TW201701987A - 用於自動焊接連接檢驗之智慧型焊匣 - Google Patents

用於自動焊接連接檢驗之智慧型焊匣 Download PDF

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Abstract

一種智慧型焊匣，其包含：一外殼；一焊嘴；一用於加熱焊嘴之加熱器；一用於儲存關於焊匣特徵的資訊之儲存裝置；一處理器，其用於提取該關於焊匣特徵的資訊、監控輸出至焊嘴的功率位準以偵測於焊點之液化發生、使用經提取之若干該資訊以判定焊點的介金屬化合物(IMC)之厚度、判定IMC厚度是否在一預設範圍內，並且在IMC厚度落在該預設範圍內時，產生一指示出已形成一個可靠的焊點連接之指示訊號；以及一用於傳送該指示訊號之介面。

Description

用於自動焊接連接檢驗之智慧型焊匣 對照參考相關申請案
本專利申請案係於2015年7月8日申請且名稱為「具自動連接檢驗作用之焊鐵台」之專利申請案序號第14/794,678號案之部分連續案，其主張於2014年8月4日申請且名稱為「手持式焊鐵台之連接檢驗作用」之美國臨時專利申請案序號第62/033,037號案的申請日權益，該案完整內容以此藉由引用而明確地併入本申請案。
發明領域
本發明廣泛而言係涉及一種印刷電路板(PCBs)之製造、修理及再製，且更特別而言係涉及一種具有自動焊接連接檢驗作用之焊台。
發明背景
對應於更多種類之被使用於印刷電路板(PCBs)組件、更小的被動組件以及具更精細的錫球間距尺寸之更大IC，對有助於PCB總成(PCBA)的加工及再製之高品質焊點的需求與日俱增。不良的焊點長期以來耗費許多公司數十億元的成本。許多製程已發展至可減少波峰焊接系統的 故障率。然而，對於點對點手持式焊接及再製應用上，許多公司還是仰賴操作員的技巧來生產具優良電接連之良好焊點。不管提供焊鐵操作員多少訓練，若於焊接作業中沒有指引，操作員可能會操作失誤並重複錯誤，原因為有太多因素會影響為形成具良好電接連焊點之焊鐵的熱傳遞。這些因素包括焊嘴溫度、焊嘴幾何形狀、焊料的氧化、人類行為等等。
再者，自動的(例如，機器人式的(robotic))焊接目前嚴格地係一開迴路時基事件，其中一機器人(robot)移動至特定連接點、焊嘴自動地被放置於連接點，以及於一指定時間後(藉由一用於機器人之特定軟體判定)，焊嘴自動地自連接點移開。此製程係重覆至該機器人之程式完成。此開迴路時基事件可藉由使用於此揭露之多種連接檢驗(CV)技術及焊料品質之即時回饋來顯著地改良。
發明概要
在若干實施例中，本發明為一種智慧型焊匣，其包含：一外殼；一焊嘴；一加熱器，其用於加熱焊嘴；一儲存裝置，其用於儲存關於焊匣特徵的資訊；一處理器，其用於提取該關於焊匣特徵的資訊、監控輸出至焊嘴的功率位準以偵測於焊點之液化發生、使用經提取之若干該資訊以判定焊點的介金屬化合物(IMC)之厚度、、判定IMC厚度是否在一預設範圍內，並且在IMC厚度落在該預設範圍內時，產生一指示出已形成一個可靠的焊點連接之指示訊 號；以及一介面，其用於傳送該指示訊號。
在若干實施例中，本發明為一種智慧型焊匣，其包含：一外殼；一焊嘴；一加熱器，其用於加熱焊嘴；一儲存裝置，其用於儲存關於焊匣特徵的資訊；一處理器，其用於提取該關於焊匣特徵的資訊、偵測於焊點之液化發生、接收焊點之3D當前影像、從該3D當前影像判定液化發生後所施焊料的體積、比對所施焊料的體積與填滿用於一通孔型組件的孔之孔管(barrel)或填滿用於一表面黏著型組件的孔之孔管表面區域所需焊料的量以判定有多少所施焊料被消耗於孔管上或孔管表面區域之上、重覆比對所施焊料的體積直到所施焊料已填滿孔管或孔管表面區域，並且在所施焊料在一預設容許偏差內填滿孔管或孔管表面區域時產生一指示出已形成一個可靠的焊點連接之指示訊號；以及一介面，其用於傳送該指示訊號。
該介面可為無線及/或有線介面。於若干實施例中，該焊匣可包括一量測焊嘴溫度之溫度感應器，該溫度感應器週期性地量測焊嘴溫度且饋給資訊至處理器，且其中當該溫度變動至偏離一預設值時，該處理器調整焊嘴溫度。
本發明之智慧型焊匣可被使用在一手持式焊鐵台或一自動焊台，該手持式焊鐵台或自動焊台係用於工作件。
102‧‧‧電源供應元件
104‧‧‧顯示器
106a‧‧‧LED指示器
106b‧‧‧LED指示器
108‧‧‧手持件
110‧‧‧(工作)台
112‧‧‧處理器
114‧‧‧記憶體
116‧‧‧NVM
118‧‧‧I/O介面
120‧‧‧匯流排
122‧‧‧照相機1
