印刷电路板组装流程
我们日常生活中的电子产品皆是将电子零件安装在印刷电路板(PCB)而组成的。印刷电路板的组装系统（见图1）为：(1) PCB 送板机(loader);(2)锡膏印刷机;(3)插件着装机(SMD);(4)回焊炉(reflow oven);(5)PCB 收板机(unloader)。印刷电路板由送板机送入输送带，印刷机立即将焊锡涂刷于电路板上;接着插件着装机检取电子零件并插于电路板上，为求插装之精确，插装机上都会配备视觉系统来辅助定位;最后是经过回焊炉藉加温来熔化焊锡使电子零件黏着固定住，再由收板机将成品收集起来。
图1： 印刷电路板组装生产线图。
回焊炉内分为数个区域，温度是从第一区渐渐加温至高温，然后再减温到最后一区回到室温。不同的电路板在制程中需要不同的温度分布图，而温度分布不是只用电路板上单独一个位置点，而是需要用到电路板上数个位置点（通常以六个点）来当作制程指标。图2 所显示的为典型的有六个量测点的回焊炉温度分布图，图中有六条线，分别代表一个位置点的温度分布﹔此例中回焊炉全长为二公尺，输送带速度为4.5mm/s，所以全行程需7 分25 秒。电路板组装的制造过程中会先研究出最佳的回焊炉温度分布图，然后在量产时再将回焊炉温度控制在最佳的分布状况，为了确定温度是控制在期望的最佳状况，必须作温度量测与纪录。这就是回焊炉温度量测纪录器(reflow data logger)的功用。
图2： 典型的回焊炉温度分布图。
回焊炉温度量测纪录器
温度量测纪录器内有微处理器和内存，电源由可充电的干电池提供，接口上有六个热电偶温度量测接头和一个RS232 的串行传输接口。热电偶是一种温度传感器能将温度值转换为豪伏(μV)的电压值（下文会详述），经放大电路放大成0~5V 的电压，由模拟数字转换器(ADC)转成数字值送给微处理器；微处理器可以根据用户设定的取样时间，以固定的间隔时间将电压值直接存入内存，或经运算成实际温度值再存入内存。一旦回焊炉温测纪录器随同电路板经过整个回焊炉后，则将温度分布数据纪录于温测纪录器中，用户就使用RS232 传输接口将内存内的温度分布数据传送给个人计算机，再利用软件来制作图表和统计分析温度数据。
由于要随着电路板一起经过回焊炉，温测纪录器在体积上要短小轻薄，市面上的产品厚度约为12mm，而宽度有57mm 和106mm 两款，长度要求比较不严苛约在150mm 左右。温测纪录器内之微处理器的正常工作温度环境为0°C 至70°C，为了隔离回焊炉的高温，温测纪录器有一个热屏障盒(thermal barrier)来保护。热屏障盒为一个隔热陶瓷盒，内有硅胶垫密封，体积约为25mm 厚135mm 宽215mm长，当温测纪录器置于热屏障盒内，能耐外部温度200°C 达10 分钟久，且瞬间温度不超过300°C 时都不会损坏温测纪录器。
量测规格方面，市面上的回焊炉温测纪录器之量测精度都宣称为 ±1°C（实际上不可能达到，后文中会说明），量测温度范围为0°C 到500°C，分辨率为0.5°C，即要有1000 个刻度，所以至少要使用10bits 的ADC。而取样分辨率一般为0.1秒，取样时间可以从0.1sec 到60min，这对现今的微处理器而言是很容易达成。为求在用最短的取样时间(0.1sec)可以纪录16 分钟久的数据，则六个温测信道需57600 笔数据的记忆容量。温度量测的传感器常用者为K 型的热电偶。热电偶上的导线需要包覆着电气绝缘皮，常用的绝缘皮材质有PTFE(耐热最高温在90°C~260°C 间)，玻璃纤维(耐热最高温在400°C~480°C 间)，和陶瓷纤维(耐热最高温在800°C~1200°C 间)。
热电偶温测器
热电偶温度量测器价格低廉，体积小又可承受恶劣的量测环境，所以广为工业界所使用，原理是依据Seebeck 效应来量测温度。一条金属导线放置于固定温度的环境内，电荷处于平衡状况，所以无电流产生。一旦在金属导线上有温度梯度（沿着导线的温度差），则导线内电子运动不再平衡，因而产生电位差，此即为Seebeck
电压，这是导线位于温度梯度环境中的材料性质。热电偶温测器的电路可以用图3 表示，A 和B 为热电偶的二种不同材质导线，C 为连接电压计的铜导线。若量测接合点(measurement junction)和参考接合点(reference junction)的温度分别为TM和TR ，则沿着导线的Seebeck 电压变化量dE 为
其中dT / dx 为沿着导线的温度梯度，s(T) 为随温度变化的Seebeck 系数。不同材质的导线具有不同的Seebeck 系数，从图4 中的线条，可以看出几种常见热电偶的Seebeck 系数随温度变化的情形，以K 型热电偶为例，其值虽为温度的函数，但是有一个大范围中该系数约为40μV/°C。
图3： 热电偶温测器之电路图。
将上面的方程式沿着整条导线（以图2 的导线A 为例）积分，则两端点的电压差为 
，其中E A (T)为图4 中某线（材质同导线者）的下面从左到温度为T 的面积，亦即电压差直接与两端点的温度有关而已。很明显的，如果一条导线处于同温的环境T M = T R，导线的两端点就无电压差E = 0 。热电偶的使用强烈要求，各自接合点处的温度需保持同温(isothermal)，如此则接合点不会单独产生电压。回过来讨论图3 的热电偶电路，图中电压计的电压为
