3D封裝技術的解決方案之銅核球
背景
近年來，移動電子產(chǎn)品的市場需求迅速擴大，以智能手機為例，中國智能手機銷售量由2011年的0.96億部上升到2015年的4.2億部。伴隨著移動電子產(chǎn)品輕量化、纖薄化和多功能化的發(fā)展，傳統(tǒng)電子封裝技術無法滿足小型化、窄間距化和多針化的要求。為了滿足這些市場要求，以堆疊封裝(POP)為代表的3D封裝技術應運而生。3D封裝起源于快閃存儲器和SDRAM的疊層封裝，它是一種在不改變封裝體尺寸的前提下，在同一個封裝體內(nèi)于垂直方向疊放兩個以上芯片的封裝技術，其主要特點包括：多功能、高效能、大容量、高密度和低成本。
圖1 典型3D封裝結構示意圖
銅核球
圖2 銅核球結構示意圖
銅核球（CCSB）是一種復合式多層次的焊錫球，一般包含銅球、鍍鎳層、鍍錫層三部分，如圖2所示。銅球核心是銅核球區(qū)別于傳統(tǒng)BGA錫球關鍵結構，直徑一般在0.03-0.5mm；鍍鎳層厚度一般在2-3um,其主要作用是降低銅球和基板或釬料鍍層之間的潤濕行為，有效的防止銅和基板或釬料鍍層中其它金屬間的擴散，鍍鎳層為非必需層，可以根據(jù)基板材質(zhì)和釬料鍍層進行考慮 ；釬料鍍層是銅核球的有效焊接部分
，厚度通常在3-30um
，成分可以根據(jù)焊接性能和條件不同采用純錫 ，
SAC ，
SC等。
銅核球的制備
圖3 銅核球的生產(chǎn)工藝流程圖
圖3是銅核球的生產(chǎn)工藝流程圖。從圖3可以看出制備銅核球的關鍵在于銅球制備和電鍍兩個環(huán)節(jié)。電鍍鎳和釬料在目前是比較成熟的的工藝，根據(jù)客戶產(chǎn)品的需求，選擇合理的電鍍工藝既可保證產(chǎn)品質(zhì)量。如何生產(chǎn)出真圓度高銅球是目前銅核球生產(chǎn)中首要問題和技術難點。
銅核球的封裝工藝
圖5 銅核球在PCB板上的封裝圖
圖6 銅核球封裝過程示意圖及回流焊建議溫度曲線
從圖6中可知，銅核球的封裝過程與傳統(tǒng)BGA錫球基本一致，現(xiàn)有的植球機和助焊劑印刷機等設備都能夠得到使用。其回流焊溫度曲線和BGA錫球的基本一致，建議回流焊溫度曲線如圖6所示。
銅核球與傳統(tǒng)BGA錫球焊點分析
傳統(tǒng)BGA錫球的3D封裝
圖7是傳統(tǒng)BGA錫球實現(xiàn)3D封裝的示意圖。3D封裝需要多次熱制程，而傳統(tǒng)BGA錫球在經(jīng)過250℃多次反復受熱，焊接凸點會熔融，這樣在多層次電子零件重量的壓迫下會使焊接凸點發(fā)生不可接受變形，從而導致封裝空間變窄，焊點之間或焊點與零件之間粘連短路等問題。
圖7 傳統(tǒng)錫球3D封裝示意圖
銅核球的3D封裝
圖8是銅核球實現(xiàn)3D封裝的示意圖。銅核球核心為一定尺寸的銅金屬，銅的熔點（1083℃）遠高于釬焊溫度（250℃），這樣即使經(jīng)過多次回焊過程，銅球部分也不會發(fā)生不可接受變形，維持封裝空間不變，而這個穩(wěn)定的空間即可容納和封裝其他電子零件。銅核球能夠確?div id="4qifd00" class="flower right">
圖8銅核球3D封裝示意圖
此外，銅核球還具有優(yōu)良的耐電遷移和熱遷移特性。隨著電子器件的多功能化、高性能，微型化的發(fā)展，極大的促進了高密度封裝的發(fā)展，芯片上I/O引腳數(shù)量增多，焊點面積減少，從而導致電流密度變高；電流密度的增大會加劇焊點的電遷移失效
。相較于傳統(tǒng)
BGA錫球焊點，銅核球焊點具有更好的抗電遷移和熱遷移特性，這是因為銅核芯的導電性能是錫球的
5-10倍，導熱性能也明顯優(yōu)于傳統(tǒng)錫球。
另外有資料顯示，有效焊接成分相同的情況下
，電鍍銅核球焊點抗落下沖擊性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)錫球，而熱疲勞測試結果與傳統(tǒng)錫球一致
。這說明
銅核球焊點具有優(yōu)良的耐熱疲勞特性和耐落下沖擊性。
展望
總之，鑒于其能夠穩(wěn)定保持封裝空間，具有優(yōu)良的耐電遷移和熱遷移特性及焊點的熱疲勞特性
、耐落下沖擊性，
銅核球作為3D封裝技術的解決方案，具有較好的應用前景。
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