我們在製作SMT的回焊溫度時間曲線(reflow profile)時,經常會在溫度曲線的回焊區前後,而且幾乎都是在錫膏熔點附近,發現有溫度平移甚至短暫抬升的現象,這是測溫板製作有問題?還是什麼原因造成這種現象的呢?
(請注意:以下觀點沒有經過驗證,所以只是個人觀點,不一定正確)
這種在回焊區前後發生溫度平移、飄移或短暫抬升的現象其實可以分成兩部分來解釋。
一、熱力學的熔化熱
我們在國中或高中時應該都有讀過理化,談過融化的現象,我們以最常接觸也容易理解的「冰」與「水」來做說明好了,「冰」為固體,而「水」則為液體,當我們對著「冰」持續加熱,冰的溫度就會隨著時間而直線上升,當溫度到達冰的熔點時,冰(固態)則會開始融化為水(液態),這段時間會呈現出冰與水同時存在的融熔狀態,金屬的話就會是漿態(pasty),雖然持續加熱,但是溫度則會維持在0°C不變,而這段時間所吸收到的熱量則是被用來使水分子間的距離變遠,等到所有的冰都變成了水之後,溫度才會繼續升高。錫膏的熔點也是類似的道理,當溫度上升到熔點時,需要吸收一定的熱量從固態轉變為液態,等到所有的錫膏全部溶化為液態後,溫度才會繼續上升,所以會出現一段溫度不變的時間,反之從液態轉變為固態則會釋放熱量,一樣會一段溫度不變的時間。
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而單位質量物質由固態轉化為液態時,物體需要吸收的熱量就被稱之為「熔化熱(Enthalpy of fusion)」。熔化熱是一種潛熱(Latent heat)。同一種物質中,液態比固態擁有更高的內能,因此,在熔化的過程中,固態物質需要吸收熱量來轉變為液態。同樣的,物質由液態轉變為固態時,則要釋放相同的能量。液體中的物質微粒與固體中的相比,受到更小的分子間作用力,因此擁有更高的內能。
二、測溫線鬆脫
如果在溫度曲線中發現溫度有上下抖動或短暫往上抬升的情形,絕大部份原因都是熱電偶(thermalcouple)測溫線鬆動所致。究其原因,現在大多數測溫板的製作都會使用SAC305合金焊錫來將測溫線焊接於測溫板上,因為現今SAC305無鉛焊錫的用量最大也最容易取得。
只是,這麼一來就會發生一個大家都看到但不一定注意到的問題,就是量測同樣使用SAC305錫膏製程的溫度曲線時,那些焊接在測溫點的焊錫會在進入回焊爐中測溫時重新融化,因為SAC305製程的回焊最高溫(250°C)會超出SAC305的熔點(217°C),這時候如果沒有使用其他材料來固定測溫線的焊點,測溫線就會發生鬆脫及掉落的現象。
而我們一般都會使用紅膠來覆蓋在測溫點上做固定。不過,一般紅膠的導熱率不佳,工作熊個人不建議使用紅膠來直接覆蓋於測溫點上做固定,否則會影響到測溫點的實際溫度讀值,也就是說測溫時紅膠會阻礙回焊爐中溫度傳遞到測溫點的效率,造成測溫延遲的問題。而使用紅膠覆蓋測溫點還會產生另一個問題,如果紅膠未完全填充測溫線焊接在測溫點上的所有縫隙,那麼在測溫板進入回焊區溫度超過SAC305熔點時就會發生焊點鬆脫現象,視縫隙及焊點大小影響鬆脫的嚴重性,當測溫線鬆脫焊點到一定程度時就會發生測溫飄移的情形,因為會同時量測到焊點與紅膠包覆空氣的溫度,理論上焊錫從液態轉變為固態時會散發熱量直到完全固化,就會造成被紅膠所包覆區域空氣的溫度上升,於是出現溫度短暫抬升的現象。
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建議大家可以閱讀一下【如何選用正確黏貼材質來固定測溫頭於SMT回焊測溫板】這篇文章,了解更多關於測溫線埋設的注意事項。
小結
所以,我們可以來做個小結:
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當我們選用高溫焊錫(焊接測溫線的焊錫熔點高出生產的回焊最高溫)來製作測溫板,理論上就不會出現溫度平移及短暫抬升的現象。因為焊錫不會被熔化,如果出現了,就一定是哪裡出了問題。
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如果無法選用高溫焊錫來焊接測溫線時,測溫曲線上出現溫度平移責是無法避免的正常現象。因為焊錫一定會熔化,就會有熔化熱的現象。
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如果溫度曲線中發生有溫度抬升的問題時,表示測溫線在測溫過程中發生鬆脫,可能無法準確測得實際溫度,需要改進。
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