無鉛技術在焊接工藝上造成的變化最大,也是整個工藝技術中最難處理的部分。這方面的變化,是來自取出鉛金屬后的焊接金屬在熔點和表面張力上的變化。這兩方面的特性變化,使原先使用在錫鉛中的焊劑配方必須重新設計或調整。熔點溫度的改變和焊劑成分的不同也對焊接工藝造成工藝參數上的改變。從目前的研究結果中,所有較可替代的合金中,熔點溫度都高于現有的錫鉛合金。例如從目前較可能被業界廣泛接受的‘錫-銀-銅’合金看來,其熔點是在217oC。以此作為例子來看,無鉛技術的采用將在焊接工藝中造成工藝窗口的大大縮小。理論上在工藝窗口的萎縮從錫鉛焊料的37oC降到只有23oC,約38%的萎縮(見圖一)。實際上,工藝窗口的萎縮還比以上的理論值還大。原因是在實際工作上,我們的測溫(Profiling)做法含有一定的不確定性,加上DFM的限制,以及要很好的照顧到焊點‘外觀’(不少工廠還是以外觀做為主要的質量檢查依據)等等,這個回流焊接工藝的窗口其實只約有14oC(約53%的萎縮)。這只有14oC的工藝窗口,事實上在工藝調制上是有很大的挑戰性的。而對設備(回流爐)和DFM的要求也比錫鉛技術的應用要求高出許多。
理論上在焊接過程時,焊點的溫度只要達到焊料合金的熔點溫度就行了。但在實際情況下,剛達到熔點溫度的焊料,其潤濕性特差。所以我們必須提高實際焊點的溫度以增加潤濕能力。由于無鉛合金的潤濕性比起錫鉛合金還差,這做法在無鉛技術上更是必要。PCBA上的器件和板材都有承受溫度的極限,目前在無鉛技術中對這承受溫度提出的要求是260oC。雖然這溫度和含鉛技術的240oC比較下有所提高,但因為焊點溫度受到熔點溫度和潤濕性考慮的影響提高的幅度更大,這就造成了容許的工藝窗口(溫度的上下限)在無鉛技術中小了許多。
事實上,如果器件供應商在器件設計上只滿足國際建議的260oC為上限,用戶所面對的問題還更大。所擁有的焊接溫度工藝窗口就可能連上面所說的14oC都不到了。這是因為有些器件如BGA之類的封裝設計,在對流加熱的應用中,封裝本體的溫度是常常高于底部的焊點溫度的。這原本還不算是個大問題,使問題惡化的是,這些器件一般也都是熱容量較大的器件,封裝導熱性不是十分優良。而由于同一PCBA上總有些熱容量小很多的器件(注三),所以就造成了實際溫差十分難通過工藝調整來縮小和確保都在工藝窗口內。
不只是工藝窗口的縮小給工藝人員帶來巨大的挑戰,焊接溫度的提高也使焊接工作更加困難。其中一項就是高溫焊接過程中的氧化現象。我們都知道,氧化層會使焊接困難、潤濕不良以及造成影響焊點壽命的虛焊。而氧化的程度,除了器件來料本身要有足夠的控制外,用戶的庫存條件和時間、加工前的處理(例如除濕烘烤)、以及焊接中預熱(或恒溫)階段所承受的熱能(溫度和時間)等等都是決定因素。無鉛技術的溫度提高,正使焊端在預熱段造成更多的氧化。如果錫膏的助焊劑能力不足,或是回流溫度曲線在‘清潔/除氧化’段的工藝設置不當的話,回流時就可能出現焊接不良的問題。