Любой способ пайки преследует одну цель: сформировать качественные паяные соединения между выводами компонентов и контактными площадками. Но когда заходит речь об их надежности, повторяемости процесса, или когда это мелкосерийный процесс с использованием дорогостоящих компонентов – то задача технологов усложняется.
 

Краткая информация о процессе

Пайка в паровой фазе (конденсационная пайка) – это наиболее простой и надежный метод пайки. Данный метод идеально подходит для всех типов SMD компонентов и материалов, из которых изготавливаются ПП. Физические принципы процесса позволяют паять ответственные изделия без длительного и сложного процесса подбора термопрофилей. Основной физический принцип процесса заключается в передаче тепла за счет конденсации пара на электронном модуле. Источником образования пара является химически инертная, безвредная, не вызывающая коррозии жидкость, которая может сочетаться с любыми материалами. Температура кипения такой жидкости составляет 200°C, при использовании свинцовосодержащих припоев, или 230°C, при использовании бессвинцовых припоев. При индивидуальных требованиях к условиям пайки, может использоваться жидкость с температурой кипения от 160 до 260°C. Выход на режим в установках пайки в паровой фазе заключается в получении нужной концентрации пара в камере пайки. В процессе кипения жидкости над ванной поднимается пар, не содержащий кислорода и с молекулярным весом выше воздуха, таким образом, вытесняя из камеры пайки воздух, и образует бескислородную среду для пайки без использования дополнительных инертных газов, таких как азот. Как только изделие попадает в камеру пайки, на нем начинает конденсироваться пар, передавая изделию свое тепло. Независимо от времени нахождения изделия в камере пайки его температура никогда не превысит температуру пара. Из чего следует безупречная повторяемость процесса и отсутствие перегрева. Пайка в паровой фазе позволяет паять изделия любой сложности: начиная от гибких печатных плат и заканчивая сложными многослойными платами, в том числе и на алюминиевом основании.
 

Рассмотрим сущность процесса подробнее:

Электронный модуль, с установленными на паяльную пасту компонентами, перемещается в зону пайки. Во избежание термоудара, он может быть предварительно нагрет ИК-излучением или верхним слоем паров кипящей  жидкости меньшей температуры.
 
Модуль погружается в пар, таким образом, нагреваясь. Благодаря запатентованному компанией IBL Löttechnik GmbH режиму "мягкой" паровой фазы (более подробно о нем будет рассказано ниже) модуль выводится на режим предварительного нагрева, т.е. выдерживается при температуре активации флюса заданное время (140°С для свинцовосодержащих паяльных паст и 180°С для бессвинцовых паяльных паст).
 
Изделие перемещается в более низкое положение камеры пайки (ближе к кипящей жидкости), где концентрация пара наиболее высока. Что позволяет нагреть изделие с заданным градиентом до температуры оплавления припоя.
 
Изделие достигает максимальной температуры - температуры пара. Эту температуру модуль не может превысить физически, как долго он бы не оставался в камере пайки. 
 
После того, как изделие покидает зону пайки на нем остается конденсированная жидкость, но, благодаря тому, что изделие имеет более высокую температуру по сравнению с окружающей средой, она вся испаряется, и установку покидает сухое изделие.
 
 
Основные преимущества использования систем пайки в паровой фазе:
 
