热剖析

热剖析（thermal profile）是通常与在烘箱（例如：回流焊炉) 中测量温度相关联的一组复杂的时温数据。热剖析常沿若干维度来测量，例如升温速率（slope）、浸泡（soak）、液相以上时间（TAL，time above liquidus）和峰值（peak）。

热剖析可以依据其在工艺窗口（规范或公差限）内的匹配程度进行排序。原始温度值按相对于工艺平均值和窗口限的百分比进行归一化。工艺窗口的中心定义为零，工艺窗口的极限边界为±99%。若工艺窗口指数（PWI）大于或等于100%则表示该剖析超出工艺限制。PWI为99%表示剖析在工艺限制内，但处于工艺窗口的边缘。例如，如果工艺平均值设为200 °C，而工艺窗口分别校准为180 °C和220 °C，则测得值188 °C对应的工艺窗口指数为-60%。

该方法被用于多种工业和实验室工艺中，包括電子元件组装、光电子学、光学、生物化学工程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 、食品科学B. Strahm & B, Plattner, "Thermal profiling: Predicting processing characteristics of feed materials:"  、危险废物的净化处理，以及地球化学分析。

 电子产品焊接 
该方法的主要应用之一是电子组件的焊接。当前使用的两种主要剖析类型为：爬坡-浸泡-峰值（Ramp-Soak-Spike，RSS）的马鞍形与爬坡到峰值（Ramp to Spike，RTS）的斜升型。在现代系统中，制造业的质量管理实践产生了诸如PWI的自动工艺算法，焊接炉通常预装大量电子设备和可编程输入以定义并细化工艺规范。通过使用诸如PWI的算法，工程师可以校准并定制参数以实现最小的工艺方差和接近零缺陷率。

 回流工艺 
在软钎焊中，热剖析是一组复杂的时温数值，涵盖了诸多工艺维度，如升温速率、浸泡、TAL和峰值。焊锡膏含有金属、助焊剂（flux）和助剂，这些成分帮助焊膏由半固态转为液态再到蒸气相；金属则由固态变为液态。为保证有效的焊接工艺，必须在回流焊炉中于精确校准的条件下进行焊接。

目前焊接中主要使用两类剖析类型：

 马鞍型：爬坡-浸泡-峰值（Ramp-Soak-Spike，RSS）
 斜升型：爬坡到峰值（Ramp to Spike，RTS）


 马鞍型 
“爬坡”（ramp）定义为温度随时间变化的速率，以每秒摄氏度表示（°C/s）。 最常用的工艺限值为4 °C/s，尽管许多元件和焊膏制造商规定的值为2 °C/s。许多元件有规定升温速率不得超过某一值（例如2 °C/s）。焊膏中助焊剂的快速蒸发可导致缺陷，如引脚翘起（lead lift）、立碑（tombstoning）和焊球。此外，若元件的含水量高，快速加热可能在元件内部产生蒸汽，导致形成微裂纹。

在剖析的浸泡段，焊膏接近相变，元件与印制电路板所吸收的能量趋于平衡。在此阶段，大部分助焊剂从焊膏中挥发。浸泡的持续时间因不同焊膏而异。PCB的质量也是决定浸泡持续时间的因素之一。过快的热传递会导致焊料飞溅及产生焊球、桥连等缺陷；若热传递过慢，助焊剂浓度可能保持过高，导致冷焊点、空洞及回流不完全等问题。

在浸泡段之后，剖析进入爬坡到峰值段，即在大于合金熔化温度的给定温度范围和时间内。成功的剖析温度可达液相線以上约30 °C，共晶（eutectic）时的液相线约为183 °C，无铅时约为217 °C。

该剖析的最后一部分是冷却段。典型的降温规范通常小于-6 °C/s（下降斜率）。

 斜升型 
斜升型剖析几乎呈线性图形，自工艺入口开始直至峰值段结束，冷却段具有更大的Δt（温度变化）。相比RSS可约 4 °C/s 的允许升温速率，RTS的要求约为1-2 °C/s。这些数值取决于焊膏的规格。RTS中的浸泡期是作为爬坡的一部分并不如RSS那样易于区分。浸泡主要由傳動帶速度控制。RTS剖析的峰值即线性爬坡段到峰值段的终点。关于RSS剖析中可能产生的缺陷，对RTS同样适用的注意事项亦需考虑。

