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宜特與德凱宜特LTS製程驗證 助電子業實現減碳目標

  • 吳冠儀台北

宜特與德凱宜特LTS助電子業實現減碳目標。宜特科技

2021年9月底,台積電董事長劉德音特別接受媒體採訪,做出將在2030年減碳20%,2050年碳排放將清零的承諾,新聞一出成為當下產業焦點,原因不只是台積電的營業額驚人,光是它一家企業所減掉的碳量就等於台北市年排碳量,更重要的是半導體產業鏈互動緊密,台積電的做法將牽動供應鏈中的每一環節。

以2030年的目標為例,屆時若未能符合台積電要求的供應商,訂單極有可能因此流失,因此減碳一事已從過去行有餘力方行之作為,轉變為與企業生存攸關之事。

宜特科技可靠度工程處副總經理曾劭鈞。宜特科技

台積電的減碳動作雖然震撼整個半導體產業,不過宜特科技可靠度工程處副總經理曾劭鈞指出,包括微軟、Google、Apple等國際品牌大廠近幾年都已設定出明確的碳中和指標,國際化標準組織(ISO)也早已制定出規範組織的ISO 14064與產品規範的ISO 14067兩種溫室氣體規範。

除了減碳標準外,另一個品牌廠的重要標準是能源管理的ISO 50001,此標準的主要作用,是協助企業設定節能績效,而績效必須透過結構性方法達成,也就是需要相關供應鏈一起配合,而對相關供應鏈來說,目前效果最明確且相對容易的做法是變更組裝製程。

談到組裝製程的節能,必須從歐盟2003年通過、2006年正式實施的RoHS談起,這項指令限制了6項有害物質在各類型設備產品的採用,其中的鉛是電路板焊接的主要材料,因此這項規範對電子設備的影響非常大。

儘管影響甚鉅,但規範仍須遵守。在製程上,有鉛與無鉛的最大差別在於溫度,含鉛的銲錫僅需183℃就可完成焊接,無鉛的焊錫則須到217∼220℃,高溫除了帶來高耗能,同時也會造成PCB及大型零件變形。

LTS解決無鉛製程困境  宜特科技降低進入門檻

宜特科技零組件暨板階可靠度工程部經理莊家豪。宜特科技

宜特科技零組件暨板階可靠度工程部經理莊家豪緊接著指出,組裝過程常見的狀況是原本正常的IC晶片,在上板進入SMT後無法通過後續的驗證,近期這類型狀況最常見到的就是板材翹曲(warpage)問題,他解釋,翹曲的原因很多,近期宜特板階可靠度(BLR)實驗室常遇到的原因,則是系統級封裝(System in package)問題。

此類封裝是不同晶片整合在同一封裝中,而這些材質和功能各異的元件因熱膨脹係數,板材就會出現翹曲,尤其這類封裝受熱變化並非線性,而是隨著溫度的增加呈幾何反應,也就是溫度上升至某一數值時,彎曲程度會陡然增加。

在先進製程中,翹曲是常見狀態,如果變形量符合SMT可控制範圍,就能透過鋼板設計進行調整,翹曲程度較大者也可透過製程的治具設備矯正,但如果翹曲過於嚴重,像是系統級封裝這類尺寸較大晶片翹曲的幅度能達到數百μm,後段組裝製程就無法以調整鋼板設計或迴焊爐溫度來處理,必須將產品退到最初的IC設計。

過去為了防止因板材翹曲,造成產生的焊接成果不佳,宜特的板階可靠度(BLR)實驗室會先透過內部的Shadow Moiré模擬確認翹曲的數據,再藉著調整錫膏印刷鋼板設計及回流焊溫度,降低翹曲帶來的空焊與短路問題。

不過這種方式只能從結果端解決翹曲問題,要讓翹曲問題不復見,仍需從根本面著手,也就是降低製程溫度,而此一需求也與前文提到的節能趨勢結合,讓LTS(Low Temperature Soldering;低溫焊接)技術躍上檯面。

在談LTS之前必須先談錫膏,早期錫膏的主要成分是錫與鉛,無鉛規範出現後,錫、銀、銅合金開始大量被使用;爾後的LTS,廠商改用錫加鉍,不過錫鉍材質在焊接會變脆,因此後來廠商推出各種獨家配方的錫膏,現在的LTS主要是採用錫、鉍、銀等材質搭配而成,其低溫不僅可以解決翹曲問題,根據Intel在iNEMI(國際電子製造商聯盟)的報告指出,採用LTS的製程可節能40%。雖然LTS的成效卓著,不過因製程是牽一髮動全身,在整體產業對製程耗能並未有強制要求下,組裝業者的態度能不動就不動。

然而如今情勢丕變,不只客戶端開始要求低耗能,元件端的做法也開始改變,最明顯的例子就是近期CPU與GPU大廠已開始提出導入LTS製程的需求,在此上下游雙重壓力同時來襲下,組裝廠投入LTS已是必要作為。

曾劭鈞指出,對多數業者來說LTS屬於新技術,無論是元件端或系統端,對於技術認知和市場規範都仍不熟悉,因此宜特科技和德凱宜特分別推出LTS驗證平台,協助不同族群的業者降低技術進入門檻、讓產品可以順利出貨。

莊家豪進一步提到,宜特科技的LTS驗證平台主要是以元件和板階可靠度驗證為主。電子產品的可靠度測試(RA)可分為低應變與高應變兩類,低應變主要是針對上述溫度之類的環境變化對產品帶來的影響,高應變則是測試類似手機掉落之類的撞擊反應。

