KR20170073559A - 자동 납땜 연결을 검증하는 납땜 인두 - Google Patents

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케네스 디. 마리노
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오케이 인터내셔널, 아이엔씨.
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Abstract

납땜 조인트 연결 검증을 위한 납땜 인두 스테이션 및 그 방법으로서, 상기 방법은: 사용되는 상기 납땜 카트리지 형태를 식별하는 단계; 상기 납땜 이벤트가 시작된 후, 납땜 팁 온도를 측정함으로써 사전 검증을 수행하는 단계; 액체 발생을 검출하기 위해 상기 납땜 팁에 전달되는 파워 레벨을 모니터링하는 단계; 상기 납땜 조인트의 금속간 부품(IMC)의 두께를 결정하는 단계; 상기 IMC의 두께가 소정의 땜납간 시간 간격 내에 소정의 범위 내에 있는지를 결정하는 단계; 및 상기 IMC의 두께가 소정의 땜납간 시간 간격 내에 소정의 범위 내에 있는 경우 신뢰성 있는 납땜 조인트 연결을 형성한 것으로 나타내는 단계를 포함한다.

Description

자동 납땜 연결을 검증하는 납땜 인두{SOLDERING IRON WITH AUTOMATIC SOLDERING CONNECTION VALIDATION}
관련기술 상호참조
본 특허 출원은 2014년 8월 4일에 출원된 "Connection Validation For Handheld Soldering Iron Station"란 명칭의 미국 가 특허출원 제62/033,037호의 출원일의 이익을 주장하고, 그 전체 내용은 본원에 참조로 포함되어 있다.
기술분야
본 발명은 일반적으로 인쇄회로판(PCB)의 제조, 수리, 및 재가동, 보다 구체적으로 자동 납땜 연결 검증(automatic soldering connection validation)하는 납땜 인두에 관한 것이다.
인쇄회로판(PCB)에 사용되는 부품의 다양화, 수동 부품의 소형화 및 미세한 볼 피치 치수를 갖는 IC의 대형화에 따라, PCB 어셈블리(PCBA) 제작 및 재가동을 보조하기 위해 고품질의 땜납 조인트에 대한 요구가 증가하고 있다. 수년 동안 땜납 조인트 결함 때문에, 회사들은 수십억 달러를 지불하고 있다. 웨이브 땜납 시스템(wave solder system)에 대한 실패율을 줄이기 위한 다양한 공정이 개발되었다. 그러나, 회사들은, 두 점 사이의 휴대용 납땜(handheld soldering) 및 재가동 적용의 경우에, 양질의 전기적 접속을 위한 우수한 땜납 조인트를 생산하기 위해, 순전히 작업자의 기술에 의존하고 있다. 납땜 인두 작업자들에게 얼마나 많은 훈련이 제공되는 지에 관계없이, 땜납 활성 중 지침이 없으면, 작업자들은, 우수한 전기적 연결을 갖는 땜납 조인트를 형성하기 위해서 납땜 인두로 열을 전달하는 경우에, 다양한 요소 때문에 실수를 반복할 수 있다. 이러한 요소는 땜납 팁의 온도, 땜납 팁의 형태, 땜납의 산화, 작업자의 행동 등을 포함한다.
일부 실시형태에서, 본 발명은, 납땜 조인트 연결 검증을 위해 휴대용 납땜 인두 스테이션(handheld soldering iron station)에 의해 수행되는 방법으로, 휴대용 납땜 인두 스테이션은 납땜 팁을 갖는 납땜 카트리지와 인디케이터를 포함한다. 이러한 방법은, 납땜 인두 스테이션에 의해 사용되는 납땜 카트리지의 형태를 식별하여 식별된 카트리지에 관련된 정보를 얻는 단계; 상기 단계에서 얻어진 정보를 기초로, 소정 기간 내에 땜납 팁에 전달되는 파워 레벨을 측정함으로써 납땜 이벤트(soldering event)가 시작되는 것을 결정하는 단계; 납땜 이벤트가 시작된 후 납땜 팁 온도를 측정하는 단계; 액체 발생을 검출하기 위해 납땜 팁에 전달되는 파워 레벨을 모니터링하는 단계; 액체 발생을 검출한 후 납땜 시간 및 납땜 팁 온도의 함수로서 납땜 조인트의 금속간 부품(IMC)의 두께를 결정하는 단계; 소정의 땜납간 시간 간격(solder interval time) 내에 IMC의 두께가 소정의 범위 내에 있는지를 결정하는 단계; 및 IMC의 두께가 소정의 땜납간 시간 간격 내에 소정의 범위 내에 있는 경우, 상기 인디케이터가 신뢰성 있는 납땜 조인트 연결을 형성하는 것을 나타내는 단계를 포함한다.
일부 실시형태에서, 본 발명은 자동 납땜 조인트 연결을 검증하는 납땜 인두 스테이션으로, 납땜 팁을 갖는 납땜 카트리지를 포함하는 핸드 피스(hand piece); 납땜 팁에 파워를 전달하기 위한 파워 서플라이; 인디케이터; 및 납땜 인두 스테이션에 의해 사용되는 납땜 카트리지의 형태를 식별하여 식별된 카트리지에 관련된 정보를 얻는 단계; 상기 단계에서 얻어진 정보를 기초로, 소정 기간 내에 납땜 팁에 전달되는 파워 레벨을 측정함으로써 납땜 이벤트가 시작되는 것을 결정하는 단계; 상기 납땜 이벤트가 시작된 후, 납땜 팁 온도를 측정하는 단계; 액체 발생을 검출하기 위해 납땜 팁에 전달되는 파워 레벨을 모니터링하는 단계; 액체 발생을 검출한 후 납땜 시간 및 납땜 팁 온도의 함수로서 납땜 조인트의 금속간 부품(IMC)의 두께를 결정하는 단계; 및 소정의 땜납간 시간 간격 내에 IMC의 두께가 소정의 범위 내에 있는지를 결정하는 단계의 관련 회로를 포함하는 프로세서를 포함한다. 인디케이터는 IMC의 두께가 소정의 땜납간 시간 간격 내에 소정의 범위 내에 있는 경우 신뢰성 있는 납땜 조인트 연결을 형성한 것을 나타낸다.
