自从迈入电子世代，人们就积极将电子产品微缩化，制造商也致力将半导体芯片、电子组件缩小，并将它们以焊接或插件等方式固定在载板及电路板上。不过到了九零年代，全球环保意识抬头，让具有绝佳电子及机械材料特性的传统含铅焊料饱受冲击，欧盟更率先于 2003 年公布、2006 年执行「危害性物质限制指令 (RoHS) 」，销往欧盟的电子产品禁用含铅、汞及镉等重金属的材料，这项规定带起电子材料无铅化的变革浪潮，也使业者必须投入无铅焊料的研发及量产。
无铅焊锡的熔点较高，若将其导入工艺，就必须克服调高回流焊接温度 (Reflow Temperature) 所衍生的问题，焊接的组件必须承受更高的温度，同时仍须确保产品寿命及可靠度。在这些无铅焊料的选择中，锡银铜 (SAC) 合金的焊点可靠度表现较佳，虽然工艺从锡铅 (SnPb) 合金转换到锡银铜合金时，SMT产线的回流焊峰值温度 (Reflow Peak Temperature) ，从原本的 220˚C 上升到了 250˚C 左右，但为了符合产品可靠度的要求，锡银铜合金也就一直沿用至今。
近年来，由于高性能运算 (High Performance Computing, HPC) 和人工智能 (Artificial Intelligence, AI) 演算的普及，在如此快速又复杂计算的应用上，传统板级 (Board-Level) 的构装方式，已无法应付高效能与高带宽、低功耗、多芯片整合、空间集积化的要求，业界需要先进封装工艺来克服这些问题，例如系统级封装 (System in Package, SiP) 和 2.5D Si 中介层封装 (Chip-on-Wafer-on-Substrate, CoWoS)，不过这种封装工艺搭配锡银铜高熔点无铅工艺时，却遇到了回流焊温度造成基板翘曲的难题，而可用于低温工艺且不含铅的低温焊锡 (Low Temperature Soldering, LTS)，即成为了众所瞩目的焦点。
低温焊锡的发展已有一段时日，起初源于各国积极落实环保碳中和政策，因为推动电子产品在生产工艺中必须减少碳排放，其中一项措施就是采用无铅低温锡膏工艺。而现今为了产品的良率及可靠度，更加速了这项材料的工艺验证及导入时程。一般通用的无铅锡膏 SAC305 (96.6% Sn、3% Ag、0.5% Cu) 熔点为 217°C，而无铅低温锡膏通常指含有「铋 (Bi)」金属的锡膏，在 SnBi 合金中 Sn64Bi35Ag1 的熔点只有 178°C、Sn42Bi58 的熔点更低只到 138°C，换句话说，含「铋 (Bi) 」锡膏的熔点比 SAC305 无铅锡膏低了 39°C～79°C。
|
无铅低温锡膏能符合低温工艺的需求，不过是否存在其他优缺点呢？ |
|
优点一、节省成本 |
因为无铅低温锡膏熔点较低，因此可调低表面贴焊工艺 (Surface Mount Technology, SMT) 的回流焊接温度，一并降低了电路板上使用耐高温的焊接组件及材料的成本，也因回焊炉温无须太高就能焊接，进而降低了设备的用电量，同时达到节省电源成本、节能减碳的目的。此外，有些塑料材质的插件式组件无法耐高温，因此会将 SMT 工艺拆成两道进行，而采用低温无铅锡膏因为降低了 SMT 工艺温度，就可以将工艺简化成一道，节省工艺时间及能源成本。
|
优点二、降低翘曲的发生 |
先进封装工艺需将许多不同类型的组件封在同一片基板上，例如 SiP 或 CoWoS，而在 SMT 工艺时，就会发生基板因回流焊接高温而翘曲变形、让组件与基板的接点产生额外的拉扯应力，导致焊接良率不佳，而增加生产成本。使用无铅低温锡膏能调低 SMT 工艺回流焊接温度、降低基板翘曲的程度，也改善了可靠度的问题。
|
无铅低温锡膏的缺点 |
焊点强度较差是无铅低温锡膏最需要改善的地方，不论是温度循环试验 (Temperature Cycling Test)、或机械冲击试验 (Mechanical Shock Test) 等可靠度验证项目，都不如主流使用的锡银铜合金锡膏来得坚固。因此，如何强化焊点可靠度，就成了低温锡膏的重要课题。锡膏材料业者致力进行研究，试图在 SnBi 合金添加其他元素来达成目的，例如加入「银 (Ag) 」能够加强焊点强度、并提升材料的抗疲劳性，有助于通过温度循环试验，部分专家认为是因材料中 Ag3Sn 合金的帮助，但由于银的化合物偏脆性，若含银量太多，反而会导致无法通过机械冲击试验，因此目前主流使用的无铅低温锡膏，含银量至多在 3% 以下。
导入无铅低温锡膏材料时，在 SMT 工艺的温度设定也必需互相搭配，来得到最佳的焊接效果、并通过产品可靠度验证。普遍的做法是在不影响焊接效果的前提下，尽量降低回流焊峰值温度，目的是减少电路板及载板在工艺中的热变形量，并借由增加回流焊峰值后的冷却速率，来加速固化低温焊锡的时间。不过，若过度提升回流焊峰值后的冷却速率，却有可能增加焊锡破裂的机会。因此最好先借由可靠度验证，来评估无铅低温锡膏的焊锡特性，选择出合适的温度冷却速率。
|
闳康科技提供客户在可靠度验证服务的 Total Solution，从实验规划、PCB制作、SMT 上板、进行可靠度试验，并进行完整的失效分析的服务 (图一) ，多年来已协助数家国际大厂进行焊点可靠度验证。闳康科技拥有完整的分析检测能力，也能帮助客户在进行可靠度验证后，快速找到焊点开裂的失效真因 (图二) 。
图一 闳康科技 - 可靠度验证服务的 Total Solution |
图二 (上)非破坏检测焊点开裂区域 (3D X-ray)；(下)焊点开裂区域的剖面分析 (SEM) |
|
焊点晶格分析 |
|
无铅低温锡膏的材料成分与现今主流的锡银铜合金锡膏差异很大，因此材料在上板后的焊锡特性也不同，特别是焊点的晶格分布对于质量、可靠度有极显著的影响。 |
对此，闳康科技引进电子背向散射绕射 (Electron Back Scatter Diffraction, EBSD) 分析设备，利用 EBSD 进行焊点的晶格分析，从材料晶格的微观结构对焊点的结晶型态及比例进行确认 (图三)，也能够针对焊点开裂的区域进行微观分析，寻找出失效真因 (图四)。借由闳康科技快速、完整的验证及分析检测能力，帮助客户更有效率地选择最适合的无铅低温锡膏、及优化的回流焊工艺条件，并提升产品的板级可靠度(Board-Level Reliability)，以加速客户的产品上市速度。
 图三 焊点晶粒组织及结晶分析 (EBSD) |
图四 焊点开裂区域的结晶分析 (EBSD) |
闳康科技秉持着成为客户最佳研发伙伴的目标，协助客户加速先进工艺与产品的量产上市时程，在快速发展的电子产业取得商业先机。
