DE60317205T2

DE60317205T2 - Verfahren, vorrichtung und programm zur thermischen analyse, heizsteuereinrichtung und heizofen, die das verfahren verwenden

Info

Publication number: DE60317205T2
Application number: DE60317205T
Authority: DE
Inventors: Masaru Chuo-ku NONOMURA; Yoshinori Kofu-shi ISOBATA; Hiroaki Chuo-ku ONISHI; Masahiro Hirakata-shi TANIGUCHI
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2002-07-31
Filing date: 2003-07-30
Publication date: 2008-08-07
Anticipated expiration: 2023-07-31
Also published as: EP1758009B1; JP4226855B2; WO2004011182A2; EP1527379B1; EP1758009A1; DE60317205D1; CN1672107A; CN1672107B; DE60323696D1; US20060006210A1; JP2004064002A; US7549566B2; EP1527379A2; WO2004011182A3

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermischen Analyse zum Bestimmen einer geeigneten Heizbedingung, um ein Objekt in Übereinstimmung mit einem erforderlichen Temperaturprofil zu heizen. Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur thermischen Analyse, eine Heizsteuerung und einen Heizofen, die ein solches Verfahren verwenden. Genauer betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur thermischen Analyse und einen Rückflussofen, der solch ein Verfahren zum Bestimmen geeigneter Heizbedingungen zum Erhitzen eines Schaltkreissubstrates verwendet. Elektrische Komponenten werden auf einem Schaltkreissubstrat mittels pastenförmigem Lot montiert, das geschmolzen wird, wenn es erhitzt wird. Nachdem das Schalkreissubstrat gekühlt wird, verfestigt sich das geschmolzene pastenförmige Lot, wodurch die elektronischen Komponenten auf das Schaltkreissubstrat angelötet werden. Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Programm und ein computerlesbares Speichermedium, das solch ein Programm speichert, das dazu verwendet werden kann, den Computer dazu zu bringen, das Verfahren zur thermischen Analyse ab zu arbeiten.
Wenn ein Objekt in einem Heizofen erhitzt wird, ist es notwendig, die Heiztemperatur und die Heizzeit in einer vorbestimmten Weise zu steuern, um so das Objekt für einen bestimmten Zeitraum bei einer geeigneten Temperatur zu halten und es nicht über die obere Grenztemperatur des Objektes zu überhitzen. Umsichtige thermische Analyse und Temperatursteuerung ist nicht nur dafür entscheidend, das Objekt für einen bestimmten Zeitraum in einem Heizofen bei solch einer geeigneten Temperatur zu halten, sondern auch dafür, das Objekt in Übereinstimmung mit einem erforderlichen Temperaturprofil während des Vorheizens, des Hauptheizens und der Abkühlungsphasen zu beheizen.
Die nachfolgende Beschreibung wird mittels Verweises auf einen Rückflussofen als ein Beispiel gemacht, der zum Löten elektronischer Komponenten auf ein Schaltkreissubstrat wie z. B. eine elektronische Schaltkreisplatte (hierin auch als „Platine" bezeichnet) verwendet wird. In einem Rückflussverfahren wird als erstes pastenförmiges Lot auf eine Platine gedruckt und elektronische Bauteile werden auf die Platine an korrespondierenden vorbestimmten Positionen montiert. Die Platine wird dann in einem Rückflussofen zum Erhitzen und Schmelzen des Lotes eingeführt, wodurch die Komponenten auf die Platine gelötet und befestigt werden. Um jede Hitzezerstörung des Objektes (d. h. der elektronischen Bauteile wie auch der Platine) aufgrund zu schneller Temperatursteigerung in dem Rückflussofen zu verhindern, wird das Objekt als erstes auf eine relativ geringe Temperatur in einer Vorheizphase erhitzt. Solch ein Erhitzen in der Vorheizphase ist auch bevorzugt, um Flussmittel wie z. B. Antioxidationsflussmittel, die in dem pastenförmigen Lot enthalten sind, zu aktivieren, um die Lötqualität zu steigern. Das Objekt wird dann in einer Rückflussphase erhitzt, wobei das Objekt für eine vorbestimmte Periode bei einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Lots gehalten wird, so dass das Lot vollständig geschmolzen werden kann. Nach der Rückflussphase wird das Objekt gekühlt, um das Lot zu verfestigen, um die elektronischen Komponenten auf der Platine zu befestigen.
Vor dem Hintergrund aktueller Umweltschutzforderungen gibt es seit einiger Zeit einen Trend, dass übliche Lotmaterialien, die aus einer Zinn-Bleiverbindung bestehen, durch bleifreie Materialien wie z. B. Zinn-Zink-Bismuthverbindungen ersetzt werden, die keine giftigen Materialen enthalten. Der Schmelzpunkt solcher bleifreier Lote ist im Allgemeinen im Bereich um 220°C, was höher ist als der Schmelzpunkt von etwa 190°C von bleibasierten Loten. Daher sollten die bleifreien Materialien auf eine höhere Temperatur erhitzt werden als übliches Lotmaterial während des Rückflussheizvorganges, so dass sie vollständig schmelzen. Auf der anderen Seite sollte, um jegliche Hitzezerstörung der elektronischen Komponenten und der Platine während solchen Erhitzens zu verhindern, das Objekt oder die Platine mit den elektronischen Bausteinen darauf nicht über die obere Grenztemperatur erhitzt werden, bei der alle Komponenten und die Platine überdauern und ihre erwünschten Funktionen behalten können. Zum Beispiel für den Fall, dass eine der elektronischen Komponenten, die auf der Platine montiert werden sollen, ein aluminiumelektrolytischer Kondensator ist, ist eine solche obere Grenztemperatur etwa 240°C. Das bedeutet, wenn die Heiztemperatur zum Erhitzen des Objektes zu gering ist (z. B. unter 220°C), dass die elektronischen Komponenten nicht sicher auf die Platine gelötet werden können, während auf der anderen Seite, wenn die Heiztemperatur zu hoch ist (z. B. über 240°C), die elektronische Komponenten beschädigt werden können. Demzufolge wird, wie oben beschrieben, eine sorgfältige Temperatursteuerung zum Erhitzen des Lotes über seinen Schmelzpunkt und insbesondere auf eine niedrigere als der obere Grenztemperatur der jeweiligen Komponenten benötigt, um einen zuverlässigen Lötvorgang in dem Rückflussofen zu erreichen. Dementsprechend sollte die Heizbedingung einschließlich der Temperatur der Heizquelle, wie z. B. ein Heizgebläse oder ein Heizpanel, und die Transfergeschwindigkeit zum Bewegen des Objektes durch den Heizofen in Übereinstimmung mit einem Temperaturprofil genau bestimmt werden, das mit den erforderlichen Heizbedingungen zum Beheizen des jeweiligen Objektes korrespondiert.
Es gibt zwei Arten von Heizverfahren, die bei Heizöfen verwendet werden können. Eines ist konvektionsartiges Heizen, bei dem erhitzte Luft von einer Heizquelle wie z. B. Elektrizität oder das Verbrennen von Gas oder Öl, zu dem Objekt geblasen wird, und eine andere ist radiationsartiges Heizen, bei dem eine Heizquelle wie z. B. eine Infrarotbestrahlungsheizquelle Hitze auf das Objekt strahlt. Es gibt eine Vielzahl von Heizvorrichtungen wie z. B. Rückflussöfen, Hitzebehandlungsöfen, Sinteröfen, Backöfen, wie solche, die zum Erstellen von Keramiken verwendet werden, Schmelzöfen oder Verbrennungsanlagen. in Abhängigkeit vom Zweck des Heizens und/oder der Art der Heizausrüstung kann der geeignete Heiztyp gewählt werden. Für den Fall, dass genaue Temperatursteuerung erforderlich ist, wie im Falle von Rückflussöfen zum Löten elektronischer Komponenten auf eine Platine, wird üblicherweise konvektionsartiges Heizen aufgrund seiner relativ einfachen Temperatursteuerfähigkeit ausgewählt.
Um in einem üblichen Weg Rückflussheizbedingungen zu bestimmen, wird wenigstens ein Thermoelement auf der Platine befestigt und die Temperaturänderung an solch einem Fixpunkt wird während des Heizens gemessen. Solch eine Messung wird durch Ändern der Heizbedingungen des Rückflussofens immer wieder wiederholt, bis eine geeignete Heizbedingung identifiziert wurde. Jedes Mal, wenn die Heizbedingungen geändert wird, wird ein verhältnismäßig langer Zeitraum benötigt, um darauf zu warten, dass die Temperatur des Ofens in einem stabilen Zustand für den nächsten Versuch kommt. Typischerweise werden solche Wiederholungen etwa 10 Mal benötigt, bis die geeigneten Heizbedingungen bestimmt sind. Zusätzlich zu solch einer Länge der Wartezeit sind das Einfüllungsvermögen und die Erfahrung eines geschickten Bedieners unbedingt notwendig, um die nachfolgenden Heizbedingungen basierend auf den vorhergehenden Messergebnissen einzustellen. Darüber hinaus ist es noch immer nicht sicher, auch wenn geeignete Heizbedingungen durch solch einen try- and error-Ansatz bestimmt werden, ob solche Heizbedingungen optimal sind oder nicht, insbesondere ob solche Heizbedingungen ohne Schwierigkeiten die erforderlichen Bedingungen erfüllen oder gerade so diese Bedingungen erfüllen.
Im Stand der Technik wurden einige alternative Methoden zum Bestimmen von Rückflussheizbedingungen vorgeschlagen, um solche aufwendige Verfahren mit langen Durchführungen, durchgeführt durch einen geschickten Bediener, zu vermeiden. Die japanische Patentanmeldung mit der Offenlegungsnummer 45961/2002-A offenbart ein Verfahren zum Bestimmen eines Optimums der Heizbedingungen, umfassend die Schritte:
Erhitzen einer Testprobe mit bekannten physikalischen Charakteristika in einem Heizofen und Messen von deren Temperaturveränderung;
Verarbeiten der Temperaturänderungen mit einer Differenzialgleichung unter Verwendung eines Heizmerkmales des Heizofens als Parameter;
Wiederholen eines solchen Verarbeitungsmittels unter Änderung eines Wertes, der das Heizmerkmal des Heizofens repräsentiert, bis die Differenz zwischen dem gemessenen Wert und dem verarbeiteten Wert minimal wird.
Die japanische Patentanmeldung mit der Offenlegungsschrift Nummer 201947/1999-A (Patentnummer 3274095 ) offenbart ein Verfahren zum Steuern einer Heizquelle, umfassend die Schritte:
Einstellen von Heizbedingungen für jede von einer Vielzahl von Heizquellen, die dazu verwendet werden sollen, ein Objekt zu erhitzen;
Heizen des Objektes und Bestimmen der Temperaturen einer Vielzahl von Bestimmungspunkten auf dem Objekt;
die Beziehungen zwischen der Differenz der Heizbedingungen für jede Heizquelle und der Differenz der detektierten Temperatur jedes Detektierungspunktes auf dem Objekt werden berechnet und
basierend auf dem Ergebnis der Berechnung Bestimmen der Heizbedingung für jede Heizquelle, die die Temperatur des Objektes dazu bringt, die gleiche wie die Zieltemperatur zu sein.
Beide dieser Verfahren benötigen jedoch die physikalischen Charakteristika des Objektes (oder eines Teststückes), um ein Optimum hinsichtlich der Heizmerkmale oder der Steuerung der Heizquelle zu bestimmen. Dementsprechend ist es notwendig, individuelle physikalische charakteristische Daten des Objektes zu erhalten und diese Daten vorher einzugeben. Insbesondere heutzutage besitzt eine Platine typischerweise über 100 elektronische Komponenten, die auf ihr montiert werden sollen. Eine Änderung der Ausgestaltung und der Komponentenkombinationen sind sehr häufig. Aus dem Blickwinkel dieser Umstände ist es aus Sicht der Verfahrensbetreibung ziemlich schwierig, solche komplizierten und zeitverbrauchenden Verfahren zu implementieren, die den Erhalt physikalischer Charakteristika für individuelle Messpunkte oder elektronischer Komponenten des Objektes benötigen. In einigen Fällen, wie z. B. wenn das Objekt aus gemischten Komponenten oder Kombinationen von vielen Komponenten gebildet wird, ist das Erhalten physikalischer Charakteristika dieser Komponenten schwierig.
Das US-Patent 4,927,068 betrifft ein Verfahren zum Erhitzen eines gemusterten Substrates mit elektronischen Komponenten unter Verwendung einer Heizsteuerungsmaske mit einer Vielzahl von Öffnungen. Hitzetransferverhältnisse, die mit der Öffnung assoziiert sind, werden durch thermodynamische Analyse basierend auf der diskreten zweidimensionalen Hitzeleitungsgleichung bestimmt, wobei die Hitze von der Heizquelle als eine Advektion behandelt wird.
US Patent Nr. 6,283,378 offenbart ein Verfahren zum Einstellen der Grenzbedingungstemperatur eines Heizofens mit einer Vielzahl von Heizbereichen, umfassend die Schritte:
Messen sowohl der Grenzbedingungstemperatur als auch der Heizgebläsetemperatur für jeden der Heizbereiche und Abstimmen der Grenzbedingungstemperatur mittels eines Mengenäquivalentes zu einer Minimumdifferenz zwischen der Grenzbedingungstemperatur und der Hitzegebläsetemperatur über die Differenzen für alle Heizbereiche.
Entsprechend diesem Verfahren erfolgt die Abstimmung jedoch lediglich durch Parallelverschiebung eines Temperaturprofils, was bedeutet, ein Temperaturprofil zu verschieben, das auf einem einzelnen Faktor basiert, ohne die jeweiligen Differenzen bei jeder der Grenzen der Heizbereiche zu berücksichtigen. Daher ist es schwierig, eine angenommene Simulation durchzuführen, insbesondere wenn eine Peaktemperatur des Objektes nicht an den genannten Grenzen besteht oder wenn das Temperaturprofil durch komplizierte Kurven gebildet wird. Da ein Abstimmen des Heizofens als Ganzes durch eine einzelne Temperatursteuerung erfolgt, besteht darüber hinaus ein Problem, dass spezifische Heizbedingungen an jedem der Vielzahl der Messpunkte vernachlässigt werden.
Dementsprechend ist vor dem Hintergrund der oben erwähnten Probleme der herkömmlichen Verfahren die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur thermischen Analyse wie auch einen Heizofen zur Verfügung zu stellen, die verwendet werden können, um geeignete Heizbedingungen für einen Heizofen auf eine effektive Art und Weise zu bestimmen, ohne die physikalischen Charakteristika des zu erhitzenden Objektes zu benötigen oder ohne wiederholte Heiz- und Messverfahren eines Probeobjektes in einer try and error-Weise durchzuführen.
Es ist auch Zweck der vorliegenden Erfindung, eine Heizsteuerung zur Verfügung zu stellen, die in der Lage ist, das oben erwähnte Verfahren auszuführen, ein computerlesbares Speichermedium, das für die Heizsteuerung verwendet werden kann und ein Programm, das auf solch einem Speichermedium gespeichert werden soll.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung löst die oben beschriebenen Probleme durch zur Verfügung stellen eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur thermischen Analyse, die an jedem Messpunkt des zu erhitzenden Objekts an jeder Messstelle eines Heizofens eine einzelne Invariante bestimmen können, die die Heizkennung repräsentiert, basierend auf der Heiztemperatur und der Heizzeit der Messstelle und der gemessenen Temperatur des Messpunktes. Genauer umfasst die vorliegende Erfindung das Folgende.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur thermischen Analyse zur Verfügung gestellt, wobei an jedem Messpunkt eines Gegenstandes an jeder Messstelle eines Heizofens eine Heizkennung als eine einzelne Invariante bestimmt wird durch die Nutzung der am Messpunkt des Gegenstandes gemessenen Temperatur und der Heiztemperatur und Heizdauer an der Messstelle des Heizofens, wobei die Heizkennung die physikalischen Eigenschaften von sowohl dem Heizofen als auch dem zu erhitzenden Gegenstand darstellt, wobei die Veränderung der physikalischen Eigenschaften und/oder Defekte des Heizofens durch das periodische Erzielen der Invariante und das Analysieren der Abweichung der Heizkennung erfasst werden.
Erfindungsgemäß wird auch eine Vorrichtung zum Durchführen von thermischer Analyse zur Verfügung gestellt, die zum Erhitzen eines Gegenstandes in einem Heizofen zu verwenden ist, wobei diese ein Eingabemittel, einen Speicher und einen Prozessor umfasst, wobei das Eingabemittel Informationen über eine Heizkennung an jedem Messpunkt eines Gegenstandes an jeder Messstelle eines Heizofens als eine einzelne Invariante erzielt, durch die Verwendung der an dem Messpunkt des Gegenstandes gemessenen Temperatur und der Heiztemperatur und der Heizdauer an der Messstelle des Heizofens, wobei die Heizkennung physikalische Eigenschaften von sowohl dem Heizofen als auch dem zu erhitzenden Gegenstand darstellt, der Speicher eine Logik zur Berechnung eines Heizkennungswertes und eine Basisgleichung zum Erhitzen oder ein Logik zum Berechnen der Temperatur des zu erhitzenden Gegenstandes speichert durch die Nutzung des Heizkennwertes sowie auch der Heiztemperatur und der Heizdauer, und der Prozessor entweder den Heizkennungswert oder die Temperatur des Gegenstandes berechnet, entsprechend der Heiztemperatur und der Heizdauer unter Verwendung der Logik und der Basisgleichung zum Erhitzen, die in dem Speicher gespeichert sind, wobei auf diese Weise Veränderungen der physikalischen Eigenschaften und/oder Defekte des Heizofens erfasst werden, durch das periodische Erzielen der Invariante und das Analysieren einer Abweichung der Heizkennung.
