低溫錫膏(LTS)製程有機會成為未來主流嗎?還是曇花一現?

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過去為了因應歐盟的「有害物質限用指令(Restriction of Hazardous Substances Directive 2002/95/EC, RoHS)要求,PCBA(電路板組裝)製程的焊錫從錫鉛(SnPb)轉變為錫銀銅(SAC)合金,卻相對的提高了焊錫的熔接溫度。為了因應節能減碳大趨勢,現在似乎有越來越多企業正在嘗試將SAC高溫製程往低溫製程(Low Temperature Soldering, LTS)方向發展的趨勢

其實當初焊錫製程轉入SAC合金後,SMT生產線的回焊峰值溫度(peak temperature)也從原本的220˚C上升到了250˚C左右,而焊錫溫度的升高也意味著零件材料及生產成本的提高,比如說需要使用到更耐高溫的材料,最大的改變是工程塑膠材料變更,另外,高溫也惡化了生產的品質,比如說材料在高溫下更容易變形造成焊接不良。

而目前最為大家所熟知的低溫焊錫則是以錫(Sn)為基礎添加鉍(Bi)的錫鉍(SnBi)與錫鉍銀(SnBiAg)合金。所以,今天我們就來大致探討一下LTS的優缺點、可行性與未來可能趨勢。

LTS製程的優點:

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LTS製程的缺點:

低溫焊錫的最大缺點就是其焊點的機械強度不佳,也就是說焊點比較脆且容易因應力作用而產生錫裂現象。與SnPb及SAC合金焊錫比較起來,SnBi合金的焊錫強度就顯得非常不耐冷熱衝擊(thermal shock)與摔落撞擊(impact drop)。

Hot-tearing缺點容易出現在SAC錫球與SnBi錫膏的混合焊接製程的PCB焊墊表面,其實Hot-tearing也容易出現在無鉛與錫鉛的混合(hybrid)製程中,尤其好發在BGA這類已經有預焊錫的零件焊點。這是因為在焊接的過程中,SAC錫球的熔點較高,不易熔化,就算熔化後在冷卻的過程中也會較早固化,而SnBi錫膏則一定會在回焊的過程中熔化,冷卻時也會比SAC更慢固化。想像一下在回焊爐的冷卻過程中,BGA錫球已經固化或根本就未熔化,只剩下一小部分呈現漿態的SnBi焊錫,這時PCB及BGA載板也從高溫的變形中漸漸回復,一旦高溫時BGA載板與PCB的間隙較小(變形)而回溫後間隙變大(變形回復),就會拉扯那些還未來得及完全固化的漿態SnBi焊錫,於是形成像是撕扯過的Hot-tearing裂縫。

SAC合金的BGA錫球與低溫錫膏(LTS)混用時該使用何種溫度曲線(temperature profile)?

其實使用低溫錫膏(LTS)時最好配合同時使用低溫錫球及低溫profile,這樣才能取得低溫錫膏的所有好處與最佳的焊接效果與品質。不過迫於現實的無奈,目前市面上幾乎拿不到低溫錫球的BGA,所以只好退而求其次,混用低溫錫膏(LTS)與SAC合金的BGA錫球。

如果想要取得SAC與低溫錫膏混用的最佳品質效果,就得想辦法降低Hot-tearing所造成的影響,而其最好的溫度profile則為沿用SAC的溫度profile,因為高溫profile可以同時熔化SAC與SnBi合金,讓SAC有機會擴散至SnBi合金區域,進而改變SnBi配方的合金比率,這樣就有機會可以稍稍拉升SnBi區域的固化溫度,另外建議要加速峰值溫度後的冷卻速率,尤其是加速217˚C(SAC305)到138°C(Sn42Bi58)之間的降溫速率,目的是在SAC焊錫區域固化後,讓SnBi焊錫區域可以在最短時間內也跟著馬上固化。不過這麼一來就失去了使用LTS的所有優點,而且焊錫強度還沒有SAC合金來得好,還不如直接使用SAC錫膏。所以,以上所言的根本就是一堆廢話嘛!XD

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相信大部分會選用低溫錫膏的情況,都是因為零件無法承受SAC的高溫profile。在這種情況下只能選用低溫錫膏的低溫profile,個人建議在不影響焊接品質的情況下要盡量降低回焊的峰值溫度,其目的是為了降低PCB及BGA載板在回焊時的熱變形量,而同時還要加速回焊峰值溫度後的冷卻速率,目的當然也是為了在板子變形回復前就搶先固化低溫焊錫,不過如果過度加速冷卻速率可能有惡化BGA焊錫破裂的風險,建議應確實評估,做過信賴性測試比較後選出一個較佳的溫度冷卻速率才執行,至於如何評估LTS的焊錫性,台灣有幾家實驗室都有類似的服務,可以先諮詢這些實驗室。不建議調升回焊峰值溫度,因為溫度越高,PCB及BGA載板的變形量就會越大。

如何加強LTS的機械強度?加強焊錫強度?

