JP2017070999A - 自動半田付け接続検査を伴う半田ごて - Google Patents

Abstract

【課題】高品質な半田接合に対する要求が増大している。
【解決手段】半田付け接合接続検査のための半田ごてステーション及びその方法であって、用いられている半田付けカートリッジの型を識別することと、半田付け事象が開始された後、半田付け先端部温度を測定することによって予備的検査を実施することと、半田付け先端部に送出された電力レベルをモニタして、液相線発生を検出することと、半田付け接合の金属間部品（ＩＭＣ）の厚さを決定することと、ＩＭＣの厚さが所定の冷却時間期間内において所定の範囲内にあるかどうかを決定することと、ＩＭＣの厚さが所定の冷却時間期間内において所定の範囲内にある場合、信頼性のある半田付け接合接続が形成されることを指し示すことと、を含む方法を提供する。
【選択図】図１Ａ

Description

関連出願の相互参照
この特許出願は、２０１４年８月４日に出願された、「手持ち型半田ごてステーションのための接続検査」という名称の米国仮特許出願番号第６２／０３３，０３７号の出願日の利益を主張するものであり、その全体の内容が参照により本明細書に明示的に援用される。

本発明は、概して、プリント回路板（ＰＣＢ）の製造、修復及び再加工に関し、より詳しくは、自動半田付け接続検査を伴う半田ごてに関する。

プリント回路板（ＰＣＢ）上に用いられる部品の種類がより多くなり、受動部品がより小さくなり、より微細なボールピッチ寸法を有するＩＣがより大きくなると共に、ＰＣＢアセンブリ（ＰＣＢＡ）の作製及び再加工を補助するための高品質な半田接合に対する要求が増大してきた。長年にわたって、会社は、不完全な半田接合に何億ドルも費やしてきた。流動半田システムに対する故障率を低下させるために多くのプロセスが開発されてきた。しかし、二点間手持ち型半田付け及び再加工の適用のために、会社は、単に、電気的接続が良質である良好な半田接合を製造する作業者の熟練に依存している。半田付けの動作中の指導なしで、どれくらいの訓練が半田ごての作業者に対して提供されるかに関係なく、電気的接続が良好な半田接合を形成するための半田ごてによって、熱伝達に影響を与える因子が多くあるという事実のために、作業者は誤りをし、繰り返す可能性がある。これらの因子としては、半田先端部温度、半田先端部の形状、半田の酸化、人間の行動及び同種のものが挙げられる。

幾つかの実施形態において、本発明は、半田付け接合接続検査のための手持ち型半田ごてステーションによって実施される方法であって、前記手持ち型半田ごてステーションが、半田付け先端部を有する半田付けカートリッジを備える、方法である。前記方法は、半田ごてステーションによって用いられている半田付けカートリッジの型を識別し、前記識別されたカートリッジに関する情報を得ること、最初の所定の時間期間内に、前記半田付け先端部に送出された電力レベルと測定することによって半田付け事象が開始したことを決定すること、前記半田付け事象が開始された後、半田付け先端部温度を測定することによって予備的検査を実施すること、前記半田付け先端部に送出された前記電力レベルをモニタして、液相線発生を検出すること、前記液相線発生を検出した後、半田付け時間と半田付け先端部温度の関数として前記半田付け接合の金属間部品（ＩＭＣ）の厚さを決定すること、前記ＩＭＣの厚さが所定の冷却時間期間内において所定の範囲内にあるかどうかを決定すること、及び前記ＩＭＣの厚さが前記所定の冷却時間期間内において前記所定の範囲内にある場合、信頼性のある半田付け接合接続が形成されることを指し示すこと、を含む。

幾つかの実施形態において、本発明は、半田付け先端部を有する半田付けカートリッジを備えるハンドピースと、前記半田付け先端部に電力を送出するための電源供給源と、指示器と、前記半田ごてステーションによって用いられている前記半田付けカートリッジの型を識別し、前記識別されたカートリッジに関する情報を得ること、半田付け先端部温度を測定することによって予備的検査を実施すること、前記半田付け先端部に送出される電力レベルをモニタして、液相線発生を検出すること、前記液相線発生を検出した後、半田付け時間と半田付け先端部温度の関数として前記半田付け接合の金属間部品（ＩＭＣ）の厚さを決定すること、及び前記ＩＭＣの厚さが所定の冷却時間期間内において所定の範囲内であるかどうかを決定すること、のための関連回路を備えるプロセッサと、を備える自動半田付け接合接続検査を伴う半田ごてステーションである。前記指示器は、前記ＩＭＣの厚さが前記所定の冷却時間期間内において前記所定の範囲内である場合、信頼性のある半田付け接合接続が形成されることを指し示す。