Schließlich wird erfindungsgemäß außerdem ein Verfahren zur thermischen Analyse zur Verfügung gestellt, wobei an jedem Messpunkt eines Gegentandes an jeder Messstelle einer Kühlausrüstung das Abkühlverhalten als eine einzelne Invariante bestimmt wird, durch die Verwendung der am Messpunkt des Gegenstandes gemessenen Temperatur und der Kühltemperatur und Abkühlzeit an dem Messpunkt der Kühlvorrichtung, wobei dessen Abkühlverfahren physikalische Eigenschaften von sowohl der Kühlausrüstung als auch des abzukühlenden Gegenstandes darstellt, wobei Veränderungen der physikalischen Eigenschaften und/oder Defekte der Kühlausrüstung durch das periodische Erzielen der Invariante und das Analysieren einer Abweichung des Abkühlverhaltens erfasst werden.
Die vorliegende Erfindung wird detaillierter beschrieben mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen, in denen:
1 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rückflussheizofens illustriert und ein typisches Temperaturprofil eines Objektes, das in dem Heizofen erhitzt werden soll,
2 eine Energietransferbeziehung zwischen dem Heizofen und dem zu erhitzenden Objekt zeigt,
3 ein zu erhitzendes Beispielobjekt zeigt und Vorrichtungen zum Messen der Temperatur an den Messpunkten des Objektes,
4 Messstellen einer der Heizbereiche des Heizofens illustriert, an denen m-Werte bestimmt werden sollen,
5 das Ergebnis des Experimentes 1 zur Simulierung von Temperatur gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform zeigt,
6 das Ergebnis des Experimentes 2 zur Simulierung von Temperatur gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform zeigt,
7 ein simuliertes Temperaturprofil illustriert, das gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform entwickelt wurde,
8 ein Flussdiagramm zur thermischen Analyse gemäß einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform ist,
9 das Ergebnis von Experiment 3 zum Simulieren einer Temperatur gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform zeigt,
10 das Ergebnis eines Experimentes zum Identifizieren der Beziehungen zwischen der Strömungsgeschwindigkeit der erhitzten Luft und dem Heizkennungswert zeigt,
11 ein Flussdiagramm ist, das die Schritte eines Programms gemäß einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform zeigt,
12 schematisch eine Logik zum Modifizieren der Heizbedingungen zeigt, die für die erste Heizphase des Flussdiagramms verwendet wurde, das in 11 gezeigt wird,
13 einen Algorithmus zeigt, um die Heizbedingungen bei der zweiten Phase des Flussdiagramms, das in 11 gezeigt wird, zu detektieren,
14 schematisch einen anderen Algorithmus zeigt, um die Heizbedingungen bei der zweiten Phase des Flussdiagramms, das in 11 gezeigt wird, zu detektieren,
15 einige Beispiele zeigt, die durch eine erfindungsgemäße thermische Analyse erhalten wurden,
16 ein alternatives Flussdiagramm zu 11 zeigt, das für die zweite Heizphase angewendet werden kann, und
17 ein Blockdiagramm eines Heizofens und einer Vorrichtung zur thermischen Analyse gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform illustriert.
Genaue Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Die erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur thermischen Analyse wird hiernach beschrieben. In der nachfolgenden Beschreibung wird ein Rückflussofen zum Löten als Beispiel diskutiert, es muss aber darauf hingewiesen werden, dass die vorliegende Erfindung nicht darauf begrenzt werden soll. 1 zeigt ein Beispiel eines Rückflussofens (obere Hälfte der Zeichnung) und ein Temperaturprofil des Objektes (untere Hälfte der Zeichnung), wenn das Objekt in dem Rückflussofen erhitzt wird. Ein Heizobjekt oder in diesem Fall eine Platine 1 mit einer Vielzahl von elektronischen Komponenten, die darauf montiert sind, wird in den Rückflussofen 10 von der rechten Seite der Zeichnung mittels einer Transfervorrichtung 8 eingeführt. Die Platine 1 wird dann durch den Rückflussofen 10 in einer durch die Pfeile 2 gezeigten Richtung von rechts nach links bewegt und schließlich aus dem Rückflussofen 10 zur linken Seite nach dem Erhitzen transferiert. Während des Verlaufes dieser Bewegung im Heizofen 10 wird pastenförmiges Lot, das auf die Platine 1 gedruckt ist, geschmolzen, wodurch elektronische Komponenten, die auf der Platine 1 montiert sind, auf die Platine 1 gelötet (d. h. festgeschweißt) werden. Innerhalb des Rückflussofens 10, der in 1 gezeigt wird, sind sieben Heizbereiche I bis VII strukturiert und jeder der Heizbereiche I bis VII hat individuell eine getrennte Heizquelle 7. Jede der Heizquellen bläst temperaturgesteuert erhitzte Luft zur Platine 1 von der Oberseite und der Unterseite, wie durch die Pfeile 5 gezeigt wird, so dass das Objekt oder die Platine 1 und die elektronischen Komponenten auf die erforderliche Temperatur erhitzt werden.
Die untere Hälfte der 1 illustriert den Temperaturwechsel oder das Temperaturprofil des erhitzten Objektes in dem Rückflussofen 10. Die Platine 1 wird in den Rückflussofen 10 bei einer Temperatur Tr (normalerweise Raumtemperatur) eingeführt und wird fortschreitend erhitzt und erreicht die Vorheiztemperatur T0 bei dem Heizbereich III und wird bei dieser Temperatur T0 für die Zeit t0 gehalten.
Dann wird die Platine 1 auf Temperatur T2 im Heizbereich VI erhitzt, welches eine Temperatur ist, die dafür erforderlich ist, Lot zu schmelzen (Zielheiztemperatur), und wird bei dieser Temperatur T2 in den Heizbereichen VI und VII für eine Zeit t2 vollständig gehalten, um das Lot zu schmelzen. Nachdem das Lot vollständig geschmolzen ist, wird die Platine 1 aus dem Heizbereich VII transferiert und auf Umgebungstemperaturniveau abgekühlt. Während dieses Abkühlungsprozesses wird das geschmolzene Lot verfestigt und die montierten elektronischen Komponenten werden auf der Platine 1 befestigt. Eine Kühlvorrichtung 11 kann verwendet werden, um das Abkühlen durch das Blasen von Luft oder gekühlter Luft zur Platine 1 zu erleichtern. Das illustrierte Temperaturprofil ist nur ein Beispiel und andere erforderliche Temperaturprofile können durch Veränderung der Heizbedingungen für jeden der Heizbereiche I bis VII erhalten werden.
Für den Fall, dass der Rückflussofen 10 geheizt wird, wenn es erforderlich ist, dass ein vollständiges Festlöten der elektronischen Komponenten erreicht wird und eine Hitzezerstörung dieser elektronischen Komponenten vermieden wird, ist es nötig, dass einige der Formen der erforderlichen Heizbedingungen einer geeigneten Steuerung des Heizens des Rückflussofens unterworfen sind, wie z. B. die Konditionen (a) bis (f), die unten aufgeführt sind. Diese Konditionen werden auch in 1 illustriert. Es muss verstanden werden, dass solche Konditionen angewendet werden für Zwecke des Rückflusslötens und einige andere Konditionen abhängig vom Zweck des Heizens eingerichtet werden können.

(a) Zielheiztemperatur und -heizzeit (T2, t2): Diese dienen dazu, das Objekt auf einer erforderlichen Temperatur für eine erforderliche Zeit abhängig vom Zweck des Heizens zu halten. Im Falle von Heizen zum Rückflusslöten sind solche eine Heiztemperatur und eine Heizzeit notwendig, um das Lot oberhalb seines Schmelzpunktes für eine bestimmte Zeitperiode zu halten, um vollständiges Schmelzen zu erreichen.
(b) Erforderliche obere Endtemperatur (Treq): Dieses ist eine Temperatur, die die Peaktemperatur des Objektes während des Heizverfahrens erreichen muss. Im Falle von Heizen zum Rückflusslöten wird diese Temperatur dafür benötigt, das Lot in eine vollständig verflüssigte Phase zu überführen.
(c) Maximumtemperatur (Tmax): Dieses ist eine Maximumtemperatur über die das Objekt nicht hinausgehen soll. Im Falle vom Heizen zum Rückflusslöten ist dies die obere Grenztemperatur, um Hitzezerstörung der elektronischen Komponenten wie auch der Platine zu vermeiden.
(d) Erlaubte Grenztemperatur und -zeit (T1, t1): Diese sind begrenzte Temperatur- und Zeiterfordernisse, die das Objekt während der Heizvorgänge überstehen kann. Im Falle von Heizen zum Rückflusslöten sollten die elektronischen Komponenten und die Platine ein Erhitzen auf dieses Temperaturniveau und für diese Zeit ohne Hitzezerstörungen zu erleiden überstehen.
(e) Vorheiztemperatur und -zeit (T0, t0): Diese Temperatur und Zeit sind erforderlich, um das Objekt vor dem Haupterhitzen für den benötigten Zweck zu erhitzen. Im Falle von Heizen zum Rückflusslöten dienen diese Vorheizbedingungen dazu, das Fließmittel des pastenförmigen Lotes zu aktivieren und zum Vermeiden von Hitzebeschädigung der elektronischen Komponenten aufgrund zu steiler Temperatursteigerung in der Rückflussphase.
(f) Temperaturvarianz (Δt): Dies ist eine maximal erlaubbare Temperaturdifferenz zwischen einer Vielzahl von Messpunkten des Objektes. Im Falle von Heizen zum Rückflusslöten ist es erwünscht, jede lokale Temperaturvarianz unter den elektronischen Komponenten zu vermeiden. Da 1 ein Temperaturprofil für nur einen einzelnen Messpunkt (d. h. eine einzelne elektronische Komponente) zeigt, wird diese Temperaturvariation Δt nicht in der Zeichnung gezeigt.

Es ist notwendig, eine geeignete Heizbedingung für jeden der Heizbereiche I bis VII zu bestimmen, so dass das Erhitzen des Objektes 1 alle diese erforderlichen Heizbedingungen während des Heizvorganges erfüllen kann, während das Objekt durch den Rückflussofen 10 bewegt wird.
Jetzt werden einige Gleichungen, die die thermischen Beziehungen zwischen der Heizquelle und dem Erhitzen des Objektes repräsentieren, eingeführt. 2 zeigt einen Messpunkt (d. h. eine elektronische Komponente) auf dem zu erhitzenden Objekt 1 und eine Energie, die an den Messpunkt angelegt werden soll. In diesem Fall wird konvektionsartiges Heizen mittels Blasens erhitzter Luft verwendet. Der Messpunkt hat die Vorderoberfläche S, die Dicke D, das Volumen V und die physikalischen Charakteristika der Dichte p, der spezifischen Wärme C und der Wärmetransferrate h für konvektionsartiges Heizen. Wenn die Temperatur der erhitzten Luft, die geblasen wird, Ta ist und die Oberflächentemperatur auf dem Messpunkt Ts ist, wird die zu übertragende Heizenergie Q durch die folgende Gleichung gezeigt: Q = h (Ta – Ts)S (1)
Der Temperaturwechsel ΔT der Oberflächentemperatur Ts des Messpunktes während Δt Sekunden wird allgemein repräsentiert durch:
Diese Gleichung kann modifiziert werden zu:
Die hintere Hälfte der rechten Seite der Gleichung 3 repräsentiert ein Element von radiationsartigen Heizen, in welchem α das Maß der Radiationsabsorption des Messpunktes ist, ∊ das Maß der Radiation des Messpunktes ist, F der Konfigurationsfaktor zwischen der Heizquelle und dem Messpunkt ist und Th eine Temperatur der Heizquelle (Oberflächentemperatur) der Radiation ist.
Im Falle von konvektionsartigem Heizen ist der Effekt von solchem radiationsartigem Heizen typischerweise vernachlässigbar klein. Demgemäß kann die hintere Hälfte der rechten Seite der Gleichung für den Fall von konvektionsartigem Heizen eliminiert werden, in welchem Fall die Gleichung 3 modifiziert werden kann zu:
Durch Einführen des Wertes „m", der durch das nachfolgende repräsentiert wird:
kann die Gleichung modifiziert werden zu:
Wenn die Temperatur Ts zu einer Anfangszeit (d. h. t = 0) angenommen wird als Tint, kann die Gleichung 6 modifiziert werden zu: Ts = Ta – (Ta – Tint)e–mt (7)
In der Gleichung 7 repräsentieren sowohl Ts als auch Tint Oberflächentemperaturen des Objektes, wobei Tint die Anfangstemperatur zum Beginnen des Heizens ist, während Ts eine erreichte Temperatur ist, wenn das Objekt erhitzt ist. In der Gleichung 7 repräsentiert „e" die Basis des natürlichen Logarithmen. In dieser Beschreibung wird die Gleichung 7, die zur Bestimmung der Oberflächentemperatur Ts des Objekts verwendet werden kann hiernach als eine „Basisgleichung für das Heizen" bezeichnet.
Unter Verwendung der Gleichung 7 kann „m", das in Gleichung 6 gezeigt wird, modifiziert werden zu:
„ln" in der Gleichung 8 repräsentiert den natürlichen Logarithmus. Unter den Elementen auf der rechten Seite der Gleichung 8 sind die Heizzeit t, die Heiztemperatur Ta, die Anfangstemperatur Tint, und die erreichte Temperatur Ts jeweils messbar. Wenn diese Elemente gemessen werden, kann dementsprechend der Wert des „m" unter Verwendung dieser gemessenen Ergebnisse berechnet werden. Dies bedeutet, dass sobald ein Objekt erhitzt wird und diese Werte auf der rechten Seite der Gleichung 8 während des Erhitzensgemessen werden, kann der Wert von „m" unter Verwendung der Gleichung 8 bestimmt werden, ohne irgendein physikalisches Charakteristikum des Objektes zu kennen wie z. B. die Dichte p, die spezifische Wärme C oder die Wärmetransferrate h des Objektes, die in der Gleichung 5 gezeigt werden. In dieser Beschreibung wird solch ein berechneter Wert von „m" hiernach auch als „m-Wert" bezeichnet. Da der m-Wert, der aus der Gleichung 8 berechnet wird, auf der Basis der tatsächlich gemessenen Werte des Objektes beruht, das mittels eines spezifischen Heizofens erhitzt wird, kann solch ein m-Wert als eine „Heizkennung” betrachtet werden, die durch eine einzelne quantifizierte Invariable bestimmt wird. Es muss verstanden werden, dass die Heizkennung offensichtlich physikalische Charakteristika sowohl des Objektes als auch des Heizofens, in dem die Messung gemacht wird, repräsentiert.
Die oben erwähnten physikalischen Charakteristika sowohl des Heizofens als auch des Objektes umfassen das Folgende, sind aber nicht darauf beschränkt:
Heizofen: Struktur des Ofens, inneres Volumen, Art der Hitzequelle, Zahl und Ausgestaltung der Heizbereiche, Reaktion der Hitzequelle, Hitzeinterferenz, äußere Störungen, etc.
Zu erhitzendes Objekt: Physikalische Charakteristika (Oberfläche S, Dicke D, spezifische Wärme C, Wärmetransferrate h, etc.), Konfiguration, Anfangstemperatur, Oberflächenbedingungen, etc. Insbesondere für den Fall einer Platine sind auch eingeschlossen: Anbringungsdichte und Anbringungsorte der elektronischen Komponenten und Schaltkreislayout auf der Oberfläche des Substrates, etc.
In dieser Beschreibung werden alle diese Faktoren, die auf Heizmerkmale sowohl des Heizofens als auch des Objektes bezogen sind, als „Heizkennung" bezeichnet. Der m-Wert kann als eine einzelne, quantifizierte Invariante des Heizkennungswertes betrachtet werden, der all diese Faktoren repräsentiert.
Wenn ein Objekt in einem Heizofen erhitzt wird, ist es natürlich, dass sich die Erhitzungsbedingungen von Punkt zu Punkt auf Basis sogar eines einzelnen Objektes unterscheiden können. In der herkömmlichen thermischen Analyse, die sich nur auf physikalische Charakteristika des Objektes bezieht, wird die oben erwähnte Vielzahl von Faktoren der Heizkennung vernachlässigt, wodurch die Simultationsergebnisse schwanken können. Im Gegensatz dazu wird erfindungsgemäß solch ein Nachteil vermieden, da der m-Wert, der all diese Faktoren repräsentiert, die die Heizbedingungen betreffen, verwendet wird. Genauer können durch Verwendung des m-Wertes praktischere und genauere Simulationsergebnisse verglichen mit den üblichen Simulationen unter Verwendung einzelner physikalischer Charakteristika erhalten werden.
3 illustriert schematisch eine Probeplatine 1, die dafür verwendet werden kann, den m-Wert zu bestimmen. Eine Vielzahl von elektronischen Komponenten 3 sind auf der Probeplatine 1 angebracht und Thermoelemente 4 sind befestigt an drei dieser Komponenten 3a, 3b und 3c, die ausgewählt sind als Messpunkte. Diese Thermoelemente 4 sind mit der sich außerhalb befindenden Speichervorrichtung 6 zum Speichern der Ergebnisse verbunden. Die Ergebnisse können weiter von der Speichervorrichtung 6 an einen Computer oder eine Heizsteuerung mittels A/D-Wandlers übermittelt werden, die alle nicht in der Zeichnung gezeigt werden. Obwohl nur in drei Komponenten 3a, 3b und 3c als Messpunkte in der Zeichnung ausgewählt sind, ist die Zahl der zu messenden Komponenten nicht auf drei begrenzt. Im Allgemeinen ist es wünschenswert, Heizmerkmale (oder -begrenzungen) von allen des Komponenten zu bestimmen, die auf der Platine montiert werden sollen, und einige repräsentative Komponenten als ausgewählte Messpunkte auszuwählen, die thermische kritische Bedingungen besitzen oder Komponenten, deren Temperatur verhältnismäßig schwierig aufgrund derer Größe und/oder Wärmekapazität zu erhöhen ist.
