Možnosti připojení termočlánků

Úvod

Usilovná, časově náročná činnost umístění termočlánků může snadno vést k poškození desky při aplikaci nebo odstraňování termočlánků. Přes všechny problémy jsou termočlánky preferovanou volbou pro přesnou kontrolu teploty v kritických bodech na sestavách s plošnými obvody během procesu pájení.

Alternativy, jako jsou horké tečky nebo pastelky, infračervená čidla nebo odhady, každá z nich má nevýhody. Horké tečky nebo pastelky ukazují pouze špičkovou teplotu, s níž se setkávají (zpravidla v nevhodně velkých přírůstcích 5 °C ÷ 10 °C), bez jakékoliv indikace strmosti zahřívání nebo doby prodlevy při dané teplotě. Mohou rovněž zkreslovat absorpci tepla ve zkušební oblasti, kterou pokrývají, zvláště je-li přítomna významná složka sálavého tepla. IR čidla vyžadují opatrné nastavování kvůli charakteristikám intenzity záření různých povrchů, jež musejí sledovat. To se často provádí opatrným osazováním kritických bodů na desce termočlánky, a následným opakovaným měřením každého bodu s IČ čidlem a přizpůsobením příslušných údajů. Do zorného pole se navíc mohou dostat i jiné povrchy, než právě měření (například holá deska obklopující pájecí plošku). A konečně, je-li nutno desku vyjmout ze zdroje tepla, aby ji bylo možno sledovat IČ čidlem, indikované teploty budou funkcí doby, po kterou byla deska mimo zdroj tepla.

Připojení termočlánku pomocí pásky Kapton*

Takže nadejde-li doba, kdy musíte osadit DPS termočlánky, budete potřebovat spolehlivá tepelná data a rychlou, snadnou, pohodlnou metodu instalace, která nepoškodí DPS. Aby to nebylo tak jednoduché, některé pozice vašich termočlánků mohou omezovat způsob instalace. Příklad: nepájitelné plochy, jako je materiál desky FR4 nebo těla keramických či plastových součástek mohou bránit použití vysokoteplotní pájky. Těsná místa na obvodových deskách s vysokou hustotou montáže mohou činit použití pásky Kapton* nepraktickým, a přístup k čipu součástky malým otvorem v jejím těle může být problematický.
*Kapton je registrovaná obchodní značka společnosti E. I. Dupont de Nemours.

Metody připojování termočlánků

Spoj termočlánku musí mít přímý, spolehlivý tepelný kontakt se sledovaným povrchem. Jinak bude mezi spoje termočlánku a povrchem neznámá tepelná impedance. Výsledkem bude, že hodnoty teploty se budou úžeji vztahovat k materiálu obklopujícímu termočlánek, než k teplotě povrchu. Extrémním případem je situace, kdy Kaptonový pásek ztratí při teplotě pece svoji přilnavost, termočlánek se zvedne a začne snímat teplotu okolního vzduchu.

Je třeba, aby hmotnost materiálu obklopujícího spoj termočlánku a přidržujícího jej k povrchu byla minimální. Tento materiál zvětšuje tepelnou hmotnost spoje a přidává izolaci povrchu pod materiálem; oba tyto faktory způsobují zaostávání termočlánku za skutečnou teplotou povrchu při zvyšování nebo snižování teploty pece. Tento efekt může představovat prodlevu 5 °C ÷ 10 °C při strmosti zvyšování teploty 2 °C/s, což znamená, že ostrá teplotní špička typického profilu přetavení tím může být značně deformována.

Nyní se podíváme na důvody pro a proti dostupným metodám připojování termočlánků. Pomůže nám to při volbě preferované metody pro konkrétní aplikace a jejím správném používání pro dosažení co nejspolehlivějších výsledků.

Vysokoteplotní pájka

Zpravidla se jedná o pájku s obsahem olova alespoň 93 % s bodem tavení nad 295 ÷ 305 °C, která se během přetavení neroztaví.