124‧‧‧照相機2
126‧‧‧感應器
140‧‧‧機器手臂
142‧‧‧智慧型焊匣
144‧‧‧手持件
146‧‧‧焊料供給裝置
148‧‧‧夾具、固定器、滾筒或管
150‧‧‧電源供應器
152‧‧‧照相機
154‧‧‧工作件
156‧‧‧移動平台
202‧‧‧連接檢驗製程
204‧‧‧資料提取&識別焊匣
206‧‧‧焊接事件
208‧‧‧重置LED&初步檢驗
210‧‧‧熱效率檢查
210a‧‧‧不合格
210b‧‧‧合格
212‧‧‧綠色LED
214‧‧‧液化偵測
216‧‧‧功率在一個峰值並開始下降
216a‧‧‧超時
216b‧‧‧合格
218‧‧‧綠色LED
220‧‧‧步驟4 IMC計算
222‧‧‧1um-4um
222a‧‧‧是
222b‧‧‧否 超時
224‧‧‧告知操作員/傳達伺服器
226‧‧‧製程中止
228‧‧‧除錯模式
302‧‧‧小承載物
304‧‧‧中承載物
306‧‧‧大承載物
310‧‧‧低溫
312‧‧‧大功率
314‧‧‧中等功率
316‧‧‧中溫
318‧‧‧小功率
320‧‧‧高溫
402‧‧‧300℃ Y=0.176X+1.242
404‧‧‧275℃ Y=0.044X+1.019
406‧‧‧220℃ Y=0.049X+0.297
502‧‧‧擷取焊點之2D參考影像
504‧‧‧產生3D參考影像
506‧‧‧判定對於該空間或表面區域所需之焊料
508‧‧‧焊接開始後擷取焊點之2D當前影像
510‧‧‧比對當前影像與參考影像的像素
512‧‧‧重覆508及510直到所有像素成為焊料像素
514‧‧‧偵測液化
516‧‧‧產生3D當前影像
518‧‧‧判定所施焊料體積
520‧‧‧比對所施焊料體積與該空間或表面區域所需之焊料
522‧‧‧重覆520
802‧‧‧焊嘴
804‧‧‧結合線路
806‧‧‧磁性防護屏
808‧‧‧加熱器
810‧‧‧軸柄或外殼
812‧‧‧連接器
814‧‧‧儲存裝置
816‧‧‧結合電路
818‧‧‧感應器
820‧‧‧RFID
圖1A描繪一個根據本發明之若干實施例的例示 性手持式焊鐵台。
圖1B為一個根據本發明之若干實施例的處理器及其相關組件之例示性方塊圖。
圖1C描繪一個根據本發明之若干實施例的例示性手持式焊鐵台，其中該處理器及結合電路係於一電源供應器內。
圖1D顯示一個根據本發明之若干實施例的例示性手持式焊鐵台，其中該處理器及結合電路係於一手持件內。
圖1E繪示一個根據本發明之若干實施例的例示性手持式焊鐵台，其中該處理器及結合電路係於一焊匣內。
圖1F顯示一個根據本發明之若干實施例的例示性手持式焊鐵台，其中該處理器及結合電路係於一工作台內。
圖1G描繪一個根據本發明之若干實施例的例示性自動焊台，其中該處理器及結合電路係於一電源供應器內。
圖2顯示一個根據本發明之若干實施例的例示性製程流程。
圖3A顯示一個根據本發明之若干實施例的圖表，其係關於針對三種給定之承載物(load)大小，焊嘴之溫度隨時間的變化。
圖3B描繪一個根據本發明之若干實施例的圖表，其係關於針對三種給定之功率位準及三種給定之溫度 下，焊嘴之阻抗隨時間的變化。
圖4A繪示一根據本發明之若干實施例的關於IMC厚度相對於時間的圖表。
圖4B繪示一根據本發明之若干實施例的關於IMC厚度相對於焊接時間的圖表。
圖4C顯示一用於焊接事件之IMC層。
圖5係一個根據本發明之若干實施例的例示性製程流程，該製程流程係關於使用來自複數照相機的影像來進行液化偵測及連接檢驗。
圖6A-6D顯示各種根據本發明之若干實施例的用於偵測液化的影像。
圖7A顯示若干根據本發明之若干實施例的例示性焊點，其等係用於通孔型組件。
圖7B描繪若干根據本發明之若干實施例的例示性焊點，其等係用於表面黏著型組件。
圖8顯示一個根據本發明之若干實施例的例示性智慧型焊匣。
較佳實施例之詳細說明
在若干實施例中，本發明為一具有自動焊點連接檢驗作用之焊台。該焊台包含一個處理器(諸如微處理器或控制器)、記憶體、輸入/輸出電路，以及其他必要之電子電路以執行焊接連接檢驗。
在若干實施例中，該處理器接收焊點及焊鐵之各 種特徵，並執行計算焊點和PCB基板的介金屬化合物(IMC)厚度的處理過程，來確保焊接事件期間能形成良好焊點。一旦焊點之良好電性連接已被確認，一個在焊鐵上(例如位於手持件上)之音頻、LED、或震動指示器會告知操作員或一焊接機器人程式已形成該良好焊點。典型地，SAC(錫-銀-銅)焊料及銅基板PCB所形成之良好焊點，是當焊料之介金屬厚度落於1um-4um之間。因此，若焊台使用例如SAC305(96.5%Sn、3%Ag、0.5%Cu)焊線及銅基板PCB，於焊接事件期間Cu6Sn5之IMC厚度會被本發明若干實施例計算，且該操作員或機器人在一旦焊點之IMC厚度達到1um-4um時會被通知。
