智能焊盒及其手持式烙铁和自动焊台的利记博彩app
【专利摘要】一种智能焊盒及其手持式烙铁和自动焊台，该智能焊盒包括：壳体；焊头；加热器，用于加热焊头；存储装置，用于存储与盒的特性有关的信息；处理器，用于检索与盒的特性有关的信息，监测被输送至焊头的功率电平以检测焊接接头处的液相线发生，使用所检索的信息中的一些信息来确定焊接接头的金属间化合物(IMC)的厚度，确定IMC的厚度是否在预定范围内，以及当IMC的厚度在预定范围内时生成指示信号，该指示信号指示形成了可靠的焊接接头连接；以及接口，用于对指示信号进行传送。
【专利说明】
智能焊盒及其手持式烙铁和自动焊台
技术领域
[0001 ] 本实用新型总体涉及印刷电路板(PCB)的制造、修理和返工(rework);并且更具体地涉及具有自动焊接连接验证的焊台。
【背景技术】
[0002]随着在印刷电路板(PCB)上使用的各种部件越来越大、无源部件越来越小以及具有更细微的球间距尺寸的IC越来越大，对用于帮助PCB组件(PCBA)制造和返工的高质量的焊接接头的需求已经增加。有故障的焊接接头在这些年花费了公司数十亿美元。已经开发了许多方法来减少波峰焊系统的故障率。然而，对于点对点手持式焊接和返工应用，公司依赖操作者的技能来产生具有优质电连接的良好焊接接头。不管多少培训被提供给烙铁的操作者，在焊接活动期间不进行引导的情况下，操作者可能出错并且重复出错，这归因于以下事实，即对于形成具有良好电连接的焊接接头而言存在有影响烙铁的热传递的许多因素。这些因素包括焊头(solder tip)的温度、焊头的几何形状、焊料的氧化、人的行为等。
[0003]此外，自动的(例如，机器人的)焊接目前是一种严格地基于开环时间的事件，其中，机器人移动至特定接头，将焊头自动地放置在接头上，自动地应用焊料，并且在规定的时间(由用于机器人的特定软件确定)之后，将焊头自动地从接头移除。重复进行该处理直至机器人的程序完成为止。该基于开环时间的事件可以通过使用本文中所公开的具有对焊接质量进行实时反馈的连接验证(CV)技术的各种实施方式来显著改进。
【实用新型内容】
[0004]在一些实施方式中，本实用新型为一种智能焊盒，该智能焊盒包括:壳体;焊头;加热器，用于加热焊头;存储装置，用于存储与盒的特性有关信息;处理器，用于检索与盒的特性有关的信息，监测被输送至焊头的功率电平以检测焊接接头处的液相线发生，使用所检索的信息中的一些信息来确定焊接接头的金属间化合物(MC)的厚度，确定頂C的厚度是否在预定范围内，以及当IMC的厚度在预定范围内时生成指示信号，该指示信号指示形成了可靠的焊接接头连接;以及接口，用于传送指示信号。
[0005]在一些实施方式中，本实用新型为一种智能焊盒，该智能焊盒包括:壳体;焊头;加热器，用于加热焊头;存储装置，用于存储与盒的特性有关信息;处理器，用于检索与盒的特性有关的信息，检测在焊接接头处的液相线发生，接收焊接接头的3维(3D)当前图像，根据3D当前图像来确定在液相线的发生之后所分配的焊料的体积，将所分配的焊料的体积与填充通孔部件的孔的筒或者填充表面安装部件的孔的筒的表面所需要的焊料的量进行比较以确定所分配的焊料中有多少被消散到筒上或筒的表面区域上，重复进行所分配的焊料的体积的比较直至所分配的焊料已经填充所述筒或所述筒的表面区域为止，以及当所分配的焊料已经在预定公差内填充所述筒或所述筒的表面区域时生成指示信号，该指示信号指示形成了可靠的焊接接头连接；以及接口，用于传送指示信号。
[0006]接口可以是无线接口和/或有线接口。在一些实施方式中，该盒包括用于测量焊头的温度的温度传感器，其中，温度传感器定期地测量焊头的温度并且将所述信息馈送至处理器，以及其中，处理器在所述温度从预定值变化时调节焊头的温度。
[0007]本实用新型的智能焊盒可以在手持式烙铁中或在用于焊接工件的自动焊台中使用。
【附图说明】
[0008]图1A描绘了根据本实用新型的一些实施方式的示例性手持式烙铁。
[0009]图1B是根据本实用新型的一些实施方式的处理器及相关部件的示例性框图。
[0010]图1C描绘了根据本实用新型的一些实施方式的示例性手持式烙铁，其中，处理器及相关电路处在电源中。
[0011]图1D示出了根据本实用新型的一些实施方式的示例性手持式烙铁，其中，处理器及相关电路处在手持件中。
[0012]图1E示出了根据本实用新型的一些实施方式的示例性手持式烙铁，其中，处理器及相关电路处在盒中。
[0013]图1F示出了根据本实用新型的一些实施方式的示例性手持式烙铁，其中，处理器及相关电路处在工作台中。
[0014]图1G描绘了根据本实用新型的一些实施方式的示例性自动焊台。
[0015]图2示出了根据本实用新型的一些实施方式的示例性处理流程。
[0016]图3A示出了根据本实用新型的一些实施方式的在三个给定的负载规模下焊头的温度随时间而变化的曲线图。
[0017]图3B示出了根据本实用新型的一些实施方式的在三个给定的功率电平和三个给定的温度下焊头的阻抗随时间而变化的曲线图。
[0018]图4A示出了根据本实用新型的一些实施方式的IMC的厚度相对于时间的曲线图。
