低温锡膏(LTS)制程有机会成为未来主流吗？还是昙花一现？

过去为了因应欧盟的「有害物质限用指令（Restriction of Hazardous Substances Directive 2002/95/EC, RoHS）要求，PCBA(电路板组装)制程的焊锡从锡铅(SnPb)转变为锡银铜(SAC)合金，却相对的提高了焊锡的熔接温度。为了因应节能减碳大趋势，现在似乎有越来越多企业正在尝试将SAC高温制程往低温制程(Low Temperature Soldering, LTS)方向发展的趋势。

其实当初焊锡制程转入SAC合金后，SMT生产线的回焊峰值温度(peak temperature)也从原本的220˚C上升到了250˚C左右，而焊锡温度的升高也意味着零件材料及生产成本的提高，比如说需要使用到更耐高温的材料，最大的改变是工程塑胶材料变更，另外，高温也恶化了生产的品质，比如说材料在高温下更容易变形造成焊接不良。

而目前最为大家所熟知的低温焊锡则是以锡(Sn)为基础添加铋(Bi)的锡铋(SnBi)与锡铋银(SnBiAg)合金。所以，今天我们就来大致探讨一下LTS的优缺点、可行性与未来可能趋势。

LTS制程的优点：

• 节能减碳、降低能耗。因为採用较低熔点的焊锡合金，形成焊接所需要的温度及时间就会跟着降低与减少，能耗相对地也就降低，达到节能减碳的目的。

• 降低高温材料需求、降低材料成本。在室温以上使用耐温较低的材料，通常意味着较低的材料成本，至少材料的加工成本就比较低。

• 降低制程门槛、提高生产良率。将焊锡合金从SAC改为SnBi，其回焊炉内的最高温会从250˚C降低到175˚C左右，相对地电路板在高温下的变形率也会跟着降低约50%。板子变形与翘曲是BGA及LGA等大颗无引脚零件形成HIP/HoP虚焊的一大主因，也是造成MLCC破裂的重要兇手之一。

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LTS制程的缺点：

• 焊点的长期信赖性不佳。

低温焊锡的最大缺点就是其焊点的机械强度不佳，也就是说焊点比较脆且容易因应力作用而产生锡裂现象。与SnPb及SAC合金焊锡比较起来，SnBi合金的焊锡强度就显得非常不耐冷热冲击(thermal shock)与摔落撞击(impact drop)。

• 回焊制程中容易产生Hot-tearing(热裂缝、热撕裂)缺点。

Hot-tearing缺点容易出现在SAC锡球与SnBi锡膏的混合焊接制程的PCB焊垫表面，其实Hot-tearing也容易出现在无铅与锡铅的混合(hybrid)制程中，尤其好发在BGA这类已经有预焊锡的零件焊点。这是因为在焊接的过程中，SAC锡球的熔点较高，不易熔化，就算熔化后在冷却的过程中也会较早固化，而SnBi锡膏则一定会在回焊的过程中熔化，冷却时也会比SAC更慢固化。想像一下在回焊炉的冷却过程中，BGA锡球已经固化或根本就未熔化，只剩下一小部分呈现浆态的SnBi焊锡，这时PCB及BGA载板也从高温的变形中渐渐回復，一旦高温时BGA载板与PCB的间隙较小(变形)而回温后间隙变大(变形回復)，就会拉扯那些还未来得及完全固化的浆态SnBi焊锡，于是形成像是撕扯过的Hot-tearing裂缝。

SAC合金的BGA锡球与低温锡膏(LTS)混用时该使用何种温度曲线(temperature profile)？

其实使用低温锡膏(LTS)时最好配合同时使用低温锡球及低温profile，这样才能取得低温锡膏的所有好处与最佳的焊接效果与品质。不过迫于现实的无奈，目前市面上几乎拿不到低温锡球的BGA，所以只好退而求其次，混用低温锡膏(LTS)与SAC合金的BGA锡球。

如果想要取得SAC与低温锡膏混用的最佳品质效果，就得想办法降低Hot-tearing所造成的影响，而其最好的温度profile则为沿用SAC的温度profile，因为高温profile可以同时熔化SAC与SnBi合金，让SAC有机会扩散至SnBi合金区域，进而改变SnBi配方的合金比率，这样就有机会可以稍稍拉升SnBi区域的固化温度，另外建议要加速峰值温度后的冷却速率，尤其是加速217˚C(SAC305)到138°C(Sn42Bi58)之间的降温速率，目的是在SAC焊锡区域固化后，让SnBi焊锡区域可以在最短时间内也跟着马上固化。不过这么一来就失去了使用LTS的所有优点，而且焊锡强度还没有SAC合金来得好，还不如直接使用SAC锡膏。所以，以上所言的根本就是一堆废话嘛！XD

