超低残留助焊剂在射频前端芯片封装中的应用与可靠性研究

摘要： 

随着5G时代的到来，移动智能终端对射频前端芯片的性能和数量提出了更高的需求，其中射频开关（Switch）和低噪声放大器（LNA）的需求尤为突出。众所周知，射频芯片性能的提升主要依赖于新设计、先进工艺以及新型材料的综合应用。超低残留助焊剂（ULR Flux, Ultra Low Residue Flux）是一类创新性的免洗倒装焊接材料，能够免除传统清洗工序，同时提升封装可靠性、简化封装流程并降低整体封装成本。本文重点探讨了超低残留助焊剂在射频芯片常见封装形式（如 LGA 和 QFN/DFN）中的芯片贴装与回流应用，并对其焊接强度及可靠性进行了深入研究。 

引言

随着 5G 通信对移动数据传输量和传输速度的提升，以及通信技术的不断迭代与移动终端对多通信制式的兼容需求，射频前端芯片市场呈现出爆发式增长。射频前端芯片主要包含开关、滤波器、双工器、功率放大器以及低噪声放大器（LNA）等组件。其中，开关用于实现不同射频通道间的切换，而 LNA 则用于对接收通道中的射频信号进行放大。为满足日益增多的频段信号接收、发射需求及更高的接收质量要求，移动智能终端不得不持续增加射频开关和 LNA 的数量。根据表 1 中 Yole 提供的数据显示，射频开关与 LNA 从 2017 年至 2023 年的年复合增长率高达 15% 以上。

表 1 ： 2017~2023 射频开关与 LNA 市场规模（Yole）

作为模拟类芯片在高频领域的重要分支，射频芯片的技术升级主要依赖于新设计、新工艺和新材料的深度融合。特别是在封装领域，只有通过优化工艺与材料的组合，才能持续满足射频前端芯片对产品性能日益提升的需求。以射频开关和 LNA 为例，近年来，为了满足更薄、更小的封装尺寸需求，基于铜柱凸点倒装焊接技术的 FC-QFN和 FC-LGA 封装已逐渐取代传统的引线键合 SOT23 封装，成为行业主流。如图 1 所示，为典型的射频开关芯片封装外形及其切面结构。随着这一技术转型，倒装焊助焊剂已成为封装工艺中不可或缺的关键材料。助焊剂的选择不仅会影响封装工艺流程和焊接质量，甚至可能对芯片的整体性能及可靠性产生重大影响。

图 1 ：FC-QFN 和 FC-LGA 射频开关芯片封装

超低残留助焊剂

根据应用特性，倒装焊助焊剂通常可分为水洗型和免洗型两大类。水洗型助焊剂在回流焊工艺完成后，需使用去离子水或皂化剂进行清洗，以确保其与后续底部填充材料的良好结合，如图 2 所示的典型 FC-QFN/LGA 封装工艺流程。随着对封装厚度减薄的持续追求，铜柱高度、引线框架或基板厚度不断降低。例如，铜柱高度已降至60 微米以下，无芯基板（Coreless Substrate）的广泛应用，铜柱密度增加且间距缩小，这些变化给助焊剂残留物的清洗带来了显著挑战。由于这些挑战的存在，清洗过程中需要提高水压，而过高的水压可能导致基板翘曲、框架变形或氧化、芯片损伤、焊点开裂等问题，并增加清洗成本（如设备折旧、维护费用及废水处理等）。因此，将水洗型助焊剂改为免洗型助焊剂成为了一个值得探讨的问题。 

图 2 ：典型 FC-QFN/LGA 封装工艺流程

答案是肯定的。然而，标准免洗助焊剂在回流后的残留量通常介于 40% 到 60% 之间，因此需要使用溶剂进行清洗，否则在完成底部填充或塑封后可能会出现分层的风险。为了满足半导体封装的应用需求，铟泰公司开发了一系列残留量低于 10% 的免洗助焊剂，这种助焊剂被称为超低残留（Ultra-Low Residue, ULR）助焊剂。如图 3 所示，通过热重分析（Thermo-gravimetric Analysis, TGA）对比，标准免洗助焊剂 Tacflux007 在 230℃至 250℃的回流温度区间内残留量约为 60%，而 ULR 助焊剂的残留量仅为 4% 到10%。如此低的残留量确保了其在回流后无需清洗，并且与 CUF/MUF 底部填充材料具有良好的兼容性。

