CN107283016A

CN107283016A - 可变温度受控烙铁

Info

Publication number: CN107283016A
Application number: CN201710229159.4A
Authority: CN
Inventors: 华·阮; 肯尼斯·D·马里诺
Original assignee: OK International Inc
Current assignee: OK International Inc
Priority date: 2016-04-11
Filing date: 2017-04-10
Publication date: 2017-10-24

Abstract

一种具有自动可变温度控制的烙铁系统，包括手持件或机械臂，其包括焊枪，焊枪具有焊头、加热线圈以及用于感测焊头的温度的温度传感器或用于测量焊头的阻抗的阻抗测量设备；可变电源，用于向加热线圈传送可变功率以加热焊头；处理器，包括相关联的电路，用于接受焊头的设置温度输入和感测的温度以及提供控制信号，该控制信号用于控制可变电源以向加热线圈传送合适的功率以将焊头的温度保持在设置温度输入的基本上恒定的水平。

Description

可变温度受控烙铁

相关申请的交叉引用

本专利申请是于2016年10月25日提交的名称为“Intelligent SolderingCartridge For Automatic Soldering Connection Validation”的专利申请序列号为No.15/333,590的申请的部分继续申请，该申请是于2016年4月11日提交的专利申请序列号为No.15/096,035、现在美国专利号为No.9,511,439的申请的继续申请，该申请是于2015年12月11日提交的专利申请序列号为No.14/966,975、现在美国专利号为No.9,327,361的申请的继续申请，该申请是于2015年7月8日提交的专利申请序列号为No.14/794,678、现在美国专利号为No.9,516,762的申请的部分继续申请，该申请要求于2014年8月4日提交的序列号为No.62/033,037的美国临时专利申请的优先权，所有这些申请的全部内容通过引用被明确合并到本公开中。

技术领域

公开的发明总体上涉及使用焊接来制造、修理和改写印刷电路板(PCB)，并且更特别地涉及具有自动可变温度控制的烙铁。

背景技术

由于在电路印刷版(PCB)上使用的部件类型越来越多、无源部件越来越小、IC越来越大以及颗粒间隔(pitch)尺寸越来越细微，对有助于PCB封装(PCBA)制造和改写的高质量焊点的需求已经增长。近年来，故障的焊点已经导致各公司损失数十亿美元。已经开发了很多工艺来降低波峰焊接系统的失效率。然而，对于点对点手持焊接和改写应用，各公司依赖于操作者的技巧来产生具有高质量的电气连接的好的焊点。不管向烙铁的操作者提供多少训练，如果在焊接活动期间没有指导，则由于存在影响用于形成具有好的电气连接的焊点的通过烙铁的热传递的许多因素这一事实，操作者可能失误并且重复性失误。这些因素包括焊头温度、焊头的几何特征、焊料的氧化、人的行为等。

此外，自动(例如，机器人的)焊接在当前是严格的基于开环时间的事件，其中，机器人移动到特定的焊点，将焊头自动地放置在该焊点上，自动地应用焊接，以及在(由用于机器人的特定软件确定的)规定的时间后自动地将焊头从焊点移开。重复这样的过程直到机器人的程序完成。

对焊头的加热通常通过将来自电源的(固定的)电流通过阻性加热元件来执行。然而，不同的焊接应用需要不同的加热温度。由于具有特定合金的单个焊头能够产生特定(最大)温度的热量，因此针对不同的加热应用需要不同的焊头。取决于功率(电流)输入以及其接触的工件的材质，简单的烙铁达到由热平衡确定的温度水平。然而，当焊头接触到大的工件(例如，大体积的金属)时，焊头温度下降，因此小的焊头将损失大量温度而不能焊接大的工件。更先进的烙铁具有温度传感器机制，以在其温度下降时，通过向焊头传送更多的能量，将焊头温度保持稳定在恒定水平。

通常，可变功率控制改变焊头的热平衡而不需要自动测量或调节温度。其他系统使用恒温器，恒温器通常在烙铁的内部，其自动切换到焊枪/焊头的供电的打开和关闭。可以使用热电偶传感器来监测焊头的温度并且调节传送到焊枪的加热元件的功率以维持期望的恒定的温度。

另一种方式是使用在特定温度(居里点)失去磁属性的磁化焊头。这种方式取决于特定焊头材料的电气和冶金特性。例如，焊头可以包括铜(铜是具有高导电性的材料)以及具有高电阻性的另一种磁性材料(金属)。只要焊头是磁性的，就关闭到电源和加热元件的开关。当焊头的温度超过(对特定应用)需要的温度时，打开开关并且由此焊头开始冷却直到温度下降到足以恢复焊头材料的磁性。选择具有固定居里点的材料产生了生成和维持特定的、自调节的温度以及恒定水平的加热器并且由此加热器不需要校准。换言之，当加热器温度下降时(当其接触到热负载时)，电源利用将焊头温度提高回到固定的所需温度以正确地焊接工件所需的足够能量来进行响应。此外，具有带有特定的磁属性的特定合金的特定焊头能够产生一定温度或高达一定温度的热。因此，针对不同的加热应用，需要不同的焊头。这要求储备和维护具有不同的热特性的各种不同焊头。这还大大增加了用于足够大的或具有需要不同焊头的不同类型部件的工件的焊接过程的时间，因为操作者需要不断更换焊头。

发明内容

在一些实施例中，公开的发明是具有自动可变温度控制的烙铁系统。该烙铁系统包括手持件或机械臂，其包括焊枪，焊枪具有焊头、加热线圈以及用于感测焊头的温度的温度传感器；可变电源，用于向加热线圈传送可变功率以加热焊头；处理器，包括相关联的电路，用于接受焊头的设置温度输入和感测的温度以及提供控制信号，该控制信号用于控制可变电源以向加热线圈传送合适的功率以将焊头的温度保持在设置温度输入的基本上恒定的水平。

