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品牌大廠想降低碳排放,低溫焊錫(LTS)是未來主流製程嗎?

宜特科技_96
・2024/08/20 ・3298字 ・閱讀時間約 6 分鐘

筆電大廠聯想、CPU 大廠 Intel 早在 2017 年就提出低溫焊錫製程(LTS),為何需要電子零組件會用到低溫?企業邁向淨零碳排之路,LTS 會成為消費型產品的主流製程嗎?

本文轉載自宜特小學堂〈LTS 製程真的是未來主流嗎〉,如果您對半導體產業新知有興趣,歡迎按下右邊的追蹤,就不會錯過宜特科技的最新文章!

二十世紀起,溫室氣體排放增加導致全球暖化,歐盟在 2005 年已啟動碳排放交易機制,目標是在 2030 年的時候要比 1990 年減碳 55%,在 2050 年要達到碳中和。現在全球有超過 140 個國家包括臺灣,正朝向 2050 年達成淨零碳排努力中。如今剩餘不到 30 年,這場淨零碳排大挑戰,企業扮演了至關重要的角色。

淨零碳排(Net Zero)。圖/宜特科技

根據統計,電子產品的製程從無鉛製程更改成低溫焊錫製程(Low Temperature Soldering,下稱LTS),SMT(表面黏著)製程的整體費用每年可減少約 40% 成本開銷,二氧化碳排放一年可以減少約 31~57 噸,不論是減碳還是節省成本效益都十分明顯。

E:\技術文章(宜特撰寫)2015.11.02備份\2017\2017.9 3D Xray\圖檔\原檔\HTTP3BpYzcwLm5pcGljLmNvbS9maWxlLzIwMTUwNjE3LzIxMjcyNDYzXzExNTA1MjM1MzkxOF8yLnBuZwloglog.jpg什麼是SMT?

SMT(Surface Mount Technology,又稱表面黏著技術)是一種將電子元件(如電阻、電容和晶體管)安裝到電路板(PCB)表面上的技術。先在電路板上需要焊接的位置印上錫膏,再放上電子元件,然後加熱讓錫膏融化包覆住元件,待冷卻後錫膏固化就完成焊接。

表面黏著技術(SMT)。圖/維基百科

那為什麼我們會預估 LTS 製程將成為未來的主流呢?

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根據國際電子製造商聯盟(International Electronics Manufacturing Initiative,簡稱 iNEMI)預測,低溫焊錫(下稱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,這項數據變化顯現了電子產業對環境議題的重視及永續發展的實踐。

近幾年,宜特科技與德凱宜特陸續接到從終端品牌大廠、系統組裝廠、PCB 板廠乃至 CPU、GPU 晶片大廠,都紛紛詢問是否能夠進行 LTS 驗證測試,可見半導體產業鏈上下游都已啟動,代表導入 LTS 已勢在必行。本文由宜特科技與德凱宜特合作,將帶大家深入了解 LTS 製程優勢,及 LTS 在可靠度試驗將面臨的議題。

LTS 製程兩大優勢

LTS 可協助企業降低生產成本

我們先介紹 LTS 的優勢,除了環保節能外成本控管是一大誘因。

(1) 材料成本:由於原先的無鉛製程中,晶片與 PCB 必須滿足溫度範圍 220oC~260oC,因此所選擇材料必須考量到能承受高溫的環境,高於再結晶溫度選擇就是其中之一,但往往就要付出更多成本。如果是選擇低溫錫膏,SMT 就可降低至 140oC~170oC,材料也不用刻意選擇耐受更高溫,選用一般再結晶溫度即可,一來一往晶片與 PCB 都能使用較低成本製作。

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(2) SMT 製程縮短:針對需插件式元件,由於本體大多為塑膠材料無法抵抗無鉛製程的溫度,必須選擇波峰焊,導致無鉛 SMT 流程就必須有兩道。如果是選擇 LTS 製程,插件式元件能夠承受 LTS 溫度,SMT 僅需一次就可以把所有元件組裝在 PCB 上,大幅降低工時,以企業角度來看對於成本的控管就能有立竿見影的效果。

LTS 可降低翹曲的發生

異質整合是目前先進製程趨勢,雖然異質晶片雖然具有節省空間、性能提升、功耗降低的種種優點,但複雜的堆疊結構,加上各種晶片的厚度、材料不同,隨之而來會遇到一種常見狀況—翹曲(Warpage)。此狀況,隨著製程溫度上升越明顯,翹曲狀況就更嚴重(如下圖)。

延伸閱讀: 掐指算出 Warpage 翹曲變形量 速解 IC 上板後空焊早夭異常

樣品尺寸 30x30mm,在不同溫度點翹曲變化量。圖/宜特科技

LTS 出現後,翹曲問題似乎就出現了一絲曙光,因為晶片翹曲是依據溫度上升逐漸放大,溫度越高產生的變形也越大,假如 SMT 生產只需一半的溫度時,翹曲是否也只有一半?