일부 실시형태에서, 본 발명은 납땜 조인트 연결 검증을 위한 휴대용 납땜 인두 스테이션에 의해 수행되는 방법으로, 휴대용 납땜 인두 스테이션은 상이한 측면으로부터 납땜 조인트의 각각의 이미지를 캡처하기 위해 2대의 카메라를 포함한다. 이 방법은, 납땜 이벤트가 시작되기 전에 각각의 카메라에 의해 납땜 조인트의 2차원(2D) 레퍼런스 이미지를 캡처하는 단계; 캡처된 2D 레퍼런스 이미지로부터 납땜 조인트의 3차원(3D) 레퍼런스 이미지를 생성하는 단계; 3D 레퍼런스 이미지로부터, 쓰로우 홀 부품용 홀의 배럴 내부 또는 표면 실장 부품용 홀의 배럴 표면 내부에 충진하는 데에 필요한 땜납의 양을 결정하는 단계; 납땜 이벤트가 시작된 후 각각의 카메라에 의해 납땜 조인트의 2D 현재 이미지를 캡처하는 단계; 납땜 이벤트가 진행됨에 따라 분산된 땜납의 확산으로 인한 2D 현재 이미지 내의 픽셀의 임의의 색상 변화를 검출하기 위해, 각각의 2D 현재 이미지 내의 각각의 픽셀 값을, 2D 레퍼런스 이미지 내의 상응하는 픽셀 값과 비교하는 단계; 분산된 땜납의 액체 발생을 검출하기 위해 2D 현재 이미지 내의 모든 픽셀이 분산된 땜납의 픽셀인 것으로 결정될 때까지, 2D 현재 이미지를 캡처하고 각각의 픽셀 값을 비교하는 것을 반복하는 단계; 액체 발생을 검출한 후, 각각의 카메라로부터 마지막에 캡처된 2D 레퍼런스 이미지로부터 납땜 조인트의 3D 현재 이미지를 생성하는 단계; 3D 현재 이미지로부터 액체 발생 후, 분산된 땜납의 부피를 결정하는 단계; 얼마나 많은 분산된 땜납이 배럴의 표면적 상 또는 배럴 내에 분산되는지를 결정하기 위해, 분산된 땜납의 부피를, 배럴의 표면적 또는 배럴 내에 충진하기 위해 필요한 결정된 땜납 양과 비교하는 단계; 분산된 땜납이 소정의 허용치 내에서 배럴 또는 배럴의 표면적을 충진할 때까지 분산된 땜납 부피의 비교 단계를 반복하는 단계; 및 분산된 땜납이 소정의 허용치 내에서 배럴 또는 배럴의 표면적을 충진하는 경우에 우수한 연결을 표시하기 위한 인디케이터를 활성화하는 단계를 포함한다.
일부 실시형태에서, 본 발명은, 납땜 조인트의 연결을 자동 검증하는 납땜 인두 스테이션으로, 납땜 팁을 포함하는 핸드 피스; 납땜 팁에 파워를 전달하기 위한 파워 서플라이; 상이한 위치에 위치하고 납땜 조인트의 2차원(2D) 이미지를 캡처하기 위한 2대의 카메라; 인디케이터; 및 납땜 조인트 연결을 검증하기 위한 관련 회로를 포함하는 프로세서를 포함한다. 각각의 카메라는 납땜 이벤트가 시작되기 전에 각각의 카메라에 의해 납땜 조인트의 2차원(2D) 레퍼런스 이미지를 캡처하는 단계; 프로세서는 캡처된 2D 레퍼런스 이미지로부터 납땜 조인트의 3차원(3D) 레퍼런스 이미지를 생성하고, 3D 레퍼런스 이미지로부터, 쓰로우 홀 부품용 홀의 배럴 내부 또는 표면 실장 부품용 홀의 배럴 표면 내부에 충진하는 데에 필요한 땜납의 양을 결정하는 단계; 각각의 카메라는 납땜 이벤트가 시작된 후, 납땜 조인트의 2D 현재 이미지를 캡처하는 단계, 프로세서는 납땜 이벤트가 진행됨에 따라 분산된 땜납의 확산으로 인한 2D 현재 이미지 내의 픽셀의 임의의 색상 변화를 검출하기 위해, 각각의 2D 현재 이미지 내의 각각의 픽셀 값을, 2D 레퍼런스 이미지 내의 상응하는 픽셀 값과 비교하는 단계; 각각의 카메라는 분산된 땜납의 액체 발생을 검출하기 위해 2D 현재 이미지 내의 모든 픽셀이 분산된 땜납의 픽셀인 것으로 결정될 때까지, 2D 현재 이미지의 캡처 단계를 반복하고, 프로세서는 각각의 픽셀 값을 비교하는 단계를 반복하는 단계; 프로세서는 액체 발생을 검출한 후, 각각의 카메라로부터 마지막에 캡처된 2D 레퍼런스 이미지로부터 납땜 조인트의 3D 현재 이미지를 생성하고, 3D 현재 이미지로부터 액체 발생 후 분산된 땜납의 부피를 결정하고, 얼마나 많은 분산된 땜납이 배럴의 표면적 상 또는 배럴 내에 분산되는 지를 결정하기 위해, 분산된 땜납의 부피를, 배럴의 표면적 또는 배럴 내에 충진하기 위해 필요한 결정된 땜납 양과 비교하고, 분산된 땜납이 소정의 허용치 내에서 배럴 또는 배럴의 표면적을 충진할 때까지 분산된 땜납 부피의 비교 단계를 반복한다. 납땜 스테이션은, 분산된 땜납이 소정의 허용치 내에서 배럴 또는 배럴의 표면적을 충진하는 경우에, 우수한 연결을 표시하기 위한 인디케이터를 더 포함한다.