[0019]图4B示出了根据本实用新型的一些实施方式的MC的厚度相对于焊接时间的曲线图。
[0020]图4C示出了针对焊接事件的IMC层。
[0021]图5是根据本实用新型的一些实施方式的使用来自多个相机的图像进行液相线检测和连接验证的示例性处理流程。
[0022]图6A至图6D示出了根据本实用新型的一些实施方式的用于检测液相线的各个图像。
[0023]图7A示出了根据本实用新型的一些实施方式的用于通孔部件的一些示例性焊接接头。
[0024]图7B描绘了根据本实用新型的一些实施方式的用于表面安装部件的一些示例性焊接接头。
[0025]图8示出了根据本实用新型的一些实施方式的示例性智能焊盒。
【具体实施方式】
[0026]在一些实施方式中，本实用新型是具有自动焊接连接验证的焊台。焊台包括处理器例如微处理器或控制器、存储器、输入/输出电路和用于执行焊接连接验证的其他必要的电子电路。
[0027]在一些实施方式中，处理器接收焊接接头和焊台的各种特性，并且执行对PCB衬底和焊料的金属间化合物(IMC)厚度进行计算的处理，以确保在焊接事件期间形成良好的焊接接头。当焊接接头的良好电连接被确认时，焊台中例如手持件中或焊台中的显示器上的音频、LED或振动指示器向操作者或焊接机器人程序通知良好的焊接接头的形成。通常，由SAC(锡-银-铜)焊料和铜衬底PCB形成的良好焊接接头发生在焊料的金属间厚度处于Ium至4um之间时。因此，如果焊台使用例如3六0305(96.5%311，3^^，0.5%(:11)焊线与铜衬底?〇8，则在焊接事件期间由本实用新型的一些实施方式计算Cu6Sn5的頂C厚度，并且当焊料的IMC厚度达到Ium至4um时通知操作者或机器人。
[0028]铜衬底和焊料之间的化学反应可表示为:
[0029]3Cu+Sn->Cu3Sn (阶段I) (I)
[0030]2Cu3Sn+3Sn->Cu6Sn5 (阶段2_IMC厚度为Ium至4Um) (2)0
[0031]化学反应的阶段I是临时的(瞬时)，因此不用于确定焊接接头的质量。
[0032]图1A描绘了根据本实用新型的一些实施方式的示例性手持式烙铁。如图所示，手持式烙铁包括供电单元102，供电单元102包括显示器104如LCD显示器以及各种指示器106如LED指示器106a和106b。还可以使用其他指示器，例如发声装置或触觉装置。烙铁还包括耦接至供电单元102的手持件108以及容纳所述手持件108的(工作)台110。手持件108从供电单元102接收电力并加热附接至焊盒或位于焊盒中的焊头以执行对工件的焊接。在一些实施方式中，焊盒可以包括热耦接至焊头的温度传感器以感测焊头的温度并且将该数据传送至处理器。
[0033]手持件108可以包括各种指示器，例如在手持件108上的一个或更多个LED和/或蜂鸣器。在一些实施方式中，供电单元102或手持件108包括微处理器、存储器、输入/输出电路和用于执行各种处理的其他必要的电子电路。本领域的普通技术人员将认识到，可以将微处理器(或控制器)放置在电源中、放置在手持件中或焊接系统的台中。可以在工作台处使用公知的有线接口和/或无线接口和协议通过有线和/或无线连接来执行与外部设备例如本地计算机、远程服务器、用于执行焊接的机器人、打印机等的通信。
[0034]如在下面更详细描述的，在一些实施方式中，微处理器及相关电路识别什么焊盒正在被使用、验证焊头的几何形状、验证温度和负载(焊接接头)是否匹配以确保所选择的焊盒能产生足够的能量来使负载达到焊料恪点、检测液相线(Iiquidus)温度，然后确定焊料的IMC的厚度。例如，如果焊头的几何形状对于负载而言太小，则焊头将不能够使接头达到焊料熔点。液相线温度是在材料完全是液体的温度之上的温度。液相线温度大多用于不纯物质(混合物)例如玻璃、合金和岩石。在液相线温度之上，材料是均质的并且是处于平衡的液体。在液相线温度之下，在材料中在取决于该材料的足够时间之后形成晶体。
[0035]图8示出了根据本实用新型的一些实施方式的示例性智能焊盒。在一些实施方式中，智能焊盒包括焊头802、相关线路804、磁屏蔽806、用于加热焊头的加热器808、轴或壳体810、用于电连接和机械连接二者的连接器812以及存储装置814例如非易失性存储器(NVM)。智能焊盒还可以包括:一个或更多个传感器818，例如用于测量焊头的温度的温度传感器和/或用于测量焊头的阻抗的电位计;射频识别装置(RFID)820;和/或处理器及相关电路816，例如输入/输出电路和用于数据通信的有线接口和/或无线接口。为了有效、快速的释放操作，还可以包括用于将该盒与手持件或机器人臂连接的机械连接器(未示出)。
[0036]在一些实施方式中，从NVM 814或RFID 820读取盒ID例如对于特定盒独有的序列号或代码，以对盒、盒的类型和相关参数及规格信息进行识别。NVM 814还可以存储与多个焊头的温度随时间的变化有关的信息，类似于图3A、图3B、图4A以及图4B的曲线图。当使用特定焊头时，从NVM检索与正在使用的焊头的温度变化有关的信息。通常，在焊接事件期间，焊头的温度随着焊头加热焊接接头而下降，从而加热器需要重新加热焊头，这通常导致超调焊头所要求(设定)的温度。然而，在一些实施方式中，温度传感器818定期地感测焊头的温度并且将信息馈送至处理器(或直接馈送至加热器808)，以在由于负载或其他因素引起任何温度下降(或升高)的情况下对温度进行调节。以该方式，适当的热量直接被输送至焊接接头。
