FR2797034A1 - Device and procedure for analyzing the heat energy flux received by surfaces undergoing some form of process where they are subjected to a heat flux across a gas or vacuum by use of temperature sensors attached to fixed assemblies - Google Patents
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Abstract
Description
DISPOSITIF DE CONVERSION RECIPROQUE DE TEMPERATURE EN ENERGIE THERMIQUE ECHANGEE A TRAVERS UN MILIEU GAZEUX OU LE VIDE La présente invention concerne un dispositif de conversion de température en énergie thermique échangée à travers un milieu gazeux ou le vide et qui permet réciproquement d'évaluer une température en fonction d'énergies thermiques échangées. Il permet par exemple de surveiller et d'évaluer le mode de transfert de calories, ainsi que la puissance transmise d'une source de calories. Les exemples de mise en oeuvre de l'invention sont pour la plupart donnés dans le domaine de l'assemblage électronique pour le brasage ou la polymérisation de cartes électroniques. The present invention relates to a device for converting temperature into heat energy exchanged through a gaseous medium or vacuum and which makes it possible reciprocally to evaluate a temperature in the form of a heat exchanger. function of thermal energies exchanged. It allows for example to monitor and evaluate the calorie transfer mode, as well as the transmitted power of a source of calories. The exemplary embodiments of the invention are for the most part given in the field of electronic assembly for brazing or polymerization of electronic boards.
Cependant, l'invention peut être appliquée dans d'autres domaines techniques, comme par exemple le séchage de peintures ou d'encres, la cuisson d'aliments, la mesure de températures instantanées dans l'air ambiant, ... However, the invention can be applied in other technical fields, such as, for example, the drying of paints or inks, the cooking of foodstuffs, the measurement of instantaneous temperatures in the ambient air, etc.
Généralement les mesures de flux thermiques reçus par une pièce sont déduits à partir des mesures de températures faites à l'aide d'un thermocouple fixé sur la pièce. Le thermocouple doit être fixé intimement sur la pièce afin que celle-ci transmette sa température par conduction au thermocouple. Il est donc impératif que le thermocouple et son mode de fixation soient le plus petit possible afin de ne pas perturber la mesure. Par contre, il apparaît qu'il n'est pas toujours envisageable de placer un thermocouple sur les pièces et dans ce cas la mesure de température d'une pièce soumise à un flux d'énergie thermique transmis à travers un gaz ou le vide devient délicat et aléatoire. En effet si le thermocouple n'est pas fixé sur la pièce, comme il a une masse thermique et une émissivité inconnues alors que la surface exposée au flux thermique est négligeable, il en découle une mesure imprécise et non représentative de ce que les pièces captent réellement par convection et par rayonnement infrarouge. La présente invention vise à apporter une solution afin d'analyser et de quantifier la nature des flux thermiques<I>générés</I> par radiation et par convection par une source de calories afin de pouvoir agir efficacement sur l'un ou sur l'autre en fonction de leur influence respective sur le produit à traiter. Generally, the heat flow measurements received by a room are deduced from the temperature measurements made using a thermocouple fixed on the room. The thermocouple must be tightly fixed to the part so that it transmits its temperature by conduction to the thermocouple. It is therefore imperative that the thermocouple and its method of attachment are as small as possible so as not to disturb the measurement. On the other hand, it appears that it is not always possible to place a thermocouple on the parts and in this case the temperature measurement of a part subjected to a flow of thermal energy transmitted through a gas or vacuum becomes delicate and random. Indeed, if the thermocouple is not fixed on the part, as it has a thermal mass and an unknown emissivity while the surface exposed to the heat flow is negligible, it results in an imprecise and unrepresentative measurement of what the parts capture actually by convection and infrared radiation. The present invention aims to provide a solution in order to analyze and quantify the nature of the thermal fluxes <I> generated by radiation and convection by a source of calories in order to be able to act effectively on one or the other. other depending on their respective influence on the product to be treated.
Le brasage de composants électroniques ou la polymérisation de colles dans un four, consiste à interconnecter des composants, généralement montés en surface, sur un substrat par le biais d'une crème à braser ou d'une colle. La refusion de la crème à braser ou la polymérisation de la colle est obtenue grâce à un cycle thermique généré habituellement par un générateur de calories dans lequel le produit va défiler. L'objectif étant de faire subir le même cycle de température à chaque site â interconnecter, or comme les composants présentent des masses thermiques, des formes et des émissivités très variables, ceci est rendu difficile voir impossible à réaliser. The brazing of electronic components or the polymerization of adhesives in an oven involves interconnecting components, usually surface mounted, on a substrate by means of a solder cream or glue. The reflow of the solder paste or the polymerization of the glue is achieved through a thermal cycle usually generated by a calorie generator in which the product will scroll. The objective being to subject the same temperature cycle to each site to be interconnected, but as the components have heat masses, shapes and emissivities very variable, this is difficult or impossible to achieve.
Pour braser des composants sur une carte électronique à l'aide de crème à braser, il est impératif de respecter un profil thermique ou plus précisément un intervalle de tolérance appelé fenêtre thermique, constitué de deux profils thermiques extrêmes. Ces deux profils thermiques extrêmes représentent les limites supérieures et inférieures au-delà desquelles la qualité des brasures n'est plus optimum et où l'on risque de générer des pannes en cours de production ou encore de réduire considérablement la durée de vie d'un produit électronique. To braze components on an electronic card with solder cream, it is imperative to respect a thermal profile or more precisely a tolerance range called thermal window, consisting of two extreme thermal profiles. These two extreme thermal profiles represent the upper and lower limits beyond which the quality of the brazing is no longer optimal and where there is a risk of generating faults during production or considerably reducing the service life of a machine. electronic product.
Une fenêtre thermique adaptée à la refusion des crèmes à braser en électronique comprend donc généralement - une première zone de montée en température, qui permet l'évaporation des solvants légers, - une deuxième zone d'activation de la partie active contenue dans la crème à braser qui permet de décaper les surfaces à braser, - une troisième zone qui permet de réaliser l'intermétallique ainsi que la structure métallurgique nécessaire à une brasure de bonne qualité. A thermal window suitable for the reflow of soldering creams in electronics therefore generally comprises - a first temperature rise zone, which allows the evaporation of light solvents, - a second activation zone of the active part contained in the cream. brazing which makes it possible to etch the soldering surfaces, - a third zone which makes it possible to perform the intermetallic as well as the metallurgical structure necessary for a braze of good quality.