幾つかの実施形態において、本発明は、半田付け接合接続検査のための手持ち型半田ごてステーションによって実施される方法であって、前記手持ち型半田ごてステーションが、異なる視点から半田付け接合のそれぞれの画像を取り込むための２台のカメラを備える、方法である。前記方法は、半田付け事象が開始する前に前記カメラの各々によって前記半田付け接合の二次元（２Ｄ）参照画像を取り込むこと、前記取り込まれた２Ｄ参照画像から前記半田付け接合の三次元（３Ｄ）参照画像を生成すること、前記３Ｄ参照画像から、スルーホール部品のためのホールの円筒内を充填するために、又は面実装部品のためのホールの円筒の面内を充填するために必要とされる半田の量を決定すること、前記半田付け事象が開始した後、前記カメラの各々によって前記半田付け接合の２Ｄ現在画像を取り込むこと、前記２Ｄ現在画像の各々の中の各画素の値を前記２Ｄ参照画像内の対応する画素値とそれぞれ比較して、前記半田付け事象が進行する際の分注された半田の広がりによる前記２Ｄ現在画像内の前記画素のいずれかの色変化を検出すること、前記２Ｄ現在画像内の全ての画素が前記分注半田の画素であると決定して、前記分注半田の液相線の発生を検出するまで、２Ｄ現在画像の取り込みと各画素の値の比較とを繰り返すこと、前記液相線の前記発生の検出後、各カメラから最後に取り込まれた２Ｄ参照画像から前記半田付け接合の３Ｄ現在画像を生成すること、前記３Ｄ現在画像から前記液相線の発生後に前記分注半田の体積を決定すること、前記分注半田の体積と、前記円筒内を充填するために必要とされる半田の決定量又は前記円筒の表面積とを比較して、どれだけの前記分注半田が前記円筒内又は円筒の表面積上に放散したのかを決定すること、所定の許容値内で、前記分注半田が前記円筒又は前記円筒の表面積を充填するまで、前記分注半田の体積の比較を繰り返すこと、及び前記所定の許容値内で前記分注半田が前記円筒又は前記円筒の表面積を充填する場合、良好な接続を指し示す指示器を作動させること、を含む。

幾つかの実施形態において、本発明は、半田付け接合の接続の自動検査を伴う半田ごてステーションであって、半田付け先端部を備えるハンドピースと、前記半田付け先端部に電力を送出するための電源供給源と、異なる位置に配置される２台のカメラであって、各々が前記半田付け接合の二次元（２Ｄ）画像を取り込むためのものであるカメラと、指示器と、前記半田付け接合の接続の検査のための関連回路を備えるプロセッサと、を備える、半田ごてステーションである。前記カメラの各々は、半田付け事象が開始する前に前記カメラの各々によって前記半田付け接合の二次元（２Ｄ）参照画像を取り込み、前記プロセッサは、前記取り込まれた２Ｄ参照画像から前記半田付け接合の三次元（３Ｄ）参照画像を生成し、且つ、前記３Ｄ参照画像から、スルーホール部品のためのホールの円筒内を充填するために、又は面実装部品のためのホールの円筒の面内を充填するために必要とされる半田の量を決定し、前記カメラの各々は、前記半田付け事象が開始された後、前記半田付け接合の２Ｄ現在画像を取り込み、前記プロセッサは、前記２Ｄ現在画像の各々の中の各画素の値を前記２Ｄ参照画像内の対応する画素値とそれぞれ比較して、前記半田付け事象が進行する際の分注された半田の広がりによる前記２Ｄ現在画像内の前記画素のいずれかの色変化を検出し、前記２Ｄ現在画像内の全ての画素が前記分注半田の画素であると決定して、前記分注半田の液相線の発生を検出するまで、前記カメラの各々は２Ｄ現在画像の取り込みを繰り返し、前記プロセッサは各画素の値の比較を繰り返し、前記液相線の前記発生の検出後、前記プロセッサは、各カメラから最後に取り込まれた２Ｄ参照画像から前記半田付け接合の３Ｄ現在画像を生成し、前記３Ｄ現在画像から前記液相線の発生後に前記分注半田の体積を決定し、前記分注半田の体積と、前記円筒内を充填するために必要とされる半田の決定量又は前記円筒の表面積とを比較して、どれだけの前記分注半田が前記円筒内又は円筒の表面積上に放散したのかを決定し、所定の許容値内で、前記分注半田が円筒又は前記円筒の表面積を充填するまで、前記分注半田の体積の比較を繰り返す。前記半田付けステーションは、更に、前記所定の許容値内で前記分注半田が前記円筒又は前記円筒の表面積を充填する場合、良好な接続を指し示す指示器を備える。

本発明の幾つかの実施形態にかかる例示的な手持ち型半田ごてを示す。 本発明の幾つかの実施形態にかかるプロセッサ及び関連部品の例示的なブロック図である。 本発明の幾つかの実施形態にかかる例示的なプロセスフローを示す。 本発明の幾つかの実施形態にかかる、３つの所定の装填サイズについての、時間に伴う半田付け先端部の温度の変化についてのグラフを示す。 本発明の幾つかの実施形態にかかる、３つの所定の電力レベル及び３つの所定の温度についての、時間に伴う半田付け先端部のインピーダンスの変化についてのグラフを示す。 本発明の幾つかの実施形態にかかる、時間に対するＩＭＣの厚さについてのグラフを示す。 本発明の幾つかの実施形態にかかる、半田付け時間に対するＩＭＣについての厚さについてのグラフを示す。 本発明の幾つかの実施形態にかかる、複数のカメラからの画像を用いた液相線検出及び接続確認のための例示的なプロセスフローである。 本発明の幾つかの実施形態にかかる、液相線の検出のために用いる各種画像を示す。 本発明の幾つかの実施形態にかかる、液相線の検出のために用いる各種画像を示す。 本発明の幾つかの実施形態にかかる、液相線の検出のために用いる各種画像を示す。 本発明の幾つかの実施形態にかかる、液相線の検出のために用いる各種画像を示す。 本発明の幾つかの実施形態にかかる、スルーホール部品のための幾つかの例示的な半田接合を示す。 本発明の幾つかの実施形態にかかる、面実装部品のための幾つかの例示的な半田接合を示す。

幾つかの実施形態において、本発明は、自動半田付け接続検査を伴う半田ごてである。前記半田ごては、マイクロプロセッサや制御装置等のプロセッサと、メモリと、入力／出力回路と、前記半田付け接続検査を実施するための他の必要な電子回路とを備える。