[0037]在一些实施方式中，NVM和/或RFID存储与盒的特性有关的数据，例如，部件号、批号、序列号、总使用情况、总点、焊头质量/重量、焊头构型，认证代码(如果有的话)、热效率、热特性等。可以在启动时和在焊接操作期间定期地由处理器(例如，内部处理器816或外部处理器)检索所述数据。在一些实施方式中，还可以经由有线或无线方法来接收和传送数据。
[0038]在一些实施方式中，盒的NVM和/或RFID包括下述信息的所有信息或一些信息。
[0039]1.加热器/焊头的温度和可选择地与在各种负载规模下温度随时间的变化有关的信息；
[0040]2.焊头的几何形状，其可以包括焊头与焊料的接触表面、从加热器到焊头的距离、焊头的质量；
[0041]3.焊头的热效率因子(基于质量、形状、加热器等)；
[0042]4.已经由特定焊头执行的焊接事件的数量，其可以用于可追溯性(traceability)；
[0043]5.焊头的使用时间(例如，焊头在保修期和可追溯性下使用的总时间)；
[0044]6.盒的制造日期；
[0045]7.盒的序列号和识别代码；
[0046]8.部件号；
[0047]9.CV选择标记(焊头和/或盒是否受CV技术制约)；
[0048]10.数据校验和。
[0049]如下面所说明的，焊头温度、焊头几何形状以及热效率被用于计算頂C层厚度的近似值。如下面所说明的，焊接事件的数量、焊头的使用时间以及制造的日期可以用于对IMC厚度计算的处理进行进一步限定。历史信息例如使用时间、焊接事件的数量等可以被写回NVM以用于累积。
[0050]序列号、部件号以及CV选择标记用于内务处理、可追溯性和/或确定处理是否可以/应当提供IMC信息的有效指示。在一些实施方式中，数据校验和可以用于确定是否存在NVM的故障或通信数据传输错误。在一些实施方式中，用于机器人焊台的智能盒包括用于当机器人臂正在旋转时防止盒进行不必要旋转的防旋转D形环。
[0051]在一些实施方式中，智能焊盒能够根据图2和图5二者的处理流程执行液相线检测和连接验证的处理。例如，处理器816能够:从NVM或RFID检索与盒的特性有关的信息；检测焊接接头处的液相线发生;接收焊接接头的3D当前图像;根据3D当前图像来确定在液相线发生之后所分配的焊料的体积;将所分配的焊料的体积与填充通孔部件的孔的筒或者填充表面安装部件的孔的筒的表面所需要的焊料的量进行比较，以确定所分配的焊料中有多少被消散到筒上或筒的表面区域上;重复进行所分配的焊料的体积的比较直至所分配的焊料已经填充所述筒或所述筒的表面区域为止；以及当所分配的焊料已经在预定公差内填充所述筒或所述筒的表面区域时生成指示信号，该指示信号指示形成了可靠的焊接接头连接。
[0052]此外，处理器816能够:检索与盒的特性有关的信息；检测焊接接头处的液相线发生;接收焊接接头的3D当前图像;根据3D当前图像来确定在液相线发生之后所分配的焊料的体积;将所分配的焊料的体积与填充通孔部件的孔的筒或者填充表面安装部件的孔的筒的表面所需要的焊料的量进行比较，以确定所分配的焊料中有多少被消散到筒上或筒的表面区域上。然后，处理器可以重复进行所分配的焊料的体积的比较直至所分配的焊料已经填充所述筒或所述筒的表面区域为止，以及当所分配的焊料已经在预定公差内填充所述筒或所述筒的表面区域时生成指示信号，该指示信号指示形成了可靠的焊接接头连接。
[0053]图1B是根据本实用新型的一些实施方式的处理器及相关部件的示例性框图。如图所示，处理器112、存储器114、非易失性存储器(NVM)116和I/O接口 118耦接到总线120，以包括本实用新型的一些实施方式的处理器及相关电路。I/O接口 118可以是至焊台外部的部件的有线接口和/或无线接口。可选地，一个或更多个相机122和相机124经由总线120或I/O接口 118耦接到处理器和存储器，以从各种视角捕获焊接接头的图像。此外，用于感测焊头温度的可选的温度传感器126可以经由总线120或I/O接口 118耦接到处理器112和存储器114。可选的温度传感器可以位于焊头处或焊头附近。
[0054]如本领域的普通技术人员将容易地理解的，如下面部分说明的，图1B所描绘的不同部件可以位于烙铁或自动焊台的不同部分处。例如，相机可以位于烙铁或自动焊台的不同部件的外部并且与烙铁或自动焊台的不同部件分离，而处理器及相关电路可以位于烙铁或自动焊台的任何部件中(如下面所述)。传感器也可以取决于其应用而位于烙铁或自动焊台的不同部件中或位于烙铁或自动焊台的不同部件处。
[0055]图1C描绘了根据本实用新型的一些实施方式的示例性手持式烙铁，其中，处理器及相关电路处于电源中。如图所示，供电单元包括处理器及相关电路和内部电力监测单元/电路，以检测和改变由电源供应给手持件、盒和/或焊头的电力。供电单元还包括有线接口和/或无线接口，以与手持件、LED、盒和/或外部装置进行电通信。当处理器确定出焊接接头的质量时，该处理器输出适当的信号，以启动LED、发声装置以及触觉装置中的一个或更多个来向操作者通知所确定的焊接接头的质量。
