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)量提出了更高的需求，其中射頻開關(guān)（Switch）和低噪聲放大器（LNA）的需求尤為突出。眾所周知，射頻芯片性能的提升主要依賴于新設(shè)計(jì)、先進(jìn)工藝以及新型材料的綜合應(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，同時(shí)提升封裝可靠性、簡化封裝流程并降低整體封裝成本。本文重點(diǎn)探討了超低殘留助焊劑在射頻芯片常見封裝形式（如 LGA 和 QFN/DFN）中的芯片貼裝與回流應(yīng)用，并對(duì)其焊接強(qiáng)度及可靠性進(jìn)行了深入研究。

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升，以及通信技術(shù)的不斷迭代與移動(dòng)終端對(duì)多通信制式的兼容需求，射頻前端芯片市場(chǎng)呈現(xiàn)出爆發(fā)式增長。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)用于實(shí)現(xiàn)不同射頻通道間的切換，而LNA則用于對(duì)接收通道中的射頻信號(hào)進(jìn)行放大。為滿足日益增多的頻段信號(hào)接收、發(fā)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)表1中Yole提供的數(shù)據(jù)顯示，射頻開關(guān)與LNA從2017年至2023年的年復(fù)合增長率高達(dá)15%以上。

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

作為模擬類芯片在高頻領(lǐng)域的重要分支，射頻芯片的技術(shù)升級(jí)主要依賴于新設(shè)計(jì)、新工藝和新材料的深度融合。特別是在封裝領(lǐng)域，只有通過優(yōu)化工藝與材料的組合，才能持續(xù)滿足射頻前端芯片對(duì)產(chǎn)品性能日益提升的需求。以射頻開關(guān)和 LNA 為例，近年來，為了滿足更薄、更小的封裝尺寸需求，基于銅柱凸點(diǎn)倒裝焊接技術(shù)的 FC-QFN和 FC-LGA 封裝已逐漸取代傳統(tǒng)的引線鍵合 SOT23 封裝，成為行業(yè)主流。如圖 1 所示，為典型的射頻開關(guān)芯片封裝外形及其切面結(jié)構(gòu)。隨著這一技術(shù)轉(zhuǎn)型，倒裝焊助焊劑已成為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產(chǎn)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?？煞譃樗葱秃兔庀葱蛢纱箢?。水洗型助焊劑在回流焊工藝完成后，需使用去離子水或皂化劑進(jìn)行清洗，以確保其與后續(xù)底部填充材料的良好結(jié)合，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、引線框架或基板厚度不斷降低。例如，銅柱高度已降至60 微米以下，無芯基板（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了顯著挑戰(zhàn)。由于這些挑戰(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)致基板翹曲、框架變形或氧化、芯片損傷、焊點(diǎn)開裂等問題，并增加清洗成本（如設(shè)備折舊、維護(hù)費(fèi)用及廢水處理等）。因此，將水洗型助焊劑改為免洗型助焊劑成為了一個(gè)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)免洗助焊劑在回流后的殘留量通常介于 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后可能會(huì)出現(xiàn)分層的風(fēng)險(xiǎn)。為了滿足半導(dǎo)體封裝的應(yīng)用需求，銦泰公司開發(fā)了一系列殘留量低于 10% 的免洗助焊劑，這種助焊劑被稱為超低殘留（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℃的回流溫度區(qū)間內(nèi)殘留量約為 60%，而 ULR 助焊劑的殘留量僅為 4% 到10%。如此低的殘留量確保了其在回流后無需清洗，并且與 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

表 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 底部填充兼容性方面進(jìn)行了綜合比較。

表 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板或引線框架表面的氧化層，從而促進(jìn)焊接面形成金屬間化合物，并確保焊點(diǎn)具備可靠的強(qiáng)度。如果助焊劑的焊接能力（即潤濕性）不足，可能會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)強(qiáng)度較低或出現(xiàn)空洞；而潤濕性過強(qiáng)時(shí)，在某些特殊情況下，則可能引發(fā)橋接問題。例如，圖 4 展示了潤濕良好與潤濕不佳的焊點(diǎn)對(duì)比 ：良好的焊錫層截面通常呈現(xiàn)梯形，而潤濕不佳的焊錫層截面尺寸往往小于銅柱直徑，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濕效果。

