邁向碳中和之路 低溫焊錫(LTS)技術應用

作者 | 發布日期 2021 年 12 月 02 日 12:00 | 分類 PCB , 晶片 Telegram share ! follow us in feedly


在全世界共同追求碳中和的聲浪中,蘋果公司已在《2020環境進展報告》中表示,為了實現碳中和,計畫將所有業務、生產供應鏈及產品生命週期的淨碳排放量降為零。中國近期也因應碳中和,嚴格執行「能耗雙控」政策,在十多個省區實施限電。碳中和已不僅是各國的環保議題,更成為產業必然發展趨勢,如何在這個潮流中站穩腳步並找出新方向,是整個產業鏈都需要面對的議題。

根據國際電子製造商聯盟(International Electronics Manufacturing Initiative : 簡稱 iNEMI)的預測,低溫焊錫(Low Temperature Soldering : 簡稱 LTS)技術應用產品的佔有率將從目前低於 1% 提高至 2027 年 20% 以上,顯現電子產業對環境議題的重視及永續發展的實踐。

低溫焊錫(後簡稱 LTS)帶來的效益不僅是節能減碳,也能降低電子零組件在高溫焊錫時的失效與不良現象,甚至能夠藉由優化電子工業的電子零部件組裝技術,達到縮減製造流程及營運成本的效果。然而在 LTS 導入初期還是不免會遇到隱藏性工程問題,因此在產品上市前進行可靠度驗證的重要性不容忽視。

依據深厚驗證經驗,德凱宜特與宜特科技共同提出在 LTS 可靠度驗證上的三大項重點:

一、執行焊點品質可靠度驗證分析是 LTS 導入初期的必要選項

因低溫 Sn-Bi 合金是由偏脆性(Brittleness)金屬物組成,所以相較於現行高溫 Sn- Ag-Cu 合金,不論是熱應力或機械應力的可靠度耐受性都呈現略弱傾向。為提升 LTS 焊點可靠強度,目前在導入初期,錫膏供應商正致力於研究改善以Sn-Bi合金為基礎下(熔點溫度 Tmelt 為 138 – 140˚C),朝金屬的延展與顆粒細緻化特性邁進,其中有添加不同微量金屬物之對策,如銀 Ag、銦 In、銻 Sb 等,期許 LTS 的可靠度水準能靠近甚至超越高溫錫膏。

但初期應用 LTS 焊點強度變異仍存在些未知數,所以更顯示品質可靠度驗證及檢驗分析的重要性,必要的測試項目包含熱應力(參考規範: 熱溫度循環 TCT_IPC-9701)(Fig.1)及機械應力(參考規範: 落下衝擊 Mechanical Shock Test _ JESD22-B110A)(Fig.2)可靠度測試去驗證焊點的抵抗失效韌度與強度,然後透過故障分析(Failure Analysis;簡稱 FA)的檢驗手法(Fig.3,4)去發現驗證前後的產品品質水準所在,並找出製造組裝發生問題的原因並研究出改善方法,以提高客戶對產品的信任度。

▲Figure 1:TCT Test
(Reference:IPC-9701 & DEKRA iST)

▲Figure 2:Mechanical Shock Drop Test
(Reference: SMTA report)

▲Figure 3:FA 焊點品質檢驗分析
(Reference: DEKRA iST)

▲Figure 4 : 熱衝擊應力測試(Thermal Shock Test:簡稱 TST)焊點分析
(Reference:DEKRA iST)

二、產品可採用 LTS 製程的考量原則

只要電子產品的使用環境不是處在劇烈熱應力或機械應力的變化、以及非長期產品壽命設計保證下,皆可考慮導入低溫焊錫製程。以下提供一些業界的引用準則:

  • 設計壽命 2~5 年
  • 主要零件有額外應用焊點補強保護機制,如點膠或塡膠
  • 在一般的室內環境中使用
  • 產品身處環境最好低於 40˚C,最大運作溫度盡量不超過 85˚C

三、留意低溫焊錫易出現的焊點熱裂縫(Hot Tearing)異常

嚴重熱裂縫(Hot Tearing)現象,如果出現位置在與銅焊墊交界的介面,會形成可靠度不佳的焊點(Fig.5)。Hot Tearing 主要成因是低溫焊錫的焊點在冷卻固化過程中,其內部會出現大量固、液混合相的漿態(Pasty)物質(Fig.6),尤其是含鉍(Bi)百分比量愈少的錫膏,它出現機率愈高。當這個漿態形成物無法在短時間內透過快速冷卻速度的催化達成完整一致性凝固,則處在較慢固化區域的漿態相物質容易在較快已固化的金屬周邊慢速萎縮固化形成 Hot Tear 異常。但此異常如出現在焊錫球本體內部,以 IPC-A-610H 判定觀點是可接受的(Fig.7)。

▲Figure 5:Hot Tearing
(Reference:DEKRA iST)

▲Figure 6:Sn-Bi Phase Diagram 錫-鉍 相圖
(Reference: DEKRA iST)

▲Figure 7:IPC-A-610 Hot Tear 規定
(Reference:IPC-A-610)

未來低溫焊錫(LTS)的應用趨勢必會與高溫焊錫並行,因此 LTS 相關材料的組成也會與時精進,期待 LTS 電子產品的品質可靠度與高溫焊錫製程商品並駕齊驅。在 LTS 技術應用全面普及前,熱應力及機械應力可靠度的先期驗證及失效檢驗分析都是產品必經之路,高可靠度就是產品的品質保證。

針對 LTS 技術,德凱宜特與宜特科技聯手打造連結產業鏈上下游的可靠度專業諮詢與驗證服務平台。宜特科技專精於零件及板階可靠度(Board Level Reliability: 簡稱 BLR);德凱宜特則專注於系統可靠度(System Level Reliability:簡稱 SLR),兩者聯合提供產業一站式驗證規劃,協助廠商在世界共同追求碳中和的聲浪中搶得市場先機。

本文與各位長久以來支持德凱宜特與宜特的您,分享 LTS 經驗,若您想要進一步了解 LTS 製程或相關服務,請洽宜特科技:+886-3-579-9909 分機 1068 邱小姐 Email: marketing_tw@istgroup.com

(圖片來源:宜特科技)