4 zeigt die Messstellen in einem der Heizbereiche, in diesem Fall Heizbereich I des Rückflussofens 10, der in 1 gezeigt wird. Diese Messstellen sind die Stellen, wo die m-Werte bestimmt werden sollen. Die vertikale Linie in der Zeichnung repräsentiert die Temperatur des Messpunktes (Objekt) und die horizontale Linie repräsentiert die Zeit. In dieser Beschreibung unterscheiden sich „Messpunkt" und „Messstelle" voneinander dadurch, dass der Messpunkt eine Stelle auf dem Objekt ist, das erhitzt werden soll, wo die Temperatur gemessen wird, während die „Messstelle" eine Stelle auf dem Heizofen ist, wo die Temperatur gemessen wird (d. h. eine Stelle des Heizofens, wo der m-Wert bestimmt wird). Obwohl die horizontale Linie in der Zeichnung die Zeit repräsentiert, kann dies als die Messstelle interpretiert werden, die das Objekt zu jeden t Sekunden passiert. In dem gezeichneten Beispiel gibt es n (Zahl) Messstellen in dem Heizbereich I, die einen gleichen Abstand zueinander haben und die Zahl n kann jede erwünschte Zahl sein. Das Objekt wird an jeder dieser Messstellen während der Zeit t erhitzt und die Temperatur des Objektes wird allmählich mit dem Verlauf der Zeit oder während sich das Objekt von links nach rechts in der Zeichnung bewegt erhöht. Die Messstellen haben nicht zwingend einen gleichen Abstand zueinander, sondern jeder Abstand kann jede Länge betragen.
Die Beispielplatine 1 wird bei Raumtemperatur Tr in den Heizofen eingeführt und an jeder Messstelle durch erhitzte Luft der Temperatur Ta erhitzt, die von der jeweiligen Heizquelle 7 (vgl. 1) geblasen wird. Während der Zeit, in der sich die Temperaturen der Messpunkte 3a, 3b und 3c allmählich von Raumtemperatur Tr steigern, werden die jeweiligen Oberflächentemperaturen Ts gemessen. Gesamt n (Zahl) der m-Werte (m1, m2, m3, ..., und mn) werden berechnet unter Verwendung der gemessenen Temperatur basierend auf der Gleichung 8. In den Gleichungen 7 und 8 ist die Anfangstemperatur Tint an jeder Messstelle durch die erreichte Temperatur Ts der vorhergehenden Messstelle gegeben.
Obwohl die m-Werte für lediglich die elektronische Komponente 3a in 4 gezeigt werden, werden alle n der m-Werte jeder der anderen Komponenten 3b und 3c auch durch Messen der jeweiligen Temperaturen an jeder der korrespondierenden Messstellen berechnet. Entsprechend dem Experiment, das von den zugehörigen Erfindern durchgeführt wurde, wurden 100 Messstellen in einem einzelnen Heizbereich ausgewählt (d. h. n = 100) und insgesamt 100 m-Werte für jeden der Messpunkte berechnet. Der Grund, warum so viele Messstellen ausgewählt werden ist, dass die Heizbedingungen sogar innerhalb eines einzelnen Heizbereiches variieren können, abhängig von Temperaturvariationen der erhitzten Luft und/oder Variationen der Strömungsgeschwindigkeit der erhitzten Luft und insbesondere im Eingangsbereich des Heizofens oder an der Grenze zwischen zwei angrenzenden Heizbereichen einigen Effekten, die durch Außenluft und/oder Hitzeinterferenz zwischen den Heizbereichen unvermeidlich sind, so dass das Bestimmen vieler Zahlen von Heizkennungen durch Verengung jeder der Messstellen wünschenswert ist, um eine angepasste Simulation durchzuführen. Im Gegensatz dazu kann es ausreichend sein, für den Fall, dass nur ein allgemeines Merkmal des Heizofens benötigt wird, im Extremfall nur einen m-Wert für jeden Heizbereich zu berechnen oder sogar nur einen einzigen m-Wert für den kritischsten Bereich des gesamten Heizofens.
Obwohl 4 nur Heizbereich I zeigt, werden in einer ähnlichen Art und Weise die Temperaturen an jeder der Messstellen für die anderen Heizbereiche II – VII ebenfalls gemessen, wodurch die m-Werte für all diese Stellen berechnet werden. Angenommen, dass jeder der anderen Heizbereiche auch 100 Messstellen besitzt, ist die vollständige Summe der Messwerte, die berechnet werden sollen, 2100 (100 Stellen × 7 Bereiche × 3 Messpunkte) und all diese Werte werden an einen Computer und/oder eine Heizsteuerung übermittelt.
Jetzt wird nachfolgend ein Verfahren zum Durchführen einer Simulation zum Identifizieren eines Temperaturprofils des zu erhitzenden Objektes aufgrund von Änderungen der Heizbedingung des Rückflussofens durch Verwendung so berechneter m-Werte für jeden Messpunkt und jede Messstelle beschrieben. Wie oben erwähnt, können erfindungsgemäß die m-Werte, die die Heizkennung repräsentieren, bestimmt werden basierend auf tatsächlichem Erhitzen und Messen der Probeplatine, ohne die physikalischen Charakteristika wie z. B. Dichte p, spezifische Wärme C und Wärmetransferrate h des zu erhitzenden Objektes zu verwenden. Da der m-Wert, der so bestimmt wurde, die individuelle Heizkennung an jedem Messpunkt an jeder Messstelle repräsentiert, kann das Temperaturprofil durch Ändern der Heizbedingungen effektiver und genauer simuliert werden und eine Verifikation mittels tatsächlichen Erhitzens der Probeplatine muss nicht unbedingt notwendig sein.
5(a) bis 5(e) zeigen das Simulationsergebnis 1, das durchgeführt wurde entsprechend der vorliegenden Ausführungsform unter Verwendung des Rückflussofens. 5(a) zeigt die Heiztemperaturen bei jedem der Heizbereiche I–VII, wenn die Probeplatine linden Rückflussofen 10 transferiert und erhitzt wird. Die Temperatur an jedem der Mess-Punkte 3a–3c an jeder der Messstellen wird während dieses Erhitzungsprozesses gemessen. Die erforderlichen Bedingungen zum Erhitzen des Objektes in diesem Experiment sind wie folgend:

(a) Zielheiztemperatur und -heizzeit (T2), t2): T2 = 220°C, und t2 20 Sekunden
(b) Erforderliche obere Endtemperatur (Treq): 230°C
(c) Maximumtemperatur (Tmax): 240°C
(d) Erlaubte Grenztemperatur und -zeit (T1, t1): T1 = 200°C, und t1 ≤ 40 Sekunden
(e) Vorheiztemperatur und -zeit (T0, t0): T0 = 160°C–190°C, und t0 = 60 Sekunden – 120 Sekunden
(f) Temperaturvarianz (Δt): < 10°C

Die Probeplatine 1 wird in den Heizbereich I von der rechten Seite der 5(a) eingeführt und dann in dem Rückflussofen 10 durch Passieren durch jeden der Heizbereiche I bis VII in dieser Reihenfolge transferiert. Die erste Heizphase, die aus den Heizbereichen I bis V besteht, ist eine Vorheizphase und die zweite Heizphase, die aus den Heizbereichen VI und VII besteht, ist eine Rückflussphase. In dem Beispiel, das in der Zeichnung gezeigt wird, ist die Heiztemperatur in der Vorheizphase auf 190°C für alle Heizbereiche I–V in der Phase eingestellt. Diese Temperatur ist die obere Grenze des zulässigen Temperaturbereiches für das Vorheizen (T0). Die Heiztemperatur in der Rückflussphase ist auf 240°C für sowohl den Heizbereich VI als auch den Heizbereich VII in dieser Phase eingestellt, was gleich der Maximumtemperatur (Tmax) der erforderlichen Bedingungen ist. Die Transfergeschwindigkeit v der Probeplatine 1 ist 1,25 m/Minute. Es ist nachvollziehbar, dass die Transfergeschwindigkeit v für die Analyse anstelle der Heizzeit t verwendet werden kann, für den Fall, dass das Objekt mit einer gleichmäßigen Geschwindigkeit transferiert wird. Zum Beispiel, wenn eine Länge einer einzelnen Messstelle 1 ist, kann die Zeit t in die Transfergeschwindigkeit v durch Verwendung der Gleichung v = 1/t konvertiert werden.
Die Probeplatine 1 wird in den Rückflussofen 10 eingeführt, dessen Heizbedingung auf diese Art eingestellt ist, und dann wird die Oberflächentemperatur Ts an jedem der Messpunkte der Probeplatine 1 an jeder der Messstellen des Rückflussofens 10 gemessen. Nachfolgend werden die m-Werte zur Verwendung dieser gemessenen Temperaturen Ts wie auch der Heiztemperaturen Ta und der Heizzeit t (oder der Transfergeschwindigkeit v in diesem Fall) des Heizofens 10 basierend auf der Gleichung 8 berechnet.
Wenn alle m-Werte für jeden der Messpunkte des Objektes und jede der Messstellen des Heizofens berechnet sind, kann die Simulation durchgeführt werden. 5(b) zeigt Heizbedingungen für die Simulation, in der die Heiztemperatur der Heizbereiche I, II und VI geändert sind, während die Transfergeschwindigkeit v ungeändert ist (v = 1,25 m/min.). 5(c) zeigt die Ergebnisse der Simulation unter solchen Heizbedingungen. Diese Simulationsergebnisse werden basierend auf der Gleichung 7 unter Verwendung der korrespondierenden m-Werte, die berechnet werden, wie oben beschrieben, erhalten.
In 5(c) wird nur ein Teil der Simulationsergebnisse gezeigt, einschließlich der Temperaturvarianz Δt (Messgröße (f) der erforderlichen Bedingungen, die oben aufgelistet sind), die Maximumtemperatur Tmax (Messgröße (c), wie oben aufgelistet), die Zielheizzeit t2 über 200°C (Messgröße (a), wie oben aufgelistet) und die erlaubte Grenzzeit t1 über 200°C (Messgröße (d), wie oben aufgelistet) für 3 Messpunkte (3a, 3b und 3c). Alle anderen Simulationsergebnisse, die zu den oben aufgelisteten erforderlichen Bedingungen gehören, könnten ebenfalls erhalten werden, wenn nötig unter Verwendung von insgesamt 700 Oberflächentemperaturen Ts von jeder der Messstellen für einen einzelnen Messpunkt. Zum Beispiel zeigt 5(c) die Simulationsdaten nur in der Rückflussphase, aber die Daten in der Vorheizphase (z. B. die gemessenen Werte in der Zentrumsstelle des Heizbereiches III) sind ebenfalls zugänglich.
5(d) zeigt Verifikationsergebnisse derselben Messgrößen, die in 5(c) aufgelistet sind, die durch tatsächliches Heizen der Probeplatine 1 unter den selben Heizbedingungen wie in 5(b) gezeigt, erhalten wurden. 5(e) zeigt die Unterschiede zwischen den Simulationsergebnissen, die in 5(c) gezeigt sind, und den Verifikationsergebnissen, die in 5(d) gezeigt sind. Wie man aus 5(e) erkennen kann, ist die maximale Temperaturdifferenz zwischen der Simulation und der Verifikation 2,4°C (228,1–225,7) am Messpunkt 3b, während die maximale Zeitdifferenz 2,4 Sekunden (28,0–25,6) am Messpunkt 3a ist. Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass ein bestimmtes Ausmaß von Messvarianz, die durch den Rückflussofen und die Messvorrichtung verursacht wird, unvermeidbar ist, sind solche Differenzen ziemlich gering und dies kann ein Beweis sein, dass die Simulation gemäß der hier vorliegenden Ausführungsform sehr genau ist.
Die Werte innerhalb der Kreise in den 5(c) und 5(d) zeigen, dass die Peak Temperatur am Messpunkt 3b nicht die erforderliche obere Endtemperatur (Treq = 230°C) erreichte, die dafür notwendig ist, das Lot in eine vollständige verflüssigte Phase zu überführen. Dementsprechend weisen die Simulationsergebnisse (5(c)) wie auch die Verifikationsergebnisse (5(d)) darauf hin, dass eine weitere Temperaturerhöhung und/oder Transfergeschwindigkeitsverringerung in der Rückflussphase benötigt wird.
6 zeigt das weitere experimentelle Simulationsergebnis 2 gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Die Inhalte der Zeichnungen in den 6(a)–6(e) sind ähnlich denen der 5(a)–5(e), d. h. 6(a) zeigt Heizbedingungen für die Probeplatine 1, um m-Werte zu erhalten. Selbstverständlich würde die Temperatur jedes der Messpunkte der Probeplatine 1 nicht über die Heiztemperatur der Heizquelle hinausgehen. Dementsprechend kann es bei der ersten Heizeinstellung gewünscht sein, die Heiztemperatur der Vorheizphase auf den höchsten zulässigen Temperaturbereich des Vorheizens T0 (190°C) einzustellen und ähnlich die Heiztemperatur für die Rückflussphase auf die Maximumtemperatur Tmax (240°C) einzustellen. Da weitere Bedingungsänderungen nur in eine Richtung gemacht werden können, welches die Richtung ist, die Heiztemperaturen zu erhöhen, wenn solche Bedingungsänderungen erforderlich sind, macht solch ein Temperatureinstellungsverfahren die Arbeit zum Auswählen der nachfolgenden Heizbedingung für die Simulation leichter. Die Transfergeschwindigkeit v für dieses Heizen ist 0,8 m/Minute. Die erforderlichen Heizbedingungen zum Heizen des Objektes sind die gleichen wie in dem vorhergehenden Experiment 1, außer dass T2 und T1 auf 200°C beziehungsweise 180°C gesetzt werden.
6(b) zeigt die Heizbedingungen für die Simulation, in der die Transfergeschwindigkeit v verdoppelt wurde (0,8 zu 1,6 m/Minute.), während alle anderen Bedingungen unverändert sind vom anfänglichen Heizen. Beim Durchführen einer Simulation wird dieser Geschwindigkeitswechsel praktisch durch Ändern der Heizzeit t in die Gleichung 7 implementiert. Genauer, wenn die Transfergeschwindigkeit verdoppelt wird, wird die Heizzeit in jedem Heizbereich I–VII halbiert.
6(c) zeigt die Ergebnisse der Simulation, die unter den oben genannten modifizierten Heizbedingungen durchgeführt wurde, 6(d) zeigt die Ergebnisse der Verifikation durch tatsächliches Heizen der Probeplatine 1 unter den gleichen Heizbedingungen und 6(e) zeigt die Differenzen zwischen den 6(c) und 6(d). Wie aus 6(e) hervorgeht, ist die maximale Temperaturdifferenz zwischen der Simulation und der Verifikation 4,1°C (214,9–210,8) und die maximale Zeitdifferenz ist 4,6 Sekunden (19,8–15,2). Dies kann als marginales Niveau für Simulationsgenauigkeit angesehen werden. Tatsächlich können diese Differenzniveaus akzeptabel sein, wenn sie verglichen werden mit Unterschieden zwischen der Vorhersage, die durch einen geschickten Bediener gemacht wurde, und den Ergebnissen durch tatsächliches Heizen.
Es sollte jedoch beachtet werden, dass die Differenzen, die in 6(e) gezeigt sind, verhältnismäßig groß sind, wenn sie mit den Differenzen verglichen werden, die in der 5(e) gezeigt werden. Ein möglicher Grund für dieses ist, dass ein drastischer Bedingungswechsel, wie z. B. das Verdoppeln der Transfergeschwindigkeit v, in diesem Fall sich die Simulationsgenauigkeit verschlechtern kann aufgrund von Hitzeverbindungen, die sich entwickeln, wenn die Probeplatine 1 durch die den Grenzbereich zwischen zwei angrenzenden Heizbereichen mit hoher Geschwindigkeit passiert. Im Falle vom Durchführen einer Simulation unter drastischen Bedingungswechseln, wie z. B. dem Verdoppeln der Transfergeschwindigkeit, kann es daher wünschenswert sein, die m-Werte durch tatsächliches Erhitzen der Probeplatine und solchen modifizierten Heizbedingungen erneut zu berechnen und eine weitere Simulation unter Verwendung der erneut berechneten m-Werte durchzuführen.
7 zeigt zwei Temperaturprofile am Messpunkt 3a, der gezeigt ist in den 5(c) und 5(d), von denen eines ein Temperaturprofil der Simulationsergebnisse unter Verwendung der m-Werte ist, die erfindungsgemäß erhalten wurden, und das andere ein Temperaturprofil ist, das durch tatsächliches Erhitzen der Probeplatine im Verifikationsschritt unter den selben Heizbedingungen erhalten wurde. Die vertikale Linie repräsentiert die Temperatur und die horizontale Linie repräsentiert die Zeit (von rechts nach links). Das Temperaturprofil der Simulationsergebnisse kann durch Plotten errechneter Oberflächentemperaturen, die für 100 Messstellen für jeden Heizbereich (insgesamt 700 Stellen für einen einzelnen Messpunkt) erhalten wurden, entwickelt werden. Wie aus der Zeichnung deutlich wird, sind die Simulationsergebnisse und Verifikationsergebnisse beinahe identisch, was ein Beweis ist, dass die erfindungsgemäße Simulation sehr genau ist. Es muss auch aus der Zeichnung entnommen werden, dass ein beinahe perfektes Temperaturprofil entwickelt werden kann, wenn eine Temperatursimulation an insgesamt 700 Stellen für einen Rückflussofen gemacht wird.
