劉昕煒

HiFi/數(shù)碼，總忍不住拆解/魔改/焊接

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深度扒一扒，發(fā)現(xiàn)這事不簡單，有可能和大家的直覺相反。這項技術全稱叫“Low Temperature Soldering”低溫焊接技術，簡稱?LTS，其實最早是由英特爾研發(fā)并提倡的，聯(lián)想是率先大規(guī)模應用的廠商，早在2017年便開始嘗試。該技術不僅采用了由 Sn錫、Bi鉍金屬組成，熔點低至 138℃ 的焊錫膏（錫漿），還規(guī)定了焊接技術細節(jié)，不僅能夠降低能耗，還能帶來“環(huán)?！敝獾亩喾N好處，最直接的便是“省錢”。如果這項技術有問題，不僅僅是聯(lián)想，整個電子行業(yè)都要重新審視未來的工藝問題了，只好倒退回去，老老實實重新使用高溫無鉛焊錫，只在一些非關鍵元件上，比如用波峰焊的貼片元件，使用低溫焊錫。

這么多筆記本發(fā)生CPU虛焊故障，絕對不是聯(lián)想意料之中的事情，因為從技術的角度講，使用合適的低溫錫漿，在牢固程度方面其實是有優(yōu)勢的，這點經(jīng)過了英特爾的實驗論證。只不過使用 LTS 技術后，SMT 回流焊貼片工藝難度有了提升，如果控溫錯誤、錫漿質量差、助焊劑選型錯誤等，也會導致虛焊，因此最大可能是代工廠的鍋。此外由于使用了全新的工藝，筆記本的測試方案肯定也需要有調整，如果沿用以前的流程，很有可能發(fā)現(xiàn)不了問題，最終導致故障在多年后爆發(fā)。

注：低溫無鉛焊錫，機械強度明顯低于普通的含鉛焊錫、高溫無鉛焊錫。盡管調整配方可以改善強度、延展性，使其接近傳統(tǒng)焊錫，但效果存疑。

不管是什么原因，聯(lián)想筆記本出了這么多問題，確實對消費者利益造成了損害，但出現(xiàn)問題的原因復雜，決不能用一句話來解釋，也不提倡大家傳播陰謀論。隔壁家的小米 11 系列，估計也是因為錫漿/主板設計等的原因，導致驍龍 888 SoC 芯片大規(guī)模故障。

到底什么是“低溫焊錫膏”？

如上圖所示，芯片底部有著密集的焊錫小球，這種形態(tài)的封裝叫做 BGA，目前市面上筆記本的CPU、GPU，都是采用這種封裝（精確點叫FCBGA），那一粒粒小球，就是焊錫，經(jīng)過。

自己偶爾會用熱風槍、錫漿、鋼網(wǎng)等進行BGA芯片焊接，沒事就DIY U盤玩，對各種類型的焊錫特性比較了解。先給大家介紹一下常用的三種焊錫膏：

錫漿類型熔點成分配比（主流產(chǎn)品）無鉛低溫138℃錫42% 、鉍58%有鉛中溫183℃錫63%、鉛37%無鉛高溫227℃錫99%、銀、銅

自己只用過有鉛中溫、無鉛高溫的焊錫，采用后者的電路板，拆元件的時候非常費勁，要用熱風槍開高溫吹好久，主板都快烤糊了焊錫才會融化，個人一般從來不會用來焊BGA芯片。無鉛低溫焊錫膏是最近幾年才出現(xiàn)的，我還沒嘗試，大家要是想買的話，淘寶很容易就能買到。

注意：不要以為每種焊錫的成分配比是固定的，焊錫的本質是一種合金，除了主要元素之外，還需要摻雜少量其它元素，來提高理化性能，使其更容易焊接、焊接后更牢固，不同廠家的核心技術就在于此。另外焊錫線、焊錫膏也有假貨！聯(lián)想的筆記本如果用了劣質的焊錫膏，就有可能導致大規(guī)模損壞。

焊錫的演變歷程：為了環(huán)保，節(jié)能

1、在20世紀直到本世紀初的很長一段時間里，含鉛的中溫焊錫占據(jù)絕對主流地位，錫63%、鉛37%的占比大家早已耳熟能詳。但當時PCB電路板的制造很多都使用人工焊接，揮發(fā)的 Pb鉛 元素極易導致工人中毒，誘發(fā)癌癥。即使采用自動化的 SMT 工藝，蒸發(fā)的大量鉛蒸汽同樣有毒。

2、為了減少鉛的危害，2006年開始，電子行業(yè)逐漸開始普及高溫無鉛焊錫，其中金屬 Sn錫 占比99%左右，直接剔除了有毒的鉛。個人感覺這期間直到2017年，大多數(shù)品牌電子產(chǎn)品都采用無鉛焊錫。主板上絲印有 RoHS 認證、Pb Free 標志，就意味著用了高溫無鉛焊錫。這樣做的代價是焊錫熔點高，貼片焊接困難，此外高溫對電子元件的損害會加大，同時能耗會提高不少。

