過去為了因應歐盟的「有害物質限用指令（Restriction of Hazardous Substances Directive 2002/95/EC, RoHS）要求，PCBA(電路板組裝)製程的焊錫從錫鉛(SnPb)轉變為錫銀銅(SAC)合金，卻相對的提高了焊錫的熔接溫度。為了因應節能減碳大趨勢，現在似乎有越來越多企業正在嘗試將SAC高溫製程往低溫製程(Low Temperature Soldering, LTS)方向發展的趨勢。
其實當初焊錫製程轉入SAC合金後，SMT生產線的回焊峰值溫度(peak temperature)也從原本的220˚C上升到了250˚C左右，而焊錫溫度的升高也意味著零件材料及生產成本的提高，比如說需要使用到更耐高溫的材料，最大的改變是工程塑膠材料變更，另外，高溫也惡化了生產的品質，比如說材料在高溫下更容易變形造成焊接不良。
而目前最為大家所熟知的低溫焊錫則是以錫(Sn)為基礎添加鉍(Bi)的錫鉍(SnBi)與錫鉍銀(SnBiAg)合金。所以，今天我們就來大致探討一下LTS的優缺點、可行性與未來可能趨勢。
LTS製程的優點：
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節能減碳、降低能耗。因為採用較低熔點的焊錫合金，形成焊接所需要的溫度及時間就會跟著降低與減少，能耗相對地也就降低，達到節能減碳的目的。
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降低高溫材料需求、降低材料成本。在室溫以上使用耐溫較低的材料，通常意味著較低的材料成本，至少材料的加工成本就比較低。
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降低製程門檻、提高生產良率。將焊錫合金從SAC改為SnBi，其回焊爐內的最高溫會從250˚C降低到175˚C左右，相對地電路板在高溫下的變形率也會跟著降低約50%。板子變形與翹曲是BGA及LGA等大顆無引腳零件形成HIP/HoP虛焊的一大主因，也是造成MLCC破裂的重要兇手之一。
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LTS製程的缺點：
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焊點的長期信賴性不佳。
低溫焊錫的最大缺點就是其焊點的機械強度不佳，也就是說焊點比較脆且容易因應力作用而產生錫裂現象。與SnPb及SAC合金焊錫比較起來，SnBi合金的焊錫強度就顯得非常不耐冷熱衝擊(thermal shock)與摔落撞擊(impact drop)。
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回焊製程中容易產生Hot-tearing(熱裂縫、熱撕裂)缺點。
Hot-tearing缺點容易出現在SAC錫球與SnBi錫膏的混合焊接製程的PCB焊墊表面，其實Hot-tearing也容易出現在無鉛與錫鉛的混合(hybrid)製程中，尤其好發在BGA這類已經有預焊錫的零件焊點。這是因為在焊接的過程中，SAC錫球的熔點較高，不易熔化，就算熔化後在冷卻的過程中也會較早固化，而SnBi錫膏則一定會在回焊的過程中熔化，冷卻時也會比SAC更慢固化。想像一下在回焊爐的冷卻過程中，BGA錫球已經固化或根本就未熔化，只剩下一小部分呈現漿態的SnBi焊錫，這時PCB及BGA載板也從高溫的變形中漸漸回復，一旦高溫時BGA載板與PCB的間隙較小(變形)而回溫後間隙變大(變形回復)，就會拉扯那些還未來得及完全固化的漿態SnBi焊錫，於是形成像是撕扯過的Hot-tearing裂縫。
SAC合金的BGA錫球與低溫錫膏(LTS)混用時該使用何種溫度曲線(temperature profile)？
其實使用低溫錫膏(LTS)時最好配合同時使用低溫錫球及低溫profile，這樣才能取得低溫錫膏的所有好處與最佳的焊接效果與品質。不過迫於現實的無奈，目前市面上幾乎拿不到低溫錫球的BGA，所以只好退而求其次，混用低溫錫膏(LTS)與SAC合金的BGA錫球。
如果想要取得SAC與低溫錫膏混用的最佳品質效果，就得想辦法降低Hot-tearing所造成的影響，而其最好的溫度profile則為沿用SAC的溫度profile，因為高溫profile可以同時熔化SAC與SnBi合金，讓SAC有機會擴散至SnBi合金區域，進而改變SnBi配方的合金比率，這樣就有機會可以稍稍拉升SnBi區域的固化溫度，另外建議要加速峰值溫度後的冷卻速率，尤其是加速217˚C(SAC305)到138°C(Sn42Bi58)之間的降溫速率，目的是在SAC焊錫區域固化後，讓SnBi焊錫區域可以在最短時間內也跟著馬上固化。不過這麼一來就失去了使用LTS的所有優點，而且焊錫強度還沒有SAC合金來得好，還不如直接使用SAC錫膏。所以，以上所言的根本就是一堆廢話嘛！XD
