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利用热电偶获得温度曲线

将热电偶固定在电路板上,可以在焊接过程中监测重要的温度参数。固定方法有许多种。其目的是获得关于电路板组件关键位置的精确可靠的温度数据。热电偶的固定方法对数据质量的影响极大。

利用热电偶测量温度是一项精密、费时而艰苦的工作。热电偶的固定场所有时可能会限制安装方法的采用,从而使问题复杂化。例如,对于FR4板材、陶瓷或塑料元件等不可焊的表面,便不能采用高温焊接方法。在高密度电路板的元件密集区不能使用胶带固定,要穿过壳体上的小孔接触元件十分困难。然而,与其它方法,如热点或裂纹(crayon)、IR传感器、或估测等方法相比,热电偶仍具有较大的优势。

热电偶固定方法

为了从热电偶中获得可靠的数据,必须了解下面两个通用规则:

  • 热电偶结必须与被监测表面进行直接、可靠的热接触,否则,在热电偶结与被测表面之间就会产生一不可知的热阻。这样,温度读数将更接近于热电偶周围材料的温度,而不是被测表面的温度。一个极端的例子是,当Kapton胶带在炉膛温度下松驰时,热电偶将脱离被测表面,开始测量周围空气的温度。
  • 用于将热电偶结固定到被测表面的材料应最少。这种材料会增加直接传给热电偶结的热容量,以及与这种材料接触的被测表面的热绝缘性(insulation),这两种情况均会导致在炉温上升或下降时,热电偶的温度滞后于板表面的真实温度。当温度的变化率为2℃/s时,将滞后5℃至10℃,这意味着典型回流温度曲线上的温度峰值将大打折扣。
现在让我们讨论一下各种热电偶固定方法,这将有助于针对特定的应用场合选择最佳的方法,以获得最可靠的结果。

高温焊料

一般来说,需要至少含铅93%、熔点超过290℃的焊料,这样,焊料在回流焊时就不会熔化。这种焊料具有良好的导热性,有助于将误差减到最小,即使在热电偶结略微脱离电路板表面的情况下也是如此。它能提供很好的机械固定性能,适用于测试电路板(图1)。

图1:在0.025mm引脚间距元件(左)上的热电偶安装不良。大的焊球大大地增加了引脚的热容量。

另一方面,焊接需要相当的技巧与时间,来形成小的热电偶固定区,而不会使电路板、焊盘或元件过热或损坏。高温焊料即使采用活性助焊剂,润湿性与流动性也不好,使条件恶化。而且,要想彻底清除焊料,很难不破坏元件、焊点或焊盘。

再者,这种方法不能用于尚未经过回流的电路板,因为在热电偶固定时,它很可能会使元件发生移动。这种方法也不能用于将热电偶固定到不可焊的表面,如陶瓷与塑料元件,和FR4板。要在未经回流的细间距器件上使用焊料也很困难。

采用胶粘剂

胶粘剂的使用比高温焊料要容易一些。常用的胶粘剂通常可以分为两类,它们均可将热电偶固定到塑料、陶瓷元件以及FR4板等不可焊的表面。

一类是UV活化胶,它可在几秒钟内将热电偶固定,但只能工作于120℃左右的温度环境中。在回流焊温度峰值为210℃左右时,其固定性能不佳,因而常用于波峰焊。

由于其导热性较差,因此当胶粘剂活化后,应使热电偶结紧贴在被测表面(图2)。用小刀很容易剔除粘胶,但却会在FR4和深色元件表面留下一些易见的膜状痕迹。这里不能使用高效溶剂(如丙酮)清洗,因为这些溶剂同样会溶解塑料,造成电路板的损坏。

图2:如果在固定热电偶时使用过多的胶粘剂,将会产生不良的热传导。

专用的高温双组份环氧胶的耐温可达260℃,但在高温下的固化却需要数小时。这很不方便,特别是在需要快速诊断故障的情况下。环氧胶同样需要仔细地定位,以保证在整个固化过程中,热电偶都与被测表面保持接触。与UV活化胶类似,环氧胶也不能在不破坏电路板或元件的情况下被彻底清除。快速固化胶,如“5分钟”环氧胶,耐温为130℃。但这一温度太低,难以防止回流焊时的脱落。

胶粘带

高温胶粘带,如Kapton胶带,可在任何表面方便地使用。但是,必须预先装入热电偶结,使其与被测表面稳定接触。

注意,它的周围没有可导材料,即使结点只离开被测表面千分之一英寸,其测量温度也将主要是周围环境的温度,它在一定程度上受到热辐射的影响。你还可能发现,利用胶带在高密度区固定热电偶很困难,甚至不可能。一种行之有效的方法是,将热电偶导线弯成一个小钩子的形状(图3)(图4)。

