Un perfil térmico es un conjunto complejo de datos de tiempo-temperatura típicamente asociados con la medición de temperaturas térmicas en un horno ( p . Ej., Horno de reflujo ). El perfil térmico a menudo se mide a lo largo de una variedad de dimensiones, como pendiente, remojo, tiempo por encima del líquido (TAL) y pico.
Un perfil térmico se puede clasificar según cómo encaja en una ventana de proceso (la especificación o el límite de tolerancia). [1] Los valores de temperatura bruta se normalizan en términos de un porcentaje relativo tanto a la media del proceso como a los límites de la ventana. El centro de la ventana de proceso se define como cero y los bordes extremos de la ventana de proceso son ± 99%. [1] Un índice de ventana de proceso (PWI) mayor o igual al 100% indica que el perfil está fuera de las limitaciones del proceso. Un PWI del 99% indica que el perfil está dentro de las limitaciones del proceso, pero se ejecuta en el borde de la ventana del proceso. [1] Por ejemplo, si la media del proceso se establece en 200 ° C con la ventana de proceso calibrada a 180 ° C y 220 ° C respectivamente, entonces un valor medido de 188 ° C se traduce en un índice de ventana de proceso de -60%.
El método se utiliza en una variedad de procesos industriales y de laboratorio, [2] que incluyen ensamblaje de componentes electrónicos, optoelectrónica, [3] óptica, [4] ingeniería bioquímica, [5] ciencia alimentaria, [6] descontaminación de desechos peligrosos, [ cita necesario ] y análisis geoquímico. [7]
Soldadura de productos electrónicos
Uno de los principales usos de este método es la soldadura de ensamblajes electrónicos. Hay dos tipos principales de perfiles que se utilizan en la actualidad: Ramp-Soak-Spike (RSS) y Ramp to Spike (RTS). En los sistemas modernos, las prácticas de gestión de la calidad en las industrias manufactureras han producido algoritmos de procesos automáticos como PWI, donde los hornos de soldadura vienen precargados con una amplia electrónica y entradas programables para definir y refinar las especificaciones del proceso. Mediante el uso de algoritmos como PWI, los ingenieros pueden calibrar y personalizar los parámetros para lograr una variación mínima del proceso y una tasa de defectos cercana a cero.
Proceso de reflujo
En la soldadura , un perfil térmico es un conjunto complejo de valores de tiempo-temperatura para una variedad de dimensiones de proceso como pendiente, remojo, TAL y pico. [8] La pasta de soldadura contiene una mezcla de metal, fundente y solventes que ayudan en el cambio de fase de la pasta de semisólida a líquida a vapor; y el metal de sólido a líquido. Para un proceso de soldadura eficaz, la soldadura debe realizarse en condiciones cuidadosamente calibradas en un horno de reflujo . Descripción detallada del horno de reflujo de convección
Hay dos tipos de perfiles principales que se utilizan hoy en día en la soldadura:
- El pico de rampa-remojo (RSS)
- Rampa a punta (RTS)
Ramp-Soak-Spike
La rampa se define como la tasa de cambio de temperatura a lo largo del tiempo, expresada en grados por segundo. [9] : 14 El límite de proceso más comúnmente utilizado es 4 ° C / s, aunque muchos fabricantes de componentes y pasta de soldadura especifican el valor como 2 ° C / s. Muchos componentes tienen una especificación en la que el aumento de temperatura no debe exceder una temperatura especificada por segundo, como 2 ° C / s. La evaporación rápida del fundente contenido en la pasta de soldadura puede provocar defectos, como levantamiento de plomo, desprendimiento de partículas y bolas de soldadura. Además, el calor rápido puede conducir a la generación de vapor dentro del componente si el contenido de humedad es alto, lo que resulta en la formación de microfisuras. [9] : 16
En el segmento de remojo del perfil, la soldadura en pasta se acerca a un cambio de fase. La cantidad de energía introducida tanto en el componente como en el PCB se acerca al equilibrio. En esta etapa, la mayor parte del fundente se evapora fuera de la soldadura en pasta. La duración del remojo varía según las diferentes pastas. La masa de la PCB es otro factor que debe tenerse en cuenta durante la duración del remojo. Una transferencia de calor demasiado rápida puede provocar salpicaduras de soldadura y la producción de bolas de soldadura, puentes y otros defectos. Si la transferencia de calor es demasiado lenta, la concentración de fundente puede permanecer alta y resultar en juntas de soldadura frías, huecos y reflujo incompleto. [9] : 16