銅基板與焊鐵間的化學反應可表示為：3Cu+Sn → Cu3Sn (相1) (1)
2Cu3Sn+3Sn → Cu6Sn5 (相2-IMC厚度係1um-4um) (2)。
該化學反應之相1為暫時的(暫態)，因此不被用於判定焊點的品質。
圖1A描繪一個根據本發明之若干實施例的例示性手持式焊鐵台。如該圖所示，該手持式焊鐵包含一個電源供應元件102，該元件包含一個顯示器104(例如LCD顯示器)以及各種指示器106(諸如LED指示器106a和106b)。其他指示器，諸如發聲裝置或觸覺回饋裝置亦可被使用。該焊鐵台此外更包含一個手持件108，其連接電源供應元件102與一個容納手持件108之(工作)台11。該手持件108從電源供應元件102接收功率並加熱附著於焊匣或位於焊匣內之焊 嘴以於工件上執行焊接。在若干實施例中，該焊匣可包含一與焊嘴熱耦合之溫度感應器以感應焊嘴溫度並傳送該資料給處理器。
手持件108可在其上包含各種指示器，諸如一或多個LEDs及/或一個蜂鳴器。在某個實施例中，電源供應元件102或手持件108包含一個微處理器、記憶體、輸入/輸出電路，以及其他必要之電子電路以執行各種製程。熟習此藝者可認知微處理器(或控制器)可置於電源供應器內、手持件內，或焊接系統之台內。與外部裝置(諸如區域電腦、遠程伺服器、實行焊接之機器人、印表機等)之聯絡，可於工作台藉由有線及/或無線連接使用已知有線及/或無線介面及通訊協定來實行。
在若干實施例中，如以下更詳細之說明，該微處理器及結合電路識別使用何種焊匣、檢驗焊嘴幾何形狀、檢驗溫度及承載物(焊點)匹配以確保被選擇的焊匣能產出足夠的能量而將承載物帶至焊料熔點，並偵測液化溫度進而判定焊料之INC厚度。舉例來說，如果焊嘴幾何形狀對於承載物而言太小，焊嘴將無法將焊點帶至焊料熔點。液化溫度係當一種材料高於此溫度時會完全成為液體之溫度。液化溫度最常用於不純物質(混合物)，諸如玻璃、合金以及岩石。高於液化溫度則該材料為達平衡之均相及液體。低於液化溫度則會於足夠的時間後，會在該材料形成晶體，該時間係取決於該材料。
圖8顯示一個根據本發明之若干實施例的例示性 智慧型焊匣。在若干實施例中，該智慧型焊匣包括一焊嘴802、一結合線路804、一磁性防護屏806、一加熱焊嘴之加熱器808、一軸柄或外殼810、用於電性或機械性連接之一或多個連接器812，及一儲存裝置814(諸如不變性記憶體(NVM))。該智慧型焊匣可更包括一或多個感應器818(諸如用以量測焊嘴溫度之溫度感應器及/或用以量測焊嘴阻抗之電位計)，無線射頻識別裝置(RFID)820，及/或一處理器與結合電路816(諸如用以資料聯絡之輸入/輸出電路與有線及/或無線介面)。為了效率及快拆操作，可包括用已連接焊匣與手持件或機器手臂之機械性連接器(無顯示)。
在若干實施例中，焊匣ID(例如特定焊匣特有的序號或代碼)係被NVM814或RFID820讀取以辨識焊匣、其類型及相關參數，以及規格資訊。NVM814亦可儲存複數焊嘴隨時間在溫度上變化之資訊，其與圖3A、3B、4A及4B之圖表相似。一旦一特定焊嘴被使用，關於此被使用之焊嘴的溫度變化資訊將自NVM被提取。典型地，於焊接事件期間，焊嘴溫度於焊嘴加熱焊點時下降，因此加熱器需要再加熱焊嘴，此經常造成超越焊嘴之要求(設定)溫度。然而在若干實施例中，一溫度感應器818週期性地感應焊嘴溫度且饋給資訊至處理器(或直接饋給至加熱器808)以於如果因承載物或其他因素造成之任何溫度下降(或增加)時調整溫度。如此，適當之熱量係直接被傳遞至焊點。
在若干實施例中，NVM及/或RFID儲存焊匣特徵之相關資料，諸如件號、批次碼、序號、總計使用量、總 分、焊嘴質量/重量、焊嘴構造、鑑別碼(若有的話)、熱效率、熱特性等等。此資料可於起動時及在操作期間週期性地被處理器(例如內部處理器816或外部處理器)提取。在若干實施例中，此資料亦可藉由有線或無線之方法被提取及傳輸。
在若干實施例中，焊匣之NVM及/或RFID包括下述所有或部分資訊。
1. 加熱器/焊嘴之溫度及選擇性的關於各種承載物大小的溫度隨時間變化之資訊；
2. 焊嘴幾何形狀，其可包括焊嘴與焊料的接觸表面、焊嘴至加熱器的距離、焊嘴的質量；
3. 焊嘴的熱效率因素(基於質量、形狀、加熱器等等)；
