.svg/1280px-Process_Window_Index_(bullseye).svg.png)
Тепловой профиль — это сложный набор данных о времени и температуре, обычно связанных с измерением температур в печи (например, печи оплавления ). Тепловой профиль часто измеряется по различным параметрам, таким как наклон, выдержка, время выше ликвидуса (TAL) и пик.
Тепловой профиль можно ранжировать по тому, как он вписывается в окно процесса (спецификация или предел допуска). [1] Исходные значения температуры нормализуются в процентах относительно как среднего значения процесса, так и пределов окна. Центр окна процесса определяется как ноль, а крайние края окна процесса составляют ±99%. [1] Индекс окна процесса (PWI), больший или равный 100%, указывает на то, что профиль находится за пределами ограничений процесса. PWI, равный 99%, указывает на то, что профиль находится в пределах ограничений процесса, но проходит на краю окна процесса. [1] Например, если среднее значение процесса установлено на 200 °C, а окно процесса откалибровано на 180 °C и 220 °C соответственно, то измеренное значение 188 °C переводится в индекс окна процесса −60%.
Этот метод используется в различных промышленных и лабораторных процессах, [2] включая сборку электронных компонентов, оптоэлектронику, [3] оптику, [4] биохимическую инженерию, [5] пищевую науку, [6] обеззараживание опасных отходов, [ необходима ссылка ] и геохимический анализ. [7]
Одним из основных применений этого метода является пайка электронных сборок. Сегодня используются два основных типа профилей: Ramp-Soak-Spike (RSS) и Ramp to Spike (RTS). В современных системах методы управления качеством в производственных отраслях создали автоматические алгоритмы процесса, такие как PWI, где паяльные печи поставляются с предварительно загруженной обширной электроникой и программируемыми входами для определения и уточнения спецификаций процесса. Используя такие алгоритмы, как PWI, инженеры могут калибровать и настраивать параметры для достижения минимальной дисперсии процесса и почти нулевого уровня дефектов.
В пайке тепловой профиль представляет собой сложный набор значений времени и температуры для различных технологических измерений, таких как наклон, выдержка, TAL и пик. [8] Паяльная паста содержит смесь металла, флюса и растворителей, которые способствуют фазовому переходу пасты из полутвердого состояния в жидкое и парообразное; а металла из твердого в жидкое. Для эффективного процесса пайки пайка должна выполняться в тщательно откалиброванных условиях в печи оплавления . Конвекционная печь оплавления Подробное описание
В настоящее время при пайке используются два основных типа профилей:
Скорость изменения температуры определяется как скорость изменения температуры с течением времени, выраженная в градусах в секунду. [9] : 14 Наиболее часто используемый предел процесса составляет 4 °C/с, хотя многие производители компонентов и паяльной пасты указывают значение 2 °C/с. Многие компоненты имеют спецификацию, в которой повышение температуры не должно превышать указанную температуру в секунду, например 2 °C/с. Быстрое испарение флюса, содержащегося в паяльной пасте, может привести к дефектам, таким как подъем свинца, образование «надгробного камня» и шарики припоя. Кроме того, быстрый нагрев может привести к образованию пара внутри компонента, если содержание влаги высокое, что приведет к образованию микротрещин. [9] : 16
В сегменте замачивания профиля паяльная паста приближается к фазовому переходу. Количество энергии, вводимой как в компонент, так и в печатную плату, приближается к равновесию. На этом этапе большая часть флюса испаряется из паяльной пасты. Продолжительность замачивания различается для разных паст. Масса печатной платы является еще одним фактором, который необходимо учитывать при определении продолжительности замачивания. Слишком быстрая передача тепла может привести к разбрызгиванию припоя и образованию шариков припоя, перемычек и других дефектов. Если передача тепла слишком медленная, концентрация флюса может оставаться высокой и приводить к холодным паяным соединениям, пустотам и неполному оплавлению. [9] : 16
После сегмента выдержки профиль переходит в сегмент рампы-пик профиля, который представляет собой заданный температурный диапазон и время, превышающие температуру плавления сплава. Успешные профили имеют диапазон температур до 30 °C выше ликвидуса , что составляет приблизительно 183 °C для эвтектики и приблизительно 217 °C для бессвинцовой. [9] : 16–17
Последняя область этого профиля — это секция охлаждения. Типичная спецификация для охлаждения обычно составляет менее −6 °C/с (нисходящий наклон). [9] : 17
Профиль Ramp to Spike (RTS) представляет собой почти линейный график, начинающийся на входе процесса и заканчивающийся на пиковом сегменте, с большим Δt (изменением температуры) в охлаждающем сегменте. В то время как Ramp-Soak-Spike (RSS) допускает около 4 °C/с, требования RTS составляют около 1–2 °C/с. Эти значения зависят от спецификаций паяльной пасты. Период выдержки RTS является частью рампы и не так легко различим, как в RSS. Выдержка контролируется в первую очередь скоростью конвейера . Пик профиля RTS является конечной точкой линейного рампы к пиковому сегменту профиля. Те же соображения о дефектах в профиле RSS применимы и к профилю RTS. [9] : 18
Когда печатная плата входит в охлаждающий сегмент, отрицательный наклон обычно круче восходящего наклона. [9] : 18