Obr. 1 – Vysokoteplotní pájka: připojení termočlánku

Na obr. 1 je součástka s roztečí kontaktů 0,5 mm se správně instalovaným termočlánkem vpravo. Povšimněte si, že zde není téměř žádná pájka navíc.
Termočlánek vlevo je instalován špatně, s velkou kapkou pájky, která podstatně zvyšuje tepelnou hmotnost kontaktu.

PRO:

• Dobrá tepelná vodivost minimalizuje chybu, jestliže se spoj termočlánku dostane nepatrně mimo povrch.
• Silné mechanické připojení je u mnoha profilů spolehlivé, takže se dobře hodí pro zkušební desky.

PROTI:

• Pájení vyžaduje značnou zručnost a čas k připevnění malého termočlánku o nízké hmotnosti bez přehřívání a poškození desky, pájecí plošky nebo součástky. To ještě zhoršuje skutečnost, že vysokoteplotní pájka příliš dobře nesmáčí ani neteče, a to ani s aktivním tavidlem. Dále je obtížné odstranit vysokoteplotní pájku úplně, bez poškození součástky, pájeného spoje nebo plošky.
• Tuto metodu nelze použít k připojování termočlánků k nepájitelným plochám, jako jsou keramická nebo plastová pouzdra součástek, případně substrát FT4.
• Před přetavením je obtížné aplikovat součástky s malou roztečí kontaktů.

Lepidla

Obecně existují dvě třídy materiálů, obvykle používaných k přilnavému připojení termočlánků. Jednou z nich je urychlovač, nebo lepidlo aktivované ultrafialovým zářením, jež tuhne v několika sekundách, avšak lze je použít do asi 120 °C. Při přetavení nedrží příliš dobře, a častěji se používá v aplikacích pájení vlnou.
Speciální vysokoteplotní dvousložkové epoxidy jsou určeny pro až 260 °C, avšak k vytvrzení vyžadují několik hodin při vysoké teplotě.

Obr. 2 – Připojení přilnavého termočlánku

Termočlánek vpravo na obr. 2 byl řádně instalován pomocí malého množství lepidla. Termočlánek vlevo má příliš velkou kapku lepidla.

PRO:

• Tyto produkty se používají snáze, než vysokoteplotní pájka.
• Urychlovač a produkty aktivované UV zářením tuhnou rychle a urychlují instalaci.
• Vysokoteplotní dvousložkové epoxidy vydrží teploty přetavení v mnoha cyklech.
• Oba produkty mohou připojit termočlánky k nepájitelným povrchům, jako jsou plastové nebo keramické součástky, případně substrát FR4.

PROTI:
(Urychlovač nebo lepidla aktivovaná UV zářením)

• Jejich nízká teplotní zatížitelnost je činí odolnými vůči odlupování během přetavení, kde špičkové teploty dosahují 210 °C.
• Jejich poměrně špatná tepelná vodivost je zárukou, že spoj termočlánku bude stát bezpečně proti měřenému povrchu během aktivování lepidla.
• Zpravidla bývá snadné je „odloupnout“ pomocí nože. Zanechávají však vrstvičku zbytků, již lze pozorovat na substrátu FR4 a tmavých součástkách a obtížně se odstraňuje. Nejúčinnější rozpouštědla, např. aceton, rozpouštějí i plasty, takže mohou poškodit i obvodovou desku.

PROTI:
(Epoxidy)

• Vysokoteplotní epoxid vyžaduje vytvrzování v peci po dobu několika hodin. To je nevhodné zvláště při rychlém vyhledávání poruch. Vyžaduje to rovněž pečlivě upnutí do přípravky, aby byla jistota, že spoj termočlánku zůstane ve styku s měřeným povrchem po dobu celého vytvrzovacího cyklu v peci. Je obtížné odstranit tento materiál čistě, bez poškození desky nebo součástky.
• Rychletvrdnoucí, např. „pětiminutové“ epoxidy jsou určeny pro teplotu 130 °C, takže během přetavení často odskakují.

