銅晶粒度是直接鍵合銅（DBC）基板的一項(xiàng)重要特征。人們無(wú)法完全避免銅晶粒度的變化，但當(dāng)粒度變化較大時(shí)，直接鍵合銅基板的后續(xù)封裝或性能可能會(huì)受到影響。羅杰斯電力電子解決方案（PES）團(tuán)隊(duì)?wèi){借其在這方面的經(jīng)驗(yàn)和能力，協(xié)助模塊制造商提供擁有均勻粒度的基板。在這篇博客中，我們將說(shuō)明為什么銅晶粒度變化要受到限制以及羅杰斯電力電子解決方案團(tuán)隊(duì)為此做出的努力。
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銅晶粒度對(duì)封裝工藝和基板性能的影響
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模塊制造商會(huì)在封裝中用到照相定位系統(tǒng)和自動(dòng)光學(xué)檢驗(yàn)系統(tǒng)。這些系統(tǒng)依靠光的反射來(lái)將部件準(zhǔn)確地放置在基板上或檢測(cè)故障。但光的反射取決于銅晶粒度。細(xì)銅粒表面具有漫反射性質(zhì)，也就是說(shuō)，其表面存在均勻的光反射。與之相反的是，光在粗銅粒面上的反射方向根據(jù)其銅晶粒方向的不同而不同。 下圖展示了光反射在粗粒銅面（左）和細(xì)粒銅面（右）上的典型差異。工藝工程師通常會(huì)通過(guò)優(yōu)化機(jī)器設(shè)置來(lái)處理一種或另一種粒度，但對(duì)于不同批次或同一生產(chǎn)批次內(nèi)出現(xiàn)的較大的粒度差異，他們一般不會(huì)選擇視而不見(jiàn)。
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此外，銅晶粒度還會(huì)影響基板的彎曲程度和使用壽命。熱循環(huán)調(diào)查表明，銅晶粒度較小的直接鍵合銅基板更容易失效。被稱為錯(cuò)位的晶體缺陷能夠輕松地在晶粒中移動(dòng)，但晶界能夠阻止錯(cuò)位。晶粒越小，表面積-體積比越大，晶界-錯(cuò)位比越大。晶界越多，強(qiáng)度越高。因此，銅晶粒度越小，在熱循環(huán)過(guò)程中的變形就越小。 也就是說(shuō)，承受更大熱機(jī)械應(yīng)力的陶瓷最終比粗粒銅更早破裂。
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因此，模塊制造商要求其直接鍵合銅基板供應(yīng)商控制銅晶粒度，并控制不同批次或同一生產(chǎn)批次內(nèi)的粒度差異。但這要求供應(yīng)商對(duì)直接鍵合銅工藝和銅原材料有足夠的了解。
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影響銅晶粒度的因素
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直接鍵合銅基板的銅晶粒度取決于銅原材料自身以及直接鍵合銅工藝。
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對(duì)于直接鍵合銅工藝，必須使用高等級(jí)無(wú)氧銅（標(biāo)準(zhǔn)名稱：Cu-OFE，材料編號(hào)：CW009A），專用于電子和導(dǎo)熱應(yīng)用。該材料純度極高，最高氧含量?jī)H為5 ppm（0.0005%）。除氧含量外，銅原材料中的雜質(zhì)元素及其濃度也是影響直接鍵合銅工藝的關(guān)鍵參數(shù)。羅杰斯針對(duì)銅原材料供應(yīng)商制定了相應(yīng)規(guī)范。所有批次的銅均需持有測(cè)試證書(shū)，確保其雜質(zhì)含量低于規(guī)定限值。雖然雜質(zhì)總含量低于 50ppm (0.0050%)，某種雜質(zhì)不超過(guò) 25ppm (0.0025%)，但無(wú)法排除化學(xué)成分的變化。這可能導(dǎo)致粘結(jié)工藝之后銅晶粒度發(fā)生變化。
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因此，銅原材料的供應(yīng)商無(wú)法保證直接鍵合銅基板的銅晶粒度。直接鍵合銅工藝，特別是其溫度曲線，對(duì)成品的銅晶粒度有著顯著影響。因此，應(yīng)在鍵合后測(cè)量銅晶粒度。
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銅晶粒度的測(cè)量方法和典型值
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羅杰斯會(huì)對(duì)每片原銅箔進(jìn)行檢查。從線圈中取出一片銅。然后將其氧化并與陶瓷鍵合。最后，清潔基板，除去表面上的氧化銅，測(cè)量銅晶粒度。通常使用光學(xué)顯微鏡測(cè)量銅晶粒度。銅晶粒度即每mm的粒數(shù)。典型值從不到3粒/mm（粗糙銅）到10粒/mm以上（細(xì)粒銅）不等。
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如下圖所示，2.3 mm的長(zhǎng)度內(nèi)共有16粒。因此這條線上的銅晶粒度為2.3 mm/16=144 μm或16/2.3 mm=7.0粒/mm。在5條平行線和5條垂直線上重復(fù)上述測(cè)量步驟，計(jì)算平均值。
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四十多年來(lái)，羅杰斯 PES 團(tuán)隊(duì)一直專注于生產(chǎn) DBC 基板。我們?yōu)殡娏﹄娮雍推囆袠I(yè)提供了數(shù)以億計(jì)的基板產(chǎn)品。多年以來(lái)，我們積累了很多經(jīng)驗(yàn)，不斷完善直接鍵合銅工藝，在最先進(jìn)的封裝工藝和基板性能之間尋求最佳的平衡點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)始終如一的質(zhì)量。2013年我們對(duì)銅晶粒度及其變化進(jìn)行了研究和探討。下面的柱狀圖展示了研究期間直接鍵合銅基板平均銅晶粒度的分布。
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隨著封裝技術(shù)的發(fā)展和模塊制造商對(duì)基板性能的追求，銅晶粒度有待進(jìn)一步優(yōu)化。
來(lái)源：羅杰斯
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