En plus des conditions de réalisation de brasures de qualité optimum, il faut également veiller à ce que le paramétrage du four ne génère pas des variations trop brutales ainsi que des pics de températures susceptibles d'endommager des composants électroniques ou le substrat. In addition to the conditions of realization of optimum quality brazing, it must also be ensured that the setting of the furnace does not generate too sudden variations as well as peaks of temperatures likely to damage electronic components or the substrate.
Le même inventeur a mis à disposition des ateliers de fabrication électroniques des fenêtres thermiques en fonction de la durée de séjour de la carte dans le four, qui prennent en compte les contraintes précédemment citées. Ces fenêtres thermiques sont rassemblées dans une base de données et commercialisée par l'intermédiaire du logiciel NOVATEC depuis 1995. The same inventor has made available to electronic manufacturing workshops thermal windows depending on the length of stay of the card in the oven, which take into account the constraints mentioned above. These thermal windows are gathered in a database and marketed via NOVATEC software since 1995.
Les fours utilisés en assemblage électronique se présentent habituellement sous forme d'un tunnel ou d'une tour dans lequel le produit à braser va défiler. Furnaces used in electronic assembly are usually in the form of a tunnel or a tower in which the product to be soldered will run.
Plusieurs zones sont réparties tout au long du four et vont permettre d'exposer le produit électronique soit à des émetteurs infrarouges, soit à des flux d'air ou d'azote forcés dans le cas des fours dits convectifs. Le réglage du profil thermique sur une carte est obtenu par modification des températures de consignes de chaque zone et ou par la vitesse de déplacement du produit dans le four, sachant que dans la majorité des cas, il est possible d'ajuster les températures des zones situées au-dessus et en dessous des produits à braser de façon indépendante. Several zones are distributed throughout the furnace and will allow to expose the electronic product to either infrared emitters or forced air or nitrogen flow in the case of so-called convective furnaces. The setting of the thermal profile on a card is obtained by modifying the setpoint temperatures of each zone and or by the speed of movement of the product in the oven, knowing that in the majority of the cases, it is possible to adjust the temperatures of the zones. located above and below the brazing products independently.
II apparaît qu'il peut être très difficile de paramétrer certains types de fours de manière à respecter des fenêtres thermiques imposées, quelquefois même on peut aboutir à des impossibilités, car par exemple les masses thermiques et les formes des composants présents sur la carte sont trop hétérogènes ou encore parce que les différences d'émissivité de certains composants empêchent de rassembler suffisamment les profils thermiques subits par les différents sites à braser pour être encadrés par la fenêtre thermique correspondante. Ceci est de plus en plus vrai sur les cartes électroniques modernes sur lesquelles cohabitent de plus en plus de fonctionnalités, et donc de sources d'hétérogénéité thermique et sur lesquelles on utilise de plus en plus souvent des composants à billes qui ont la particularité de présenter leurs entrées-sorties à braser sur leur face inférieure cachée par rapport aux éléments chauffants des fours. Pour homogénéiser les profils thermiques sur des produits de plus en plus hétérogènes, on assiste depuis plusieurs années à une évolution technique des fours qui consiste à réduire de plus en plus la part de chauffage par rayonnement infrarouge et de favoriser le chauffage par convection forcée. En effet l'énergie transmise par convection est indépendante de l'émissivité des différents composants présents sur les produits électroniques à braser, ce qui a pour conséquence d'enlever une source d'hétérogénéité de température. Par contre, il apparaît également qu'une partie du chauffage par rayonnement infrarouge est toujours présente dans les fours dits convectifs non seulement, car les parois chaudes du four émettent forcément des rayonnements infrarouges, mais également car elle est souhaitable pour atteindre le pic de refusion de la crème à braser. En effet, la puissance transmise par la convection forcée seule n'est pas suffisante ou alors ceci nécessiterait des vitesses de flux convectifs ou des températures incompatibles avec l'application. Par conséquent le rayonnement infrarouge reste présent pour partie dans les fours et il apparaît même que pour éviter de déplacer des composants lors de l'étape de refusion par les flux convectifs, certains fabricants de four combinent de façon astucieuse la part de rayonnement et de convection sans avoir le moyen de contrôler et de quantifier les différentes parts. Généralement, pour régler ou vérifier la stabilité dans 1e temps d'un profil thermique pour une carte et un four donné, on dispose des thermocouples sur une carte électronique équipée de composants identiques à celles qui doivent être produites, puis la carte ainsi équipée est passée dans le four avec un enregistreur qui permettra de visualiser le profil thermique subit par les thermocouples tout au long du passage dans le four. It appears that it can be very difficult to set certain types of furnaces so as to respect imposed thermal windows, sometimes even one can lead to impossibilities, because for example the thermal masses and the shapes of the components present on the map are too much heterogeneous or because the differences in emissivity of some components prevent sufficiently collect the thermal profiles suffered by the different sites to be brazed to be framed by the corresponding thermal window. This is more and more true on the modern electronic cards on which coexist more and more functionalities, and thus of sources of thermal heterogeneity and on which we use more and more often ball components which have the peculiarity to present their input-outputs to braze on their underside hidden from the furnace heating elements. To homogenize the thermal profiles on increasingly heterogeneous products, we have been witnessing for several years a technical evolution of the furnaces which consists in reducing more and more the part of heating by infrared radiation and to favor heating by forced convection. In fact, the energy transmitted by convection is independent of the emissivity of the various components present on the electronic products to be brazed, which has the consequence of removing a source of temperature heterogeneity. On the other hand, it also appears that part of the heating by infrared radiation is still present in so-called convective furnaces not only because the hot walls of the furnace necessarily emit infrared radiation, but also because it is desirable to reach the remelting peak. solder cream. Indeed, the power transmitted by forced convection alone is not sufficient or it would require convective flow rates or temperatures incompatible with the application. As a result, the infrared radiation remains partly present in the furnaces and it even appears that in order to avoid displacing components during the reflow step by the convective flows, some oven manufacturers cleverly combine the part of radiation and convection. without having the means to control and quantify the different parts. Generally, in order to adjust or check the stability in time of a thermal profile for a given card and oven, thermocouples are available on an electronic card equipped with components identical to those which must be produced, then the card thus equipped is passed. in the oven with a recorder that will display the thermal profile experienced by the thermocouples throughout the passage in the oven.
