降低翹曲 Warpage 變形量就靠低溫焊接 LTS 製程

IC 上板 SMT 後，可靠度試驗卻過不了，原來是翹曲（warpage）導致空焊、早夭等現象，是否有特殊製程，可以降低 warpage 變形量呢?

進行 IC 設計時，最怕就是 IC 晶片本身品質沒問題，但是當 IC 上板 SMT 後，卻過不了後續的驗證。在宜特板階可靠度（BLR）實驗室，就時常看到許多客戶有這樣的問題。而近期，宜特看到最多的就是上板後的翹曲（warpage）問題，導致後續可靠度發現早夭，嚴重到甚至須將產品退回到最初的IC設計階段，曠日廢時。

為什麼翹曲（Warpage）導致後續可靠度問題，近期發生頻率這麼高呢? 宜特板階可靠度（BLR）實驗室發現，系統單封裝（System in a package）已成為現今趨勢，各種不同材質、不同功能的晶片整合進同一封裝，這樣的封裝元件使用的材料相當複雜且多元，堆疊在一起時，因材質本身熱膨脹係數不同（CTE）就會產生翹曲（warpage），成為表面黏著製程（Surface mount technology，簡稱SMT）良率最大挑戰。

圖解何謂翹曲?

▲圖一：先進製程晶片元件或多或少都會有翹曲現象，變形量符合 IPC 規範控制在一定程度內，都不會影響後續元件上板品質（右圖出處: Akrometrix）

傳統方式–透過模擬數據調整錫膏量，微緩解焊點拉伸擠壓

▲圖二：SMT 上板前，可針對元件與 PCB 進行模擬分析，預先了解翹曲（warpage）情形（圖出處: Akrometrix）

針對預防翹曲造成空焊現象，宜特板階可靠度（BLR）實驗室的傳統做法是，模擬確認翹曲（warpage）數據，調整錫膏印刷鋼板設計及回流焊溫度，藉此減少因翹曲（warpage）造成空焊及短路問題的機率（圖二）。依據此方式，宜特已成功替多家廠商克服 PCB 或 IC 翹曲（warpage）的焊接問題（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。）

新一代作法–透過低溫焊接（LTS）製程，降低翹曲（Warpage）程度

上述傳統方式，可以藉由修正錫膏來避免空焊或短路問題，但如果翹曲（Warpage）程度太高，就無法藉由控制錫膏量來解決了。

為解決此議題，宜特板階可靠度(BLR)實驗室導入新的做法-低溫焊接製程（Low Temperature Soldering，簡稱 LTS），藉由減少熱應力，成功降低翹曲（Warpage）變形量。

• 何謂低溫焊接製程（Low Temperature Soldering，簡稱 LTS）

一般無鉛焊接所使用錫、銀、銅合金的熔點溫度約在 220℃，峰值溫度達到 230℃~250℃，而低溫焊接所使用錫、鉍合金熔點溫度為 140℃，峰值溫度則可降低到 170℃~200℃（依錫膏成分有所不同）（參見表一與圖三）。

▲表一：一般無鉛焊接與低溫焊接熔點與峰值溫度

▲圖三：Reflow Profile，藍線是指低溫焊接製程（LTS），紅線是指無鉛銲接製程（Pb-free process）

• 為何 LTS 製程可以降低 Warpage 變形量?
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▲圖四：溫度越高，變形越大

產生 Warpage 主要原因，來自於使用不同材料的 IC 堆疊後，由於不同材料的熱膨脹係數（CTE）不同，經過高溫焊間產生形變。溫度越高，因熱應力造成封裝後的 IC（Package）變形程度越大（圖四）。因此，藉由降低 SMT 焊接溫度，將可大幅減少熱應力，藉此不僅可改善 PCB 與零件的 Warpage 程度外，也可減少能耗。

如何利用 LTS 製程避免 SMT 可能面臨的挑戰

• 控制溫度與錫膏體積，避免異質合金焊接過程產生熱淚滴效應

目前零件封裝還是以無鉛製程為主，意即焊接材料 Bump 與 Solder Ball 仍多以使用錫、銀、銅 合金為主，例如焊料號 SAC305、SACQ、SAC405 等，因低溫焊接製程（LTS）未達錫、銀、銅合金熔錫溫度，故 Solder Joint 有很大差異（參見圖五與圖六）。

▲圖五：一般無鉛製程 Reflow 後，SAC 錫球與錫膏完全熔融，錫球出現塌陷（collapse）

▲圖六：LTS 製程 Reflow 後，SAC 錫球未完全熔融，錫球未出現塌陷（collapse）型態

▲圖七：透過精確控制焊接溫度與錫膏體積的焊點切面圖（Cross Section）。

因此，宜特板階可靠度實驗室藉著精確控制溫度與錫膏體積，即可避免 LTS 製程中出現熱滴淚（Hot Tearing）的現象。例如圖七，錫鉍合金（Sn-Bi）錫膏與 SAC305 錫球的焊接點，在適當錫膏體積與回流焊溫度控制下，可看出錫球不僅具備良好的擴散性，且無熱滴淚（Hot Tearing）狀況發生。

• 利用 LTS 製程提升產品可靠度實測

不同合金之間的焊接點，容易因為分子擴散不佳，造成可靠度試驗出現早夭現象，宜特板階可靠度（BLR）實驗室針對 LTS 製程，使用小尺寸 WLCSP 封裝零件，執行異質合金焊接，並進行後續可靠度驗證，從溫度循環試驗（Temperature Cycle Test，簡稱 TCT）結果顯示， LTS 製程在可靠度 TCT 實驗中的表現，和一般無鉛製程相比，並不遜色。

由圖八可以看出小尺寸 WLCSP 封裝零件 SAC305Bump 分別與 LTS 錫膏 Sn-Bi-Sb-Ni 及 Sn-Bi-Ag 的配置在 TCT，表現並不劣於 SAC305Bump 與 SAC305 錫膏的配置。

▲圖八：執行一般無鉛製程（藍線-SAC305 錫膏）與 LTS 製程（黑線-Sn-Bi-Ag 錫膏、綠線-Sn-Bi-Sb-Ni 錫膏），並進行後續可靠度 TCT 實驗的比較圖

▲圖九：LTS 製程使用不同錫膏比例 TCT 實驗結果圖：藍線代表使用較少的錫膏量，黑線代表使用較多的錫膏量

在封裝材料無法解決 CTE 問題之前，LTS 製程不失為一個降低 Warpage 程度的方式。而在實際應用上還包含了主被動零件，如晶片電阻、電容、記憶體、晶體管等等，越早準備就越早能切入市場。本文與各位長久以來支持宜特的您，分享經驗，若您想要進一步了解 LTS 製程，請洽 +886-3-579-9909 分機 1068 邱小姐 Email:  marketing_tw@istgroup.com

（圖片來源：宜特科技）