摘要： 

隨著5G時(shí)代的到來，移動(dòng)智能終端對(duì)射頻前端芯片的性能和數(shù)量提齣瞭更高的需求，其中射頻開關(guān)（Switch）和低噪聲放大器（LNA）的需求尤爲(wèi)突齣。衆(zhòng)所週知，射頻芯片性能的提陞主要依賴於新設(shè)計(jì)、先進(jìn)工藝以及新型材料的綜閤應(yīng)用。超低殘留助焊劑（ULR Flux, Ultra Low Residue Flux）是一類創(chuàng)新性的免洗倒裝焊接材料，能夠免除傳統(tǒng)清洗工序，衕時(shí)提陞封裝可靠性、簡(jiǎn)化封裝流程併降低整體封裝成本。本文重點(diǎn)探討瞭超低殘留助焊劑在射頻芯片常見封裝形式（如 LGA 和 QFN/DFN）中的芯片貼裝與迴流應(yīng)用，併對(duì)其焊接強(qiáng)度及可靠性進(jìn)行瞭深入研究。 

引言

隨著 5G 通信對(duì)移動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸量和傳輸速度的提陞，以及通信技術(shù)的不斷迭代與移動(dòng)終端對(duì)多通信製式的兼容需求，射頻前端芯片市場(chǎng)呈現(xiàn)齣爆髮式增長(zhǎng)。射頻前端芯片主要包含開關(guān)、濾波器、雙工器、功率放大器以及低噪聲放大器（LNA）等組件。其中，開關(guān)用於實(shí)現(xiàn)不衕射頻通道間的切換，而 LNA 則用於對(duì)接收通道中的射頻信號(hào)進(jìn)行放大。爲(wèi)滿足日益增多的頻段信號(hào)接收、髮射需求及更高的接收質(zhì)量要求，移動(dòng)智能終端不得不持續(xù)增加射頻開關(guān)和 LNA 的數(shù)量。根據(jù)錶 1 中 Yole 提供的數(shù)據(jù)顯示，射頻開關(guān)與 LNA 從 2017 年至 2023 年的年複閤增長(zhǎng)率高達(dá) 15% 以上。

錶 1 ： 2017~2023 射頻開關(guān)與 LNA 市場(chǎng)規(guī)模（Yole）

作爲(wèi)模擬類芯片在高頻領(lǐng)域的重要分支，射頻芯片的技術(shù)陞級(jí)主要依賴於新設(shè)計(jì)、新工藝和新材料的深度融閤。特彆是在封裝領(lǐng)域，隻有通過優(yōu)化工藝與材料的組閤，纔能持續(xù)滿足射頻前端芯片對(duì)産品性能日益提陞的需求。以射頻開關(guān)和 LNA 爲(wèi)例，近年來，爲(wèi)瞭滿足更薄、更小的封裝尺寸需求，基於銅柱凸點(diǎn)倒裝焊接技術(shù)的 FC-QFN和 FC-LGA 封裝已逐漸取代傳統(tǒng)的引線鍵閤 SOT23 封裝，成爲(wèi)行業(yè)主流。如圖 1 所示，爲(wèi)典型的射頻開關(guān)芯片封裝外形及其切麵結(jié)構(gòu)。隨著這一技術(shù)轉(zhuǎn)型，倒裝焊助焊劑已成爲(wèi)封裝工藝中不可或缺的關(guān)鍵材料。助焊劑的選擇不僅會(huì)影響封裝工藝流程和焊接質(zhì)量，甚至可能對(duì)芯片的整體性能及可靠性産生重大影響。

圖 1 ：FC-QFN 和 FC-LGA 射頻開關(guān)芯片封裝

超低殘留助焊劑

根據(jù)應(yīng)用特性，倒裝焊助焊劑通常可分爲(wèi)水洗型和免洗型兩大類。水洗型助焊劑在迴流焊工藝完成後，需使用去離子水或皂化劑進(jìn)行清洗，以確保其與後續(xù)底部填充材料的良好結(jié)閤，如圖 2 所示的典型 FC-QFN/LGA 封裝工藝流程。隨著對(duì)封裝厚度減薄的持續(xù)追求，銅柱高度、引線框架或基闆厚度不斷降低。例如，銅柱高度已降至60 微米以下，無芯基闆（Coreless Substrate）的廣泛應(yīng)用，銅柱密度增加且間距縮小，這些變化給助焊劑殘留物的清洗帶來瞭顯著挑戰(zhàn)。由於這些挑戰(zhàn)的存在，清洗過程中需要提高水壓，而過高的水壓可能導(dǎo)緻基闆翹麴、框架變形或氧化、芯片損傷、焊點(diǎn)開裂等問題，併增加清洗成本（如設(shè)備摺舊、維護(hù)費(fèi)用及廢水處理等）。因此，將水洗型助焊劑改爲(wèi)免洗型助焊劑成爲(wèi)瞭一箇值得探討的問題。 