On comprend dès lors qu'il est important de choisir les sites de fixation des thermocouples afin d'enregistrer le profil thermique le plus froid et le plus chaud de la carte afin de pouvoir les comparer à une fenêtre thermique. Or l'opérateur ne dispose d'aucune information lui permettant de sélectionner à priori ces deux sites extrêmes, si ce n'est son expérience et le volume des composants qui donnent une indication approximative sur la masse thermique. It is therefore understandable that it is important to choose the sites for fixing the thermocouples in order to record the coldest and hottest thermal profile of the card in order to compare them to a thermal window. But the operator has no information allowing him to select a priori these two extreme sites, except his experience and the volume of components that give an approximate indication of the thermal mass.
Il reste donc toujours une incertitude sur la fiabilité des enregistrements avec ce type de relevé de profils thermiques car on n'est jamais sûr d'avoir mesuré les profils thermiques extrêmes de la carte. D'autre part, la fixation des thermocouples nécessite l'utilisation d'un alliage d'apport ou d'une colle de masse thermique et d'émissivité inconnus ce qui a pour effet de fausser la mesure. De plus, la durée de vie d'un tel véhicule de mesure est limitée et après une dizaine de cycles thermiques le substrat est déjà noirci ce quia pour effet de changer son émissivité et donc la mesure de température ne reflétera plus la température atteinte sur les cartes de production. Sachant d'autre part, que la réalisation d'un tel véhicule de mesure est longue et fastidieuse, on comprend que les fabricants de cartes électroniques soient demandeurs d'une solution plus fiable, plus rapide et moins coûteuse. So, there is still uncertainty about the reliability of the recordings with this type of thermal profiles because we are never sure to have measured the extreme thermal profiles of the map. On the other hand, the fixing of the thermocouples requires the use of a filler alloy or a thermal mass adhesive and unknown emissivity which has the effect of distorting the measurement. In addition, the life of such a measuring vehicle is limited and after about ten thermal cycles the substrate is already blackened which has the effect of changing its emissivity and therefore the temperature measurement will no longer reflect the temperature reached on them. production cards. Knowing on the other hand, that the realization of such a measurement vehicle is long and tedious, it is understood that the manufacturers of electronic cards are seeking a more reliable, faster and less expensive.
Dans le cas de réalisation de cartes prototypes ou de têtes de série, il est impensable de détruire une carte pour contrôler le profil de température, donc ici encore les fabricants de cartes sont demandeurs d'un moyen universel de vérification du paramétrage du four. In the case of production of prototype cards or heads of series, it is unthinkable to destroy a card to control the temperature profile, so here again the card manufacturers are seeking a universal means of verification of the setting of the oven.
Pour répondre à cette attente, certains fabricants proposent d'équiper le four avec des thermocouples répartis tout au long du four, ainsi ils sont en mesure de suivre approximativement l'ambiance qui règne dans l'enceinte. To meet this expectation, some manufacturers propose to equip the oven with thermocouples distributed throughout the oven, so they are able to roughly follow the atmosphere in the enclosure.
L'inconvénient de cette méthode est qu'elle ne tient pas compte des masses thermiques et des surfaces des composants et de plus comme l'émissivité des thermocouples est inconnue, elle ne donne qu'une vague idée du cycle thermique lié à la part convective alors que l'énergie reçue par rayonnement infrarouge est totalement aléatoire. En effet, cette méthode de mesure d'ambiance ne permet en aucun cas de déterminer le profil thermique que subira un produit réel. The disadvantage of this method is that it does not take into account the thermal masses and the surfaces of the components and moreover as the emissivity of the thermocouples is unknown, it gives only a vague idea of the thermal cycle related to the convective part while the energy received by infrared radiation is totally random. Indeed, this method of ambient measurement does not in any case to determine the thermal profile that will undergo a real product.
Le brevet US4770541 décrit un capteur de rayonnement et son mode de réalisation. Cette invention vise à fournir un capteur capable de donner une idée du rayonnement reçu par la face supérieure du capteur par la mesure de la différence de température entre deux capteurs d'émissivité opposée. Elle ne permet pas de quantifier la part convective et radiative qui intervient dans le chauffage ainsi que la sensibilité du moyen de chauffage aux masses thermiques. D'ailleurs ce n'est pas l'objet recherché puisque le but dans ce cas n'est pas de fournir un capteur d'évaluation, de contrôle de paramétrage d'un four. En particulier, la part convective est neutralisée par un confinement des capteurs ou par des éléments chauffants comme dans le brevet US5010315. US Pat. No. 4,770,541 describes a radiation sensor and its embodiment. This invention aims to provide a sensor capable of giving an idea of the radiation received by the upper face of the sensor by measuring the difference in temperature between two opposite emissivity sensors. It does not make it possible to quantify the convective and radiative part involved in the heating as well as the sensitivity of the heating means to the thermal masses. Moreover, this is not the object sought since the purpose in this case is not to provide an evaluation sensor for controlling the setting of an oven. In particular, the convective part is neutralized by a confinement of the sensors or by heating elements as in the patent US5010315.
La présente invention vise à apporter une solution aux différents problèmes et demandes rencontrés par l'homme de l'art. The present invention aims to provide a solution to the various problems and demands encountered by those skilled in the art.