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相信大部分会选用低温锡膏的情况，都是因为零件无法承受SAC的高温profile。在这种情况下只能选用低温锡膏的低温profile，个人建议在不影响焊接品质的情况下要尽量降低回焊的峰值温度，其目的是为了降低PCB及BGA载板在回焊时的热变形量，而同时还要加速回焊峰值温度后的冷却速率，目的当然也是为了在板子变形回復前就抢先固化低温焊锡，不过如果过度加速冷却速率可能有恶化BGA焊锡破裂的风险，建议应确实评估，做过信赖性测试比较后选出一个较佳的温度冷却速率才执行，至于如何评估LTS的焊锡性，台湾有几家实验室都有类似的服务，可以先谘询这些实验室。不建议调升回焊峰值温度，因为温度越高，PCB及BGA载板的变形量就会越大。

如何加强LTS的机械强度？加强焊锡强度？

目前比较可行的LTS焊点补强方案为使用底部填充胶(underfill)，这方案其实在CSP(Chip Scale Package)及flip-chip一开始出现的时候就有了，后来也应用到BGA上面，一般会使用环氧树脂(epoxy)材质的胶水点在BGA或相似零件的边缘，藉由毛细作用的原理让胶水渗透并充满零件的底部，然后加热固化，达到填充缝隙、强化焊点的目的，后来也有人採用黏稠度比较高的胶水选择性点在BGA的四个角落(coner bond)或BGA四边缘(edge bond)来强化固定。

后来也有所谓的underfilm(底部填充片)出现，在板子印刷锡膏后透过SMT贴片机来将其摆放在PCB的BGA位置(避开焊点)，然后上面才放置BGA，最后与BGA一起通过回焊炉高温来融化胶片填充空隙，冷却后凝固。不过要注意的是，underfill都是在板子组装完成且功能测试无误后才会作业，而underfilm则是在SMT制程中就添加，产品的良率如果不高的话，重工将会非常麻烦。

另外，随着LTS应用的增加，现在也有所谓的【Epoxy paste】及【Epoxy flux】制成应运而生。【Epoxy paste】是在锡膏中添加epoxy，直接印刷锡膏过回焊加热就可以了，但既然是添加在锡膏中，其用量就不可能多，对BGA零件的焊锡强度加强可能有限，但如果仅针对片式零件(chip component)或是LED灯板来说应该还是会有些效果的。【Epoxy flux】则採用锡膏印刷后点胶作业再贴片，有点类似underfilm。以上两种添加Epoxy的制程效果其实都有待进一进验证，而且都是在测试前就已完成作业，对良率不高的产品使用前建议斟酌使用。

就188金宝搏苹果下载 自身的应用经验，添加underfill确实可以起到加强BGA抗应力的能力，但只能延缓焊锡因为应力作用所噵致破裂的问题，而无法完全根治，也就是说使用一段时间后，该出问题的焊点还是会出问题。所以，解铃还须繫铃人，要想办法尽量降低影响焊点的应力来源。

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那些产品有机会可以採用LTS制程？

既然我们已经了解到LTS制程产品的焊点比较脆、不耐应力，所以只要电子产品的使用环境不是处在剧烈的热应力(高低温循环)变化或机械应力(摔落撞击)作用，以及产品无长期寿命设计保证需求下，应该都可以考虑导入LTS(低温锡膏)制程，毕竟LTS既可以节能又可以省成本。以下是一些业界引用LTS的准则参考：

• 产品安装后固定不动者。不建议手持装置使用。手持装置容易因为随身携带操作而掉落造成机械冲击应力。

• 产品设计使用寿命最好在5年以内或更短。建议要执行MTBF(Mean Time Between Failures)评估。

• 主要零件如果有额外应用焊点补强保护机制为佳，如点胶或塡胶。

• IO零件如果有额外防插拔应力作用的机构设计为佳，如防过插、防摇晃等机构设计。

• 产品使用环境最好低于40˚C，最大运作温度尽量不超过85˚C。

• 在一般的室内(indoor)环境中使用，无剧烈高低温波动。不建议车用或户外(outdoor)环境中使用。

目前看到LTS比较多运用在LED灯上面，mini-LED也有少部分採用，部分PC的产业也在评估中。

低温制程的未来发展趋势？

以节能减碳的角度来看LTS锡膏制程确实比较节省能源，也能降低零件对高温塑胶材料的要求省成本，但目前的LTS锡膏有个致命的缺点，就是普遍的信赖性不佳，焊点比较脆，或许对一些细小零件不会造成太大影响，但对一些有应力承受需求的零件，比如I/O零件，或是产品受外力作用后可能弯曲电路板的产品，或是经常处于震动或是热应力作用下的产品，就不太适合LTS制程，只能说LTS锡膏虽然能符合节能减碳诉求，但依然还有很长的路要走，也或许LTS最终无法完全取代SAC，比较可能是LTS与SAC并行。

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延伸阅读：
如何挑选锡膏 (Solder paste selection)
低温锡膏制作HotBar焊接的可行性评估
介绍认识【锡膏(solder paste)】的基本知识
焊接採用无铅低温锡膏SnBi, SnBiAg的目的？

• LTS低温焊锡可靠度验证

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