4. 藉由特定焊嘴實行之焊接事件的數量，其可被使用於生產履歷
5. 焊嘴使用之時間(例如焊嘴總使用時間，其用於保固及生產履歷)
6. 焊匣製造日期
7. 焊匣之序號及辨識碼
8. 件號
9. CV選擇標記(無論焊嘴及/或焊匣是否被使用於CV技術)
10. 資料檢查總合
焊嘴溫度、焊嘴幾何形狀及熱效率係用以計算IMC層厚度之近似值，如以下所說明。焊接事件數量、焊 嘴使用時間及焊嘴製造日期可用以進一步改善IMC厚度計算之製程，如以下所說明。歷史資訊(諸如使用時間、焊接事件數量等等)可被寫回NVM累積。
序號、件號及CV選擇標記係用於廠務管理、生產履歷、及/或判定是否該製程可/應提供IMC的形成之有效指示。在若干實施例中，資料檢查總合可用以判定是否有NVM失效或聯絡資料傳送錯誤。在若干實施例中，用於機器人焊台之智慧型焊匣包括抗旋轉D環，以避免當機器手臂旋轉時焊匣不需要的旋轉。
在若干實施例中，智慧型焊匣有能力實行根據圖2及5兩者之製程流程的液化偵測及連接檢驗之製程。例如，處理器816有能力自NVM或RFID提取有關焊匣特徵之資訊、偵測於焊點之液化發生、接收焊點之3D當前影像、從該3D當前影像判定液化發生後所施焊料的體積、比對所施焊料的體積與填滿用於一通孔型組件的孔之孔管或填滿用於一表面黏著型組件的孔之孔管表面區域所需焊料的量以判定有多少所施焊料被消耗於孔管上或孔管表面區域之上、重覆比對所施焊料的體積直到所施焊料已填滿孔管或孔管表面區域，並且在所施焊料在一預設容許偏差內填滿孔管或孔管表面區域時產生一指示出已形成一個可靠的焊點連接之指示訊號。
此外，處理器816可有能力提取有關焊匣特徵之資訊、偵測於焊點之液化發生、接收焊點之3D當前影像、從該3D當前影像判定液化發生後所施焊料的體積、比對所 施焊料的體積與填滿用於一通孔型組件的孔之孔管或填滿用於一表面黏著型組件的孔之孔管表面區域所需焊料的量以判定有多少所施焊料被消耗於孔管上或孔管表面區域之上。然後，該處理器可重覆比對所施焊料的體積直到所施焊料已填滿孔管或孔管表面區域，並且在所施焊料在一預設容許偏差內填滿孔管或孔管表面區域時產生一指示出已形成一個可靠的焊點連接之指示訊號。
圖1B為一個根據本發明之若干實施例的處理器及其相關組件之例示性方塊圖。如該圖所示，一個處理器112、一個記憶體114、一個不變性記憶體(NVM)116以及一個I/O介面118係以一個匯流排120偶合，以包含本發明若干實施例之處理器及結合電路。I/O介面118可為對焊台外接組件之一個有線界面及/或無線界面。選擇性地，一或多台照相機122及124經由匯流排120或I/O界面118偶合至處理器及記憶體，以從各種視點由焊點擷取影像。此外，一個選擇性的用於感應焊嘴溫度之溫度感應器126，可經由匯流排120或I/O界面118偶合至處理器112及記憶體114。選擇性的溫度感應器可位於焊嘴或接近焊嘴。
如熟習此藝者可輕易地理解，圖1B描繪之不同組件可位於焊鐵台或自動焊台之不同部位，如以下部分地說明。例如，照相機可位於焊鐵台或自動焊台之外側及分裝於不同之組件，同時處理器及結合電路可位於焊鐵台或自動焊台之任何組件(如以下描述)。感應器亦可位於焊鐵台或自動焊台之不同組件之中/之上，視其應用而定。
圖1C描繪一個根據本發明之若干實施例的例示性手持式焊鐵台，其中該處理器及結合電路係於一電源供應器內。如圖所示，電源供應元件包括處理器及結合電路以及內部電源監控元件/電路以偵測及變換由電源供應器供應至手持件、焊匣及/或焊嘴之電源。該電源供應元件亦包括有線及/或無線介面以電子地聯絡手持件、LED、焊匣及/或外部裝置。一旦該處理器判定焊點之品質，該處理器輸出適當之訊號以啟動一或多個LED、發聲裝置及觸覺回饋裝置以通知操作員焊點經判定之品質。
再者，焊點ID(例如特定焊匣所特有的序號或代碼)係從焊匣之記憶體(例如NVM或RFID)被讀取以辨識焊匣及其類型。此可藉由有線或無線之連接完成。例如，就於焊匣內之RFID而言，RFID(或甚至NVM)可(藉由處理器)被無線地讀取。一旦智慧型焊匣及其類型經辨識，該焊匣之相關參數將被處理器自記憶體(例如EEPROM)提取。該儲存焊匣相關參數之記憶體可於焊匣內或焊匣外。在若干實施例中，若所有相關(焊匣)參數皆被儲存於記憶體(其位於焊匣之內)，該焊匣可不需被特別地辨識，因為該參數已可於該焊匣之記憶體獲得且特定對應該焊匣。