Le dispositif selon l'invention consiste en un moyen de conversion de la température en énergie thermique échangée à travers un milieu gazeux ou le vide et réciproquement de déterminer une température en fonction d'énergies thermiques échangées. I1 permet en particulier de quantifier les flux d'énergies infrarouges et convectifs transmis par le four à tout moment d'un cycle de température. Connaissant à tout moment la nature et la valeur des flux thermiques - on peut déduire les profils de températures subits par les différents sites ou pièces du produit à chauffer, - on peut vérifier la stabilité d'un réglage au fil du temps, - on dispose d'un outil universel qui permet de vérifier le bon paramétrage ainsi que la qualité intrinsèque d'un four par rapport à une application, - on peut établir les écarts thermiques maximum pour chaque produit, - on peut déterminer le paramétrage nécessaire pour respecter une fenêtre thermique. The device according to the invention consists of a means of converting the temperature into thermal energy exchanged through a gaseous medium or vacuum and vice versa to determine a temperature as a function of thermal energies exchanged. In particular, it makes it possible to quantify the infrared and convective energy fluxes transmitted by the oven at any time during a temperature cycle. Knowing at all times the nature and the value of the heat flows - we can deduce the temperature profiles experienced by the different sites or parts of the product to be heated, - we can check the stability of a setting over time, - we have of a universal tool which makes it possible to check the good parameterization as well as the intrinsic quality of an oven compared to an application, - one can establish the maximum thermal differences for each product, - one can determine the parameterization necessary to respect a window thermal.
La présente invention se caractérise essentiellement en ce qu'elle met en oeuvre - un premier ensemble composé d'un collecteur thermique et d'un capteur de température, que ledit ensemble a une émissivité proche de un, une masse thermique négligeable et une grande surface exposée aux flux thermiques, - un deuxième ensemble composé d'un collecteur thermique et d'un capteur de température, identique au premier ensemble mais qui présente une émissivité proche de zéro. The present invention is essentially characterized in that it uses - a first set composed of a thermal collector and a temperature sensor, that said set has an emissivity close to one, a negligible thermal mass and a large surface area exposed to heat flows, - a second set consisting of a thermal collector and a temperature sensor, identical to the first set but which has an emissivity close to zero.
Les deux collecteurs sont orientés et disposés de façon identique et peuvent soit être déplacés par rapport au générateur de calories, soit être fixes. Les deux capteurs sont reliés à un système enregistreur, de cette façon les températures atteintes par les deux ensembles sont intégralement transmises à un enregistreur et permettent de déterminer à chaque instant, par calcul, la part d'énergie transmise par convection et celle transmise par rayonnement infrarouge. Both collectors are orientated and arranged identically and can either be moved relative to the calorie generator or be fixed. The two sensors are connected to a recording system, in this way the temperatures reached by the two sets are integrally transmitted to a recorder and make it possible to determine at each instant, by calculation, the share of energy transmitted by convection and that transmitted by radiation. infrared.
Les collecteurs sont constitués d'une surface réceptrice et orientés de façon identique que le corps à chauffer par rapport aux flux thermiques et qui présente une masse thermique divisée par la surface exposée aux flux thermiques faible par rapport à celle des pièces à chauffer, et d'un thermocouple fixé sur la dite surface par le biais de tout moyen connu de telle sorte que la mesure ne soit pas perturbée. II est également envisageable de remplacer le thermocouple par une thermistance ou tout autre capteur connu, à condition que sa masse thermique et sa surface ne constituent pas une perturbation aux variations de température du collecteur. En effet, une masse thermique importante nuirait à la sensibilité du dispositif. The collectors consist of a receiving surface and oriented in the same way as the body to be heated with respect to the thermal flows and which has a thermal mass divided by the surface exposed to low heat fluxes relative to that of the parts to be heated, and a thermocouple fixed on said surface by any means known so that the measurement is not disturbed. It is also conceivable to replace the thermocouple with a thermistor or any other known sensor, provided that its thermal mass and its surface do not constitute a disturbance to temperature variations of the collector. Indeed, a significant thermal mass would harm the sensitivity of the device.
Ainsi donc, il est possible suivant les profils thermiques subis par les deux ensembles de déterminer par calcul les flux thermiques transmis par rayonnement infrarouge et par convection par le four à un paramétrage donné. Thus, it is possible according to the thermal profiles undergone by the two sets to determine by calculation the thermal flows transmitted by infrared radiation and convection by the oven at a given parameter setting.
En effet, la montée en température d'un corps soumis à un flux d' énergie est régie par l'équation différentielle suivante
dT : étant la variation de température pendant l'intervalle de temps dt (D to,al : étant le flux d'énergie total reçu par le corps. Indeed, the rise in temperature of a body subjected to a flow of energy is governed by the following differential equation
dT: being the temperature variation during the time interval dt (D to, al: being the total energy flux received by the body.
m : étant la masse du corps c : étant la chaleur massique du corps. m: being the mass of the body c: being the mass heat of the body.
D'autre part, le flux d'énergie total reçu par le corps s'écrit Total - (Pconvectif +<I>reçu</I> par rayonnement infrarouge - (Dréémïs par rayonnement infrarouge reçu par conduction Or le flux convectif s 'écrit: ctif - S h (Tr - Tc) h : étant le coefficient de transfert thermique en W m-2 K-1 S : étant la surface soumise au flux. On the other hand, the total energy flux received by the body is written Total - (Pconvective + <I> received </ I> by infrared radiation - (Dreemized by infrared radiation received by conduction Or the convective flux is written : ctif - S h (Tr - Tc) h: being the heat transfer coefficient in W m-2 K-1 S: being the surface subjected to the flux.
et les flux reçus et réémis par rayonnement s'écrivent Infrarouge reçu = S E E IR <B>Infrarouge</B> réémis _ - S E <B>a</B> TC 4 c r: étant la constante de Stéfan = 5,67 10-g W m'' K-4 Tc : étant la température du corps Te : étant la température du fluide E : étant 1 'émissivité du corps EBZ : étant l'énergie reçue par rayonnement infrarouge. and the fluxes received and re-emitted by radiation are written Infrared received = SEE IR <B> Infrared </ b> re-emitted _ - SE <B> a </ B> TC 4 cr: being the constant of Stéfan = 5.67 10 K-4 Tc: being the temperature of the body Te: being the temperature of the fluid E: being the emissivity of the body EBZ: being the energy received by infrared radiation.
Par conséquent pour un corps qui n'échange pas de calories par conduction, on peut écrire
Or pour deux ensembles identiques et dont la température de chacun est connue à tout moment, et dont l'un a une émissivité sB et une température TB et l'autre une émissivité EN et une température TN , on peut en déduire la valeur de l'énergie reçue par rayonnement infrarouge.