[0056]此外，从盒的存储器(例如，NVM或RFID)读取盒ID例如对于特定盒独有的序列号或代码，以识别盒及其类型。这可以通过有线连接或无线连接来实现。例如，在RFID位于盒内的情况下，可以无线地(由处理器)读取RFID(或甚至NVM)。当识别出智能焊盒及其类型时，由处理器从存储器例如EEPROM检索盒的相关参数。存储有盒相关参数的存储器可以处在盒中或盒的外部。在一些实施方式中，如果将所有相关(盒)参数存储在存储器(存储器处在盒中)中，则由于参数已经能够在盒的存储器中获得并且特定于盒，因此可以不需要特别地识别盒。
[0057]在一些实施方式中，盒可以具有用于识别盒的条形码、磁条或“智能芯片”。当识别盒时，可以从条形码、磁条、智能芯片读取相关信息，或者可以从耦接至计算机网络例如因特网的外部存储装置例如存储器或数据库提取相关信息。对于本申请和所要求保护的本实用新型的目的而言，存储装置还将包括条形码、磁条以及智能芯片。
[0058]图1D示出了根据本实用新型的一些实施方式的示例性手持式烙铁，其中，处理器及相关电路处在手持件中。这些实施方式的总体功能和操作与关于图1C说明的功能和操作类似，不同之处在于处理器(及相关电路)和电力监测单元/电路现在位于手持件中。
[0059]图1E示出了根据本实用新型的一些实施方式的示例性手持式烙铁，其中，处理器及相关电路处于盒中。在这些实施方式中，盒可以与图8所描绘的和上面所说明的智能盒类似。这些实施方式的总体功能和操作与关于图1C说明的功能和操作类似，不同之处在于处理器(及相关电路)和存储器现在位于盒中。此外，盒、手持件以及外部装置之间的通信可以是有线的和/或无线的。如本领域的普通技术人员将容易地认识到的，电力监测单元/电路(未示出)可以位于供电单元、手持件或盒本身中。在这些实施方式中，用于通知操作者的装置(例如，LED、发声装置和/或触觉装置)可以位于手持件或盒本身处。如果该装置位于手持件处，则手持件包括用于与盒(以及任何相关的外部装置)进行通信的有线接口和/或无线接口。
[0060]图1F示出了根据本实用新型的一些实施方式的示例性手持式烙铁，其中，处理器及相关电路处于盒中。这些实施方式的总体功能和操作与关于图1C说明的功能和操作类似，不同之处在于处理器(及相关电路)和电力监测单元/电路现在位于烙铁的工作台处。
[0061]图1G示出了根据本实用新型的一些实施方式的示例性自动焊台。在这些实施方式中，手持件和盒被装配在所示出的机器人臂上或是机器人臂的一部分。如图所示，机器人臂140能够三维地移动和旋转。手持件144耦接至机器人臂和智能焊盒，例如，根据图8的智能焊盒连接至手持件。在一些实施方式中，智能焊盒142可以直接耦接至将充当手持件的机器人臂140。
[0062]工件154例如印刷线路板(PWB)被放置在移动平台156上，以在移动平台上执行焊接操作。焊料供给器146经由把手、锚、滚筒或管148向工件154提供焊料。以不同角度放置的一个或更多个相机152捕获对工件上的焊接接头的特写。电源150向盒及其中的相关电子部件提供电力。
[0063]以该方式，本实用新型的CV技术能够向任何传统的自动焊台提供反馈(闭环系统)。例如，通过提供焊接质量的实时反馈显著改进了传统方法的基于开环时间的事件。也就是说，替代使用焊接接头的规定时间，CV技术向机器人移动控制系统提供了指示何时形成良好接头的反馈信号。在一些实施方式中，仅在指示良好接头时，机器人可以移动到程序中的下一个接头。当形成不良接头时，机器人立即或在程序结束时停止并且向操作者警告焊接接头的问题。
[0064]图2示出了根据本实用新型的一些实施方式的示例性处理流程。如块202所示，开始用于验证在部件与PCB基板之间的所有连接接头的处理。在块204中，识别正在使用的盒，并且从盒中的或盒外部的非易失性存储器(NVM)如EEPROM中检索与所识别的盒有关的数据。如上所述，在一些实施方式中，由处理器从盒中的NVM中检索与所识别的盒有关的数据。
[0065]在块206中，在一定时间段内，处理(例如，处理器)检查功率电平以确定是否正在执行任何焊接动作。如果焊接动作尚未被执行，则处理在块206中等待。例如，可以将定时器设置到预定时间，并且如果在该预定时间内没有动作发生，则处理等待。然而，如果要执行焊接动作，则处理进行到可选块208，在可选块208中，指示器被重置。
[0066]图3A示出了在三个给定的焊料负载规模下焊头的温度随时间变化的曲线图。如上所述，可以将该数据存储在盒的存储器中。曲线图306针对大负载规模(例如，?104CUMi 12 )，曲线图304针对中等负载规模(例如，?54Cu Mi 12 )，曲线图302示出了小负载规模(例如，?24Cu Mil2)。如图3A所示，对于给定的焊头，负载越重，则温度下降越快。在一些实施方式中，如果焊头温度下降大于预定值例如大约25oC(通过实验数据确定)，则处理被中止，这是因为电源将无法在完成焊接事件的所需时间内(例如，8秒)足够快地恢复以继续向焊头输送电力，从而保持焊头的温度。