图3：标准免洗与ULR免洗助剂TGA比较

表 2 对水洗型、标准免洗型和 ULR 免洗助焊剂在残留量、清洗工艺以及 MUF/CUF 底部填充兼容性方面进行了综合比较。

表 2 ：水洗、标准免洗和超低残留免洗助焊剂的比较

ULR助焊剂的应用

与其他助焊剂类似，ULR 助焊剂的主要功能是去除铜柱焊锡和基板或引线框架表面的氧化层，从而促进焊接面形成金属间化合物，并确保焊点具备可靠的强度。如果助焊剂的焊接能力（即润湿性）不足，可能会导致焊点强度较低或出现空洞；而润湿性过强时，在某些特殊情况下，则可能引发桥接问题。例如，图 4 展示了润湿良好与润湿不佳的焊点对比 ：良好的焊锡层截面通常呈现梯形，而润湿不佳的焊锡层截面尺寸往往小于铜柱直径，甚至与之相当。此时，可通过适量增加助焊剂用量来改善润湿效果。

图4：润湿良好和润湿不佳的焊点比较

图 5 则显示了因润湿过度而导致的焊点间桥接短路现象。在处理此类情况时，应在保证润湿性的前提下适当减少助焊剂的蘸取量，尤其是当铜柱与锡合金凸块之间未镀镍层、高度比例较小（如小于 1.2:1），或者芯片线路层缺乏钝化层时，需格外注意。综上所述，助焊剂的蘸取量是影响润湿能力的关键因素，而蘸取量主要取决于倒装焊设备中浸蘸槽的深度。浸蘸槽越深，助焊剂蘸取量越多，润湿性能越好 ；反之则会降低润湿能力。

图5：过度润湿导致的铜柱焊点桥接

根据实践经验，浸蘸槽深度应控制在铜柱锡合金凸点高度的 75% 至 110% 之间，如图 6 所示。此外，在助焊剂的实际应用中，需要对工艺流程、助焊剂的选择、基板及引线框架的表面处理以及助焊剂用量进行综合优化，以确保凸点在焊接过程中既具备良好的润湿性，又不会引发相邻凸点间的桥接问题。

图6：倒装焊浸蘸工艺步骤和浸蘸深度示意图

实验和讨论

实验 1 ：OSP-Cu 和 Bare-Cu 剪切力测试

剪切力测试是评估倒装焊焊点强度最直接且有效的方法之一。测试结果包含两个方面 ：剪切力和破坏模式。其中，剪切力是指能够将芯片从基板或引线框架上剪切下来的力，该力通常为 MIL-STD-883F METHOD 2019.7 所规定最小剪切强度的两倍。破坏模式可分为三种，具体如表 3 所示 。此外，在测试过程中，应选择合适的剪切力工具与夹具。工具的宽度需大于芯片的长边，而夹具则需将基板或引线框架牢固压平，以防止其在测试中发生移动或变形，从而确保测试结果的准确性。

表 3 ：剪切力测试破坏模式

实验材料 ： 

- 芯片 ：尺寸为 0.86×0.48×0.15 mm 

 - 基板 ：厚度 0.17 mm，OSP-Cu 表面处理 

- 引线框架 ：厚度 0.17 mm，裸铜材质 

- 铜柱：直径 60 μm，高度 75 μm（其中 40 μm 为铜，35 μm 为锡） 

- 助焊剂 ：超低残留免洗型 Indium NC-26-A - 浸蘸槽 ：深度 35 μm 

 - 回流条件 ：详见表 4，包含相关规格要求与实测数据

- 样本数量 ：每组 30 个芯片。

表4：回流曲线要求和实测数据

测试结果 ： 

所有数据均显著高于规格值 54gf。其中，OSP-Cu 的平均剪切力值为 136.4gf，高于 Bare-Cu 的 126.2gf，具体数据如表 5 所示。经 T 检验分析，结果表明 P 值小于 0.01，差异具有显著性，详见图 7。破坏模式主要表现为两类 ：A 类为芯片与铜柱结合处的剪切破坏，以及 B 类为焊点中部的剪切破坏，未观察到 C 类模式。相关结果分别见图 8 中的 6A 和 3A3B 分布情况。