3、由于高溫無鉛焊錫的熔點過高，在進行 SMT 回流焊時，溫度要上升到250℃才行。出于環(huán)保的考慮，英特爾從2014年起，便開始研發(fā)低溫無鉛焊錫，2017年以后，聯(lián)想應該是首次采用。這種焊錫錫的占比還是將近一半，Pb鉛 換成了 Bi鉍，二者在元素周期表上相鄰，我還查了一下價格，發(fā)現(xiàn)鉍和鉛立方體的價格相同。這種全新的焊錫，熔點僅為138℃，SMT 焊接時的溫度大約在190℃，相比此前大幅降低。

然而，金屬鉍的硬度比鉛要高很多，二者對比，楊氏模量分別為 32 GPa、16 Gpa，莫氏硬度分別為 2.25、1.5。這就意味著錫鉍合金比錫鉛合金更硬更脆，如果用作焊錫，電子產(chǎn)品經(jīng)受劇烈沖擊時，焊點很容易開裂。

為了解決這一問題，英特爾研究了多種舉措來提高“低溫無鉛焊錫”的性能，使其韌性增強。第一種方法便是摻雜，典型的添加元素包含：銅、銀、鎳、鈷、錳、鉛，這樣的合金，韌性得到了很大的增強。

為了進一步降低合金的脆性，提升延展性（elongation），研究者嘗試了Bi鉍元素的不同占比，最終選定了40%；通過摻雜微量銅、鎳，改變了晶格特性，同樣可以提高強度；通過摻雜鈷、錳、鉛，使得合金的結晶更加細膩，增強延展性。

需要注意的是，英特爾的低溫無鉛焊錫配方大約為錫59%鉍40%，以及少量其它元素，和淘寶上搜到的產(chǎn)品不一樣，后者為錫42% 、鉍58%，估計不舍得添加別的元素提高性能。

注意看上面的圖表！英特爾配方的合金含鉍40%，延展性明顯優(yōu)于傳統(tǒng)含鉛焊錫，而淘寶上的配方含鉍58%，延展性要比傳統(tǒng)含鉛焊錫差的！

也不知道聯(lián)想筆記本用的是哪種焊錫膏，如果是英特爾的配方，理應不會出現(xiàn)故障。

LTS 低溫焊接技術的優(yōu)勢（來自英特爾）

1. 焊接時的溫度更低，耗電減少多達40%；

2. 減少操作步驟，節(jié)約時間。此前貼片元件、通孔元件由于焊接溫度不同，需要分兩步進行。新技術使得兩種操作可以在一個回流焊加熱過程中完成焊接。

3. 由于焊接溫度降低，使得 CPU 基板、主板的形變更小，因此形變冗余度更高，使得BGA封裝的密度增強，錫珠的體積變小，從而可以降低焊接后的整體厚度，有助于筆記本更輕薄。

英特爾表示，LTS 工藝與高溫無鉛焊錫工藝相比，可以使每個回流焊爐每年節(jié)省約 9000美元電費，減排二氧化碳 57.2 噸。對于全球計算機制造產(chǎn)業(yè)，采用 LTS 工藝每年可以減排二氧化碳 3.5~5萬噸，減少煤炭燃燒 3300~5000萬噸。

根據(jù)國際電子制造倡議組織 (iNEMI) 的預測，到 2027 年，LTS 應用產(chǎn)品的市場份額將從約 1% 增加到 20% 以上。

除了聯(lián)想還有誰在用 LTS 技術？

不論在中文還是英文互聯(lián)網(wǎng)，聯(lián)想都是最提倡 LTS 技術的廠商。除此之外，Winbond 華邦半導體官方已經(jīng)確認了同樣使用該技術。根據(jù)研究機構 IDTechEx 的《可持續(xù)電子制造2023-2033》報告，三星、IBM、英特爾、東芝、蘋果、戴爾等廠商，都在使用各種方法降低 PCB 電路板組裝、芯片制造的能耗和污染問題。這些手段不僅包含使用低溫焊錫膏，還包括優(yōu)化生產(chǎn)工藝步驟、盡可能使用可回收材料、PCB?干法蝕刻等等。IDTechEx 預計從2023-2033年，全球將有20%的印刷電路板（PCB）將使用更加可持續(xù)的方法制造。

注：以上提到的廠商，都沒有明確表示用過低溫焊錫，只是說將用各種手段......

不僅國外如此，資料顯示中國政府早在 2017 年便公布了一項政策，要求電腦、通信、電子設備制造等行業(yè)，在生產(chǎn)線安裝全新的精確監(jiān)測系統(tǒng)，來記錄生產(chǎn)過程的污水排放、廢氣排放等環(huán)保指標，超標部分要對企業(yè)征收環(huán)保稅。由此可以推斷，筆記本電腦廠商除了聯(lián)想之外，其它品牌還有可能在環(huán)保政策的壓力下采用 LTS 低溫焊錫技術。

為什么會虛焊？并不是焊錫“熔化了”