  • не требуется тщательная отработка термопрофилей, поскольку перенос энергии осуществляется за счет конденсации и градиент температуры фактически зависит только от массы изделия;
  • невозможно нагреть компоненты выше температуры пара (200°С для свинцовых или 230°С для бессвинцовых припоев);
  • идеальное применение для единичного, мелкосерийного и серийного производства;
  • идеальная повторяемость процесса пайки;
  • одинаковая температура в любой точке печатной платы, и как следствие, исключение коробления плат из-за неравномерного прогрева;
  • пайка проходит в инертной атмосфере, при этом нет затрат на дополнительное оборудование;
  • процесс применим к любым компонентам, включая любые типы BGA и QFN;
  • исключается возникновение эффекта “попкорна” за счет равномерности прогрева всего корпуса компонента;
  • возможен прогрев ПП как сверху, так и снизу;
  • легкая выпайка компонентов при выполнении ремонтных работ;
  • низкие производственные затраты, благодаря минимизации расхода жидкости для пайки, а также низкому потреблению электроэнергии, по отношению к традиционным конвекционным печам; 
  • встроенная система охлаждения, основанная на принципе воздушной конвекции;
  • рабочая жидкость для пайки не токсична, не имеет срока хранения, не требует специальных условий для хранения и утилизации;
  • наличие обзорного окна, что дает возможность визуально контролировать процесс;
  • только пайка в парогазовой фазе полностью соответствует требованиям стандарта        ISO 9000;
  • выход на режим занимает не более 15-20 минут;
  • при использовании вакуумной установки пайки в парогазовой фазе значительно снижает количество пустот в шариковых выводах корпусов BGA.
Воплотить все преимущества пайки в паровой фазе  в жизнь позволяют установки пайки в парогазовой пайки немецкой компании IBL Löttechnik GmbH. Компания IBL Löttechnik GmbH была основана в 1985 году и с момента своего основания занимается разработкой и производством систем пайки в паровой фазе. Результатом подобной приверженности стало завоевание лидирующих позиций в данной отрасли промышленности. Теперь это ведущая компания признана не только в Германии, но и по всему миру; достаточно упомянуть, что ее заказчиками и постоянными клиентами являются такие предприятия как BMW, Siemens, Rohde&Schwarz, Европейское аэрокосмическое агентство и большинство технологических университетов Германии. В 2006 году компания IBL Löttechnik GmbH была удостоена гранта правительства Баварии как самая динамично развивающаяся компания. Компания предлагает целую гамму установок пайки в паровой фазе, которая позволяет применять данную технологию как в единичном и прототипном, так и в массовом производстве. Всю линейку продукции условно можно разделить на две подгруппы: установки эконом (Economy) и премиум (Premium) класса.
Установки  эконом (Economy) класса 
Три установки наиболее оптимальны для лабораторий и прототипного производства.
MiniLab. Максимальный размер  электронного модуля 300х275 мм. Несмотря на свои скромные размеры, установка обладает возможностью регулировки мощности нагревателей, уникальной системой транспортировки плат в зону пайки, не требующей обслуживания и свойственной для всех установок пайки компании IBL Löttechnik GmbH, а также обзорным окном и встроенной подсветкой зоны пайки. Еще одним преимуществом данной установки является система минимизации расхода жидкости для пайки: открытие верхней крышки установки, через которую происходит загрузка изделий, не влечет за собой попадания паров жидкости в окружающую среду, чего нет в подобных установках других производителей. Такая система загрузки, при работе в одну рабочую смену, позволяет сэкономить на дополнительной жидкости сумму, эквивалентную стоимости новой установки. 
Установки SV260 и SV360 являются более крупными и производительными и могут легко применяться в условиях
мелкосерийного производства. Эти двухкамерные установки, отличающиеся друг от друга размерами обрабатываемых плат: 300х260 мм и 360х540 мм соответственно. Все установки эконом (Economy) класса позволяют сохранять до 20 термопрофилей, управлять мощностью нагревателей, а следовательно концентрацией пара и градиентом температуры. Во всех установках пайки компании IBL Löttechnik GmbH имеется встроенный режим пайки «Heat Level Mode» и система автоматической пайки «Solder Automatic». Основной особенностью данных технологий является то, что при погружении изделия в пар происходит конденсация последнего на модуле, т.е. его уровень снижается, при наступлении теплового равновесия между паром и изделием, пар начинает подниматься на прежний уровень. При достижении паром в камере первоначального уровня (изделие, а следовательно, и припой достигли температуры равной температуре пара) срабатывают датчики, и контроллер в автоматическом режиме отсчитывает заранее установленное Вами время необходимое для оплавления припоя.
Установки премиум (Premium) класса 
Принципиальным отличием установок данного класса является наличие запатентованного компанией IBL Löttechnik GmbH режима “мягкой” паровой фазы (Soft Vapour Phase - SVP). Режим позволяет получать термопрофили классической формы: с режимом предварительного нагрева и выдержкой для активизации флюса в паяльной пасте. По сути, единственным критерием для выбора профиля является масса паяемого изделия, и, как показывает практика, хватает всего лишь трех, четырех профилей для решения практически любых задач. Но, для получения качественных паяных соединений при наличии на плате большого количества сложных и тепломассивных элементов, необходимы предварительный нагрев изделия и выдержка его при температуре 130°С или 180°С  для активизации флюсов, содержащихся в паяльной пасте, а также последующий быстрый нагрев до температуры плавления припоя. При использовании стандартных режимов пайки в паровой фазе получить классический термопрофиль с предварительным нагревом не представляется возможным.
 