圖 2 ：典型 FC-QFN/LGA 封裝工藝流程

答案是肯定的。然而，標(biāo)準(zhǔn)免洗助焊劑在迴流後的殘留量通常介於 40% 到 60% 之間，因此需要使用溶劑進(jìn)行清洗，否則在完成底部填充或塑封後可能會(huì)齣現(xiàn)分層的風(fēng)險(xiǎn)。爲(wèi)瞭滿足半導(dǎo)體封裝的應(yīng)用需求，銦泰公司開髮瞭一繫列殘留量低於 10% 的免洗助焊劑，這種助焊劑被稱爲(wèi)超低殘留（Ultra-Low Residue, ULR）助焊劑。如圖 3 所示，通過熱重分析（Thermo-gravimetric Analysis, TGA）對(duì)比，標(biāo)準(zhǔn)免洗助焊劑 Tac?ux007 在 230℃至 250℃的迴流溫度區(qū)間內(nèi)殘留量約爲(wèi) 60%，而 ULR 助焊劑的殘留量?jī)H爲(wèi) 4% 到10%。如此低的殘留量確保瞭其在迴流後無需清洗，併且與 CUF/MUF 底部填充材料具有良好的兼容性。

圖3：標(biāo)準(zhǔn)免洗與ULR免洗助劑TGA比較

錶 2 對(duì)水洗型、標(biāo)準(zhǔn)免洗型和 ULR 免洗助焊劑在殘留量、清洗工藝以及 MUF/CUF 底部填充兼容性方麵進(jìn)行瞭綜閤比較。

錶 2 ：水洗、標(biāo)準(zhǔn)免洗和超低殘留免洗助焊劑的比較

ULR助焊劑的應(yīng)用

與其他助焊劑類似，ULR 助焊劑的主要功能是去除銅柱焊錫和基闆或引線框架錶麵的氧化層，從而促進(jìn)焊接麵形成金屬間化閤物，併確保焊點(diǎn)具備可靠的強(qiáng)度。如果助焊劑的焊接能力（卽潤(rùn)濕性）不足，可能會(huì)導(dǎo)緻焊點(diǎn)強(qiáng)度較低或齣現(xiàn)空洞；而潤(rùn)濕性過強(qiáng)時(shí)，在某些特殊情況下，則可能引髮橋接問題。例如，圖 4 展示瞭潤(rùn)濕良好與潤(rùn)濕不佳的焊點(diǎn)對(duì)比 ：良好的焊錫層截麵通常呈現(xiàn)梯形，而潤(rùn)濕不佳的焊錫層截麵尺寸往往小於銅柱直徑，甚至與之相當(dāng)。此時(shí)，可通過適量增加助焊劑用量來改善潤(rùn)濕效果。

圖4：潤(rùn)濕良好和潤(rùn)濕不佳的焊點(diǎn)比較

圖 5 則顯示瞭因潤(rùn)濕過度而導(dǎo)緻的焊點(diǎn)間橋接短路現(xiàn)象。在處理此類情況時(shí)，應(yīng)在保證潤(rùn)濕性的前提下適當(dāng)減少助焊劑的蘸取量，尤其是當(dāng)銅柱與錫閤金凸塊之間未鍍鎳層、高度比例較?。ㄈ缧§?1.2:1），或者芯片線路層缺乏鈍化層時(shí)，需格外註意。綜上所述，助焊劑的蘸取量是影響潤(rùn)濕能力的關(guān)鍵因素，而蘸取量主要取決於倒裝焊設(shè)備中浸蘸槽的深度。浸蘸槽越深，助焊劑蘸取量越多，潤(rùn)濕性能越好 ；反之則會(huì)降低潤(rùn)濕能力。

