筆電大廠聯想、CPU大廠Intel早在2017年提出低溫焊接製程(LTS)
為何我們現在需要關注此事? 為何需要用到低溫?
未來幾年LTS真的會成為消費型產品的主流嗎?


上一期LTS技術文章「邁向碳中和之路 低溫焊錫(LTS)技術應用」就有提到,由於溫室氣體排放導致全球暖化,目前歐盟於2005年已啟動碳排放交易機制,目標2030年能較1990年減碳55%,2050年達到碳中和。

據統計當製程從無鉛製程更改成低溫焊接製程(Low Temperature Soldering,簡稱LTS),SMT整體費用每年可減少約40%成本開銷,二氧化碳排放一年可以減少約31~57噸,此效益非常明顯。

德凱宜特與宜特為何預估,LTS製程將成為未來的主流呢?近期,德凱宜特與宜特紛紛接到從終端品牌大廠、系統組裝廠、PCB板廠以至CPU、GPU晶片大廠,都前來詢問是否能夠進行LTS驗證測試。產業鏈上下游都已啟動,代表導入LTS已是必要作為。本期專欄,德凱宜特與宜特再一次合作,帶您深入了解LTS相關製程與驗證。
 


一、    LTS製程兩大優勢

1.    LTS可協助企業降低生產成本

除了環保節能外,成本控管是一大誘因,(1) 材料成本:由於原先的無鉛製程中,晶片與PCB必須滿足溫度範圍220oC~260oC,因此所選擇材料必須考量到能承受高溫的環境,高再結晶溫度選擇就是其中之一,但往往需付出更多成本,當選擇低溫錫膏時,SMT可降低至140oC~170oC,材料也就不用刻意選擇耐更高溫,選擇一般再結晶溫度即可,一來一往晶片與PCB都能用較低成本來製作。

(2) SMT製程縮短:針對需插件式元件,本體大多為塑膠材料,無法抵抗無鉛製程溫度,必須選擇波峰焊,導致無鉛SMT流程必須有兩道;不過當選擇LTS時,插件式元件可承受LTS溫度,SMT僅需一次即可將所有元件組裝在PCB上,大幅將低工時。站在企業角度來看對於成本的控管能有立竿見影的效果。

2.    LTS可降低翹曲的發生

對於晶片發展,先進製程為了讓IC元件有更多功能,將以往需要多顆元件整合再一起,透多堆疊與尺寸的放大,晶片可能又厚又大,但隨之而來遇到一個狀況-翹曲(Warpage)(延伸閱讀: 掐指算出Warpage翹曲變形量 速解IC上板後空焊早夭異常)。此狀況,隨著製程溫度上升越明顯,翹曲狀況就更嚴重(圖一)。
Figure1: 樣品尺寸30x30mm,在不同溫度點翹曲變化量。
                                         Reference: 宜特科技

不過當低溫焊接製程(LTS)出現時,似乎出現了一絲曙光,由於晶片翹曲會依據溫度上升逐漸放大,溫度越高產生的變形也越大,假如SMT生產只需一半的溫度時,翹曲是否也只有一半?

這個答案是肯定的,根據德凱宜特與宜特可靠度驗證實驗室的經驗,當尺寸介於30x30~50x50mm範圍內,140oC~160oC翹曲的程度較240oC~260oC降低50~70%。這表示,在不變更任何晶片的設計,透過低溫錫膏,就能克服SMT過程產生翹曲的現象。

二、    低溫錫膏在可靠度上會是個瓶頸?

可靠度,這是保障消費者在購買產品後不受環境或外力的因素並可以正常使用。當更換低溫錫膏的可靠度呢?

的確,低溫錫膏在可靠度是個瓶頸,低溫錫膏組成是由錫(Sn)與鉍(Bi)合金組成,但鉍金屬較脆,在應力相關測試,例如衝擊與彎曲試驗,會較現今業界常用錫-銀-銅合金稍弱一些,這迫使市場不敢大膽地去變更製程材料。

不過近年錫膏商在錫鉍合金中加入第三種或第四種金屬,增加整體強度,其可靠度壽命已能與錫-銀-銅合金差異不大。

目前針對低溫錫膏的可靠度驗證,尚無行業規範,不過已有客戶規範,其測試項目主要為兩項,一是
溫度循環試驗(Thermal Cycling Test);二是衝擊測試(Shock Test),針對前者,宜特與德凱宜特實驗室針對新型低溫錫膏也有初步的驗證結果。介紹如下。

1.溫度循環試驗: 低溫錫膏較一般錫膏壽命提升約50%-60%

當在錫鉍合金中增加第三種或第四種合金元素,執行溫度循環壽命試驗,從實驗結果顯示,較錫-銀-銅合金提升約50~60%(圖二),這表示低溫錫膏對於環境類測試的影響較小。由於我們選擇較小的晶片進行測試,目的是比對各種錫膏之差異性,當選擇較大晶片來進行驗證時,彼此壽命分布應該會更接近。

Figure2:不同錫膏溫度循環壽命分析 
Reference: 宜特科技

2.低溫錫膏不耐高溫,工作與應用環境溫度須審慎評估

不過,由於低溫錫膏的熔點溫度較低,材料再結晶溫度會趨近工作溫度與環境溫度,這會讓整體焊點結構在未達到熔點溫度就會進行結構調整。根據驗證結果,進行溫度循環試驗前,針對低溫錫膏烘烤96小時,與未烘烤比對,壽命下降約15%(圖三)。這表示晶片或環境溫度達到100oC以上,焊點結構強度會逐漸下降,所以使用低溫錫膏時工作環境溫度與應用須審慎評估。
 
Figure3: 烘烤96小時壽命分析
Reference: 宜特科技

3.    衝擊試驗(Shock Test)得知壽命特性之外,其他應力試驗也需考量

針對低溫錫膏應力問題,目前客戶規範多選擇衝擊測試(Shock Test)來驗證焊點強度,主要來自於衝擊測試會產生較大的應變力,因此可在短時間獲得壽命特性。不過除了衝擊測試(Shock Test)外,產品在組裝過程中的負載強度、形變量、晶片承受壓力等,這些在低溫錫膏導入後,都必須考量進去,藉以確保可靠度品質能與現今製程有相同保障。


低溫焊接製程,將會成為未來主流。德凱宜特與宜特科技實驗室,已布建完整低溫焊接製程驗證平台(LTS Platform),從測試機台、分析工具、板材與相關錫膏材料驗證等,可以大數據分析方式協助您進行材料開發, 並針對市場需求建置更完整相關設備,提出更符合產品驗證流程。

此外,針對減碳議題,宜特科技亦提供碳水足跡盤查輔導與驗證服務,針對組織型溫室氣體與水足跡盤查 ISO 14064、碳足跡盤查ISO 14067以及溫室氣體節能ISO 50001協助客戶進行輔導。
 

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