超低殘留助焊劑在射頻前端芯片封裝中的應用與可靠性研究

摘要： 

隨著5G時代的到來，移動智能終端對射頻前端芯片的性能和數量提齣瞭更高的需求，其中射頻開關（Switch）和低噪聲放大器（LNA）的需求尤爲突齣。衆所週知，射頻芯片性能的提陞主要依賴於新設計、先進工藝以及新型材料的綜閤應用。超低殘留助焊劑（ULR Flux, Ultra Low Residue Flux）是一類創新性的免洗倒裝焊接材料，能夠免除傳統清洗工序，衕時提陞封裝可靠性、簡化封裝流程併降低整體封裝成本。本文重點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用，併對其焊接強度及可靠性進行瞭深入研究。 

引言

隨著 5G 通信對移動數據傳輸量和傳輸速度的提陞，以及通信技術的不斷迭代與移動終端對多通信製式的兼容需求，射頻前端芯片市場呈現齣爆髮式增長。射頻前端芯片主要包含開關、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，開關用於實現不衕射頻通道間的切換，而 LNA 則用於對接收通道中的射頻信號進行放大。爲滿足日益增多的頻段信號接收、髮射需求及更高的接收質量要求，移動智能終端不得不持續增加射頻開關和 LNA 的數量。根據錶 1 中 Yole 提供的數據顯示，射頻開關與 LNA 從 2017 年至 2023 年的年複閤增長率高達 15% 以上。

錶 1 ： 2017~2023 射頻開關與 LNA 市場規模（Yole）

作爲模擬類芯片在高頻領域的重要分支，射頻芯片的技術陞級主要依賴於新設計、新工藝和新材料的深度融閤。特彆是在封裝領域，隻有通過優化工藝與材料的組閤，纔能持續滿足射頻前端芯片對産品性能日益提陞的需求。以射頻開關和 LNA 爲例，近年來，爲瞭滿足更薄、更小的封裝尺寸需求，基於銅柱凸點倒裝焊接技術的 FC-QFN和 FC-LGA 封裝已逐漸取代傳統的引線鍵閤 SOT23 封裝，成爲行業主流。如圖 1 所示，爲典型的射頻開關芯片封裝外形及其切麵結構。隨著這一技術轉型，倒裝焊助焊劑已成爲封裝工藝中不可或缺的關鍵材料。助焊劑的選擇不僅會影響封裝工藝流程和焊接質量，甚至可能對芯片的整體性能及可靠性産生重大影響。

圖 1 ：FC-QFN 和 FC-LGA 射頻開關芯片封裝

超低殘留助焊劑

根據應用特性，倒裝焊助焊劑通常可分爲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行清洗，以確保其與後續底部填充材料的良好結閤，如圖 2 所示的典型 FC-QFN/LGA 封裝工藝流程。隨著對封裝厚度減薄的持續追求，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显著挑戰。由於這些挑戰的存在，清洗過程中需要提高水壓，而過高的水壓可能導緻基闆翹麴、框架變形或氧化、芯片損傷、焊點開裂等問題，併增加清洗成本（如設備摺舊、維護費用及廢水處理等）。因此，將水洗型助焊劑改爲免洗型助焊劑成爲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，標準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行清洗，否則在完成底部填充或塑封後可能會齣現分層的風險。爲瞭滿足半導體封裝的應用需求，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）對比，標準免洗助焊劑 Tacflux007 在 230℃至 250℃的迴流溫度區間內殘留量約爲 60%，而 ULR 助焊劑的殘留量僅爲 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：標準免洗與ULR免洗助劑TGA比較

錶 2 對水洗型、標準免洗型和 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行瞭綜閤比較。

錶 2 ：水洗、標準免洗和超低殘留免洗助焊劑的比較

ULR助焊劑的應用

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，從而促進焊接麵形成金屬間化閤物，併確保焊點具備可靠的強度。如果助焊劑的焊接能力（卽潤濕性）不足，可能會導緻焊點強度較低或齣現空洞；而潤濕性過強時，在某些特殊情況下，則可能引髮橋接問題。例如，圖 4 展示瞭潤濕良好與潤濕不佳的焊點對比 ：良好的焊錫層截麵通常呈現梯形，而潤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。此時，可通過適量增加助焊劑用量來改善潤濕效果。

圖4：潤濕良好和潤濕不佳的焊點比較

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

圖5：過度潤濕導緻的銅柱焊點橋接

根據實踐經驗，浸蘸槽深度應控製在銅柱錫閤金凸點高度的 75% 至 110% 之間，如圖 6 所示。此外，在助焊劑的實際應用中，需要對工藝流程、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行綜閤優化，以確保凸點在焊接過程中旣具備良好的潤濕性，又不會引髮相鄰凸點間的橋接問題。

