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3D封装技术的解决计划之铜核球
配景
近年来，移动电子产品的市场需求迅速扩大，以智能手机为例，中国智能手机销售量由2011年的0.96亿部上升到2015年的4.2亿部。陪同着移动电子产品轻量化、纤薄化和多功效化的生长，古板电子封装技术无法满足小型化、窄间距化和多针化的要求。为了满足这些市场要求，以堆叠封装(POP)为代表的3D封装技术应运而生。3D封装起源于快闪存储器和SDRAM的叠层封装，它是一种在不改变封装体尺寸的前提下，在同一个封装体内于笔直偏向叠放两个以上芯片的封装技术，其主要特点包括：多功效、高效能、大容量、高密度和低本钱。
图1 典范3D封装结构示意图
铜核球
图2 铜核球结构示意图
铜核球（CCSB）是一种复合式多条理的焊锡球，一般包括铜球、镀镍层、镀锡层三部分，如图2所示。铜球焦点是铜核球区别于古板BGA锡球要害结构，直径一般在0.03-0.5mm；镀镍层厚度一般在2-3um,其主要作用是降低铜球和基板或钎料镀层之间的润湿行为，有效的避免铜和基板或钎料镀层中其它金属间的扩散，镀镍层为非必须层，可以凭据基板材质和钎料镀层进行考虑；钎料镀层是铜核球的有效焊接部分，厚度通常在3-30um，身分可以凭据焊接性能和条件差别接纳纯锡，SAC，SC等。
铜核球的制备
图3 铜核球的生产工艺流程图
图3是铜核球的生产工艺流程图。从图3可以看出制备铜核球的要害在于铜球制备和电镀两个环节。电镀镍和钎料在目前是比较成熟的的工艺，凭据客户产品的需求，选择合理的电镀工艺既可包管产品质量。如何生产出真圆度高铜球是目前铜核球生产中首要问题和技术难点。
铜核球的封装工艺
图5 铜核球在PCB板上的封装图
图6 铜核球封装历程示意图及回流焊建议温度曲线
从图6中可知，铜核球的封装历程与古板BGA锡球基本一致，现有的植球机和助焊剂印刷机等设备都能够获得使用。其回流焊温度曲线和BGA锡球的基本一致，建议回流焊温度曲线如图6所示。
铜核球与古板BGA锡球焊点剖析
古板BGA锡球的3D封装
图7是古板BGA锡球实现3D封装的示意图。3D封装需要多次热制程，而古板BGA锡球在经过250℃多次重复受热，焊接凸点会熔融，这样在多条理电子零件重量的压迫下会使焊接凸点爆发不可接受变形，从而导致封装空间变窄，焊点之间或焊点与零件之间粘连短路等问题。
图7 古板锡球3D封装示意图
铜核球的3D封装
图8是铜核球实现3D封装的示意图。铜核球焦点为一定尺寸的铜金属，铜的熔点（1083℃）远高于钎焊温度（250℃），这样纵然经过多次回焊历程，铜球部分也不会爆发不可接受变形，维持封装空间稳定，而这个稳定的空间即可容纳和封装其他电子零件。铜核球能够确�；睾负蠓庾翱占湮榷ǖ恼庖惶匦�，有利于实现高密度的3D封装。
图8铜核球3D封装示意图
别的，铜核球还具有优良的耐电迁移和热迁移特性。随着电子器件的多功效化、高性能，微型化的生长，极大的增进了高密度封装的生长，芯片上I/O引脚数量增多，焊点面积减少，从而导致电流密度变高；电流密度的增大会加剧焊点的电迁移失效。相较于古板BGA锡球焊点，铜核球焊点具有更好的抗电迁移和热迁移特性，这是因为铜核芯的导电性能是锡球的5-10倍，导热性能也明显优于古板锡球。
另外有资料显示，有效焊接身分相同的情况下，电镀铜核球焊点抗落下攻击性能明显优于古板锡球，而热疲劳测试结果与古板锡球一致。这说明铜核球焊点具有优良的耐热疲劳特性和耐落下攻击性。
展望
总之，鉴于其能够稳定坚持封装空间，具有优良的耐电迁移和热迁移特性及焊点的热疲劳特性、耐落下攻击性，铜核球作为3D封装技术的解决计划，具有较好的应用前景。
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