答案其實是肯定的,根據宜特與德凱宜特可靠度驗證實驗室的經驗,當樣品尺寸介於 30×30 到 50x50mm 範圍內,140oC~160oC 翹曲的程度相較 240oC~260oC,能夠降低 50~70%。這表示,在不變更任何晶片的設計,透過低溫錫膏就能克服 SMT 過程產生翹曲的現象! 

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低溫錫膏在可靠度上會遇到問題嗎?

可靠度是為了保障消費者在購買產品後,不受環境或外力的因素並可以正常使用。如果製程更換成低溫錫膏,可靠度是否會有影響呢?

事實上,低溫錫膏在可靠度的確遇到瓶頸,低溫錫膏成分是由錫(Sn)與鉍(Bi)合金組成,但鉍金屬較脆,在應力相關測試時(例如:衝擊與彎曲試驗),會比現今業界常用錫-銀-銅合金稍弱一些,這會使市場不敢大膽地去變更製程材料。不過近年錫膏商會在錫鉍合金中加入第三種或第四種金屬以增加整體強度,其可靠度壽命已經能與錫-銀-銅合金差異不大。

目前針對低溫錫膏的可靠度驗證尚無行業規範,現在已有大廠規範其測試項目主要為兩項,一是溫度循環試驗(Thermal Cycling Test);二是衝擊測試(Shock Test),針對溫度循環試驗,宜特與德凱宜特實驗室在新型低溫錫膏也有初步的驗證結果。介紹如下。

溫度循環試驗:低溫錫膏比一般錫膏壽命提升約 50%-60%

當在錫鉍合金中增加第三種或第四種合金元素,執行溫度循環壽命試驗後,實驗結果顯示,壽命分析較錫-銀-銅合金提升約 50~60%(如下圖),這表示低溫錫膏對於環境類測試的影響較小。不過此結果是選擇較小的晶片進行測試,目的是比對各種錫膏之差異性,當選擇較大晶片來進行驗證時,壽命分布應該會更接近。

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不同錫膏溫度循環壽命分析。圖/宜特科技

低溫錫膏不耐高溫,工作與應用環境溫度須審慎評估

從溫度循環壽命試驗的實驗結果顯示低溫錫膏加入其他金屬,是有助於壽命提升的。但由於低溫錫膏的熔點溫度較低,材料再結晶溫度會趨近工作溫度與環境溫度,這會讓整體焊點結構還沒達到熔點溫度前,就會進行結構調整。根據下圖的驗證結果,進行溫度循環試驗前,我們針對低溫錫膏烘烤 96 小時,與未經烘烤比對後發現壽命下降約 15%。

這表示晶片或環境溫度達到 100oC 以上,焊點結構強度會逐漸下降,所以使用低溫錫膏時工作環境溫度與應用就須審慎評估,而不是每項產品都適合。

烘烤 96 小時壽命分析。圖/宜特科技

衝擊試驗(Shock Test)得知壽命特性之外,其他應力試驗也需考量

針對低溫錫膏應力問題,目前大廠規範多選擇衝擊測試(Shock Test)來驗證焊點強度,主要來自於衝擊測試會產生較大的應變力,因此可在短時間獲得壽命特性。不過除了衝擊測試外,產品在組裝過程中的負載強度、形變量、晶片承受壓力等,這些在低溫錫膏導入後,都必須考量進去,藉以確保可靠度品質能與現今製程有相同保障。

雖然低溫焊錫製程(LTS)在應用上,仍需要經過可靠度驗證等多方測試,才能確保產品結構與壽命。但面對減碳壓力及成本考量,宜特科技與德凱宜特實驗室分析認為,LTS 仍會成為未來主流趨勢。我們已布建完整低溫焊接製程驗證平台(LTS Platform),從測試機台、分析工具、板材與相關錫膏材料驗證等,可以大數據分析方式協助大廠進行材料開發,並針對市場需求建置更完整相關設備,提出更符合產品驗證流程。

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此外,針對減碳議題,宜特亦提供碳水足跡盤查輔導與驗證服務,針對組織型溫室氣體與水足跡盤查 ISO 14064、碳足跡盤查 ISO 14067 以及溫室氣體節能 ISO 50001 等輔導服務。

