Richi´s Lab

Brennofen

Um integrierte Schaltkreise in Epoxidgehäusen analysieren zu können, muss das Expoxidmaterial entfernt werden. Neben der äußert gefährlichen chemischen Vorgehensweise mit heißen, hochkonzentrierten Säuren kann das Epoxidgehäuse auch thermisch zersetzt werden. Die notwendigen Temperaturen hängen von der genauen Zusammensetzung ab und bewegen sich im Bereich von 400°C.
Mit einem Gasbrenner lassen sich solche Temperaturen schnell und einfach einstellen, wie es auch hier beschrieben wird. Das Verbrennen des Epoxids erfordert aber etwas Übung und je nach Zusammensetzung des Gehäusematerials beträgt die Erfolgsquote 70-80%. Manche Epoxidmischungen sind äußert hartnäckig und lassen sich auf diese Weise nur mit massiven Schäden am Die zersetzen.
Es bietet sich an einen Brennofen aufzubauen, mit dessen Hilfe sich die notwendigen Temperaturen einigermaßen kontrollierbar und reproduzierbar einstellen lassen. Da alle "einfach verfügbaren" Öfen wie Pizzaöfen oder Reflowöfen Temperaturen um 400°C nur schwer erreichen, muss tatsächlich auf einen Brennofen oder etwas ähnliches zurückgegriffen werden. Einen sehr kleinen Brennofen kann man relativ einfach selbst konstruieren.

 

Lastwiderstand

Der Keramikkörper eines großen Lastwiderstands bietet sich als Ofenvolumen an. Solche Lastwiderstände sind relativ gut verfügbar, der Innendurchmesser ist für die meisten integrierten Schaltkreise ausreichend und die Keramik ist gegenüber hohen Temperaturen und reaktiven Verbrennungsprodukten sehr robust.

 

Lastwiderstand Zunder

Ein Lastwiderstand scheint für sich schon ein geeignetes Heizwendel zu sein. Der Widerstandsdraht ist aber üblicherweise nicht auf die notwendigen Temperaturen ausgelegt, was dazu führt, dass der Draht relativ schnell verzundert, also oxidiert.

 

Kanthaldraht

Hochtemperaturfester Widerstandsdraht lässt sich günstig beziehen. Kanthal D ist beispielsweise eine Drahtmarke, die bis 1300°C eingesetzt werden kann. Es handelt sich um eine Eisen-Chrom-Aluminium-Legierung, die erst bei 1500°C schmilzt.

An dieser Stelle sollte man sich Gedanken machen über das gewünschte Ofenvolumen und damit auch über die notwendige Leistung und die Länge des Drahtes. Außerdem sollte man die geplante Versorgungsspannung im Hinterkopf behalten. Leistungen im Bereich von 500W sind durchaus sinnvoll, um die notwendigen Temperaturen in einer sinnvollen Zeit erreichen und halten zu können. Zuviel Leistung kann in Kombination mit der thermischen Trägheit des Keramikrohrs aber zu sehr hohen Temperaturen an der Heizwendel und in Folge zu Temperaturüberschwingern im Brennraum führen.

 

Lastwiderstand umgewickelt

Es ist absolut sinnvoll nur das notwendige Volumen zu heizen.

 

Widerstandbestimmung

Will man einen derart niedrigen Widerstand vermessen, sollte man idealerweise ein Messgerät besitzen, dass eine Vier-Leiter-Messung unterstützt.
In diesem Fall stellt sich mit 2,18Ω ein etwas niedrigerer Widerstand ein als ursprünglich geplant war. Im späteren Einsatz äußert sich dieser Mangel durch Temperaturüberschwinger beim Einschalten und sehr hohe Temperaturen an der Heizwendel.

 

Temperaturverteilung außen

Es zeigt sich, dass die Keramikrohr ausreichend schlecht Wärme leitet, damit die erzeugte Hitze an einem Ort konzentriert bleibt.

Hier beträgt die Heizleistung 85W.

 

Temperaturverteilung innen

Erfreulicherweise leitet die Keramik die Wärme dennoch gut genug, so dass sich das Innere des Rohrs ausreichend erhitzt.

 

Wärmeisolierung

Die Anordnung der Heizwendel auf der Außenseite ist einfach und robust aber aus Sicht der Energieübertragung natürlich nicht optimal.
Hitzeschutzband aus Basaltfasern, wie es für Ausfpuffkrümmer verwendet wird, bietet für das kleine Volumen eine einfach einzusetzende Wärmeisolierung und ist temperaturfest bis über 1000°C. Die dazu erhältlichen Edelstahlbinder eignen sich auch bei dieser Anwendung gut, um das Gewebeband zu fixieren.

 

Versorgungstransformator

Als Spannungsversorgung soll hier ein massiver Steuertransformator mit einer Nennleistung von 1000W dienen. Mittelfristig kann dieser Transformator auch sehr viel mehr Leistung liefern.