[0067]在一些实施方式中，可以通过测量焊头的阻抗，然后通过下面的公式(3)确定焊头温度来检测温度下降。可以通过关断至盒/焊头的电力并且测量与焊头处于热接触的线圈(在盒中)的电压来测量阻抗。于是焊头的阻抗将是线圈的电压乘以取决于焊头类型并被存储在例如盒本身的存储器中的阻抗权重因子(公式(3)中的K)。在一些实施方式中，可以将温度传感器放置在盒中以直接读取焊头的温度下降，并将温度下降传送至微处理器。
[0068]Rimd = Rmin+Rmax/ (I+[ k*e' (~T) ]) (3)
[0069]其中，!^?!是阻抗值，Rmin为阻抗的最小值，RmaxS阻抗的最大值，K是权重因子，T是的温度增量，即焊头与负载之间的温差。焊头温度下降通常是由于在开始时从焊头到负载的热传递引起的，并且取决于焊头的几何形状、加热器以及焊头的类型可以从6°变化至48° ^min是在启动时接通电源之前的焊头的最小阻抗值。Rmax是在启动时接通电源达预定时间量之后例如在2秒之后的焊头的最大阻抗值。这些值特定于正在使用的特定焊头并且被存储在能够由处理器访问的存储器中。
[0070]图3Β描绘了在由供电单元输送至焊头的三个给定功率电平和三个给定焊头温度下焊头的阻抗随时间变化的曲线图。如上面所说明的，也可以将该数据存储在盒的存储器中。曲线图318针对小功率，曲线图312针对大功率，并且曲线图314示出了中等功率。此外，曲线图310针低温度，曲线图316针对中等温度，并且曲线图320针对高温度。
[0071]如下面的公式(4)所示，在一些实施方式中可以通过针对每个给定的焊头几何形状和加热器材料(被存储在盒中的存储器或盒外部的存储器中)限定热效率因子来检测温度下降。如果功率汲取比TE_factor高，则系统例如通过接通红色LED、启动触觉装置、或者启动发声装置来确定处理中止。
[0072]TE_factor = TipMass*TipStyle*HTR_factor*Const (4)，
[0073]其中，TipMass是铜重量(mg)，其对于LongReach焊头为0.65，对于Regular焊头为I，对于Power焊头为1.72 C3TipStyIe指从焊头的末端到盒中的加热器的距离。例如，根据当前能够在市场上获得的一些焊头的数据，TipSty Ie对于“LongReach”焊头为20mm，对于“Regular”焊头为10mm，对于“ Power”焊头为5mm C3HTI^factor为加热器温度乘以基于加热器类型的、给定(预定)的因子(例如，0.01)。对于所有类型的加热器，Const = 4.651*10—3。例如，对于各种加热器类型，HTR_f actor 可以为800F*0.01 = 8； 700F*0.01 = 7； 600F*0.01 = 6；或500F*0.01 = 5。可以将这些参数值存储在烙铁、焊台的存储器(例如NVM)中或者存储在盒本身内的存储器中。
[0074]参照图2，在块210中，基于焊头在预定时间段例如焊接事件的第一个2至3秒(例如根据公式(3)或公式(4)或者温度传感器)内的温度下降来执行热效率检查，以确保焊头的几何形状/温度和负载匹配。例如，当从焊接开始起的2秒之后的最大功率小于或等于正在使用的焊头的热效率因子时存在匹配。可以从NVM中检索该参数。
[0075]在一些实施方式中，热效率检查处理对焊台相对于焊头和负载的热传递和功率恢复进行监测。每种焊头类型都有其自身的热特性，其随焊头温度、质量和构型/样式而变化。对于各种焊头类型，将其热特性和热效率因子(TE)存储在盒中或盒外部的存储器中。
[0076]在第一时间段(例如，2至3秒)期间，测量焊头的功率(例如，从电源处)，并且将焊头的功率与焊头的TE进行比较。如果所测量的功率大于阈值，例如，为TE因子的95%+/-10%，则这意味着焊头太小或负载过大，因此其需要大量的电力。在该情况下，热效率校验失败(210a)，在块226中中止处理，并且可选地接通一个或更多个指示器例如红色LED、触觉装置和/或发声装置。如果热效率检查通过(210b)，则处理进行到可选块212，其中，通过指示器，例如绿色LED和/或蜂鸣声被接通以让操作者或机器人程序知道热效率检查处理已通过。
[0077]在块214中，基于如下热传递公式来检测液相线温度。
[0078]AT = P*TR (5)，
[0079]其中，ΔT为焊头温度减去负载温度，P为焊头的(电)功率电平，以及TR是可从NVM检索的焊头与负载之间的热阻值。
[0080]由于负载温度继续增加直至其达到平衡为止，因此AT在整个焊接动作中减小。此夕卜，当焊接事件首次开始时焊头的功率增大。因此，如下所示，TR将减小。如下所示，当液相线发生时，TR稳定并且因此焊头的功率P此刻开始下降。因此，为了检测液相线温度，观测输送至焊头的功率的变化状态。
[0081 ] AT| = PT*TR|
[0082]ATi = PhTR ?