在低應變的熱循環方面,LTS的表現較無鉛錫膏更為優異,但在高應變部分,LTS的耐受度則會較弱,因此未來應用LTS之設備與組裝過程,會有更高的風險。在高應變測試部分,包括翹曲、震動、IC與PCB接合拉推力等,與手持式產品有高度相關的項目通通得做,目前手持式設備雖然尚未被要求使用LTS,不過有部分IC廠商已經開始投入研發,對此宜特已有提供了完整的板階可靠度驗證服務。

德凱宜特專業協助  LTS優化模組系統成品測試效益

德凱宜特工程發展室資深技術經理劉燊猷。德凱宜特

除了元件與板階外,LTS對系統廠的影響也相當大,德凱宜特則會提供此層面的測試服務。德凱宜特工程發展室資深技術經理劉燊猷指出,iNEMI(國際電子製造商聯盟)的研究報告中,採用LTS的產品目前雖不到1%,但在各界為展現保護地球意志的推動下,2027年將達到20%佔有率。

廠商導入LTS有三大動能,首先是前面提到的減碳趨勢,近幾年地球氣候變化快速,各類型企業也加快減碳腳步,LTS則被市場視為電子產品減碳的最佳做法之一。

第二是提升製程的良率與產品可靠度,現在無鉛錫膏所需的高溫,在製程中有可能導致主機板爆裂或IC電路斷裂,另外現在的消費性產品要求輕薄短小,而狹小空間中的熱效應會進一步放大,危及產品使用壽命,LTS的低溫特色則可解決此問題。

第三是優化製程效率,傳統的SMT為了防止焊接時的高溫破壞元件,必須再透過波焊(wave soldering)工序將插件式電子零件焊接於電路板上,使用LTS焊膏時,則可藉由其低溫特色,同時完成SMT及插件式電子零件的焊接,且不會因溫度傷及元件與主機板,在減少一道工序的狀態下,達到節省組裝成本並提升製程效率的目標。

至於要如何將現有製程轉換到LTS製程?劉燊猷點出兩個重點,第一個重點是導入LTS的手持式或室外產品必須經過可靠度驗證(RA)與故障分析(FA),由於LTS是新興技術,必須透過這兩種驗證手法了解產品內的主機板焊點強度,是否能滿足客戶期待也符合市場要求。

對於RA與FA,德凱宜特提供了熱應力測試與機械應力測試,也就是前面提到的高低兩種應變測試,熱應力測試主要是透過冷熱循環產生的熱應力來老化焊點,機械應力則是撞擊、掉落測試來確認焊點強度,這兩項也都是品牌廠必然要求的測試項目。

再搭配故障分析工具,於應力測試前後比對焊點品質,確保產品符合要求。劉燊猷坦言,就德凱宜特過去的經驗來看,LTS在機械應力的表現仍不及既有無鉛錫膏,因此現在業者已嘗試加入不同材質的微量元素,達到甚至超越其強度。

第二個重點是位於室內、掉落時受撞擊機率相對較低的產品,由於環境條件較佳,因此適合使用LTS,尤其是使用壽命落在2~5年間,或是內部有諸如點膠之類的焊點保護機制者的產品。

至於此類產品如果要在室外使用,則必須確保環境溫度低於40℃、產品內部溫度不要超過85℃。另外劉燊猷也建議元件上的錫球若採用LTS,應更謹慎對待,當錫膏與錫球均為LTS時,焊點容易因熱產生裂縫,導致產品失效風險增加。

完整專業服務  襄助企業落實ESG

德凱宜特互連工程部經理彭思堯。德凱宜特

德凱宜特互連工程部經理彭思堯表示,在節能減碳趨勢與製程效能兩方面的驅動下,LTS逐漸受到全球電子產業重視,不過由於此技術仍相當先進,在焊點可靠度與不同低溫錫膏材質比較數據量不充足的狀態下,台灣業者因擔心組裝完成時主機板上的各類元件無法相容,因此目前多抱持觀望態度。但就如前文提到,現在產業鏈上下游都已啟動,導入LTS已是必要作為,因此業者必須加緊腳步。

為了協助台灣業者加速導入,宜特科技與德凱宜特早已展開相關布局,提供產業鏈中元件、板階、主機板等不同環節的LTS測試服務。曾劭鈞表示該公司與德凱宜特擁有台灣規模最大的可靠度驗證實驗室,宜特科技在零組件與板階的可靠度驗證是全球第一,無論是產能或經驗都是最豐富,德凱宜特在系統方面驗證與測試的技術含量也是業界首屈一指,面對目前市場上各類錫膏廠商的產品,宜特科技與德凱宜特可藉由長期累積的經驗,從第三方角度提供專業且客觀的報告。

德凱宜特台灣業務處協理許文其。德凱宜特

德凱宜特台灣業務處協理許文其則從市場面分析,他指出消費性產品對市場的敏感度較高,轉型的速度通常也較快,目前不僅多數NB、網通等大型產品設備業者已制定LTS策略,CPU與其他零組件大廠也動作頻頻,至於伺服器之類的商業設備,因對穩定度有更多考量,因此動作較慢,不過LTS也被業者視為未來既定趨勢。

從整體市場來看,LTS將會在2022年開始大幅成長,他建議台灣業者可善用宜特科技與德凱宜特長年深耕此領域所累積的經驗,透過專業數據選擇合適的夥伴,並記錄、優化碳權的使用,從而落實企業節能減碳的ESG願景。