幾つかの実施形態において、前記プロセッサは、前記半田付け接合及び半田ごての各種特性を受け、半田の金属間ＩＭＣ厚さを算出するプロセスを実施し、良好な半田接合を確保するためのＰＣＢ基板が半田付け事象中に形成される。半田接合についての良好な電気的接続が確認されると、前記半田ごて内の、例えばハンドピース内の音声又はＬＥＤ指示器は、作業者に対して良好な半田接合の形成を通知する。典型的には、ＳＡＣ半田及び銅基板ＰＣＢによって形成される良好な半田接合は、金属間厚さが１μｍ〜４μｍの範囲内にある場合である。したがって、作業者が、例えば、銅基板ＰＣＢとともにＳＡＣ３０５（９６．５％のＳｎ、３％のＡｇ、０．５％のＣｕ）半田ワイヤを用いる場合、金属間厚さＣｕ₆Ｓｎ₅が本発明の幾つかの実施形態によって算出され、半田付け中に金属間化合物（ＩＭＣ）の金属間厚さが１μｍ〜４μｍに達すると作業者に通知される。

銅基板と半田ごての間の化学反応は、以下のように示すことができる。
３Ｃｕ＋Ｓｎ→Ｃｕ₃Ｓｎ （フェーズ１） （１）
２Ｃｕ₃Ｓｎ＋３Ｓｎ→Ｃｕ₆Ｓｎ₅ （フェーズ２−ＩＭＣ１μｍ〜４μｍ） （２）

化学反応のフェーズ１は、一時的（過渡的）であり、したがって、半田接合の質の決定のためには用いられない。

幾つかの実施形態において、マイクロプロセッサ（又は制御装置）は、電源供給源内、ハンドピース内、又は半田付けシステムのスタンドに配置してよい。ローカルコンピュータ、遠隔サーバ、プリンタ及び同種のもの等の外付けデバイスとの通信は、知られたワイヤレスインターフェースを用いて、ワイヤード及び／又はワイヤレス接続によって、ワークスタンドで実施することができる。

図１Ａは、本発明の幾つかの実施形態にかかる例示的な手持ち型半田ごてを示す。図示されるように、手持ち型半田ごては、ディスプレイ１０４、例えばＬＣＤディスプレイと、ＬＥＤ指示器１０６ａ及び１０６ｂ等の各種指示器１０６とを備える電源供給源ユニット１０２を備える。半田ごては、更に、電源供給源ユニット１０２に連結されたハンドピース１０８と、ハンドピース１０８を収容する（ワーク）スタンド１１０とを備える。ハンドピース１０８は、電源供給源ユニット１０２から電力を受け、半田付け先端部を加熱して、ワークピース上の半田付けを実施する。幾つかの実施形態において、半田付け先端部は、先端部温度を検出し、そのデータをプロセッサに伝達するための温度検出器を備えてもよい。

ハンドピース１０８は、ハンドピース１０８上に、１つ以上のＬＥＤ及び／又はブザー等の各種指示器を備えてもよい。幾つかの実施形態において、電源供給源ユニット１０２は、マイクロプロセッサと、メモリと、入力／出力回路と、各種プロセスを実施するための他の必要な電子回路とを備える。

幾つかの実施形態において、マイクロプロセッサ及び関連回路は、以下でより詳細に記載されるように、どの半田付けカートリッジが使用されているのかを識別し、先端部形状を検査し、半田融点に装填をもたらすためにカートリッジが充分なエネルギーを生成し得ることを確保するのに温度及び装填が適合するかを検査し、液相線温度を検出し、次いでＩＭＣの厚さを決定する。幾つかの実施形態において、半田付けカートリッジは、半田付け先端部と、関連配線と、磁気シールドと、加熱器と、シャフトと、コネクタと、不揮発性メモリ（ＮＶＭ）と、１つ以上の検出器と、先端部のインピーダンスを測定するためのポテンシオメータとを備える。液相線温度は、その温度を超えると材料が完全に液体となる温度である。液相線温度は、ほとんどの場合、ガラスや、合金、岩石等の不純な物質（混合物）について用いられる。液相線温度を超えると、材料は、均質になり、且つ平衡状態の液体となる。液相線温度を下回ると、材料に応じて、充分な時間の後、より多くの結晶が材料中に形成される。

図１Ｂは、本発明の幾つかの実施形態にかかるプロセッサ及び関連部品の例示的なブロック図である。図示されるように、本発明の幾つかの実施形態のプロセッサ及び関連回路を備えるために、プロセッサ１１２、メモリ１１４、不揮発性メモリ（ＮＶＭ）１１６及びＩ／Ｏインターフェース１１８がバス１２０に連結される。Ｉ／Ｏインターフェース１１８は、半田付けステーションの外側の部品に対するワイヤードインターフェース及び／又はワイヤレスインターフェースであってもよい。場合によって、２台のカメラ１２２及び１２４は、バス１２０又はＩ／Ｏインターフェース１１８を介してプロセッサ及びメモリに連結され、異なる視点からの半田接合の画像を取り込む。更に、半田付け先端部の温度を検出するための任意の温度検出器１２６は、バス１２０又はＩ／Ｏインターフェース１１８を介してプロセッサ１１２及びメモリ１１４に連結することができる。

図２は、本発明の幾つかの実施形態にかかる例示的なプロセスフローを示す。ブロック２０２に示すように、部品とＰＣＢ基板の間の全ての接続接合を検査するためのプロセスが開始する。ブロック２０４において、使用しているカートリッジを識別し、識別されたカートリッジに関するデータをＥＥＰＲＯＭ等の不揮発性メモリ（ＮＶＭ）から取り出す。幾つかの実施形態において、ＮＶＭは、カートリッジ内に配置されて、部品番号、ロットコード、シリアル番号、全体的使用、合計点、先端部の質量／重量、先端部の配置、認証コード（もしあれば）、熱効率、熱特性及び同種のもの等、カートリッジに関するデータを記憶することができる。このデータは、起動時及び作業中に、周期的に取得することができる。幾つかの実施形態において、ワイヤ又はワイヤレスの方法によって、前記データを受信し、伝達することもできる。

