降低翹曲 Warpage 變形量就靠低溫焊接 LTS 製程

作者 | 發布日期 2021 年 07 月 27 日 12:00 | 分類 晶片 Telegram share ! follow us in feedly


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?

▲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)