Ainsi on peut également en déduire l'énergie transmise par convection. Selon une autre caractéristique de la présente invention, il est possible par le calcul inverse et en connaissant, pour un paramétrage donné, la part de rayonnement et de convection du four, de calculer le profil thermique que subira une pièce disposée de façon identique aux collecteurs, de masse thermique, d'émissivité et de surface exposée aux flux thermiques connus. Therefore for a body that does not exchange calories by conduction, one can write
However, for two identical sets whose temperature is known at any time, one of which has an emissivity sB and a temperature TB and the other an emissivity EN and a temperature TN, we can deduce the value of the energy received by infrared radiation.
Thus one can also deduce the energy transmitted by convection. According to another characteristic of the present invention, it is possible by the inverse calculation and knowing, for a given parameterization, the radiation and convection portion of the furnace, to calculate the thermal profile that will undergo a piece arranged identically to the collectors thermal mass, emissivity and surface exposed to known heat fluxes.
Selon une autre caractéristique de l'invention le suivi et la surveillance des profils thermiques des deux ensembles permettent de vérifier la stabilité d'un paramétrage donné au fil du temps. En effet l'encrassement d'un four aura pour effet par exemple de modifier l'émissivité des parois du four et par conséquent ceci sera détectable par le premier ensemble, de même la défaillance d'un émetteur infrarouge ou d'un générateur de flux d'air ou d'azote pourra être détectée de la sorte et provoquer le déclenchement d'une action corrective ou d'une maintenance préventive sur le générateur de calories. De cette façon la surveillance du four ne nécessite plus de sacrifier des cartes pour vérifier l'adéquation des paramétrages avec l'application. Selon une autre caractéristique de la présente invention, l'écart de température sur les profils thermiques du premier et du deuxième ensemble est proportionnel à la sensibilité du générateur de calories aux variations d'émissivité des différentes pièces ou parties du produit à chauffer. According to another characteristic of the invention, the monitoring and the monitoring of the thermal profiles of the two sets make it possible to check the stability of a given parameterization over time. In fact the fouling of an oven will for example have the effect of modifying the emissivity of the walls of the oven and consequently this will be detectable by the first set, likewise the failure of an infrared emitter or a flow generator air or nitrogen can be detected in this way and cause the triggering of corrective action or preventive maintenance on the calorie generator. In this way the monitoring of the oven no longer requires sacrificing cards to check the suitability of the settings with the application. According to another characteristic of the present invention, the temperature difference on the thermal profiles of the first and second set is proportional to the sensitivity of the calorie generator to the emissivity variations of the different parts or parts of the product to be heated.
Selon une autre caractéristique de l'invention, en adjoignant un troisième ensemble identique au deuxième mais ayant une masse thermique identique ou supérieure à la plus grosse pièce constituant le produit à chauffer dans le four, on peut visualiser de façon instantanée les profils thermiques extrêmes dont le produit à chauffer peut être le siège suivant les profils thermiques subits par le premier et le troisième ensemble. According to another characteristic of the invention, by adding a third assembly identical to the second but having a thermal mass identical to or greater than the largest piece constituting the product to be heated in the oven, it is possible to instantaneously visualize the extreme thermal profiles of which the product to be heated may be the seat according to the thermal profiles undergone by the first and the third set.
Selon une autre caractéristique de la présente invention, l'écart de température sur les profils thermiques du premier et du troisième ensemble est proportionnel à la sensibilité du générateur de calories aux différences de masses thermiques des différentes pièces ou parties du produit à chauffer. According to another characteristic of the present invention, the temperature difference on the thermal profiles of the first and third set is proportional to the sensitivity of the calorie generator to the differences in thermal masses of the different parts or parts of the product to be heated.
Selon une autre caractéristique de la présente invention, il est possible de porter un jugement de valeur objectif sur un four par rapport à une application déterminée. Par exemple, pour le brasage d'une carte électronique on cherchera un four étant le moins sensible aux différences d'émissivités ou de masses thermiques, alors que pour une application de séchage de peinture on cherchera par exemple à favoriser la part de rayonnement infrarouge. According to another characteristic of the present invention, it is possible to make an objective value judgment on an oven with respect to a given application. For example, for the brazing of an electronic card we will look for a furnace being the least sensitive to differences in emissivity or thermal masses, while for a paint drying application we will seek for example to promote the share of infrared radiation.
La présente invention pourra donc avantageusement être utilisée comme outil de qualification d'un four pour une application définie ou de comparaison de fours de différents fabricants ou encore de comparaison de deux fours réputés identiques du même fabricant. The present invention may therefore advantageously be used as a tool for qualifying an oven for a defined application or for comparing furnaces of different manufacturers or for comparing two identical furnaces of the same manufacturer.
Selon une autre caractéristique de l'invention, comme le premier ensemble à une masse thermique divisée par la surface exposée aux flux thermiques inférieure ou égale aux plus petites pièces à chauffer et une émissivité supérieure ou égale à ces mêmes pièces, on peut dire que le profil thermique correspondant à cet ensemble représente le profil thermique maximum atteignable sur le produit à chauffer. A l'opposé comme le troisième ensemble a une émissivité inférieure ou égale aux plus grosses pièces à chauffer et une masse thermique supérieure ou égale à ces dernières, il est possible de dire que le profil thermique subit par cet ensemble représente le profil minimum atteignable sur le produit à chauffer. En effet les différents phénomènes de conductions ou d'interférences thermiques entre les pièces d'un même produit ne pourront conduire qu'à obtenir des profils thermiques intermédiaires des deux extrêmes précédemment mesurés. According to another characteristic of the invention, as the first set with a thermal mass divided by the surface exposed to the thermal fluxes less than or equal to the smallest parts to be heated and an emissivity greater than or equal to these same parts, it can be said that the Thermal profile corresponding to this set represents the maximum thermal profile achievable on the product to be heated. On the other hand, since the third set has an emissivity smaller than or equal to the largest pieces to be heated and a thermal mass greater than or equal to the latter, it is possible to say that the thermal profile undergone by this set represents the minimum attainable profile. the product to be heated. Indeed the different phenomena of conduction or thermal interference between the parts of the same product will lead only to obtain intermediate thermal profiles of the two previously measured extremes.