도 1a는 본 발명의 일부 실시형태에 따른 예시의 휴대용 납땜 인두를 도시한다.
도 1b는 본 발명의 일부 실시형태에 따른 프로세서 및 관련 부품의 예시적인 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일부 실시형태에 따른 예시의 공정 흐름도이다.
도 3a는 본 발명의 일부 실시형태에 따른 3개의 소정의 로드 사이즈에 대해 시간 경과에 따라 납땜 팁의 온도 변화에 대한 그래프이다.
도 3b는 본 발명의 일부 실시형태에 따른 3개의 소정의 파워 수준 및 3개의 소정의 온도에 대해 시간 경과에 따라 납땜 팁의 임피던스 변화에 대한 그래프이다.
도 4a는 본 발명의 일부 실시형태에 따른 IMC의 두께 대 시간에 대한 그래프이다.
도 4b는 본 발명의 일부 실시형태에 따른 IMC의 두께 대 납땜 시간에 대한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일부 실시형태에 따른 복수의 카메라로부터의 이미지를 사용하는 액체 검출 및 연결 검증을 위한 예시의 공정 흐름도이다.
도 6a 내지 6d는 본 발명의 일부 실시형태에 따른 액체 검출에 사용되는 다양한 이미지이다.
도 7a는 본 발명의 일부 실시형태에 따른 쓰로우 홀 부품에 대한 일부 예시의 땜납 조인트를 도시한다.
도 7b는 본 발명의 일부 실시형태에 따른 표면 실장 부품에 대한 일부 예시의 땜납 조인트를 도시한다.
일부 실시형태에서, 본 발명은 자동 납땜 연결을 검증하는 납땜 인두이다. 납땜 인두는 프로세서, 예를 들면, 마이크로프로세서 또는 컨트롤러, 메모리, 입력/출력 회로 및 그 외의 납땜 연결 검증에 필요한 전자 회로를 포함한다.
일부 실시형태에서, 프로세서는, 납땜 조인트 및 납땜 인두의 다양한 특징을 수용하고, 납땜 이벤트 중에 우수한 땜납 조인트가 형성되는 것을 보장하기 위해 땜납 및 PCB 기판의 금속간 IMC 두께를 산출하는 공정을 수행한다. 일단 땜납 조인트에 대한 우수한 전기적 연결이 확인되면, 납땜 인두, 예를 들면, 핸드 피스(hand piece) 내의 오디오 또는 LED 인디케이터가 작업자에게 우수한 땜납 조인트의 형성을 알린다. 일반적으로, 금속간 두께가 1㎛ 내지 4㎛이면, SAC 땜납 및 구리 기판 PCB에 의해 우수한 땜납 조인트가 형성된다. 따라서, 작업자가, 예를 들면, 구리 기판 PCB를 포함한 SAC305 (96.5% Sn, 3% Ag, 0.5% Cu) 땜납 와이어를 사용하면, 본 발명의 일부 실시형태에 의해 Cu6Sn5 금속간 두께가 산출되고, 일단 금속간 화합물(IMC)의 금속간 두께가 납땜 중 1㎛ 내지 4㎛에 도달하면 작업자에게 알린다.
구리 기판과 납땜 인두 사이의 화학적 반응은 다음과 같이 표시될 수 있다:
3Cu + Sn -> Cu3Sn (1 상) (1)
2Cu3Sn + 3Sn -> Cu6Sn5 (2상-IMC 1㎛ - 4 ㎛) (2).
화학적 반응의 1상은 일시적(순간적)이므로, 땜납 조인트의 품질을 결정하기 위해 사용되지 않는다.
일부 실시형태에서, 마이크로프로세서(또는 컨트롤러)는 파워 서플라이, 핸드 피스 또는 땜납 시스템 스탠드 내에 배치될 수 있다. 외부 장치, 예를 들면, 로컬 컴퓨터, 리모트 서버, 프린터 등과의 통신은, 공지의 무선 인터페이스를 사용해서 유선 및/또는 무선 연결에 의해 작업대(work stand)에서 수행될 수 있다.
도 1a는 본 발명의 일부 실시형태에 따른 예시의 휴대용 납땜 인두를 도시한다. 도시된 바와 같이, 휴대용 납땜 인두는 디스플레이(104)(예를 들면, LCD 디스플레이)를 포함하는 파워 서플라이 유닛(102), 및 다양한 인디케이터(106), 예를 들면, LED 인디케이터(106a 및 106b)를 포함한다. 납땜 인두는, 파워 서플라이 유닛(102) 및 핸드 피스(108)를 수용하는 (작업)대(110)에 결합되는 핸드 피스(108)을 더 포함한다. 핸드 피스(108)는 파워 서플라이 유닛(102)으로부터 파워를 얻고 납땜 팁을 가열하여 작업 피스 상에 납땜을 수행한다. 일부 실시형태에서, 납땜 팁은 팁 온도를 감지하고 그 데이터를 프로세서에 전달하기 위한 온도 센서를 포함할 수 있다.
핸드 피스(108)는 하나 이상의 LED 및/또는 LED 상의 버저와 같은 다양한 인디케이터를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 파워 서플라이 유닛(102)는 마이크로프로세서, 메모리, 입력/출력 회로 및 그 외의 다양한 공정을 수행하기 위해 필요한 전자 회로를 포함한다.
일부 실시형태에서, 하기 기재된 바와 같이, 마이크로프로세서 및 관련 회로는 어떤 납땜 카트리지가 사용되는 지를 식별하고, 팁 형태를 검증하고, 로드를 땜납 융점까지 가져가기 위한 충분한 에너지를 카트리지가 생성할 수 있는 것을 보장하기 위해 온도 및 로드가 매칭되는 지를 검증하고, 액체 온도를 검출한 후 IMC의 두께를 결정한다. 일부 실시형태에서, 납땜 카트리지는 납땜 팁, 관련 배선, 자기장, 히터, 샤프트, 커넥터, 비휘발성 메모리(NVM), 하나 이상의 센서 및 팁의 임피던스를 측정하기 위한 전위차계를 포함한다. 액체 온도는 물질이 완전히 액체가 되는 온도이다. 액체 온도는, 대부분 예를 들면, 유리, 합금 및 바위와 같은 불순물(혼합물)에 사용된다. 액체 온도를 초과하면, 물질은 평형 상태에서 균일하며 액체이다. 액체 온도 미만이면, 물질에 따라, 충분한 시간 후 물질 내에 많은 결정이 형성된다.