Lepicí pásky

Vysokoteplotní lepicí pásek, např. Kapton, se přitažlivě snadno používá. Je však dbát na to, aby byl spoj termočlánku předem zatížen a udržoval pevný styk se sledovaným povrchem. Protože kolem není žádný vodivý materiál (jako je pájka), tak je-li spoj byť i jednu tisícinu palce mimo povrch, bude snímat primární teplotu okolního vzduchu, i když částečně ovlivněnou tepelným zářením.
Jednou z účinných metod instalace je ohnutí vodičů termočlánku do tvaru háčku.

Obr. 3 – Termočlánek přidržovaný na kontaktu součástky pomocí vysokoteplotního lepicího pásku

Vodič se pak připevní páskem v zadní části háčku, takže spoj je tlačen na povrch, jak je zřejmé z obr. 3.

 

Obr. 4 – Pásek uvolněný po zahřívání umožní zvednutí termočlánku nad kontakt

Na obr. 4 je vidět, jak lepidlo na pásku může uvolnit své sevření při teplotě pece a dovolit, aby se spoj termočlánku zvedl nad povrch kontaktu.


 

PRO:

• Ve většině situací se pásek používá rychle a snadno. Termočlánky je možno páskem připevnit k libovolnému typu povrchu.

PROTI:

• Se stoupající teplotou přilnavost pásku slábne. Při teplotě přetavení se tudíž uvolní síla působící na termočlánek, což umožní ztrátu kontaktu termočlánku se sledovaným povrchem a snímání okolní teploty namísto teploty povrchu. Bývá obtížné či nemožné připevnit termočlánek páskem spolehlivě na těsném místě, např. mezi součástkami.

Mechanické připevnění

Dvě metody mechanického připevnění termočlánků představují extrémy – sponky na papír a šrouby. Třetí metodou je TEMPROBE*, mechanický nosič termočlánku, určený výslovně k rychlému a spolehlivému snímání teploty na libovolném typu povrchu.

Obr. 5 – Zařízení Temprobe bylo nově rekonstruováno, aby mohlo pracovat s vysokými nároky bezolovnatého procesu

Na obr. 5 je znázorněno toto zařízení, připevněné k okraji obvodové desky s hrotem termočlánku na kontaktu součástky s roztečí 0,5 mm.
* TEMPROBE je obchodní značka společnosti Saunders Technology, Inc.

PRO:

• Sponky na papír jistě umožňují rychlé a snadné použití, a šrouby zase velmi robustní a spolehlivé připevnění termočlánků. Obě pomůcky snášejí opakovaně působení teplot pece.
• Rychlé a snadné je přichytit mechanický nosič termočlánku na okraj desky a umístit hrot termočlánku kamkoliv na desku, a to i do těsných prostor mezi součástkami.
• Napětí pružiny přidržuje hrot termočlánku pevně v kontaktu s libovolným typem povrchu, takže snímání jeho teploty je přesné a spolehlivé.
• Hrot termočlánku o nízké tepelné hmotnosti poskytuje rychlou odezvu pečlivě pájeného termočlánku.
• Protože toto zařízení nevyžaduje žádné připojování, nedochází k poškození desky a odstranění trvá pár sekund.
• Malý průměr hrotu zařízení umožňuje snadné zasunutí malým otvorem v těle součástky a měření teploty čipu.

PROTI:

• Sponky na papír obecně omezují možnost sledování v blízkosti okraje desky.
• Drátěné sponky neumožňují bezpečné, spolehlivé připojení termočlánku. Jestliže při manipulaci dojde k náhodnému vytažení drátu, může se termočlánek pohnout. Svorky pružinového typu pro velké zatížení drží drát bezpečněji, avšak jejich tepelná hmotnost a efekt IČ stínění mohou ovlivnit normální zahřívání části desky uvnitř svorky.
• Šrouby obvykle desku poškodí. Jejich tepelná hmotnost a vedení tepla z opačné strany desky a/nebo vnitřních měděných vrstev mohou indikovanou teplotu zkreslit.

Dostáváte přesné údaje?

