(UPDATE) Thermocouple (T/C) và ứng dụng để đo biểu đồ nhiệt có thể bạn chưa biết.

Tại sao T/C xoắn dây có thể cho phép đo không chính xác? 

Trong hình dưới đây mô tả một T/C xoắn và kết quả giá trị đo không phải là nhiệt ở đỉnh của mối xoắn mà là tại điểm cuối cùng hai dây bắt đầu tách rời nhau:


Thế nên nếu bạn dùng kiểu xoắn này để lấy số liệu, bạn sẽ đối mặt với một kết quả biểu đồ có thể nói là khó chịu đặc biệt là máy hàn hàn sóng (wave soldering) tại bể chất hàn nóng chảy (solder pot). Tuy nhiên nếu bạn có đầu T/C hàn cũng nên cẩn thận với mối hàn có đường kính quá lớn cũng có thể đẫn đến cùng hiện tượng.

Một mối nối đẹp nhất, chính xác nhất là mối nối có cùng đường kính dây (hình bên trái) và mối nối nóng chảy thông thường với chút ít sai số chấp nhận được (hình phải) 


Trên thực tế bạn khó có thể tạo ra một mối nối nóng chảy lý tưởng (như hình trái) mà chỉ tạo ra được một mối hàn đẹp và chấp nhận được (như hình phải) mà thôi, muốn thế chúng ta sẽ tạo ra một tia hồ quang điện có năng lượng tương ứng với các đường kính cỡ dây của cặp nhiệt trở như trong bảng dưới đây:

Với điểm đo là pad đồng trơn trên PCB 


Với điểm đo là linh kiện có chân


Với điểm đo là chân của IC BGA


Chúng ta có thói quen dùng Kapton tape để cố định đầu đo nhiệt tại vị trí cần đo như trong hình dưới đây


Laprapdientu.vn không ủng hộ cách dùng này bởi kapton tape có làm suy giảm nhiệt cho đầu đo nếu bị che phủ đồng thời làm chậm nguội hơn khi kết thúc chu kỳ đo dẫn đến phép đo không còn chính xác.
Cách tốt nhất là dùng chất hàn có nhiệt độ nóng chảy cao hơn để cố định đầu T/C tại điểm cần đo, thiếc hàn có điểm nhiệt nóng chảy cao thường nên chọn loại 300 ^oC _ 350 ^oC.
Trường hợp bạn vẫn thích dùng băng dán để cố định điểm đo bạn nên chọn băng dán bằng chất liệu nhôm (alluminium) xem hình


Kapton tape chỉ nên dán giữ dây T/C và giúp giữ băng dán nhôm

Hàn thiếc nhiệt độ cao (≥ 300^oC) để cố định T/C tại điểm đo



Cách đính đầu đo nhiệt độ với hàn sóng có sử dụng dụng cụ nâng PCB (dip pallet)


Chú ý  quan trọng:

_ Giá trị nhiệt độ mà bạn đọc được sẽ là giá trị đến từ điểm tiếp xúc đầu tiên của hai dây nhiệt trở, để đảm bảo kết quả là đúng như mong muốn trong mọi trường hợp bạn phải cách ly hai dây sao cho mối nối của T/C (thermocouple bead) là điểm tiếp xúc duy nhất của toàn bộ độ dài hai dây nhiệt trở

1. Thiết bị tạo nhiệt để hàn (reflow, wave soldering) có ổn định và đều khắp không?
2. Các chi tiết sản phẩm gồm PCB, linh kiện, chất hàn, mối hàn bị "nướng" trong các thiết bị tạo nhiệt đã hoặc sẽ trải qua môi trường nhiệt có nằm trong dung sai cho phép hay không?

Vì thế cần bố trí các dây đo T/C trên PCB hay trên gá đo đều khắp và đại diện được cho 2 yêu cầu trên, đây là qui tắc cơ bản của công việc làm PCB đo nhiệt độ quen gọi tắt là làm Profile.
Công việc gắn T/C lên PCB quen gọi tắt là làm board profile
Một board profile mẫu như trong hình mô tả sau đây

Sau khi có Profile PCB chúng ta sẽ tiến hành đo nhiệt độ (gọi tắt là đo profile) và sau đó ...