在一些实施例中，公开的发明是具有自动可变温度控制的烙铁系统。该烙铁系统包括手持件或机械臂，其包括焊枪，该焊枪具有焊头、加热线圈以及用于感测焊头的阻抗的阻抗测量设备；可变电源，用于向加热线圈传送可变功率以加热焊头；处理器，包括相关联的电路，用于接受焊头的设置温度输入以及测量的阻抗，根据测量的阻抗来确定焊头的温度，以及提供控制信号，该控制信号用于控制可变电源以向加热线圈传送合适的功率以将焊头的温度保持在设置温度输入的基本上恒定的水平。

在一些实施例中，公开的发明是具有自动可变温度控制的烙铁系统，包括：手持件或机械臂，包括焊枪，该焊枪具有焊头、加热线圈；可变电源，用于向加热线圈提供可变功率以加热焊头；处理器，包括相关联的电路，用于接受焊头的设置温度输入以及测量值，通过关闭到焊头的功率和测量线圈的电压来确定焊头的阻抗，根据测量的阻抗来确定焊头的温度，以及提供控制信号，所述控制信号用于控制可变电源以向加热线圈传送合适的功率以将焊头的温度保持在设置温度输入的基本上恒定的水平。

在一些实施例中，设置温度输入可以由烙铁系统的操作者调节，或者可以由处理器基于焊枪类型、焊头类型、焊头尺寸、焊头形状、热负载类型或尺寸、以及由焊头形成并且由处理器确定的焊点的质量中的一个或多个来自动地调节。

在一些实施例中，处理器通过确定焊点的金属间化合物(IMC)的厚度以及确定IMC的厚度是否在预定范围内来确定焊点的质量。

公开的发明的自动可变温度控制可以用于手持式烙铁或自动(机器人)焊接台中，以用于焊接工件。

附图说明

图1A描绘了根据公开的发明的一些实施例的示例性手持烙铁。

图1B示出了根据公开的发明的一些实施例的处理器和相关联部件的示例性框图。

图1C描绘了根据公开的发明的一些实施例的其中处理器和相关联的电路在电源中的示例性手持焊铁。

图1D示出了根据公开的发明的一些实施例的其中处理器和相关联的电路在手持件中的示例性手持焊铁。

图1E示出了根据公开的发明的一些实施例的其中处理器和相关联的电路在焊枪中的示例性手持焊铁。

图1F示出了根据公开的发明的一些实施例的其中处理器和相关联的电路在工作支架中的示例性手持焊铁。

图1G描绘了根据公开的发明的一些实施例的示例性自动焊接台。

图1H描绘了根据公开的发明的一些实施例的用于可变控制和设置焊头温度的烙铁的示例性电路。

图2示出了根据公开的发明的一些实施例的示例性过程流程。

图3A示出了根据公开的发明的一些实施例的，针对三个给定的负载尺寸，焊头的温度随时间的变化的曲线图。

图3B示出了根据公开的发明的一些实施例的，针对三个给定的功率水平以及三个给定的温度，焊头的阻抗随时间变化的曲线图。

图4A示出了根据公开的发明的一些实施例的IMC的厚度相对时间的曲线图。

图4B示出了根据公开的发明的一些实施例的IMC的厚度相对焊接时间的曲线图。

图4C示出了用于焊接事件的IMC层。

图5是根据公开的发明的一些实施例的使用来自多个摄像头的图像来进行液相检测和连接验证的示例性过程流程。

图6A-6D示出了根据公开的发明的一些实施例的用于检测液相的各种图像。

图7A示出了根据公开的发明的一些实施例的用于通孔部件的一些示例性焊点。

图7B描绘了根据公开的发明的一些实施例的用于表面安装部件的一些示例性焊点。

图8示出了根据公开的发明的一些实施例的示例性智能焊枪。

具体实施方式

在一些实施例中，公开的发明是具有自动焊接连接验证的焊接台。焊接台包括诸如微处理器或控制器等的处理器、存储器、输入/输出电路以及用于执行焊接连接验证的其他必要的电路。

在一些实施例中，处理器接收焊点和焊接台的各种特性并且执行计算焊料和PCB衬底的金属间化合物(IMC)厚度的过程以确保在焊接事件期间形成好的焊点。一旦确认了焊点的好的电气连接，则焊接台中(例如，在手持件中或者在焊接台的显示器上)的音频、LED或震动指示器通知操作者或焊接机器人程序形成了好的焊点。通常，由SAC(锡-银-铜)焊料和铜衬底PCB形成的好的焊点是在焊料的金属间化合物厚度在1微米-4微米之间时形成的焊点。因此，如果焊接台例如使用SAC 305(96.5％Sn、3％Ag、0.5％Cu)焊丝和铜衬底PCB，则公开的发明的一些实施例计算Cu₆Sn₅的IMC厚度并且在焊接事件期间，一旦焊料的IMC厚度达到1微米-4微米，就通知操作者或机器人。

铜衬底和焊料之间的化学反应可以被示出为：

3Cu+Sn——>Cu₃Sn (阶段1)(1)

2Cu₃Sn+3Sn——>Cu₆Sn₅(阶段2–IMC厚度是1微米–4微米)(2)。

化学反应的阶段1是暂时的(瞬时性的)并且因此不用于确定焊点的质量。

图1A描绘了根据公开的发明的一些实施例的示例性手持烙铁。如图所示，手持烙铁包括电源单元102，该电源单元102包括显示器104(例如，LCD显示器)以及各种指示器106，例如LED指示器106a和106b。还可以使用其他的指示器，例如发声设备或触觉设备。烙铁还包括耦合到电源单元102的手持件108以及容纳手持件108的(工作)支架110。手持件108接收来自电源单元102的功率并且加热附接到焊枪的或位于焊枪中的焊头以执行对工件的焊接。在一些实施例中，焊枪可以包括温度传感器，其热耦合到焊头以感测焊头温度并且将该数据传送到处理器。