Par conséquent le dispositif selon l'invention permet de façon immédiate de vérifier que le paramétrage d'un four peut être acceptable ou non. En effet dans le cas ou les profils thermiques extrêmes du premier et du troisième ensemble sont compris dans la fenêtre thermique que le fabricant de cartes aura imposée on pourra donc dire de façon certaine que le paramétrage du four est acceptable de même si le profil thermique correspondant au premier ensemble est inférieur à la limite basse de la fenêtre thermique, ou encore, si le profil thermique du troisième ensemble est supérieur à la limite haute de la fenêtre thermique, on pourra conclure de façon immédiate que le paramétrage du four est mauvais. Therefore the device according to the invention allows immediately to verify that the setting of an oven may be acceptable or not. Indeed, in the case where the extreme thermal profiles of the first and third set are included in the thermal window that the card manufacturer has imposed it can be said certainly that the setting of the oven is acceptable even if the corresponding thermal profile the first set is lower than the low limit of the thermal window, or if the thermal profile of the third set is greater than the upper limit of the thermal window, it can be concluded immediately that the setting of the oven is bad.
Dans le cas particulier d'une carte électronique sur laquelle on souhaite braser ou polymériser des composants montés en surface, il apparaît que le circuit imprimé empêche le rayonnement ou le flux convectif de chauffer directement les composants par le dessous. Il est donc possible dans ce cas, que suivant le paramétrage du four, le circuit imprimé va transmettre par conduction un flux de calories positif ou négatif aux composants situés sur sa face supérieure ou encore le circuit imprimé constituera une barrière isolante par rapport au chauffage généré par la partie inférieure du four. Dans ce cas pour déterminer les profils thermiques extrêmes dont la carte peut être le siège il est avantageux, en plus des trois ensembles précédents qui permettent de capter les flux d'énergie sur leur face supérieure et inférieure, de juxtaposer trois autres ensembles rigoureusement identiques aux trois premiers mais qui sont isolés thermiquement des flux thermiques provenant de la partie inférieure du four et sont également reliés à l'enregistreur de température Cette disposition permet selon le même principe que décrit précédemment de déterminer les flux de rayonnement infrarouges et convectifs issus uniquement de la partie supérieure du four. Ces trois ensembles additionnels permettent également de déterminer de façon certaine les profils thermiques extrêmes dont la carte peut être le siège quel que soit le paramétrage du four et quel que soit le comportement thermique du substrat. En effet le profil thermique le plus chaud possible sera le plus chaud entre celui du premier ensemble et l'ensemble identique au premier mais isolé sur sa face inférieure alors que le profil thermique le plus froid possible sera le plus froid entre celui du troisième ensemble et l'ensemble identique isolé sur la face inférieure. In the particular case of an electronic board on which it is desired to solder or polymerize surface-mounted components, it appears that the printed circuit prevents the radiation or the convective flow from directly heating the components from below. It is therefore possible in this case, that according to the setting of the oven, the printed circuit will transmit by conduction a flow of calories positive or negative to the components located on its upper face or the printed circuit will be an insulating barrier compared to the heating generated by the lower part of the oven. In this case, in order to determine the extreme thermal profiles of which the map may be the seat, it is advantageous, in addition to the three preceding sets which make it possible to capture the energy flows on their upper and lower faces, to juxtapose three other rigorously identical sets with the first three but which are thermally insulated heat flows from the lower part of the oven and are also connected to the temperature recorder This provision allows according to the same principle as described above to determine infrared and convective radiation flows from only the upper part of the oven. These three additional sets also make it possible to determine with certainty the extreme thermal profiles which the board can be the seat regardless of the setting of the oven and regardless of the thermal behavior of the substrate. Indeed, the hottest thermal profile possible will be the warmest between that of the first set and the set identical to the first but isolated on its lower face while the coldest possible thermal profile will be the coldest between that of the third set and the identical set isolated on the underside.
Dans le même esprit, si l'on veut déterminer les flux thermiques provenant d'une direction donnée, il suffit de disposer un isolant thermique sur le côté opposé de la pièce par rapport à cette direction D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description ci-après de deux formes de réalisation de l'invention données à titre d'exemples non limitatifs et illustrées par les dessins joints. In the same spirit, if one wants to determine the thermal fluxes from a given direction, it is sufficient to have a thermal insulator on the opposite side of the part with respect to this direction. Other features and advantages of the invention will appear on reading the following description of two embodiments of the invention given by way of non-limiting examples and illustrated by the accompanying drawings.
En figure 1 est représentée une vue en perspective du dispositif selon l'invention qui permet de quantifier les flux d'énergie reçus dans un générateur de calories. FIG. 1 shows a perspective view of the device according to the invention which makes it possible to quantify the energy flows received in a calorie generator.
En figure 2 est représenté un graphique qui montre la part de rayonnement et de convection calculée à partir des mesures faites avec le dispositif selon la présente invention. In Figure 2 is shown a graph which shows the share of radiation and convection calculated from the measurements made with the device according to the present invention.
En figure 3 est représentée une vue en perspective d'une autre forme de réalisation de l'invention particulièrement adaptée aux cartes électroniques. In Figure 3 is shown a perspective view of another embodiment of the invention particularly suitable for electronic cards.
En figure 4 est représenté un graphique qui montre un exemple de fenêtre thermique que les fabricants de cartes électroniques s'imposent, superposé avec les profils de température enregistrés avec un dispositif selon la présente invention. FIG. 4 shows a graph showing an example of a thermal window that electronic card manufacturers impose, superimposed with the temperature profiles recorded with a device according to the present invention.
En figure 5 est représentée une coupe d'un four, sur le convoyeur duquel on a fixé un dispositif selon la présente invention. In Figure 5 is shown a section of an oven, on the conveyor which is attached a device according to the present invention.