ブロック２０６において、期間内に任意の半田付け活動が実施されているかどうかを決定するために電力レベルをチェックする。実施すべき半田付け活動がまだない場合、プロセスはブロック２０６で待機する。例えば、タイマを所定時間に設定することができ、その時間内に活動が起こらない場合、プロセスは待機する。しかし、実施すべき半田付け活動がある場合、プロセスは任意のブロック２０８へ進み、指示器がリセットされる。

図３Ａは、３つの所定の装填サイズについての、時間に伴う半田付け先端部の温度の変化についてのグラフを示す。グラフ３０６は大装填サイズについてであり、グラフ３０４は中装填サイズについてであり、グラフ３０２は小装填サイズを示す。図３Ａに示されるように、所定の先端部について、装填が大きくなると、温度がより大きく降下する。幾つかの実施形態において、先端部温度降下が所定の値、例えば２５℃より大きい場合、半田付け事象を完了するための必要時間（例えば、８秒）内で先端部の温度を維持するために電源供給源が先端部に電力を送出し続けるのに十分速く回復することができないので、プロセスは中断される。

幾つかの実施形態において、前記温度降下は、先端部のインピーダンスを測定し、次いで以下の式（３）によって先端部温度を決定することによって検出することができる。インピーダンスは、先端部への電力をオフにし、コイル（カートリッジ内）の電圧を測定することによって測定することができる。そして、インピーダンスは、コイルの電圧にインピーダンス係数（式（３）のＫ）をかけたものであり、インピーダンス係数は、先端部の型によって決まる。幾つかの実施形態において、温度検出器は、先端部内に配置されて、温度降下を直接読みとって、その温度降下をマイクロプロセッサに通信することができる。
Ｒ_imd＝Ｒ_min＋Ｒ_max／｛１＋［ｋ×ｅ＾（−Ｔ）］｝ （３）
式中、Ｒ_imdはインピーダンス値であり、Ｒ_minはインピーダンスの最小値であり、Ｒ_maxはインピーダンスの最大値であり、Ｋは重み係数であり、Ｔはデルタ温度である。

図３Ｂは、電源供給源ユニットによって半田付け先端部に送出される３つの所定の電力レベルと、半田付け先端部の３つの所定の温度とについての、時間に伴う半田付け先端部のインピーダンスの変化についてのグラフを示す。グラフ３１８は小電力についてであり、グラフ３１２は大電力についてであり、グラフ３１４は中電力を示す。その上、グラフ３１０は低温度についてであり、グラフ３１６は中温度についてであり、グラフ３２０は高温度についてである。

幾つかの実施形態において、温度降下は、以下の式（４）に示されるように、各所定の先端部形状及び加熱器材料についての熱効率係数（ａ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｆａｃｔｏｒ）を定義することによって検出することができる。電力がＴＥ係数超をとる場合、システムは、例えば赤色ＬＥＤ及び／又はブザーをオンにすることによってプロセスの中断を決定する。
ＴＥ係数＝ＴｉｐＭａｓｓ×ＴｉｐＳｔｙｌｅ×ＨＴＲ係数×Ｃｏｎｓｔ （４）
式中、ＴｉｐＭａｓｓは、銅重量（ｍｇ）であり、その銅重量は、「ＬｏｎｇＲｅａｃｈ」先端部については０．６５であり、「Ｒｅｇｕｌａｒ」先端部については１であり、「Ｐｏｗｅｒ」先端部については１．７２である。「ＴｉｐＳｔｙｌｅ」とは、先端部の先端からカートリッジ内の加熱器までの距離を指す。例えば、ＴｉｐＳｔｙｌｅは、「ＬｏｎｇＲｅａｃｈ」先端部については２０ｍｍであり、「Ｒｅｇｕｌａｒ」先端部については１０ｍｍであり、「Ｐｏｗｅｒ」先端部については５ｍｍである。ＨＴＲ係数は、加熱器温度に係数（例えば、０．０１）をかけたものであり、その係数は加熱器の型に基づいて変化する。全ての型の加熱器について、Ｃｏｎｓｔ＝４．６５１×１０^-3である。例えば、ＨＴＲ係数は、各種の加熱器の型について、８００Ｆ×０．０１＝８、７００Ｆ×０．０１＝７、６００Ｆ×０．０１＝６、又は５００Ｆ×０．０１＝５であってよい。

図２に戻って参照すると、ブロック２１０において、熱効率のチェックを実施して、所定の時間期間内、例えば最初の２〜３秒で、先端部温度降下に基づいて先端部形状／温度及び装填が適合することを確保する。幾つかの実施形態において、熱効率チェックは、先端部及び装填に対する半田付けステーションの熱伝達及び電力回復をチェックする。各々の先端部の型は、その型自体の熱特性を有し、その熱特性は、先端部の温度、質量及び配置／スタイルの関数である。各種の先端部の型について、それらの型の熱効率係数（ＴＥ）がＮＶＭに記憶される。最初の期間中（例えば、２〜３秒）、先端部への電力を測定し、先端部のＴＥと比較する。測定された電力が閾値、例えばＴＥの９５％＋／−１０％より大きい場合、先端部があまりに小さいか、又は装填があまりに大きく、多くの電力が必要となることを意味する。この場合、熱効率チェックは不合格となり（２１０ａ）、ブロック２２６においてプロセスを中断し、場合によって、１つ以上の指示器、例えば赤色ＬＥＤ及び／又はブザーをオンにする。熱効率チェックが合格（２１０ｂ）した場合、プロセスは任意のブロック２１２に進み、ブロック２１２で、緑色ＬＥＤ及び／又はビープ等の「合格」指示器をオンにして、熱効率チェックプロセスが合格したことを作業者に知らせる。

