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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

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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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伺服器過熱危機!液冷與 3D VC 技術如何拯救高效運算?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/04/11 ・3194字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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本文與 高柏科技 合作,泛科學企劃執行。

當我們談論能擊敗輝達(NVIDIA)、Google、微軟,甚至是 Meta 的存在,究竟是什麼?答案或許並非更強大的 AI,也不是更高速的晶片,而是你看不見、卻能瞬間讓伺服器崩潰的「熱」。

 2024 年底至 2025 年初,搭載 Blackwell 晶片的輝達伺服器接連遭遇過熱危機,傳聞 Meta、Google、微軟的訂單也因此受到影響。儘管輝達已經透過調整機櫃設計來解決問題,但這場「科技 vs. 熱」的對決,才剛剛開始。 

不僅僅是輝達,微軟甚至嘗試將伺服器完全埋入海水中,希望藉由洋流降溫;而更激進的做法,則是直接將伺服器浸泡在冷卻液中,來一場「浸沒式冷卻」的實驗。

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但這些方法真的有效嗎?安全嗎?從大型數據中心到你手上的手機,散熱已經成為科技業最棘手的難題。本文將帶各位跟著全球散熱專家 高柏科技,一同看看如何用科學破解這場高溫危機!

運算=發熱?為何電腦必然會發熱?

為什麼電腦在運算時溫度會升高呢? 圖/unsplash

這並非新問題,1961年物理學家蘭道爾在任職於IBM時,就提出了「蘭道爾原理」(Landauer Principle),他根據熱力學提出,當進行計算或訊息處理時,即便是理論上最有效率的電腦,還是會產生某些形式的能量損耗。因為在計算時只要有訊息流失,系統的熵就會上升,而隨著熵的增加,也會產生熱能。

換句話說,當計算是不可逆的時候,就像產品無法回收再利用,而是進到垃圾場燒掉一樣,會產生許多廢熱。

要解決問題,得用科學方法。在一個系統中,我們通常以「熱設計功耗」(TDP,Thermal Design Power)來衡量電子元件在正常運行條件下產生的熱量。一般來說,TDP 指的是一個處理器或晶片運作時可能會產生的最大熱量,通常以瓦特(W)為單位。也就是說,TDP 應該作為這個系統散熱的最低標準。每個廠商都會公布自家產品的 TDP,例如AMD的CPU 9950X,TDP是170W,GeForce RTX 5090則高達575W,伺服器用的晶片,則可能動輒千瓦以上。

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散熱不僅是AI伺服器的問題,電動車、儲能設備、甚至低軌衛星,都需要高效散熱技術,這正是高柏科技的專長。

「導熱介面材料(TIM)」:提升散熱效率的關鍵角色

在電腦世界裡,散熱的關鍵就是把熱量「交給」導熱效率高的材料,而這個角色通常是金屬散熱片。但散熱並不是簡單地把金屬片貼在晶片上就能搞定。

現實中,晶片表面和散熱片之間並不會完美貼合,表面多少會有細微間隙,而這些縫隙如果藏了空氣,就會變成「隔熱層」,阻礙熱傳導。

為了解決這個問題,需要一種關鍵材料,導熱介面材料(TIM,Thermal Interface Material)。它的任務就是填補這些縫隙,讓熱可以更加順暢傳遞出去。可以把TIM想像成散熱高速公路的「匝道」,即使主線有再多車道,如果匝道堵住了,車流還是無法順利進入高速公路。同樣地,如果 TIM 的導熱效果不好,熱量就會卡在晶片與散熱片之間,導致散熱效率下降。

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那麼,要怎麼提升 TIM 的效能呢?很直覺的做法是增加導熱金屬粉的比例。目前最常見且穩定的選擇是氧化鋅或氧化鋁,若要更高效的散熱材料,則有氮化鋁、六方氮化硼、立方氮化硼等更高級的選項。

典型的 TIM 是由兩個成分組成:高導熱粉末(如金屬或陶瓷粉末)與聚合物基質。大部分散熱膏的特點是流動性好,盡可能地貼合表面、填補縫隙。但也因為太「軟」了,受熱受力後容易向外「溢流」。或是造成基質和熱源過分接觸,高分子在高溫下發生熱裂解。這也是為什麼有些導熱膏使用一段時間後,會出現乾裂或表面變硬。

為了解決這個問題,高柏科技推出了凝膠狀的「導熱凝膠」,說是凝膠,但感覺起來更像黏土。保留了可塑性、但更有彈性、更像固體。因此不容易被擠壓成超薄,比較不會熱裂解、壽命也比較長。

OK,到這裡,「匝道」的問題解決了,接下來的問題是:這條散熱高速公路該怎麼設計?你會選擇氣冷、水冷,還是更先進的浸沒式散熱呢?

