之間的結(jié)合可靠性也有顯著提升。本期HEXCERA^?基板小課堂與大家一起探討銅晶粒的定義（Definition）、測(cè)量方法（Measuring Method）及其對(duì)覆銅陶瓷基板性能、功率模塊封裝可靠性的影響。

DCB基板的銅結(jié)晶粒度取決于銅材料本身與所使用的加工工藝。普通無氧銅的耐熱性較差，經(jīng)高溫?zé)崽幚砗螅ЯＱ杆匍L大，晶粒尺寸甚至可達(dá)毫米級(jí)，這將在無氧銅板與陶瓷板的結(jié)合面及其自由表面處形成“橘皮組織”，增加無氧銅板的表面粗糙度。HEXCERA^?在覆銅陶瓷基板的生產(chǎn)過程中，會(huì)控制銅表面結(jié)晶粒度，一般晶粒大小控制在60~150μm之間，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)基板表面粗糙度的控制。以下為HEXCERA^??DCB&AMB覆銅陶瓷基板的粗糙度管控范圍。

HEXCERA^??DCB：Ra≤3um，Rz≤16um，Rmax≤50um；

HEXCERA^??AMB：Ra≤1.5um，Rz≤10um，Rmax≤50um；

通常可以通過使用光學(xué)顯微鏡測(cè)量銅晶粒度，銅晶粒度即單位長度的晶粒個(gè)數(shù)。如下圖1所示，使用顯微鏡在X200倍率下可實(shí)現(xiàn)對(duì)指定區(qū)域內(nèi)銅晶粒大小的測(cè)量與計(jì)數(shù)。

圖1 銅結(jié)晶粒度測(cè)量

在了解銅晶粒（copper grain）的基本概念之后，那銅晶粒是如何影響覆銅陶瓷基板的性能呢？接下來，HEXCERA^?給大家解讀一下，晶粒大小如何影響基板的各項(xiàng)性能。

無論是DCB還是AMB基板，晶粒越小，晶粒的位錯(cuò)密度增加，會(huì)導(dǎo)致位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)時(shí)易于發(fā)生位錯(cuò)塞積和位錯(cuò)交割，進(jìn)而對(duì)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)造成阻礙，其最直接的體現(xiàn)就是基板在溫度循環(huán)過程中由于包辛格效應(yīng)及棘輪效應(yīng)的影響導(dǎo)致基板內(nèi)部應(yīng)力不斷累積增長最終導(dǎo)致的分層失效。下圖2、3為不同晶粒大小的DCB基板溫度循環(huán)的C-SAM情況，明顯看出大晶粒的DCB基板溫度循環(huán)壽命更長，測(cè)試條件為：

-55℃~+150℃, hot/cold chamber system,15min at min/max. Transfer time <30s。

圖2 小晶粒DCB基板C-SAM

圖3 大晶粒DCB基板C-SAM

隨著晶粒大小的變化，晶界的重要性也慢慢凸顯，晶粒越細(xì)化，晶界越多，晶界內(nèi)產(chǎn)生的電阻率會(huì)增加，根據(jù)Hall-Petch（霍爾-配奇公式：描述晶體塑性變形強(qiáng)度與晶粒尺寸關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式）及晶界電阻率的計(jì)算公式：

其中,σ_Hp為晶界強(qiáng)化引起的強(qiáng)度增量,σ₀為晶格摩擦力,k為Hall-Petch斜率,d為晶粒尺寸,ρ_gb為晶界電阻率，ρ0_gb為單位晶界密度的電阻率。由公式可以簡要總結(jié)為：晶粒尺寸減小,會(huì)使銅的塑形變形強(qiáng)度和電阻率增大,導(dǎo)電率下降；相反地，增大晶粒尺寸,會(huì)使銅的塑形變形強(qiáng)度和電阻率減小,導(dǎo)電率增大。

綜上，對(duì)于覆銅陶瓷基板來說，如果將銅晶粒調(diào)控到合適尺寸，那么不管是對(duì)基板性能還是封裝后模塊的整體可靠性都會(huì)有不錯(cuò)的提升。HEXCERA^?研發(fā)團(tuán)隊(duì)致力于從提高產(chǎn)品性能，提高客戶的適配性和可靠性方面，對(duì)覆銅陶瓷基板進(jìn)行研究，從而給客戶專業(yè)的優(yōu)化建議與不同的解決方案，幫助客戶提升產(chǎn)品性能。