笔电大厂联想、CPU大厂Intel早在2017年提出低温焊接制程(LTS)
为何我们现在需要关注此事? 为何需要用到低温?
未来几年LTS真的会成为消费型产品的主流吗?


上一期LTS技术文章「迈向碳中和之路 低温焊锡(LTS)技术应用」就有提到,由于温室气体排放导致全球暖化,目前欧盟于2005年已启动碳排放交易机制,目标2030年能较1990年减碳55%,2050年达到碳中和。

据统计当制程从无铅制程更改成低温焊接制程(Low Temperature Soldering,简称LTS),SMT整体费用每年可减少约40%成本开销,二氧化碳排放一年可以减少约31~57吨,此效益非常明显。

德凯宜特与宜特为何预估,LTS制程将成为未来的主流呢?近期,德凯宜特与宜特纷纷接到从终端品牌大厂、系统组装厂、PCB板厂以至CPU、GPU晶片大厂,都前来询问是否能够进行LTS验证测试。产业链上下游都已启动,代表导入LTS已是必要作为。本期专栏,德凯宜特与宜特再一次合作,带您深入了解LTS相关制程与验证。
 


一、    LTS制程两大优势

1.    LTS可协助企业降低生产成本

除了环保节能外,成本控管是一大诱因,(1) 材料成本:由于原先的无铅制程中,晶片与PCB必须满足温度范围220oC~260oC,因此所选择材料必须考量到能承受高温的环境,高再结晶温度选择就是其中之一,但往往需付出更多成本,当选择低温锡膏时,SMT可降低至140oC~170oC,材料也就不用刻意选择耐更高温,选择一般再结晶温度即可,一来一往晶片与PCB都能用较低成本来制作。

(2) SMT制程缩短:针对需插件式元件,本体大多为塑胶材料,无法抵抗无铅制程温度,必须选择波峰焊,导致无铅SMT流程必须有两道;不过当选择LTS时,插件式元件可承受LTS温度,SMT仅需一次即可将所有元件组装在PCB上,大幅将低工时。站在企业角度来看对于成本的控管能有立竿见影的效果。

2.    LTS可降低翘曲的发生

对于晶片发展,先进制程为了让IC元件有更多功能,将以往需要多颗元件整合再一起,透多堆叠与尺寸的放大,晶片可能又厚又大,但随之而来遇到一个状况-翘曲(Warpage)(延伸阅读: 掐指算出Warpage翘曲变形量 速解IC上板后空焊早夭异常)。此状况,随着制程温度上升越明显,翘曲状况就更严重(图一)。
Figure1: 样品尺寸30x30mm,在不同温度点翘曲变化量。
                                         Reference: 宜特科技

不过当低温焊接制程(LTS)出现时,似乎出现了一丝曙光,由于晶片翘曲会依据温度上升逐渐放大,温度越高产生的变形也越大,假如SMT生产只需一半的温度时,翘曲是否也只有一半?

这个答案是肯定的,根据德凯宜特与宜特可靠度验证实验室的经验,当尺寸介于30x30~50x50mm范围内,140oC~160oC翘曲的程度较240oC~260oC降低50~70%。这表示,在不变更任何晶片的设计,透过低温锡膏,就能克服SMT过程产生翘曲的现象。

二、    低温锡膏在可靠度上会是个瓶颈?

可靠度,这是保障消费者在购买产品后不受环境或外力的因素并可以正常使用。当更换低温锡膏的可靠度呢?

的确,低温锡膏在可靠度是个瓶颈,低温锡膏组成是由锡(Sn)与铋(Bi)合金组成,但铋金属较脆,在应力相关测试,例如冲击与弯曲试验,会较现今业界常用锡-银-铜合金稍弱一些,这迫使市场不敢大胆地去变更制程材料。

不过近年锡膏商在锡铋合金中加入第三种或第四种金属,增加整体强度,其可靠度寿命已能与锡-银-铜合金差异不大。

目前针对低温锡膏的可靠度验证,尚无行业规范,不过已有客户规范,其测试项目主要为两项,一是
温度循环试验(Thermal Cycling Test);二是冲击测试(Shock Test),针对前者,宜特与德凯宜特实验室针对新型低温锡膏也有初步的验证结果。介绍如下。

1. 温度循环试验: 低温锡膏较一般锡膏寿命提升约50%-60%

当在锡铋合金中增加第三种或第四种合金元素,执行温度循环寿命试验,从实验结果显示,较锡-银-铜合金提升约50~60%(图二),这表示低温锡膏对于环境类测试的影响较小。由于我们选择较小的晶片进行测试,目的是比对各种锡膏之差异性,当选择较大晶片来进行验证时,彼此寿命分布应该会更接近。

Figure2:不同錫膏溫度循環壽命分析 
Reference: 宜特科技

2.低温锡膏不耐高温,工作与应用环境温度须审慎评估

不过,由于低温锡膏的熔点温度较低,材料再结晶温度会趋近工作温度与环境温度,这会让整体焊点结构在未达到熔点温度就会进行结构调整。根据验证结果,进行温度循环试验前,针对低温锡膏烘烤96小时,与未烘烤比对,寿命下降约15%(图三)。这表示晶片或环境温度达到100oC以上,焊点结构强度会逐渐下降,所以使用低温锡膏时工作环境温度与应用须审慎评估。
 
Figure3: 烘烤96小时寿命分析
Reference: 宜特科技

3.    冲击试验(Shock Test)得知寿命特性之外,其他应力试验也需考量

针对低温锡膏应力问题,目前客户规范多选择冲击测试(Shock Test)来验证焊点强度,主要来自于冲击测试会产生较大的应变力,因此可在短时间获得寿命特性。不过除了冲击测试(Shock Test)外,产品在组装过程中的负载强度、形变量、晶片承受压力等,这些在低温锡膏导入后,都必须考量进去,借以确保可靠度品质能与现今制程有相同保障。


低温焊接制程,将会成为未来主流。德凯宜特与宜特科技实验室,已布建完整低温焊接制程验证平台(LTS Platform),从测试机台、分析工具、板材与相关锡膏材料验证等,可以大数据分析方式协助您进行材料开发, 并针对市场需求建置更完整相关设备,提出更符合产品验证流程。

此外,针对减碳议题,宜特科技亦提供碳水足迹盘查辅导与验证服务,针对组织型温室气体与水足迹盘查 ISO 14064、碳足迹盘查ISO 14067以及温室气体节能ISO 50001协助客户进行辅导。​​​​​​​
 

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