手持件108上可以包括各种指示器，例如，其上包括一个或多个LED和/或蜂鸣器。在一些实施例中，电源单元102或手持件108包括微处理器、存储器、输入/输出电路以及用于执行各种过程的其他必要的电子电路。本领域技术人员将认识到，微处理器(或控制器)可以置于焊接系统的电源中、手持件中、或支架中。使用已知的有线和/或无线接口和协议可以在工作支架处通过有线和/或无线连接来执行与诸如本地计算机、远程服务器、用于执行焊接的机器人、打印机等的外部设备的通信。

在一些实施例中，如下文中更加详细地描述的，微处理器以及相关联的电路识别哪个焊枪正在被使用，验证焊头的几何特征，验证温度和负载(焊点)匹配以确保选择的焊枪可以产生足够的能量来使负载达到焊料的熔点，检测液线温度并且随后确定焊料的IMC厚度。例如，如果焊头的几何特征对于负载太小，则焊头将不能使焊点达到焊料的熔点。液线温度是在该温度以上材料完全成为液体的温度。液线温度大多用于不纯净的物质(混合物)，例如，玻璃、合金以及岩石。在液线温度以上，材料是同质的并且液相平衡。在液线温度以下，取决于材料，足够的时间后，材料中形成晶体。

图8示出了根据公开的发明的一些实施例的示例性智能焊枪。在一些实施例中，智能焊枪包括焊头802、相关联的接线804、磁屏蔽806、用于加热焊头的加热器808、杆或外壳810、用于电气和机械连接二者的连接器812以及诸如非易失性存储器(NVM)等的存储设备814。智能焊枪还可以包括一个或多个传感器818(例如用于测量焊头温度的温度传感器和/或用于测量焊头的阻抗的电位计)、射频标签设备(RFID)820、和/或处理器以及相关联的电路816，例如输入/输出电路以及用于数据通信的有线和/或无线接口。还可以包括用于将焊枪连接到手持件或机械臂的机械连接器(未示出)，以实现有效的、快速释放的操作。

在一些实施例中，从NVM 814或RFID 820读取焊枪ID，例如序列号或对特定焊枪唯一的码，以识别该焊枪、其类型和有关参数以及规范信息。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，与图3A、3B、4A以及4B中的曲线图类似。一旦使用了特定的焊头则从NVM中取回与正使用的焊头的温度变化有关的信息。一般地，在焊接事件期间，当焊头加热焊点时，焊头的温度下降，并且由此，加热器需要重新加热焊头，这经常导致超出焊头的需要(设置)温度。然而，在一些实施例中，温度传感器818周期性地感测焊头的温度并且将温度馈送给处理器(或直接馈送给加热器808)以调节温度，防止由负载或其他因素引起的任何温度下降(或升高)。以这种方式，合适的热量被直接传送到焊点。

在一些实施例中，NVM和/或RFID存储与焊枪的特性有关数据，例如零件号、批号、序列号、总使用状况、总点数、焊头质量/重量、焊头配置、认证码(如果有)、热效率、热特性等。这样的数据可以在启动时以及在焊接操作期间由处理器(例如，内部处理器816或外部处理器)取回。在一些实施例中，数据还可以经由有线或无线方法被接收和传送。

在一些实施例中，焊枪的NVM和/或RFID包括以下信息中的全部或一些。

1.加热器/焊头的温度，以及可选地，针对各种负载尺寸的与温度随时间的变化有关的信息；

2.焊头的几何特征，其可以包括焊头与焊料的接触表面、焊头到加热器的距离、焊头的质量。

3.焊头的热效率因数(基于质量、形状、加热器等)；

4.已经通过特定焊头执行的焊接事件的数量，这可以用于溯源。

5.焊头使用时间(例如，焊头的总时间以用于保修和溯源)。

6.焊枪的生产日期。

7.焊枪的序列号和标识码。

8.零件号。

9.CV选择标记(焊头和/或焊枪是否经受CV(connection validation)技术)。

10.数据校验和。

如下文解释的，焊头温度、焊头几何特征和热效率被用于计算对IMC层厚度的近似。如下文解释的，焊接事件的数量、焊头使用的时间以及生产日期可以用于进一步细化IMC厚度计算的过程。诸如使用时间、焊接事件数量等的历史信息被写回到NVM以进行积累。

序列号、零件号以及CV选择标记用于内务处理、可追溯性和/或确定过程是否将可以/应该提供IMC形成的有效指示。在一些实施例中，数据校验和可以用于确定NVM中是否存在失效或者是否存在通信数据传送错误。在一些实施例中，用于机器人焊接台的智能焊枪包括抗旋转D环，其用于在机械臂旋转时阻止焊枪发生非期望的旋转。

在一些实施例中，智能焊枪能够根据图2和图5中两个过程流程来执行液相检测和连接验证的过程。例如，处理器816能够从NVM或RFID取回与焊枪的特性有关的信息，检测焊点处的液相的出现，接收焊点的3D当前图像，在根据3D当前图像确定液相出现之后确定分配的焊料的体积，将分配的焊料的体积与填充用于通孔部件的孔管(barrel)的所需的焊料量或填充用于表面安装部件的孔管所需的焊料量相比较以确定要将多少分配的焊料分散到管或管的表面积上，重复比较分配的焊料的体积的过程直到分配的焊料已经填充管以及管的表面积，以及当分配的焊料已经在预定的容差内填充了管和管的表面积时，生成指示形成了可靠的焊点连接的指示信号。