圖6：倒裝焊浸蘸工藝步驟和浸蘸深度示意圖

實驗和討論

實驗 1 ：OSP-Cu 和 Bare-Cu 剪切力測試

剪切力測試是評估倒裝焊焊點強度最直接且有效的方法之一。測試結果包含兩箇方麵 ：剪切力和破壞模式。其中，剪切力是指能夠將芯片從基闆或引線框架上剪切下來的力，該力通常爲 MIL-STD-883F METHOD 2019.7 所規定最小剪切強度的兩倍。破壞模式可分爲三種，具體如錶 3 所示 。此外，在測試過程中，應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邊，而夾具則需將基闆或引線框架牢固壓平，以防止其在測試中髮生移動或變形，從而確保測試結果的準確性。

錶 3 ：剪切力測試破壞模式

實驗材料 ： 

- 芯片 ：尺寸爲 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 

- 銅柱：直徑 60 μm，高度 75 μm（其中 40 μm 爲銅，35 μm 爲錫） 

- 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，包含相關規格要求與實測數據

- 樣本數量 ：每組 30 箇芯片。

錶4：迴流麴線要求和實測數據

測試結果 ： 

所有數據均显著高於規格值 54gf。其中，OSP-Cu 的平均剪切力值爲 136.4gf，高於 Bare-Cu 的 126.2gf，具體數據如錶 5 所示。經 T 檢驗分析，結果錶明 P 值小於 0.01，差異具有显著性，詳見圖 7。破壞模式主要錶現爲兩類 ：A 類爲芯片與銅柱結閤處的剪切破壞，以及 B 類爲焊點中部的剪切破壞，未觀察到 C 類模式。相關結果分彆見圖 8 中的 6A 和 3A3B 分佈情況。

錶5：OSP-Cu和Bare-Cu剪切力測試結果

圖7：OSP-Cu和Bare-Cu剪切力T檢定結果

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

實驗 2 ：NC-26-A 和 NC-26S 可靠性實驗

可靠性（Reliability）是衡量半導體封裝性能的關鍵指標，也是評估産品耐久性的重要標準。通常依據 JEDEC 標準及測試方法進行相關可靠性測試。在評估階段，關鍵封裝材料需要通過可靠性實驗來暴露潛在問題，從而避免在後續量産中齣現大麵積連續不良的情況。因此，針對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必要。

實驗材料：  

- 芯片：尺寸爲 0.86×0.48×0.15 mm；  

- 引線框架：厚度 0.17 mm，材質爲裸銅；  

- 銅柱：直徑 60 μm，高度 75 μm（其中 40 μm 爲

Cu，35 μm 爲 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；  

- 可靠性測試條件：MSL-1，溫度循環測試 500 次，

UHAST 測試 96 小時。

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行模壓塑封及後續封裝工序。從通過電性測試的封裝産品中各選取300顆樣品，併從中抽取22顆進行T0 C-SAM超聲掃描測試，重點關註塑封體開裂、芯片錶麵、塑封或芯片焊接區域以及框架連筋區域的錶麵斷裂特性。按照JEDEC標準執行MSL-1測試（條件：85℃、85%相對濕度、168小時）。隨後，將封裝樣品經歷3次迴流測試，峰值溫度爲260~263℃。再次對樣品執行超聲掃描測試。此外，分彆另取77顆封裝樣品進行UHAST測試（條件：130℃、85%相對濕度）和TC測試（條件：-65℃~150℃、15分鐘/循環，分彆完成200和500箇循環）。

實驗結果：

完成上述可靠性測試的封裝樣品重新進行瞭電性測試，結果全部通過。如圖9和圖12所示，爲NC-26-A和NC-26S的可靠性測試結果。超聲掃描結果顯示，在可靠性測試前後均未齣現分層現象。圖10和圖13分彆爲NC-26-A和NC-26S在T0和TR狀態下的檢測結果。從每組中各選取5顆完成可靠性測試的封裝樣品進行斷麵分析，髮現使用兩種助焊劑的封裝樣品中，銅柱與焊點和塑封料之間的結閤狀況良好，週圍未齣現分層或開裂現象。此外，焊點與焊接界麵無裂紋及显著空洞現象，IMC（金屬間化閤物）厚度處於正常範圍，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試。

圖9：使用NC-26-A封裝可靠性測試結果

圖10：使用NC-26-A封裝的 C-SAM 檢測結果（T0和TR）

圖11：使用NC-26-A封裝在TC500測試後的斷麵圖

圖12：使用NC-26S封裝可靠性測試結果

圖13：使用NC-26S封裝 C-SAM 檢測結果（T0和TR）

圖14：使用NC-26S封裝在TC500測試後的斷麵圖

總結和結論

超低殘留免洗助焊劑能夠免除清洗工序，從而簡化射頻前端芯片的封裝流程，显著提陞生産效率和良品率，有效降低整體封裝成本。實驗結果錶明，該助焊劑在Cu-OSP基闆和裸銅框架上均展現齣優異的焊接性能，併順利通過瞭嚴苛的可靠性測試，完全符閤MSL-1標準。除瞭廣泛應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景。目前，該産品已成功通過國內外多傢OSAT的認證，併實現瞭規模化生産，贏得瞭業界的高度認可與一緻好評。

【本文轉自《一步步新技術》雜誌，作者來自銦泰公司。】