도 1b는 본 발명의 일부 실시형태에 따른 프로세서 및 관련 부품의 예시의 블록도이다. 도시된 바와 같이, 프로세서(112), 메모리(114), 비휘발성 메모리(NVM)(116) 및 I/O 인터페이스(118)는, 본 발명의 일부 실시형태의 프로세서 및 관련 회로를 포함하기 위해, 부스(120)에 결합된다. I/O 인터페이스(118)는 납땜 스테이션의 외부에 있는 부품에 대한 유선 인터페이스 및/또는 무선 인터페이스일 수 있다. 선택적으로, 2대의 카메라(122 및 124)는, 상이한 측면으로부터 땜납 조인트로부터 이미지를 캡처하기 위해, 부스(120) 또는 I/O 인터페이스(118)를 통해 프로세서 및 메모리에 결합된다. 또한, 납땜 팁의 온도를 감지하기 위한 선택적 온도 센서(126)는 부스(120) 또는 I/O 인터페이스(118)를 통해 프로세서(112) 및 메모리(114)에 결합될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일부 실시형태에 따른 예시의 공정 흐름도이다. 블록(202)에 도시된 바와 같이, 부품과 PCB 기판 사이의 모든 연결 조인트를 검증하기 위한 공정이 시작한다. 블록(204)에서, 사용되는 카트리지를 식별하여 식별된 카트리지에 관련된 데이터를, 비휘발성 메모리(NVM), 예를 들면, EEPROM으로부터 회수한다. 일부 실시형태에서, NVM은 카트리지에 관한 데이터를 저장하기 위해 카트리지 내에 배치될 수 있고, 데이터는, 예를 들면, 파트 넘버(part number), 로트 코드(lot code), 시리얼 넘버, 전체 용도(total usage), 전체 포인트, 팁 질량/중량, 팁 구조, 인증코드(필요에 따라), 열 효율, 열 특성 등을 포함한다. 데이터는 조작의 시작 및 조작 중 주기적으로 회수될 수 있다. 일부 실시형태에서, 데이터는, 유선 또는 무선 방법을 통해 수용 및 전달될 수 있다.
블록(206)에서, 임의의 납땜 작용이 수행되는 지를 결정하기 위해, 임의의 기간 내에 파워 수준을 확인한다. 납땜 작용이 아직 수행되지 않으면, 공정은 블록(206)에서 대기한다. 예를 들면, 타이머는 소정의 시간에 조절될 수 있고, 시간 내에 납땜 작용이 수행되지 않으면, 공정은 대기한다. 그러나, 납땜 작용이 수행되면, 공정은 선택적 블록(208)으로 진행하고, 인디케이터를 리셋한다.
도 3a는 3개의 소정의 로드 사이즈에 대해 시간 경과에 따라 납땜 팁의 온도 변화에 대한 그래프이다. 그래프(306)는 큰 로드 사이즈에 대한 것이고, 그래프(304)는 중간의 로드 사이즈에 대한 것이며, 그래프(302)는 작은 로드 사이즈를 도시한다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 소정의 팁에 대해, 로드가 무거울수록, 온도 강하가 높아진다. 일부 실시형태에서, 팁 온도 강하가 소정의 값(예를 들면, 25℃)보다 크면, 파워 서플라이가 납땜 이벤트를 완료는 데에 필요한 시간(예를 들면, 8초) 내에 팁의 온도를 유지하기 위해 팁에 지속적으로 전달하는 파워를 충분히 빠르게 회수할 수 없기 때문에, 공정을 중지한다.
일부 실시형태에서, 온도 강하는 팁의 임피던스를 측정한 후 하기식(3)에 의해 팁 온도를 결정함으로써 검출될 수 있다. 임피던스는, 팁의 파워를 오프하고 코일의 전압(카트리지 내에)을 측정함으로써 측정될 수 있다. 임피던스는 코일의 전압에 임피던스 팩터(식(3)의 K)를 곱한 값으로, 이는 팁의 형태에 의존할 것이다. 일부 실시형태에서, 온도 센서는 팁 내에 배치되어 온도 강하를 직접 리딩하고 마이크로프로세서와 통신할 수 있다.
Rimd = Rmin + Rmax / {1 + [k * e^(-T)]} (3).
Rimd은 임피던스 값이고, Rmin은 임피던스의 최소값이고, Rmax은 임피던스의 최대값이고, K는 가중 팩터(weight factor)이고 T는 델타 온도이다.
도 3b는 납땜 팁의 3개의 소정의 온도 및 납땜 팁에 파워 서플라이 유닛에 의해 전달되는 3개의 소정의 파워 레벨에 대해, 시간 경과에 따라 납땜 팁의 임피던스의 변화에 대한 그래프이다. 그래프(318)는 작은 파워에 대한 것이고, 그래프(312)는 큰 파워에 대한 것이고, 그래프(314)는 중간 파워를 도시한다. 또한, 그래프(310)는 작은 온도에 대한 것이고, 그래프(316)는 중간 온도에 대한 것이고, 그래프(320)는 큰 온도에 대한 것이다.
일부 실시형태에서, 온도 강하는, 하기식(4)에 도시된 바와 같이 소정의 팁 형태 및 히터 물질의 열 효율 팩터를 정의함으로써 검출될 수 있다. 파워가 TE_팩터보다 크면, 시스템은, 예를 들면, 레드 LED 및/또는 버저를 작동시킴으로써 공정 중지를 결정한다.