图4： 各型热电偶之Seebeck 系数图。
其中
称作相对Seebeck 电压。同样的，称SAB (T)为相对Seebeck 系数，实际上图3 的线都是相对Seebeck 系数线，例如K 型的导线A 为镍铬合金，而导线B 为镍铝合金，其相对Seebeck 系数为此二合金的Seebeck 系数差。热电偶温测计不同于其他温测器，在于它是量测相对温度，所以为方便起见，在使用公式时，会把基准点设在0°C，即E AB (0°C) = 0。接着将不同温度的E AB (T) 建表，则可从电压计的电压值和已知的参考接合点的温度，由查表换算出量测接合点的温度值。
虽然任两条不同材质的导线皆可量得二接合点的温度差，但是在可靠度的考虑下，仅有少数的金属和合金适于用于热电偶温测计。国际标准的热电偶材质，是以高输出电压，好的稳定性，耐恶劣环境，和最重要的高可靠度等数项因素为选取基准。标准型的热电偶分为二类，一为含稀有金属铂，另一为含有镍，前者的价格往往高于后者二百倍。图4 中的B 型，R 型和S 型即为稀有金属类的热电偶，他们特别适合量测高温度。其中B 型在室温时的Seebeck 系数相当低，所以将参考接合点的温度设为室温时，不会因参考温度的误差造成显著的量测接合点的温度量测误差，因而在许多实际应用上就直接给于一个固定的偏差量(offset)，而不必知道精确的参考接合点的温度。
第二类的热电偶有T 型，J 型，K 型，E 型和N 型，在金属的本身特性上，这些都较容易氧化，不易在退火时去除机械效应，但是价廉和耐恶劣环境是他们的优点。通常建议在一段有限的温度范围内使用此类热电偶，在大范围使用容易有机械效应残留在导线内，而影响量测精度。T 型适于低温的量测（低至-200°C），也有较高的精确度，但是因为有铜成分所以不可用于超过200°C 的温度量测。J型是唯一适用于低压环境的热电偶，但是在一般大气压下则因会快速氧化而不适用。E 型具有最高的Seebeck 系数，可以取代T 型同时用于低温和稍高温的量测。K 型是用得最广的热点偶，但是它的合金特性，使得它难保均匀性(homogeneity)，而实质上为最差的热电偶。在高于500°C 温度下，K 型的输出电压会随时间增大漂移量(drift)，到达1000°C 以上则更加严重。K 型若在250°C 至500°C 间作短时间的来回加热冷却会造成高达8°C 的误差。既使在50°C 到250°C间也会因磁性转换有±1.5°C 的误差。虽然市售产品都宣称用K 型热电偶的精度达±1°C，其实是不可能的。N 型为改良K 型的产品，高温漂移显著降低，现今渐渐取代K 型。表1 列出各种热电偶的使用温度上限，而表2 列出第二类热电偶的误差值，这些资料取自参考文献[1]，表2 更是依据IEC584-2 规范，IEC 为International Electrotechnical Commission 的缩写。热电偶制造商的产品必须依照此规范分为三级。很明显的，T 型的精确度较高。
热电偶参考函数
虽然查表法是热电偶由电压转换成温度的常用方法，但是现在已有数学方程式可以很准确的描述热电偶的Seebeck 电压，这些数学式是以ITS-90 的国际温度刻度为基准。ITS-90 是由CGPM 国际组织在1990 年所颁定的，属于SI (InterantionalSystems of Units)系统。所有的热电偶参考函数都是下列形式：
但是对于K 型在0°C 至1372°C 需多加一项成为下式：
注意90 t 表示为ITS-90 的温度刻度并以°C为单位，而E的单位为μV。实际上，使用热电偶量测温度是要用反函数，其为
不过反函数仅是近似函数，对应于参考函数它的误差小于0.06°C。K 型热电偶的参考函数和反函数的系数分别列于表3 和表4﹔其余者请查阅参考文献[1]。利用反函数来求温度值比起查表法具有较精确和省内存空间的优点，但是必须以浮点双精度计算，一般的低廉的微处理器无法胜任。折衷之道是将电压值纪录在内存，在传送给个人计算机后，由个人计算机来执行反函数计算。这个方式有其他优点，如果在计算机中建立各型热电偶的反函数，则回焊炉温测纪录器就可以使用任何一型的热电偶传感器，当热电偶的输出电压数据传至计算机后，用户选择使用的热电偶型别，软件则依反函数公式自动换算出温度值。若不用反函数来计算，而用查表法，则建立所有型别热电偶的换算表所需的储存内存空间将非常大。
了解回焊炉温测纪录器后，可以继续探讨有关回焊炉温测纪录器的微处理器硬件架构和窗口软件，这些作者将会陆续为文于下期中作介绍。
参考文献
[1] J. V. Nicholas and D. R. White, Traceable Temperatures: An Introduction to Temperature Measurement and Calibration. John Wiley and Sons, 1994.