本文出自 宜特科技。

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宜特科技_96
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我們了解你想要的不只是服務,而是一個更好的自己:) iST宜特自1994年起,以專業獨家技術,為電子產業的上中下游客戶, 提供故障分析、可靠度實驗、材料分析和訊號測試之第三方公正實驗室

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不是不會髒,而是更難沾:耐污馬桶的表面科學
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/09/22 ・3364字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文與 Panasonic 合作,泛科學撰文 

●以下科學研究內容作為知識分享,不直接與Panasonic A La Uno全自動洗淨馬桶產品功能連結

在做家務的痛苦排行榜上,「刷馬桶」絕對名列前茅。明明天天都在沖水,但過不了幾天,馬桶內壁邊角總會浮現黃黃的水垢、角落發黑的霉斑,甚至是那些刷掉又長出來的粉紅色污垢(黏質沙雷氏菌)。

許多市售衛浴設備常標榜「神奇抗污」或「永久不沾」,讓人誤以為安裝後便能永保潔淨。然而從材料科學的角度來看,世上並無能使污垢憑空消失的魔法。所謂「耐污」的實質機制,並非打造完全不沾染髒污的材質,而是調整表面的物理與化學屬性,使水垢和微生物難以強力附著。一旦降低了污垢與內壁之間的附著力,透過日常水流沖刷,便能輕易地將髒污帶走。

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為什麼污垢「黏不住」? 

要搞懂為什麼某些特殊表面能做到「耐污」,我們得先像偵探一樣,拆解馬桶裡的髒污究竟是怎麼「抓緊」材料表面的。馬桶內壁的污垢主要有兩大難纏的元兇:

  1. 水垢與礦物沉積*1:我們日常使用的自來水中含有鈣、鎂等金屬離子。當水滴在表面經歷反覆的濕潤與蒸發乾燥循環時,這些離子會逐漸結晶析出,變成硬度極高、緊緊「卡」在微觀縫隙裡的礦物質水垢。
  2. 生物膜與有機物*2:包含尿液中的無機鹽、油脂殘留,以及細菌入侵後分泌出像超強膠水一般的聚合物,所組成的黏滑防禦大本營。
關鍵不是沖水,而是「這些污垢如何抓住表面」

這兩大類污垢想要在材料上「落腳」,前提是它們必須能在表面找到足夠的附著點與黏合力。那麼,材料科學家是如何讓這些髒污「站不穩」的呢?答案就藏在「表面能(Surface Energy)」與「濕潤性(Wettability)」這兩個核心概念中。

當我們把水滴在某個表面上時,水滴會聚成一顆圓滾滾的水珠,還是迅速攤平開來?這取決於表面的特性:

  • 疏水路線(Hydrophobic)*1:具備低表面能的疏水表面,能顯著減少水分子或污染物與表面之間的極性作用力與氫鍵。水滴在這種表面上會因為表面張力而收縮成水珠,當水珠滾動滑落時,就能順便把表面的灰塵與礦物質顆粒帶走,這就是著名的「自清潔效應」。
  • 親水路線(Hydrophilic / Superhydrophilic)*2:相反地,極度親水的超親水表面則會強烈地吸引水分子,在材料最外層形成一層薄薄的「水化層(Hydration Layer)」。這層水化層就像是實體的液體盾牌,讓油污、蛋白質或細菌無法直接接觸到材料基底,只能漂浮在水膜上方。

如果要用攀岩來比喻:傳統粗糙的表面就像是有許多凹槽的攀岩牆,髒污就像攀岩者,需要找到落腳點並用力撐住才能攀附;而我們做的是抽掉把手點,或是在把手上塗上潤滑油,讓髒污找不到施力點,自然難以停留。

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材料科學的核心:想辦法讓污垢「抓不住」

不給細菌「握手」的機會

解決了水垢,下一個更棘手的對手是「細菌」。

馬桶內壁那些黑黑粉粉、摸起來滑滑的污垢,在微生物學中被稱為「生物膜(Biofilm)」。細菌並不是孤立生長的,當單顆細菌落在表面後,如果覺得環境舒適,它就會開始分泌胞外聚合物(EPS),這是一種天然的超強膠水。細菌們用這種膠水把自己與同伴緊緊黏在一起,並築起堅固的防禦堡壘,這時一般的沖水就很難把它們沖洗乾淨了。

根據《Nature Communications》與《Microsystems & Nanoengineering》的學術期刊研究指出,要阻止生物膜形成,除了化學上的抗菌,材料的「表面微幾何結構」扮演了至關重要的角色。

材料科學領域中有一個著名的「附著點理論(Attachment Point Theory)」:

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  1. 粗糙與微孔洞表面:如果材料表面存在許多微小的裂縫、氣孔或微米級凹洞,細菌(體積通常約 1 到 3 微米)就會興高采烈地鑽進這些小凹槽裡。這些凹槽不僅提供了極佳的機械咬合支點,還能幫細菌擋掉水流的沖刷。
  2. 極致平滑與微結構表面:相反地,如果材料表面做到極致平滑,完全沒有微米級的缺陷;或者反過來設計出尺寸遠小於細菌的奈米結構,細菌的足跡構造(如鞭毛或纖毛)就無法在表面找到穩固的「接觸附著點(Contact Points)」。

當細菌發現自己在這個表面上連「手都握不緊」、隨時會被水流吹走時,它就無法順利定殖並分泌膠水築巢。此外,現代衛浴結構在設計時,也越來越強調「一體成形」與「無接縫工藝」。消除接縫與死角,等於直接拔除了細菌與水垢最喜歡的避風港。

阻止細菌、生物膜找不到「落腳點」

當材料、結構與流體科技組隊聯防 

了解了材料化學與微觀幾何,我們就能勾勒出一座現代耐污馬桶的完整防禦體系:【材料層(低附著力)】+【結構層(無縫平滑)】+【動態流體層(泡沫與水流剪切力)】= 高效清潔!

以市面上備受矚目的 Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶為例,就是將材料科學、結構工程與流體力學發揮到極致的典型代表:

1. 材料層:有機玻璃系新素材

A La Uno 全自動洗淨馬桶採新開發的「有機玻璃系新素材」(以壓克力高分子為基礎研發的衛浴專用材料,這類高分子成形技術亦被廣泛運用於大型水族館高壓觀景窗與飛機機艙罩)。這種材料表面具備極佳的疏水性與耐水垢特性,水滴不易長時間攤平停留;材質堅固、不易破裂,耐刮、不易造成細小傷痕。通過實驗測試,這種素材配合泡沫洗淨,在沖洗後能有效沖刷掉高達 99.99% 的大腸桿菌,從源頭阻斷細菌定殖。

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2. 結構層:無接縫工藝與三重防濺防護

在宏觀結構上,A La Uno 全自動洗淨馬桶採用無水箱沖水與便器、溫水洗淨便座一體成型設計,減少傳統水箱與座體之間的結構層次及接縫,並搭配可動迴轉式排水系統完成沖洗。更貼心的是其「三重防護」設計:

  • 泡沫防護:在水面上製造一層充沛的泡沫緩衝層,有效抑制男性站立小便時的尿液與污水飛濺;
  • 外圍防護:馬桶邊界特別設計了高約 3mm 的水檔,防止液體延著外壁滴落至地板;
  • 測漏防護:便座與馬桶本體採用不外露的防護設計,避免液體從縫隙飛濺滲漏。
Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶

3. 動態流體層:雙效泡沫洗淨、漩渦水流與 nanoe™ X

當污垢降落在馬桶內壁時,A La Uno全自動洗淨馬桶 的動態流體科技便接手進行徹底打掃。其「雙效泡沫洗淨」會先釋放直徑約 5mm 的「毫米泡沫」包裹並帶走大塊髒污,再透過直徑約 60微米的「微米泡沫」深入微觀縫隙,徹底溶解殘餘的油脂與細微污垢。接著,配合高度清潔力的「漩渦型強力水流」,利用旋轉產生的流體剪切力,一口氣將附著力已被削弱的污垢剝離並沖走。此外,Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶還搭襯了 nanoe™ X 健康科技,釋放氫氧離子有效抑制異味與髒污,維持空氣與內壁的良好衛生狀態。

科技讓生活變輕鬆,但物理法則依然誠實

從材料化學的低表面能設計,到微觀幾何的附著點控制,再到流體力學的水流沖刷,一座現代抗污馬桶的演進,縮影了人類如何運用基礎科學來解決日常生活痛點的智慧。

我們習慣將衛生清潔想像成一場與細菌髒污的硬碰硬死鬥。然而,A La Uno全自動洗淨馬桶 等現代衛浴技術的突破,展示了材料科學的另一種聰明思維:不靠強酸強鹼硬打,而是透過物理與化學邏輯,將「污垢固著」的機率降到最低。

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當材料科學與現代衛浴技術結合,刷馬桶不再是一件令人頭痛的辛苦瑣事。透過這些前沿科技的加持,我們得以從繁重的家務勞動中解放,享受更加乾淨、舒適且有品質的日常生活。

*1 參考論文:A metallic anti-biofouling surface with a hierarchical topography containing nanostructures on curved micro-riblets

*2 參考論文:Brushing up functional materials

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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