目前比較可行的LTS焊點補強方案為使用底部填充膠(underfill),這方案其實在CSP(Chip Scale Package)及flip-chip一開始出現的時候就有了,後來也應用到BGA上面,一般會使用環氧樹脂(epoxy)材質的膠水點在BGA或相似零件的邊緣,藉由毛細作用的原理讓膠水滲透並充滿零件的底部,然後加熱固化,達到填充縫隙、強化焊點的目的,後來也有人採用黏稠度比較高的膠水選擇性點在BGA的四個角落(coner bond)或BGA四邊緣(edge bond)來強化固定。

後來也有所謂的underfilm(底部填充片)出現,在板子印刷錫膏後透過SMT貼片機來將其擺放在PCB的BGA位置(避開焊點),然後上面才放置BGA,最後與BGA一起通過回焊爐高溫來融化膠片填充空隙,冷卻後凝固。不過要注意的是,underfill都是在板子組裝完成且功能測試無誤後才會作業,而underfilm則是在SMT製程中就添加,產品的良率如果不高的話,重工將會非常麻煩。

另外,隨著LTS應用的增加,現在也有所謂的【Epoxy paste】及【Epoxy flux】製成應運而生。【Epoxy paste】是在錫膏中添加epoxy,直接印刷錫膏過回焊加熱就可以了,但既然是添加在錫膏中,其用量就不可能多,對BGA零件的焊錫強度加強可能有限,但如果僅針對片式零件(chip component)或是LED燈板來說應該還是會有些效果的。【Epoxy flux】則採用錫膏印刷後點膠作業再貼片,有點類似underfilm。以上兩種添加Epoxy的製程效果其實都有待進一進驗證,而且都是在測試前就已完成作業,對良率不高的產品使用前建議斟酌使用。

就工作熊自身的應用經驗,添加underfill確實可以起到加強BGA抗應力的能力,但只能延緩焊錫因為應力作用所噵致破裂的問題,而無法完全根治,也就是說使用一段時間後,該出問題的焊點還是會出問題。所以,解鈴還須繫鈴人,要想辦法盡量降低影響焊點的應力來源。

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那些產品有機會可以採用LTS製程?

既然我們已經了解到LTS製程產品的焊點比較脆、不耐應力,所以只要電子產品的使用環境不是處在劇烈的熱應力(高低溫循環)變化或機械應力(摔落撞擊)作用,以及產品無長期壽命設計保證需求下,應該都可以考慮導入LTS(低溫錫膏)製程,畢竟LTS既可以節能又可以省成本。以下是一些業界引用LTS的準則參考:

目前看到LTS比較多運用在LED燈上面,mini-LED也有少部分採用,部分PC的產業也在評估中。

低溫製程的未來發展趨勢?

以節能減碳的角度來看LTS錫膏製程確實比較節省能源,也能降低零件對高溫塑膠材料的要求省成本,但目前的LTS錫膏有個致命的缺點,就是普遍的信賴性不佳,焊點比較脆,或許對一些細小零件不會造成太大影響,但對一些有應力承受需求的零件,比如I/O零件,或是產品受外力作用後可能彎曲電路板的產品,或是經常處於震動或是熱應力作用下的產品,就不太適合LTS製程,只能說LTS錫膏雖然能符合節能減碳訴求,但依然還有很長的路要走,也或許LTS最終無法完全取代SAC,比較可能是LTS與SAC並行。


延伸閱讀:
如何挑選錫膏 (Solder paste selection)
低溫錫膏製作HotBar焊接的可行性評估
介紹認識【錫膏(solder paste)】的基本知識
焊接採用無鉛低溫錫膏SnBi, SnBiAg的目的?

 
 
訪客留言內容(Comments)

請問是筆誤嗎~開頭照片是LTD? 應該是LTS?

小陳,
是的!應該是筆誤,已訂正。

今天看到這段影片:
https://www.youtube.com/watch?v=ezYCR-QNjHg
印證了您的看法。

最近LTS技术在某大牌的笔记本上出现问题,引起热烈讨论;我想起曾经在工作熊这里看过LTS的文章;再次仔细分析,确实如文中所说,SAC锡球与SnBi焊锡在焊接时由于各自熔点温度差异导致机械强度变差,遇到类似情况也只能增加一些补救措施。

Jacob,
有長期信賴性、耐衝擊、高低溫循環需求的產品不建議使用LTS解決方案,因為其焊點就是比較脆且容易失效。


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