[0083]在块216中，检查以查看功率是否在峰值并正在下降。如果功率没有处在峰值并且没有正在下降，则处理超时(216a)并且在块226中止处理。如果从电源测量的至焊头的功率处在峰值并且正在下降，则处理进行到块218以接通指示器，例如LED和/或蜂鸣器。当功率处在峰值并且正在下降时，这表示焊接事件处在液相线状态。
[0084]在块220中，頂C的厚度由如下公式确定。
[0085]IMC= l+(k*ln(t+l)) (6)，
[0086]其中，k是针对正在使用的焊料的类型的权重因子(由焊料的制造商提供并且被存储在存储器中)，并且t是用于在液相线之后的给定时间处确定IMC厚度的采样/感测间隔时间，例如10ms。例如，K是具有值0.2173的常数，t是0.1秒，也就是说，以0.1秒的间隔来计算nc以避免小负载的超调。也就是说，焊头随着其加热焊接接头而冷却并且加热器尝试重新加热焊头，温度可能会从其设定(需要)的值而超调。通常，頂C的厚度可以在Ium至4um之间变化。
[0087]通常，焊接接头的頂C的厚度将随时间和温度而变化。当温度处在焊料负载的熔点(例如，在220oC至240oC)时，该温度对焊接接头的頂C的厚度不具有很大的影响。因此，公式
(6)仅基于时间和固定的温度。
[0088]图4A示出了针对权重因子k= 0.2173焊接接头的頂C的厚度相对于时间的曲线图，其使用许多焊接接头和頂C厚度测量通过实验获得。如图4A所描绘的，基于实验数据，頂C厚度随时间而增加。
[0089]参照图2，块222进行检查以查看在预定量的时间(冷却时段)内所确定的MC的厚度是否处在预定范围例如Ium至4um内。如果所确定的IMC的厚度在预定范围内，则处理进行到块224，在块224中通知操作者。如果在块222中测试结果为假，则处理超时(222b)并且在块226中中止处理。
[0090]在一些实施方式中，本实用新型为操作者提供成功的或潜在非成功的接头形成的指示，连同收集金属间接头信息的能力，以及该特定接头的操作参数以用于后处理。指示可以通过视觉装置、听觉装置和/或手持件的振动来实现。
[0091]例如，通过工艺工程师跟踪在焊接事件期间涉及的步骤来使用调试模式(块228)。为了进入调试模式，用户需要将调试模式打开。
[0092]图4B示出了HC的厚度相对于焊接时间的曲线图。如所描绘的，曲线图402针对300°C的温度具有Y = 0.176X+1.242，曲线图404针对275°C的温度具有Y = 0.044X+1.019，并且曲线图404针对2200C的温度具有Y = 0.049Χ+0.297，其中，X是时间，Y是IMC厚度。常数从多个实验得到。如图所示，MC厚度的中断发生在三个不同的温度范围。由于MC的厚度随时间和温度而变化，随着温度上升，頂C以线性函数的方式变得更大。取决于应用，这些曲线中的任何曲线可用于确定公式(6)中的权重因子K。例如，对于具有SAC305焊头的焊接应用(SAC305焊头的规格可以被存储在盒的NVM中)，使用曲线图404。
[0093]图4C示出了具有1um的规模的IMC层。垂直箭头是可以执行IMC厚度测量的位置。如上所述，本实用新型检测液相线温度、确定IMC的厚度以及确保实现所需要的厚度。
[0094]以该方式，本实用新型的实施方式通过计算金属间的厚度从而防止在早期阶段中出现不良接头来确保两种金属之间良好的结合和电连接。此外，本实用新型向操作者提供关于接头质量和工艺问题的即时反馈(通过指示器)，因此操作者能够跟踪关于接头质量的信息以用于后分析。操作者可以改变不同的参数或从菜单中选择不同的参数以满足特定应用要求。
[0095]在一些实施方式中，当利用自调节温度反馈技术时，对客户站点处的系统的校准没有要求。本实用新型还提供了以下能力:用于帮助操作者识别针对焊接事件其是否正在使用不适当的焊头/盒的组合。例如，当焊头基于存储在NVM中的热效率阈值不能够输送足以使负载在从启动时起的预定时间(例如2秒)之后达到熔点所需的能量时，本实用新型能够(例如，经由LED、发声装置、触觉装置等)通知操作者。
[0096]在一些实施方式中，本实用新型使用至少两个高分辨率相机来捕获两个或更多个2D图像、根据这些2D图像获得3D图像(利用各种公知的技术)、使用2D和3D图像来检测液相线阶段，然后计算经由通孔部件的导通孔(筒)填充的焊料的量，或者在表面安装部件的部件的周围展开的焊料的量。
[0097]图5是根据本实用新型的一些实施方式的使用来自多个相机的图像进行液相线检测和连接验证的示例性处理流程。在一些实施方式中，至少两个高分辨率相机靠近于焊接接头放置在两个不同的位置处，以在焊接事件之前和焊接事件之后从两个视角(角度)来捕获焊接接头的2D图像。根据2D图像的比较来检测液相线。然后，在通孔部件的情况下，根据从2D图像生成的3D图像来确定通孔筒(筒)的体积。在表面安装(SMT)的部件的情况下，根据2D图像来确定PCB上的筒的表面。如块502所示，在焊接事件之前通过两个相机来捕获焊接区域(接头)的两个图像，以产生如图6A所描绘的两个参考图像。在块504中，通过公知的方法在焊接事件之前根据两个参考图像来生成焊接区域的3D参考图像。