圖4：潤濕良好和潤濕不佳的焊點(diǎn)比較

圖5 則顯示了因潤濕過度而導(dǎo)致的焊點(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)銅柱與錫合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)，需格外注意。綜上所述，助焊劑的蘸取量是影響潤濕能力的關(guān)鍵因素，而蘸取量主要取決于倒裝焊設(shè)備中浸蘸槽的深度。浸蘸槽越深，助焊劑蘸取量越多，潤濕性能越好 ；反之則會(huì)降低潤濕能力。

圖5：過度潤濕導(dǎo)致的銅柱焊點(diǎn)橋接

根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，浸蘸槽深度應(yīng)控制在銅柱錫合金凸點(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、基板及引線框架的表面處理以及助焊劑用量進(jìn)行綜合優(yōu)化，以確保凸點(diǎn)在焊接過程中既具備良好的潤濕性，又不會(huì)引發(fā)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)果包含兩個(gè)方面 ：剪切力和破壞模式。其中，剪切力是指能夠?qū)⑿酒瑥幕寤蛞€框架上剪切下來的力，該力通常為 MIL-STD-883F METHOD 2019.7 所規(guī)定最小剪切強(qiáng)度的兩倍。破壞模式可分為三種，具體如表 3 所示 。此外，在測(cè)試過程中，應(yīng)選擇合適的剪切力工具與夾具。工具的寬度需大于芯片的長邊，而夾具則需將基板或引線框架牢固壓平，以防止其在測(cè)試中發(fā)生移動(dòng)或變形，從而確保測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

表 3 ：剪切力測(cè)試破壞模式

實(shí)驗(yàn)材料 ：

– 芯片 ：尺寸為0.86×0.48×0.15mm

– 基板 ：厚度0.17mm，OSP-Cu表面處理

– 引線框架 ：厚度0.17mm，裸銅材質(zhì)

– 銅柱：直徑60 μm，高度75μm（其中40μm為銅，35μm為錫）

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

– 回流條件 ：詳見表 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個(gè)芯片。

表4：回流曲線要求和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

測(cè)試結(jié)果 ：

所有數(shù)據(jù)均顯著高于規(guī)格值 54gf。其中，OSP-Cu的平均剪切力值為136.4gf，高于 Bare-Cu的126.2gf，具體數(shù)據(jù)如表 5 所示。經(jīng)T檢驗(yàn)分析，結(jié)果表明P值小于0.01，差異具有顯著性，詳見圖 7。破壞模式主要表現(xiàn)為兩類 ：A類為芯片與銅柱結(jié)合處的剪切破壞，以及B類為焊點(diǎn)中部的剪切破壞，未觀察到C類模式。相關(guān)結(jié)果分別見圖8中的6A和 3A3B分布情況。

表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)估產(chǎn)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，從而避免在后續(xù)量產(chǎn)中出現(xiàn)大面積連續(xù)不良的情況。因此，針對(duì)使用超低殘留助焊劑的封裝產(chǎn)品開展可靠性研究顯得尤為必要。