Đọc biểu đồ nhiệt để suy ra thiết bị có đạt:

1. Tốc độ gia/giảm nhiệt?
2. Độ ổn định nhiệt?
3. Cấp nhiệt đều khắp?
4. Độ phẳng ngang của sóng hàn nóng chảy?
5. Nhiệt độ theo các mốc thời gian chuẩn mực?
6. ...

Để có kết quả biểu đồ nhiệt chúng ta cần có một bộ ghi nhớ thông tin nhiệt độ theo thời gian, sau đó kết hợp với máy tính chúng cho ra một bản in hoặc một tập tin dạng đồ thị. Với sự hỗ trợ mạnh của phần mềm máy tính hầu hết các tiêu chí nêu trên có thể thể hiện trong trang in ngoại trừ một số chi tiết cần kinh nghiệm để suy luận mà bài viết này không thể diễn tả hết được.
Bản in mô tả profile của reflow, bạn thấy những thông tin gì từ hình ảnh này?

1. Profile reflow với 7 vùng (7 zones) nhiệt đo bằng 6 kênh (mặt hàn phía trên _ top side)


2. Profile reflow với 10 vùng nhiệt và 3 vùng làm nguội đo bằng 3 kênh (mặt hàn phía trên _ top side)


3. Profile reflow với 10 vùng nhiệt và 3 vùng làm nguội đo bằng 12 kênh (mặt hàn phía trên _ top side)



4. Profile reflow với 1 vùng nhiệt thay đổi theo chương trình (biểu đồ nhiệt của máy sửa IC _ BGA rework station) đo bằng 2 kênh (mặt hàn phía trên _ top side)


Với trường hợp đặc biệt 1 vùng nhiệt vẽ được profile là một công việc "ngốn" rất nhiều thời gian. Muốn nhanh và chính xác như yêu cầu biểu đồ trên máy hàn buồng nhiệt, cần giả lập BGA rework hoạt động tương đương số vùng nhiệt của máy hàn thực tế (ở đây là 7 vùng), rồi lập chương trình thay đổi nhiệt độ theo thời gian tương ứng để có thể "vẽ" được chúng đúng với tiêu chuẩn đề ra. Thắc mắc cần giải đáp thêm vui lòng gửi thư về admin@laprapdientu.vn. 

5. Profile với hàn sóng (wave soldering) đo bằng 6 kênh (3 kênh mặt hàn _ bottom side, 3 kênh mặt trên _ top side)


6. Profile với sóng đo bằng 3 kênh (3 kênh mặt hàn _ bottom side), máy có 5 vùng nhiệt (3 dưới , 2 trên) kích thích hoạt hóa flux trước khi vào bể hàn nóng chảy



Với hàn sóng chúng ta sẽ có các zones kích thích hoạt hóa flux bằng nhiệt (giống như giai đoạn kích hoạt hoạt hóa flux (soaking) ở hàn reflow) trước khi vào vùng hàn. 

Gợi ý đọc hiểu và kiểm tra một bảng in profile (chỉ ví dụ cho reflow, phần wave bạn đọc tự tìm hiểu thêm)

Để hiểu rõ ý nghĩa của một bảng in profile chúng ta sẽ xem qua một video clip mô tả các dạng biến động của biểu đồ nhiệt tác động lên PCB, trong video clip này có sử dụng thuật ngữ PWI (Process Window Index _ thuật ngữ này là bản quyền của KIC), chúng ta có thể hiểu đơn giản đó là giới hạn trên và dưới của tiêu chuẩn nhiệt độ/thời gian cần phải tuân thủ, PWI được qui đổi ra tỉ lệ % như trong hình dưới đây cho leadfree solder và PWI chung của toàn bộ profile là giá trị lớn nhất (% max) trong 4 yếu tố theo thứ tự Slope, Soaking time, Peak và TAL


Và video clip (chịu khó tập nghe tiếng Anh cho quen)



Đo profile không phải là công việc "độc quyền" của reflow và wave mà còn có thể áp dụng cho các qui trình khác có áp dụng nhiệt độ để tác động lên PCB như trường hợp máy rửa PCB với nước DI được đun nóng và vùng làm khô bằng gió nóng

Tạo mối nối dây đo nhiệt độ (T/C) bằng hồ quang điện

Trong sản xuất điện tử đo nhiệt độ phổ biến bằng sử dụng cặp nhiệt trở loại K (Chromel và Allumel) có nêu ở đầu bài viết này, các loại khác ví dụ họ PT (PT100, 200...) tức dùng kim loai Platinium để đo nhiệt độ được sử dụng trong thiết bị, có dịp sẽ nói thêm.

