自從邁入電子世代，人們就積極將電子產品微縮化，製造商也致力將半導體晶片、電子元件縮小，並將它們以焊接或插件等方式固定在載板及電路板上。不過到了90年代，全球環保意識抬頭，讓具有絕佳電子及機械材料特性的傳統含鉛銲料飽受衝擊，歐盟更率先於2003年公佈、2006年執行「危害性物質限制指令」(RoHS)，銷往歐盟的電子產品禁用含鉛、汞及鎘等重金屬的材料，這項規定帶起電子材料無鉛化的變革浪潮，也使業者必須投入無鉛銲料的研發及量產。

無鉛焊錫的熔點較高，若將其導入製程，就必須克服調高回流焊接溫度(Reflow Temperature)所衍生的問題，焊接的元件必須承受更高的溫度，同時仍須確保產品壽命及可靠度。在這些無鉛銲料的選擇中，錫銀銅(SAC)合金的焊點可靠度表現較佳，雖然製程從錫鉛(SnPb)合金轉換到錫銀銅合金時，表面貼焊製程(Surface Mount Technology，SMT)產線的回焊流峰值溫度(Reflow Peak Temperature)，從原本的220℃上升到了250℃左右，但為了符合產品可靠度的要求，錫銀銅合金也就一直沿用至今。

近年來，由於高性能運算(High Performance Computing，HPC)和人工智慧(Artificial Intelligence，AI)演算的普及，在如此快速又複雜運算的應用上，傳統板級(Board-Level)的構裝方式，已無法應付高效能與高頻寬、低功耗、多晶片整合、空間集積化的要求，業界需要先進封裝製程來克服這些問題，例如系統級封裝(System in Package，SiP)和2.5D Si中介層封裝(Chip-on-Wafer-on-Substrate，CoWoS)，不過這種封裝製程搭配錫銀銅高熔點無鉛製程時，卻遇到了回流焊溫度造成基板翹曲的難題，而可用於低溫製程且不含鉛的低溫焊錫(Low Temperature Soldering，LTS)，即成為了眾所矚目的焦點。

低溫焊錫的發展已有一段時日，起初源於各國積極落實環保碳中和政策，因為推動電子產品在生產製程中必須減少碳排放，其中一項措施就是採用無鉛低溫錫膏製程。而現今為了產品的良率及可靠度，更加速了這項材料的製程驗證及導入時程。一般通用的無鉛錫膏SAC305 (96.6% Sn、3% Ag、0.5% Cu)熔點為217℃，而無鉛低溫錫膏通常指含有「鉍」(Bi)金屬的錫膏，在SnBi合金中Sn64Bi35Ag1的熔點只有178℃、Sn42Bi58的熔點更低只到138℃，換句話說，含「鉍」錫膏的熔點比SAC305無鉛錫膏低了39℃~79℃。

無鉛低溫錫膏能符合低溫製程的需求，不過是否存在其他優缺點呢？

優點一、節省成本

因為無鉛低溫錫膏熔點較低，因此可調低SMT的回流焊接溫度，一併降低了電路板上使用耐高溫的焊接元件及材料的成本，也因回焊爐溫無須太高就能焊接，進而降低了設備的用電量，同時達到節省電源成本、節能減碳的目的。此外，有些塑膠材質的插件式元件無法耐高溫，因此會將SMT製程拆成兩道進行，而採用低溫無鉛錫膏因為降低了SMT製程溫度，就可以將製程簡化成一道，節省製程時間及能源成本。

優點二、降低翹曲的發生

先進封裝製程需將許多不同類型的元件封在同一片基板上，例如SiP或CoWoS，而在SMT製程時，就會發生基板因回流焊接高溫而翹曲變形、讓元件與基板的接點產生額外的拉扯應力，導致焊接良率不佳，而增加生產成本。使用無鉛低溫錫膏能調低SMT製程回流焊接溫度、降低基板翹曲的程度，也改善了可靠度的問題。

無鉛低溫錫膏的缺點

焊點強度較差是無鉛低溫錫膏最需要改善的地方，不論是溫度循環試驗(Temperature Cycling Test)、或機械衝擊試驗(Mechanical Shock Test)等可靠度驗證項目，都不如主流使用的錫銀銅合金錫膏。因此，如何強化焊點可靠度，就成了低溫錫膏的重要課題。錫膏材料業者致力進行研究，試圖在SnBi合金添加其他元素來達成目的，例如加入「銀」(Ag)能夠加強焊點強度、並提升材料的抗疲勞性，有助於通過溫度循環試驗。部分專家認為是因材料中Ag3Sn合金的幫助，但由於銀的化合物偏脆性，若含銀量太多，反而會導致無法通過機械衝擊試驗，因此目前主流使用的無鉛低溫錫膏，含銀量至多在3%以下。

導入無鉛低溫錫膏材料時，在SMT製程的溫度設定也必需互相搭配，來得到最佳的焊接效果、並通過產品可靠度驗證。普遍的做法是在不影響焊接效果的前提下，盡量降低回焊流峰值溫度，目的是減少電路板及載板在製程中的熱變形量，並藉由增加回焊流峰值後的冷卻速率，來加速固化低溫焊錫的時間。不過，若過度提升回焊流峰值後的冷卻速率，卻有可能增加焊錫破裂的機會。因此最好先藉由可靠度驗證，來評估無鉛低溫錫膏的焊錫特性，選擇出合適的溫度冷卻速率。

閎康科技提供客戶在可靠度驗證服務的Total Solution，從實驗規劃、PCB製作、SMT上板、進行可靠度試驗，並進行完整的失效分析的服務(圖1)，多年來協助世界級智慧手持、伺服器業者進行焊點可靠度驗證。閎康科技擁有完整的分析檢測能力，也能幫助客戶在進行可靠度驗證後，快速找到焊點開裂的失效真因(圖2)。

圖1：閎康科技可靠度驗證服務的Total Solution。

圖2：(上)非破壞檢測焊點開裂區域(3D X-ray)；(下)焊點開裂區域的剖面分析(SEM)。

焊點晶格分析

無鉛低溫錫膏的材料成分與現今主流的錫銀銅合金錫膏差異很大，因此材料在上板後的焊錫特性也不同，特別是焊點的晶格分佈對於品質、可靠度有極顯著的影響。

對此，閎康科技引進EBSD分析設備，利用EBSD進行焊點的晶格分析，從材料晶格的微觀結構對焊點的結晶型態及比例進行確認(圖3)，也能夠針對焊點開裂的區域進行微觀分析，尋找出失效真因(圖4)。藉由閎康科技快速、完整的驗證及分析檢測能力，幫助客戶更有效率地選擇最適合的無鉛低溫錫膏、及最佳化的回焊流製程條件，並提升產品的板級可靠度(Board-Level Reliability)，以加速客戶的產品上市速度。

圖3：焊點晶粒組織及結晶分析(EBSD)。

圖4：焊點開裂區域的結晶分析(EBSD)。

閎康科技秉持著成為客戶最佳研發夥伴的目標，協助客戶加速先進製程與產品的量產上市時程，在快速發展的電子產業取得商業先機。

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2023年3月號

活動簡介

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