 

Versorgungstransformator

Der Steuertransformator besitzt sowohl auf der Primär- als auch auf der Sekundärseite drei Abgriffe, die es ermöglichen die Ausgangsspannung in neun Stufen von 19V (220V an 415V und 36V-Ausgang) bis 48V (220V an 220V und 48V) zu variieren. Das bietet eine gewisse Flexibiltät.

 

REX C100

Als Regelung dient ein REX-C100, ein sehr günstiger PID-Regler, der verschiedene Temperatursensoren einlesen kann. In dieser Variante sind Typ-K-Sensoren bis 1300°C möglich. Der Regler besitzt eine Lernfunktion, die es ihm ermöglicht sich an die vorliegende Regelstrecke anzupassen.

 

Brennofen Aufbau

Der ganze Aufbau findet auf einer Spanplatte Platz.

Der Regler schaltet den Ofen über ein 50A-Solid-State-Relais.
Der große Kühlkörper wäre nicht notwendig gewesen.

 

Brennofen Temperatursensor

Der Temperaturfühler befindet sich am Beginn der Heizwicklung.
Dieser Typ ist nur bis 400°C tauglich, was aber vorerst reichen muss.

 

Brennofen

Ein Stück des Wickelbands fixiert die Leitung des Temperatursensors und verhindert übermäßigen Durchzug und damit eine Kühlung der Röhre.

Nachdem das Keramikrohr die Wärme relativ schlecht überträgt, ist keine besondere Isolierung notwendig. Ein U-förmiger Kühlkörper sorgt dennoch für eine kleine Auflagefläche und damit noch eine etwas bessere thermische Entkopplung von der Spanplatte.

 

Brennofen Glühfarbe

Das Keramikrohr mit seiner vergleichsweise schlechten Wärmeleitfähigkeit bringt ein nicht unerhebliches Totzeitglied in die Regelstrecke, weswegen es ratsam ist beim Aufheizen die Soll-Temperatur zuerst auf 200°C, dann auf 300°C und dann erst auf 400°C einzustellen. Trotz eines gut erkennbaren Lernverhaltens des Reglers ergibt sich bei hohen Soll/Ist-Abweichungen ein Temperaturüberschwinger von fast 100°C, die Keramik scheint in diesem Zustand noch sehr viel heißer zu sein.

 Die Heizwicklung ist grenzwertig ausgelegt. Der Glühfarbe nach beträgt ihre Temperatur meist über 1000°C.

Speist man die Heizwicklung über den 36V-Ausgang, so nimmt sie 16A auf. Mit dem Kaltwiderstand von 2,18Ω ergeben sich so 540W Heizleistung.

 

Brennofen Aufheizen

Beim ersten Aufheizen und bei stärkeren Temperatureinbrüchen glüht das Keramikrohr kurzzeitig auf.

 

400°C scheinen eine gute Temperatur zu sein, um das Epoxidmaterial sicher zu zersetzen ohne das Die zu beschädigen. Für ein kleines Package (SO-8) sind ein bis zwei Minuten bei 400°C zu veranschlagen, für ein DIP-8-Package benötigt der Brennofen zwei bis drei Minuten.

 

Brennofen DIP-8 Ergebnis

Das Ergebnis eines solchen Vorgangs. Das Epoxidmaterial ist durch und durch thermisch zersetzt und entsprechend spröde. Das Die lässt sich danach einfach aus den Resten herausarbeiten.

 

Update

Wickelband fail

Wickelband fail detail

Die hohen Temperaturen des Heizwendels hinterlassen trotz der Temperaturfestigkeit des Wickelbandes deutliche Spuren. Die Fasern sind regelrecht verkohlt und verschmolzen.

 

neue Heizwicklung und 1400°C-Temperatursensor

Im Rahmen eines kleinen Updates wird die Heizwicklung erneuert, etwas länger ausgeführt und in diesem Zusammenhang auch das Ofenvolumen erweitert.
Mit einem Widerstand von 3,26Ω ist die Heizeistung jetzt um 33% reduziert. Inklusive der vergrößerten Fläche der Heizwicklung dürte die lokale Belastung jetzt ungefähr halbiert sein.

Ein 1400°C-Temperaturfühler bringt in Zukunft mehr Sicherheitsreserve.

 

neue Heizwicklung und 1400°C-Temperatursensor

Für eine genaue Temperaturmessung müsste am Ende des Fühlers eine Referenzmessstelle angebracht werden, da dort der Übergang der beiden Metalle des Sensors auf den Klemmblock erfolgt. Im Extremfall, wenn der Klemmblock so heiß wäre wie die Messstelle im Rohr, so würde sich am Regler keine Spannung und damit ein Messwert von 0°C einstellen. Der Regler bietet einen Anschluss für eine Referenzmessstelle. In diesem Fall kommt es allerdings nicht auf eine hohe Genauigkeit an und nach den bisherigen Erfahrungen erwärmt sich der hintere Teil des Keramikrohrs kaum. 

 

 

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