近年來，移動電子產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。伴隨著移動電子產品輕量化、纖薄化和多功能化的發展，傳統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2 銅核球的構架示意圖

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別于傳統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，可以根據基板材質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，成分可以根據焊接性能和條件不同采用純錫，SAC，SC 等。

 

圖3 銅核球的生產工藝流程圖

圖3是銅核球的生產工藝流程圖。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節。電鍍鎳和釬料在目前是比較成熟的的工藝，根據客戶產品的需求，選擇合理的電鍍工藝既可保證產品質量。如何生產出真圓度高銅球是目前銅核球生產中首要問題和技術難點。圖4是我司生產銅核球用銅球在顯微鏡下的圖片。

 

圖4 銅球樣品顯微鏡下圖片

 

 

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BGA錫球基本一致，現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。

 

 

圖7是傳統BGA 錫球實現3D封裝的示意圖。3D封裝需要多次熱制程，而傳統BGA錫球在經過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 傳統錫球3D封裝示意圖

 

圖8是銅核球實現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℃），這樣即使經過多次回焊過程，銅球部分也不會發生不可接受變形，維持封裝空間不變，而這個穩定的空間即可容納和封裝其他電子零件。銅核球能夠確保回焊后封裝空間穩定的這一特性，有利于實現高密度的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，微型化的發展，極大的促進了高密度封裝的發展，芯片上I/O 引腳數量增多，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，導熱性能也明顯優于傳統錫球。

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于傳統錫球，而熱疲勞測試結果與傳統錫球一致。這說明銅核球焊點具有優良的耐熱疲勞特性和耐落下沖擊性。

 

總之，鑒于其能夠穩定保持封裝空間，具有優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。