[0098]在块506中，根据3D参考图像来确定通孔的筒的体积Vb和/或SMT部件的筒的表面积Sb，以确定填充筒或筒的表面区域需要多少焊料。筒的表面还可以根据相机的位置由2D图像来确定。例如，已知每个相机到焊接接头的距离和角度时，可以使用简单的已知三角测量来确定任意点(例如，筒表面的周界上的点)的距离。此外，具有第二(立体)相机时，提供至少四个点以用于体积确定。还存在能够根据3D图像测量体积(以及表面积)的已知软件工具(例如，计算机视觉软件)。例如，来自MediaCybernetics?的Image-Pro Premier 3D?和Image-Pro Plus?能够测量容量内的多种材料的性质并且容易地找出百分比组成、材料质量、取向、直径、半径以及表面积。该工具能够测量物体体积、箱容积、深度、直径、半径以及表面积。具有类似功能的若干其他工具也能够为本领域的普通技术人员使用和获知。
[0099]因此，根据部件的类型来确定填充筒或筒的表面所需要的焊料的量。紧接在焊接事件开始之后，在块508中，捕获焊接区域的两个当前图像。在块510中，随着焊接事件的进行将2D参考图像中的每个像素的颜色值与2D当前图像中的每个对应像素的颜色值进行比较，以检测由于焊料的展开所引起的当前图像中像素的任何颜色变化。如图6B所示，由于焊料颜色的像素值是已知的，因此该处理可以确定像素是否是焊料像素，即是否包含焊料。
[0100]在块512中，重复进行块508(图6C)和块510中的处理直至当前图像的所有像素被确定出是分配有焊料的像素为止，即如图6D所描绘的，此刻检测到液相线。在预定时间量(例如，8秒)之后，如果并非当前图像中的所有像素都被确定为是焊料的像素，则块512中的处理超时。当最后两个当前图像中的所有像素都被确定出是分配有焊料的像素时(在公差范围内)，在块514中检测到液相线。
[0101]在检测到液相线之后，在块516中对来自每个相机的最后当前图像进行处理以产生3D当前图像。然后，在块518中根据3D当前图像通过公式(7)至公式(9)中的一个或更多个公式来确定所分配的焊料的体积Vs。在块520中，将所计算的被分配焊料的体积Vs与所确定的填充筒所需要的焊料的量(即，Vb)或填充筒的表面区域(S卩，Sb)所需要的焊料的量进行比较以确定被分配焊料中有多少被消散到筒或筒的表面区域中。在块522中重复该处理(块520)，直至被分配焊料填充筒或筒的表面区域为止。也就是说，可见的被分配焊料的量在预定公差范围内已达到(Vs Vb)或(Vs Sb)。块522中的处理在预定量的时间(例如，8秒)之后超时。然后，接通指示器(例如，LED和/或蜂鸣器)以向操作者通知此刻通过使用被分配焊料填充所有筒或筒的表面而形成了连接。
[0102]换言之，如图7A所示，在通孔部件的情况下，当所计算的体积减少到填充筒所需的预定量并且在通孔部件的预定公差内时，良好的焊接接头形成。在一些实施方式中，基于以下公式来执行对焊接接头的高度和体积的计算。
[0103]Vlead = 3Iriead2h (7)
[0104]Vbarrel — ^!"barrel h (8)
[01 05] Vrequired — (rbarrel —!"lead ) (9)
[0106]其中，如图7A所不，Vlead是部件引线的体积;Vbarrel是通孔筒的体积;Vrequired是填充筒所需焊料的体积;r1(3ad是(通孔)部件引线半径;rbarre3l是通孔筒半径；以及h是板厚度。
[0107]图7A示出了根据本实用新型的一些实施方式的与通孔部件对应的一些示例性焊接接头，该焊接接头的图像由两个相机来捕获。图7B示出了根据本实用新型的一些实施方式的与表面安装部件对应的一些示例性焊接接头，该焊接接头的图像由两个相机来捕获。在该情况下，本实用新型将整个负载的高度与预定的基准高度(所期望的高度)进行比较，以形成抛物线形状或直线形状。对于表面安装部件而言，当所识别的形状面积在预定的公差内等于负载(筒)表面积的预定百分比时，形成了良好的焊接。如图7B所示，对于较大的表面安装部件，焊接接头在部件的侧上形成为抛物线形状。然而，对于较小的表面安装部件，所述焊接接头在部件的侧上形成为直线形状，这是因为由于部件的尺寸较小，从而相机仅能捕获线性地填充的区域。
[0108]本领域的普通技术人员将会认识到，可以在不偏离本实用新型的宽泛的创造性的情况下对上述本实用新型的所示出的实施方式和其他实施方式进行各种修改。因此将会理解，本实用新型不限制于所公开的【具体实施方式】或设置，而是意于覆盖在由所附权利要求所限定的本实用新型的范围和精神范围内的任何变化、适应性改变或变型。
[0109]相关申请的交叉引用
