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熱プロファイルとは、オーブン（例：リフローオーブン）内の温度測定に関連する、時間と温度の複雑なデータセットのことです。熱プロファイルは、傾斜、保持時間、液相線温度以上での加熱時間（TAL）、ピークなど、さまざまな側面から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極端な端は±99%です。[ 1 ]プロセスウィンドウインデックス（PWI）が100%以上であれば、プロファイルはプロセス制限外であることを示します。PWIが99%であれば、プロファイルはプロセス制限内にありますが、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 ]例えば、プロセス平均が200 ℃に設定され、プロセスウィンドウがそれぞれ180 ℃と220 ℃に校正されている場合、測定値188 ℃はプロセスウィンドウインデックス-60 %に相当します。
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、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一つは、電子部品のはんだ付けです。現在使用されているプロファイルには、ランプ・ソーク・スパイク（RSS）とランプ・トゥ・スパイク（RTS）の2種類があります。現代のシステムでは、製造業における品質管理手法により、PWIなどの自動プロセスアルゴリズムが開発されています。PWIでは、はんだ付け炉に高度な電子機器とプログラム可能な入力があらかじめ搭載されており、プロセス仕様を定義・調整することができます。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・カスタマイズし、プロセス変動を最小限に抑え、不良率をほぼゼロに抑えることができます。
はんだ付けにおいて、熱プロファイルは、傾斜、ソーク、TAL、ピークなど、さまざまなプロセス寸法における時間-温度値の複雑なセットです。[ 8 ]はんだペーストは、金属、フラックス、溶剤の混合物で構成されており、ペーストの半固体から液体、そして気体への相変化、および金属の固体から液体への相変化を促進します。効果的なはんだ付けプロセスを実現するには、リフロー炉で慎重に調整された条件下ではんだ付けを行う必要があります。 対流式リフロー炉の詳細説明
現在、はんだ付けには主に2種類のプロファイルタイプが使用されています。
ランプとは、時間経過に伴う温度変化率を、1秒あたりの度数で表したものです。[ 9 ]： 14最も一般的に使用されるプロセス限界は4 ℃/秒ですが、多くの部品およびはんだペーストメーカーは2 ℃/秒という値を指定しています。多くの部品には、温度上昇が1秒あたり2 ℃/秒などの指定された温度を超えてはならないという仕様があります。はんだペーストに含まれるフラックスの急速な蒸発は、リードリフト、墓石状変形、はんだボールなどの欠陥につながる可能性があります。さらに、水分含有量が高い場合、急速な加熱によって部品内部で蒸気が発生し、マイクロクラックの形成につながる可能性があります。[ 9 ]： 16
プロファイルのソークセグメントでは、はんだペーストが相変化に近づきます。部品とPCBの両方に投入されるエネルギー量は平衡状態に近づきます。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。ソーク時間はペーストの種類によって異なります。PCBの質量もソーク時間を決定する際に考慮すべき要素です。熱伝達が速すぎると、はんだの飛散やはんだボール、ブリッジなど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くなり、コールドジョイント、ボイド、不完全なリフローが発生する可能性があります。[ 9 ]： 16
浸漬工程の後、プロファイルはランプ・トゥ・ピーク工程に入ります。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、液相線温度 より最大30℃高い温度範囲で、液相線温度は共晶合金で約183 ℃ 、鉛フリー合金で約217 ℃です。[ 9 ]： 16-17
このプロファイルの最終領域は冷却セクションです。冷却の一般的な仕様は通常、-6 °C/s未満（下降 勾配）です。[ 9 ]： 17
ランプ・トゥ・スパイク（RTS）プロファイルは、プロセスの入口から始まりピーク部分で終わるほぼ直線的なグラフであり、冷却部分ではΔt（温度変化）が大きくなります。ランプ・ソーク・スパイク（RSS）では約4 ℃/秒が許容されますが、RTSでは約1 ～ 2 ℃/秒が要求されます。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のソーク期間はランプの一部であり、RSSほど容易に区別できません。ソークは主にコンベア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部分への直線的なランプの終点です。RSSプロファイルの欠陥に関する考慮事項は、RTSプロファイルにも同様に当てはまります。[ 9 ]： 18