Jetzt wird nachfolgend ein Verfahren zur thermischen Analyse, das die oben beschriebene Simulation verwendet, beschrieben unter Bezug auf ein Fließschema, das in 8 gezeigt wird. Dieses Verfahren zur thermischen Analyse kann zum Bestimmen einer geeigneten Heizbedingung für einen Heizofen in einer Herstellungslinie wie z. B. einer Rückflussheizlinie verwendet werden. In der m-Wert-Bestimmungsphase wird zuerst eine Probe und eine Heizbedingung des Heizofens bei Schritt #1 bestimmt. Solch eine Heizbedingung kann einschließen, ist aber nicht darauf beschränkt, die Heiztemperatur und die Heizzeit (oder die Transfergeschwindigkeit) für jeden Heizbereiches I bis VII, Messpunkte auf der Probeplatine und Messstellen für jeden Heizbereich I bis VII. Bei Schritt #2 werden die erforderlichen Bedingungen zum Erhitzen des Objektes eingegeben. In diesem Zusammenhang ist es wünschenswert, dass die oben erwähnten benötigten Messgrößen (a) bis (f) (T0, T1, T2, Tmax, Treq, ΔT, t0, t1, t2) berücksichtigt werden, es ist aber auch möglich, jede andere erforderliche Bedingung zu berücksichtigen.
Nachdem solch erforderliche Bedingungen bestimmt sind, wird die Probeplatine 1 in den Rückflussofen eingeführt und die Oberflächentemperatur Ts (einschließlich der Anfangstemperatur Tint) von jedem Messpunkt unter Verwendung von Temperaturmessvorrichtungen (wie z. B. Thermoelemente) bei Schritt #3 gemessen. Dann, bei Schritt #4, werden die m-Werte oder Heizkennungswerte für jede der Messstellen und jeden Messpunkt unter Verwendung der Heizbedingung und der gemessene Temperaturen berechnet. Das Verfahren, wie die m-Werte berechnet werden, ist das gleiche wie bereits oben beschrieben. Es sei darauf hingewiesen, dass, wie oben erwähnt, physikalische Charakteristika des Heizobjektes und/oder des Heizofens nicht benötigt werden, um die m-Werte zu berechnen. Des weiteren geht man davon aus, dass die so berechneten m-Werte Heizkennwerte sind, die alle physikalischen Merkmale sowohl des Heizofens als auch des zu erhitzenden Objektes repräsentieren.
Nachdem die m-Werte berechnet sind, geht das Verfahren in die Simulationsphase. Bei Schritt #5 wird die Heizbedingung für die Simulation bestimmt. Bei diesem Schritt können die Heiztemperatur und die Heizzeit (oder die Transfergeschwindigkeit) für jeden der Heizbereiche auf jedes erwünschte Niveau eingestellt werden. Zusätzlich kann, wie weiter unten beschrieben, auch die Strömungsgeschwindigkeit der erhitzten Luft ausgewählt werden, wenn konvektionsartiges Heizen verwendet wird. Bei Schritt #6 wird ein Temperaturprofil basierend auf Simulationsergebnissen entwickelt, das auf dem korrespondierenden m-Werte basiert, die bei Schritt #4 berechnet wurden. Obwohl nur ein Temperaturprofil für einen einzelnen Messpunkt in 7 illustriert ist, können ähnliche Temperaturprofile für alle anderen Messpunkte ebenfalls entwickelt werden. Basierend auf all diesen Temperaturprofilen wird bei Schritt #7 geprüft, ob die erforderlichen Bedingungen für die erste Heizphase erreicht werden oder nicht. In dem Verfahren, das im Fließschema gezeigt wird, korrespondiert die erste Heizphase mit einer Vorheizphase. Genauer wird an diesem Schritt #7 geprüft, ob die erforderlichen Bedingungen der Temperatur T0 und Zeit t0 für das Vorheizen (in dem Beispiel, das zuvor gezeigt wurde, T0 = 150 bis 190°C, t0 = 60 bis 120 Sekunden) für alle Messpunkte erfüllt ist oder nicht.
Wenn nicht alle Messpunkte die erforderlichen Bedingungen erfüllen, geht das Verfahren zurück zu Schritt #5, und die Heizbedingungen für die Simulation wie z. B. die Heiztemperatur wird neu eingestellt. Wie oben beschrieben sei darauf hingewiesen, dass, wenn die Heiztemperatur für die erste Heizphase (Vorheizphase) auf die höchste Temperatur im erlaubten Bereich eingestellt wurde (im vorigen Beispiel 190°C), wenn die erforderlichen Bedingungen nicht erreicht werden, solch ein Versagen auf zu geringem Heizen basiert, da die Temperatur des erhitzten Objektes die Heiztemperatur nicht überschreiten würde. Wenn dementsprechend die Heizbedingung der ersten Heizphase neu eingestellt wird, ist ein Bedingungswechsel entweder hinsichtlich der Erhöhung der Heiztemperatur oder der Verlängerung der Heizzeit (oder eine verringerte Transfergeschwindigkeit) oder beides erforderlich. Im Allgemeinen sind die erforderlichen Heizbedingungen für die erste Heizphase oder Vorheizphase nicht so entscheidend wie diejenigen für die zweite Heizphase, da die zweite Heizphase wichtiger ist für das Erreichen des letztendlichen Zieles des Heizens.
Als nächstes wird bei Schritt #8 geprüft, ob die erforderlichen Bedingungen für die zweite Heizphase erfüllt werden oder nicht. Im Fall von Rückflussheizen ist eine genaue Temperatursteuerung in dieser zweiten Heizphase erforderlich, um so ein vollständiges Löten der elektronischen Komponenten sicherzustellen und gleichzeitig jede Hitzezerstörung dieser Komponenten zu verhindern. Obwohl zwei Prüfschritte #7 und #8 für die erste und zweite Heizphase in dem Flussdiagramm gezeigt werden, können, wenn nötig, auch weitere Prüfschritte wie dritte oder vierte Heizphase hinzugefügt werden. Auf der anderen Seite, wenn nur eine Heizphase benötigt wird, kann einer der Prüfschritte #7 und #8 ausgelassen werden.
Wenn die erforderliche Bedingung für die zweite Heizphase bei Prüfschritt #8 nicht erreicht wird, geht das Verfahren zurück zu Schritt #5 und die Heizbedingung für die Simulation wird verändert. Wenn z. B. die Simulationsergebnisse die gleichen sind, wie diejenigen, die in 5(c) gezeigt werden, erfüllt der Wert in dem einen Kreis für die obere Endtemperatur (Treq) für Messpunkt 3b (228,1°C) nicht die erforderliche Bedingung von 230°C. Demzufolge ist ein Verändern der Heizbedingungen für die Rückflussphase durch entweder Erhöhung der Heiztemperatur oder Verlängerung der Heizzeit (oder Verringerung der Transfergeschwindigkeit) bei Schritt #5 erforderlich, um solch erforderliche Bedingungen zu erfüllen. Da eine Vielzahl von erforderlichen Bedingungen in dieser Rückflussphase wie ein Netzwerk zusammenhängen, wie aus 1 entnommen werden kann, müssen alle diese Faktoren berücksichtigt werden, wenn die Heizbedingungen für die Simulation neu eingestellt werden.
In diesem Zusammenhang bestimmt nach dem Stand der Technik ein erfahrener Bediener, nachdem eine Probeplatine erhitzt wurde, die nachfolgende Heizbedingung für den nachfolgenden Heizversuch, basierend auf den vorhergehenden Ergebnissen und solch ein Verfahren wird wiederholt. Demgegenüber können gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung die Simulationen als vorteilhafte Papierarbeit unter Verwendung der m-Werte durchgeführt werden, sobald die m-Werte berechnet sind. Daher benötigt solch eine wiederholte Simulationsarbeit keine lange Zeit, sogar wenn eine nachfolgende Heizbedingung irgendwie auf Zufallsbasis eingestellt wird. Angenommen z. B. zehnmalige wiederholte Simulationen werden benötigt durch jeweiliges Ändern der Heizbedingung, benötigt dies normalerweise etwa 5 Stunden, um das übliche Vorgehen abzuschließen, einschließlich der Wartezeiten zum Bringen des Heizofens in einen stabilen Zustand, nachdem ein Heizversuch abgeschlossen ist. Gemäß der Simulation der vorliegenden Ausführungsform können solche Simulationsarbeiten in etwa einer Stunde abgeschlossen werden. Es ist offensichtlich, dass solche Simulationen sogar noch effektiver abgeschlossen werden können, wenn ein Computer verwendet wird, was weiter unten beschrieben wird.
Wenn bei Schritt #8 alle erforderlichen Bedingungen für die Rückflussphase erfüllt werden, wird bei Schritt #11 die geeignete Heizbedingung bestimmt, wie durch eine gestrichelte Linie gezeigt wird. Die Schritte #9 und #10 sind Verifizierungsschritte zum Bestimmen, ob die Heizbedingungen, die durch solche Simulationsarbeit bestimmt wurden, tatsächlich die erforderlichen Bedingungen erfüllen oder nicht, indem tatsächlich ein Probeobjekt erhitzt wird. Diese Schritte #9 und #10 sind optional, und insoweit, als die Genauigkeit der Simulationsarbeiten gemäß der vorliegenden Ausführungsform sichergestellt ist, können diese Schritte ausgelassen werden. Wenn die Ergebnisse der Verifikationsschritte #9 und #10 zeigen, dass die erforderlichen Bedingungen nicht erfüllt werden, kann das Verfahren zurück zu Schritt #4 gehen und m-Werte werden erneut berechnet, basierend auf den Ergebnissen des Verifikationsschrittes, und die Simulationsschritte werden wiederholt. Durch solche Wiederholungen der Simulationsarbeiten unter Änderung der Heizbedingung können genauere Temperatursimulationen erhalten werden.
9 zeigt das Experiment 3, welches die Schritte umfasst:
Heizen einer Probeplatine und Gewinnen von m-Werten; Durchführen einer Simulation unter Verwendung der m-Werte; Verifizieren der Simulationsergebnisse durch tatsächliches Erhitzen der Probeplatine unter den gleichen Heizbedingungen wie in der Simulation; erneut Berechnen der m-Werte basierend auf den Daten, die in einem solchen Verifikationsverfahren erhalten wurden; und Durchführen einer weiteren Simulation unter Verwendung der neu berechneten m-Werte. 9(a) zeigt die Anfangsheizbedingung für jeden der Heizbereiche I bis VII zum Erhitzen der Probeplatine. Die Anfangs-m-Werte werden basierend auf solchen Heizergebnissen berechnet. 9(b) zeigt Heizbedingungen, die auswählt sind, um die erste Simulation durchzuführen und 9(c) zeigt einige Ergebnisse resultierender Temperaturen und Zeiten, die durch die erste Simulation erhalten wurden. 9(d) zeigt korrespondierende Verifikationsergebnisse aufgrund tatsächlichen Erhitzens der Probeplatine unter den gleichen Heizbedingungen, wie sie in 9(b) gezeigt sind, und 9(e) zeigt die Differenzen zwischen den Simulationsergebnissen (9(c)) und den Verifikationsergebnissen (9(d)).
Gemäß 9(e) ist die maximale Temperaturdifferenz 3,4°C (239,4–236,0) und die maximale Zeitdifferenz 3,3 Sekunden (240,1–236,8), was ein akzeptables Genauigkeitsniveau ist, obwohl es nicht so attraktiv ist, wenn es mit anderen Ergebnissen wie z. B. diejenigen, die in 5e gezeigt werden, verglichen wird. Möglicher Grund dafür ist, dass zusätzlich zu den Temperaturänderungen der Heizbereiche I, II, VI und VII die Transfergeschwindigkeit des zu erhitzenden Objektes auch merklich gesteigert ist (von 0,8 zu 1,35 m/min). Insbesondere die Werte in den Kreisen in 9(d), die t1 für Messpunkt 3a (41,4 Sekunden, verglichen zu den erforderlichen kleiner als 40 Sekunden) und Tmax für den Messpunkt 3c (240,1°C, verglichen zu den erforderlichen kleiner als 240°C) sind außerhalb des erlaubten Bereiches was, aber nicht für den Fall der Simulationsergebnisse, die in 9(c) gezeigt werden, erkannt wird.
Dementsprechend wird eine zweite Simulation unter den Heizbedingungen, die in 9(f) gezeigt werden, durchgeführt, unter Verwendung der korrespondierenden neu berechneten m-Werte für jede der Messstellen und jeden Messpunkt, die aus den Verifikationsergebnissen durch tatsächliches Erhitzen der Probeplatine (9(d)) erhalten wurden. In dieser zweiten Simulation werden die Heiztemperaturen für die Heizbereiche I bis V und VII verringert, während die Heiztemperatur für den Heizbereich VI erhöht wird, mit dem Ziel, die t1- und Tmax-Bedingungen für den Messpunkt 3c und 3a jeweils zu erfüllen, was bei dem vorhergehenden Heizverfahren nicht erreicht wurde. Die neu erhaltenen Simulationsergebnisse erfüllen, wie in 9(g) gezeigt, alle erforderlichen Bedingungen für jeden der Messpunkte 3a bis 3c.
9(h) zeigt die Verifikationsergebnisse, die durch tatsächliches Erhitzen der Probeplatine unter den gleichen Heizbedingungen wie in 9(f) gezeigt, erhalten wurden. Wie aus der 9(h) deutlich wird, erfüllt das resultierende Profil alle erforderlichen Bedingungen, einschließlich t1 und Tmax, welche im vorhergehenden Verifikationsschritt, der in 9(d) gezeigt ist, nicht erfüllt waren. 9(i) zeigt die Differenzen zwischen den Simulationsergebnissen, die in 9(g) gezeigt werden, und Verifikationsergebnissen, die in 9(h) gezeigt werden. Wie aus 9(i) hervorgeht, ist die maximale Temperaturdifferenz zwischen den beiden 1,0°C (38,8 bis 37,8) und die maximale Zeitdifferenz 1,0 Sekunden (231,3–230,3), was deutlich kleiner ist, als diejenigen der ersten Simulationsergebnisse, die in 9(e) gezeigt sind. Aus dem oben gesagten geht hervor, dass durch Wiederholen der Schritte des Berechnens der m-Werte und Durchführen von Simulationen die Simulationsgenauigkeit schrittweise verbessert wird. Dies liegt daran, dass die Heizbedingungen für die Simulation Schritt für Schritt näher an die erforderliche Heizbedingung kommt, die alle erforderlichen Bedingungen erfüllt.
In einigen Fällen kann es passieren, dass einerseits die Temperatur eines der Messpunkte des zu erhitzenden Objektes über die Maximaltemperatur Tmax (240°C) geht, während auf der anderen Seite die Temperatur eines der anderen Messpunkte desselben Objektes nicht die erforderliche obere Endtemperatur Treq, (230°C) erreichen kann (d. h. eine große Temperaturvarianz besteht zwischen den Messpunkten). Es kann möglich sein, sogar für solch einen Extremfall Lösungen zu finden, z. B. durch Einstellen der Transfergeschwindigkeit V (oder Heizzeit t) des zu erhitzenden Objektes, aber manchmal kann es unmöglich sein, eine geeignete Heizbedingung zu bestimmen, insbesondere wenn die erlaubten Bereiche der Bedingung sehr eng sind. Erfindungsgemäß kann solch eine kritische Situation innerhalb eines kurzen Zeitraumes durch Wiederholen von Simulationen identifiziert werden, was es ermöglicht, zu einem frühen Zeitpunkt zu entscheiden, dass das Bestimmen einer geeigneten Heizbedingung unmöglich ist. Im Falle des Standes der Technik müssen try und error Verfahren sogar in solchen Fällen fortgesetzt werden, was Zeitverlust für das gesamte Vorhaben bewirkt.
Wenn die Temperaturvarianz zwischen den Messpunkten (ΔT) extrem groß ist, kann erwogen werden, dass einige Probleme und/oder Änderungen der physikalischen Bedingungen des Heizofens bestehen können, wie z. B. dass der Strom erhitzter Luft nicht die inneren Seitenwände des Ofens erreicht oder der Strom erhitzter Luft aus irgendwelchen Gründen örtlich blockiert ist. Erfindungsgemäß kann diese Art von Problemen des Heizofens durch periodisches Gewinnen der m-Werte des spezifischen Heizofens und Beobachtung des Trends der m-Werte vorhersehbar sein. Zusätzlich können, wenn eine Vielzahl von Heizöfen verwendet werden, die m-Werte für jeden der Ofen gewonnen werden durch Erhitzen derselben Probe unter den gleichen Heizbedingungen. Durch Vergleichen dieser m-Werte miteinander können Differenzen der physikalischen Eigenschaften in diesen Öfen identifiziert werden und die Probleme eines spezifischen Ofens können durch solch einen Vergleich identifiziert werden. Demgemäß können die m-Werte gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung auch für den Zweck der präventiven Wartung und der Betriebsführung der Heizöfen verwendet werden.
Des Weiteren können, wenn Differenzen der physikalischen Charakteristika zwischen einer Vielzahl von Ausrüstungsgegenständen identifiziert werden, solche Differenzen dazu verwendet werden, eine Vielzahl von Ausrüstungsgegenständen als Gesamtes zu steuern. Sobald z. B. die m-Werte unter Verwendung eines speziellen Ofens A erhalten sind, kann eine Simulation für den weiteren Ofen B durchgeführt werden, ohne tatsächlich die einzelnen m-Werte für diesen speziellen Ofen B zu erhalten, weil solche m-Werte für den Ofen B leicht durch Anpassen der m-Werte des Ofens A unter Verwendung früherer identifizierter Differenzen zwischen den beiden identifiziert werden können.