實(shí)驗(yàn)材料：

– 芯片：尺寸為0.86×0.48×0.15mm；

– 引線框架：厚度0.17mm，材質(zhì)為裸銅；

– 銅柱：直徑 60 μm，高度 75 μm（其中40μm為Cu，35μm為Sn）；

– 助焊劑：超低殘留免洗型Indium NC-26-A和NC-26S；

– 浸蘸槽：深度35μm；

– 回流條件：詳見表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，在倒裝焊接完成后，無需助焊劑清洗即可直接進(jìn)行模壓塑封及后續(xù)封裝工序。從通過電性測(cè)試的封裝產(chǎn)品中各選取300顆樣品，并從中抽取22顆進(jìn)行T0 C-SAM超聲掃描測(cè)試，重點(diǎn)關(guān)注塑封體開裂、芯片表面、塑封或芯片焊接區(qū)域以及框架連筋區(qū)域的表面斷裂特性。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)）。隨后，將封裝樣品經(jīng)歷3次回流測(cè)試，峰值溫度為260~263℃。再次對(duì)樣品執(zhí)行超聲掃描測(cè)試。此外，分別另取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)，分別完成200和500個(gè)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)行了電性測(cè)試，結(jié)果全部通過。如圖9和圖12所示，為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)試前后均未出現(xiàn)分層現(xiàn)象。圖10和圖13分別為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)行斷面分析，發(fā)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)合狀況良好，周圍未出現(xiàn)分層或開裂現(xiàn)象。此外，焊點(diǎn)與焊接界面無裂紋及顯著空洞現(xiàn)象，IMC（金屬間化合物）厚度處于正常范圍，詳見圖11和圖14。最終，NC-26-A和NC-26S均成功通過了可靠性測(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)試后的斷面圖

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)試后的斷面圖

總結(jié)和結(jié)論

超低殘留免洗助焊劑能夠免除清洗工序，從而簡化射頻前端芯片的封裝流程，顯著提升生產(chǎn)效率和良品率，有效降低整體封裝成本。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該助焊劑在Cu-OSP基板和裸銅框架上均展現(xiàn)出優(yōu)異的焊接性能，并順利通過了嚴(yán)苛的可靠性測(cè)試，完全符合MSL-1標(biāo)準(zhǔn)。除了廣泛應(yīng)用于射頻前端芯片外，它還適用于其他多種封裝形式的倒裝焊場(chǎng)景。目前，該產(chǎn)品已成功通過國內(nèi)外多家OSAT的認(rèn)證，并實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；a(chǎn)，贏得了業(yè)界的高度認(rèn)可與一致好評(píng)。

本文首發(fā)于《一步步新技術(shù)》雜志并獲“精選文章”

作者：銦泰公司華東區(qū)高級(jí)技術(shù)經(jīng)理胡彥杰

胡彥杰

胡彥杰，銦泰公司華東區(qū)高級(jí)技術(shù)經(jīng)理，為華東地區(qū)電子組裝和半導(dǎo)體封裝大客戶提供技術(shù)支持工作。曾在國內(nèi)外學(xué)術(shù)會(huì)議發(fā)表多篇專業(yè)論文和演講，在先進(jìn)封裝技術(shù)開發(fā)、工藝提升、材料應(yīng)用方面有豐富的經(jīng)驗(yàn)。2016年加入銦泰公司，擁有中科院計(jì)算所集成電路工程碩士和南開大學(xué)理學(xué)學(xué)士學(xué)位。

除文中提到的NC26S和NC26-A之外，我們新開發(fā)出了下一代的極低殘留助焊劑NC-809，銦泰公司在助焊劑的產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)上一直占據(jù)市場(chǎng)領(lǐng)先地位，開發(fā)出了不同系列的產(chǎn)品，分別有不同的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，適用于各種不同類型的工況條件。比如這款極低殘留助焊劑NC-809就非常受市場(chǎng)歡迎，下面就來看看它有哪些“亮點(diǎn)”？

產(chǎn)品推薦：NC-809

適用于系統(tǒng)級(jí)封裝倒裝焊和植球的高活性極低殘留免洗助焊劑NC-809，它是一款無鹵、極低殘留免洗、增強(qiáng)活性的新型助焊劑產(chǎn)品。NC-809優(yōu)異的潤濕能力和獨(dú)特的生產(chǎn)工藝使其適用于預(yù)鍍錫Mini LED芯片倒裝焊接的應(yīng)用。NC-809可以印刷，可以浸蘸，粘力高，可避免 “飛芯片”的問題。

無論是從成本，還是從環(huán)保等多方面因素進(jìn)行考量，銦泰公司的助焊劑產(chǎn)品都能勝任，如果您對(duì)使用工藝和產(chǎn)品技術(shù)方面還有問題，歡迎您通過以下方式與我們?nèi)〉寐?lián)系，我們將派專人為您分析講解，歡迎您的來信。