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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 ・3296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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地震之島的生存法則!921地震教育園區揭開台灣的防災祕密
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/09/20 ・4553字 ・閱讀時間約 9 分鐘

為什麼台灣會像坐在搖搖椅上,總是時不時地晃動?這個問題或許有些令人不安,但卻是我們生活在這片土地上的現實。根據氣象署統計,台灣每年有 40,000 次以上的地震,其中有感地震超過 1,000 次。2024年4月3日,花蓮的大地震發生後,台灣就經歷了超過 1,000 次餘震,這些數據被視覺化後形成的圖像,宛如台北101大樓般高聳穿雲,再次引發了全球對台灣地震頻繁性的關注。

地震發生後,許多外國媒體擔心半導體產業會受影響,但更讓他們稱奇的是,台灣竟然能在這麼大的地震之下,將傷害降到這麼低,並迅速恢復。不禁讓人想問,自從 25 年前的 921大地震以來,台灣經歷了哪些改變?哪些地方可能再發生大地震?如果只是遲早,我們該如何做好更萬全的準備?

要找到這些問題的答案,最合適的地點就在一座從地震遺跡中冒出的主題博物館:國立自然科學博物館的 921地震教育園區。

圖:跑道捕捉了地震的瞬間 / 圖片來源:劉志恆/青玥攝影

下一個大地震在哪、何時?先聽斷層說了什麼

1999年9月21日凌晨1點47分,台灣發生了一場規模7.3的大地震,震央在南投縣集集鎮,全台 5 萬棟房子遭震垮,罹難人數超過 2,400 人。其中,台中霧峰光復國中校區因車籠埔斷層通過,地面隆起2.6公尺,多棟校舍損毀。政府決定在此設立921地震教育園區,保留這段震撼人心的歷史,並作為防災教育的重要基地。園區內兩處地震遺跡依特性設置為「車籠埔斷層保存館」和「地震工程教育館」。

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車籠埔斷層保存館建於原操場位置,為了保存地表破裂及巨大抬升,所以整體設計不採用樑柱結構,而是由82根長12公尺、寬2.4公尺、重約10噸的預鑄預力混凝板組成,外觀為曲線造型,技術難度極高,屬國內外首見,並榮獲多項建築獎。而地震工程教育館保留了原光復國中受損校舍,讓民眾親眼見證地震的驚人破壞力,進一步強調建築結構與安全的重要性。毀損教室旁設有由園區與「國家地震工程研究中心」共同策劃的展示館,透過互動展示,讓參觀者親手操作,學習地震工程相關知識。

國立自然科學博物館地質學組研究員蔣正興博士表示,面積上,台灣是一個狹長的小島,卻擁有高達近4000公尺的山脈,彰顯了板塊激烈擠壓、地質活動極為活躍的背景。回顧過去一百年的地震歷史,從1906年的梅山地震、1935年的新竹-台中地震,到1999年的921大地震,都發生在台灣西部,與西部的活動斷層有密切關聯,震源位於淺層,加上人口密度較高,因此對台灣西部造成了嚴重的災情。

而台灣東部是板塊劇烈擠壓的區域,地震震源分佈更廣。與西部相比,雖然東部地震更頻繁,但由於人口密度相對較低,災情相對較少。此外,台灣東北部和外海也是地震多發區,尤其是菲律賓海板塊往北隱沒至歐亞板塊的隱沒地震帶,至沖繩海槽向北延伸,甚至可能影響到台北下方,發生直下型地震,這種地震因震源位於城市正下方,危害特別大,加上台北市房屋非常老舊,若發生直下型地震,災情將非常嚴重。

除了台北市,蔣正興博士指出在台灣西部,我們特別需要關注的就是彰化斷層的影響,該斷層曾於1848年發生巨大錯動。此外,我們也需要留意西南部的地震風險,如 1906 年的梅山地震。此兩條活動斷層距今皆已超過 100 年沒活動了。至於東部,因為存在眾多活動斷層,當然也需要持續注意。

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我們之所以擔心某些斷層,是因為這些區域可能已經累積了相當多的能量,一旦達到臨界點,就會釋放,進而引發地震。地質學家通常會沿著斷層挖掘,尋找過去地震的證據,如受構造擾動沉積物的變化,然後透過定年技術來確定地震發生的時間點,估算出斷層的地震週期,然而,這些數字的計算過程非常複雜,需要綜合大量數據。

挑戰在於,有些斷層的活動時間非常久遠,要找到活動證據並不容易。例如,1906年的梅山地震,即使不算久遠,但挖掘出相關斷層的具體位置仍然困難,更不用說那些數百年才活動一次的斷層,如台北的山腳斷層,因為上頭覆蓋了大量沉積物,要找到並研究這些斷層更加困難。

儘管我們很難預測哪個斷層會再次活動,我們仍然可以預先對這些構造做風險評估,從過往地震事件中找到應變之道。而 921 地震教育園區,就是那個可以發現應變之道的地方。

圖:北棟教室毀損區 / 圖片來源:劉志恆/青玥攝影

921 後的 25 年

在園區服務已 11 年的黃英哲擔任志工輔導員,常代表園區到各地進行地震防災宣導。他細數 921 之後,台灣進行的六大改革。制定災害防救法,取代了總統緊急命令。修訂了建築法規,推動斷層帶禁限建與傳統校舍建築改建。組建災難搜救隊伍,在面對未來災害時能更加自主應對。為保存文化資產,增設了歷史建築類別,確保具有保存價值的建築物得到妥善照料。