Das Verfahren zur Thermoanalyse gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung, wie sie oben beschrieben ist, kann sogar in einem weiteren Bereich angewendet werden. Ein Beispiel hiervon ist das Durchführen einer Simulation unter Veränderung der Strömungsgeschwindigkeit der erhitzten Luft in einem oder mehreren der Heizbereiche I bis VII. In der oben beschriebenen Ausführungsform wird die Strömungsgeschwindigkeit der erhitzten Luft als konstant angenommen (z. B. 5 m/sec). Es ist jedoch bekannt, dass der Hitzetransfer des Objektes variieren kann, wenn die Strömungsgeschwindigkeit der erhitzten Luft geändert wird, sogar wenn die Heiztemperatur die Gleiche ist. Solch eine Art von Beziehungen zwischen Hitzetransfer und Strömungsgeschwindigkeit können mittels Experimenten gewonnen werden oder für einige Fälle sind sogar statistische Daten verfügbar.
Ein Beispiel ist in 10 gezeigt, das die Relationen zwischen der Strömungsgeschwindigkeit der erhitzten Luft und dem Heizkennwert oder m-Wert zeigt, die erhalten wurden durch Experimente, die durch die Erfinder der vorliegenden Erfindung durchgeführt wurden. In der Zeichnung repräsentiert die horizontale Linie die Strömungsgeschwindigkeit der erhitzten Luft (in m/sec) und die vertikale Linie repräsentiert den m-Wert. Gemäß den experimentellen Ergebnissen werden solche Beziehungen annähernd repräsentiert durch die folgende Gleichung, in der die vertikale Linie die Y-Achse und die horizontale die X-Achse ist: y = 0.0006 – x2 – 0.0009 x + 0.0377 (9)
Durch Erhalten solch einer Beziehung im Vorfeld, können Simulationen einschließlich des Veränderns der Strömungsgeschwindigkeit der erhitzten Luft durch Angleichen der m-Werte gemäß der Gleichung 9 durchgeführt werden. Andere Simulationsverfahren sind die gleichen, wie diejenigen, die oben beschrieben sind. In der oben beschriebenen Ausführungsform wird das Objekt mittels konvektionsartigem Heizens erhitzt. Andere mögliche Anwendungen des erfindungsgemäßen m-Wertes sind radiationsartiges Heizen, wie z. B. Heizen des Objektes mittels Infrarotbestrahlung. Wie oben erklärt mittels Verwendung der Gleichung 3 ist der Temperaturwechsel ΔT des zu erhitzenden Objektes während der Zeit Δt gezeigt durch die Gleichung:
Die vordere Hälfte der rechten Seite der Gleichung ist ein Element von konvektionsartigen Heizen und die hintere Hälfte ist ein Element von radiationsartigem Heizen. Die hintere Hälfte wurde für den Fall von konvektionsartigem Heizen eliminiert, wie in Gleichung 4 gezeigt, da der Einfluss durch radiationsartiges Heizen beinahe vernachlässigbar ist für konvektionsartiges Heizen. In einer ähnlichen Art und Weise kann für den Fall des radiationsartigen Heizens die vordere Hälfte der rechten Seite der Gleichung wie folgt eliminiert werden:
Durch Austauschen der Gleichung 4 mit der Gleichung 10 können die Heizkennwerte oder m-Werte für den Fall von radiationsartigem Heizen berechnet werden. Die Reste der Simulationsverfahren sind ähnlich zu denjenigen, die oben beschrieben wurden, so dass eine Viefalt von Simulationen durchgeführt werden können unter Verwendung solcher m-Werte sogar für den Fall von radiationsartigem Heizen.
Eine andere mögliche Anwendung der erfindungsgemäßen Heizkennwerte ist für den Fall, dass ein Objekt gekühlt wird. In dem Heizofen, der in 1(a) gezeigt wird, ist eine Kühlungsvorrichtung 11 am Ausgang des Heizofens 10 vorgesehen. Wenn es erforderlich ist, das Objekt wie zum Beispiel in dem Fall einer Platine nicht auf einer hohen Temperatur für einen langen Zeitraum zu belassen, kann Luft oder gekühlte Luft zu dem Objekt geblasen werden, um das Objekt schnell zu kühlen. Sogar in solch einem Kühlungsvorgang können die m-Werte in einer ähnlichen Art wie oben beschrieben für das Kühlungsverfahren berechnet werden, durch Kühlen des Probeobjektes unter vorbestimmten Kühlungsbedingungen mit bekannter Temperatur der Kühlluft und bekannter Kühlzeit und durch Messen der Temperatur für jeden der Messpunkte des Objektes. Der Rest des Verfahrens zum Durchführen der Temperatursimulation ist ähnlich zu denjenigen, die oben beschrieben sind.
Solche m-Werte, die die Heizkennwerte (d. h. Kühlkennwerte in diesem Fall) sowohl der Kühlvorrichtung als auch des zu kühlenden Objektes repräsentieren, können auch für die thermische Analyse für Kühlverfahren angewendet werden. Zum Beispiel können m-Werte für Kühlverfahren angewendet werden, die ein Temperaturprofil besitzen, das vollständig seitenverkehrt verglichen mit dem Profil ist, das in 1 gezeigt wird, mit der Anfangstemperatur Tr als Spiegelachse. Genauer können die m-Werte durch Kühlen der Probe in der Kühlausrüstung unter vorbestimmter Kühltemperatur und Kühlzeit (oder Transfergeschwindigkeit des Objektes) berechnet werden und durch Messen der Temperaturen von wenigstens einem Messpunkt des zu kühlenden Objektes an jeder der wenigstens einen Messstellen der Kühlausrüstung. Eine Simulation zum Entwickeln eines Temperaturprofils kann durchgeführt werden unter Verwendung dieser m-Werte. Es ist auch möglich, geeignete Kühlbedingungen zu bestimmen, die ein erforderliches Temperaturprofil des zu kühlenden Objektes erfüllen können.
Wenn das erfindungsgemäße Verfahren für solch ein Kühlverfahren angewendet wird, sollte verstanden werden, dass ein Teil der Termini in der oben stehenden Beschreibung durch die korrespondierenden Kühlungstermini ersetzt werden muss, wie z. B. das Ersetzen von „Heizen" durch „Kühlen", „erhitzte Luft" durch „gekühlte Luft", „Vorheizen" durch „Vorkühlen", „höher" oder „Erhöhen" von Temperatur durch „Verringern" etc. Anstelle von erhitzter Luft oder Infrarotstrahlung zum Erhitzen kann gekühlte Luft oder eine Kühlungsanordnung als Kühlquelle verwendet werden. Dementsprechend umfasst in dieser Beschreibung der Begriff „Hitze" nicht nur die normale Interpretation von Hitze, sondern auch die Bedeutung „negatives Heizen", d. h. Kühlen außer es wird anders gesondert darauf hingewiesen.
Der Heizofen, der in 1 gezeigt wird, transferiert das Objekt durch den Ofen 10 unter Verwendung einer Transfervorrichtung 8. Die vorliegende Ausführungsform der Erfindung kann auch auf andere Arten von Heizöfen angewendet werden so z. B. auf einen Ofen ohne eine Transfervorrichtung. In solch einem Heizofen wird das Objekt in den Ofen platziert und in Übereinstimmung mit einem erwünschten Temperaturprofil erhitzt durch Änderung der Heiztemperatur innerhalb des Ofens zu bestimmten Zeitintervallen, ohne dass es innerhalb des Heizofens bewegt wird. Dementsprechend ist es für die Heizbereiche I bis VII, die in dem Heizofen 10 strukturiert sind, der in 1 gezeigt ist, nicht zwingend erforderlich, dass sie physikalisch getrennte Heizbereiche besitzen, sondern stattdessen umfassen die Heizbereiche auch den Fall einer einzelnen Heizkammer (oder -bereich), die ein Objekt mit einer Vielzahl von Temperaturbedingungen für bestimmte Zeitintervalle innerhalb derselben Kammer erhitzen kann.
Die zweite erfindungsgemäße Ausführungsform wird hiernach beschrieben. Diese Ausführungsform betrifft ein Programm oder ein computerlesbares Speichermedium, das solch ein Programm speichert, wobei beide dafür verwendet werden können, die oben erwähnte thermische Analyse unter Verwendung eines Computers durchzuführen.
Das Programm und das computerlesbare Speichermedium der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung umfasst grundsätzlich die Verarbeitungsschritte zum Implementieren der thermischen Analyse, die in der vorhergehenden Ausführungsform beschrieben wurde. Genauer ist das Programm der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung konfiguriert, um einen Computer dazu zu bringen, die Bearbeitungsschritte durchzuführen:
Heizen eines Probeobjektes unter bestimmten Heizbedingungen (Heiztemperatur und Heizzeit) und Messen der Temperaturen des Objektes, durch dieses Berechnen der m-Werte oder der Heizkennwerte unter Verwendung solcher Messergebnisse basierend auf der Gleichung 8 oder Erhalt der Eingabe solcher Messwerte auf eine andere Art und Weise, die auf eine ähnliche Art außerhalb des Computers erhalten wurden;
Bestimmen des Objektes wie z. B. eine Platine und Bestimmen der Heizbedingung für die Simulation;
Simulieren eines Temperaturprofils durch Berechnen der Temperaturen für jeden Messpunkt auf der Platine unter Verwendung der Heizbedingung für die Simulation und der erhaltenen m-Werte;
Prüfen, ob die Heizbedingung für die Simulation das erforderliche Temperaturprofil erreicht durch Vergleichen der Simulationsergebnisse mit den erforderlichen Heizbedingungen;
wenn die erforderlichen Heizbedingungen nicht erfüllt werden, Modifizieren der Heizbedingung für die nachfolgende Simulation, basierend auf dem vorhergehenden Prüfprozess und wiederholtes Durchführen einer Simulation;
wenn die erforderlichen Heizbedingungen erfüllt werden, eine Entscheidung treffen, dass die Heizbedingung angemessen ist, um die erforderliche Heizbedingung zu erfüllen; und
optional, wenn die oben beschriebenen Schritte wiederholt werden in einem geschlossenen Kreis über eine vorbestimmte Zeit, eine Entscheidung treffen, dass das Bestimmen einer geeigneten Heizbedingung, die die erforderlichen Heizbedingungen erfüllt, unmöglich ist.
Die oben aufgeführten Schritte sind im Wesentlichen die gleichen, wie diejenigen, die in den vorhergehenden Ausführungsformen beschrieben wurden. Dennoch müssen bestimmte Algorithmen in das Programm eingeschlossen werden, so dass der Computer selbst die Heizbedingungen für die nachfolgende Simulation modifizieren und bestimmen kann. Das nachfolgende beschreibt solch einen Algorithmus für den Fall des Rückflussheizens mit einer ersten Heizphase (d. h. Vorheizphase) und einer zweiten Heizphase (d. h. Rückflussphase), obwohl der Algorithmus auf ähnliche Weise auch auf andere Typen der thermischen Analyse anwendbar sein kann.
Die nachfolgende Beschreibung wird unter Annahme gemacht, dass die erforderlichen Heizbedingungen des Objektes die gleichen sind, wie in der vorhergehenden Ausführungsform, welche wie folgend sind:

(a) Zu erzielende Heiztemperatur und Heizzeit (T2, t2): T2 = 220°C, und t2 ≥ 20 Sekunden
(b) erforderliche obere Endtemperatur (Treq): 230°C
(c) Maximumtemperatur (Tmax): 240°C
(d) erlaubte Grenztemperatur und -zeit (T1, t1): T1 = 200°C und t1 ≤ 40 Sekunden
(e) Vorheiztemperatur und – zeit (T0, t0): T0 = 160°C bis 190°C und t0 = 60 bis 120 Sekunden.

Diese spezifischen Bedingungen können bei einigen Gelegenheiten als Blöcke in den nachfolgenden Beschreibungen gezeigt werden.
Obwohl Messgröße (f) (Temperaturvarianz: ΔT) für die Vereinfachung dieses Falles nicht mit eingeschlossen ist, kann solch eine Bedingung oder andere erforderliche Bedingungen, wenn nötig, hinzugefügt werden.
Mit Bezug auf 8 wird die Probeplatine bei Schritt #3 erhitzt und die m-Werte werden unter Verwendung der gemessenen Temperaturen bei Schritt #4 berechnet. Eine Heizbedingung für die Simulation wird bei Schritt #5 bestimmt und durch solch eine Simulation wird bei Schritten #7 und #8 geprüft, ob eine solche Heizbedingung die erforderlichen Bedingungen erfüllt oder nicht. 11 zeigt Schritte, die einen Algorithmus einschließen, nachdem der Computer selbst geeignete Heizbedingungen für die Simulation während des Verfahrens bestimmt.
In 11 werden Heizkennwerte (d. h. m-Werte) bei Schritt #21 erhalten. Solche Werte können während der Schritte #1 bis #4, die in 8 gezeigt werden, für alle der Vielzahl von Messpunkten und Messstellen berechnet werden.
Basierend auf entweder tatsächlichem Erhitzen der Platine oder den Ergebnissen der Simulation wird bei Schritt #22 der Messpunkt ausgewählt, der die höchste Temperatur in der ersten Heizphase erreicht hat (im Fall des Beispiels, das in 4 gezeigt wird, muss Messpunkt 3c ausgewählt werden). Dies ist, um in Schritt #23 zu bestimmen, ob die Temperatur eines der Messpunkte über den erlaubten Temperaturbereich für die Vorheizphase hinausgeht, indem der Messpunkt 3c mit der höchsten Temperatur in der Vorheizphase ausgewählt und überprüft wird (Bestimmungsschritt A). Wenn der Messpunkt 3c außerhalb des erlaubten Temperaturbereiches ist, bedeutet dies, dass der Messpunkt 3c oberhalb des oberen Randes des erlaubten Bereiches ist (190°C). In solch einem Fall wird die Heizbedingung durch Verringern der Temperatur basierend auf einer vorbestimmten Regel bei Schritt #24 modifiziert und die Simulation wird wiederum bei Schritt #25 durchgeführt, dann geht das Verfahren zurück zu Schritt #22, um die bislang beschriebenen Verfahrensschritte zu wiederholen.
Eine der möglichen vorbestimmten Regeln, um die Heiztemperatur bei Schritt #24 zu verringern, ist die Heiztemperatur auf die obere Grenztemperatur des erlaubten Bereiches in der Vorheizphase (190°C) zu verringern. Dies gilt deshalb, weil jeder Messpunkt nicht über den erlaubten Bereich hinaus erhitzt wird für den Fall, dass die Heiztemperatur auf das obere Grenzniveau des erlaubten Bereiches gesetzt wird. Eine andere mögliche Regel, die Heiztemperatur zu verringern, kann sein, die Temperaturdifferenz zwischen der gemessenen oder berechneten Temperatur und der oberen Grenztemperatur des erlaubten Bereiches (190°C) zu identifizieren und die Heiztemperatur um den Betrag solcher Temperaturdifferenz zu verringern oder um den Betrag, oder erhalten wird durch Multiplizieren eines bestimmten Verhältnisses mit solch einer Temperaturdifferenz. Durch Eingabe solch vorbestimmter Regeln in den Computer im Vorfeld kann der Computer eine geeignete Abstimmung der Einstellung der Heizbedingung für nachfolgende Simulationen selbst bei Schritt #24 machen.
Obwohl es nicht in der Zeichnung gezeigt ist, ist es selbstverständlich notwendig, die Heizbedingung durch Erhöhen der Temperatur bei Schritt #24 zu ändern, wenn der ausgewählte Messpunkt, der die höchste Temperatur bei Schritt #22 erreicht hat, nicht die untere Endtemperatur des erlaubten Bereiches (160°C) erreicht, und die Simulation wiederum bei Schritt #25 durchzuführen. Das Verfahren geht dann zurück zu Schritt #22, um die vorerwähnten Schritte zu wiederholen. Jedoch darf generell eine Heizbedingung mit einer Heiztemperatur, die geringer ist als das geringste Niveau des erlaubten Bereiches, nicht gewählt werden, wenn man die Tatsache berücksichtigt, dass die Temperatur des zu erhitzenden Objektes nicht über die Heiztemperatur hinausgehen wird. Dementsprechend wird diese Einstellung als entlastende Abhilfe für außergewöhnliche Fälle eingestuft. Mögliche Regeln, die dem Computer im Vorfeld zur Verfügung gestellt werden, können zum Erhöhen der Heiztemperatur in solch einem Fall können auf eine ähnliche Art und Weise bestimmt werden, wie für den Fall der Verringerung der Temperatur wie oben erwähnt (obwohl die Einstellungsrichtung entgegensetzt ist).
Wenn der Temperaturmesspunkt 3c den erlaubten Bereich der erforderlichen Bedingung bei Schritt #23 erreicht, dann wird bei Schritt #26 (Bestimmungsschritt B) geprüft, ob die erforderliche Vorheizzeit (60 bis 120 Sekunden) erfüllt ist oder nicht. Wenn dieses Erfordernis nicht erfüllt ist, wird die Heizbedingung entweder durch Erhöhen der Heiztemperatur oder Vergrößern der Heizzeit (oder Verringern der Transfergeschwmindigkeit) modifiziert, basierend auf einer vorbestimmten Regel bei Schritt #25 mit der Zielrichtung, dass die Temperatur des Objektes auf die erforderliche Temperatur (190°C) zu einem früheren Zeitpunkt in der Vorheizphase geht.
