پروفایل حرارتی

بندانگشتی|نمایش گرافیکی شاخص پنجره فرآیند برای یک پروفایل حرارتی
یک پروفایل حرارتی مجموعه‌ای پیچیده از داده‌های زمان-دما است که معمولاً با اندازه‌گیری دماهای حرارتی در یک فر (مثلاً فر reflow) مرتبط است. پروفایل حرارتی اغلب در ابعاد مختلفی مانند شیب افزایش دما، مکث حرارتی، زمان بالای دمای ذوب (TAL) و پیک اندازه‌گیری می‌شود.

یک پروفایل حرارتی را می‌توان بر اساس نحوه قرارگیری در یک پنجره فرآیند (مشخصات یا حد تلرانس) رتبه‌بندی کرد."A Method for Quantifying Thermal Profile Performance". KIC Thermal. Archived from the original on 2011-07-13. Retrieved 2010-09-30.مقادیر خام دما بر حسب درصد نسبت به میانگین فرآیند و محدودیت‌های پنجره نرمال‌سازی می‌شوند. مرکز پنجره فرآیند به عنوان صفر تعریف می‌شود و لبه‌های انتهایی پنجره فرآیند ±99٪ هستند. یک شاخص پنجره فرآیند (PWI) بزرگتر یا مساوی 100٪ نشان می‌دهد که پروفایل خارج از محدودیت‌های فرآیند است. PWI 99٪ نشان می‌دهد که پروفایل در محدوده محدودیت‌های فرآیند است، اما در لبه پنجره فرآیند اجرا می‌شود. برای مثال، اگر میانگین فرآیند روی 200 درجه سانتیگراد تنظیم شود و پنجره فرآیند به ترتیب روی 180 درجه سانتیگراد و 220 درجه سانتیگراد کالیبره شود، مقدار اندازه‌گیری شده 188 درجه سانتیگراد به شاخص پنجره فرآیند 60-٪ تبدیل می‌شود. این روش در فرآیندهای صنعتی و آزمایشگاهی متنوعی،Pearce, Ray "Process improvement through thermal profiling: the goal of thermal profiling is to always increase quality and reduce waste. Three case histories--covering powder coating, baking and solder reflow applications " Process Heating, 01-JAN-05 از جمله مونتاژ قطعات الکترونیکی، اپتوالکترونیک،"High performance thermal profiling of photonic integrated circuits" اپتیک،Kapusta, Evelyn (2005), Using Thermal Profiling to Monitor Optical Feedback in Semiconductor Lasers (Thesis) مهندسی بیوشیمی،K. Gill, M. Appleton and G. J. Lye "Thermal profiling for parallel on-line monitoring of biomass growth in miniature stirred bioreactors" Biotechnology Letters Volume 30, Number 9 / September, 2008 علوم غذایی،B. Strahm & B, Plattner, "Thermal profiling: Predicting processing characteristics of feed materials:" [3] Archived November 17, 2006, at the Wayback Machine رفع آلودگی زباله‌های خطرناک، و تجزیه و تحلیل ژئوشیمیایی استفاده می‌شود.Arehart, Greg B.; Donelick, Raymond A. (2006). "Thermal and isotopic profiling of the Pipeline hydrothermal system: Application to exploration for Carlin-type gold deposits". Journal of Geochemical Exploration. 91 (1–3): 27–40. Bibcode:2006JCExp..91...27A. doi:10.1016/j.gexplo.2005.12.005. ISSN 0375-6742.

 لحیم کاری محصولات الکترونیکی 
یکی از کاربردهای اصلی این روش، لحیم‌کاری مجموعه‌های الکترونیکی است. امروزه دو نوع اصلی از این پروفیل‌ها استفاده می‌شود: Ramp-Soak-Spike (RSS) و Ramp to Spike (RTS). در سیستم‌های مدرن، شیوه‌های مدیریت کیفیت در صنایع تولیدی، الگوریتم‌های فرآیند خودکار مانند PWI را ایجاد کرده‌اند، که در آن کوره‌های لحیم‌کاری از قبل با قطعات الکترونیکی گسترده و ورودی‌های قابل برنامه‌ریزی برای تعریف و اصلاح مشخصات فرآیند بارگذاری می‌شوند. با استفاده از الگوریتم‌هایی مانند PWI، مهندسان می‌توانند پارامترها را کالیبره و سفارشی کنند تا به حداقل واریالنس فرآیند و نرخ نقص نزدیک به صفر دست یابند.