Jediným cílem tohoto článku je upozornit na to, že existuje spousta věcí, jež se mohou stát během instalace termočlánků a mohou vyústit do nepřesných teplotních profilů a potenciálního poškození desky. Existuje několik metod křížové kontroly instalační techniky porovnáváním se spolehlivou referencí. Takovou referencí mohou být „tepelné tečky“, jež při předepsaných teplotách změní barvu, termočlánek s mřížkovým povrchem, pečlivě zapájený termočlánek, nebo mechanický nosič termočlánku.
Tepelné tečky mají některé nevýhody. Obvykle se dodávají v přírůstcích od 5 do 10 °C v rozsahu teplot do 250 °C. Dále pokrývají značnou plochu povrchu, což může zkreslovat pohlcování tepla touto plochou, zvláště je-li tam součástka vyzařující teplo. Termočlánek s mřížkovým povrchem zpravidla zabírá nejméně 0.5 in2, takže může zkreslovat absorpci tepla kontrolovaným povrchem. Termočlánek s tenkým drátkem pečlivě instalovaný pomocí minimálního množství vysokoteplotní pájky je dobrá volba, stejně jako mechanický nosič termočlánku. V obou případech je tepelná odezva rychlá a nemění se absorpce tepla sledovaného povrchu.

Malé upozornění. Jestliže porovnáváte dvě nebo několik metod instalace termočlánku, je zcela nezbytné, aby tepelné charakteristiky materiálu, k němuž jsou termočlánky připojeny, byly v obou případech identické. Ideálním uspořádáním je připojení k téže pájecí plošce. Není-li to možné, dávejte pozor na rozdíly mezi zkušebními plochami, jako jsou vnořené uzemňovací roviny a velké přilehlé součástky. Ty mohou způsobit rozdíl v tepelné charakteristice ploch. To znamená, že pokud okolní teplota kolísá nahoru nebo dolů, jedna plocha může ovlivnit tu druhou. Pro kontrolu obraťte termočlánky a profil zopakujte. Jsou-li profily shodné, zkušební plochy mají stejnou tepelnou charakteristiku a porovnávání termočlánků je validní.

Závěry

Takže která z metod připojování termočlánku je pro vás nejlepší? To závisí na vaší aplikaci. Zde je shrnutí:

• Abychom dostali nejpřesnější údaj teploty povrchu, spoj termočlánku musí být v přímém styku s povrchem, a jestliže používáte pájku nebo lepidlo, nechť jsou co možná minimální.
• Proveďte srovnávací test své preferované metody připojování termočlánku se spolehlivou referencí, jak je uvedeno výše.
• Rychle tuhnoucí lepidla se snadno používají, ale nejlépe se hodí pro aplikace s nižší teplotou, jako je strana A v pájení vlnou a předělávka.
• Vysokoteplotní pájka a epoxid vyžadují značnou zručnost a čas, mají-li být instalovány správně a odstraněny bez poškození desky, nicméně dávají přesné výsledky pro řadu profilů v aplikacích s přetavením, IČ a pájením vlnou. Dobře se hodí pro zkušební desky, vyžadují však spoustu času a úsilí při instalaci a odstraňování při většině předělávek.
• Sponky na papír opakovaně snesou teploty pece, jsou však omezeny na okraj desky a mají sklon k nespolehlivosti při udržování dobrého kontaktu termočlánku.
• Šrouby jsou robustní a spolehlivé při vysoké teplotě, avšak vážně poškozují desku a mohou indukovat chybu přenosem tepla z protilehlé strany desky nebo interních uzemňovacích rovin.
• Mechanický nosič termočlánku Temprobe je rychlý, snadno se instaluje a odstraňuje bez poškození desky nebo součástky, a dává přesné, spolehlivé výsledky při přetavení, IČ, pájení vlnou a předělávkách. Lze jej rovněž použít na libovolném typu povrchu a vejde se do těsných míst kdekoliv na desce.

V běžné praxi montážních firem zcela jasně vítězí termočlánek s vysokoteplotní pájkou. U opravářských zařízení bývá často použita sonda.