【技术】铜晶粒尺寸对组装工艺和基板性能的影响

时间： 2020-04-10 来源：ROGERS

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2020年4月6日

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铜晶粒尺寸是直接敷铜基板DBC的重要属性。铜晶粒尺寸的变化是不能完全避免的，但是较大的变化可能会影响后续的组装过程或DBC基板的性能。模块制造商可以依靠罗杰斯电力电子解决方案（PES）团队的经验和能力来交付粒径均匀的基板。在此博客中，我们解释为什么应限制铜晶粒尺寸的变化，以及ROGERS的PES团队正在采取哪些措施来限制这种变化。

铜粒度对组装工艺和基板性能的影响

模块制造商在组装过程中使用摄像系统和自动光学检查系统。这些系统依靠光的反射将组件精确地放置在基板上或检测故障。但是，光的反射取决于铜的晶粒尺寸。细晶粒的铜表面具有漫反射特性，这意味着表面对光均匀反射。相反，粗晶粒铜表面上的反射方向根据每个铜晶粒的不同而不同。下图显示了左侧的粗晶粒铜表面和右侧的细晶粒铜表面在光反射方面的典型差异。工艺工程师通常可以优化其机器设置以处理一种或另一种晶粒尺寸，但不能容忍不同批次之间或一个生产批次内晶粒尺寸的较大差异。

此外，铜的晶粒尺寸还会影响基材的翘曲和使用寿命。热循环研究表明，降解首先出现在具有细铜晶粒尺寸的DBC基板上。称为位错的晶体缺陷可以很容易地在整个晶粒中移动，但是晶界会阻止位错。较小晶粒的表面积与体积之比较大，这意味着较大的晶粒边界与位错之比。存在的晶界越多，强度变得越高。

因此，具有细晶粒尺寸的铜在热循环过程中变形较小，这意味着陶瓷比粗晶粒铜更易受到热机械应力的作用，并且最终会更早地破裂。因此，模块制造商要求其DBC基板供应商控制铜的晶粒大小并限制晶粒大小在批次之间以及前后之间的变化也就不足为奇了。但是，这需要对直接铜键合工艺和原始铜材料有充分的了解。

影响铜晶粒尺寸的因素

DBC基板的铜粒度取决于原料铜本身以及直接的铜键合工艺。

对于直接铜键合工艺，必须使用具有标准化名称Cu-OFE和材料编号CW009A的高级无氧铜。他专为电子和传热应用而开发。它是极纯的，最大氧含量为5ppm（0.0005％）。除了氧含量，杂质元素及其在粗铜原料中的浓度是直接铜键合工艺的关键参数。在罗杰斯，我们已与原始铜材料供应商一起设定了产品标准。所有装运的铜都带有测试证书，该证书可确保材料中的杂质低于规定的限值。尽管杂质的总含量小于50ppm（0.0050％），且单个杂质都不超过25ppm（0.0025％），但无法排除杂质化学组成的变化。该变化可能在键合工艺之后导致铜晶粒尺寸变化。

然而，原料铜的供应商不能保证DBC基板的铜粒度。直接铜键合工艺，特别是其温度曲线，对成品的铜晶粒尺寸有重大影响。因此，应在键合过程之后测量铜的晶粒尺寸。

铜晶粒度的测定方法及典型值

在罗杰斯（Rogers），每个生铜线圈都经过检查。从线圈中取出一片铜。然后将其氧化并与陶瓷键合。最后，在可以测量铜晶粒尺寸之前，清洁衬底以从表面去除氧化铜。通常，使用光学显微镜来测量铜晶粒尺寸。铜的晶粒尺寸定义为每毫米的晶粒数。典型值的变化范围是每毫米少于3个晶粒（粗晶粒铜）到每毫米少于10个晶粒（细晶粒铜）。

例如，下图显示了沿2.3mm长的线的16个晶粒。这意味着沿着这条线的铜晶粒尺寸为2.3mm / 16 = 144µm或16 / 2.3mm = 7.0晶粒/ mm。在5条平行线和5条垂直线上重复相同的测量以计算平均值。

近四十年来，罗杰斯的PES团队一直在生产DBC基板。我们已经为电力电子和汽车行业交付了数十亿个基板。多年以来，我们积累了丰富的经验，并不断改进直接铜键合工艺，以在最先进的组装工艺和基板性能之间取得最佳平衡，从而获得稳定的质量。2013年，进行了一项研究，以了解铜的晶粒尺寸及其变化。下面的直方图显示了研究期间DBC基板的平均铜晶粒尺寸分布。

随着组装技术的发展以及模块制造商需要提高基板性能的需求，铜晶粒尺寸可能不得不进一步优化。无论如何，都需要始终如一的质量，Rogers 的PES团队拥有丰富的知识和高超的能力来满足您的需求。在设计和选择适合您应用的基材时，您有任何疑问或需要支持吗？如果您需要帮助，请与我们联系。

本文中的信息仅供参考。作者和罗杰斯均未对其内容作任何保证。

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