Después del segmento de remojo, el perfil ingresa al segmento de rampa a pico del perfil, que es un rango de temperatura dado y un tiempo que excede la temperatura de fusión de la aleación. Los perfiles exitosos varían en temperatura hasta 30 ° C más alta que liquidus , que es aproximadamente 183 ° C para eutécticos y aproximadamente 217 ° C para sin plomo. [9] : 16-17
El área final de este perfil es la sección de enfriamiento. Una especificación típica para el enfriamiento suele ser inferior a −6 ° C / s (pendiente descendente). [9] : 17
Rampa a punta
El perfil Ramp to Spike (RTS) es casi un gráfico lineal, comenzando en la entrada del proceso y terminando en el segmento pico, con un mayor Δt (cambio de temperatura) en el segmento de enfriamiento. Mientras que Ramp-Soak-Spike (RSS) permite aproximadamente 4 ° C / s, los requisitos del RTS son aproximadamente 1–2 ° C / s. Estos valores dependen de las especificaciones de la pasta de soldadura. El período de inmersión de RTS es parte de la rampa y no es tan fácil de distinguir como en RSS. El remojo está controlado principalmente por la velocidad del transportador . El pico del perfil RTS es el punto final de la rampa lineal al segmento de pico del perfil. Las mismas consideraciones sobre defectos en un perfil RSS también se aplican a un perfil RTS. [9] : 18
Cuando la PCB entra en el segmento de enfriamiento, la pendiente negativa generalmente es más pronunciada que la pendiente ascendente. [9] : 18
Accesorios de termopar
Los termopares (o TC) son dos metales diferentes unidos por un cordón soldado. Para que un termopar lea la temperatura en cualquier punto dado, el cordón soldado debe entrar en contacto directo con el objeto cuyas temperaturas deben medirse. Los dos alambres diferentes deben permanecer separados, unidos solo por el cordón; de lo contrario, la lectura ya no se encuentra en el cordón soldado, sino en la posición donde los metales hacen contacto por primera vez, lo que invalida la lectura. [9] : 20
Una lectura de termopar en zigzag en un gráfico de perfil indica termopares sueltos. Para obtener lecturas precisas, los termopares están conectados a áreas que son diferentes en términos de masa, ubicación y puntos problemáticos conocidos. Además, deben aislarse de las corrientes de aire. Finalmente, la ubicación de varios termopares debe variar desde áreas pobladas hasta áreas menos pobladas de la PCB para obtener las mejores condiciones de muestreo. [9] : 20
Se utilizan varios métodos de fijación, incluidos epoxi , soldadura de alta temperatura, Kapton y cinta de aluminio, cada uno con varios niveles de éxito para cada método. [10]
Los epóxicos son buenos para asegurar los conductores TC al tablero de perfil para evitar que se enreden en el horno durante el perfilado. Los epóxicos vienen en formulaciones de aisladores y conductores. Es necesario verificar las especificaciones; de lo contrario, un aislante puede jugar un papel negativo en la recopilación de datos de perfil. La capacidad de aplicar este adhesivo en cantidades y espesores similares es difícil de medir en términos cuantitativos. Esto disminuye la reproducibilidad. Si se usa epoxi, se deben verificar las propiedades y especificaciones de ese epoxi. El epoxi funciona dentro de una amplia gama de tolerancias de temperatura.
Las propiedades de la soldadura utilizada para la fijación TC difieren de las de la soldadura eléctricamente conectiva. La soldadura de alta temperatura no es la mejor opción para usar para el accesorio TC por varias razones. Primero, tiene los mismos inconvenientes que el epoxi: la cantidad de soldadura necesaria para adherir el TC a un sustrato varía de un lugar a otro. En segundo lugar, la soldadura es conductora y puede provocar un cortocircuito en los TC. Generalmente, hay un tramo corto de conductor que está expuesto al gradiente de temperatura. En conjunto, esta área expuesta, junto con la soldadura física, producen una fuerza electromotriz (EMF). Los conductores y la soldadura se colocan en un ambiente homogéneo dentro del gradiente de temperatura para minimizar los efectos de los EMF.
La cinta Kapton es una de las cintas y métodos más utilizados para la unión de conductores TC y TC. Cuando se aplican varias capas, cada capa tiene un efecto aditivo sobre el aislamiento y puede afectar negativamente a un perfil. Una desventaja de esta cinta es que la PCB tiene que estar muy limpia y lisa para lograr una cubierta hermética sobre la soldadura del termopar y los conductores. Otra desventaja de la cinta Kapton es que a temperaturas superiores a 200 ° C la cinta se vuelve elástica y, por lo tanto, los TC tienden a despegarse de la superficie del sustrato. El resultado son lecturas erróneas caracterizadas por líneas irregulares en el perfil.