Để hàn hai đầu dây cặp nhiệt trở chúng ta cần tạo ra một tia hồ quang trong một khoảng thời gian đủ ngắn sao cho vừa nóng chảy cả hai dây nhỏ (mỗi dây 0.1 hoặc 0.2mm) mà không gây cháy phần dây còn lại. Để làm được như thế cách tốt nhất là tạo một mạch phóng điện có kiểm soát thời gian, có nghĩa là cần một mạch nạp xả theo một thời hằng xác định đủ để đạt yêu cầu nêu trên, tức là dùng tụ và trở (mạch thời hằng RC) để tạo tia hồ quang.

Theo kinh nghiệm một cặp dây Chromel + Allumel đường kính 0.2mm cần khoảng 2.3 _ 3.0J (Joules) cho một lần đánh lửa hồ quang và khoảng 0.8 _ 1.8J cho dây 0.1mm

Các hình vẽ dưới đây sẽ giới thiệu đến các bạn nguyên lý hoạt động mạch tạo hồ quang hàn cặp nhiệt điện.

Nạp điện



Phóng hồ quang



Kết quả


Để có một năng lượng vừa đủ để hàn chúng ta cần tính toán gần đúng dựa trên công thức sau:


Với những thông tin và kinh nghiệm tác giả đã cho tiến hành thí nghiệm với bộ sạc của máy tính xách tay (latop) loại phổ biến 19 VDC với một tụ điện có giá trị 6800μF đấu trực tiếp (R1 = R2 = 0Ω).

Theo công thức tính toán trên chúng ta có năng lượng cho một lần phóng điện tương đương 2.45J. Hãy chú ý tụ điện khó xác định chính xác giá trị nếu mua ngoài chợ, vì nếu chúng có giá trị thấp hơn với nhãn _ mà thường là như thế _ mối hàn sẽ không thể hình thành. Vì thế nên tìm chọn tụ thật tốt. Cách hay nhất là kiếm một tụ nhập giá trị cao (ví dụ 10,000 hay 15,000 μF) kết hợp với một mạch điện có thể chỉnh áp từ 12_24 V (hoặc đến 32V) để có năng lượng tùy chỉnh, với một mạch như thế chúng ta có thể hàn dây có đường kính lên đến 0.6mm, cuối cùng, tia lửa hồ quang rất chói, có thể gây hỏng mắt, cần có kính râm loại cho thợ hàn hồ quang điện khi tiến hành hàn.

Kết quả mối hàn chưa đẹp lắm như trong hình dưới, (nhưng chắc chắn là tốt hơn cách xoắn dây)



Bạn có thể điều chỉnh R2 để kéo dài thời gian phóng điện để có mối hàn tròn hơn. Một cải tiến nữa giúp mối hàn đẹp hơn là tạo một hình chóp nón trên chổi than để tia hồ quang tập trung nhiều phía vào đầu dây.

Cải tiến tia hồ quang tập trung để có mối hàn đẹp hơn (xem hình)


Mời bạn đọc tham khảo 2 hình ảnh dưới đây để biết thế nào là tia hồ quang tập trung hay bị phân tán.

Một tia hồ quang tập trung (với V sharp trên âm cực than chì) sẽ cho ta tia sáng như trong hình thực tế dưới đây. (Hình chụp trên máy tiêu chuẩn chuyên nghiệp hàn tia hồ quang âm cực)


Một tia hồ quang không tập trung (với điểm phẳng trên âm cực than chì) sẽ cho ta tia sáng như trong hình thực tế dưới đây. (Hình chụp trên máy tiêu chuẩn chuyên nghiệp hàn tia hồ quang âm cực)



(Bạn đọc nếu có gì thắc mắc về cách tự làm mạch và cách tiến hành hàn hồ quang chi tiết hơn, hay về profile, có thể gửi thư điện tử hỏi, laprapdientu.vn sẽ sắp xếp trả lời)