在若干實施例中，焊匣可具有條碼、磁條或「智慧晶片(smart chip)」以辨識焊匣。一旦智慧型焊匣經辨識，相關資訊可自條碼、磁條、智慧晶片讀取或自外部儲存器(諸如記憶體或連結至電腦網路(諸如網際網路)的資料庫)取得。為了本案及所請發明之目的，儲存裝置亦可包括條 碼、磁條及智慧晶片。
圖1D顯示一個根據本發明之若干實施例的例示性手持式焊鐵台，其中該處理器及結合電路係於一手持件內。此等實施例概括的功能及操作係相似於圖1C所說明之實施例，不同之處為此時處理器(及其結合電路)及電源監控元件/電路係位於手持件。
圖1E繪示一個根據本發明之若干實施例的例示性手持式焊鐵台，其中該處理器及結合電路係於一焊匣內。在此等實施例中，焊匣可相似於圖8描繪及以上說明之智慧型焊匣。此等實施例概括的功能及操作係相似於圖1C所說明之實施例，不同之處為此時處理器(及其結合電路)及記憶體係位於焊匣。同樣地，焊匣、手持件及外部裝置間的聯絡可為有線及/或無線。如熟習此藝者可輕易地認知，電源監控元件/電路(無顯示)可位於電源供應元件、手持件或焊匣本身。在此等實施例中，通知操作員之裝置(例如LED、發聲裝置及/或觸覺回饋裝置)可位於手持件或焊匣本身。若位於手持件，該手持件包括一有線及/或無線介面以聯絡焊匣(或任何外部裝置)。
圖1F顯示一個根據本發明之若干實施例的例示性手持式焊鐵台，其中該處理器及結合電路係於一工作台內。此等實施例概括的功能及操作係相似於圖1C所說明之實施例，不同之處為此時處理器(及其結合電路)及電源監控元件/電路係位於焊台之工作台。
圖1G描繪一個根據本發明之若干實施例的例示 性自動焊台。在此等實施例中，如圖所示，手持件及焊匣係組裝於機器手臂上或係機器手臂的一部分。如圖所示，一機器手臂140有能力作三維移動與旋轉。一手持件144係連結機器手臂及智慧型焊匣，例如如圖8之智慧型焊匣係連接至手持件。在若干實施例中，智慧型焊匣142可直接連結至機械手臂140，此時該機械手臂可充當手持件。
一工作件154(諸如印刷線路板(PWB))係置於一移動平台156以於其上實行焊接操作。一焊料供給裝置146經由夾具、固定器、滾筒或管148提供焊料給工作件154。一或多個置於不同角度之照相機152擷取工作件上焊點之特寫。一電源供應器150提供電源給焊匣及其中之相關電子設備。
如此，本發明之CV技術有能力提供回饋(閉迴路系統)給任何常規的自動焊台。例如，常規方法之開迴路時基事件係藉由提供焊料品質之即時回饋被顯著地改善。換言之，CV技術提供機器人動作控制系統與回饋訊號(其在良好焊點已製成時會指示)，而非使用一焊點之指定時間。在若干實施例中，只有根據良好焊點之指示，於程式中機器人才可移至下一焊點。當不良焊點製成時，機器人立即停止或在程式結束時停止且警示操作員此焊點之問題。
圖2顯示一個根據本發明之若干實施例的例示性製程流程。如方塊202所示，開始了用於檢驗組件與PCB機體之間的所有連接點之程序。在方塊204中，識別所使用的焊匣，並從焊匣內或外之不變性記憶體(NVM)(諸如 EEPROM)提取該已識別之焊匣的相關資料。如上所描述，在若干實施例中，經辨識之焊匣相關資料藉由處理器自焊匣內的NVM被提取。
在方塊206中，該製程(例如處理器)檢查功率位準以判定在一段時間內是否任何焊接動作已被執行。如果還未執行焊接動作，製程於方塊206呈待機狀態。例如，可以一預設時間來設置一個計時器，且如果在該時間內沒有動作發生，則製程會呈待機狀態。然而，如果有執行一個焊接動作，則製程會進行至一個選擇性的方塊208，於此指示器被重置。
圖3A顯示一個根據本發明之若干實施例的圖表，其係關於針對三種給定之焊料承載物大小，焊嘴之溫度隨時間的變化。如上所描述，此資料可儲存於焊匣中的記憶體。曲線306為大承載物大小(例如~104 Cu Mil2)，曲線304為中承載物大小(例如~54 Cu Mil2)，曲線302為小承載物大小(例如~24 Cu Mil2)。如圖3A所示，對一個給定的焊嘴，承載物越重，溫度下降越大量。在若干實施例中，如果焊嘴溫度下降大於一個預設值(如約25℃，以實驗資料判定)，製程將會中止，因為電源供應器可能無法足夠快地回復來持續輸出功率給焊嘴，以於完成焊接事件所需時間(例如8秒)內維持焊嘴溫度。
在若干實施例中，溫度下降可藉由量測焊嘴阻抗來偵測，且接著藉由以下方程式(3)來判定焊嘴溫度。該阻抗可藉由關閉焊匣/焊嘴的電源且量測(焊匣中)與焊嘴熱接 觸之線圈的電壓來量測。該焊嘴之阻抗可為線圈電壓乘以一個阻抗權重因數(方程式(3)中的K)，該阻抗權重因數取決於焊嘴類型且儲存於記憶體(例如，於焊匣本身內)。在若干實施例中，一個溫度感應器可置於焊匣上以直接地讀取焊嘴之溫度下降並將其傳達至微處理器。