TE_팩터 = TipMass * TipStyle * HTR_팩터 * Const (4),
TipMass는 구리 중량(mg)으로, "LongReach" 팁의 경우 0.65, "Regular" 팁은 1, Power"팁은 1.72이다. TipStyle은 카트리지 내에서 팁의 끝에서부터 히터까지의 거리를 의미한다. 예를 들면, TipStyle은 "LongReach" 팁의 경우 20 mm이고, "Regular" 팁의 경우 10 mm이고, "Power" 팁의 경우 5 mm이다. HTR_팩터는 히터 온도에 팩터(예를 들면, 0.01)를 곱한 값이고, 히터의 형태에 기초해서 변화한다. Const는 모든 형태의 히터에 대해 4.651 * 10- 3 이다. 예를 들면, HTR_팩터는 다양한 히터 형태에 대해 800F * 0.01 = 8; 700F* 0.01 = 7; 600F* 0.01 = 6; 또는 500F* 0.01 = 5일 수 있다.
도 2를 참조하면, 블록(210)에서 열효율 점검은, 팁 형태/온도 및 로드가 소정의 기간(예를 들면, 처음 2-3초) 내에 팁 온도 강하에 기초해서 매칭되는 것을 보장하기 위해 수행된다. 일부 실시형태에서, 온도 효율 점검에 의해, 팁 및 로드에 대해 납땜 스테이션의 열전달 및 파워 회수를 확인한다. 각 팁 형태는 그 자체의 열 특성을 갖고, 팁 온도, 질량, 및 구조/스타일의 함수이다. 다양한 팁 형태에 대해, 이들의 열효율 팩터(TE)는 NVM에 저장된다. 처음 기간(예를 들면, 2-3초) 동안, 팁에 대한 파워를 측정하고, 팁의 TE와 비교한다. 측정된 파워가 쓰레스홀드 값보다 크면, 예를 들면, TE의 95% +/- 10%이면, 팁이 너무 작거나 로드가 너무 큰 것은 많은 전력이 필요하다는 것을 의미한다. 이 경우, 열 효율 점검이 실패하면(210a), 공정은 블록(226)에서 중지되고, 선택적으로 하나 이상의 인디케이터, 예를 들면, 적색 LED 및/또는 버저가 작동한다. 열 효율 점검이 통과되면(210b), 공정은 선택적 블록(212)으로 진행하고, "통과" 인디케이터, 예를 들면, 녹색 LED 및/또는 비프가 작동되어 작업자에게 열효율 점검이 통과된 것을 알린다.
블록(214)에서, 액체 온도는 다음 열 전달식에 기초해서 검출된다.
ΔT = P * TR (5),
ΔT는 팁 온도로부터 로드 온도를 뺀 값이고, P는 파워 레벨이고, TR은 팁과 로드 사이의 열 저항으로 NVM으로부터 회수할 수 있다.
로드 온도는 평행에 도달할 때까지 지속적으로 증가하기 때문에, ΔT는 납땜 작용 내내 감소한다. 또한, 파워는, 납땜 이벤트가 처음 시작하는 경우에 증가한다. 따라서, TR은 하기 도시된 바와 같이 감소할 것이다. 액체가 발생하면, TR이 안정화하고 파워 P는 하기와 같이 감소하기 시작한다. 따라서, 액체 온도를 검출하기 위해, 납땜 팁에 전달되는 파워의 변화 상태를 관찰한다.
ΔT↓ = P↑ * TR↓
ΔT↓ = P↓ * TR~
블록(216)에서, 파워가 피크에서 감소하기 시작하는 것을 확인한다. 그렇지 않으면, 공정은 중단되고(timeout)(216a) 블록(226)에서 중지된다. 파워가 피크에서 감소하기 시작하면, 공정은 블록(218)으로 진행되어, 인디케이터, 예를 들면, LED 및/또는 비프음이 발생한다. 파워가 피크에서 감소하기 시작하면, 땜납 이벤트(solder event)는 액체 상태에 있는 것을 의미한다.
블록(220)에서, IMC의 두께는 다음 식에 의해 결정된다.
IMC = 1 + [k * ln(t+1)] (6),
k는 가중 팩터(weighting factor)이고, t는 100 ms에서 땜납간 시간 간격이다.
일반적으로, IMC의 두께는 시간 및 온도의 함수일 수 있다. 온도가 융점(예를 들면, 220℃ 내지 240℃)이면, IMC의 두께에 대해 실질적으로 영향을 미치지 않는다. 따라서, 식(6)은 시간 및 고정된 온도에 기초한다.
도 4a는 많은 납땜 조인트 및 IMC 두께 측정을 사용해서 실험에 의해 얻어지는, k=0.2173에 대해 IMC의 두께 대 시간의 그래프이다. 도 4a에 도시된 바와 같이, IMC 두께는 시간 경과에 따라 증가한다.
도 2를 다시 참조하면, 블록(222)은, 소정의 시간(땜납간 시간 간격) 내에, 소정의 IMC 두께가 소정의 범위, 예를 들면, 1 ㎛ 내지 4 ㎛ 내에 있는지를 확인한다. 상기 범위 내에 있으면, 공정은 블록(224)으로 진행하고, 작업자에게 통지한다. 블록(222)에서 실험 결과가 실패하면, 공정은 중단(222b)되고 블록(226)에서 중지된다.
일부 실시형태에서, 본 발명은 작업자에게 후-가공에 대해 특정 조인트에 대한 작업 파라미터 및 금속간 조인트 정보를 수집하기 위한 능력과 함께 성공적 또는 잠재적인 비성공적 조인트 형성에 대한 표시를 제공한다. 표시는, 시각적 수단, 청각적 수단 및/또는 핸드 피스의 진동에 의해 달성될 수 있다.
디버그 모드(블록 228)은, 예를 들면, 땜납 이벤트 동안 수반되는 단계를 추적하기 위해 공정 엔지니어에 의해 사용된다. 사용자는, 디버그 모드에 들어가기 위해, 디버그 모드를 작동시킬 필요가 있다.
