温度プロファイリング

熱プロファイルは、通常、オーブン（リフローオーブンなど）内の熱温度の測定に関連する時間と温度の複雑なデータ セットです。熱プロファイルは、勾配、ソーク、液相線以上の時間（TAL）、ピークなど、さまざまな次元に沿って測定されることがよくあります。

熱プロファイルは、プロセスウィンドウ（仕様または許容限界）にどの程度適合するかによってランク付けできます。^[1]生の温度値は、プロセス平均とウィンドウ限界の両方に対するパーセンテージで正規化されます。プロセスウィンドウの中心はゼロと定義され、プロセスウィンドウの両端は ±99% です。^[1]プロセスウィンドウインデックス(PWI) が 100% 以上の場合、プロファイルがプロセス限界外にあることを示します。PWI が 99% の場合、プロファイルはプロセス限界内ですが、プロセスウィンドウの端で実行されていることを示します。^[1]たとえば、プロセス平均が 200 °C に設定され、プロセスウィンドウがそれぞれ 180 °C と 220 °C に較正されている場合、測定値が 188 °C の場合、プロセスウィンドウインデックスは -60% になります。

この方法は、電子部品の組み立て、オプトエレクトロニクス、^[3]光学、^[4] 生化学工学、^[5] 食品科学、^[6]有害廃棄物の除染、^{[要出典] 、}地球化学分析など、さまざまな産業および実験室プロセスで使用されています。^[7]

この方法の主な用途の 1 つは、電子アセンブリのはんだ付けです。現在使用されているプロファイルには、Ramp-Soak-Spike (RSS) と Ramp to Spike (RTS) の 2 つの主なタイプがあります。現代のシステムでは、製造業における品質管理の実践により、PWI などの自動プロセス アルゴリズムが生み出され、はんだ付けオーブンには、プロセス仕様を定義および調整するための広範な電子機器とプログラム可能な入力があらかじめロードされています。PWI などのアルゴリズムを使用することで、エンジニアはパラメータを調整およびカスタマイズして、プロセスの変動を最小限に抑え、欠陥率をほぼゼロにすることができます。

はんだ付けにおける熱プロファイルは、勾配、ソーク、TAL、ピークなど、さまざまなプロセス次元の時間と温度の複雑なセットです。^[8] はんだペーストには、半固体から液体、蒸気へのペーストの相変化と、固体から液体への金属の相変化を助ける金属、フラックス、溶剤の混合物が含まれています。効果的なはんだ付けプロセスのためには、はんだ付けはリフローオーブンで慎重に調整された条件下で行う必要があります。対流リフローオーブンの詳細な説明

現在、はんだ付けには主に 2 つのプロファイル タイプが使用されています。

1. ランプソークスパイク (RSS)
2. ランプ トゥ スパイク (RTS)

ランプは、時間の経過に伴う温度変化率として定義され、1秒あたりの度数で表されます。^{[9] : 14}最も一般的に使用されるプロセス制限は4 °C/sですが、多くのコンポーネントおよびはんだペーストメーカーは、この値を2 °C/sと指定しています。多くのコンポーネントでは、温度上昇が2 °C/sなどの指定された温度/秒を超えてはならないという仕様になっています。はんだペーストに含まれるフラックスが急速に蒸発すると、リード浮き、ツームストーン、はんだボールなどの欠陥が発生する可能性があります。さらに、水分含有量が高い場合、急速な加熱によりコンポーネント内で蒸気が発生し、マイクロクラックが形成される可能性があります。^{[9] : 16}

プロファイルの浸漬セグメントでは、はんだペーストは相変化に近づきます。部品とPCB の両方に導入されるエネルギー量は平衡に近づきます。この段階では、フラックスの大部分がはんだペーストから蒸発します。浸漬時間はペーストによって異なります。浸漬時間を考慮する必要があるもう 1 つの要素は、PCB の質量です。熱伝達が速すぎると、はんだが飛び散り、はんだボール、ブリッジ、その他の欠陥が発生する可能性があります。熱伝達が遅すぎると、フラックス濃度が高いままになり、はんだ接合部が冷え、ボイドが発生し、リフローが不完全になる可能性があります。^{[9] : 16}

均熱セグメントの後、プロファイルはプロファイルのランプツーピークセグメントに入ります。これは、合金の融点を超える所定の温度範囲と時間です。成功したプロファイルは、共晶の場合は約183℃ 、鉛フリーの場合は約217℃である液相線より最大30℃高い温度範囲です。 ^{[9] : 16–17}

このプロファイルの最後の領域は冷却セクションです。冷却の典型的な仕様は通常、-6 °C/s未満（下降勾配）です。^{[9] : 17}

Ramp to Spike (RTS) プロファイルは、プロセスの入口から始まり、ピーク セグメントで終了するほぼ線形グラフで、冷却セグメントでは Δt (温度変化) が大きくなります。Ramp-Soak-Spike (RSS) では約 4 °C/s が許容されますが、RTS の要件は約 1～2 °C/s です。これらの値は、はんだペーストの仕様によって異なります。RTS ソーク期間はランプの一部であり、RSS ほど簡単には区別できません。ソークは、主にコンベアの速度によって制御されます。RTS プロファイルのピークは、プロファイルのピーク セグメントへの線形ランプの終点です。RSS プロファイルの欠陥に関する同じ考慮事項が、RTS プロファイルにも適用されます。^{[9] : 18}