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相信大部分會選用低溫錫膏的情況，都是因為零件無法承受SAC的高溫profile。在這種情況下只能選用低溫錫膏的低溫profile，個人建議在不影響焊接品質的情況下要盡量降低回焊的峰值溫度，其目的是為了降低PCB及BGA載板在回焊時的熱變形量，而同時還要加速回焊峰值溫度後的冷卻速率，目的當然也是為了在板子變形回復前就搶先固化低溫焊錫，不過如果過度加速冷卻速率可能有惡化BGA焊錫破裂的風險，建議應確實評估，做過信賴性測試比較後選出一個較佳的溫度冷卻速率才執行，至於如何評估LTS的焊錫性，台灣有幾家實驗室都有類似的服務，可以先諮詢這些實驗室。不建議調升回焊峰值溫度，因為溫度越高，PCB及BGA載板的變形量就會越大。
如何加強LTS的機械強度？加強焊錫強度？
目前比較可行的LTS焊點補強方案為使用底部填充膠(underfill)，這方案其實在CSP(Chip Scale Package)及flip-chip一開始出現的時候就有了，後來也應用到BGA上面，一般會使用環氧樹脂(epoxy)材質的膠水點在BGA或相似零件的邊緣，藉由毛細作用的原理讓膠水滲透並充滿零件的底部，然後加熱固化，達到填充縫隙、強化焊點的目的，後來也有人採用黏稠度比較高的膠水選擇性點在BGA的四個角落(coner bond)或BGA四邊緣(edge bond)來強化固定。
後來也有所謂的underfilm(底部填充片)出現，在板子印刷錫膏後透過SMT貼片機來將其擺放在PCB的BGA位置(避開焊點)，然後上面才放置BGA，最後與BGA一起通過回焊爐高溫來融化膠片填充空隙，冷卻後凝固。不過要注意的是，underfill都是在板子組裝完成且功能測試無誤後才會作業，而underfilm則是在SMT製程中就添加，產品的良率如果不高的話，重工將會非常麻煩。
另外，隨著LTS應用的增加，現在也有所謂的【Epoxy paste】及【Epoxy flux】製成應運而生。【Epoxy paste】是在錫膏中添加epoxy，直接印刷錫膏過回焊加熱就可以了，但既然是添加在錫膏中，其用量就不可能多，對BGA零件的焊錫強度加強可能有限，但如果僅針對片式零件(chip component)或是LED燈板來說應該還是會有些效果的。【Epoxy flux】則採用錫膏印刷後點膠作業再貼片，有點類似underfilm。以上兩種添加Epoxy的製程效果其實都有待進一進驗證，而且都是在測試前就已完成作業，對良率不高的產品使用前建議斟酌使用。
就工作熊自身的應用經驗，添加underfill確實可以起到加強BGA抗應力的能力，但只能延緩焊錫因為應力作用所噵致破裂的問題，而無法完全根治，也就是說使用一段時間後，該出問題的焊點還是會出問題。所以，解鈴還須繫鈴人，要想辦法盡量降低影響焊點的應力來源。
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那些產品有機會可以採用LTS製程？
既然我們已經了解到LTS製程產品的焊點比較脆、不耐應力，所以只要電子產品的使用環境不是處在劇烈的熱應力(高低溫循環)變化或機械應力(摔落撞擊)作用，以及產品無長期壽命設計保證需求下，應該都可以考慮導入LTS(低溫錫膏)製程，畢竟LTS既可以節能又可以省成本。以下是一些業界引用LTS的準則參考：
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產品安裝後固定不動者。不建議手持裝置使用。手持裝置容易因為隨身攜帶操作而掉落造成機械衝擊應力。
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產品設計使用壽命最好在5年以內或更短。建議要執行MTBF(Mean Time Between Failures)評估。
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主要零件如果有額外應用焊點補強保護機制為佳，如點膠或塡膠。
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IO零件如果有額外防插拔應力作用的機構設計為佳，如防過插、防搖晃等機構設計。
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產品使用環境最好低於40˚C，最大運作溫度盡量不超過85˚C。
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在一般的室內(indoor)環境中使用，無劇烈高低溫波動。不建議車用或戶外(outdoor)環境中使用。
目前看到LTS比較多運用在LED燈上面，mini-LED也有少部分採用，部分PC的產業也在評估中。
低溫製程的未來發展趨勢？
以節能減碳的角度來看LTS錫膏製程確實比較節省能源，也能降低零件對高溫塑膠材料的要求省成本，但目前的LTS錫膏有個致命的缺點，就是普遍的信賴性不佳，焊點比較脆，或許對一些細小零件不會造成太大影響，但對一些有應力承受需求的零件，比如I/O零件，或是產品受外力作用後可能彎曲電路板的產品，或是經常處於震動或是熱應力作用下的產品，就不太適合LTS製程，只能說LTS錫膏雖然能符合節能減碳訴求，但依然還有很長的路要走，也或許LTS最終無法完全取代SAC，比較可能是LTS與SAC並行。
延伸閱讀：
如何挑選錫膏 (Solder paste selection)
低溫錫膏製作HotBar焊接的可行性評估
介紹認識【錫膏(solder paste)】的基本知識
焊接採用無鉛低溫錫膏SnBi, SnBiAg的目的？