此外，处理器816能够取回与焊枪的特性有关的信息，检测焊点上的液相的出现，接收焊点的3D当前图像，在根据3D当前图像确定出现液相之后确定分配的焊料的体积，将分配的焊料的体积与需要填充用于通孔部件的孔管的焊料量、或填充用于表面安装部件的孔管的表面积的焊料量相比较以确定将多少分配的焊料分散到管或管的表面积上。随后，处理器可以重复比较分配的焊料的体积，直到分散的焊料已经填充了管或管的表面积为止，以及当分配的焊料已经在预定的容差内填充了管和管的表面积时，生成指示形成了可靠的焊点连接的指示信号。

图1B是根据公开的发明的一些实施例的处理器和相关联的部件的示例性框图。如所示出的，处理器112、存储器114、非易失性存储器(NVM)116以及I/O接口118耦合到总线120以包括公开的发明的一些实施例的处理器和相关联的电路。I/O接口118可以是到焊接台外部的部件的有线接口和/或无线接口。可选地，一个或多个摄像头122和124经由总线120或I/O接口118耦合到处理器和存储器以从各种角度捕获来自焊点的图像。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耦合到处理器112和存储器114。可选的温度传感器可以位于焊头上或焊头附近。

本领域技术人员容易理解的是，如在下文部分地解释地，图1B中描绘的不同部件可以位于烙铁或自动焊接台的不同部分中。例如，摄像头可以位于烙铁或自动焊接台的不同部件的外部并且与这些不同部件解耦，同时处理器和相关联的电路可以位于烙铁或自动焊接台(如下文描述的)的任何部件中。取决于它们的应用，传感器可以位于烙铁或自动焊接台的不同部件中/上。

图1C描绘了根据公开的发明的一些实施例的示例性手持烙铁，其中，处理器和相关联的电路在电源中。如图所示出，电源单元包括处理器和相关联的电路以及内部功率监测单元/电路，其用于检测和改变由电源提供给手持件、焊枪和/或焊头的功率。电源单元还包括与手持件、LED、焊枪和/或外部设备电通信的有线和/或无线接口。一旦处理器确定焊点的质量，其输出合适的信号以激活LED、发声设备、以及触觉设备中的一个或多个以将所确定的焊点质量通知给操作者。

此外，从焊枪的存储器(例如，NVM或RFID)读取焊枪ID(例如，对特定焊枪唯一的码或序列号)以识别焊枪以及其类型。这可以通过有线或无线连接来完成。例如，在焊枪中有RFID的情况下，该RFID(或者甚至NVM)可以(由处理器)无线地读取。一旦确定了智能焊枪以及其类型，处理器从存储器(例如，EEPROM)取回焊枪的相关参数。存储于焊枪有关的参数的存储器可以在焊枪的内部或外部。在一些实施例中，如果所有(焊枪)有关的参数都被存储在存储器(其在焊枪中)中，则焊枪可能不需要被专门识别，这是因为参数已经在焊枪的存储器中可用并且特定于焊枪。

在一些实施例中，焊枪可以具有用于识别该焊枪的条形码、磁条或“智能芯片”。一旦焊枪被识别，可以从条形码、磁条、智能芯片读取相关信息，或者从例如耦合到计算机网络(例如，互联网)的存储器或数据库的外部存储器取回相关信息。出于本申请和要求保护的发明的目的，存储设备也可以包括条形码、磁条以及智能芯片。

图1D示出了根据公开的发明的示例性手持烙铁，其中，处理器和相关联的电路在手持件中。这些实施例的总体功能和操作与参照图1C说明的那些类似，除了处理器(和相关联的电路)以及功率监测单元/电路现在位于手持件。

图1E示出了根据公开的发明的一些实施例的手持烙铁，其中，处理器和相关联的电路在焊枪中。在这些实施例中，焊枪可以类似于在图8中描绘并且在上文中说明的智能焊枪。这些实施例的总体功能和操作类似于参照图1C说明的那些，除了处理器(和相关联的电路)以及存储器现在位于焊枪。此外，焊枪、手持件以及外部设备之间的通信可以是有线的或无线的。本领域技术人员容易认识到，功率监测单元/电路(未示出)可以位于电源单元、手持件或焊枪本身中。在这些实施例中，通知操作者的设备(例如，LED、发生设备、和/或触觉设备)可以位于手持件或焊枪本身。如果位于手持件，则手持件可以包括用于与焊枪(以及任何相关外部设备)通信的有线和/或无线接口。

图1F示出了根据公开的发明的一些实施例的示例性手持烙铁，其中，处理器和相关联的电路位于焊枪中。这些实施例的总体功能和操作与参照图1C说明的那些类似，除了处理器(和相关联的电路)以及功率监测单元/电路现在位于烙铁的工作支架。

图1G示出了根据公开的发明的一些实施例的示例性自动焊接台。在这些实施例中，如图所示，手持件和焊枪被组装在机械臂上或作为机械臂的一部分。如图所示，机械臂140能够进行三维运动和旋转。手持件144耦合到机械臂以及智能焊枪，例如，根据图8的智能焊枪连接到手持件。在一些实施例中，智能焊枪142可以直接耦合到机械臂140，该机械臂140将充当手持件。

工件(例如，印刷接线板(PWB))154被置于移动平台156上以在其上执行焊接操作。焊料馈送器146经由夹具、固定架、辊或管148将焊料提供给工件154。以不同角度设置的一个或多个摄像头152摄取工件上的焊点的闭合。电源150向焊枪以及其中的相关电子元件供电。

以这样的方式，公开的发明的CV技术能够向任何传统的自动焊接台提供反馈(闭环系统)。例如，通过提供对焊接质量的实时反馈，传统方式的基于开环时间的事件被显著地改进。换言之，不是使用针对焊点的规定时间，而是CV技术向机器人移动控制系统提供指示何时产生好的焊点的反馈信号。在一些实施例中，在程序中，仅在指示好的焊点时，机器人才可以移动到下一个焊点。当产生了坏的焊点时，机器人立即停止，或在程序结尾处停止，并且警告操作者该焊点的问题。

