温度プロファイリング
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温度プロファイルとは、時間と温度の複雑なデータセットであり、通常はオーブン（例：リフローオーブン）内の温度測定に使用されます。温度プロファイルは、勾配、ソーク、液相線到達時間（TAL）、ピークなど、様々な側面から測定されます。
熱プロファイルは、プロセスウィンドウ（仕様または許容限界）にどの程度適合するかでランク付けできます。[ 1 ]生の温度値は、プロセス平均とウィンドウ限界の両方に対するパーセンテージで正規化されます。プロセスウィンドウの中心はゼロと定義され、プロセスウィンドウの両端は ±99% です。[ 1 ]プロセスウィンドウインデックス(PWI) が 100% 以上の場合、プロファイルがプロセス限界外にあることを示します。PWI が 99% の場合、プロファイルはプロセス限界内ですが、プロセスウィンドウの端で実行されます。[ 1 ]たとえば、プロセス平均が 200 °C に設定され、プロセスウィンドウがそれぞれ 180 °C と 220 °C に較正されている場合、測定値が 188 °C の場合、プロセスウィンドウインデックスは -60% になります。
この方法は、電子部品の組み立て、オプトエレクトロニクス、 [ 3 ]光学、[ 4 ] 生化学工学、[ 5 ]食品科学、[ 6 ]有害廃棄物の除染、地球化学分析など、さまざまな産業および実験室プロセスで使用されています。[ 7 ]
電子製品のはんだ付け
この方法の主な用途の一つは、電子部品のはんだ付けです。現在使用されているプロファイルには、主にランプ・ソーク・スパイク（RSS）とランプ・トゥ・スパイク（RTS）の2種類があります。現代のシステムでは、製造業における品質管理の実践から、PWIなどの自動プロセスアルゴリズムが生まれています。PWIでは、はんだ付け炉に豊富な電子機器とプログラム可能な入力がプリロードされており、プロセス仕様を定義・調整できます。PWIなどのアルゴリズムを使用することで、エンジニアはパラメータを調整・カスタマイズし、プロセス変動を最小限に抑え、不良率をほぼゼロにすることができます。
リフロープロセス
はんだ付けにおける熱プロファイルとは、勾配、ソーク、TAL、ピークなど、様々なプロセス要素における時間と温度の複雑な組み合わせです。[ 8 ]はんだペーストには、金属、フラックス、溶剤が混合されており、これらはペーストの半固体から液体、そして蒸気への相変化、そして金属の固体から液体への相変化を促進します。効果的なはんだ付けプロセスを実現するには、リフロー炉内で慎重に調整された条件下ではんだ付けを行う必要があります。 対流式リフロー炉の詳細な説明
現在、はんだ付けには主に 2 つのプロファイル タイプが使用されています。
- ランプソークスパイク（RSS）
- ランプ・トゥ・スパイク（RTS）
ランプ・ソーク・スパイク
ランプは、時間経過に伴う温度変化率として定義され、1秒あたりの度数で表されます。[ 9 ]：14 最も一般的に使用されるプロセス限界は4℃/秒ですが、多くの部品およびはんだペーストメーカーは2℃/秒と値を指定しています。多くの部品では、温度上昇が2℃/秒など、1秒あたりの指定温度を超えてはならないという仕様になっています。はんだペーストに含まれるフラックスが急速に蒸発すると、リード浮き、ツームストーン、はんだボールなどの欠陥が発生する可能性があります。さらに、水分含有量が高い場合、急速加熱によって部品内部で蒸気が発生し、マイクロクラックが発生する可能性があります。[ 9 ]：16
プロファイルの浸漬区間では、はんだペーストは相変化に近づきます。部品とPCBの両方に導入されるエネルギー量は平衡に近づきます。この段階では、フラックスの大部分がはんだペーストから蒸発します。浸漬時間はペーストによって異なります。PCBの質量も、浸漬時間を決定する際に考慮すべき要素です。熱伝達が速すぎると、はんだの飛散、はんだボール、ブリッジングなどの欠陥が発生する可能性があります。熱伝達が遅すぎると、フラックス濃度が高く維持され、はんだ付け不良、ボイド、リフロー不良が発生する可能性があります。[ 9 ]：16
ソークセグメントの後、プロファイルはランプ・ツー・ピークセグメントに入ります。これは、合金の融点を超える所定の温度範囲と時間です。成功したプロファイルでは、液相線より最大30℃高い温度範囲で、共晶合金では約183℃ 、鉛フリー合金では約217℃です。[ 9 ]：16–17