12 zeigt eine der möglichen vorbestimmten Regeln, um die Heiztemperatur bei Schritt #27 zu erhöhen. Die Zeichnung zeigt ein Temperaturprofil von Messpunkt 3c (oder des Objektes), worin vertikale und horizontale Linien jeweils die Temperatur und Zeit (von links nach rechts) repräsentieren. Die Zeit auf der horizontalen Linie wird gezeigt durch die Abfolge der Heizbereiche I bis VII. Das Objekt, das in den Heizofen bei Temperatur Tr eingeführt wird, wird allmählich erhitzt, während das Objekt in den Heizbereichen I bis V der Vorheizphase transferiert wird und erreicht den erforderlichen Bereich der Vorheiztemperatur T0 (160 bis 190°C) in der Mitte des Heizbereiches III in dem gezeigten Fall. Das Objekt wird auf diesem Vorheiztemperaturniveau für die Zeit t gehalten. Wenn diese Zeit t zu kurz wird für den erforderlichen Bereich der Vorheizzeit t0 (60 Sekunden), d. h., wenn t < t0 ist, wird eine Temperatureinstellung bei den Heizbereichen I und II vorgenommen (d. h. an beliebigen Heizbereichen, die vor dem Heizbereich III lokalisiert sind, in dem das Objekt zuerst die erforderliche Temperatur T0 erreicht) durch Erhöhen der jeweiligen Temperaturen um z. B. 1°C. Eine Simulation wird basierend auf der modifizierten Heizbedingung durchgeführt, wenn die Zeit t wiederum nicht die erforderliche Zeit t0 erfüllt, dann wird die Heiztemperatur dieser Heizbereiche I und II noch einmal um z. B. 1°C angepasst. Dieses Verfahren wird wiederholt, bis die Zeit t die erforderliche Zeit t0 erreicht. Die Temperaturanpassung um jeweils 1°C ist nur ein Beispiel und sie kann größer oder kleiner als 1°C sein.
Noch immer mit Bezug auf 12 ist eine mögliche vorbestimmte Regel, die Heizzeit bei Schritt #27 zu erhöhen, ein Verhältnis der erforderlichen Zeit t0 zur berechneten oder gemessenen Zeit t (t: t0, < 1) zu multiplizieren mit der vorhergehenden Transfergeschwindigkeit des Objektes oder die vorhergehende Heizzeit durch dasselbe Verhältnis zu teilen. Es kann vorher bestimmt werden, ob das Anpassen bei Schritt #27 mittels Erhöhen der Heiztemperatur oder Verlängern der Heizzeit oder mittels beider dieser Parameter erfolgen soll.
Obwohl in den 11 und 12 nicht gezeigt, kann, wenn die berechnete oder gemessene Zeit t oberhalb des erforderlichen Bereiches der Vorheizzeit t0 liegt, d. h., wenn t > 120 Sekunden ist, die Anpassung der Heizbedingungen auf eine ähnliche Art erfolgen, wobei die Anpassungsrichtung entgegengesetzt ist. Genauer, wenn die Heizbedingung modifiziert wird entweder durch Verringern der Heiztemperatur um einen vorbestimmten Betrag für beliebige Heizbereiche, die vor dem Heizbereich lokalisiert sind, wo das Objekt den erforderlichen Bereich der Vorheiztemperatur T0 erreicht, oder Verringern der Heizzeit in der Vorheizphase basierend auf vorbestimmten Regeln oder mittels beider dieser Parameter, basierend auf einer vorbestimmten Regel. Solch eine vorbestimmte Regel zum Verringern der Heiztemperatur oder Verkürzen der Heizzeit kann ähnlich wie in der obigen Beschreibung sein, obwohl die Richtung entgegengesetzt ist. Das Modifizieren der Heizbedingung in solch einer entgegensetzten Richtung muss nicht in einer üblichen Situation erforderlich sein, da die erforderlichen Bedingungen in der Vorheizphase nicht so entscheidend sind. Daher wird solch eine Einstellung als Entlastungsmaßnahme für außergewöhnliche Fälle betrachtet.
Wenn der Messpunkt 3c, der die höchste Temperatur der Vorheizphase erreicht hat, die erforderlichen Bedingungen bei Schritt #26 in 11 erreichen konnte, wird bei Schritt #28 bestimmt, ob der Rest der Messpunkte 3a und 3b auch alle die erforderlichen Bedingungen hinsichtlich der Temperatur und Zeit der Vorheizphase erfüllen oder nicht (Bestimmungsschritt C). Da der Messpunkt 3c der höchsten Temperaturerreichung bereits diese Bedingungen erfüllt hat, ist es nur möglich, dass das Verfehlen des Erfüllens der Erfordernisse durch die anderen Messpunkte ein zu kurzes Heizen sein sollte. Dementsprechend, wenn einer der Messpunkte es verfehlt, solche erforderlichen Bedingungen zu erfüllen, wird die Heizbedingung bei Schritt #29 entweder durch Verlängern der Heizzeit (oder Verringern der Transfergeschwindigkeit) oder durch Erhöhen der Heiztemperatur oder mittels beider dieser Parameter basierend auf einer vorbestimmen Regel modifiziert und das Verfahren kehrt zu Schritt #25 zurück, um die oben beschriebenen Verfahrensschritte zu wiederholen. Eine mögliche vorbestimmte Regel zum Verlängern der Heizzeit bei Schritt #29 ist die vorhergehende Transfergeschwindigkeit mit dem Verhältnis, das von den Verhältnissen der erforderlichen Zeit t0 (60 Sekunden) zu der berechneten oder gemessenen Zeit t (t geteilt durch t aller Messpunkte) am dichtesten an 1 ist, zu multiplizieren, oder die vorhergehende Heizzeit durch dasselbe Verhältnis zu dividieren. Eine mögliche vorbestimmte Regel zum Erhöhen der Heiztemperatur bei Schritt #29 ist die Temperaturdifferenz zwischen der gemessenen oder berechneten Temperatur und der unteren Grenztemperatur des erlaubten Bereiches (190°C) für alle Messpunkte zu identifizieren, die den erforderlichen Temperaturbereich nicht erfüllen und die Heiztemperatur um den gleichen Betrag wie die kleinste Temperaturdifferenz unter allen der nicht erfüllenden Messpunkte zu erhöhen oder um den Betrag, der durch Multiplizieren eines bestimmten Verhältnisses mit der kleinsten Temperaturdifferenz erhalten wird. Solche Anpassungsregeln können in den Computer im Vorfeld eingegeben werden.
Nachdem bestimmt ist, dass alle Messpunkte die erforderlichen Bedingungen für die erste Heiz-(Vorheiz-)Phase bei Schritt #28 in 11 erfüllt haben, geht das Verfahren in die zweite Heizphase, wo eine genauere Temperatursteuerung erforderlich ist. Um den Fall zu vereinfachen, wird hier angenommen, dass die Werte, die in 5c gezeigt werden, als ein Ergebnis einer Simulation (oder eines tatsächlichen Heizens) für die drei Messpunkte 3a bis 3c erhalten werden. Bei Schritt #30 in 11 wird ein Messpunkt, der die geringste Temperatur in der Rückflussphase während solch einer Simulation oder eines tatsächlichen Heizens von allen Messpunkten erreicht hat, ausgewählt. Der Grund, warum der Messpunkt mit der geringsten Temperatur ausgewählt wird, ist der, dass in dieser Rückflussphase zum Löten alle Messpunkte, einschließlich des Punktes mit der geringsten Temperatur, die erforderliche obere Grenztemperatur (Treq: 230°C) auf jeden Fall erreichen sollen, um zu bewirken, dass das Lot auf der Platine in eine vollständig verflüssigte Phase überführt wird. In dem Beispiel, das in 5 gezeigt wird, muss der Messpunkt 3b (dessen Peaktemperatur 280,1°C, wie in dem Kreis gezeigt, ist) bei Schritt #30 ausgewählt werden (hiernach als „unterer kritischer Messpunkt 3b bezeichnet").
Wenn der untere kritische Messpunkt 3b nicht in die erforderliche Endtemperatur Treq (230°C), wie in diesem Fall gezeigt, erreicht, ist eine Modifikation in der Heizbedingung durch Erhöhen der Heiztemperatur erforderlich. In diesem Zusammenhang sollte beachtet werden, dass die Temperatur des anderen Messpunktes, der die höchste Temperatur während des Heizens oder während der Simulation in der Rückflussphase erreicht hat (in dem Beispiel, das in 5c gezeigt wird, der Messpunkt 3c) durch so eine Anpassung ebenfalls erhöht wird und dass diese Temperaturerhöhung nicht dafür sorgen sollte, dass der Messpunkt 3c über die Maximumtemperatur Tmax (240°C) hinausgeht. Aus diesem Grund sollte die Temperaturerhöhung dieses bestimmten Messpunktes (Messpunkt 3c in diesem Fall) ebenfalls genau beobachtet werden (hiernach als „oberer kritischer Messpunkt 3c" bezeichnet). Der Rest der Messpunkte (nur Messpunkt 3a in diesem Fall) unter Ausschluss der oberen und unteren kritischen Messpunkte 3b und 3c kann so betrachtet werden, dass ihr Temperaturprofil zwischen dem unteren und oberen kritischen Messpunkt während des Heizverfahrens, das hiernach beschrieben wird, liegt (oder eingeschlossen ist).
Bei Schritt #31 der 11 wird wenigstens eine Heizbedingung mittels Simulation detektiert, die dafür sorgen kann, dass der untere kritische Messpunkt in 3b die erforderlichen Bedingungen für die Rückflussphase (die zweite Heizphase) erfüllt. Für diesen Detektionszweck kann ein Algorithmus verwendet werden, der die Maximumtemperatur Tmax (240°C) und die erforderliche obere Endtemperatur Treq (230°C) verwendet, was hiernach beschrieben ist. 13(a) illustriert die Skizze eines Algorithmus, wobei die vertikale Linie die Temperatur des unteren kritischen Messpunktes 3b repräsentiert und die horizontale Linie die Zeit repräsentiert. In der Zeichnung sind zwei Heizbereiche VI, VII als in der Rückflussphase strukturiert, ähnlich dem Heizofen, der in 1 gezeigt wird. Das zu erhitzende Objekt wird mit fortschreitender Zeit von rechts nach links transferiert, d. h. in der Reihenfolge der Heizbereiche V, VI und VII.
In 13(a) wird der untere kritische Messpunkt 3b, der auf die Vorheiztemperatur T0 durch die Heizbereiche I bis V der Vorheizphase erhitzt wurde, in den Eingangsheizbereich VI der Rückflussphase eingeführt. Der untere kritische Messpunkt 3b wird dann in den Heizbereichen VI und VII in dieser Reihenfolge erhitzt. Die Zone X mit den schraffierenden Linien stellt einen Bereich dar, wo sich das Temperaturprofil des unteren kritischen Messpunktes 3b befinden sollte, wenn er in den Heizbereichen VI und VII erhitzt wird. Die obere Grenze der Zone X wird durch zwei Linien begrenzt, von denen eine die Temperatursteigerungslinie zwischen dem Punkt H, der Vorheiztemperatur T0 am Beginn des Heizbereiches VI, und dem Punkt E, der Maximumtemperatur Tmax am Ende des Heizbereiches VI, ist während die andere Linie zwischen dem Punkt E am Ende des Heizbereiches VI (oder dem Beginn des Heizbereiches VII) und Punkt G von Tmax am Ende des Heizbereiches VII ist. Die untere Grenze der Zone X wird begrenzt durch eine Linie zwischen dem Punkt H, der Vorheiztemperatur T0 am Beginn des Heizbereiches VI, und einem Punkt F, der erforderlichen oberen Endtemperatur Treq am Ende des Heizbereiches VII.
Sofern das Temperaturprofil des unteren kritischen Messpunktes 3b in der Zone X lokalisiert ist, erfüllt der Punkt 3b wenigstens zwei der erforderlichen Bedingungen der Rückflussphase, genauer die Temperatur des Messpunktes 3b überschreitet weder die Maximumtemperatur Tmax noch geht sie unter die erforderliche obere Endtemperatur Treq. Obwohl die Zone X in der Zeichnung durch ausschließlich gerade Linien zwischen H und E und H und F in der Zeichnung begrenzt ist, können solche Linie konkav oder konvex oder anders gekrümmte Linien oder deren Kombinationen sein, solange das Temperaturprofil des Messpunktes 3b nicht über die obere Maximumtemperatur Tmax hinausgeht.
Die Heizbedingung für die Heizbereiche VI und VII kann bestimmt werden, um das Temperaturprofil des unteren kritischen Messpunktes 3b innerhalb der Zone X durch Simulation unter Verwendung der m-Werte zu lokalisieren. Genauer können die Heiztemperaturen sowohl des Heizbereiches VI als auch VII von der Vorheiztemperatur T0 (190°C) erhöht werden auf eine gegebene obere Grenztemperatur, die physikalisch durch den Heizofen begrenzt ist (z. B. 300°C) und zwar unabhängig voneinander. Simulationen werden wiederholt durch Erhöhen der Temperatur jedes der Heizbereiche VI und VII unabhängig voneinander jeweils z. B. um jeweils 2°C von der niedrigsten Temperatur (190°C zu der höchsten Temperatur 300°C) in dem vorbestimmten Bereich durchgeführt. Für alle der Kombinationen solch jeweiliger Temperaturveränderungen der Heizbereiche VI und VII können die korrespondierenden Temperaturprofile des unteren kritischen Messpunktes 3b durch Simulation unter Verwendung der m-Werte erhalten werden. Unter solchen Kombinationen von Temperaturveränderungen werden alle der Temperaturkombinationen der Heizbereiche VI und VII detektiert, die das Temperaturprofil des unteren kritischen Messpunktes 3b innerhalb der Zone X lokalisieren können. Die Temperaturerhöhung um jeweils 2°C ist lediglich ein Beispiel und dieser Temperaturerhöhungsschritt kann größer sein, wie beispielsweise jeweils 4°C, oder kleiner, wie beispielsweise jeweils 1°C.
Es kann auch andere Heizofenstrukturen geben, in denen z. B. die zweite Heizphase nur einen Heizbereich VI besitzt oder mehr als zwei Heizbereiche VI, VII, VIII..., etc. 13(b) und 13(c) zeigen Beispiele der Begrenzung der Zone X in solchen Fällen. Wenn die Rückflussheizphase nur einen Heizbereich VI hat, ist ein möglicher Weg, die Heizbedingung in dem Heizbereich VI zu bestimmen, z. B. eine Simulation durch Änderung der Heiztemperatur in dem Heizbereich VI um jeweils 2°C durchzuführen und die Heizbedingung (EN) zu identifizieren, die das Temperaturprofil des unteren kritischen Messpunktes 3b innerhalb der Zone X, die in 3b gezeigt ist, lokalisieren. Wenn die Rückflussheizphase 3 (oder mehr) Heizbereiche hat, kann die Zone X durch 3 Linien begrenzt werden, wie in 13c gezeigt, die bestehen aus:
Eine Linie zwischen dem Punkt H, mit der Temperatur T0 am Beginn des Eingangsheizbereiches VI, und einem Punkt E, mit der Maximumtemperatur Tmax am Ende desselben Heizbereiches VI; einer Linie zwischen dem Punkt E und einem Punkt G, mit der Maximumtemperatur Tmax am Ende des letzten Heizbereiches (Bereich VIII in diesem Beispiel); und eine Linie zwischen dem Punkt H und einem Punkt F, mit der erforderlichen oberen Endtemperatur Treq am Ende des letzten Heizbereiches (Bereich VIII in diesem Fall). Simulationen werden dann für alle möglichen Kombinationen durch Ändern der Temperatur um jeweils 2°C für jeden der Heizbereiche unabhängig voneinander wiederholt durchgeführt. Die Zonen X, die in den 13(a) bis 13(c) gezeigt werden, sind nur Beispiele und andere Arten von Zonen können begrenzt werden. Die Linien zwischen H und E und H und F müssen nicht zwingend grade Linien sein, wie oben beschrieben.
14 zeigt einige Temperaturprofile des unteren kritischen Messpunktes 3b, die durch Simulationen mittels Veränderung der Kombination der Heiztemperaturen des Heizbereiches oder der Heizbereiche wie oben beschrieben ermittelt wurden. 14 zeigt Temperaturprofile nur in der Rückflussphase (Profile in der Vorheizphase werden nicht gezeigt). In dem Beispiel, das in 14 gezeigt wird, konnten 6 Heizbedingungen (oder 6 Kombinationen von Heiztemperaturen in den Heizbereichen VI und VII), korrespondierend mit den 6 Temperaturprofilen, die in der Zeichnung gezeigt werden, diese einzelnen Profile befriedigend innerhalb der Zone X lokalisieren. Jedes in der 6 Profile hat die Temperaturerforderungen erfüllt, d. h., die Peaks dieser Profile sind geringer als die Maximumtemperatur Tmax und höher als die erforderliche obere Endtemperatur Treq. Für jedes dieser 6 Profile sind auch die korrespondierenden Heiztemperaturkombinationen der Heizbereiche VI und VII auf einer Eins-zu-eins-Basis identifiziert.
Nun zurückgekehrt zu 11, wird bei Schritt #32 bestimmt, ob jedes der detektierten Profile des unteren kritischen Messpunktes 3b die übrigen erforderlichen Bedingungen erfüllt oder nicht, das sind die Zielheiztemperaturen T2 und –zeit t2 (gleich oder mehr als 20 Sekunden über 220°C) (Bestimmungsschritt D). Wenn keines der identifizierten Profile solche Erfordernisse erfüllen kann, bedeutet es, dass das Heizen nicht ausreichend war, und das Verfahren geht zu Schritt #33, wo die Heizbedingung modifiziert wird durch Verlängerung der Heizzeit (oder Verringerung der Transfergeschwindigkeit), basierend auf einer vorbestimmten Regel, und dann geht das Verfahren zurück zu Schritt #25, um die Verfahrensschritte, die oben beschrieben sind, zu wiederholen.