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液冷與 3D VC 散熱技術:未來高效散熱方案解析

除了風扇之外,目前還有哪些方法可以幫助電腦快速散熱呢?圖/unsplash

傳統的散熱方式是透過風扇帶動空氣經過散熱片來移除熱量,也就是所謂的「氣冷」。但單純的氣冷已經達到散熱效率的極限,因此現在的散熱技術有兩大發展方向。

其中一個方向是液冷,熱量在經過 TIM 後進入水冷頭,水冷頭內的不斷流動的液體能迅速帶走熱量。這種散熱方式效率好,且增加的體積不大。唯一需要注意的是,萬一元件損壞,可能會因為漏液而損害其他元件,且系統的成本較高。如果你對成本有顧慮,可以考慮另一種方案,「3D VC」。

3D VC 的原理很像是氣冷加液冷的結合。3D VC 顧名思義,就是把均溫板層層疊起來,變成3D結構。雖然均溫板長得也像是一塊金屬板,原理其實跟散熱片不太一樣。如果看英文原文的「Vapor Chamber」,直接翻譯是「蒸氣腔室」。

在均溫板中,會放入容易汽化的工作流體,當流體在熱源處吸收熱量後就會汽化,當熱量被帶走,汽化的流體會被冷卻成液體並回流。這種利用液體、氣體兩種不同狀態進行熱交換的方法,最大的特點是:導熱速度甚至比金屬的熱傳導還要更快、熱量的分配也更均勻,不會有熱都聚集在入口(熱源處)的情況,能更有效降溫。

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整個 3DVC 的設計,是包含垂直的熱導管和水平均溫板的 3D 結構。熱導管和均溫板都是採用氣、液兩向轉換的方式傳遞熱量。導熱管是電梯,能快速把散熱工作帶到每一層。均溫板再接手將所有熱量消化掉。最後當空氣通過 3DVC,就能用最高的效率帶走熱量。3DVC 跟水冷最大的差異是,工作流體移動的過程經過設計,因此不用插電,成本僅有水冷的十分之一。但相對的,因為是被動式散熱,其散熱模組的體積相對水冷會更大。

從 TIM 到 3D VC,高柏科技一直致力於不斷創新,並多次獲得國際專利。為了進一步提升 3D VC 的散熱效率並縮小模組體積,高柏科技開發了6項專利技術,涵蓋系統設計、材料改良及結構技術等方面。經過設計強化後,均溫板不僅保有高導熱性,還增強了結構強度,顯著提升均溫速度及耐用性。

隨著散熱技術不斷進步,有人提出將整個晶片組或伺服器浸泡在冷卻液中的「浸沒式冷卻」技術,將主機板和零件完全泡在不導電的特殊液體中,許多冷卻液會選擇沸點較低的物質,因此就像均溫板一樣,可以透過汽化來吸收掉大量的熱,形成泡泡向上浮,達到快速散熱的效果。

然而,因為水會導電,因此替代方案之一是氟化物。雖然效率差了一些,但至少可以用。然而氟化物的生產或廢棄時,很容易產生全氟/多氟烷基物質 PFAS,這是一種永久污染物,會對環境產生長時間影響。目前各家廠商都還在試驗新的冷卻液,例如礦物油、其他油品,又或是在既有的液體中添加奈米碳管等特殊材質。

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另外,把整個主機都泡在液體裡面的散熱邏輯也與原本的方式大相逕庭。如何重新設計液體對流的路線、如何讓氣泡可以順利上浮、甚至是研究氣泡的出現會不會影響元件壽命等等,都還需要時間來驗證。

高柏科技目前已將自家產品提供給各大廠商進行相容性驗證,相信很快就能推出更強大的散熱模組。

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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