图1H示出了根据公开的发明的一些实施例的供烙铁可变地控制和设置焊头温度的示例性电路。如图所示，可变电源162将电能传送给焊接手持件或机械臂164的线圈165以加热线圈。线圈165的热随后被传递到焊头166。根据下文描述的方式，手持件或机械臂164包括用于测量焊头的温度的温度传感器172和/或诸如电位计的用于测量焊头的阻抗的阻抗测量设备172。

随后，温度测量信息167和/或阻抗测量信息168由具有相关联的电路和程序的处理器169接收。此外，温度设置信息170也由处理器169接收。基于温度设置信息170、温度测量信息167和/或阻抗测量信息168，处理器169(经由控制信号171)控制可变电源162来将由温度设置信息170设置的所需电能传送到线圈165，以使得线圈在该设置的温度上保持恒定的温度。可变电源162的输出功率可以基于其输出电压或脉冲宽度调制(PWM)控制信号171中的改变而变化。公知的PWM通过切换传送给线圈165的具有合适的占空比的电压来调节电源162的输出，这会逼近期望水平电压(从而得到期望水平的焊头温度)。

在一些实施例中，取决于应用所需要的温度，由操作者提供温度设置信息170。在一些实施例中，如下文描述的，取决于焊枪类型、焊头类型、焊头尺寸、焊头形状、热负载类型或尺寸、由验证过程确定的连接的质量中的一个或多个，温度设置信息170由处理器169自动地设置和改变(可调节的)。

以这种方式，同一个焊头可以用于不同的加热应用，其结果是，减少对各种不同焊头的储备和维护，并且减少对大工件或者需要不同焊头的不同类型部件的工件的焊接时间。

图2示出了根据公开的发明的一些实施例的示例过程流程。如在框202中示出的，开始用于验证部件与PCB衬底之间的所有连接点的过程。在框204中，识别正在使用的焊枪以及从焊枪中的或焊枪外部的诸如EEPROM等的非易失性存储器(NVM)取回与被识别的焊枪有关的数据。如上文描述的，在一些实施例中，由处理器从焊枪中的NVM取回与被识别的焊枪有关的数据。

在框206中，过程(例如，处理器)检查功率水平以确定在一段时间内是否正在执行任何焊接动作。如果还没有执行焊接动作，则过程在框206中等待。例如，计时器可以被设置到预定的时间并且如果在该时间内没有发生动作，则过程等待。然而，如果要执行焊接动作，则过程进行至可选框208，其中，重置指示器。

图3A示出了针对三个给定的焊料负载尺寸，焊头的温度随时间变化的图。如上文描述的，该数据可以存储在焊枪的存储器中。曲线306针对大负载尺寸(例如，～104Cu平方密耳)，曲线304针对中等负载尺寸(例如，～54Cu平方密耳)，曲线302示出了小负载尺寸(例如，～24Cu平方密耳)。如在图3A中示出的，对于给定的焊头，负载越重，温度下降越多。在一些实施例中，如果焊头的温度下降大于预定值，例如大约25℃(由实验数据确定)，则过程中止，这是因为，在完成焊接事件的所需时间(例如，8秒)内，电源将不能够恢复地足够快以继续向焊头传送电能来维持焊头的温度。

在一些实施例中，可以通过测量焊头的阻抗以及随后通过下文的等式(3)确定焊头温度来检测温度下降。阻抗可以通过关闭到焊枪/焊头的电能以及测量与焊头热接触的(焊枪中的)线圈的电压来测量。焊头的阻抗则将是线圈的电压乘以阻抗加权因子(等式(3)中的K)，该加权因子将取决于焊头类型并且例如存储在焊枪本身中的存储器中。在一些实施例中，温度传感器可以位于焊枪中以直接读取焊头的温度下降并将其传送给微处理器。

R_imd＝R_min+R_max/(1+[k*e^(-T)]) (3)

其中，R_imd是阻抗值，R_min是阻抗的最小值，R_max是阻抗的最大值，K是加权因子并且T是差值温度，即焊头与负载之间的温度差。焊头温度下降通常是由于开始时从焊头到负载的热传递，并且取决于几何特征、加热器、以及焊头类型，可以从6°到48°变化。R_min是在启动供电之前，焊头的最小阻抗值。R_max是已经启动供电预定时间量之后(例如，2秒之后)，焊头的最大阻抗值。这些值特定于所使用的具体焊头并且被存储在可以由处理器访问的存储器中。

图3B描绘了针对由电源单元传送到焊头的三个给定功率水平以及焊头的三个给定温度的焊头的阻抗随时间变化的图。如上文说明的，该数据也可以存储在焊枪的存储器中。曲线318针对低功率，曲线312针对大功率，并且曲线314示出了中等功率。此外，曲线310针对低温度，曲线316针对中等温度并且曲线320针对高温度。

在一些实施例中，如由以下等式(4)所示的，可以通过定义每个给定焊头几何特征和加热器材料的热效率因子(存储在焊枪中或焊枪外部的存储器中)来检测温度下降。如果功率高于TE_因子，则系统确定通过例如打开红色LED、激活触觉设备、或激活发声设备来中止过程。

TE_factor＝TipMass*TipStyle*HTR_factor*Const (4)