Rimd=Rmin+Rmax/(1+[k＊e^(-T)]) (3)
其中Rimd為阻抗值、Rmin為阻抗之最小值、Rmax為阻抗之最大值、K為加權因數且T為溫度差，即為焊嘴及承載物之間的溫度差異。該焊嘴之溫度下降係典型地因於開始時自焊嘴至承載物之熱傳導且依據焊嘴幾何形狀、加熱器及焊嘴類型而可有6°至48°之變化。於啟動開啟電源前前，Rmin為焊嘴阻抗之最小值。於啟動開啟電源一段預設時間後(例如2秒後)，Rmax為焊嘴阻抗之最大值。此等數值係特定對應被使用之特定焊嘴且係儲存於可被處理器使用之記憶體。
圖3B描繪一個圖表，其係關於針對三種電源供應元件輸出至焊嘴給定之功率位準及三種給定之焊嘴溫度下，焊嘴之阻抗隨時間的變化。如上所描述，此資料亦可儲存於焊匣中的記憶體。曲線318為小功率、曲線312為大功率，曲線314則顯示中等功率。再者，曲線310為低溫、曲線316為中溫，且曲線320為高溫。
在若干實施例中，如以下方程式(4)所示，溫度下降能藉由為各個給定之幾何形狀的焊嘴及加熱器材質定義一個熱效率因數(儲存於焊匣內或外之記憶體中)來偵 測。如果功率上升至高於TE_因數，系統將藉由例如開啟一個紅色LED、啟動一個觸覺回饋裝置，或啟動一個發聲裝置來決定中止製程。
TE_因數=焊嘴質量＊焊嘴型式＊HTR_因數＊常數 (4)
其中焊嘴質量為銅重(mg)，該銅重在「長型」(LongReach)焊嘴為0.65、在「常規型」(Regular)焊嘴為1、而在「大功率型」(Power)焊嘴為1.72。焊嘴型式係指焊嘴尖端至焊匣內之加熱器的距離。例如，根據目前市面上可取得若干焊嘴的資料，焊嘴型式在長型焊嘴為20mm、在常規型焊嘴為10mm，而在大功率型焊嘴為5mm。HTR_因數為加熱器溫度乘以一個因數(例如0.01)，其根據加熱器的類型給定(預設)。對所有類型之加熱器而言，常數=4.651*10-3。例如，HTR_因數於各種加熱器類型，可能為800F*0.01=8；700F*0.01=7；600F*0.01=6；或者500F*0.01=5。此等參數可儲存於焊鐵台、焊台、或焊匣本身內之記憶體(例如NVM)。
參照回圖2，在方塊210中，執行熱效率檢查以確保焊嘴之幾何形狀/溫度與承載物匹配，該檢查係基於一個在預設時間內之焊嘴溫度下降，例如在焊接事件最初的2-3秒內(例如根據方程式(3)或(4)，或溫度感應器)。例如，當啟動2秒後之最大功率小於或等於被使用之焊嘴的熱效率因數時有一匹配配對。此等參數可自NVM提取。
在若干實施例中，熱效率檢查製程會依據焊嘴及承載物，來監控焊台之熱傳遞及功率回復。各焊嘴類型都 有其熱特性，該熱特性為焊嘴溫度、質量以及構造/型式的函數。對於各種焊嘴類型，其熱特徵及熱效率因數(TEs)係儲存於焊匣內或外之記憶體中。
在最初的一段期間中(例如2-3秒)，量測輸至焊嘴的功率(例如來自電源供應器)並與焊嘴之TE比對。如果量測之功率大於一個閾值，例如TE因數之95%+/-10%，因為需要更大的功率，代表該焊嘴太小或承載物太大。在此例中，熱效率檢查不合格(210a)，則製程中止於方塊226且選擇性地一或多個指示器，例如一個紅色LED、一個觸覺回饋裝置，及/或一個發聲裝置開啟。如果熱效率檢查合格(210b)，則製程進行至選擇性的方塊212，在此一個合格指示器，例如綠色LED及/或一個嗶聲會被開啟以使操作員或機器人程式得知熱效率檢查製程已合格。
在方塊214中，液化溫度基於以下熱傳遞方程式偵測。
△T=P＊TR (5)，其中△T為焊嘴溫度減去承載物溫度、P為輸出至焊嘴的(電)功率位準，且TR為焊嘴與承載物間之熱阻，其可自NVM提取。
因為承載物溫度直到達平衡前會持續增加，△T於焊接動作中始終減少。並且，當焊接事件最初開始時，輸出至焊嘴的功率增加。因此，如以下所示，TR將會減少。如以下所示，一旦液化發生時，TR會穩定因此輸出至焊嘴的功率P開始減少。於是，為偵測液化溫度，會觀察輸出至 焊嘴的功率之改變狀態。
△T↓=P↑＊TR↓
△T↓=P↓＊TR~
在方塊216中，需檢查以查看是否功率在一個峰值並開始下降。若否，製程超時(timed out)(216a)並中止於方塊226。若輸出至焊嘴的功率(自電源供應器量測)在一個峰值並開始下降，則製程進行至方塊218且開啟一個指示器，例如綠色LED及/或一個嗶聲。當功率在一個峰值並開始下降，表示焊接事件處在液化狀態。
在方塊220中，IMC的厚度由以下方程式決定。