도 4b는 IMC 두께 대 납땜 시간의 그래프이다. 도시된 바와 같이, 그래프(402)는 온도 300℃에 대한 것으로, Y = 0.176X + 1.242이며, 그래프(404)는 온도 275℃에 대한 것으로, Y = 0.044X + 1.019이고, 그래프(404)는 220℃에 대한 것으로, Y = 0.049X + 0.297이며, X는 시간이고, Y는 IMC 두께이다. 일정한 수치는 다수 실험으로부터 유도된다. 도시된 바와 같이, IMC 두께의 브레이크 아웃(break out)은 3개의 상이한 온도 범위에서 발생한다. IMC의 두께는 시간 및 온도의 함수이기 때문에, 선형 함수로서 온도가 증가함에 따라 IMC가 증가한다. 적용에 따라, 임의의 곡선은 식(6)에서 가중 팩터, K를 결정하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들면, SAC305 팁을 갖는 납땜 적용에 대해, 그래프(404)가 사용된다.
이와 같이, 본 발명의 실시형태는, 금속간 두께를 산출함으로써 2개의 금속 사이의 우수한 결합을 및 전기적 연결을 보장하고, 따라서 초기 단계에서 나쁜 조인트를 방지한다. 또한, 본 발명은 조인트 품질 및 공정 문제에 대해 작업자에게 (인디케이터에 의해)즉각적인 피드백을 제공하고, 작업자는 후-분석에 대해 조인트 품질에 대한 정보를 추적하기 위한 능력을 갖는다. 작업자는 특정 적용 요건을 충족하기 위해 메뉴의 여러 파라미터를 변화하거나 선택할 수 있다.
일부 실시형태에서, 스스로 조절되는 퀴리 온도(Curie temperature)인 퀴리 온도(포인트)Smartheat™ 기술이 이용되는 경우, 고객 앞에서 시스템을 캘리브레이션(calbration)할 필요는 없다. 퀴리 온도 또는 퀴리 포인트는, 물질의 영구적인 자성이 유도된 자성으로 변화하는 온도, 즉 물질의 고유 자기 모멘트의 방향이 변화하는 임계점이다. 본 발명은, 작업자들이 땜납 이벤트의 부적절한 팁/카트리지 조합을 사용하는 지를 식별하는 것을 돕는 능력을 제공한다.
일부 실시형태에서, 본 발명은 2개 이상의 2D 이미지를 캡처하기 위해 적어도 2개의 고해상도 카메라를 사용하고, 이러한 2D 이미지로부터 3D 이미지를 얻고, 2D 및 3D 이미지를 사용해서 액체 상태를 검출한 후 쓰로우 홀 부품용 비아 홀(배럴)을 통해 충진된 땜납의 양 또는 표면 실장 부품에 대한 부품 주위에 분산된 땜납의 양을 산출한다.
도 5는 본 발명의 일부 실시형태에 따른 복수의 카메라로부터 이미지를 사용하는 액체 검출 및 연결 검증에 대한 예시의 공정 흐름도이다. 적어도 2대의 고해상도 카메라는 납땜 이벤트 전후에, 측면으로부터 땜납 조인트의 2D 이미지를 캡처하기 위해 2개의 상이한 위치에서 납땜 조인트에 가깝게 위치한다. 액체는 2D 이미지의 비교로부터 검출된다. 그 다음에, 쓰로우 홀 부품의 경우, 쓰로우 홀 배럴(배럴)의 부피는 2D 이미지로부터 생성된 3D 이미지로부터 결정된다. 표면 실장 (SMT) 부품의 경우, PCB 상의 배럴의 표면은 2D 이미지로부터 결정한다. 도 6a 도시된 바와 같이, 납땜 영역(조인트)의 2개의 이미지는, 블록(502)에 도시된 바와 같이, 2개의 레퍼런스 이미지를 생성하기 위해, 납땜 이벤트 전에 2대의 카메라에 의해 캡처된다. 블록(504)에서, 납땜 영역의 3D 레퍼런스 이미지는 납땜 이벤트 전에 공지된 방법에 의해 2개의 레퍼런스 이미지로부터 생성된다.
블록(506)에서, SMT 부품의 쓰로우 홀의 배럴 부피 Vb 및/또는 배럴의 표면적 Sb 는, 배럴 또는 배럴의 표면적을 충진하기 위해 얼마나 많은 땜납이 필요한지를 결정하기 위해 3D 레퍼런스 이미지로부터 결정된다. 배럴의 표면은 카메라의 위치에 따라 2D 이미지로부터 결정될 수 있다. 따라서, 배럴 또는 배럴 표면에 충진하는 데에 필요한 땜납의 양은 부품의 형태에 따라 결정된다. 땜납 이벤트(solder event)가 시작된 직후, 블록(508)에서 납땜 영역의 2개의 현재 이미지가 캡처된다. 블록(510)에서, 납땜 이벤트가 진행함에 따라 땜납의 분산에 기인해서 현재 이미지 내의 픽셀의 임의의 색상 변화를 검출하기 위해, 2D 레퍼런스 이미지 내의 각각의 픽셀의 컬러 밸류(color value)를, 2D 현재 이미지 내의 상응하는 픽셀의 컬러 밸류와 비교한다. 땜납 색상의 픽셀 값이 공지되어 있기 때문에, 이 공정에서는, 픽셀이 도 6b에 도시된 바와 같이 땜납 픽셀인지, 즉 땜납을 함유하는 지를 결정할 수 있다.
블록(512)에서, 도 6d에 도시된 바와 같이, 현재 이미지 내의 모든 픽셀이 분산된 땜납의 픽셀인 것으로 결정되고, 즉 액체가 검출될 때까지, 블록(508)(도 6c) 및 블록(510)의 공정을 반복한다. 현재 이미지 내의 모든 픽셀이 땜납의 픽셀인 것으로 결정되지 않으면, 블록(512)의 공정은 소정의 시간(예를 들면, 8초) 후 중단된다. 마지막 2개의 현재 이미지 내의 모든 픽셀이, 분산된 땜납의 픽셀인 것으로 결정되는 경우(허용 범위 내에), 블록(514)에서 액체를 검출한다.