ブロック２１４において、液相線温度は、以下の熱伝達式に基づいて検出される。
ΔＴ＝Ｐ×ＴＲ （５）
式中、ΔＴは先端部温度から装填温度を引いたものであり、Ｐは電力レベルである、ＴＲは、ＮＶＭから取得され得る先端部と装填の間の耐熱性である。

装填温度は、平衡状態に達するまで増加し続けるので、ΔＴは、半田付け活動にわたって減少する。また、半田付け事象が初めて開始する場合も電力は増加する。したがって、以下に示すように、ＴＲは減少することになる。液相線が発生すると、以下に示すように、ＴＲは安定し、したがって、その時に電力Ｐが減少し始める。したがって、液相線温度を検出するために、半田付け先端部に送出される電力の変化状態を観察する。
ΔＴ↓＝Ｐ↑×ＴＲ↓
ΔＴ↓＝Ｐ↓×ＴＲ〜

ブロック２１６において、電力がピークにあって、下落しているかについて確かめるためにチェックが行われる。そうでない場合、プロセスをタイムアウトし（２１６ａ）、ブロック２２６において中断する。電力がピークにあって、下落している場合、プロセスはブロック２１８に進み、指示器、例えばＬＥＤ及び／又はビープ音をオンにする。電力がピークにあって、下落している場合は、半田事象が液相線状態にあることを意味する。

ブロック２２０において、ＩＭＣの厚さは、以下の式で決定される。
ＩＭＣ＝１＋［ｋ×ｌｎ（ｔ＋１）］ （６）

式中、ｋは重み係数であり、ｔは１００ｍｓにおける半田間隔時間である。

概して、ＩＭＣの厚さは、時間と温度の関数である。前記温度が融点（例えば、２２０〜２４０℃）である場合、ＩＭＣの厚さに実質的な影響はない。したがって、式（６）は、時間及び固定温度のみに基づく。

図４Ａは、多くの半田付け接合及びＩＭＣ厚さ測定を用いて、実験によって得られる、ｋ＝０．２１７３における、時間に対するＩＭＣの厚さについてのグラフを示す。図４Ａに示されるように、ＩＭＣ厚さは、時間とともに増加する。

図２に戻って参照すると、ブロック２２２は、所定の時間（冷却期間）内に、ＩＭＣの決定された厚さが、所定の範囲内、例えば１μｍ〜４μｍにあるかどうかを確かめるためにチェックを行う。もし所定の範囲内にあるならば、プロセスはブロック２２４に進み、作業者に通知する。ブロック２２２においてテストの結果が誤っている場合、プロセスをタイムアウトし（２２２ｂ）、ブロック２２６において中断する。

幾つかの実施形態において、本発明は、金属間接合情報を集める能力とともに、接合の形成が成功したこと又は成功しなかった可能性があることの指示と、後処理のためのその特定の接合のための作業パラメータとを作業者に提供する。指示は、視覚型手段、音響型手段及び／又はハンドピースの振動によって達成することができる。

半田事象中に含まれるステップのトラックを保持するために、例えばプロセスエンジニアによって、デバッグモード（ブロック２２８）が用いられる。デバッグモードに入るためには、使用者は、デバッグモードをオンにする必要がある。

図４Ｂは、半田付け時間に対するＩＭＣについての厚さについてのグラフを示す。図示されるように、グラフ４０２は、３００℃の温度についてのＹ＝０．１７６Ｘ＋１．２４２であり、グラフ４０４は、２７５℃の温度についてのＹ＝０．０４４Ｘ＋１．０１９であり、グラフ４０４は、２２０℃の温度についてのＹ＝０．０４９Ｘ＋０．２９７であり、式中、Ｘは時間であり、ＹはＩＭＣ厚さである。定数は、複数の実験から導き出される。図示されるように、ＩＭＣ厚さの急変は、３つの異なる温度範囲で起こる。ＩＭＣの厚さが時間と温度の関数であるので、線形関数として、温度が上昇するとＩＭＣが大きくなる。適用に応じて、式（６）における重み係数Ｋを決定するために、これらの曲線の内のいずれかを用いることができる。例えば、ＳＡＣ３０５先端部による半田付けの適用のためには、グラフ４０４を用いる。

このように、本発明の実施形態は、金属間厚さを算出することによって２種の金属の間の良好な結合及び電気的接続を確保するものであって、したがって、初期の段階における不良接合を防止するものである。その上、本発明は、接合の質とプロセスの問題とについて、作業者に（指示器によって）即時のフィードバックを提供するものであって、したがって、作業者は、分析後の接合の質に関する情報を追跡する能力を有する。作業者は、一定のアプリケーション要件を満たすために、メニューから幾つかのパラメータを変更することができるか、又は選択することができる。

幾つかの実施形態において、自動調節キュリー温度であるキュリー温度（点）／Ｓｍａｒｔｈｅａｔ（商標）技術を利用する場合、システムのキャリブレーションの要件が顧客の現場にはない。キュリー温度又はキュリー点は、材料の永久磁気が誘導磁気に変化する温度、即ち、材料の固有磁気モーメントが方向を変える臨界点である。本発明は、作業者が半田付け事象のための不適当な先端部／カートリッジの組み合わせを用いているかどうかを識別することに役立つ能力も提供するものである。