En référence à ces dessins, le dispositif selon la présente invention comporte - un premier ensemble (A) composé d'un collecteur (1) et d'un capteur (2), dont la masse thermique divisée par la surface exposée aux flux thermiques est faible par rapport à la ou les pièces constitutives du produit à chauffer et dont l'émissivité est proche de un. Pour atteindre une valeur d'émissivité proche de un, on pourra enduire les deux faces du collecteur avec une peinture noire mate haute température, ainsi on obtient une valeur d'émissivité de l'ordre de 0,9. With reference to these drawings, the device according to the present invention comprises - a first assembly (A) composed of a collector (1) and a sensor (2), whose thermal mass divided by the surface exposed to the heat flows is low compared to the component or parts of the product to be heated and whose emissivity is close to one. To reach an emissivity value close to one, the two faces of the collector can be coated with a high-temperature matte black paint, thus obtaining an emissivity value of the order of 0.9.
- un ensemble (B) composé d' un collecteur (3) et d'un capteur (4), rigoureusement identique â l'ensemble (A), mais ayant une émissivité proche de zéro, par exemple par enduction des deux faces du collecteur par une peinture au chrome ce qui donne une valeur d'émissivité de l'ordre de 0,1. Les deux ensembles présentent des surfaces exposées aux flux thermiques identiques et sont constitués par le même matériau. Des collecteurs (1) et (3) à en aluminium de cent microns d'épaisseur et de dimension trente millimètres par trente millimètres, dont le rapport de la masse thermique (produit de la masse par la chaleur massique de la pièce) par la surface exposée aux flux thermiques est de<B>1,11</B> 10-'KJ K"' mm"', donnent des résultats adaptés aux cartes électroniques. - A set (B) composed of a collector (3) and a sensor (4), strictly identical to the set (A), but having an emissivity close to zero, for example by coating the two faces of the collector by a chromium paint which gives an emissivity value of the order of 0.1. Both sets have surfaces exposed to identical heat flows and are made of the same material. Collectors (1) and (3) to aluminum of one hundred microns thick and thirty millimeters by thirty millimeters, whose ratio of the thermal mass (product of the mass by the specific heat of the part) by the surface exposed to heat fluxes is <B> 1.11 </ B> 10 -KJ K "'mm"', give results adapted to electronic boards.
Les deux ensembles sont fixés sur une plaque support (12) par le biais de pièces (8) de très faible section et dont la conductivité thermique est pratiquement nulle et chaque collecteur (1) et (3) est respectivement équipé d'un capteur (2) et (4) relié à un enregistreur de température (7) de tout type connu. The two sets are fixed on a support plate (12) by means of parts (8) of very small section and whose thermal conductivity is practically zero and each manifold (1) and (3) is respectively equipped with a sensor ( 2) and (4) connected to a temperature recorder (7) of any known type.
La figure 2 montre un graphique donnant la part de rayonnement (13) et de convection (14) en KWlmz reçue en fonction du temps dans le générateur de calories. Ces courbes sont obtenues selon le calcul précédemment développé. Fig. 2 shows a graph giving the radiation (13) and convection (14) share in KW1mz received as a function of time in the calorie generator. These curves are obtained according to the calculation previously developed.
La figure 3 montre une variante de la présente invention particulièrement adaptée à l'opération de brasage ou de polymérisation des cartes électroniques, qui fait apparaître un ensemble (C) constitué d'un collecteur (5) en aluminium de (2) mm d'épaisseur de dimension trente millimètres par trente millimètres, dont le rapport de la masse thermique (produit de la masse par la chaleur massique de la pièce) par la surface exposée aux flux thermiques est de 2,28 10-6 KJK-' MM-2 et d'un capteur (6). Une plaque support (12) comporte les six collecteurs (1), (3) et (5) et respectivement (9), (10) et (l 1) identiques qui constituent avec leur capteur respectif, les ensembles (D), (E) et (F). Les ensembles (D), (E) et (F) sont isolés des flux thermiques provenant de la partie inférieure par le biais de (14) qui peut être de la mousse silicone qui est espacée de la face inférieure des collecteurs par une couche d'air ou de vide. De cette façon, il est possible de déterminer la part d'énergie provenant de la partie supérieure. En effet, dans ces conditions et selon une autre caractéristique de l'invention, le profil thermique que subira une pièce de masse thermique, d'émissivité, de volume, de surface exposée aux flux thermiques connus et disposée de façon identique aux collecteurs, peut être déterminé grâce aux ensembles (A) et (B) si on considère que la dite pièce capte les flux thermiques supérieurs et inférieurs ou (D) et (E) si on considère que la dite pièce capte les flux thermiques uniquement de la partie supérieure. Il est clair, comme cela a été expliqué précédemment, qu'il suffirait d'isoler thermiquement la face supérieure des collecteurs pour déterminer les flux thermiques issus de la partie inférieure du four. Ainsi, selon que le circuit imprimé se comporte comme un isolant thermique par rapport aux flux d'énergie de la partie inférieure du four ou non, ainsi que du paramétrage de ce dernier, on peut déterminer de façon certaine les profils thermiques extrêmes dont la carte électronique peut être le siège. En effet le profil thermique le plus chaud atteignable sur la carte est le plus chaud enregistré entre les ensembles (A) et (D) alors que le plus froid atteignable sur la carte est le plus froid enregistré entre les ensembles (C) et (F). FIG. 3 shows a variant of the present invention that is particularly suitable for the brazing or polymerization operation of the electronic cards, which reveals an assembly (C) consisting of an aluminum collector (5) of (2) mm diameter. Thickness of dimension thirty millimeters by thirty millimeters, whose ratio of the thermal mass (product of the mass by the specific heat of the part) by the surface exposed to the heat fluxes is 2.28 10-6 KJK- 'MM-2 and a sensor (6). A support plate (12) comprises the six identical collectors (1), (3) and (5) and (9), (10) and (11) which together with their respective sensors constitute the sets (D), ( E) and (F). The assemblies (D), (E) and (F) are isolated from the heat flows from the bottom through (14) which may be silicone foam which is spaced from the underside of the collectors by a layer of water. air or vacuum. In this way, it is possible to determine the amount of energy coming from the upper part. Indeed, under these conditions and according to another characteristic of the invention, the thermal profile that will undergo a piece of thermal mass, emissivity, volume, surface exposed to known heat fluxes and arranged identically to the collectors, can be determined by the sets (A) and (B) if we consider that the said piece captures the upper and lower heat flows or (D) and (E) if we consider that the said piece captures the thermal flows only from the upper part . It is clear, as explained above, that it would suffice to thermally insulate the upper face of the collectors to determine the heat flows from the lower part of the furnace. Thus, depending on whether the printed circuit behaves as a thermal insulator with respect to the energy flows of the lower part of the furnace or not, as well as the parameterization of the latter, it is possible to determine with certainty the extreme thermal profiles of which the card electronic can be the seat. Indeed the hottest thermal profile achievable on the map is the hottest recorded between sets (A) and (D) while the coldest achievable on the map is the coldest recorded between sets (C) and (F) ).
