覆铜陶瓷基板（Direct Copper Bonding, DCB）是指铜箔在高温下直接键合到氧化铝或氮化铝陶瓷基板表面上的特殊工艺方法，制成的复合板具有优良的电绝缘性能、高导热性、高软钎焊性、高附着强度、高电流承载能力。DCB 基板还可刻蚀出各种图形，已成为大功率电力电子器件如绝缘栅双极型晶体管(InsulatedGate Biopolar Thrans istor, IGBT)封装结构和互连技术的基础料，作为电力电子装置的一部分，被广泛应用于电动/混合动力汽车、风能发电、太阳能发电、柔性直流输电、蓄电池、牵引传动（高铁、动车、飞机）等领域中。

铜结晶粒度是覆铜陶瓷基板领域中重要又往往容易被忽略的一环，较大的铜晶粒对于改善覆铜陶瓷基板的温度循环( Temperature Cycling )与可靠性有一定帮助，同时较大的铜晶粒对于提升塑封类模块中塑封料与基板之间的结合可靠性也有显著提升。本期HEXCERA^®基板小课堂与大家一起探讨铜晶粒的定义（Definition）、测量方法（Measuring Method）及其对覆铜陶瓷基板性能、功率模块封装可靠性的影响。

DCB基板的铜结晶粒度取决于铜材料本身与所使用的加工工艺。普通无氧铜的耐热性较差，经高温热处理后，晶粒迅速长大，晶粒尺寸甚至可达毫米级，这将在无氧铜板与陶瓷板的结合面及其自由表面处形成“橘皮组织”，增加无氧铜板的表面粗糙度。HEXCERA^®在覆铜陶瓷基板的生产过程中，会控制铜表面结晶粒度，一般晶粒大小控制在60~150μm之间，同时实现对基板表面粗糙度的控制。以下为HEXCERA^® DCB&AMB覆铜陶瓷基板的粗糙度管控范围。

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

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

通常可以通过使用光学显微镜测量铜晶粒度，铜晶粒度即单位长度的晶粒个数。如下图1所示，使用显微镜在X200倍率下可实现对指定区域内铜晶粒大小的测量与计数。

图1 铜结晶粒度测量

在了解铜晶粒（copper grain）的基本概念之后，那铜晶粒是如何影响覆铜陶瓷基板的性能呢？接下来，HEXCERA^®给大家解读一下，晶粒大小如何影响基板的各项性能。

无论是DCB还是AMB基板，晶粒越小，晶粒的位错密度增加，会导致位错运动时易于发生位错塞积和位错交割，进而对位错的运动造成阻碍，其最直接的体现就是基板在温度循环过程中由于包辛格效应及棘轮效应的影响导致基板内部应力不断累积增长最终导致的分层失效。下图2、3为不同晶粒大小的DCB基板温度循环的C-SAM情况，明显看出大晶粒的DCB基板温度循环寿命更长，测试条件为：

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

图2 小晶粒DCB基板C-SAM

图3 大晶粒DCB基板C-SAM

随着晶粒大小的变化，晶界的重要性也慢慢凸显，晶粒越细化，晶界越多，晶界内产生的电阻率会增加，根据Hall-Petch（霍尔-配奇公式：描述晶体塑性变形强度与晶粒尺寸关系的经验公式）及晶界电阻率的计算公式：

其中,σ_Hp为晶界强化引起的强度增量,σ₀为晶格摩擦力,k为Hall-Petch斜率,d为晶粒尺寸,ρ_gb为晶界电阻率，ρ0_gb为单位晶界密度的电阻率。由公式可以简要总结为：晶粒尺寸减小,会使铜的塑形变形强度和电阻率增大,导电率下降；相反地，增大晶粒尺寸,会使铜的塑形变形强度和电阻率减小,导电率增大。

综上，对于覆铜陶瓷基板来说，如果将铜晶粒调控到合适尺寸，那么不管是对基板性能还是封装后模块的整体可靠性都会有不错的提升。HEXCERA^®研发团队致力于从提高产品性能，提高客户的适配性和可靠性方面，对覆铜陶瓷基板进行研究，从而给客户专业的优化建议与不同的解决方案，帮助客户提升产品性能。