幾つかの実施形態において、本発明は、少なくとも２台の高解像度カメラを用いて、２つ以上の２Ｄ画像を取り込み、それらの２Ｄ画像から３Ｄ画像を得て、２Ｄ及び３Ｄ画像を用いて、液相線段階を検出し、次いで、スルーホール部品のためのバイアホール（円筒）を通して充填した半田の量、又は面実装部品のための部品の周囲に広がった半田の量を算出する。

図５は、本発明の幾つかの実施形態にかかる、複数のカメラからの画像を用いた液相線検出及び接続検証のための例示的なプロセスフローである。半田付け事象の前後で、２つの視点から半田接合の２Ｄ画像を取り込むために、２つの異なる位置において、半田付け接合の近くに、少なくとも２台の高解像度カメラが配置される。液相線は、２Ｄ画像の比較から検出される。次いで、スルーホール部品の場合、２Ｄ画像から生成した３Ｄ画像からスルーホール円筒（円筒）の体積を決定する。面実装（ＳＭＴ）部品の場合、ＰＣＢ上の円筒の面は、２Ｄ画像から決定される。ブロック５０２に示されるように、半田付け事象の前に半田付け領域（接合）の２つの画像が２台のカメラによって取り込まれ、図６Ａにて示されるように２つの参照画像が生成される。ブロック５０４において、よく知られた方法によって、半田付け事象の前に半田付け領域の３Ｄ参照画像が２つの参照画像から生成される。

ブロック５０６において、スルーホールのための円筒の体積Ｖ_b及び／又はＳＭＴ部品のための円筒の表面積Ｓ_bを３Ｄ参照画像から決定して、円筒又は円筒の表面積を充填するのにどれだけの半田が必要なのかを決定する。円筒の面は、カメラ位置に応じて２Ｄ画像から決定することもできる。したがって、円筒又は円筒の面を充填するのに必要な半田の量は、部品の型に応じて決定される。半田付け事象が開始した直後、ブロック５０８において半田付け領域の２つの現在画像が取り込まれる。ブロック５１０において、半田付け事象が進行するにつれて、２Ｄ参照画像内の各画素の色値を２Ｄ現在画像内の対応する各画素の色値と比較して、半田の広がりによる現在画像内の画素のあらゆる色変化を検出する。半田の色の画素値が知られているので、図６Ｂに示されるように、このプロセスは、画素が半田画素であるかどうか、即ち半田を含むかどうかを決定することができる。

ブロック５１２において、図６Ｄに示されるように、現在画像内の全ての画素が分注半田の画素であると決定されるまで、即ち、その時に液相線が検出されるまで、ブロック５０８（図６Ｃ）及び５１０におけるプロセスを繰り返す。現在画像内の全ての画素が半田の画素であると決定されない場合、所定の時間（例えば、８秒）の後、ブロック５１２のプロセスをタイムアウトする。ブロック５１４において、最後の２つの現在画像内の全ての画素が分注半田の画素（許容値範囲内）であると決定される場合、液相線が検出される。

液相線の検出後、ブロック５１６において、各カメラからの最後の現在画像を処理して３Ｄ現在画像を生成する。次いで、ブロック５１８において、式（７）〜（９）の内の１つ以上によって、分注半田の体積Ｖ_sを３Ｄ現在画像から決定する。ブロック５２０において、分注半田の算出体積Ｖ_sを、円筒内を充填するのに必要な半田の決定量（即ち、Ｖ_b）、又は円筒の表面積（即ち、Ｓ_b）と比較して、どれだけの分注半田が円筒内又は円筒の表面積上に放散したのかを決定する。分注半田が円筒又は円筒の表面積を充填するまで、このプロセス（ブロック５２０）をブロック５２２において繰り返す。即ち、視認できる分注半田の体積が、所定の許容値範囲内で（Ｖ_s Ｖ_b）又は（Ｖ_s Ｓ_b）に達した。所定の時間（例えば、８秒）の後、ブロック５２２のプロセスをタイムアウトする。次いで、指示器（例えば、ＬＥＤ及び／又はビープ）をオンにして、分注半田で円筒又は円筒の面の全てを充填することによってその時に接続が形成されると作業者に通知する。

即ち、スルーホール部品の場合、スルーホール部品のためのあらかじめ定義された許容値内の、算出体積が円筒を充填するのに必要な所定量に減少する場合、図７Ａに示されるように、良好な半田接合が形成される。幾つかの実施形態において、半田接合の高さ及び体積の算出は、以下の式に基づいて行われる。
Ｖ_lead＝πｒ_lead ²ｈ （７）
Ｖ_barrel＝πｒ_barrel ²ｈ （８）
Ｖ_required＝πｈ（ｒ_barrel ²−ｒ_lead ²） （９）
式中、図７Ａに示されるように、Ｖ_leadは、部品リード線の体積であり、Ｖ_barrelは、スルーホール円筒の体積であり、Ｖ_requiredは、円筒を充填することが必要とされる半田の体積であり、ｒ_leadは、（スルーホール）部品リード線半径であり、ｒ_barrelは、スルーホール円筒半径であり、ｈは、板厚である。

図７Ａは、本発明の幾つかの実施形態にかかる、スルーホール部品のための、画像が２台のカメラによって取り込まれる幾つかの例示的な半田接合を示す。図７Ｂは、本発明の幾つかの実施形態にかかる、面実装部品のための、画像が２台のカメラによって取り込まれる幾つかの例示的な半田接合を示す。この場合、本発明は、装填全体の高さを所定の参照高さ（所望の高さ）と比較して、放物線形状又は直線形状を形成する。識別された形状面積が、あらかじめ定義された許容値内で、装填（円筒）表面積のあらかじめ定義された割合と同等であると、面実装部品に対して良好な半田が形成される。図７Ｂに示されるように、より大きな面実装部品については、放物線形状として部品の側面に半田接合が形成される。しかし、より小さい面実装部品については、部品のサイズが小さいためカメラが直線状に充填された領域を取り込むことができるだけであるので、直線形状として部品の側面に半田接合が形成される。