PCBが冷却セグメントに入ると、一般的に負の傾きは上昇の傾きよりも急になる。[ 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構成されています。熱電対が任意の点の温度を読み取るためには、溶接ビードが測定対象物に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、ビード部分でのみ接合され、分離した状態を維持する必要があります。そうでない場合、読み取り値は溶接ビードではなく、金属が最初に接触する位置での値となり、読み取り値が無効になります。[ 9 ]： 20
プロファイルグラフ上で熱電対の読み取り値がジグザグになっている場合は、熱電対の取り付けが緩んでいることを示しています。正確な読み取り値を得るには、熱電対を質量、位置、既知のトラブル箇所が異なる領域に取り付ける必要があります。さらに、熱電対は気流から隔離する必要があります。最後に、最適なサンプリング条件を得るために、複数の熱電対をプリント基板の部品点数の多い領域から少ない領域まで配置する必要があります。[ 9 ]： 20
接着方法としては、エポキシ樹脂、高温はんだ、カプトンテープ、アルミテープなど、さまざまな方法が用いられており、それぞれの方法の成功度合いは様々である。[ 10 ]
エポキシ樹脂は、TC導体をプロファイルボードに固定して、プロファイリング中にオーブン内で絡まるのを防ぐのに適しています。エポキシ樹脂には絶縁体用と導体用の両方の配合があります。仕様を確認しないと、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する能力は、定量的に測定するのが困難です。これにより再現性が低下します。エポキシ樹脂を使用する場合は、そのエポキシ樹脂の特性と仕様を確認する必要があります。エポキシ樹脂は、幅広い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、電気接続用のはんだの特性とは異なります。高温用はんだは、いくつかの理由からTCの取り付けには最適ではありません。まず、エポキシ樹脂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が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。一般的に、導体は短い長さで温度勾配にさらされます。この露出部分と物理的な溶接部が合わさって起電力（EMF）が発生します。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、熱電対（TC）およびTC導体の接着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。複数層を貼付すると、各層が絶縁に相加的な影響を与え、プロファイルに悪影響を及ぼす可能性があります。このテープの欠点は、熱電対の溶接部と導体を気密に覆うために、プリント基板（PCB）が非常に清潔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 ℃を超える温度ではテープが弾性を持ち、そのためTCが基板表面から剥がれやすくなることです。その結果、プロファイルにギザギザの線が現れ、誤った測定値が得られます。
アルミテープには様々な厚さと密度のものがあります。厚いアルミテープはテープを通しての熱伝達を拡散させ、絶縁体として機能します。密度の低いアルミテープは、熱電対の起電力発生領域への熱伝達を可能にします。アルミテープの熱伝導率が高いため、熱電対の起電力発生領域でテープの厚さがほぼ均一であれば、均一な熱伝導が実現します。
仮想プロファイリングとは、熱電対（TC）を取り付けたり、同じ製造基板に対してプロファイルを実行するたびにプリント基板に物理的に計測機器を取り付けたりすることなく、プロファイルを作成する方法です。計測機器を用いたプロファイルで測定される傾斜、浸漬時間、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することで収集できます。TCを取り付ける必要がないという利点は、新しいプロファイルが必要になるたびにプリント基板に計測機器を取り付け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初期レシピの設定が必要ですが、設定が完了すると、プロファイリングを仮想化できます。システムは自動化されているため、各アセンブリごとにプロファイルを定期的に、または継続的に生成できます。プロセス関連の膨大なデータを収集する際には、SPCチャートとCpKを補助として使用できます。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、各アセンブリのプロファイルを作成します。リフローとウェーブの両方のプロセスでバーコードが一般的になるにつれて、2つのテクノロジーを組み合わせてプロファイリングのトレーサビリティを実現し、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、将来アセンブリに疑問が生じた場合に役立ちます。各アセンブリごとにプロファイルが作成されるため、PCBのバーコードを使用してすばやく検索することで、問題のプロファイルを呼び出し、コンポーネントが仕様どおりに処理された証拠を提供できます。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ことで、生産開始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 ]