表5：OSP-Cu和Bare-Cu剪切力测试结果

图7：OSP-Cu和Bare-Cu剪切力T检定结果

图8：OSP-Cu和Bare-Cu的剪切力破坏模式（左图6A, 右图3A3B）

实验 2 ：NC-26-A 和 NC-26S 可靠性实验

可靠性（Reliability）是衡量半导体封装性能的关键指标，也是评估产品耐久性的重要标准。通常依据 JEDEC 标准及测试方法进行相关可靠性测试。在评估阶段，关键封装材料需要通过可靠性实验来暴露潜在问题，从而避免在后续量产中出现大面积连续不良的情况。因此，针对使用超低残留助焊剂的封装产品开展可靠性研究显得尤为必要。

实验材料：  

- 芯片：尺寸为 0.86×0.48×0.15 mm；  

- 引线框架：厚度 0.17 mm，材质为裸铜；  

- 铜柱：直径 60 μm，高度 75 μm（其中 40 μm 为

Cu，35 μm 为 Sn）；  

- 助焊剂：超低残留免洗型 Indium NC-26-A 和 NC-

26S；  

- 浸蘸槽：深度 35 μm；  

- 回流条件：详见表4；  

- 可靠性测试条件：MSL-1，温度循环测试 500 次，

UHAST 测试 96 小时。

封装工艺如上文图2所示，在倒装焊接完成后，无需助焊剂清洗即可直接进行模压塑封及后续封装工序。从通过电性测试的封装产品中各选取300颗样品，并从中抽取22颗进行T0 C-SAM超声扫描测试，重点关注塑封体开裂、芯片表面、塑封或芯片焊接区域以及框架连筋区域的表面断裂特性。按照JEDEC标准执行MSL-1测试（条件：85℃、85%相对湿度、168小时）。随后，将封装样品经历3次回流测试，峰值温度为260~263℃。再次对样品执行超声扫描测试。此外，分别另取77颗封装样品进行UHAST测试（条件：130℃、85%相对湿度）和TC测试（条件：-65℃~150℃、15分钟/循环，分别完成200和500个循环）。

实验结果：

完成上述可靠性测试的封装样品重新进行了电性测试，结果全部通过。如图9和图12所示，为NC-26-A和NC-26S的可靠性测试结果。超声扫描结果显示，在可靠性测试前后均未出现分层现象。图10和图13分别为NC-26-A和NC-26S在T0和TR状态下的检测结果。从每组中各选取5颗完成可靠性测试的封装样品进行断面分析，发现使用两种助焊剂的封装样品中，铜柱与焊点和塑封料之间的结合状况良好，周围未出现分层或开裂现象。此外，焊点与焊接界面无裂纹及显著空洞现象，IMC（金属间化合物）厚度处于正常范围，详见图11和图14。最终，NC-26-A和NC-26S均成功通过了可靠性测试。

图9：使用NC-26-A封装可靠性测试结果

图10：使用NC-26-A封装的 C-SAM 检测结果（T0和TR）

图11：使用NC-26-A封装在TC500测试后的断面图

图12：使用NC-26S封装可靠性测试结果

图13：使用NC-26S封装 C-SAM 检测结果（T0和TR）

图14：使用NC-26S封装在TC500测试后的断面图

总结和结论

超低残留免洗助焊剂能够免除清洗工序，从而简化射频前端芯片的封装流程，显著提升生产效率和良品率，有效降低整体封装成本。实验结果表明，该助焊剂在Cu-OSP基板和裸铜框架上均展现出优异的焊接性能，并顺利通过了严苛的可靠性测试，完全符合MSL-1标准。除了广泛应用于射频前端芯片外，它还适用于其他多种封装形式的倒装焊场景。目前，该产品已成功通过国内外多家OSAT的认证，并实现了规模化生产，赢得了业界的高度认可与一致好评。

【本文转自《一步步新技术》杂志，作者来自铟泰公司。】