PCBが冷却セグメントに入ると、負の勾配は上昇勾配よりも一般的に急になります。^{[9] : 18}

熱電対（TC）は、溶接ビードで接合された2種類の異なる金属です。熱電対が任意のポイントの温度を読み取るには、溶接ビードが温度を測定する必要がある物体と直接接触している必要があります。2種類の異なるワイヤはビードでのみ接続され、別々のままである必要があります。そうでない場合、読み取りは溶接ビードではなく、金属が最初に接触した位置で行われ、読み取りが無効になります。^{[9] : 20}

プロファイルグラフ上でジグザグに熱電対の測定値が示される場合、熱電対の取り付けが緩いことを示します。正確な測定値を得るには、熱電対を質量、位置、既知の問題箇所の点で異なる領域に取り付けます。さらに、熱電対は空気の流れから隔離する必要があります。最後に、最良のサンプリング条件を得るには、複数の熱電対を PCB の人が多い領域から人が少ない領域まで配置する必要があります。^{[9] : 20}

接着にはエポキシ、高温はんだ、カプトン、アルミテープなどいくつかの方法が使われており、それぞれの方法の成功度はさまざまです。^[10]

エポキシは、プロファイル ボードに TC 導体を固定して、プロファイリング中にオーブン内で TC 導体が絡まるのを防ぐのに適しています。エポキシには、絶縁体と導体の両方の配合があります。仕様を確認する必要があります。そうしないと、絶縁体がプロファイル データの収集に悪影響を及ぼす可能性があります。この接着剤を同様の量と厚さで塗布できるかどうかを定量的に測定するのは困難です。これにより、再現性が低下します。エポキシを使用する場合は、そのエポキシの特性と仕様を確認する必要があります。エポキシは、広範囲の温度許容範囲内で機能します。

TC の取り付けに使用されるはんだの特性は、電気接続用はんだの特性とは異なります。高温はんだは、いくつかの理由から TC の取り付けには最適な選択肢ではありません。まず、エポキシと同じ欠点があります。つまり、TC を基板に接着するために必要なはんだの量は、場所によって異なります。次に、はんだは導電性があり、TC を短絡させる可能性があります。通常、温度勾配にさらされる導体は短い長さです。この露出領域と物理的な溶接部が一緒になって起電力(EMF) を生成します。導体と溶接部は、EMF の影響を最小限に抑えるために、温度勾配内の均一な環境に配置されます。

カプトン テープは、TC および TC 導体の取り付けに最も広く使用されているテープおよび方法の 1 つです。複数の層を適用すると、各層が絶縁に付加的な影響を及ぼし、プロファイルに悪影響を与える可能性があります。このテープの欠点は、熱電対の溶接部と導体を気密にカバーするには、PCB が非常にきれいで滑らかでなければならないことです。カプトン テープのもう 1 つの欠点は、200 °C を超える温度ではテープが弾性になり、TC が基板表面から浮き上がる傾向があることです。その結果、プロファイルにギザギザの線が現れるという誤った読み取り値が発生します。

アルミテープにはさまざまな厚さと密度のものがあります。より厚いアルミテープは、テープを介した熱伝導を拡散させ、絶縁体として機能します。低密度アルミテープは、TC の EMF 生成領域への熱伝導を可能にします。アルミテープの熱伝導性により、熱電対の EMF 生成領域でテープの厚さがほぼ一定であれば、均一な伝導が可能になります。

仮想プロファイリングは、熱電対 (TC) を取り付けたり、同じ生産ボードに対してプロファイルを実行するたびに PCB を物理的に計測したりすることなくプロファイルを作成する方法です。計測されたプロファイルによって測定される傾斜、ソーク、TAL などの一般的なプロファイル データはすべて、仮想プロファイルを使用して収集されます。TC を取り付けないことの利点は、新しいプロファイルが必要になるたびに PCB を計測する必要がないという利便性を上回ります。

リフローはんだ付け機とウェーブはんだ付け機の両方で、仮想プロファイルが自動的に作成されます。モデリングのためには初期レシピ設定が必要ですが、完了したらプロファイリングを仮想化できます。システムは自動なので、プロファイルはアセンブリごとに定期的または継続的に生成できます。SPC チャートと CpK は、プロセス関連の膨大なデータを収集する際に役立ちます。自動プロファイリング システムはプロセスを継続的に監視し、アセンブリごとにプロファイルを作成します。リフロー プロセスとウェーブ プロセスの両方でバーコードが一般的になるにつれて、プロファイリングのトレーサビリティのために 2 つのテクノロジを組み合わせることができ、生成された各プロファイルをバーコードで検索できるようになります。これは、将来アセンブリが疑問視されるときに役立ちます。アセンブリごとにプロファイルが作成されると、PCB のバーコードを使用してすばやく検索すると、問題のプロファイルが表示され、コンポーネントが仕様どおりに処理されたという証拠が得られます。さらに、自動プロファイリングとバーコードを組み合わせると、生産を開始する前にオペレーターが正しいプロセスを入力したことを確認するなど、より厳密なプロセス制御を実現できます。^{[11] [12]}

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