SMT回焊溫度曲線中回焊區前後熔點附近溫度會有短暫停頓平移或抬升是什麼原因?

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。

其實個人也不排除另一個溫度冷卻時量測溫度抬升的可能性,焊錫固化時釋放的熱量直接加熱在覆蓋於測溫頭的紅膠上,造成紅膠溫度升高,我們說過紅膠的導熱率普遍不佳,如果紅膠量又點得太多,散熱就更不易,於是測溫頭就會反映出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:


延伸閱讀:
如何選擇決定SMT回焊測溫板上的測溫點?
可以用空板來製作回焊測溫板(profile board)嗎?
瞭解熱電偶(thermocouple)、測溫線、感溫線的基本原理與選擇注意事項
如何SMT測溫板的熱電偶選擇?不同電熱偶(thermocouple, TC)線之間的差異

 
 
訪客留言內容(Comments)

熊老师,很厉害的一篇文章,收藏了,同时您这篇文章的讲解可以说完美的解决了大陆某家论坛中的网友提问,不过就是不知道他会不会看到您的讲解(✿◠‿◠)

liming,
有需要了解的人自然就會看到。

在供应商那边看到一样的现象,让他们找原因,发现是测温点松动了,半信半疑,今天看到了,解决了我的疑惑,感谢

Alan,
很高興對你有用並解決你的問題。


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