上記の本発明の図で示された実施形態及び他の実施形態に対して、それらの広い進歩性を逸脱しない範囲で当業者が各種の改変をなすことができることが認識されるであろう。したがって、本発明が、開示された特定の実施形態又は改作に限定されるものではなく、むしろ、添付の特許請求の範囲に記載の本発明の範囲及び精神の範囲内のあらゆる変更、翻案又は改変を含むことを意図するものであることが理解されるであろう。

Claims (20)

1. 半田付け接合接続検査のための手持ち型半田ごてステーションによって実施される方法であって、前記手持ち型半田ごてステーションが、半田付け先端部を有する半田付けカートリッジを備え、
   半田ごてステーションによって用いられている半田付けカートリッジの型を識別し、前記識別されたカートリッジに関する情報を得ることと、
   最初の所定の時間期間内に、前記半田付け先端部に送出された電力レベルと測定することによって半田付け事象が開始したことを決定することと、
   前記半田付け事象が開始した後、半田付け先端部温度を測定することによって予備的検査を実施することと、
   前記半田付け先端部に送出された前記電力レベルをモニタして、液相線発生を検出することと、
   前記液相線発生を検出した後、半田付け時間と半田付け先端部温度の関数として前記半田付け接合の金属間部品（ＩＭＣ）の厚さを決定することと、
   前記ＩＭＣの厚さが所定の冷却時間期間内において所定の範囲内にあるかどうかを決定することと、
   前記ＩＭＣの厚さが前記所定の冷却時間期間内において前記所定の範囲内にある場合、信頼性のある半田付け接合接続が形成されることを指し示すことと、
   を含む方法。
2. 用いられている前記半田付けカートリッジの型を識別し、前記識別されたカートリッジに関する情報を得ることが、前記半田ごてステーションの中のメモリから、又は前記半田ごてステーションから遠く離れたメモリからデータを取得することを含む、請求項１に記載の方法。
3. 半田付け先端部温度を測定することが、前記半田付け先端部のインピーダンスを測定することと、前記測定されたインピーダンスの関数として前記半田付け先端部温度を決定することとを含む、請求項１に記載の方法。
4. 半田付け先端部温度を測定することが、前記半田付け先端部の形状及び加熱器材料についての熱効率係数を定義することと、熱効率と前記半田付け先端部に送出される電力との関数として前記半田付け先端部温度を決定することとを含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記モニタされた電力がピークから下落する際に前記液相線発生が検出される、請求項１に記載の方法。
6. 前記ＩＭＣの厚さの所定の範囲が１μｍ〜４μｍである、請求項１の方法。
7. 熱効率チェックを実施することと、前記熱効率チェックが不合格となった場合に前記方法を中断することとを更に含む、請求項１に記載の方法。
8. 自動半田付け接合接続検査を伴う半田ごてステーションであって、
   半田付け先端部を有する半田付けカートリッジを備えるハンドピースと、
   前記半田付け先端部に電力を送出するための電源供給源と、
   指示器と、
   前記半田ごてステーションによって用いられている前記半田付けカートリッジの型を識別し、前記識別されたカートリッジに関する情報を得ることと、半田付け先端部温度を測定することによって予備的検査を実施することと、前記半田付け先端部に送出される電力レベルをモニタして、液相線発生を検出することと、前記液相線発生を検出した後、半田付け時間と半田付け先端部温度の関数として前記半田付け接合の金属間部品（ＩＭＣ）の厚さを決定することと、前記ＩＭＣの厚さが所定の冷却時間期間内において所定の範囲内であるかどうかを決定することと、のための関連回路を備えるプロセッサと、
   を備え、
   前記指示器が、前記ＩＭＣの厚さが前記所定の冷却時間期間内において前記所定の範囲内である場合、信頼性のある半田付け接合接続が形成されることを指し示す、半田ごてステーション。
9. 前記半田ごてステーションが、前記カートリッジに関するデータを記憶するための不揮発性メモリ（ＮＶＭ）を更に備え、前記プロセッサが、用いられている前記半田付けカートリッジの型を識別して、前記ＮＶＭからデータを取得することによって前記識別されたカートリッジに関する情報を得る、請求項８に記載の半田ごてステーション。
10. 前記ＮＶＭに記憶される前記カートリッジに関するデータが、部品番号、ロットコード、シリアル番号、全体的使用、合計点、先端部の質量／重量、先端部の配置、認証コード、熱効率及び熱特性の内の１つ以上を含む、請求項９に記載の半田ごてステーション。
11. 前記半田付け先端部温度を測定するための温度検出器を更に備える、請求項８に記載の半田ごてステーション。
12. 前記モニタされた電力がピークから下落する場合に前記プロセッサが前記液相線発生を検出する、請求項８に記載の半田ごてステーション。
13. 半田付け接合接続検査のための手持ち型半田ごてステーションによって実施される方法であって、前記手持ち型半田ごてステーションが、異なる視点から半田付け接合のそれぞれの画像を取り込むための２台のカメラを備え、
    半田付け事象が開始する前に前記カメラの各々によって前記半田付け接合の二次元（２Ｄ）参照画像を取り込むことと、