このプロファイルの最終領域は冷却セクションです。冷却の典型的な仕様は通常、-6 °C/s未満（下降勾配）です。[ 9 ] : 17
ランプ・トゥ・スパイク
Ramp to Spike (RTS) プロファイルは、プロセスの入口から始まり、ピークセグメントで終了するほぼ線形グラフであり、冷却セグメントでより大きな Δt (温度変化) を持ちます。Ramp-Soak-Spike (RSS) では約 4 °C/s が許容されますが、RTS の要件は約 1～2 °C/s です。これらの値は、はんだペーストの仕様によって異なります。RTS のソーク期間はランプの一部であり、RSS ほど簡単に区別することはできません。ソークは、主にコンベアの速度によって制御されます。RTS プロファイルのピークは、プロファイルのピークセグメントへの線形ランプの終点です。RSS プロファイルの欠陥に関する同じ考慮事項が、RTS プロファイルにも適用されます。[ 9 ] : 18
PCBが冷却セグメントに入ると、負の勾配は上昇勾配よりも一般的に急になります。[ 9 ]：18
熱電対アタッチメント
熱電対（TC）は、溶接ビードで接合された2種類の異なる金属で構成されています。熱電対が任意の点の温度を読み取るには、溶接ビードが測定対象物に直接接触している必要があります。2種類の異なる線はビード部分のみで接合され、独立した状態を維持する必要があります。そうでないと、測定値は溶接ビードではなく、金属が最初に接触した位置で測定され、無効となります。[ 9 ]：20
プロファイルグラフ上でジグザグに熱電対の測定値が示される場合、熱電対の取り付けが緩いことを示しています。正確な測定値を得るには、熱電対を質量、位置、既知の問題箇所が異なる領域に取り付けます。さらに、熱電対は空気の流れから遮断する必要があります。最後に、最適なサンプリング条件を得るために、複数の熱電対をPCB上の人が多い領域から人が少ない領域まで配置する必要があります。[ 9 ]：20
接着にはエポキシ、高温はんだ、カプトン、アルミテープなどいくつかの方法が使われており、それぞれの方法の成功率は異なります。[ 10 ]
エポキシは、TC導体をプロファイルボードに固定し、プロファイリング中にオーブン内で絡まるのを防ぐのに適しています。エポキシには絶縁体と導体の両方の配合があります。絶縁体を使用すると、プロファイルデータの収集に悪影響を与える可能性があるため、仕様を確認する必要があります。この接着剤を同様の量と厚さで塗布できるかどうかを定量的に測定することは困難です。これは再現性の低下につながります。エポキシを使用する場合は、その特性と仕様を確認する必要があります。エポキシは広い温度許容範囲で機能します。
TCの取り付けに使用されるはんだの特性は、電気接続用はんだの特性とは異なります。高温はんだは、いくつかの理由からTCの取り付けには最適な選択肢ではありません。第一に、エポキシと同じ欠点があります。つまり、TCを基板に接着するために必要なはんだの量は、場所によって異なるのです。第二に、はんだは導電性であるため、TCを短絡させる可能性があります。一般的に、温度勾配にさらされる導体は短く、この露出部分と物理的な溶接部が組み合わさって起電力（EMF）を生成します。導体と溶接部は、EMFの影響を最小限に抑えるために、温度勾配内の均一な環境に配置されます。
カプトンテープは、熱電対（TC）および熱電対導体の接着に最も広く使用されているテープおよび方法の一つです。複数の層を塗布すると、各層が絶縁に付加的な影響を与え、プロファイルに悪影響を与える可能性があります。このテープの欠点は、熱電対の溶接部と導体を気密に覆うために、PCBが非常に清潔で滑らかでなければならないことです。カプトンテープのもう一つの欠点は、200℃を超える温度ではテープが弾性を示し、熱電対が基板表面から剥がれやすくなることです。その結果、プロファイルにギザギザの線が現れるなど、誤った測定値が表示されます。
アルミテープには様々な厚さと密度のものがあります。密度の高いアルミテープは、テープを介した熱伝導を分散させ、絶縁体として機能します。密度の低いアルミテープは、熱電対の起電力発生領域への熱伝導を可能にします。アルミテープの熱伝導性により、熱電対の起電力発生領域におけるテープの厚さがほぼ一定であれば、均一な熱伝導が可能になります。