IMC=1+(k＊ln(t+1)) (6)，其中k為被使用焊料種類的加權因數(由製造商提供並儲存於記憶體)且t為樣品/感應間隔時間，例如100ms以判定於液化發生一給定時間後IMC之厚度。例如，K係一具0.2173值之常數，t係0.1秒，亦即IMC以0.1秒之間隔計算以避免用於小承載物時超越。換言之，焊嘴當其加熱焊點時冷卻且加熱器嘗試再加熱焊嘴時，溫度可能超越其設定(所欲)之數值。典型地，IMC厚度可於1-4um間變動。
一般而言，焊點IMC之厚度可為時間與溫度的函數。當溫度在焊料承載物之熔點時(例如在220-240℃)，不會對焊點IMC之厚度產生實質的影響。因此，方程式(6)僅根據時間及一個定溫。
圖4A繪示一關於焊點IMC厚度相對於時間的圖表，權重因數k為0.2173，其藉由利用許多焊點及IMC厚度 量測之實驗獲得。如圖4A中所描繪，基於實驗資料，IMC厚度隨時間增加。
參照回圖2，方塊222檢查以查看是否於一個預設量的時間(冷卻期間)內，經決定之IMC厚度落在一個預設範圍內，例如1um至4um。若是，製程進行至方塊224，在此告知操作員。若於方塊222之測試失敗，則製程超時(222b)並中止於方塊226。
在若干實施例中，本發明提供操作員一個指示，指示成功或可能不成功之焊點形成，同時還提供收集介金屬焊點資訊的能力，以及該特定焊點往後製程之操作參數。指示可經由可視手段、可聽手段，及/或手持件的震動來實行。
由例如製程工程師來使用除錯模式(方塊228)，以掌握焊接事件期間涉及的步驟。為進入除錯模式，使用者必須將除錯模式開啟。
圖4B繪示一關於IMC厚度相對於焊接時間的圖表。如其所描繪，曲線402為溫度300℃時Y=0.176X+1.242、曲線404為溫度275℃時Y=0.044X+1.019，且曲線404為溫度220℃時Y=0.049X+0.297，其中X為時間、Y為IMC厚度。常數由多次實驗得來。如圖所示，IMC厚度之突發(break out)在三個不同的溫度範圍中發生。因為IMC厚度為時間與溫度的函數，當溫度上升，IMC便以線性函數增長。取決於應用方式，上述任何曲線能用以決定方程式(6)中的加權因數K。例如，對於一個具SAC305焊嘴(其規格可儲存於焊匣 之NVM中)之焊接應用，係使用曲線404。
圖4C顯示一焊接事件之IMC層(具10um之比例尺)。垂直之箭頭係可實行IMC厚度量測之處。如上所描述，本發明偵測液化溫度、判定IMC厚度，並確保達成一所欲之厚度。
如此，本發明之實施例以計算介金屬厚度來確保兩金屬間有一個良好的鍵結及電性連接，並因此可在早期階段避免不良焊點。此外，本發明提供操作員焊點品質及製程問題之即時回饋(經由指示器)，因此操作員能夠掌握焊點品質之資訊作往後之分析。操作員可經由改變多個參數或從選單選擇不同參數以符合特定應用之需求。
在若干實施例中，當利用一個自我調節溫度回饋技術時，客戶現場之系統沒有校正的需求。本發明亦提供幫助操作員辨識是否正於焊接事件中使用一個不適當的焊嘴/焊匣組合之能力。例如，當於啟動經過一預設時間(例如2秒)後，基於儲存於NVM中之熱效率閾值，焊嘴沒有能力輸出將承載物帶至焊料熔點所需的足夠能量時，本發明有能力告知操作員(例如經由LED、發聲裝置、觸覺回饋裝置等)。
在若干實施例中，本發明使至少兩台高解析度照相機以擷取兩張或更多的2D影像，從該2D影像獲取3D影像(利用各種已知技術)，且利用2D及3D影像偵測液化階段，進而計算填滿通孔型組件之通孔(管)的焊料量，或於黏著型組件，鋪設於組件周圍的焊料量。
圖5為一個根據本發明之若干實施例的例示性製程流程，該製程流程係關於使用來自複數照相機的影像來進行液化偵測及連接檢驗。在若干實施例中，至少兩台高解析度照相機置於接近焊點之兩個不同的位置，以於焊接事件前後，從兩個不同視點(角度)擷取焊點之2D影像。液化係從比對2D影像來偵測。接著，就通孔型組件而言，通孔管(管)的體積係由2D影像產生之3D影像判定。就表面黏著型(SMT)組件而言，PCB上管的表面積則係由2D影像判定。如方塊502所示，於焊接事件之前，兩台照相機擷取兩張焊接區域(焊點)之影像，以產生兩張參考影像(如圖6A中所描繪)。在方塊504中，於焊接事件之前，藉由已眾所皆知的方法從兩張參考影像產生一張焊接區域3D參考影像。