Термопары (или TC) представляют собой два разнородных металла, соединенных сварным швом. Чтобы термопара могла измерить температуру в любой заданной точке, сварной шов должен непосредственно контактировать с объектом, температуру которого необходимо измерить. Два разнородных провода должны оставаться разделенными, соединенными только в шве; в противном случае показания будут получены не в сварном шве, а в том месте, где металлы впервые соприкасаются, что делает показания недействительными. [9] : 20
Зигзагообразное показание термопары на графике профиля указывает на неплотно прикрепленные термопары. Для получения точных показаний термопары прикрепляются к областям, которые отличаются по массе, местоположению и известным проблемным местам. Кроме того, они должны быть изолированы от воздушных потоков. Наконец, размещение нескольких термопар должно варьироваться от густонаселенных до менее густонаселенных областей печатной платы для наилучших условий отбора проб. [9] : 20
Используются различные методы крепления, включая эпоксидную смолу , высокотемпературный припой, каптон и алюминиевую ленту, каждый из которых имеет разную степень успешности. [10]
Эпоксидные смолы хорошо подходят для крепления проводников TC к профильной доске, чтобы они не запутались в печи во время профилирования. Эпоксидные смолы выпускаются как в виде изоляторов, так и в виде проводников. Необходимо проверить спецификации, иначе изолятор может сыграть негативную роль в сборе данных профиля. Возможность нанесения этого клея в одинаковых количествах и толщинах трудно измерить в количественном выражении. Это снижает воспроизводимость. Если используется эпоксидная смола, необходимо проверить ее свойства и характеристики. Эпоксидная смола функционирует в широком диапазоне температурных допусков.
Свойства припоя, используемого для присоединения термопары, отличаются от свойств электрически соединяемого припоя. Высокотемпературный припой не является лучшим выбором для присоединения термопары по нескольким причинам. Во-первых, он имеет те же недостатки, что и эпоксидная смола — количество припоя, необходимое для приклеивания термопары к подложке, варьируется от места к месту. Во-вторых, припой является проводником и может закоротить термопары. Как правило, существует короткая длина проводника, которая подвергается воздействию температурного градиента. Вместе эта открытая область вместе с физическим сварным швом создают электродвижущую силу (ЭДС). Проводники и сварной шов помещаются в однородную среду в пределах температурного градиента, чтобы минимизировать воздействие ЭДС.
Лента Kapton является одной из наиболее широко используемых лент и методов для крепления термопар и проводников TC. При нанесении нескольких слоев каждый слой оказывает дополнительное воздействие на изоляцию и может негативно повлиять на профиль. Недостатком этой ленты является то, что печатная плата должна быть очень чистой и гладкой, чтобы обеспечить герметичное покрытие над сварным швом термопары и проводниками. Другим недостатком ленты Kapton является то, что при температурах выше 200 °C лента становится эластичной, и, следовательно, термопары имеют тенденцию отрываться от поверхности подложки. Результатом являются ошибочные показания, характеризующиеся неровными линиями в профиле.
Алюминиевая лента бывает разной толщины и плотности. Более тяжелая алюминиевая лента может ослабить передачу тепла через ленту и действовать как изолятор. Алюминиевая лента низкой плотности обеспечивает передачу тепла в область термопары, генерирующую ЭДС. Теплопроводность алюминиевой ленты обеспечивает равномерную проводимость, когда толщина ленты достаточно постоянна в области термопары, генерирующей ЭДС.
Виртуальное профилирование — это метод создания профилей без присоединения термопар (TC) или необходимости физического измерения печатной платы каждый раз при запуске профиля для одной и той же производственной платы. Все типичные данные профиля, такие как наклон, выдержка, TAL и т. д., которые измеряются с помощью инструментированных профилей, собираются с помощью виртуальных профилей. Преимущества отсутствия прикрепленных TC превосходят удобство отсутствия необходимости измерения печатной платы каждый раз, когда требуется новый профиль.
Виртуальные профили создаются автоматически как для машин для пайки оплавлением, так и для машин для пайки волной припоя. Для моделирования требуется начальная настройка рецепта, но после завершения профилирование можно сделать виртуальным. Поскольку система автоматическая, профили могут генерироваться периодически или непрерывно для каждой сборки. Диаграммы SPC вместе с CpK могут использоваться в качестве вспомогательного средства при сборе большого количества данных, связанных с процессом. Автоматизированные системы профилирования непрерывно отслеживают процесс и создают профили для каждой сборки. Поскольку штрихкодирование становится все более распространенным как для процессов оплавления, так и для процессов волновой пайки, эти две технологии можно объединить для отслеживания профилирования, что позволяет искать каждый созданный профиль по штрихкоду. Это полезно, когда сборка подвергается сомнению в будущем. Поскольку профиль создается для каждой сборки, быстрый поиск с использованием штрихкода печатной платы может извлечь нужный профиль и предоставить доказательства того, что компонент был обработан в соответствии со спецификацией. Кроме того, можно добиться более строгого контроля процесса при объединении автоматического профилирования со штрихкодированием, например, подтверждения того, что оператор ввел правильный процесс перед запуском производственного цикла. [11] [12]