    前記取り込まれた２Ｄ参照画像から前記半田付け接合の三次元（３Ｄ）参照画像を生成することと、
    前記３Ｄ参照画像から、スルーホール部品のためのホールの円筒内を充填するために、又は面実装部品のためのホールの円筒の面内を充填するために必要とされる半田の量を決定することと、
    前記半田付け事象が開始した後、前記カメラの各々によって前記半田付け接合の２Ｄ現在画像を取り込むことと、
    前記２Ｄ現在画像の各々の中の各画素の値を前記２Ｄ参照画像内の対応する画素値とそれぞれ比較して、前記半田付け事象が進行する際の分注された半田の広がりによる前記２Ｄ現在画像内の前記画素のいずれかの色変化を検出することと、
    前記２Ｄ現在画像内の全ての画素が前記分注半田の画素であると決定して、前記分注半田の液相線の発生を検出するまで、２Ｄ現在画像の取り込みと各画素の値の比較とを繰り返すことと、
    前記液相線の前記発生の検出後、各カメラから最後に取り込まれた２Ｄ参照画像から前記半田付け接合の３Ｄ現在画像を生成することと、
    前記３Ｄ現在画像から前記液相線の発生後に前記分注半田の体積を決定することと、
    前記分注半田の体積と、前記円筒内を充填するために必要とされる半田の決定量又は前記円筒の表面積とを比較して、どれだけの前記分注半田が前記円筒内又は円筒の表面積上に放散したのかを決定することと、
    所定の許容値内で、前記分注半田が前記円筒又は前記円筒の表面積を充填するまで、前記分注半田の体積の比較を繰り返すことと、
    前記所定の許容値内で前記分注半田が前記円筒又は前記円筒の表面積を充填する場合、良好な接続を指し示す指示器を作動させることと、
    を含む方法。
14. 前記２Ｄ現在画像の各々における各画素の値を比較することが、半田の知られた色画素値に関して、前記２Ｄ現在画像の各々における各画素の色値を前記２Ｄ参照画像内の対応する画素色値とそれぞれ比較することを含む、請求項１３に記載の方法。
15. 最後の２つの２Ｄ現在画像内の画素色値の全てが、許容値範囲内で半田の知られた色画素値に等しい場合、前記分注半田の前記液相線の発生の検出が決定される、請求項１４に記載の方法。
16. 所定の時間期間内で前記２Ｄ現在画像内の全ての画素が前記分注半田の画素であると決定されない場合、前記方法を中断することを更に含む、請求項１３に記載の方法。
17. 所定の時間期間内で前記分注半田が前記所定の許容値内で前記円筒又は前記円筒の表面積を充填しない場合、前記方法を中断することを更に含む、請求項１３に記載の方法。
18. 半田付け接合の接続の自動検査を伴う半田ごてステーションであって、
    半田付け先端部を備えるハンドピースと、
    前記半田付け先端部に電力を送出するための電源供給源と、
    異なる位置に配置される２台のカメラであって、各々が前記半田付け接合の二次元（２Ｄ）画像を取り込むためのものであるカメラと、
    指示器と、
    前記半田付け接合の接続の検査のための関連回路を備えるプロセッサと、
    を備える、半田ごてステーションであって、
    前記カメラの各々が、半田付け事象が開始する前に前記カメラの各々によって前記半田付け接合の二次元（２Ｄ）参照画像を取り込み、
    前記プロセッサが、前記取り込まれた２Ｄ参照画像から前記半田付け接合の三次元（３Ｄ）参照画像を生成し、且つ、前記３Ｄ参照画像から、スルーホール部品のためのホールの円筒内を充填するために、又は面実装部品のためのホールの円筒の面内を充填するために必要とされる半田の量を決定し、
    前記カメラの各々が、前記半田付け事象が開始した後、前記半田付け接合の２Ｄ現在画像を取り込み、
    前記プロセッサが、前記２Ｄ現在画像の各々の中の各画素の値を前記２Ｄ参照画像内の対応する画素値とそれぞれ比較して、前記半田付け事象が進行する際の分注された半田の広がりによる前記２Ｄ現在画像内の前記画素のいずれかの色変化を検出し、
    前記２Ｄ現在画像内の全ての画素が前記分注半田の画素であると決定して、前記分注半田の液相線の発生を検出するまで、前記カメラの各々が２Ｄ現在画像の取り込みを繰り返し、前記プロセッサが各画素の値の比較を繰り返し、
    前記液相線の前記発生の検出後、前記プロセッサが、各カメラから最後に取り込まれた２Ｄ参照画像から前記半田付け接合の３Ｄ現在画像を生成し、前記３Ｄ現在画像から前記液相線の発生後に前記分注半田の体積を決定し、前記分注半田の体積と、前記円筒内を充填するために必要とされる半田の決定量又は前記円筒の表面積とを比較して、どれだけの前記分注半田が前記円筒内又は円筒の表面積上に放散したのかを決定し、所定の許容値内で、前記分注半田が円筒又は前記円筒の表面積を充填するまで、前記分注半田の体積の比較を繰り返し、
    前記所定の許容値内で前記分注半田が前記円筒又は前記円筒の表面積を充填する場合、良好な接続を指し示す指示器を備える、半田ごてステーション。
19. 前記プロセッサが、半田の知られた色画素値に関して、前記２Ｄ現在画像の各々における各画素の色値を前記２Ｄ参照画像内の対応する画素色値とそれぞれ比較する、請求項１８に記載の半田ごてステーション。
20. 最後の２つの２Ｄ現在画像内の画素色値の全てが、許容値範囲内で半田の知られた色画素値に等しい場合、前記プロセッサが前記分注半田の前記液相線の発生を検出する、請求項１９に記載の半田ごてステーション。