在全世界共同追求碳中和的声浪中,苹果公司已在《2020环境进展报告》中表示,为了实现碳中和,计画将所有业务、生产供应链及产品生命周期的净碳排放量降为零。中国近期也因应碳中和,严格执行「能耗双控」政策,在十多个省区实施限电。碳中和已不仅是各国的环保议题,更成为产业必然发展趋势,如何在这个潮流中站稳脚步并找出新方向,是整个产业链都需要面对的议题。

根据国际电子制造商联盟(International Electronics Manufacturing Initiative : 简称iNEMI)的预测,低温焊锡(Low Temperature Soldering : 简称LTS)技术应用产品的占有率将从目前低于1%提高至2027年20%以上,显现电子产业对环境议题的重视及永续发展的实践。

低温焊锡(后简称LTS)带来的效益不仅是节能减碳,也能降低电子零组件在高温焊锡时的失效与不良现象,甚至能够藉由优化电子工业的电子零部件组装技术,达到缩减制造流程及营运成本的效果。然而在LTS导入初期还是不免会遇到隐藏性工程问题,因此在产品上市前进行可靠度验证的重要性不容忽视。


依据深厚验证经验,德凯宜特与宜特共同提出在LTS可靠度验证上的三大项重点:

一、执行焊点品质可靠度验证分析是LTS导入初期的必要选项
因低温Sn-Bi合金是由偏脆性(Brittleness)金属物组成,所以相较于现行高温Sn- Ag-Cu合金,不论是热应力或机械应力的可靠度耐受性都呈现略弱倾向。为提升LTS焊点可靠强度,目前在导入初期,锡膏供应商正致力于研究改善以Sn-Bi合金为基础下(熔点温度Tmelt为138 - 140˚C),朝金属的延展与颗粒细致化特性迈进,其中有添加不同微量金属物之对策,如银Ag、铟In、锑Sb等,期许LTS的可靠度水准能靠近甚至超越高温锡膏。
但初期应用LTS焊点强度变异仍存在些未知数,所以更显示品质可靠度验证及检验分析的重要性,必要的测试项目包含热应力 (参考规范: 热温度循环TCT_IPC-9701)(Fig.1)及机械应力 (参考规范: 落下冲击Mechanical Shock Test _ JESD22-B110A)(Fig.2) 可靠度测试去验证焊点的抵抗失效韧度与强度,然后透过故障分析(Failure Analysis; 简称FA)的检验手法(Fig.3,4)去发现验证前后的产品品质水准所在,并找出制造组装发生问题的原因并研究出改善方法,以提高客户对产品的信任度。
Figure 1: TCT Test
Reference: Morgana Ribas, Ph.D., Prathap Augustine, Pritha Choudhury, Ph.D., Raghu Raj Rangaraju, Anil Kumar, Siuli Sarkar, Ph.D., “Low Temperature Soldering: Thermal Cycling Reliability Performance”, MacDermid Alpha Electronics Solutions 
 
Figure 2: Mechanical Shock Drop Test
Reference: Jagadeesh Radhakrishnan-Intel, “Mechanical Shock Tests on PoP Components having mixed BGA BiSn-SAC Solder Joints”,SMTA-iNEMI Project on Process Development of BiSn-Based Low Temp Solder Paste
 
Figure 3: FA焊点品质检验分析
Reference: DEKRA iST
 
Figure 4 :热冲击应力测试(Thermal Shock Test: 简称TST)焊点分析
Reference: DEKRA iST

二、产品可采用LTS制程的考量原则
只要电子产品的使用环境不是处在剧烈热应力或机械应力的变化、以及非长期产品寿命设计保证下,皆可考虑导入低温焊锡制程。以下提供一些业界的引用准则:
  • 设计寿命2~5年
  • 主要零件有额外应用焊点补强保护机制,如点胶或塡胶
  • 在一般的室内环境中使用
  • 产品身处环境最好低于40˚C,最大运作温度尽量不超过85˚C

三、留意低温焊锡易出现的焊点热裂缝(Hot Tearing)异常
严重热裂缝(Hot Tearing)现象,如果出现位置在与铜焊垫交界的介面,会形成可靠度不佳的焊点(Fig.5)。 Hot Tearing主要成因是低温焊锡的焊点在冷却固化过程中,其内部会出现大量固、液混合相的浆态(Pasty)物质(Fig.6),尤其是含铋(Bi)百分比量愈少的锡膏,它出现机率愈高。当这个浆态形成物无法在短时间内透过快速冷却速度的催化达成完整一致性凝固,则处在较慢固化区域的浆态相物质容易在较快已固化的金属周边慢速萎缩固化形成Hot Tear异常。但此异常如出现在焊锡球本体内部,以IPC-A-610H判定观点是可接受的(Fig.7)。
Figure 5: Hot Tearing
Reference: DEKRA iST
 
Figure 6 : Sn-Bi Phase Diagram锡-铋 相图
Reference: : Fengjiang Wang , Ying Huang , Zhijie Zhang  and Chao Yan ;” Interfacial Reaction and Mechanical Properties of Sn-Bi Solder joints”; MDPI
 
Figure 7: IPC-A-610 Hot Tear規定
Reference: IPC-A-610
 

未来低温焊锡(LTS)的应用趋势必会与高温焊锡并行,因此LTS相关材料的组成也会与时精进,期待LTS电子产品的品质可靠度与高温焊锡制程商品并驾齐驱。在LTS技术应用全面普及前,热应力及机械应力可靠度的先期验证及失效检验分析都是产品必经之路,高可靠度就是产品的品质保证。

针对LTS技术,德凯宜特与宜特科技联手打造连结产业链上下游的可靠度专业咨询与验证服务平台。宜特科技专精于零件及板阶可靠度(Board Level Reliability: 简称BLR);德凯宜特则专注于系统可靠度(System Level Reliability: 简称SLR),两者联合提供产业一站式验证规划,协助厂商在世界共同追求碳中和的声浪中抢得市场先机。

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