La cinta de aluminio viene en varios espesores y densidades. La cinta de aluminio más pesada puede desactivar la transferencia de calor a través de la cinta y actuar como aislante. La cinta de aluminio de baja densidad permite la transferencia de calor al área de producción de EMF del TC. La conductividad térmica de la cinta de aluminio permite una conducción uniforme cuando el grosor de la cinta es bastante consistente en el área de producción de EMF del termopar.
Perfiles virtuales
El perfilado virtual es un método para crear perfiles sin conectar los termopares (TC) o tener que instrumentar físicamente una PCB cada vez que se ejecuta un perfil para la misma placa de producción. Todos los datos de perfil típicos, como pendiente, meseta, TAL, etc., que se miden mediante perfiles instrumentados se recopilan mediante perfiles virtuales. Los beneficios de no tener TC adjuntos superan la conveniencia de no tener que instrumentar una PCB cada vez que se necesita un nuevo perfil.
Los perfiles virtuales se crean automáticamente, tanto para máquinas de soldadura por reflujo como por ola. Se requiere una configuración de receta inicial para fines de modelado, pero una vez completada, la creación de perfiles se puede hacer virtual. Como el sistema es automático, los perfiles se pueden generar de forma periódica o continua para todos y cada uno de los ensamblajes. Los gráficos SPC junto con CpK se pueden utilizar como ayuda al recopilar una montaña de datos relacionados con el proceso. Los sistemas de perfilado automatizados monitorean continuamente el proceso y crean perfiles para cada ensamblaje. A medida que los códigos de barras se vuelven más comunes con los procesos de reflujo y de onda, las dos tecnologías se pueden combinar para trazabilidad de perfiles, permitiendo que cada perfil generado se pueda buscar por código de barras. Esto es útil cuando se cuestiona una asamblea en algún momento en el futuro. A medida que se crea un perfil para cada ensamblaje, una búsqueda rápida utilizando el código de barras de la PCB puede extraer el perfil en cuestión y proporcionar evidencia de que el componente se procesó según las especificaciones. Además, se puede lograr un control más estricto del proceso al combinar la creación de perfiles automatizada con códigos de barras, como confirmar que el operador ha ingresado el proceso correcto antes de iniciar una corrida de producción. [11] [12]
enlaces externos
Referencias
- ^ a b c "Un método para cuantificar el rendimiento del perfil térmico" . KIC Térmica. Archivado desde el original el 30 de septiembre de 2010 . Consultado el 30 de septiembre de 2010 .
- ^ Pearce, Ray "Mejora del proceso a través del perfilado térmico: el objetivo del perfilado térmico es siempre aumentar la calidad y reducir el desperdicio. Tres casos prácticos: cubren las aplicaciones de recubrimiento en polvo, horneado y soldadura por reflujo" Calentamiento de procesos , 01-JAN-05 [1 ]
- ^ "Perfilado térmico de alto rendimiento de circuitos integrados fotónicos"
- ^ Kapusta, Evelyn (2005), Uso de perfiles térmicos para monitorear la retroalimentación óptica en láseres semiconductores (Tesis)
- ^ K. Gill, M. Appleton y GJ Lye "Perfilado térmico para el seguimiento paralelo en línea del crecimiento de biomasa en biorreactores agitados en miniatura" Biotechnology Letters Volumen 30, número 9 / septiembre de 2008 [2]
- ^ B. Strahm & B, Plattner, "Perfilado térmico: predicción de las características de procesamiento de las materias primas para piensos:" [3] Archivado el 17 de noviembre de 2006 en la Wayback Machine.
- ^ Arehart, Greg B .; Donelick, Raymond A. (2006). "Perfilado térmico e isotópico del sistema hidrotermal Pipeline: Aplicación a la exploración de yacimientos de oro tipo Carlin". Revista de exploración geoquímica . 91 (1-3): 27-40. doi : 10.1016 / j.gexplo.2005.12.005 . ISSN 0375-6742 .
- ^ Houston, Paul N; Brian J. Louis; Daniel F. Baldwin; Philip Kazmierowicz. "Eliminando el dolor del reflujo libre de Pb" (PDF) . Revista sin plomo. pag. 3 . Consultado el 10 de diciembre de 2008 .
- ^ a b c d e f g h yo O'Leary, Brian; Michael Limberg (2009). Guía de elaboración de perfiles . DiggyPod. ISBN 978-0-9840903-0-3.
- ^ Métodos de conexión de TC " [4] "
- ^ Vídeo de creación de perfiles automática (vídeo). KIC Térmica.
- ^ https://www.youtube.com/watch?v=5zmx9T54XHA