액체 검출 후, 블록(516)에서 각 카메라로부터 마지막 현재 이미지를 처리해서, 3D 현재 이미지를 생성한다. 그 다음에, 블록(518)에서 분산된 땜납의 부피 Vs 는 식(7) 내지 (9) 중 하나 이상에 의해 3D 현재 이미지로부터 결정된다. 얼마나 많은 분산된 땜납이 배럴 또는 배럴의 표면적에 분산되는 지를 결정하기 위해, 블록(520)에서, 분산된 땜납의 산출된 부피 Vs 를, 배럴(즉, Vb) 또는 배럴의 표면적(즉,Sb)을 충진하기 위해 필요한 결정된 땜납 양과 비교한다. 이러한 공정(블록 520)은, 블록(522)에서 분산된 땜납이 배럴 또는 배럴의 표면적을 충진할 때까지 반복한다. 즉, 가시적인 분산된 땜납의 부피가 소정의 허용 범위 내에 도달한다(Vs Vb) 또는 (Vs Sb). 블록(522)의 공정은 소정의 시간(예를 들면, 8초) 후 중단된다. 인디케이터(예를 들면, LED 및/또는 비프)가 작동되어 작업자에게 모든 배럴 또는 배럴의 표면을 분산된 땜납으로 충진해서 형성된 것을 통지한다.
즉, 쓰로우 홀 부품의 경우, 산출된 부피가 쓰로우 홀 부품에 대한 소정 허용 범위 내에서 배럴을 충진하는 데 필요한 소정 양까지 감소하면, 도 7에 도시된 바와 같이, 우수한 땜납 조인트가 형성된다. 일부 실시형태에서, 땜납 조인트의 높이 및 부피 산출은 다음 식에 기초해서 수행된다.
Vlead = π rlead 2 h (7)
Vbarrel = π rbarrel 2 h (8)
Vrequired = π h (rbarrel 2 -rlead 2) (9)
Vlead 는 부품의 리드의 부피이고; Vbarrel는 쓰로우 홀 배럴의 부피이고; Vrequired 는 배럴을 충진하기 위해 필요한 땜납의 부피, rlead는 (쓰로우 홀)부품의 리드 직경; rbarrel 은 쓰로우 홀 배럴 직경; h는 도 7b에 도시된 바와 같이, 보드 두께이다.
도 7a는 일부 예시의 땜납 조인트를 도시한 것으로, 그 이미지는 본 발명의 일부 실시형태에 따른 쓰로우 홀 부품을 2대의 카메라에 의해 캡처한 것이다. 도 7b는 일부 예시의 땜납 조인트를 도시한 것으로, 그 이미지는 본 발명의 일부 실시형태에 따른 표면 실장 부품을 2대의 카메라에 의해 캡처한 것이다. 이 경우에, 본 발명은 포물선형 또는 선형을 형성하기 위해 소정의 레퍼런스 높이(소망의 높이)와 전체 로드의 높이를 비교한다. 일단 식별한 형태 영역이 소정의 허용 범위 내에서 소정의 로드(배럴) 표면적 백분율과 동일하면, 표면 실장 부품에 대한 우수한 땜납이 형성된다. 도 7b에 도시된 바와 같이, 큰 표면 실장 부품에 대한 땜납 조인트는 포물선형으로서 부품 측에 형성된다. 그러나, 작은 표면 실장 부품에 대한 땜납 조인트는, 부품의 크기가 작기 때문에 카메라가 선형으로 충진된 영역만을 캡처할 수 있으므로, 선형으로서 부품의 측에 형성된다.
당업자에게, 본 발명 단계로부터 벗어나지 않으면서 상기 기재된 본 발명의 실시형태 및 그 외의 실시형태의 다양한 변경이 가능한 것이 인식될 것이다. 본 발명은 개시된 구체적인 실시형태 또는 배열로 한정되지 않지만, 임의의 변화, 적용 또는 수정이 첨부된 청구범위에 의해 정의된 본 발명의 범위 및 사상 내에서 수행되는 것이 이해될 것이다.

Claims (8)

  1. 납땜 조인트 연결 검증을 위해, 상이한 측면으로부터 상기 납땜 조인트의 각각의 이미지를 캡처하기 위한 2대의 카메라를 포함하는 휴대용 납땜 인두 스테이션에 의해 수행되는 방법으로서, 이 방법은:
    납땜 이벤트가 시작되기 전에 각각의 상기 카메라에 의해 상기 납땜 조인트의 2차원(2D) 레퍼런스 이미지를 캡처하는 단계;
    상기 캡처된 2D 레퍼런스 이미지로부터 상기 납땜 조인트의 3차원(3D) 레퍼런스 이미지를 생성하는 단계;
    상기 3D 레퍼런스 이미지로부터, 쓰로우 홀 부품용 홀의 배럴 내부 또는 표면 실장 부품용 홀의 배럴 표면 내부에 충진되는 데에 필요한 땜납의 양을 결정하는 단계;
    상기 납땜 이벤트가 시작된 후, 각각의 상기 카메라에 의해 상기 납땜 조인트의 2D 현재 이미지를 캡처하는 단계;
    상기 납땜 이벤트가 진행됨에 따라 분산된 땜납의 확산으로 인한, 상기 2D 현재 이미지 내의 픽셀의 임의의 색상 변화를 검출하기 위해, 각각의 상기 2D 현재 이미지 내의 각각의 픽셀 값을, 상기 2D 레퍼런스 이미지 내의 상응하는 픽셀 값과 비교하는 단계;
    상기 분산된 땜납의 액체 발생을 검출하기 위해, 2D 현재 이미지 내의 모든 픽셀이 분산된 땜납의 픽셀인 것으로 결정될 때까지, 상기 2D 현재 이미지를 캡처 하고 각각의 픽셀 값을 비교하는 것을 반복하는 단계;
    상기 액체 발생 검출 후, 각각의 카메라로부터 마지막에 캡처된 2D 레퍼런스 이미지로부터 상기 납땜 조인트의 3D 현재 이미지를 생성하는 단계;
    상기 3D 현재 이미지로부터 액체 발생 후 상기 분산된 땜납의 부피를 결정하는 단계;
    얼마나 많은 상기 분산된 땜납이 상기 배럴의 표면적 상 또는 배럴 내에 분산되는지를 결정하기 위해, 상기 분산된 땜납의 부피를, 상기 배럴의 표면적 또는 배럴 내부에 충진되기 위해서 필요한 결정된 땜납 양과 비교하는 단계;