Ein mögliches Beispiel einer vorbestimmten Regel zum Verlängern der Heizzeit bei Schritt #33 ist, die vorhergehende Transfergeschwindigkeit mit dem am dichtesten an 1 liegenden Verhältnis von den Verhältnissen der erforderlichen Zeit t2 (20 Sekunden) gegen die simulierten oder gemessene Zeiten t (t/t2, < 1) von der identifizierten Temperaturprofilen zu multiplizieren, oder die vorhergehende Heizzeit durch dasselbe Verhältnis zu teilen.
Wenn wenigstens eines der identifizierten Temperaturprofile des unteren kritischen Messpunktes 3b solche Erfordernisse bei Schritt #32 erfüllt, wird als nächstes bei Schritt #34 bestimmt, ob solche ein Temperaturprofil oder solche Temperaturprofile eine weitere Heizbedingung in der Rückflussphase erfüllen oder nicht, d. h. die erlaubte Grenztemperatur T1 und –zeit t1 (gleich oder weniger als 40 Sekunden über 200°C) (Bestimmungsschritt E). Wenn keine der ausgewählten Temperaturprofile solch ein Erfordernis erfüllen kann, bedeutet das, dass das Objekt überheizt wird. In diesem Fall wird die Heizbedingung durch Verkürzen in der Heizzeit (oder Erhöhen der Transfergeschwindigkeit) basierend auf einer vorbestimmten Regel modifiziert, und dann geht das Verfahren zurück zu Schritt #25, um die oben beschriebenen Verfahrensschritte zu wiederholen. Ein mögliches Beispiel einer vorbestimmten Regel in diesem Fall ist, die vorhergehende Transfergeschwindigkeit mit dem Verhältnis zu multiplizieren, das am dichtesten an 1 ist, von allen Verhältnissen der erlaubten Grenzzeit t1 gegen die simulierten oder gemessenen Zeiten t (t/t1, > 1) für alle detektierten Temperaturprofile, oder die vorhergehende Heizzeit durch dasselbe Verhältnis zu teilen.
Wenn wenigstens eines der identifizierten Temperaturprofile des unteren kritischen Messpunktes 3b solch eine Anforderung erfüllt, wird bei Schritt #34 eines der Profile ausgewählt, das die Zielheizzeit t2 (gleich oder mehr als 20 Sekunden) mit der geringsten Zeitdifferenz (oder am dichtesten an 20 Sekunden) erfüllt (im Beispiel, das in 14 gezeigt wird, muss Profil A ausgewählt werden). Der untere kritische Messpunkt 3b hat die geringste Temperatur zur Zeit des Erhitzens in der Probe von allen Messpunkten, wie zuvor beschrieben, erreicht und das nun ausgewählte Temperaturprofil (Profil A in 14) desselben Messpunktes 3b hat nun befriedigend alle erforderlichen Bedingungen in der Rückflussphase erreicht. Jetzt kann angenommen werden, dass die Profile für den Rest der Messpunkte 3a und 3c oberhalb dieses Profiles A lokalisiert sind (obere Seite, d. h. auf einer Seite mit höherer Temperatur und längerer Heizzeit). Daher kann die Heizbedingung der Heizbereiche VI und VII korrespondierend mit dem Temperaturprofil A für den Messpunkt 3b vorläufig bestimmt werden als die geeignete Heizbedingung bei Schritt #36, welche betrachtet werden kann, dass sie alle erforderlichen Bedingungen zum Erhitzen des Objektes erfüllt.
Als nächstes wird bei Schritt #37, basierend auf der oben bestimmten vorläufigen Heizbedingung, die Simulation durchgeführt, um Temperaturprofile für den Rest der Messpunkte zu entwickeln, in der Annahme, dass sie unter den selben Heizbedingungen erhitzt werden. Es wird dann basierend auf den Simulationsergebnissen bei Schritt #38 bestimmt, ob der Rest der Messpunkte tatsächlich jede der erforderlichen Bedingungen der Rückflussphase erfüllt oder nicht (Bestimmungsschritt F). In diesem Zusammenhang wird der obere kritische Messpunkt 3c, der die höchste Temperatur während des Probeheizzeitraumes erreicht hat, als erstes geprüft, indem bestimmt wird, ob er alle erforderlichen Bedingungen einschließlich der Maximumtemperatur Tmax erfüllen kann oder nicht. Wenn der obere kritische Messpunkt 3c die erforderlichen Bedingungen für das Heizen verfehlt, kann sofort entschieden werden, dass solch eine vorläufig bestimmte Heizbedingung nicht eine endgültige Lösung sein kann, ohne zu bestimmen, ob der Rest der Messpunkte die erforderlichen Bedingungen erfüllt oder nicht.
Wenn bestimmt wird, dass der obere kritische Messpunkt 3c alle erforderlichen Bedingungen durch Simulation erfüllen kann, kann erwartet werden, dass die Temperaturprofile für den Rest der Messpunkte (nur 3a in diesem Beispiel) zwischen dem unteren und dem oberen kritischen Messpunkt 3b und 3c lokalisiert (d. h. eingeschlossen) sind. Dementsprechend kann entschieden werden, dass die vorläufig bestimmte Heizbedingung bei Schritt #36 alle erforderlichen Bedingungen für das Erhitzen bei allen Messpunkten erfüllen kann. Nichtsdestotrotz kann es wünschenswert sein, eine Simulation durchzuführen und zu bestimmen, ob der Rest der Messpunkte auch die erforderlichen Bedingungen für das Heizen erfüllt, nur für den Fall der Fälle.
Wenn einer der Messpunkte während der Simulation bei Schritt #38 verfehlt, die erforderlichen Bedingungen zu erfüllen, ist ein weiteres Anpassen der Heizbedingung erforderlich. In diesem Fall ist der Grund nicht die erforderlichen Bedingungen zu erfüllen, offensichtlich Überhitzung, weil es bereits bekannt war, dass der untere kritische Messpunkt 3b mit der niedrigsten Temperatur die erforderlichen Bedingungen erfüllen konnte. Daher wird die Heizbedingung mittels Verkürzen der Heizzeit (oder Erhöhen der Transfergeschwindigkeit) basierend auf einer vorbestimmten Regel bei Schritt #35 modifiziert und dann geht das Verfahren zurück zu Schritt #25, um die oben beschriebenen Verfahrensschritte zu wiederholen.
Wenn die Heizbedingungen durch Verkürzen der Heizzeit bei Schritt #35 modifiziert werden, ist es ein mögliches Beispiel der vorbestimmten Regel, die vorhergehende Transfergeschwindigkeit mit dem Verhältnis zu multiplizieren, das am dichtesten an 1 ist von den Verhältnissen entweder der angestrebten Heizzeit t2 gegen das korrespondierende Simulationsergebnis t (t/t2, > 1) oder mit dem der erlaubbaren Grenzzeit t1 gegen das korrespondierende Simulationsergebnis t (t/t1, > 1) oder mit beiden dieser Verhältnisse. Es ist auch möglich, die vorgehende Heizzeit durch dasselbe Verhältnis zu teilen.
Wenn bei Schritt #38 bestimmt ist, dass durch alle oben beschriebenen Schritte alle erforderlichen Bedingungen erfüllt werden, kann solch eine vorläufig bestimmte Heizbedingung endgültig als geeignete Heizbedingung bei Schritt #39 bestimmt werden. Wenn das Objekt unter solch einer endgültig bestimmten Heizbedingung erhitzt wird, wird angenommen wenigstens durch die Simulationsverfahren, dass die erforderlichen Bedingungen sowohl in der ersten als auch in der zweiten Heizphase für alle Messpunkte erfüllt werden. Obwohl nicht in dem Fließschema von 11 gezeigt, ist es auch möglich, zu verifizieren, ob solche endgültig bestimmten Heizbedingungen tatsächlich alle erforderlichen Bedingungen erfüllen, in dem ein Probeobjekt unter den gleichen Heizbedingungen erhitzt wird und die Temperaturen und Zeiten bei allen Messpunkten gemessen werden, um tatsächliche Temperaturprofile zu erhalten.
Wenn in 11 die Heizbedingung es verfehlt, die erforderlichen Bedingungen zu einem der Bestimmungsschritte A–F zu erfüllen und die Heizbedingung modifiziert wird, sollte das Verfahren einen korrespondierenden Zählschritt #50, wie in der Zeichnung gezeigt, durchgehen. Immer wenn das Verfahren durch einen der Schritte #50 geht, wird so eine Durchgangszeit n gezählt. Es kann manchmal geschehen, dass die Anpassung wiederholt erforderlich ist und dass das Verfahren in eine geschlossene Schleife übergeht. In solch einem Fall wird die wiederholte Durchgangszeit n in der geschlossenen Schleife gezählt und wenn die Zeit n über einen vorbestimmten Schwellenwert geht, kann geurteilt werden bei Schritt #51, dass das Bestimmen einer geeigneten Heizbedingung, um die erforderlichen Bedingungen zu erfüllen, unmöglich ist. Dieses ist ein optionales Verfahren, um eine Entscheidung in einem kürzeren Zeitraum zu finden, wenn das Bestimmen einer geeigneten Heizbedingung unmöglich erscheint. Im Falle des Standes der Technik, wo tatsächliches Erhitzen und Messen eines Probeobjektes benötigt wird, ist es schwierig eine Entscheidung im Falle der Unmöglichkeit in solch einem kurzen Zeitraum zu treffen. Wenn das Ergebnis bei Schritt #51 ausgegeben wird, kann eine weitere Analyse wünschenswert sein, um zu identifizieren, welche Bedingungen nicht erfüllt sind mittels wie großer Temperatur- und/oder Zeitabweichung. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung sind solche Daten durch die Simulation, wie oben beschrieben, leicht verfügbar.
Sogar wenn keine Heizbedingung, um alle erforderlichen Bedingungen zu erfüllen, bestimmt wird, sollte es einen Fall geben, wo eine annähernde Heizbedingung auf jeden Fall benötigt wird, die in einem Zustand ist, dass sie beinahe die Erfordernisse erfüllt.
Algorithmen um solch ein Bedürfnis zu erfüllen können wie folgt arrangiert werden: 15(a) bis 15(c) zeigen wiederholte Simulationsergebnisse der Heizzeit t2 mit der Zielheiztemperatur T2 (220°C) und der Heizzeit t1 mit der erlaubten Grenztemperatur T1 (200°C) für jeden der Messpunkte 3a bis 3c, wenn die Heizbedingung modifiziert wird. Bei 15(a) verfehlt die Zeit t1 des oberen kritischen Messpunktes 3c (42 Sekunden), die erforderliche Bedingung (weniger als 40 Sekunden) zu erfüllen, was bei Schritt #38 (Bestimmungsschritt F) von 11 gefunden werden kann. Daher wird die Heizbedingung bei Schritt #35 durch Verkürzen der Heizzeit verändert und die Simulation wird erneut durchgeführt.
15(b) zeigt die Ergebnisse solch einer wiederholten Simulation. Obwohl der obere kritische Messpunkt 3c die erforderliche Zeit (weniger als 40 Sekunden) durch die oben genannte Angleichung erfüllen konnte, verfehlte der untere kritische Messpunkt 3b (18 Sekunden) die erforderliche Zeit (mehr als 20 Sekunden) in diesem Fall, wie innerhalb des Kreises gezeigt wird. Gemäß dem Fließschema von 11 ist dies ein Fehlen bei Schritt #32 (Bestimmungsschritt D) und das Verfahren sollte zu Schritt #33 gehen, um die Heizbedingungen durch Verlängern der Heizzeit zu modifizieren und die Simulation sollte wiederholt werden. Gemäß solch einem Verfahren ist es jedoch offensichtlich, dass wenn die Heizzeit verlängert wird, der obere kritische Messpunkt 3c wiederum es verfehlen würde, die erforderliche Zeit t1 (weniger als 40 Sekunden) zu erfüllen und daher müssten die Verfahren innerhalb einer geschlossenen Schleife wiederholt werden.
16 zeigt ein Fließschema um eine angemessene Lösung in solch einem Fall zu bestimmen. 16 zeigt nur die zweite Heizphase (Rückflussphase), um ein einfaches Verstehen zu ermöglichen, aber es ist selbstverständlich auch möglich, die erste Heizphase (Vorheizphase) zu dem Fließschema hinzuzufügen, ähnlich zu demjenigen, das in 11 gezeigt wird. In dem Fließschema, das in 16 gezeigt wird, werden die Schritte #52 bis #54 zu der zweiten Heizphase hinzugefügt. Wenn die Situation sich zu dem Fall entwickelt, wie er in 15(a) und 15(b) gezeigt wird, geht in 16 das Verfahren zu Schritt #52 nach Verfehlen bei Schritt #32 über und es wird bei Schritt #52 geprüft, ob die erlaubte Grenzzeit t1 (weniger als 40 sec) bei Temperatur T1 (200°C) für den oberen kritischen Messpunkt 3c bereits ein Grenzniveau erreicht oder nicht. Der Begriff „Grenzniveau" bedeutet, dass die simulierte Zeit t bereits die Grenzzeit t1 (40 Sekunden in diesem Fall) bereits erreicht hat oder sogar über die Grenzzeit 11 hinaus ist. Wenn der obere kritische Messpunkt 3c bereits ein solches Grenzniveau erreicht hat, ist es offensichtlich, dass der obere kritische Messpunkt 3c weiterhin nicht die erforderliche Bedingung von 11 erfüllen kann, wenn das Verfahren zu Schritt #33 geht, um die Heizzeit zu verlängern. In diesem Zusammenhang wird entschieden, wenn das Verfahren einmal zu Schritt #38 gegangen ist, wo der obere kritische Messpunkt 3c es verfehlt, die erforderliche Zeit t1 zu erfüllen und eine nachfolgende Angleichung gemacht worden ist durch Verkürzen der Heizzeit bei Schritt #35, um die Verfahren durch Schritt #25 zu wiederholen und noch immer die Bedingungen bei Schritt #32 nicht ausreichend erfüllt sind, dass der obere kritische Messpunkt 3c bereits den Punkt eines solchen Grenzniveaus erreicht hat.
In solch einem Fall geht das Verfahren zu Schritt #53 und es wird geprüft, ob alle Messpunkte außer dem unteren kritischen Messpunkt 3b alle erforderlichen Bedingungen erfüllt haben oder nicht. Dieser Schritt korrespondiert mit einem Verfahren bei Schritt #38. Da bereits in diesem Zustand bekannt ist, dass der obere kritische Messpunkt 3c an einem Grenzniveau ist und die Temperaturprofile des Restes der Messpunkte angenommen werden, dass sie zwischen dem unteren und dem oberen kritischen Messpunkt lokalisiert (d. h. eingegrenzt) sind, kann Schritt #53 übersprungen werden, wie mittels der gestrichelten Linie in der Zeichnung gezeigt wird.
Wenn die Bedingung bei Schritt #53 erfüllt wird (d. h. „ja" im Fließdiagramm), geht das Verfahren zu Schritt #25, um die Heizbedingung durch Verlängern der Heizzeit basierend auf einer vorbestimmten Regel zu modifizieren, um den unteren kritischen Messpunkt 3b dazu zu bringen, die Zielheiztemperatur t2 zu erfüllen. Die Heizbedingungen, die so bei Schritt #54 angepasst wurden, dürfen angenommen werden als die geeigneten Heizbedingungen bei Schritt #39. 15(c) zeigt die Ergebnisse einer Simulation, die unter den Heizbedingungen durchgeführt wurden, die auf diese Art bestimmt wurden. Da die Heizzeit t1 bei Schritt #54 verlängert wird, konnte der untere kritische Messpunkt 3b die Zielheizzeit t2 (mehr als 20 Sekunden) erfüllen. Stattdessen verfehlt der obere kritische Messpunkt 3c die erlaubte Grenzzeit t1 (weniger als 40 Sekunden), wie innerhalb eines Kreises gezeigt wird. Insbesondere für den Fall eines Rückflussprozesses ist der Hauptzweck des Heizens, sorgfältig das Lot zu schmelzen, daher sollte die erste Priorität sein, alle Messpunkte dazu zu bringen, die Zielheiztemperatur T2 und die korrespondierende Heizzeit t2 zu erfüllen. Wenn der Hauptzweck anders ist, ist es möglich, andere Algorithmen zu verwenden, in denen die erste Priorität andere Bedingungen sein können, wie z. B. die erlaubte Grenztemperatur T1 und -zeit t1. Ein mögliches Beispiel der vorbestimmten Regel bei Schritt #54 ist es, die vorhergehende Transfergeschwindigkeit mit einem Verhältnis der Zielheizzeit t2 gegen die korrespondierende Zeit t des Simulationsergebnisses für den Messpunkt 3b (t/t2, < 1) zu multiplizieren oder die vorhergehende Heizzeit durch dasselbe Verhältnis zu dividieren.
Wenn einer der anderen Messpunkte es verfehlt, die erforderlichen Bedingungen bei Schritt #53 zu erfüllen, sollte eine Entscheidung wenigstens bei Schritt #51 gefällt werden, dass das Bestimmen geeigneter Heizbedingungen unmöglich scheint. Diese Entscheidung sollte jedoch vom Zweck des Heizens abhängig sein. Wenn auf jeden Fall irgendeine annähernde Heizbedingung benötigt wird, kann Schritt #53 übersprungen werden und das Verfahren geht zu Schritt #54 und #39, um die annähernde finale Lösung zu bestimmen.