当PCB进入散热段时，负斜率通常比上升斜率更陡。 

 热电偶的安装 
热电偶由两种不同的金属构成，并在焊点处连接成一体。要使热电偶读取某一点的温度，焊点必须与需要测量温度的物体直接接触。两根不同金属的导线必须保持分离，仅在焊点处连接；否则读数将不再反映焊点处的温度，而是金属首次接触处的温度，从而使读数无效。

剖析图上热电偶读数呈之字形抖动通常表明热电偶固定不牢。为获得准确读数，应将热电偶安装在质量、位置及已知问题点各不相同的区域。此外，应将其隔离于气流。最后，多个热电偶的布置应覆盖从元件密集区到元件稀疏区的PCB区域，以获得最佳采样条件。

有多种安装方法被采用，包括环氧树脂、高温焊料、Kapton胶带和铝箔胶带，各方法在不同情况下的效果各异。

环氧树脂能够有效固定热电偶导线于剖析板上，防止在剖析测量过程中导线在炉内缠绕。环氧树脂有绝缘型和导电型两种配方，必须检查其规格，否则绝缘型可能对剖析数据的采集产生负面影响。为实现可重复性，难以在定量上精确控制所施加粘合剂的量与厚度，这降低了再现性。如果使用环氧树脂，必须核查该环氧树脂的性能与规格。环氧树脂在较宽的温度耐受范围内工作。

用于热电偶固定的焊料其特性与用于电连接的焊料不同。高温焊料并非用于热电偶固定的最佳选择，原因有数。首先，其缺点与环氧树脂类似——用于将热电偶粘附到基板上所需的焊料量随位置而异。其次，焊料是导电的，可能会使热电偶短路。通常，在温度梯度环境中会有一段导体暴露于温度梯度中。该暴露区域与物理焊点共同产生電動勢（electromotive force, EMF）。为了最小化EMF的影响，应使导体和焊点处于温度梯度内的均匀环境中。

Kapton胶带是热电偶及其导线固定中最广泛使用的胶带和方法之一。当多层贴合时，每层对绝缘性的累加效应可能对剖析产生负面影响。该胶带的一个缺点是PCB必须非常清洁和平整，以便将热电偶焊点和导线密封覆盖，否则难以实现气密。Kapton胶带在高于200 °C时会变得有弹性，因此热电偶可能从基板表面翘起，导致剖析中呈现锯齿状的错误读数。

铝箔胶带具有不同厚度和密度。较厚的铝箔胶带会减缓热通过胶带的传导并起到绝缘作用；低密度的铝箔胶带则允许热传递至产生EMF的热电偶区域。铝箔胶带的热导率在热电偶产生EMF区域的厚度相对一致时能实现均匀传导。

 虚拟剖析 
虚拟剖析是一种在不每次都将热电偶安装到PCB上、也不需每次对同一生产板进行物理测温的情况下创建剖析的方法。所有典型的剖析数据，例如升温速率、浸泡、TAL等，通过虚拟剖析可在未经实装热电偶的情况下获得。不需要安装热电偶的好处是每次需要一个新的剖析时无需对PCB进行装置化的便利性。

虚拟剖析可自动为回流或波峰焊机创建。建模用途需要初始配方设置，但一旦完成，剖析即可虚拟化。由于系统是自动的，剖析可定期或持续地为每个装配件生成。SPC图表以及CpK可在收集大量过程相关数据时作为辅助工具。自动化剖析系统持续监控工艺并为每个装配件创建剖析。随着条形码在回流和波峰工艺中的普及，两项技术可以结合用于剖析的可追溯性，使每个生成的剖析都可通过条形码检索。这在未来对某一装配件产生疑问时非常有用。由于为每个装配生成剖析，可通过PCB的条形码快速检索出相应剖析并提供该元件已按规范处理的证据。此外，将自动化剖析与条形码结合可以实现更紧密的过程控制，例如在启动生产前确认操作员已输入正确工艺。

 参考 

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Category:钎焊与焊接