[0110]本专利申请是于2015年7月8日提交的、名称为“Soldering Iron With AutomaticSoldering Connect1n Validat1n”的专利申请N0.14/794，678的部分延续申请案，专利申请N0.14/794，678要求于2014年8月4 日提交的、名称为 “Connect1n Validat1n ForHandheld Soldering Iron Stat1n”的美国临时专利申请N0.62/033，037的权益，上述专利申请的全部内容通过引用明确并入本文中。
【主权项】
1.一种智能焊盒，包括: 壳体； 焊头; 加热器，用于加热所述焊头； 存储装置，用于存储与所述盒的特性有关的信息； 处理器，用于检索与所述盒的特性有关的信息；监测被输送至所述焊头的功率量以检测在焊接接头处的液相线发生;使用所检索的信息中的一些信息来确定所述焊接接头的金属间化合物的厚度;确定所述金属间化合物的厚度是否在预定范围内；以及当所述金属间化合物的厚度在所述预定范围内时生成指示信号，所述指示信号指示形成了可靠的焊接接头连接；以及 接口，用于传送所述指示信号。2.根据权利要求1所述的智能焊盒，其中，所述存储装置包括非易失性存储器和射频识别装置中的一个或更多个。3.根据权利要求1所述的智能焊盒，其中，与所述智能焊盒的特性有关的信息包括以下中的一个或更多个:部件号、序列号、所述智能焊盒的使用时间的指示、所述焊头的质量、焊头构型、认证代码以及所述焊头的热特性。4.根据权利要求3所述的智能焊盒，其中，与所述智能焊盒的特性有关的信息还包括与以下有关的信息中的一个或更多个:在各种负载规模下所述焊头的温度随时间的变化、所述焊头与焊料的接触表面、从所述加热器到所述焊头的距离、已经由所述焊头执行的焊接事件的数量、所述焊头的总使用时间、以及所述智能焊盒的制造日期。5.根据权利要求1所述的智能焊盒，其中，当所监测的功率量从峰值下降时检测到所述液相线发生。6.根据权利要求1所述的智能焊盒，还包括用于测量所述焊头的温度的温度传感器。7.根据权利要求1所述的智能焊盒，还包括用于测量所述焊头的阻抗的电位计。8.根据权利要求1所述的智能焊盒，其中，所述接口是有线接口和无线接口中的一个或更多个。9.根据权利要求6所述的智能焊盒，其中，所述温度传感器定期地测量所述焊头的温度并且将所述信息馈送至所述处理器，并且其中，所述处理器在所述温度从预定值变化时调节所述焊头的温度。10.—种手持式烙铁，包括根据权利要求1所述的智能焊盒以用于焊接工件。11.一种自动焊台，包括根据权利要求1所述的智能焊盒以用于焊接工件。12.—种智能焊盒，包括: 壳体； 焊头; 加热器，用于加热所述焊头； 存储装置，用于存储与所述盒的特性有关的信息； 处理器，用于检索与所述盒的特性有关的信息;检测在焊接接头处发生的液相线;接收所述焊接接头的3维当前图像;根据所述3维当前图像来确定在所述液相线的发生之后所分配的焊料的体积;将所分配的焊料的体积与填充通孔部件的孔的筒或者填充表面安装部件的孔的筒的表面所需要的焊料的量进行比较，以确定所分配的焊料中有多少被消散到所述筒上或所述筒的表面区域上;重复进行所分配的焊料的体积的比较直至所分配的焊料已经填充所述筒或所述筒的表面区域为止；以及当所分配的焊料已经在预定公差内填充所述筒或所述筒的表面区域时生成指示信号，所述指示信号指示形成了可靠的焊接接头连接；以及 接口，用于传送所述指示信号。13.根据权利要求12所述的智能焊盒，其中，所述存储装置是非易失性存储器和射频识别装置中的一个或更多个。14.根据权利要求12所述的智能焊盒，其中，与所述盒的特性有关的信息包括以下中的一个或更多个:部件号、序列号、所述盒的总使用情况、焊头质量、焊头构型、所述盒的认证代码以及所述焊头的热特性。15.根据权利要求14所述的智能焊盒，其中，与所述盒的特性有关的信息还包括与以下有关的信息中的一个或更多个:在各种负载规模下所述焊头的温度随时间的变化、所述焊头与焊料的接触表面、从所述加热器到所述焊头的距离、已经由所述焊头执行的焊接事件的数量、所述焊头的总使用时间、以及所述盒的制造日期。16.根据权利要求12所述的智能焊盒，其中，所述接口是有线接口和无线接口中的一个或更多个。17.根据权利要求12所述的智能焊盒，还包括用于测量所述焊头的温度的温度传感器。18.根据权利要求17所述的智能焊盒，其中，所述温度传感器定期地测量所述焊头的温度并且将所述信息馈送至所述处理器，并且其中，所述处理器在所述温度从预定值变化时调节所述焊头的温度。19.一种手持式烙铁，包括根据权利要求12所述的智能焊盒以用于焊接工件。20.—种自动焊台，包括根据权利要求12所述的智能焊盒以用于焊接工件。
【文档编号】B23K101/42GK205519983SQ201521130403
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2015年12月30日
【发明人】肯尼斯·D·马里诺, 华·阮
【申请人】特拉华资本构造公司