Режим “мягкой” паровой фазы (SVP mode)
Очевидно, что концентрация пара различается по уровню, чем выше пар от кипящей жидкости, тем концентрация меньше. Сущность режима “мягкой” паровой фазы заключается в том, что держатель в камере пайки может принимать 20 положений. Соответственно, переместив изделие в нижние положения, можно достигнуть температуры, например в 120С, а затем в верхних слоях, с соответствующей концентрацией выдержать эту температуру. 
 
Помимо этого, установки премиум (Premium) класса могут быть оснащены ИК подогревом и дополнительной системой охлаждения, что позволяет существенно сократить цикл пайки, а также повысить ее функциональность. В частности, использование ИК прогрева в установке позволяет отверждать клеи и    SMT-адгезивы. Премиум (Premium) класс подразделятся на три серии: XLC, LV/CM и VAC. 
Установки серии XLC, позволяющие обрабатывать платы с габаритами от 300х340 мм до 840х650 мм,  могут работать как отдельно стоящими модулями, так и могут быть интегрированы в производственные линии.
 
Высокопроизводительные установки LV600 и CM800 предназначены для серийного и крупносерийного производства. Благодаря замкнутому циклу, время пайки одной платы не превышает 15-20 секунд. 
 
Третья серия VAC, пожалуй, одна из самых интересных, благодаря оснащению модулем вакуумирования. Производители электронных модулей встречаются с таким дефектом при пайке компонентов в корпусах BGA как пустоты в шариковых выводах после пайки. При использовании систем пайки в паровой фазе с вакуумированием, на испытуемых образцах удалось снизить процент пустот в паяных соединениях с 90% до  менее 10% (по данным рентгеновской томографии). Подобного результата удалось добиться, интегрировав в систему уникальный модуль
вакуумирования. Суть которого заключается в том, что откачка воздуха происходит непосредственно во время цикла пайки, без перемещения платы с расплавленным припоем.
 
При использовании метода пайки в паровой фазе и откачке воздуха, весь процесс пайки проходит в инертной среде, и, в отличие от метода, когда откачка воздуха начинается после того, как изделие покинуло зону пайки, не требует дополнительных подключений азота. Кроме того, для компенсации скачка температуры, возникающего при перемещении изделия из зоны пайки в зону вакуумирования, необходима жидкость с более высокой температурой кипения (Galden LS230 вместо LS200 для свинцовосодержащих припоев). Чем выше температура кипения, тем выше стоимость жидкости. Таким образом, разница в цене за килограмм жидкости между LS200 (температура кипения 200°С, применима для свинцовосодержащих припоев) и LS230 (температура кипения 230°С применима для бессвинцовых припоев) на российском рынке составляет около 30 Евро. Единоразовая заправка в подобные печи необходима в объеме 40 кг жидкости, также необходимо пополнение по мере эксплуатации, что ведет к дополнительным значительным затратам.
В заключении хотелось бы отметить, что долгое время технология пайки в паровой фазе была не востребована производителями электронных модулей. На это был ряд причин, основные из которых это вредность теплоносителя, его дороговизна, а также ряд дефектов возникающих при пайке данным методом из-за слишком высокого градиента температуры. В настоящее время эти проблемы нашли решение: разработчики жидкости сумели получить безвредную рабочую жидкость, не требующую даже никаких специальных условий хранения и эксплуатации, с неограниченным сроком годности, а специалисты IBL Löttechnik GmbH создали системы, позволяющие управлять градиентом температуры.
На российском рынке подобные системы еще являются диковинками, зачастую встречая недоверие со стороны технологов предприятий-производителей электронных модулей, тогда как на Западе многие производители, особенно ответственных изделий специального назначения (космическая промышленность, медицинская техника, оборонная промышленность) за последние 5-10 лет уже полностью перевооружились и используют данные системы.   
 
Список литературы:
1. Материалы конференции «The pain of conventional lead-free soldering », Германия, Кенигсбрун, 2009.
2. Брошюра «Vapour Phase Soldering machines», Германия, 2009.
3. www.ibl-tech.com