Die vorstehende Beschreibung, die mit Bezug auf 11 gemacht wurde, betrifft ein thermisches Analyseprogramm, welches die Heizbedingungen der ersten (Vorheiz-) und der zweiten (Rückfluss-)Heizphasen umfasst. Es ist auch möglich, ein ähnliches Programm auf andere Arten von Heizverfahren anzuwenden. Zum Beispiel kann die thermische Analyse, wenn nur eine Heizphase vorgesehen ist, ähnlich durchgeführt werden unter Verwendung entweder der ersten Heizphase oder der zweiten Heizphase, die in 11 gezeigt wird. Wenn drei oder mehr Heizphasen benötigt werden, kann die thermische Analyse auch durch selektives Verwenden der ersten oder der zweiten Heizphasen oder beiden der Heizphasen in einer wiederholten Weise durchgeführt werden.
In der oben stehenden Beschreibung werden, wenn die Heizbedingung es verfehlt, die erforderlichen Bedingungen an einem der Bestimmungsschritte A bis F zu erfüllen, alle Verfahrensschritte von dem Bestimmungsschritt A wiederholt, welches der erste Bestimmungsschritt der ersten (Vorheiz-)Heizphase für alle Fälle ist. Wenn die Heizbedingungen, einschließlich der Heiztemperatur und der Heizzeit (oder die Transfergeschwindigkeit des Objektes) unabhängig voneinander steuerbar sind während der ersten Heizphase und der zweiten Heizphase, muss das Verfahren nicht immer notwendigerweise zurück zu dem ersten Bestimmungsschritt A zurückgehen, welcher der frühe Anfang des Heizverfahrens ist. Stattdessen kann, wenn die Heizbedingung es verfehlte, die erforderlichen Bedingungen der zweiten (Rückfluss-)Phase an einem der Bestimmungsschritte D bis F zu erfüllen, die Modifikation der Heizbedingungen nur für die zweite Heizphase gemacht werden, und das Verfahren kann zurück zu dem Bestimmungsschritt D (oder Schritt #30) gehen, um lediglich das Verfahren für die zweite Heizphase zu wiederholen, wie mittels der gestrichelten Linie in 11 gezeigt wird.
In dem oben beschriebenen Verfahren kann jede der erforderlichen Bedingungen für das Heizen wie z. B. die Maximumtemperatur Tmax oder die erlaubte Grenztemperatur T1 und -zeit t1 als ein einzelner Wert (oder eine einzelne Bedingung) für das gesamte zu erhitzende Objekt wie z. B. eine Platine ermittelt werden. Dies bedeutet, dass solche bestimmte Bedingungen gleichermaßen an alle elektronische Komponenten, die auf der Platine angebracht sind, angelegt werden. Hintergrund hiervon ist, dass, wenn die thermisch kritischsten elektronischen Komponenten von allen Komponenten, die auf der Platine angebracht werden, die erforderlichen Bedingungen erfüllen können, kann der Rest der elektronischen Komponenten leichter die gleichen Bedingungen erfüllen. Alternativ ist es auch möglich, auf Basis von Komponente zu Komponente getrennte erforderliche Bedingungen zu bestimmen und solche getrennten Bedingungen können als Hilfsstandards zum Bestimmen der geeigneten Heizbedingungen verwendet werden. Zum Beispiel können, sogar wenn simulierte Temperaturen von einigen der Messpunkte z. B. auf 245°C gehen, was oberhalb der erforderlichen Bedingungen der Maximumtemperatur Tmax von 240°C ist, solche Heizbedingungen akzeptabel sein, sofern die getrennten erforderlichen Bedingungen für dieses spezielle elektronische Bauteil es erlauben, dass die Temperatur z. B. bis auf 250°C steigt. Es ist besonders vorteilhaft solche entlastenden Logiken zu haben, um geeignete Heizbedingungen in einem thermisch kritischen Fall zu bestimmen, wenn die Bestimmung der Heizbedingung schwierig scheint.
Die obenstehende Beschreibung wurde auf der Basis eines Rückflussheizofens gemacht, in dem das Verlängern/Verkürzen der Heizzeit und das Steigern/Verringern der Transfergeschwindigkeit austauschbar angewendet werden kann, da das zu erhitzende Objekt innerhalb des Heizofens transferiert wird. Im Falle eines Batchtyps eines Heizofens, der keine Transfervorrichtung besitzt, kann nur das Angleichen der Heizzeit anwendbar sein.
Das Speichermedium, das zu Beginn der vorliegenden erfindungsgemäßen Ausführungsform beschrieben wurde, ist ein computerlesbares Speichermedium, das den Computer dazu bringen kann, die oben beschriebenen Verfahren durchzuführen.
Nachfolgend wird nun die dritte erfindungsgemäße Ausführungsform beschrieben. Die vorliegende Ausführungsform betrifft eine Vorrichtung zur thermischen Analyse zum Durchführen einer Analyse, wie in der ersten Ausführungsform beschrieben, eine Heizsteuerung zum Steuern der Temperatur eines Heizofens unter Verwendung des Programms oder des Speichermediums wie in der zweiten Ausführungsform beschrieben und einen Heizofen, der solch eine Heizsteuerung verwendet. Der Heizofen, der in 1 gezeigt wird, ist ein Beispiel der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung. Mit Bezug auf 1 hat der Heizofen 10 eine Vielzahl von Heizbereichen I bis VII, von denen jeder eine Heizquelle 7 besitzt. Die Temperatur von jeder Heizquelle 7 kann unabhängig gesteuert werden. Das Heizobjekt 1 wird in den Heizofen 10 mittels Transfervorrichtung 8 eingeführt und wird dann in Übereinstimmung mit einem erforderlichen Temperaturprofil erhitzt, während es durch die einzelnen Heizbereiche I bis VII transferiert wird.
Die Heizsteuerung 20 ist verbunden mit oder integriert in den Heizofen 10 und ist ausgestaltet, die Heiztemperatur und/oder die Transfergeschwindigkeit des Objektes in jedem der Heizbereiche I bis VII unabhängig zu steuern. Die Heizsteuerung 20 ist dazu in der Lage, m-Werte zu berechnen oder Heizkennwerte, wie in der ersten Ausführungsform beschrieben, basierend auf den Temperaturen, die während des Erhitzens eines Probeobjektes 1 gemessen werden. Des Weiteren ist die Hitzesteuerung 20 in der Lage, die Heizbedingung zu bestimmen, die die erforderlichen Bedingungen erfüllen kann, und ist in der Lage, den Heizofen in Übereinstimmung mit der vorbestimmten erforderlichen Heizbedingung zu steuern. Die Heizsteuerung 20 kann, in diesem Zusammenhang des Speichermedium 30 nutzen, das in der zweiten Ausführungsform beschrieben wurde.
17 zeigt schematisch ein Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Heizsteuerung 20. Die Heizsteuerung 20 hat eine Eingabevorrichtung 28, durch die die Heizbedingung einschließlich der Heiztemperatur 21 und der Heizzeit 22 wie auch die erforderlichen Bedingungen 27 für das Heizen des Objektes eingegeben werden können. Separat können gemessene Temperaturen 23, die durch das Heizen des Probeobjektes 1 in dem Heizofen 10 erhalten werden, eingegeben werden, um die Heizkennwerte (m-Werte) zu berechnen. Die Heizsteuerung 20 besitzt auch einen Speicher 24, wo die Basisgleichung für das Heizen (Gleichung 7) dafür verwendet wird, die Temperaturen des Objektes zu berechnen und eine Gleichung zum Berechnen der m-Werte (Gleichung 8) gespeichert sind. Das Verarbeitungsmittel 25 kann die m-Werte unter Verwendung solcher eingegebener Informationen berechnen und kann die Simulation unter Verwendung der m-Werte basierend auf modifizierten Heizbedingungen durchführen. Die Heizsteuerung 20 besitzt auch ein Lesemittel 29, um das Speichermedium 30 zu Lesen, um so den Algorithmus zu verwenden, der auf dem Medium 30 gespeichert ist. Mit diesen Mitteln kann die Heizsteuerung 20 eine geeignete Heizbedingung zum Erhitzen des Objektes in Übereinstimmung mit den erforderlichen Bedingungen basierend auf den Simulationsergebnissen bestimmen. Diese Ergebnisse werden durch das Ausgabemittel 26 ausgegeben und der Heizofen 10 wird basierend auf dem Ergebnis gesteuert. Das Speichermedium 30, das in der zweiten Ausführungsform der Erfindung beschrieben wurde, kann für solche Zwecke verwendet werden.
Die Heizsteuerung 20, die in 17 gezeigt wird, hat eine Funktion, um den Heizofen 10 mittels des Ausgabemittels 26 zu steuern. Die Heizsteuerung 20 kann auch verwendet werden als eine Vorrichtung zur thermischen Analyse zum Durchführen einer Simulation zum Identifizieren von Temperaturen des zu erhitzenden Objektes, wenn dieses unter der eingegebenen Heizbedingungen unter Verwendung der berechneten m-Werte erhitzt wird. Des weiteren kann die Heizsteuerung 20 auch als Vorrichtung zur thermischen Analyse verwendet werden, zum Durchführen einer Temperatursimulation in Übereinstimmung mit einem vorbestimmten Algorithmus, wenn nötig unter Einschluss des Lesemittels 29 zum Lesen des Speichermediums wie in der zweiten Ausführungsform der Erfindung beschrieben.
Wie weiter oben beschrieben illustriert der Rückflussofen, der in 1 gezeigt wird, nur ein Beispiel der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung und die vorliegende Ausführungsform kann auch angewendet werden auf einen Heizofen, der keine Transfervorrichtung besitzt. In anderen Worten kann die vorliegende Ausführungsform der Erfindung auf eine Vielzahl von Heizausrüstungen angewendet werden, die Temperaturapplikations- und -steuerungsfunktionen besitzen, wie z. B. ein Hitzbehandlungsofen für metallische Materialien, ein Sinterofen für Pulvermetallurgie, ein Backofen, wie er z. B. für keramische Materialien verwendet wird, ein Schmelzofen zum Schmelzen einer Vielzahl von Materialien oder eine Verbrennungsanlage zur Verbrennung von Abfallmaterial, jeweilig in Übereinstimmung mit den erwünschten Temperaturprofilen.
Des Weiteren kann, wie oben beschrieben, der Begriff „Hitze" in dieser Beschreibung eine weitere Bedeutung besitzen, einschließlich negatives Heizen, so dass der erfindungsgemäße Heizofen Ausrüstung zum Kühlen wie z. B. einen Kühlschrank, einen Tiefkühlschrank, einen Kühler etc. umfassen kann. Das Verfahren zum Durchführen der Heizsimulation unter Verwendung der erfindungsgemäßen m-Werte kann auch in einer gänzlich ähnlichen Weise für den Fall des Kühlens angewendet werden, als ein Verfahren zum Durchführen einer Kühlungssimulation.

Claims

Verfahren zur thermischen Analyse, wobei an jedem Messpunkt eines Gegenstandes (1) an jeder Messstelle eines Heizofens (10) eine Heizkennung als eine einzelne Invariante bestimmt wird, durch die Nutzung der am Messpunkt des Gegenstandes (1) gemessenen Temperatur und der Heiztemperatur und Heizdauer an der Messstelle des Heizofens (10), wobei die Heizkennung die physikalischen Eigenschaften von sowohl dem Heizofen (10) als auch dem zu erhitzenden Gegenstand (1) darstellt, wobei Veränderungen der physikalischen Eigenschaften und/oder Defekte des Heizofens (10) durch das periodische Erzielen der Invariante und das Analysieren der Abweichung der Heizkennung erfasst werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Veränderungen der physikalischen Eigenschaften und/oder Defekte eines speziellen Heizofens (10) erfasst werden durch das Erzielen der Invarianten von einer Mehrzahl von Heizöfen (10) und das miteinander Vergleichen der Heizkennung der Mehrzahl von Heizöfen (10).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Temperaturprofil des Gegenstandes (1) durch die Verwendung der Invariante simuliert wird, wenn der Gegenstand (1) unter festgelegten Heizbedingungen erhitzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei geeignete Heizbedingungen des Heizofens (10) zum Erhitzen des Gegenstandes (1) in Übereinstimmung mit einem erforderlichen Temperaturprofil durch die Verwendung der Invariante bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei geeignete Heizbedingungen für jedes einer Mehrzahl von Heizelementen, die in dem Heizofen (10) zum Erhitzen des Gegenstandes (1) in Übereinstimmung mit einem erforderlichen Temperaturprofil angeordnet sind, durch die Verwendung der Invariante festgelegt werden, die von mindestens einer Messstelle für jedes der Mehrzahl von Heizelemente gewonnen wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Heizbedingungen entweder eine Heiztemperatur, eine Heizdauer, eine Transfergeschwindigkeit des Gegenstandes (1) in dem Heizofen (10) oder eine Strömungsgeschwindigkeit der erhitzten Luft zum Erhitzen des Gegenstandes (1) oder eine Kombination daraus beinhalten.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Heizofen (10) entweder ein Rückfluss-Ofen (10), ein Hitzebehandlungsofen (10), ein Sinterofen (10), ein Backofen, ein Schmelzofen (10) oder eine Verbrennungsanlage ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Invariante ein m-Wert ist, definiert durch:
wobei In ein natürlicher Logarithmus ist, Ta die Heiztemperatur der Messstelle des Heizofens (10), Tint die Anfangstemperatur des Messpunktes des Gegenstandes (1) an der Messstelle, Ts die erzielte Temperatur, wenn der Gegenstand (1) an der Messstelle erhitzt ist, und t die Heizdauer an der Messstelle.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Temperatur Ts des Gegenstandes (1) bestimmt wird, wenn die Heiztemperatur Ta und die Heizdauer t des Heizofens (10) vorgegeben sind, oder die Heiztemperatur Ta und die Heizdauer t bestimmt werden, wenn die erforderliche Temperatur Ts durch die Verwendung der m-Werte vorgegeben ist, basierend auf einer folgenden Basisgleichung zum Erhitzen: Ts = Ta – (Ta – Tint)e–m·r wobei e in der Gleichung den Bezugswert der natürlichen Logarithmen darstellt.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der m-Wert angepasst wird, basierend auf einer vorbestimmten Gleichung zum Verhältnis zwischen der Strömungsgeschwindigkeit der erhitzten Luft und dem m-Wert, wenn die Strömungsgeschwindigkeit der erhitzten Luft des Heizofens (10) verändert wird.
Vorrichtung zum Durchführen von thermischer Analyse, die zum Erhitzen eines Gegenstandes (1) in einem Heizofen (10) zu verwenden ist, wobei diese ein Eingabemittel, einen Speicher und einen Prozessor umfasst, wobei das Eingabemittel Informationen über eine Heizkennung an jedem Messpunkt eines Gegenstandes (1) an jeder Messstelle eines Heizofens (10) als eine einzelne Invariante erzielt, durch die Verwendung der an dem Messpunkt des Gegenstandes (1) gemessenen Temperatur und der Heiztemperatur und Heizdauer an der Messstelle des Heizofens (10), wobei die Heizkennung physikalische Eigenschaften von sowohl dem Heizofen (10) als auch dem zu erhitzenden Gegenstand (1) darstellt, der Speicher eine Logik zur Berechnung eines Heizkennungswertes und eine Basisgleichung zum Erhitzen oder eine Logik zum Berechnen der Temperatur des zu erhitzenden Gegenstandes (1) speichert, durch die Nutzung des Heizkennungswertes so wie auch der Heiztemperatur und der Heizdauer, und der Prozessor entweder den Heizkennungswert oder die Temperatur des Gegenstandes (1) berechnet, entsprechend der Heiztemperatur und der Heizdauer unter Verwendung der Logik und der Basisgleichung zum Erhitzen, die in dem Speicher gespeichert sind, wobei auf diese Weise Veränderungen der physikalischen Eigenschaften und/oder Defekte des Heizofens (10) erfasst werden, durch das periodische Erzielen der Invariante und das Analysieren einer Abweichung der Heizkennung.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Vorrichtung ferner ein Ablesemittel zum Ablesen des Aufnahmemediums einschließt, wobei der Prozessor die entsprechenden Heizbedingungen festlegt, einschließlich der Heiztemperatur und der Heizdauer, wobei diese den erforderlichen Bedingungen des zu erhitzenden Gegenstandes (1) entsprechen können, durch die Anwendung der erforderlichen Bedingungen zum Erhitzen des Gegenstandes (1), erzielt durch das Eingabemittel, den Algorithmus, den das Ablesemittel durch Ablesen des Aufnahmemediums erhält, und den von dem Prozessor errechneten Heizkennungswert.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei der Heizkennungswert ein m-Wert ist, definiert durch:
wobei In ein natürlicher Logarithmus ist, Ta die Heiztemperatur, Tint die Anfangstemperatur des Gegenstandes (1), Ts die erreichte Temperatur, wenn der Gegenstand (1) erhitzt ist und t die Heizdauer.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Basisgleichung zum Erhitzen definiert wird durch: Ts = Ta – (Ta – Tint)e–m·r wobei Ta die Heiztemperatur ist, Tint die Anfangstemperatur des Gegenstandes (1), Ts die erreichte Temperatur, wenn der Gegenstand (1) erhitzt ist, t die Heizdauer, e der Bezugswert der natürlichen Logarithmen und m der Heizkennungswert.
Verfahren zur thermischen Analyse, wobei an jedem Messpunkt eines Gegenstandes (1) an jeder Messstelle einer Kühlausrüstung das Abkühlverhalten als eine einzelne Invariante bestimmt wird, durch die Verwendung der am Messpunkt des Gegenstandes (1) gemessenen Temperatur und der Kühltemperatur und Abkühlzeit an dem Messpunkt der Kühlvorrichtung, wobei dessen Abkühlverhalten physikalische Eigenschaften von sowohl der Kühlausrüstung als auch des abzukühlenden Gegenstandes (1) darstellt, wobei Veränderungen der physikalischen Eigenschaften und/oder Defekte der Kühlausrüstung erfasst werden durch das periodische Erzielen der Invariante und das Analysieren einer Abweichung des Abkühlverhaltens.