    상기 분산된 땜납이 소정의 허용치 내에서 상기 배럴 또는 배럴의 표면적을 충진할 때까지 상기 분산된 땜납 부피의 비교 단계를 반복하는 단계; 및
    상기 분산된 땜납이 소정의 허용치 내에서 상기 배럴 또는 배럴의 표면적을 충진한 경우에 우수한 연결을 표시하기 위한 인디케이터를 활성화하는 단계를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    각각의 상기 2D 현재 이미지 내의 각 픽셀 값을 비교하는 단계는, 각각의 상기 2D 현재 이미지 내의 각 픽셀의 컬러 밸류를, 땜납의 공지된 컬러 픽셀 밸류에 대해, 상기 2D 레퍼런스 이미지 내의 상응하는 픽셀 컬러 밸류와 비교하는 단계를 포함하는, 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 분산된 땜납의 액체 발생의 검출은, 상기 마지막 2개의 2D 현재 이미지 내의 모든 픽셀 컬러 밸류가, 허용 범위 내에서 땜납의 공지된 컬러 픽셀 밸류와 동일한 경우에 결정되는, 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    소정의 시간 내에 상기 2D 현재 이미지 내의 모든 픽셀이 상기 분산된 땜납의 픽셀로 결정되지 않는 경우, 상기 방법을 중지하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    소정의 시간 내에 상기 분산된 땜납은 상기 소정의 허용치 내에서 상기 배럴 또는 배럴의 표면적을 충진하지 못하는 경우 상기 방법을 중지하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  6. 납땜 조인트의 연결을 자동 검증하는 납땜 인두 스테이션으로,
    납땜 팁을 포함하는 핸드 피스;
    상기 납땜 팁에 파워를 전달하기 위한 파워 서플라이;
    상이한 위치에서 위치하는, 각각 상기 납땜 조인트의 2차원(2D) 이미지를 캡처하기 위한 2대의 카메라;
    인디케이터; 및
    상기 납땜 조인트의 연결을 검증하기 위한 관련 회로를 포함하는 프로세서를 포함하고,
    각각의 상기 카메라는 납땜 이벤트가 시작되기 전에 각각의 상기 카메라에 의해 상기 납땜 조인트의 2차원(2D) 레퍼런스 이미지를 캡처하는 단계;
    상기 프로세서는 상기 캡처된 2D 레퍼런스 이미지로부터 상기 납땜 조인트의 3차원(3D) 레퍼런스 이미지를 생성하고, 상기 3D 레퍼런스 이미지로부터, 쓰로우 홀 부품용 홀의 배럴 내부 또는 표면 실장 부품용 홀의 배럴 표면 내부에 충진하는 데에 필요한 땜납의 양을 결정하는 단계;
    각각의 상기 카메라는 상기 납땜 이벤트가 시작된 후, 상기 납땜 조인트의 2D 현재 이미지를 캡처하는 단계;
    상기 프로세서는 상기 납땜 이벤트가 진행됨에 따라 상기 분산된 땜납의 확산으로 인한 상기 2D 현재 이미지 내의 픽셀의 임의의 색상 변화를 검출하기 위해, 각각의 상기 2D 현재 이미지 내의 각각의 픽셀 값을, 상기 2D 레퍼런스 이미지 내의 상응하는 픽셀 값과 비교하는 단계;
    각각의 상기 카메라는 분산된 땜납의 액체 발생을 검출하기 위해, 2D 현재 이미지 내의 모든 픽셀이 상기 분산된 땜납의 픽셀인 것으로 결정될 때까지, 상기 2D 현재 이미지의 캡처 단계를 반복하고 상기 프로세서는 각각의 픽셀 값을 비교하는 단계를 반복하는 단계;
    상기 액체 발생의 검출 후, 상기 프로세서는 각각의 카메라로부터 마지막에 캡처된 2D 레퍼런스 이미지로부터 상기 납땜 조인트의 3D 현재 이미지를 생성하고, 상기 3D 현재 이미지로부터 액체 발생 후 상기 분산된 땜납의 부피를 결정하고, 얼마나 많은 상기 분산된 땜납이 상기 배럴의 표면적 상 또는 배럴 내에 분산되는 지를 결정하기 위해, 상기 분산된 땜납의 부피를, 상기 배럴의 표면적 또는 배럴 내에 충진하기 위해 필요한 결정된 땜납 양과 비교하고, 상기 분산된 땜납이 소정의 허용치 내에서 상기 배럴 또는 배럴의 표면적을 충진할 때까지 상기 분산된 땜납 부피의 비교 단계를 반복하는 단계; 및
    상기 분산된 땜납이 소정의 허용치 내에서 상기 배럴 또는 배럴의 표면적을 충진하는 경우에 우수한 연결을 표시하기 위한 인디케이터를 포함하는, 납땜 인두 스테이션.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 프로세서는, 각각의 상기 2D 현재 이미지 내의 각 픽셀의 컬러 밸류를, 땜납의 공지된 컬러 픽셀 밸류에 대해, 상기 2D 레퍼런스 이미지 내의 상응하는 픽셀 컬러 밸류와 비교하는, 납땜 인두 스테이션.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 프로세서는, 상기 마지막 두 개의 2D 현재 이미지의 모든 픽셀 컬러 밸류가 허용 범위 내에서 땜납의 공지된 컬러 픽셀 밸류와 동일한 경우, 상기 분산된 땜납의 액체 발생을 검출하는, 납땜 인두 스테이션.
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