其中，TipMass是铜重量(mg)，对于长距(LongReach)焊头，其是0.65，对于常规焊头，其是1，并且对于强力焊头，其是1.72。TipStyle指的是焊头的顶端到焊枪中的加热器的距离。例如，根据市场中当前可用的一些焊头的数据，对于“长距”焊头，TipStyle是20mm，对于“常规”焊头，TipStyle是10mm，对于“强力”焊头，TipStyle是5mm。HTR_factor是加热器温度乘以基于加热器类型给定(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_factor可以是800F*0.01＝8；700F*0.01＝7；600F*0.01＝6；或者500F*0.01＝5。这些参数值可以存储在烙铁、焊接台、焊枪本身内的存储器(例如，NVM)中。

返回参照图2，在框210中，基于预定时间期间内(例如，焊接事件的最早的2-3秒)的焊头温度下降来执行热效率检查以确保焊头几何特征/温度和负载是匹配的(例如，根据等式(3)或(4)，或温度传感器)。例如，当焊接开始2秒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。参数可以从NVM取回。

在一些实施例中，热效率检查过程监测关于焊头和负载的焊接台的功率恢复以及热传递。每个焊头类型具有其自己的热特性，该热特性是焊头温度、质量、以及配置/类型变化的函数。对于各种焊头类型，它们的热特性和效率因子(TE)存储在焊枪中或焊枪外部的存储器中。

在第一时间段(例如，2-3秒)期间，测量(例如，从电源)到达焊头的功率并且将其与焊头的TE相比较。如果测量的功率大于阈值，例如TE因子的95％+/-10％，则意味着焊头太小或负载太大，因为它们需要大量的能量。在这样的情况下，热效率检查失败(210a)，过程在框226中中止，并且可选地，打开一个或多个指示器，例如，红色LED、触觉设备和/或发声设备。如果热效率检查通过(210b)，则过程进行至可选框212，其中，打开诸如绿色LED和/或蜂鸣器等的通过指示器，以让操作者或机器人程序知道已经通过热效率检查过程。

在框214中，基于以下热传递方程来检测液线温度。

ΔT＝P*TR (5),

其中，ΔT是焊头温度减去负载温度，P是到焊头的(电)功率，以及TR是焊头与负载之间的热阻，其可以从NVM取回。

由于负载温度继续增高直到其达到平衡为止，因此ΔT在整个焊接动作中下降。此外，当焊接事件刚开始时，到焊头的功率增加。因此，如下文所示的，TR将下降。一旦出现液相，如下文所示的，TR稳定并且由此到焊头的功率P现在开始下降。因此，对所检测的液线温度，观察传送到焊头的功率的变化状态。

ΔT↓＝P↑*TR↓

ΔT↓＝P↓*TR～

在框216中，查看功率是否在峰值并且正在下降。如果没有，则过程超时(216a)并且在框226中停止。如果从电源测量的到焊头的功率在峰值并且正在下降，则过程进行至框218以打开指示器，例如，LED和/或蜂鸣声音。当功率在峰值并且正在下降时，意味着焊接事件处于液相状态。

在框220中，IMC的厚度由以下等式确定。

IMC＝1+(k*ln(t+1)) (6),

其中，k是针对使用的焊料类型的加权因子(由焊料的制造商提供并且存储在存储器中)并且t是样品/感测检测时间，例如100ms，用于在液相后的给定时间确定IMC厚度。例如，K是具有值0.2173的常数，t是0.1秒，即以0.1s的间隔计算IMC，以避免对小负载的过冲。换言之，焊头在加热焊点时冷却，并且当加热器试图重新加热焊头时，温度可能会超过其设置(期望)值。通常，IMC的厚度可以在1-4μm之间变化。

通常，焊点的IMC的厚度是时间和温度的函数。当温度处于焊料负载的熔点时(例如，在220-240℃)，它对焊点的IMC的厚度没有实质的影响。因此，等式(6)仅基于时间和固定温度。

图4A示出了通过使用许多焊点和IMC厚度测量，针对通过实验获得的加权因子k＝0.2173的焊点的IMC的厚度对时间的曲线图。如图4A所示，基于实验数据，IMC厚度随时间增加。

返回参考图2，框222检查在预定时间量(冷却期间)内，确定的IMC的厚度是否在预定范围内，例如1微米至4微米。如果是，则过程进行至框224，其中通知操作者。如果框222中的测试结果为假，则过程超时(222b)并在框226中止。

在一些实施例中，本发明向操作者提供对成功的或可能的不成功的焊点的指示，以及收集金属间焊点信息的能力，以及用于后处理的特定焊点的操作参数。指示可以经由视觉手段，听觉手段和/或手持件的振动来实现。

例如，由过程工程师使用调试模式(框228)来跟踪焊接事件期间涉及的步骤。要进入调试模式，用户需要打开调试模式。

用于检测液相的类似过程可以用于从焊点去除焊料，以确保从焊点去除所有的焊料。例如，一旦检测到液线温度，就(自动地或手动地)开启真空(机器)，以从焊点去除焊料。以这样的方式，真空机在正确的时间打开。因为如果比液线温度更早地开启，则焊料不处于液态，因此不能被去除。此外，如果在液线温度之前打开真空，施加于焊点的大部分热量将由真空吸出。

图4B示出了IMC的厚度相对于焊接时间的曲线图。如图所示，曲线402针对300℃的温度，Y＝0.176X+1.242，曲线404针对275℃的温度，Y＝0.044X+1.019，曲线406针对220℃的温度，Y＝0.049X+0.297，其中X是时间，Y是IMC厚度。常数根据多次实验得出。如图所示，IMC厚度的突破在三个不同的温度范围上发生。由于IMC的厚度是时间和温度的函数，因此随着温度升高，IMC作为线性函数变大。取决于应用，可以使用这些曲线中的任何一个来确定等式(6)中的加权因子K。例如，对于使用SAC305端头(其规格可能存储在焊枪的NVM中)的焊接应用，使用曲线404。

