IC 上板 SMT 后，可靠度试验却过不了，原来是翘曲（warpage）导致空焊、早夭等现象，是否有特殊制程，可以降低 warpage 变形量呢?
进行 IC 设计时，最怕就是 IC 芯片本身品质没问题，但是当 IC 上板 SMT 后，却过不了后续的验证。在宜特板阶可靠度（BLR）实验室，就时常看到许多客户有这样的问题。而近期，宜特看到最多的就是上板后的翘曲（warpage）问题，导致后续可靠度发现早夭，严重到甚至须将产品退回到最初的IC设计阶段，旷日废时。
为什么翘曲（Warpage）导致后续可靠度问题，近期发生频率这么高呢? 宜特板阶可靠度（BLR）实验室发现，系统单封装（System in a package）已成为现今趋势，各种不同材质、不同功能的芯片整合进同一封装，这样的封装元件使用的材料相当复杂且多元，堆叠在一起时，因材质本身热膨胀系数不同（CTE）就会产生翘曲（warpage），成为表面黏着制程（Surface mount technology，简称SMT）良率最大挑战。
图解何谓翘曲?
▲图一：先进制程芯片元件或多或少都会有翘曲现象，变形量符合 IPC 规范控制在一定程度内，都不会影响后续元件上板品质（右图出处: Akrometrix）
传统方式–透过模拟数据调整锡膏量，微缓解焊点拉伸挤压
▲图二：SMT 上板前，可针对元件与 PCB 进行模拟分析，预先了解翘曲（warpage）情形（图出处: Akrometrix）
针对预防翘曲造成空焊现象，宜特板阶可靠度（BLR）实验室的传统做法是，模拟确认翘曲（warpage）数据，调整锡膏印刷钢板设计及回流焊温度，借此减少因翘曲（warpage）造成空焊及短路问题的概率（图二）。依据此方式，宜特已成功替多家厂商克服 PCB 或 IC 翘曲（warpage）的焊接问题（延伸阅读：掐指算出Warpage翘曲变形量 速解IC上板后空焊早夭异常。）
新一代作法–透过低温焊接（LTS）制程，降低翘曲（Warpage）程度
上述传统方式，可以借由修正锡膏来避免空焊或短路问题，但如果翘曲（Warpage）程度太高，就无法借由控制锡膏量来解决了。
为解决此议题，宜特板阶可靠度(BLR)实验室导入新的做法-低温焊接制程（Low Temperature Soldering，简称 LTS），借由减少热应力，成功降低翘曲（Warpage）变形量。
- 何谓低温焊接制程（Low Temperature Soldering，简称 LTS）
一般无铅焊接所使用锡、银、铜合金的熔点温度约在 220℃，峰值温度达到 230℃~250℃，而低温焊接所使用锡、铋合金熔点温度为 140℃，峰值温度则可降低到 170℃~200℃（依锡膏成分有所不同）（参见表一与图三）。
▲表一：一般无铅焊接与低温焊接熔点与峰值温度
▲图三：Reflow Profile，蓝线是指低温焊接制程（LTS），红线是指无铅焊接制程（Pb-free process）
- 为何 LTS 制程可以降低 Warpage 变形量?
▲图四：温度越高，变形越大
产生 Warpage 主要原因，来自于使用不同材料的 IC 堆叠后，由于不同材料的热膨胀系数（CTE）不同，经过高温焊间产生形变。温度越高，因热应力造成封装后的 IC（Package）变形程度越大（图四）。因此，借由降低 SMT 焊接温度，将可大幅减少热应力，借此不仅可改善 PCB 与零件的 Warpage 程度外，也可减少能耗。
如何利用 LTS 制程避免 SMT 可能面临的挑战
- 控制温度与锡膏体积，避免异质合金焊接过程产生热泪滴效应
目前零件封装还是以无铅制程为主，意即焊接材料 Bump 与 Solder Ball 仍多以使用锡、银、铜 合金为主，例如焊料号 SAC305、SACQ、SAC405 等，因低温焊接制程（LTS）未达锡、银、铜合金熔锡温度，故 Solder Joint 有很大差异（参见图五与图六）。
▲图五：一般无铅制程 Reflow 后，SAC 锡球与锡膏完全熔融，锡球出现塌陷（collapse）
▲图六：LTS 制程 Reflow 后，SAC 锡球未完全熔融，锡球未出现塌陷（collapse）型态
▲图七：透过精确控制焊接温度与锡膏体积的焊点切面图（Cross Section）。
因此，宜特板阶可靠度实验室借着精确控制温度与锡膏体积，即可避免 LTS 制程中出现热滴泪（Hot Tearing）的现象。例如图七，锡铋合金（Sn-Bi）锡膏与 SAC305 锡球的焊接点，在适当锡膏体积与回流焊温度控制下，可看出锡球不仅具备良好的扩散性，且无热滴泪（Hot Tearing）状况发生。
- 利用 LTS 制程提升产品可靠度实测
不同合金之间的焊接点，容易因为分子扩散不佳，造成可靠度试验出现早夭现象，宜特板阶可靠度（BLR）实验室针对 LTS 制程，使用小尺寸 WLCSP 封装零件，执行异质合金焊接，并进行后续可靠度验证，从温度循环试验（Temperature Cycle Test，简称 TCT）结果显示， LTS 制程在可靠度 TCT 实验中的表现，和一般无铅制程相比，并不逊色。
由图八可以看出小尺寸 WLCSP 封装零件 SAC305Bump 分别与 LTS 锡膏 Sn-Bi-Sb-Ni 及 Sn-Bi-Ag 的配置在 TCT，表现并不劣于 SAC305Bump 与 SAC305 锡膏的配置。
▲图八：执行一般无铅制程（蓝线-SAC305 锡膏）与 LTS 制程（黑线-Sn-Bi-Ag 锡膏、绿线-Sn-Bi-Sb-Ni 锡膏），并进行后续可靠度 TCT 实验的比较图
▲图九：LTS 制程使用不同锡膏比例 TCT 实验结果图：蓝线代表使用较少的锡膏量，黑线代表使用较多的锡膏量
在封装材料无法解决 CTE 问题之前，LTS 制程不失为一个降低 Warpage 程度的方式。而在实际应用上还包含了主被动零件，如芯片电阻、电容、内存、晶体管等等，越早准备就越早能切入市场。本文与各位长久以来支持宜特的您，分享经验，若您想要进一步了解 LTS 制程，请洽 +886-3-579-9909 分机 1068 邱小姐 Email: marketing_tw@istgroup.com
（图片来源：宜特科技）