仮想プロファイリング
仮想プロファイリングは、熱電対（TC）を取り付けたり、同じ量産基板に対してプロファイルを実行するたびにPCBを物理的に計測したりする必要がなく、プロファイルを作成する方法です。計測プロファイルで測定されるスロープ、ソーク、TALなどの一般的なプロファイルデータはすべて、仮想プロファイルを使用して収集されます。TCを取り付けないことによるメリットは、新しいプロファイルが必要になるたびにPCBを計測する必要がないという利便性をはるかに上回ります。
リフローはんだ付け機とウェーブはんだ付け機の両方で、仮想プロファイルが自動的に作成されます。モデリングのためには初期レシピ設定が必要ですが、完了すればプロファイリングを仮想化できます。システムは自動化されているため、各アセンブリごとにプロファイルを定期的または継続的に生成できます。SPCチャートとCpKは、膨大なプロセス関連データの収集を補助するために使用できます。自動プロファイリングシステムは、プロセスを継続的に監視し、各アセンブリごとにプロファイルを作成します。リフロープロセスとウェーブプロセスの両方でバーコードが一般的になるにつれて、プロファイリングのトレーサビリティのためにこの2つの技術を組み合わせることが可能になり、生成された各プロファイルをバーコードで検索できるようになります。これは、将来、アセンブリに問題が生じた場合に役立ちます。各アセンブリごとにプロファイルが作成されるため、PCBのバーコードを使ったクイック検索で該当するプロファイルを表示し、部品が仕様通りに処理されたことを証明できます。さらに、自動プロファイリングとバーコードを組み合わせることで、生産開始前にオペレーターが正しいプロセスを入力したことを確認するなど、より厳密なプロセス管理を実現できます。[ 11 ] [ 12 ]
参考文献
- ^ a b c「熱プロファイル性能を定量化する手法」 KIC Thermal. 2011年7月13日時点のオリジナルよりアーカイブ。2010年9月30日閲覧。
- ^ピアース、レイ「熱プロファイリングによるプロセス改善：熱プロファイリングの目標は常に品質の向上と廃棄物の削減です。3つの事例：粉体塗装、ベーキング、はんだリフローのアプリケーション」プロセスヒーティング、2005年1月1日[1]
- ^「光集積回路の高性能熱プロファイリング」
- ^ Kapusta, Evelyn (2005),熱プロファイリングを用いた半導体レーザーの光フィードバックの監視（論文）
- ^ K. Gill、M. Appleton、GJ Lye「小型撹拌バイオリアクターにおけるバイオマス成長の並列オンラインモニタリングのための熱プロファイリング」 バイオテクノロジーレター第30巻第9号 / 2008年9月[2]
- ^ B. Strahm & B, Plattner、「熱プロファイリング：供給材料の処理特性の予測」 [3] 2006年11月17日アーカイブ、 Wayback Machine
- ^ Arehart, Greg B.; Donelick, Raymond A. (2006). 「パイプライン熱水系の温度および同位体プロファイリング：カーリン型金鉱床探査への応用」. Journal of Geochemical Exploration . 91 ( 1–3 ): 27– 40. Bibcode : 2006JCExp..91...27A . doi : 10.1016/j.gexplo.2005.12.005 . ISSN 0375-6742 .
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- ^ a b c d e f g h i O'Leary, Brian; Michael Limberg (2009).プロファイリングガイド. DiggyPod. ISBN 978-0-9840903-0-3。
- ^ TC取り付け方法 " [4] "
- ^自動プロファイリングビデオ（ビデオ）。KIC Thermal。
- ^ GhostarchiveとWayback Machineにアーカイブ： Solderstar Automatic Profiling Systems (APS) - CONTINUOUS MONITORING FOR REFLOW SOLDERING . YouTube .
外部リンク