图4C示出了具有10微米尺度的IMC层。垂直箭头可以执行IMC厚度测量。如上所述，公开的发明检测液线温度，确定IMC的厚度并确保实现期望的厚度。

以这样的方式，公开的发明的实施例通过计算金属间厚度确保了两种金属之间的良好结合和电气连接并且因此在早期阶段防止坏的焊点。此外，本发明(通过指示器)向操作者提供了对焊点质量和过程问题的即时反馈，并且因此操作者能够跟踪焊点质量信息以用于之后的分析。操作这可以改变或从菜单选择不同的参数，以满足某些应用需求。

在一些实施例中，当采用自调节温度反馈技术时，不需要在客户现场校准系统。本发明还提供了帮助操作者识别它们是否正在使用对焊接事件而言不合适的焊头/焊枪组合的能力。例如，当基于存储在NVM中的热效率阈值，焊头不能传送使负载在从启动开始的预定时间(例如，2秒)后到达熔点所需的足够的能量时，本发明能够通知操作者(例如，经由LED，发声装置，触觉装置等)。

在一些实施例中，本发明使用至少两个高分辨率摄像头来摄取两个或更多个2D图像，(利用各种已知的技术)从这些2D图像中得到3D图像，使用2D和3D图像来检测液相阶段以及随后计算填充用于通孔部件的通路孔(管)的焊料量或分配在用于表面安装部件的部件周围的焊料量。

图5是根据公开的发明的一些实施例的使用来自多个摄像头的图像来进行液相检测和连接验证的示例性过程流程。在一些实施例中，至少两个高分辨率摄像头在两个不同位置处靠近焊点放置，以在焊接事件之前和之后从两个视图(角度)摄取焊点的2D图像。从2D图像的比较中检测液相。然后，在通孔部件的情况下，根据从2D图像生成的三D图像确定通孔管(管)的体积。在表面安装(SMT)部件的情况下，根据2D图像来确定PCB上的管的表面。如在框502中所示的，焊接区域(焊点)的两个图像在焊接事件之前由两个摄像头摄取以产生两个参考图像，如图6A所示。在框504中，通过公知的方法，在焊接事件之前，根据两个参考图像生成焊接区域的3D参考图像。

在框506中，根据3D参考图像来确定用于通孔的管的体积V_b和/或用于SMT部件的管的表面积S_b，以确定需要多少焊料来填充管或者管的表面积。取决于摄像头位置，也可以根据2D图像来确定管的表面。例如，知道每个摄像头到焊点的距离和角度，可以使用简单的已知的三角法来确定任意点(例如，管表面的周长上的点)的距离。此外，具有第二(立体)摄像头，提供了至少四个点以用于体积的确定。还有能够根据3D图像测量体积(和表面积)的已知的软件工具(例如，计算机视觉软件)。例如，来自MediaCybernetics^TM的Image-ProPremier 3D^TM和Image-Pro Plus^TM能够测量体积内的多种材料的属性，并且可以容易地发现百分比组成、材料质量、取向、直径、半径和表面积。该工具能够测量物体体积、箱体积、深度、直径、半径和表面积。具有类似功能的几种其他工具也是可用的并且对本领域技术人员是已知的。

因此，取决于部件的类型，确定填充管或管的表面所需的焊料量。在框508中，在焊接事件开始后，立即摄取焊接区域的两个当前图像。在框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当前图像中每个相对应的像素的颜色值相比较，以检测由于焊料的扩散而产生的当前图像的像素中的任何颜色变化。由于焊料颜色的像素值是已知的，该过程可以确定像素是否是焊料像素，即包含焊料，如图6B中所示的。

在框512中，重复框508(图6C)和框510中的过程直到当前图像中的所有像素被确定为分配的焊料的像素(即，如图6D中描绘的，现在检测到液相)为止。如果不是当前图像中的所有像素都被确定为焊料的像素，则框512中的过程在预定时间量(例如，8秒)后超时。当最后两个当前图像中的所有像素被确定为分配的焊料的像素(在一定容差范围内)时，则在框514中检测液相。

在检测到液相之后，在框516中，处理来自每个摄像头的最后的当前图像以生成3D当前图像。然后，在框518中，通过一个或更多个等式(7)到(9)，根据3D当前图像来确定分配的焊料的体积V_s。在框520中，将计算的分配的焊料的体积V_s与填充管所需的确定的焊料量(即V_b)或管的表面积所需的确定的焊料量(即S_b)进行比较，以确定分配的焊料中的多少被分散到管中或管的表面区域上。在框522中重复该过程(框520)，直到分配的焊料已经填充管或管的表面区域。换言之，在预定的公差范围内可见的分配的焊料的体积达到(V_s V_b)或(V_s S_b)。框522中的过程在预定的时间量(例如，8秒)之后超时。然后，打开指示器(例如，LED和/或蜂鸣器)以通知操作者现在通过利用分配的焊料来填充所有的管或管的表面来形成连接。

换言之，在通孔部件的情况下，当计算的体积下降到对于通孔部件填充孔管所需的在预定的公差内的预设数量，则形成了好的焊点，如图7A所示。在一些实施例中，基于以下方程来执行对焊点的高度和体积的计算。

V_lead＝πr_lead ²h (7)

V_barrel＝πr_barrel ²h (8)

V_required＝πh(r_barrel ²–r_lead ²) (9)

其中，V_lead是部件引线的体积；V_barrel是通孔管的体积；V_required是填充管所需的焊料的体积，r_lead是(通孔)部件引线半径；r_barrel是通孔管半径；以及h是板厚度，如图7A中所示。