圖5：過度潤(rùn)濕導(dǎo)緻的銅柱焊點(diǎn)橋接

根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，浸蘸槽深度應(yīng)控製在銅柱錫閤金凸點(diǎn)高度的 75% 至 110% 之間，如圖 6 所示。此外，在助焊劑的實(shí)際應(yīng)用中，需要對(duì)工藝流程、助焊劑的選擇、基闆及引線框架的錶麵處理以及助焊劑用量進(jìn)行綜閤優(yōu)化，以確保凸點(diǎn)在焊接過程中旣具備良好的潤(rùn)濕性，又不會(huì)引髮相鄰?fù)裹c(diǎn)間的橋接問題。

圖6：倒裝焊浸蘸工藝步驟和浸蘸深度示意圖

實(shí)驗(yàn)和討論

實(shí)驗(yàn) 1 ：OSP-Cu 和 Bare-Cu 剪切力測(cè)試

剪切力測(cè)試是評(píng)估倒裝焊焊點(diǎn)強(qiáng)度最直接且有效的方法之一。測(cè)試結(jié)果包含兩箇方麵 ：剪切力和破壞模式。其中，剪切力是指能夠?qū)⑿酒瑥幕浕蛞€框架上剪切下來的力，該力通常爲(wèi) MIL-STD-883F METHOD 2019.7 所規(guī)定最小剪切強(qiáng)度的兩倍。破壞模式可分爲(wèi)三種，具體如錶 3 所示 。此外，在測(cè)試過程中，應(yīng)選擇閤適的剪切力工具與夾具。工具的寬度需大於芯片的長(zhǎng)邊，而夾具則需將基闆或引線框架牢固壓平，以防止其在測(cè)試中髮生移動(dòng)或變形，從而確保測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

錶 3 ：剪切力測(cè)試破壞模式

實(shí)驗(yàn)材料 ： 

- 芯片 ：尺寸爲(wèi) 0.86×0.48×0.15 mm 

 - 基闆 ：厚度 0.17 mm，OSP-Cu 錶麵處理 

- 引線框架 ：厚度 0.17 mm，裸銅材質(zhì) 

- 銅柱：直徑 60 μm，高度 75 μm（其中 40 μm 爲(wèi)銅，35 μm 爲(wèi)錫） 

- 助焊劑 ：超低殘留免洗型 Indium NC-26-A - 浸蘸槽 ：深度 35 μm 

 - 迴流條件 ：詳見錶 4，包含相關(guān)規(guī)格要求與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

- 樣本數(shù)量 ：每組 30 箇芯片。

錶4：迴流麴線要求和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

測(cè)試結(jié)果 ： 

所有數(shù)據(jù)均顯著高於規(guī)格值 54gf。其中，OSP-Cu 的平均剪切力值爲(wèi) 136.4gf，高於 Bare-Cu 的 126.2gf，具體數(shù)據(jù)如錶 5 所示。經(jīng) T 檢驗(yàn)分析，結(jié)果錶明 P 值小於 0.01，差異具有顯著性，詳見圖 7。破壞模式主要錶現(xiàn)爲(wèi)兩類 ：A 類爲(wèi)芯片與銅柱結(jié)閤處的剪切破壞，以及 B 類爲(wèi)焊點(diǎn)中部的剪切破壞，未觀察到 C 類模式。相關(guān)結(jié)果分彆見圖 8 中的 6A 和 3A3B 分佈情況。

錶5：OSP-Cu和Bare-Cu剪切力測(cè)試結(jié)果

圖7：OSP-Cu和Bare-Cu剪切力T檢定結(jié)果

圖8：OSP-Cu和Bare-Cu的剪切力破壞模式（左圖6A, 右圖3A3B）

實(shí)驗(yàn) 2 ：NC-26-A 和 NC-26S 可靠性實(shí)驗(yàn)

可靠性（Reliability）是衡量半導(dǎo)體封裝性能的關(guān)鍵指標(biāo)，也是評(píng)估産品耐久性的重要標(biāo)準(zhǔn)。通常依據(jù) JEDEC 標(biāo)準(zhǔn)及測(cè)試方法進(jìn)行相關(guān)可靠性測(cè)試。在評(píng)估階段，關(guān)鍵封裝材料需要通過可靠性實(shí)驗(yàn)來暴露潛在問題，從而避免在後續(xù)量産中齣現(xiàn)大麵積連續(xù)不良的情況。因此，針對(duì)使用超低殘留助焊劑的封裝産品開展可靠性研究顯得尤爲(wèi)必要。

實(shí)驗(yàn)材料：  

- 芯片：尺寸爲(wèi) 0.86×0.48×0.15 mm；  

- 引線框架：厚度 0.17 mm，材質(zhì)爲(wèi)裸銅；  

- 銅柱：直徑 60 μm，高度 75 μm（其中 40 μm 爲(wèi)

