Wpływ metody mocowania termopary na dokładność profilowania termicznego

Aby zapewnić prawidłowe określenie i utrzymanie parametrów procesu lutowania rozpływowego, niezbędne jest dokładne profilowanie termiczne. Ustalenie prawidłowego profilu termicznego, uwzględniającego specyfikację pasty lutowniczej, ograniczenia komponentów i możliwości sprzętu, zaczyna się od pomiarów wykonanych na próbce produktu. Aby określić temperaturę w kluczowych punktach płytki drukowanej, mocuje się na niej termopary i łączy z rejestrującym dane profilomierzem termicznym. Pomiarów i regulacji ustawień maszyny dokonuje się aż do uzyskania zadowalających wyników, co może to wymagać jednej lub kilku operacji profilowania. Chociaż metody kontroli procesu w celu zapewnienia zgodności ze specyfikacją mogą przybierać różne formy, najczęstszym podejściem jest wielokrotne profilowanie termiczne próbki produktu użytej w początkowej konfiguracji. Próbka produktu jest często nazywana ‘złotą płytką’ i jest okresowo poddawana ponownym pomiarom, a wyniki porównywane z pierwotnie ustalonym profilem bazowym.

Osiąganie i utrzymywanie dokładnych odczytów temperatury jest niezbędne zarówno podczas początkowego przebiegu próbki, jak i podczas kolejnych przebiegów weryfikacyjnych. Na precyzję pomiaru temperatury duży wpływ ma sam sposób mocowania termopary: niezbędny jest bezpośredni kontakt powierzchni mierzonego padu a końcówką termopary. Przewodność cieplna powinna być maksymalizowana pomiędzy dwiema powierzchniami i minimalizowana przy masie wokół styku. Pod względem mechanicznym, złącze musi być wystarczająco mocne, aby zapewnić, że termopara nie odłączy się podczas procesu lutowania rozpływowego, a w przypadku ‘złotej płytki’ musi wytrzymać przechowywanie, manipulowanie i kilka badań w okresie wielu miesięcy.

Mocowanie termopary

Obecnie w przemyśle elektronicznym stosuje się kilka metod mocowania termopar. Celem badania przeprowadzonego przez firmę ECD i opisanego w artykule The Impact of Thermocouple Attachment Methods on Thermal Profiling Accuracy było lepsze zrozumienie dokładności każdego z nich, dokonanie porównań i ustalenie, która metoda sprawdza się najlepiej. Podczas eksperymentu analizowano następujące metody mocowania termopar:

• pasta wysokotemperaturowa
• poliamidowa taśma kaptonowa
• taśma aluminiowa
• klej utwardzany promieniami UV
• utwardzany w niskiej temperaturze klej do montażu powierzchniowego (SMD).

Zaprojektowano i wyprodukowano płytkę PCB z szeregiem pól lutowniczych o różnych rozmiarach, wzorowaną na typowych produktach SMT. Termopary mocowano do punktów na płytce PCB, stosując każdą z metod mocowania wymienionych powyżej. Do każdego pomiaru zastosowano nową płytkę PCB – wyprodukowano 30 sztuk - a jako bazę porównania zastosowano termoparę przylutowaną do padu 1,0 mm za pomocą lutu wysokotemperaturowego. Szczytowa temperatura wskazana przez termoparę przymocowaną za pomocą lutu wysokotemperaturowego dała średnią temperaturę 257,8°C z odchyleniem standardowym 0,5°C.

Wszystkie typy mocowania, z wyjątkiem kleju UV, zapewniały dobrą wytrzymałość mechaniczną i nie odnotowano żadnych odłączonych termopar. Klej UV uległ czterokrotnemu oderwaniu w ciągu 11 cykli, co utrudniało zebranie jakichkolwiek wiarygodnych danych. Wynik eksperymentu sugeruje, że klej UV może nie być realną alternatywą mocowania termopary.

W przypadku wszystkich pozostałych typów połączeń odnotowano niższe wartości temperatury niż wartość bazowa (Rysunek 1). Należy zwrócić uwagę na niższe wartości temperatury w przypadku zastosowania taśmy kaptonowej, taśmy aluminiowej i kleju SMD. Oznacza to, że sposób mocowania może wpływać na pomiar temperatury na interfejsie termopara/pole lutownicze, czego prawdopodobną przyczyną jest masa taśmy/kleju.

Rysunek 2 przedstawia średnie odchylenie występujące w przypadku każdej metody mocowania (ponownie: należy pominąć wyniki testu klejenia UV, ponieważ na odczyty wpłynęło odłączanie się termopar). Odczyty temperatury sugerują, że lut wysokotemperaturowy zapewnia silne wiązania mechaniczne i termiczne pomiędzy termoparą a badanym obszarem i daje najdokładniejsze wyniki. Wszystkie inne metody dostarczały odczyty temperatury znacznie wykraczające poza wymaganą dokładność, co należy wziąć pod uwagę przy wyborze sposobu mocowania.

W kolejnej fazie analiz przeprowadzono testy przy użyciu tej samej płytki PCB, aby zbadać wpływ wielokrotnego użycia ‘złotej płytki’.  Wyniki pokazały, że mierzone wartości znacząco spadały z każdym cyklem. Na podstawie wyników autorzy stwierdzają, że ‘złota płytka’ nie powinna być używana więcej niż dziesięć razy, ponieważ istnieje znaczne ryzyko, że mierzone wartości przekroczą dopuszczalną tolerancję w wyniku nadmiernego użycia.

Wnioski

Sposób mocowania termopary ma istotny wpływ na dokładność odczytów temperatury. Analiza sugeruje, że lut wysokotemperaturowy jest najbardziej niezawodnym środkiem mocowania. Ponadto, nadmierne użycie ‘złotej płytki’, może skutkować pogorszeniem dokładności odczytu temperatury i należy rozważać ograniczenie jej użycia do dziesięciu przebiegów.

Źródło: The Impact of Thermocouple Attachment Methods on Thermal Profiling Accuracy

Autorzy: Mark Waterman, Mike Hayward, and Oscar Gomez, © ECD 

Zapraszamy na TEK.day Wrocław, 14 marca 2024. Zapisz się już dziś!