Selon une autre caractéristique de l'invention, il est possible grâce aux profils thermiques subits par les ensembles (A) et (B) ou (D) et (E), de déterminer par calcul le profil thermique dont est le siège une pièce de masse thermique, d'émissivité, de surface et de volume connus selon que l'on la considère isolée thermiquement du flux thermique inférieur du four ou non. According to another characteristic of the invention, it is possible thanks to the thermal profiles undergone by the sets (A) and (B) or (D) and (E), to determine by calculation the thermal profile of which is the seat a piece of known thermal mass, emissivity, surface and volume depending on whether it is considered thermally insulated from the lower heat flow of the furnace or not.
En figure 4, est montré sur un graphique donnant les températures en fonction du temps, un exemple de fenêtre thermique (15) imposée aux fabricants de cartes électroniques ainsi que les profils thermiques extrêmes relevés grâce au dispositif selon la présente invention. Le profil (16) correspond au plus chaud des ensembles (A) et (D) alors que le profil (17) correspond au plus froid des ensembles (C) et (F). (18) est un profil thermique déterminé par calcul pour une émissivité et une masse thermique divisée par la surface exposée aux flux thermiques, intermédiaire présente sur la carte et déterminée selon le calcul inverse à celui présenté précédemment. In FIG. 4, is shown on a graph giving the temperatures as a function of time, an example of thermal window (15) imposed on the manufacturers of electronic boards as well as the extreme thermal profiles taken up by the device according to the present invention. The profile (16) corresponds to the warmest of the sets (A) and (D) while the profile (17) corresponds to the coldest set (C) and (F). (18) is a thermal profile determined by calculation for an emissivity and a thermal mass divided by the surface exposed to thermal flux, intermediate present on the map and determined according to the inverse calculation to that presented above.
La figure 5 représente une coupe (qui ne respecte pas les échelles) d'un four utilisé pour braser ou polymériser une carte électronique (19) sur laquelle des composants (20) de différentes masses thermiques de surface et d'émissivité variables sont montés. La carte est transportée à travers le four sur le convoyeur (21) selon le sens G et est soumise aux flux thermiques des sources (22). Pour mesurer les flux thermiques reçus par les cartes tout au long du four on fait défiler le dispositif selon l'invention (23) dans le four et on relève les profils thermiques subits par les différents ensembles â l'aide d'un enregistreur de température (7) de tout type connu. Comme cela est montré en figure 5, il est également envisageable afin de mesurer l'évolution des températures en cours de production et en temps réel, de fixer le dispositif selon l'invention ainsi que l'enregistreur de température à demeure sur le convoyeur et de transmettre les informations enregistrées sur un poste de contrôle par le biais d'une liaison sans fil de tout type connue. De même, il est possible de positionner un dispositif selon l'invention individuellement pour chacun des produits à traiter de façon à avoir la signature énergétique correspondante à chacun des produits. Figure 5 shows a section (which does not respect the scales) of an oven used to braze or polymerize an electronic card (19) on which components (20) of different thermal masses of varying surface and emissivity are mounted. The card is transported through the oven on the conveyor (21) along the direction G and is subjected to the thermal flows of the sources (22). In order to measure the thermal fluxes received by the cards throughout the oven, the device according to the invention (23) is scrolled in the oven and the thermal profiles undergone by the different assemblies are recorded using a temperature recorder. (7) of any known type. As shown in FIG. 5, it is also conceivable to measure the evolution of the temperatures during production and in real time, to fix the device according to the invention as well as the indelible temperature recorder on the conveyor and transmit the recorded information to a control station via a wireless link of any known type. Similarly, it is possible to position a device according to the invention individually for each of the products to be treated so as to have the energy signature corresponding to each of the products.
Selon une autre caractéristique de l'invention, il est envisageable à partir de la connaissance des pièces constitutives d'un produit et des flux d'énergie infrarouge et convectif, de proposer le paramétrage qui permet de respecter une fenêtre thermique imposée. En effet, pour un générateur de calories donné, on peut déterminer grâce au dispositif de la présente invention, les lois de variation de l'énergie transmise par rayonnement infrarouge et par convection en fonction des températures de consignes, par conséquent, pour une pièce connue et une fenêtre thermique imposée, on peut en déduire les températures de consignes à afficher pour respecter la dite fenêtre thermique. La détermination de la loi de variation pour un four peut se faire en affichant dans les différentes zones du four des températures de consignes uniformément réparties dans la plage de réglage utile et d'en déduire selon le calcul précédemment développé la quantité d'énergie transmise par rayonnement infrarouge et par convection dans chaque zone en fonction de la température de consigne affichée. According to another characteristic of the invention, it is possible from the knowledge of the constituent parts of a product and the infrared and convective energy flows, to propose the parameterization which makes it possible to respect an imposed thermal window. Indeed, for a given calorie generator, it is possible to determine, thanks to the device of the present invention, the laws of variation of the energy transmitted by infrared radiation and by convection as a function of the setpoint temperatures, therefore, for a known part. and an imposed thermal window, it is possible to deduce the setpoint temperatures to be displayed in order to respect the said thermal window. The determination of the variation law for a furnace can be done by displaying in the different zones of the furnace uniformly distributed setpoint temperatures within the useful adjustment range and from the previously calculated calculation of the quantity of energy transmitted by infrared and convection radiation in each zone depending on the set temperature displayed.
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| FR2797034B1 (en) | 2001-10-26 |
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