 فرآیند جریان مجدد 
در لحیم‌کاری، یک پروفیل حرارتی مجموعه‌ای پیچیده از مقادیر زمان-دما برای ابعاد مختلف فرآیند مانند شیب، جذب، TAL و پیک است.Houston, Paul N; Brian J. Louis; Daniel F. Baldwin; Philip Kazmierowicz. "Taking the Pain Out of Pb-free Reflow" (PDF). Lead-Free Magazine. p. 3. Retrieved 2008-12-10. خمیر لحیم حاوی ترکیبی از فلز، شار و حلال‌ها است که به تغییر فاز خمیر از نیمه جامد به مایع به بخار و فلز از جامد به مایع کمک می‌کند. برای یک فرآیند لحیم‌کاری مؤثر، لحیم‌کاری باید تحت شرایط کالیبره شده دقیق در یک کوره بازتابی انجام شود.شرح مفصل کوره بازتابی همرفتی

امروزه دو نوع پروفیل اصلی در لحیم‌کاری استفاده می‌شود:

1- Ramp-Soak-Spike (RSS)

2- Ramp to Spike (RTS)

 بالا رفتن تدریجی دما، مکث حرارتی، رسیدن به اوج دما 
بندانگشتی|داده‌های دمای پروفایل در برابر تنظیمات فر reflow رسم شده‌اند
رمپ به عنوان نرخ تغییر دما در طول زمان تعریف می‌شود که بر حسب درجه در ثانیه بیان می‌شود.O'Leary, Brian; Michael Limberg (2009). Profiling Guide. DiggyPod. ISBN 978-0-9840903-0-3. :14 رایج‌ترین حد فرآیند مورد استفاده 4 درجه سانتیگراد در ثانیه است، اگرچه بسیاری از تولیدکنندگان قطعات و خمیر لحیم مقدار 2 درجه سانتیگراد در ثانیه را مشخص می‌کنند. بسیاری از قطعات دارای مشخصاتی هستند که در آن افزایش دما نباید از دمای مشخصی در ثانیه، مانند 2 درجه سانتیگراد در ثانیه، تجاوز کند. تبخیر سریع روان‌ساز موجود در خمیر لحیم می‌تواند منجر به عیوبی مانند بلند شدن سرب، ایجاد برآمدگی و ایجاد توپ‌های لحیم شود. علاوه بر این، اگر رطوبت زیاد باشد، گرمای سریع می‌تواند منجر به تولید بخار در قطعه شود که منجر به تشکیل ریزترک‌ها می‌شود.:16
بندانگشتی|ویژگی های بالا رفتن تدریجی دما، مکث حرارتی، رسیدن به اوج دما
در بخش مکث حرارتی پروفیل، خمیر لحیم به تغییر فاز نزدیک می‌شود. مقدار انرژی وارد شده به قطعه و برد مدار چاپی (PCB) به تعادل نزدیک می‌شود. در این مرحله، بیشتر شار از خمیر لحیم تبخیر می‌شود. مدت زمان مکث حرارتی برای خمیرهای مختلف متفاوت است. جرم برد مدار چاپی عامل دیگری است که باید برای مدت زمان مکث حرارتی در نظر گرفته شود. انتقال حرارت بیش از حد سریع می‌تواند باعث پاشش لحیم و تولید توپ‌های لحیم، پل زدن و سایر نقص‌ها شود. اگر انتقال حرارت خیلی کند باشد، غلظت شار ممکن است بالا باقی بماند و منجر به اتصالات لحیم سرد، حفره‌ها و جریان ناقص شود.:16

پس از بخش مکث حرارتی، پروفیل وارد بخش شیب به اوج پروفیل می‌شود که محدوده دمایی و زمان مشخصی بیش از دمای ذوب آلیاژ است. پروفیل‌های موفق در محدوده دمایی تا 30 درجه سانتیگراد بالاتر از لیکوئیدوس قرار دارند که تقریباً 183 درجه سانتیگراد برای یوتکتیک و تقریباً 217 درجه سانتیگراد برای بدون سرب است.:17-16

ناحیه نهایی این پروفیل، بخش خنک‌کننده است. مشخصات معمول برای خنک‌سازی معمولاً کمتر از 6- درجه سانتیگراد بر ثانیه (شیب نزولی) است.:17

