環境から鉛を排除しようとする指令により、表面実装業界では共晶スズ－鉛はんだに代わる材料を懸命になって探した。新しい材料は良好な電気伝導率や強度、はんだ付け時の流動性を示しても、多くの既存の構成部品との互換性を持つ必要がある。

　環境から鉛を排除しようとする指令により、表面実装業界では共晶スズ－鉛はんだに代わる材料を懸命になって探した。新しい材料は良好な電気伝導率や強度、はんだ付け時の流動性を示しても、多くの既存の構成部品との互換性を持つ必要がある。新しい材料に対する重要な要求の一つが、スズ－鉛はんだの液相線温度、183℃に近い液相線温度である。広範囲の研究が行われ、様々な業界団体が、217℃の液相線温度を持つスズ－銀－銅（SAC）合金に注目した。

　SACの研究の初期段階では、エンジニアはTAL（Time above Liquidus）やピーク温度、雰囲気、はんだ付け性を取り巻く信頼性の問題に注目した。これは、SACのより高い液相線温度のためにピーク・リフロー温度が225℃から240℃に引き上げられたからである。この温度は構成部品の最高温度に近く危険であり、そのためリフロー炉の制御が重要になった。さらに、SAC合金の表面は酸化傾向を示した。この酸化は、スズ－鉛はんだの場合では接合部が低品位であることを示した。

　この視覚的に疑わしい品質のため、雰囲気の討論が接合部の信頼性やはんだのぬれ性、外観、プロセス・コストに集中した。最初に、多くのリフロー・エンジニアがSACのプロセスに窒素を導入したが、携帯電話や家電のメーカーは高コストのため窒素の使用に反対した。それは、低コストのソリューションを見つけ出すための著しいプレッシャーがあったためである。ソルダペーストのメーカーが新しいフラックスを開発し、業界団体が光沢のない接合部でも信頼性があると分かったので、多くの消費者製品は大気中で製造された。注目すべき例外は、非常に高価な基板や医療用具、軍事機器である。

　初期の鉛フリーのプロファイルは、フラックスを節約するために、ピーク温度まで単一の傾斜からなり、加熱速度を最低にしていた。その後、ピーク温度時に各種構成部品の⊿Tを最小にするために、若干のソークが加えられた。さらに、部品を清浄にするために、少し長い時間フラックスの供給が必要になる。

　新しいSAC鉛フリーはんだが、ある種の低価格のプロセス機器が役割を果たさなかったことを実証した。

　リフロー炉の場合、主な問題点は高温能力、均一性、再現性およびフラックスの取り扱いであった。いくつかの温度の問題は、測定装置の熱障壁設計や熱電対の取り付け方法、熱電対の絶縁にまで影響した。

　多くのSAC合金の問題が解決されたが、いくつかの信頼性に関する研究が、SACのせん断強度が共晶鉛はんだよりも若干低いことを示している。一般に、大きな結晶粒を持つ材料は強度が低い（特に、マルチモーダル（multi-modal）あるいは異方性の結晶粒の場合）ことは、材料科学では周知の事実である。さらに、急冷によって結晶粒がより小さくなることも知られている。したがって、多くの人が、SACの結晶粒径を最小化するために、急冷速度を探し求めている。（現行のIPC-JEDEC J-STD-020Dおよび提案された020Eでは、冷却速度限界が6℃/secに設定されていることを思い出す必要がある。）

　一方、大型BGAをリフローする人は、より遅い冷却速度を主張している。鉛フリーはんだの（脆くなったことによる）低強度のため、SACによる（はんだ）ボールにかかるせん断応力の増加が表面化したと考えられている。冷却中の基板とBGAとの熱収縮の差が応力を生じている。冷却速度を制限することにより、熱的応力を最小限にすることができる。

　一見、冷却速度の測定、制御および報告は単純であるように見える。しかし、BGAや不均一な基板、質量が変化する製品では複雑になる。多くのリフローはんだ付けのように、温度測定はTCの寸法や配置、取り付け方法、精度、感度により複雑である。さらに、大型BGAの中央と端部の間の冷却速度は幅広く変化する。

　したがって、次のようなジレンマが生じる。理論的に高強度を得るための急冷、応力を最小化するための徐冷、そしてどのように温度を測定するのか。その答えは、経験と常識的判断力の中にある。小さな部品の場合には急冷し、大きな部品の場合には徐冷し、そして一貫した測定方法を用いる。
　冷却（および加熱）は、制御された方法における熱（BTUやカロリー）の移動に関する。次のように、簡単な方程式で表される。



　リフローはんだ付けの場合、基板や部品の熱容量どころか製品の表面積さえほとんど制御していない。（加熱あるいは冷却）速度に注目し、時間は幾分固定されるので、したがって製品と雰囲気の温度差が主要因となる。大きな温度差により急冷、小さな温度差により徐冷となる。