大家都知道，筆記本電腦里溫度最高的元件就是CPU、GPU，而這兩種芯片本身有著十分嚴格的溫度墻叫?Tjunction，英特爾的產(chǎn)品往往為100°C，最高105℃，這個溫度遠遠低于低溫焊錫的熔點138℃。有人會問，即使不融化，那么這么高的溫度，焊錫是否會變軟？其實會的，但變軟同樣也會帶來好處，就是延展性增強，焊錫的粘附效果更好，不會因為形變、沖擊斷裂。

還有個問題不能不忽視，那就是CPU、GPU芯片本身自帶的錫球，很有可能是高溫焊錫（SAC Solder），而主板上卻是低溫錫漿，二者的熔點相差 89℃，如果焊接時兩部分不能夠很好地相容，也會使得強度達不到要求。

根據(jù)另一個筆記本品牌機械革命的資料，筆記本主板生產(chǎn)時，都是采用SMT回流焊工藝進行焊接。以下描述來自：樂正咲：筆記本生產(chǎn)過程全揭秘，探訪機械革命生產(chǎn)工廠

在最終的出廠測試環(huán)節(jié)，每一臺機械革命游戲本在出廠前都必須通過嚴格的烤機測試，這也是很多消費者奇怪為什么拿到手的筆記本硬盤會有一段時間的通電時間，這就是出廠測試時長時間烤機測試的證明。每一臺游戲本在出廠前都會經(jīng)歷零下20度到零上60度之間的環(huán)境下進行20次以上往復沖擊驗證。

但是，這種方法有個缺陷，那就是高低溫沖擊測試針對的是主板整體，但實際使用中，主板各個部位的溫度是嚴重不均勻的。個人經(jīng)驗，芯片局部發(fā)熱不均，有可能導致焊接面出現(xiàn)橫向、縱向的不規(guī)則拉扯，長期使用過程中，會造成焊點受到XYZ軸三個方向的力，從而導致開焊。如果使用的錫鉍低溫焊錫膏質量不佳，或者干脆沒焊牢，更有可能出現(xiàn)虛焊問題。出現(xiàn)問題的聯(lián)想筆記本，很多都是AMD平臺，AMD處理器的積溫問題，使得CPU與周圍電路板的溫差過大，有可能加劇焊接處的拉扯。

注：目前來看，英特爾處理器的聯(lián)想筆記本出問題也不少的，不是黑AMD啊。

下面的視頻，用鋼網(wǎng)和熱風槍演示受熱不均時，平面物體的形變會有多大。主板、CPU基板盡管采用了熱脹冷縮效應更低的玻纖材料，但在微觀層面的形變不能忽視。更何況如今電腦為了輕薄，主板、CPU基板都變得更薄，也更容易彎折變形。

熱風槍吹鋼網(wǎng)，受熱不均變形

總結：導致CPU虛焊的幾點可能原因

1、CPU底部的植球是高溫無鉛焊錫，焊接時用的低溫無鉛錫漿，沒有完美相容導致先天缺陷。

2、SMT 回流焊工藝問題，溫度曲線控制錯誤，沒焊牢；或者焊點由于助焊劑蒸發(fā)不干凈、形變過大形成應力等原因，強度不夠。

3、為了降低成本，使用了質量不佳的低溫無鉛焊錫膏，沒有采用英特爾的配方，沒有摻雜其它元素來提高性能。

4、CPU散熱不佳，筆記本沒有定期清灰、硅脂干掉未涂抹等因素，造成CPU溫度過高形變過大，焊點反復拉扯。焊錫金屬疲勞，最終虛焊。

補充第5條：CPU基板、主板PCB玻纖板過薄，使得熱脹冷縮形變過大、被散熱器壓住縱向形變過大，導致開焊。

根據(jù)聯(lián)想首席技術官（CTO）芮勇的說法，截至2023年2月，聯(lián)想共出貨了1500萬臺采用 LTS低溫焊接技術的筆記本電腦。這個數(shù)量和小米 11 系列手機的銷量在一個量級，后者的虛焊故障導致了較嚴重的輿論風波，對品牌口碑造成了負面影響。不過，畢竟聯(lián)想筆記本電腦是主動散熱的，預計出現(xiàn)CPU虛焊的概率不會像小米11系列那樣高。希望聯(lián)想能夠拿出有誠意的解決辦法，比如為過保用戶免費維修之類的。

對于大量買了聯(lián)想筆記本的消費者來說，也不用過度擔心，好在CPU虛焊不影響硬盤數(shù)據(jù)安全。平時最好給電腦定期清灰，監(jiān)測CPU滿載溫度，使用年數(shù)久的筆記本應當重新涂抹硅脂。目前虛焊事件的發(fā)生概率還沒有特別高，還需要時間來進一步觀察。不僅僅是聯(lián)想，其它品牌筆記本的用戶，也需要注意低溫焊錫有可能造成的虛焊問題。

相關資料：

https://www.intel.com/content/dam/www/public/us/en/documents/presentation/low-temperature-soldering-introduction.pdf

https://www.technologyreview.com/2023/02/08/1067218/out-with-the-old-and-in-with-the-new-it/

對了，Bi鉍元素在自然界的存在形式是炫酷的結晶，鉍晶體很好看的！淘寶有售。研究了半天焊錫，有點想買一塊把玩一下。

編輯于 2023-02-12 04:06?IP 屬地山東