 بالا رفتن تدریجی دما، تا رسیدن به اوج دما 
بندانگشتی|ویژگی های بالا رفتن تدریجی دما، تا رسیدن به اوج دما
نمودار شیب به اسپایک (RTS) تقریباً یک نمودار خطی است که از ورودی فرآیند شروع می‌شود و در بخش پیک پایان می‌یابد و Δt (تغییر دما) بیشتری در بخش خنک‌کننده دارد. در حالی که Ramp-Soak-Spike (RSS) حدود 4 درجه سانتیگراد بر ثانیه را مجاز می‌داند، الزامات RTS حدود 1 تا 2 درجه سانتیگراد بر ثانیه است. این مقادیر به مشخصات خمیر لحیم بستگی دارد. دوره خیس شدن RTS بخشی از شیب است و به راحتی RSS قابل تشخیص نیست. مکث در درجه اول توسط سرعت نوار نقاله کنترل می‌شود. اوج پروفیل RTS نقطه پایانی شیب خطی به بخش پیک پروفیل است. همان ملاحظات در مورد نقص در یک پروفیل RSS در مورد یک پروفیل RTS نیز اعمال می‌شود.:18

هنگامی که PCB وارد بخش خنک‌کننده می‌شود، شیب منفی عموماً تندتر از شیب صعودی است.:18

 اتصالات ترموکوپل 
ترموکوپل‌ها (TC) از دو فلز غیرمشابه تشکیل شده‌اند که توسط یک مهره جوش داده شده به هم متصل شده‌اند. برای اینکه یک ترموکوپل بتواند دما را در هر نقطه مشخص بخواند، مهره جوش داده شده باید در تماس مستقیم با جسمی که دمای آن باید اندازه‌گیری شود، قرار گیرد. دو سیم غیرمشابه باید از هم جدا بمانند و فقط در مهره به هم متصل باشند. در غیر این صورت، مقدار خوانده شده دیگر در مهره جوش داده شده نیست، بلکه در موقعیتی است که فلزات برای اولین بار با هم تماس پیدا می‌کنند و این باعث می‌شود مقدار خوانده شده نامعتبر باشد.:20

خواندن ترموکوپل به صورت زیگزاگ روی نمودار پروفیل، ترموکوپل‌های متصل شده شل را نشان می‌دهد. برای خواندن دقیق، ترموکوپل‌ها به مناطقی متصل می‌شوند که از نظر جرم، مکان و نقاط مشکل‌دار شناخته شده متفاوت هستند. علاوه بر این، آنها باید از جریان‌های هوا جدا شوند. در نهایت، برای بهترین شرایط نمونه‌برداری، قرار دادن چندین ترموکوپل باید از مناطق پرجمعیت تا مناطق کم‌جمعیت PCB باشد.:20

روش‌های مختلفی برای اتصال استفاده می‌شود، از جمله اپوکسی، لحیم دمای بالا، کپتون و نوار آلومینیومی، که هر کدام سطوح موفقیت مختلفی برای هر روش دارند.TC Attachment Methods "[4]"

اپوکسی‌ها در اتصال رساناهای TC به تخته پروفیل خوب عمل می‌کنند تا از گیر کردن آنها در فر در حین پروفیل‌بندی جلوگیری شود. اپوکسی‌ها در فرمولاسیون‌های عایق و هادی موجود هستند. مشخصات باید بررسی شوند، در غیر این صورت یک عایق می‌تواند نقش منفی در جمع‌آوری داده‌های پروفیل داشته باشد. اندازه‌گیری توانایی اعمال این چسب در مقادیر و ضخامت‌های مشابه از نظر کمی دشوار است. این امر تکرارپذیری را کاهش می‌دهد. در صورت استفاده از اپوکسی، خواص و مشخصات آن اپوکسی باید بررسی شود. اپوکسی در طیف وسیعی از تحمل‌های دمایی عمل می‌کند.

خواص لحیم مورد استفاده برای اتصال TC با لحیم اتصال الکتریکی متفاوت است. لحیم دمای بالا به دلایل مختلف بهترین انتخاب برای اتصال TC نیست. اول، همان معایب اپوکسی را دارد - مقدار لحیم مورد نیاز برای چسباندن ترموکوپل به یک زیرلایه از مکانی به مکان دیگر متفاوت است. دوم، لحیم رسانا است و ممکن است ترموکوپل‌ها را اتصال کوتاه کند. به طور کلی، طول کوتاهی از هادی وجود دارد که در معرض گرادیان دما قرار می‌گیرد. این ناحیه در معرض، همراه با جوش فیزیکی، نیروی محرکه الکتریکی (EMF) تولید می‌کند. هادی‌ها و جوش در یک محیط همگن در گرادیان دما قرار می‌گیرند تا اثرات EMF به حداقل برسد.