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最後,則是推行防災教育。黃英哲表示,除了在學校定期進行防災演練,提升防災意識外,更建立了921地震教育園區,不僅作為教育場所,也是跨部門合作的平台,例如與交通部氣象署、災害防救辦公室、教育部等單位合作,進行全面的防災教育。園區內保留了斷層線的舊址,讓遊客能夠直觀地了解地震的破壞力,最具可看性;然而除此之外,園區也是 921 地震相關文物和資料的重要儲存地,為未來的地震研究提供了寶貴的資源。

堪稱園區元老,在園區服務將近 19 年,主要負責日語解說工作的陳婉茹認為,園區最大的特色是保存了斷層造成的地景變化,如抬升的操場和毀壞的教室場景,讓造訪的每個人直觀地感受地震的威力,尤其是對於年輕的小朋友,即使他們沒有親身經歷過,也能透過這些真實的展示認識到地震帶來的危險與影響。

陳婉茹回憶,之前有爸媽帶著小學低年級的小朋友來參觀,原本小朋友並不認真聽講,到處跑來跑去,但當他看到隆起的操場,立刻大聲說這他在課本看過,後來便聚精會神地聽完 40 分鐘的解說。

圖:陳婉茹在第一線負責解說工作 / 圖片來源:921地震教育園區

除了每看必震撼的地景,園區也透過持續更新策展,邀請大家深入地震跟防災的各個面向。策展人黃惠瑛負責展示設計、活動規劃、教具設計等工作。她提到,去年推出的搜救犬特展和今年的「921震災啓示展」與她的個人經歷息息相關。921 大地震時的她還是一名台中女中的住宿生,當時她儘管驚恐,依舊背著腿軟的學姊下樓,讓她在策劃這些展覽時充滿了反思。

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在地震體驗平臺的設計中,黃惠瑛強調不僅要讓觀眾了解災害的破壞力,更希望觀眾能從中學到防災知識。她與設計師合作,一樓展示區採用了時光機的概念,運用輕鬆、童趣的風格,希望遊客保持積極心態。二樓的地震體驗平臺結合六軸震動臺和影片,讓遊客真實感受921地震的情境。她強調,這次展覽的目標是全民,設計上避免了血腥和悲傷的元素,旨在讓觀眾帶著正向的感受離開,並重視防災意識。

圖:地震體驗劇場 / 圖片來源:921地震教育園區

籌備今年展覽的最大挑戰是緊迫的時間。從五月開始,九月完成,為了迅速而有效地與設計師溝通,黃惠瑛使用了AI工具如ChatGPT與生成圖像工具,來加快與設計師溝通的過程。

圖:黃惠瑛與設計師於文件中討論設計/ 圖片來源:921地震教育園區

蔣正興博士說,當初學界建議在此設立地震教育園區,其中一位重要推手是法國地質學家安朔葉。他曾在台灣指導十位台灣博士生,這些博士後來成為地質研究的中堅力量。1999年921大地震後,安朔葉教授立刻趕到台灣,認為光復國中是全球研究斷層和地震的最佳觀察點,建議必須保存。為紀念園區今年成立20週年,在斷層館的展示更新中,便特別強調安朔葉的貢獻與當時的操場圖。

此外,作為 20 週年的相關活動,今年九月也將與日本野島斷層保存館簽署合作備忘錄(MOU),強化合作並展示台日合作歷史。另一重頭戲則是向日本兵庫縣人與自然博物館主任研究員加藤茂弘致贈感謝狀,感謝他不遺餘力,長期協助園區斷層保存館的剖面展品保存工作。

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右圖:法國巴黎居禮大學安朔葉教授。左圖:兵庫縣立人與自然博物館主任研究員加藤茂弘
/ 圖片來源:921地震教育園區

前事不忘,後事之師

盡力保存斷層跟受創校舍,只因不想再重蹈覆徹。蔣正興博士表示,921地震發生在車籠埔斷層,其錯動形式成為全球地質研究的典範,尤其是在研究斷層帶災害方面。統計數據顯示,距離車籠埔斷層約100公尺內,住在上盤的罹難率約為1%,而下盤則約為0.6%。這說明住在斷層附近,特別是上盤,是非常危險的。由於台灣主要是逆斷層活動,這一數據清楚告訴我們,在上盤區域建設居住區應特別小心。

2018年花蓮米崙斷層地震就是一個例證。

在921地震後,政府在斷層帶兩側劃設了「地質敏感區」。因為斷層活動週期較長,全球大部分地區難以測試劃設敏感區的有效性,但台灣不同,斷層活動十分頻繁。例如 1951 年,米崙斷層造成縱谷地震,規模達 7.3,僅隔 67 年後,在 2018 年再次發生花蓮地震,這在全球是罕見的,也因此 2016 年劃設的地質敏感區,在 2018 年的地震中便發現,的確更容易發生地表破裂與建築受損,驗證了地質敏感區劃設的有效性。

圖:黃英哲表示曾來園區參訪的兒童寄來的問候信,是他認真工作的動力 / 圖片來源:921地震教育園區

在過去的20年裡,921地震教育園區不僅見證了台灣在防災教育上的進步,也承載著無數來訪者的情感與記憶。每一處地震遺跡,每一項展示,都在默默提醒我們,那段傷痛歷史並未走遠。然而,我們對抗自然的力量,並非源自恐懼,而是源自對生命的尊重與守護。當你走進這座園區,感受那因地震而隆起的操場,或是走過曾經遭受重創的教室,你會發現,這不僅僅是歷史的展示,更是我們每一個人的責任與使命。

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來吧,今年九月,走進921地震教育園區,一起在這裡找尋對未來的啓示,為台灣的下一代共同築起一個更堅固、更安全的家園。

圖:今年九月,走進921地震教育園區 / 圖片來源:劉志恆/青玥攝影

延伸閱讀:
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