图7A示出了根据公开的发明的一些实施例的用于通孔部件的示例性焊点，焊点的图像由两个摄像头摄取。图7B示出了根据公开的发明的一些实施例的用于表面安装部件的示例性焊点，焊点的图像由两个摄像头摄取。在这样的情况下，本发明将整个负载的高度与预定的参考高度(期望高度)进行比较以形成抛物线或线性形状。一旦识别的形状区域在预定的容差内等效于负载(管)表面积的预定义百分比，则形成用于表面安装部件的好的焊点。如在图7B中所示的，对于大的表面安装部件，焊点在部件侧面被形成为抛物线形状。然而，对于小的表面安装部件，焊点在部件的侧面被形成为线性形状，这是因为，由于部件的小的尺寸，摄像头仅能摄取到线性填充区域。

用于检测液相的类似过程可以用于从焊点去除焊料以确保从焊点去除所有的焊料。例如，一旦使用以上过程检测到液相，就(自动地或手动地)开启真空(机器)，以从焊点去除焊料。以这种方式，真空机器在正确的时间被开启。

本领域技术人员应当认识到的是，可以对上文描述的本发明的示出的以及其他的实施例做出各种变形，而不偏离本发明的广阔的创造性。因此，应该理解的是，本发明不限于公开的特定实施例或布置，而是旨在覆盖落在由所附的权利要求所定义的本发明的范围和精神内的任何变化、调整或修改。

Claims

1.一种具有自动可变温度控制的烙铁系统，包括：

手持件或机械臂，包括焊枪，所述焊枪具有焊头、加热线圈以及用于感测所述焊头的温度的温度传感器；

可变电源，用于向所述加热线圈提供可变功率以加热所述焊头；

处理器，包括相关联的电路，用于接受所述焊头的设置温度输入和感测的温度以及提供控制信号，所述控制信号用于控制所述可变电源以向所述加热线圈传送合适的功率以将所述焊头的温度保持在所述设置温度输入的基本上恒定的水平。

2.根据权利要求1所述的烙铁系统，其中，所述控制信号是用于控制所述可变电源的输出功率的脉冲宽度调制信号。

3.根据权利要求1所述的烙铁台，其中，所述设置温度输入能够由所述烙铁系统的操作者调节。

4.根据权利要求1所述的烙铁系统，其中，所述设置温度输入能够由所述处理器基于焊枪类型、焊头类型、焊头尺寸、焊头形状、热负载类型或尺寸、以及由所述焊头形成并且由所述处理器确定的焊点的质量中的一个或多个来自动地调节。

5.根据权利要求4所述的烙铁系统，其中，所述处理器通过确定所述焊点的金属间化合物的厚度以及确定所述金属间化合物的厚度是否在预定范围内来确定所述焊点的质量。

6.根据权利要求5所述的烙铁系统，其中，当所述金属间化合物的厚度在所述预定范围内时，所述处理器生成指示形成可靠焊点连接的指示信号并且发送所述指示信号。

7.一种具有自动可变温度控制的烙铁系统，包括：

手持件或机械臂，包括焊枪，所述焊枪具有焊头、加热线圈以及用于感测所述焊头的阻抗的阻抗测量设备；

处理器，包括相关联的电路，用于接受所述焊头的设置温度输入以及测量的阻抗，根据测量的阻抗来确定所述焊头的温度，以及提供控制信号，所述控制信号用于控制所述可变电源向所述加热线圈传送合适的功率以将所述焊头的温度保持在所述设置温度输入的基本上恒定的水平。

8.根据权利要求7所述的烙铁系统，其中，所述控制信号是用于控制所述可变电源的输出功率的脉冲宽度调制信号。

9.根据权利要求7所述的烙铁系统，其中，所述设置温度输入能够由所述烙铁系统的操作者调节。

10.根据权利要求7所述的烙铁系统，其中，所述设置温度输入能够由所述处理器基于焊枪类型、焊头类型、焊头尺寸、焊头形状、热负载类型或尺寸、以及由所述焊头形成并且由所述处理器确定的焊点的质量中的一个或多个来自动地调节。

11.根据权利要求10所述的烙铁系统，其中，所述处理器通过确定所述焊点的金属间化合物的厚度以及确定所述金属间化合物的厚度是否在预定范围内来确定所述焊点的质量。

12.根据权利要求11所述的烙铁系统，其中，当所述金属间化合物的厚度在所述预定范围内时，所述处理器生成指示形成了可靠焊点连接的指示信号并且发送所述指示信号。

13.一种具有自动可变温度控制的烙铁系统，包括：

手持件或机械臂，包括焊枪，所述焊枪具有焊头、加热线圈；

处理器，包括相关联的电路，用于接受所述焊头的设置温度输入以及测量的阻抗，通过关闭到所述焊头的电源和测量所述线圈的电压来确定所述焊头的阻抗，根据测量的阻抗来确定所述焊头的温度，以及提供控制信号，所述控制信号用于控制所述可变电源以向所述加热线圈传送合适的功率以将所述焊头的温度保持在所述设置温度输入的基本上恒定的水平。

14.根据权利要求13所述的烙铁系统，其中，所述处理器通过将测量的所述线圈的电压乘以阻抗加权因子来确定所述焊头的阻抗。

15.根据权利要求13所述的烙铁系统，其中，所述设置温度输入能够由所述烙铁系统的操作者调节。

16.根据权利要求13所述的烙铁系统，其中，所述设置温度输入能够由所述处理器基于焊枪类型、焊头类型、焊头尺寸、焊头形状、热负载类型或尺寸、以及由所述焊头形成并且由所述处理器确定的焊点的质量中的一个或多个来自动地调节。

17.根据权利要求16所述的烙铁系统，其中，所述处理器通过确定所述焊点的金属间化合物的厚度以及确定所述金属间化合物的厚度是否在预定范围内来确定所述焊点的质量。

18.根据权利要求17所述的烙铁系统，其中，当所述金属间化合物的厚度在所述预定范围内时，所述处理器生成指示形成了可靠焊点连接的指示信号并且发送所述指示信号。