نوار کاپتون یکی از پرکاربردترین نوارها و روش‌ها برای اتصال ترموکوپل و هادی ترموکوپل است. هنگامی که چندین لایه اعمال می‌شود، هر لایه اثر افزایشی روی عایق دارد و ممکن است بر روی پروفیل تأثیر منفی بگذارد. عیب این نوار این است که PCB باید بسیار تمیز و صاف باشد تا یک پوشش هوابندی شده روی جوش ترموکوپل و هادی‌ها ایجاد شود. عیب دیگر نوار کاپتون این است که در دماهای بالاتر از 200 درجه سانتیگراد، نوار الاستیک می‌شود و از این رو، ترموکوپل‌ها تمایل به بلند شدن از سطح زیرلایه دارند. نتیجه، خوانش‌های اشتباه است که با خطوط ناهموار در پروفیل مشخص می‌شود.

نوار آلومینیومی در ضخامت‌ها و چگالی‌های مختلفی موجود است. نوار آلومینیومی سنگین‌تر می‌تواند انتقال حرارت از طریق نوار را خنثی کند و به عنوان عایق عمل کند. نوار آلومینیومی با چگالی کم، انتقال حرارت را به ناحیه تولید EMF ترموکوپل امکان‌پذیر می‌کند. رسانایی حرارتی نوار آلومینیومی، هنگامی که ضخامت نوار در ناحیه تولید EMF ترموکوپل نسبتاً ثابت باشد، امکان هدایت یکنواخت را فراهم می‌کند.

 پروفایل مجازی 
پروفایل مجازی روشی برای ایجاد پروفایل‌ها بدون اتصال ترموکوپل‌ها (TC) یا نیاز به ابزار دقیق فیزیکی PCB در هر بار اجرای پروفایل برای همان برد تولیدی است. تمام داده‌های معمول پروفایل مانند شیب، خیس شدن، TAL و غیره که توسط پروفایل‌های ابزار دقیق اندازه‌گیری می‌شوند، با استفاده از پروفایل‌های مجازی جمع‌آوری می‌شوند. مزایای نداشتن TCهای متصل، از راحتی عدم نیاز به ابزار دقیق PCB در هر بار نیاز به پروفایل جدید، پیشی می‌گیرد.

پروفایل‌های مجازی به طور خودکار، برای هر دو دستگاه لحیم کاری reflow یا wave ایجاد می‌شوند. برای اهداف مدل‌سازی، یک تنظیم اولیه دستورالعمل لازم است، اما پس از تکمیل، پروفایل‌سازی می‌تواند مجازی شود. از آنجایی که سیستم خودکار است، پروفایل‌ها می‌توانند به صورت دوره‌ای یا مداوم برای هر مونتاژ تولید شوند. نمودارهای SPC به همراه CpK می‌توانند به عنوان کمکی در هنگام جمع‌آوری انبوهی از داده‌های مربوط به فرآیند استفاده شوند. سیستم‌های پروفایل خودکار به طور مداوم فرآیند را رصد می‌کنند و پروفایل‌هایی را برای هر مونتاژ ایجاد می‌کنند. با رایج‌تر شدن بارکدگذاری با هر دو فرآیند reflow و wave، می‌توان این دو فناوری را برای ردیابی پروفایل ترکیب کرد و به هر پروفایل تولید شده اجازه داد تا توسط بارکد قابل جستجو باشد. این زمانی مفید است که یک مجموعه در آینده مورد سوال قرار گیرد. با ایجاد یک پروفایل برای هر مجموعه، یک جستجوی سریع با استفاده از بارکد PCB می‌تواند پروفایل مورد نظر را پیدا کند و شواهدی ارائه دهد که نشان می‌دهد قطعه طبق مشخصات پردازش شده است. علاوه بر این، با ترکیب پروفایل خودکار با بارکدگذاری، می‌توان کنترل دقیق‌تری بر فرآیند به دست آورد، مانند تأیید اینکه فرآیند صحیح توسط اپراتور قبل از شروع تولید وارد شده است. Automatic Profiling video (Video). KIC Thermal.Archived at Ghostarchive and the Wayback Machine: Solderstar Automatic Profiling Systems (APS ) - CONTINUOUS MONITORING FOR REFLOW SOLDERING. YouTube.

 جستار های وابسته 
گرماسنجی روبشی تفاضلی

ترموگراویمتری

عملیات حرارتی

کالری‌سنجی

 منابع 
رده:مقاله‌های ایجادشده توسط ایجادگر

 پیوند به بیرون 

 Automatic Profiling video
 Different levels of reflow profile control
 Automatic Profiling Walkthrough
 Profile Simulation Software