在制作SMT的回焊温度时间曲线时,经常会在温度曲线的回焊区前后,而且几乎都是在锡膏熔点附近,发现有温度平移甚至短暂抬升的现象,这是测温板制作有问题?还是什么原因造成这种现象的呢?
(请注意:以下观点没有经过验证,不一定正确)
这种在回焊区前后发生温度平移、飘移或短暂抬升的现象其实可以分成两部分来解释。
一、热力学的熔化热
理化中谈过融化的现象,最常接触也容易理解的“冰”与“水”来做说明好了,“冰”为固体,而“水”则为液体,当我们对着“冰”持续加热,冰的温度就会随着时间而直线上升,当温度到达冰的熔点时,冰(固态)则会开始融化为水(液态),这段时间会呈现出冰与水同时存在的融熔状态,金属的话就会是浆态(pasty),虽然持续加热,但是温度则会维持在0°C不变,而这段时间所吸收到的热量则是被用来使水分子间的距离变远,等到所有的冰都变成了水之后,温度才会继续升高。锡膏的熔点也是类似的道理,当温度上升到熔点时,需要吸收一定的热量从固态转变为液态,等到所有的锡膏全部溶化为液态后,温度才会继续上升,所以会出现一段温度不变的时间,反之从液态转变为固态则会释放热量,一样会一段温度不变的时间。
而单位质量物质由固态转化为液态时,物体需要吸收的热量就被称之为“熔化热(Enthalpy of fusion)”。熔化热是一种潜热(Latent heat)。同一种物质中,液态比固态拥有更高的内能,因此,在熔化的过程中,固态物质需要吸收热量来转变为液态。同样的,物质由液态转变为固态时,则要释放相同的能量。液体中的物质微粒与固体中的相比,受到更小的分子间作用力,因此拥有更高的内能。
二、测温线松脱
如果在温度曲线中发现温度有上下抖动或短暂往上抬升的情形,绝大部份原因都是热电偶(thermalcouple)测温线松动所致。究其原因,现在大多数测温板的制作都会使用SAC305合金焊锡来将测温线焊接于测温板上,因为现今SAC305无铅焊锡的用量最大也最容易取得。
只是,这么一来就会发生一个大家都看到但不一定注意到的问题,就是量测同样使用SAC305锡膏制程的温度曲线时,那些焊接在测温点的焊锡会在进入回焊炉中测温时重新融化,因为SAC305制程的回焊最高温(250°C)会超出SAC305的熔点(217°C),这时候如果没有使用其他材料来固定测温线的焊点,测温线就会发生松脱及掉落的现象。
而一般都会使用红胶来覆盖在测温点上做固定。不过,一般红胶的导热率不佳,个人不建议使用红胶来直接覆盖于测温点上做固定,否则会影响到测温点的实际温度读值,也就是说测温时红胶会阻碍回焊炉中温度传递到测温点的效率,造成测温延迟的问题。而使用红胶覆盖测温点还会产生另一个问题,如果红胶未完全填充测温线焊接在测温点上的所有缝隙,那么在测温板进入回焊区温度超过SAC305熔点时就会发生焊点松脱现象,视缝隙及焊点大小影响松脱的严重性,当测温线松脱焊点到一定程度时就会发生测温飘移的情形,因为会同时量测到焊点与红胶包覆空气的温度,理论上焊锡从液态转变为固态时会散发热量直到完全固化,就会造成被红胶所包覆区域空气的温度上升,于是出现温度短暂抬升的现象。
其实也不排除另一个温度冷却时量测温度抬升的可能性,焊锡固化时释放的热量直接加热在覆盖于测温头的红胶上,造成红胶温度升高,我们说过红胶的导热率普遍不佳,如果红胶量又点得太多,散热就更不易,于是测温头就会反映出温度短暂抬升的现象。
所以,可以来做个小结:
当选用高温焊锡(焊接测温线的焊锡熔点高出生产的回焊最高温)来制作测温板,理论上就不会出现温度平移及短暂抬升的现象。因为焊锡不会被熔化,如果出现了,就一定是哪里出了问题。
如果无法选用高温焊锡来焊接测温线时,测温曲线上出现温度平移责是无法避免的正常现象。因为焊锡一定会熔化,就会有熔化热的现象。
如果温度曲线中发生有温度抬升的问题时,表示测温线在测温过程中发生松脱,可能无法准确测得实际温度,需要改进。