图3:用胶带将线粘在钩的后面,使结点预先装在表面。


图4:加热后胶带松驰,使热电偶从引脚处翘起。

机械固定

下面两种常用的热电偶机械固定方法是极不相同的:纸夹(paper clip)固定法和镙钉固定法。

采用纸夹固定无疑是快捷而方便的,镙钉固定则坚固而可靠。两种方法均可反复承受炉子的温度,但只能用于对板子边缘进行监测。

线夹不能牢固而可靠地固定热电偶。如果在操作过程中不小心拉动线,就会导致热电偶移动。强力弹簧夹可将导线夹紧些,但其热容量和IR屏蔽(shadowing)效应会妨碍位于夹子内的板区的正常加热。

镙钉固定法显然会破坏电路板。而且,热容量和来自板背面或内部铜层的热传导会使温度显示失真。

机械式热电偶支撑器件具有以下优点:

  • 可以很容易地夹在电路板的边缘,热电偶结点可以固定在电路板的任何位置,包括元件间的窄小空间。
  • 弹簧张力使热电偶结点牢固地接触任何类型的表面。
  • 低热容的热电偶结点可以快速响应温度的变化。
  • 由于不需要焊接,因此不会破坏电路板,而且拆除仅需几秒钟。
  • 结点直径小,容易通过元件外壳上的小孔来测量管芯(die)的温度。同样,可在BGA中心下面的电路板上钻一个小孔,以精确建立器件的回流温度曲线。
另外,最新的第三种方法是使用Temprobe,一种机械式热电偶支撑器件,能可靠地提供任何表面的温度(图5)。

图5:夹子使温度测量局限于电路板边缘。

获得精确读数

热电偶安装不当会影响温度曲线的精确性,并且可能会破坏电路板。有许多种交叉检验安装技术的方法,是将这些安装技术与一种可靠的“基准”进行比较。这些“基准”可以是一些“热点”(hot dot)——它们会在规定的温度下改变颜色,也可以是网格表面热电偶、精细焊接的热电偶、或者机械式热电偶支撑器件。

“热点”有一些缺陷。在93℃到127℃的范围内,通常按5℃至10℃的增量变化。它们覆盖面积很大,使区域内的热量吸收改变,特别是有一个产生较大辐射热的元件时。网格表面热电偶一般至少包括3.2cm▲2▲的区域,因此也会影响表面的热量吸收。

除机械热电偶固定方法之外,还有一种较好的选择,即用最少量的高温焊料,仔细地安装细线热电偶。二者均具有灵敏的热响应,且不会影响被测表面的热量吸收。

注意,在比较两种或多种热电偶安装方法时,一个基本条件是被附着材料的热特性应相同。理想的情况是将它们固定在同一块焊盘上。如果这一点不能满足,就应注意测试场所间的差异,如埋入的地平面(ground plane)和相邻的大型元器件等。所有这些都会导致这些场所的热响应不同。例如,当环境温度上升或下降时,一处可能领先或滞后于另一处。要验证这一点,可将热电偶交换并重新测试。如果所测温度曲线相同,说明测试场所的热响应相同,热电偶比较是有效的。

附栏

选择热电偶固定方法

在不同的应用场合下,应选择不同的热电偶固定方法。下面是在具体应用中应考虑的问题:

  • 要获得表面温度最精确的读数,应确保热电偶结与被测表面直接接触。如果使用焊料或胶粘剂,应使它们的量最少。
  • 将所选的固定方法与一可靠的“基准”进行比较。
  • 快速固化胶使用方便,但最适合于低温场合,如波峰焊的A面和返修工序。
  • 高温焊料和环氧胶的使用需要相当的技巧和时间,去除时不要破坏电路板。但在回流焊、IR和波峰焊中,它们能提供精确的温度曲线,适合电路板的测试。
  • 纸夹固定法能反复承受炉的高温,但只局限于板的边缘,而且不能确保热电偶的稳定接触。
  • 镙钉固定法即使在高温下也很牢固可靠,但会严重损坏电路板。而且由于会引起背面和内部地平面的传热而产生错误。
  • 机械式热电偶支撑器件易于安装与拆除,且不会损坏电路板。在回流焊、IR、波峰焊及返修等应用中,均能提供精确而可靠的结果。它们还可用于任何类型的表面,可进入板上任何高密度处。

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