3D封裝技術(shù)的解決方案之銅核球

背景

近年來，移動(dòng)電子產(chǎn)品的市場需求迅速擴(kuò)大，以智能手機(jī)為例，中國智能手機(jī)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(dòng)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(shù)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(shù)應(yīng)運(yùn)而生。3D封裝起源于快閃存儲(chǔ)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(gè)封裝體內(nèi)于垂直方向疊放兩個(gè)以上芯片的封裝技術(shù)，其主要特點(diǎn)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(jié)構(gòu)示意圖

銅核球

圖2 銅核球結(jié)構(gòu)示意圖

銅核球（CCSB）是一種復(fù)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(guān)鍵結(jié)構(gòu)，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(kuò)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(jìn)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(guān)鍵在于銅球制備和電鍍兩個(gè)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(shù)難點(diǎn)。

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(jī)和助焊劑印刷機(jī)等設(shè)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(diǎn)分析

傳統(tǒng)BGA錫球的3D封裝

圖7是傳統(tǒng)BGA錫球?qū)崿F(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(fù)受熱，焊接凸點(diǎn)會(huì)熔融，這樣在多層次電子零件重量的壓迫下會(huì)使焊接凸點(diǎn)發(fā)生不可接受變形，從而導(dǎo)致封裝空間變窄，焊點(diǎn)之間或焊點(diǎn)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?qū)崿F(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(diǎn)（1083℃）遠(yuǎn)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(huì)發(fā)生不可接受變形，維持封裝空間不變，而這個(gè)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?；睾负蠓庋b空間穩(wěn)定的這一特性，有利于實(shí)現(xiàn)高密度的3D封裝。

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(jìn)了高密度封裝的發(fā)展，芯片上I/O引腳數(shù)量增多，焊點(diǎn)面積減少，從而導(dǎo)致電流密度變高；電流密度的增大會(huì)加劇焊點(diǎn)的電遷移失效。相較于傳統(tǒng)BGA錫球焊點(diǎn)，銅核球焊點(diǎn)具有更好的抗電遷移和熱遷移特性，這是因?yàn)殂~核芯的導(dǎo)電性能是錫球的5-10倍，導(dǎo)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(diǎn)抗落下沖擊性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)錫球，而熱疲勞測試結(jié)果與傳統(tǒng)錫球一致。這說明銅核球焊點(diǎn)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(diǎn)的熱疲勞特性、耐落下沖擊性，銅核球作為3D封裝技術(shù)的解決方案，具有較好的應(yīng)用前景。