Cu，35 μm 爲(wèi) Sn）；  

- 助焊劑：超低殘留免洗型 Indium NC-26-A 和 NC-

26S；  

- 浸蘸槽：深度 35 μm；  

- 迴流條件：詳見錶4；  

- 可靠性測(cè)試條件：MSL-1，溫度循環(huán)測(cè)試 500 次，

UHAST 測(cè)試 96 小時(shí)。

封裝工藝如上文圖2所示，在倒裝焊接完成後，無需助焊劑清洗卽可直接進(jìn)行模壓塑封及後續(xù)封裝工序。從通過電性測(cè)試的封裝産品中各選取300顆樣品，併從中抽取22顆進(jìn)行T0 C-SAM超聲掃描測(cè)試，重點(diǎn)關(guān)註塑封體開裂、芯片錶麵、塑封或芯片焊接區(qū)域以及框架連筋區(qū)域的錶麵斷裂特性。按照J(rèn)EDEC標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行MSL-1測(cè)試（條件：85℃、85%相對(duì)濕度、168小時(shí)）。隨後，將封裝樣品經(jīng)歷3次迴流測(cè)試，峰值溫度爲(wèi)260~263℃。再次對(duì)樣品執(zhí)行超聲掃描測(cè)試。此外，分彆另取77顆封裝樣品進(jìn)行UHAST測(cè)試（條件：130℃、85%相對(duì)濕度）和TC測(cè)試（條件：-65℃~150℃、15分鐘/循環(huán)，分彆完成200和500箇循環(huán)）。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

完成上述可靠性測(cè)試的封裝樣品重新進(jìn)行瞭電性測(cè)試，結(jié)果全部通過。如圖9和圖12所示，爲(wèi)NC-26-A和NC-26S的可靠性測(cè)試結(jié)果。超聲掃描結(jié)果顯示，在可靠性測(cè)試前後均未齣現(xiàn)分層現(xiàn)象。圖10和圖13分彆爲(wèi)NC-26-A和NC-26S在T0和TR狀態(tài)下的檢測(cè)結(jié)果。從每組中各選取5顆完成可靠性測(cè)試的封裝樣品進(jìn)行斷麵分析，髮現(xiàn)使用兩種助焊劑的封裝樣品中，銅柱與焊點(diǎn)和塑封料之間的結(jié)閤狀況良好，週圍未齣現(xiàn)分層或開裂現(xiàn)象。此外，焊點(diǎn)與焊接界麵無裂紋及顯著空洞現(xiàn)象，IMC（金屬間化閤物）厚度處於正常範(fàn)圍，詳見圖11和圖14。最終，NC-26-A和NC-26S均成功通過瞭可靠性測(cè)試。

圖9：使用NC-26-A封裝可靠性測(cè)試結(jié)果

圖10：使用NC-26-A封裝的 C-SAM 檢測(cè)結(jié)果（T0和TR）

圖11：使用NC-26-A封裝在TC500測(cè)試後的斷麵圖

圖12：使用NC-26S封裝可靠性測(cè)試結(jié)果

圖13：使用NC-26S封裝 C-SAM 檢測(cè)結(jié)果（T0和TR）

圖14：使用NC-26S封裝在TC500測(cè)試後的斷麵圖

總結(jié)和結(jié)論

超低殘留免洗助焊劑能夠免除清洗工序，從而簡(jiǎn)化射頻前端芯片的封裝流程，顯著提陞生産效率和良品率，有效降低整體封裝成本。實(shí)驗(yàn)結(jié)果錶明，該助焊劑在Cu-OSP基闆和裸銅框架上均展現(xiàn)齣優(yōu)異的焊接性能，併順利通過瞭嚴(yán)苛的可靠性測(cè)試，完全符閤MSL-1標(biāo)準(zhǔn)。除瞭廣泛應(yīng)用於射頻前端芯片外，牠還適用於其他多種封裝形式的倒裝焊場(chǎng)景。目前，該産品已成功通過國(guó)內(nèi)外多傢OSAT的認(rèn)證，併實(shí)現(xiàn)瞭規(guī)?；b，贏得瞭業(yè)界的高度認(rèn)可與一緻好評(píng)。

【本文轉(zhuǎn)自《一步步新技術(shù)》雜誌，作者來自銦泰公司。】