在方塊506中，從3D參考影像判定通孔型組件的孔之管體積Vb及/或表面黏著型組件表面之管表面積Sb，以決定需要多少焊料來填滿管或管之表面區域。取決於照相機的位置，管的表面也可藉由2D影像來判定。例如，得知各照相機對焊點之距離及角度，利用簡單已知三角學可判定任何點之距離(例如，孔管周長上的點)。並且，具有一第二(立體)照相機，提供至少四點以用於體積判定。亦有已知軟體工具(例如電腦視覺軟體)有能力自3D影像量測體積(及表面積)。例如，來自MediaCyberneticsTM之Image-Pro Premier 3DTM及Image-Pro PlusTM有能力量測一體積中多材料之性質且輕易地發現百分比組成、材料質量、定向、直徑、半徑、及表面積。該工具有能力量測物體體積、盒體 積、深度、直徑、半徑、及表面積。具有類似功能的許多其他工具亦可被熟習此藝者取得及得知。
因此，取決於組件的種類，判定填滿管或管的表面之焊料量。在方塊508中，焊接事件開始後，焊接區域之兩張當前影像立即被擷取。在方塊510中，當焊接事件進行時，比對2D參考影像中各像素之色值與2D當前影像中各對應像素之色值，以偵測因為焊料擴散，於當前影像內之像素的任何顏色改變。因為焊料顏色之像素值為已知，故如圖6B所示，此製程可判定一個像素是否為焊料像素，亦即包含焊料。
在方塊512中，方塊508(圖6C)及510之製程不斷重覆，直到所有當前影像之像素都被判定為所施焊料的像素，亦即如圖6D所描繪般，現已偵測到液化。如果不是所有於當前影像中的像素都被判定為焊料的像素，方塊512中的製程在一個預設時間內(例如8秒)後將會超時。在方塊514中，當最後兩張影像內的所有像素都被判定為所施焊料的像素(在容許偏差範圍內)時，液化會被偵測。
在方塊516中，偵測到液化之後，處理從各照相機所得之最後當前影像以產生3D當前影像。接著，在方塊518中，藉由方程式(7)到(9)中一或多者，從3D當前影像判定所施焊料體積Vs。在方塊520中，將經計算之所施焊料體積Vs，與經判定之填滿管所需焊料量(即Vb)或填滿管之表面區域所需焊料量(即Sb)比對，以判定有多少所施焊料被消耗於管內或管之表面區域之上。此製程(方塊520)於方塊522 中重覆進行，直到所施焊料已填滿管或管之表面區域。亦即，所施焊料的可見體積於一個預設容許偏差範圍內已達成(Vs Vb)或(Vs Sb)。在方塊522中之製程在一個預設量的時間(例如8秒)後超時。其後一個指示器(例如LED及/或嗶聲)開啟，以通知操作員連接現已藉由以所施焊料填滿所有管或管之表面來形成。
換言之，如圖7A所示，就通孔型組件而言，當經計算之體積減少至一個預設量(其為填滿管之所需量，並且在一個為通孔型組件預先定義之容許偏差內)時，一個良好焊點形成。在若干實施例中，基於以下方程式來執行焊點高度與體積之計算。
V引腳=πr引腳 2h (7)
V管=πr管 2h (8)
V管=πr管 2h (9)
其中，如圖7A所示，V引腳為組件引腳之體積；V管為通孔管之體積；V所需為填滿管所需焊料之體積；r引腳為(通孔型)組件引腳之半徑；r管為通孔管之半徑；且h為板厚。
圖7A顯示若干根據本發明之若干實施例的例示性焊點，其等係用於通孔型組件之，且其影像經兩台照相機擷取。圖7B顯示若干根據本發明之若干實施例的例示性焊點，其等係用於表面黏著型組件，且其影像經兩台照相機擷取。在本例中，本發明將總體承載物(load)的高度與預設參考高度(期望高度)作比對，以形成拋物線或直線外形。當經辨識的外形區域，相當於承載(管)表面區域的一個預先 定義之比率，並且於一個預先定義之容許偏差內時，表面黏著型組件形成一個良好焊點。如圖7B所示，對於一個較大之表面黏著型組件，焊點以拋物線外形形成於組件側面上。然而，對於一個較小之表面黏著型組件，焊點會以直線外形形成於組件側面上，此係因為組件的小尺寸導致照相機只能擷取到直線狀的填滿區域。
習於此藝者會認可，上述發明已例示之實施例及其他實施例，可在沒有脫離其主要的創造性之情況下作各種修改。因此能理解本發明並不限於特定實施例或經揭露之裝置，而是意圖涵蓋所附之申請專利範圍所界定的範圍及精神中的任何改變、調整或修改。
102‧‧‧電源供應元件
104‧‧‧顯示器
106a‧‧‧LED指示器
106b‧‧‧LED指示器
108‧‧‧手持件
110‧‧‧(工作)台

Claims (20)

  1. 一種智慧型焊匣，其包含：一外殼；一焊嘴；一加熱器，其用於加熱該焊嘴；一儲存裝置，其用於儲存關於該焊匣的特徵資訊；一處理器，其用於提取關於該焊匣的該特徵資訊、監控輸出至該焊嘴之功率的量以偵測於一焊點之液化發生、使用經提取之若干該資訊以判定該焊點的一介金屬化合物(IMC)之一厚度、判定該IMC之該厚度是否在一預設範圍內，並且在該IMC之該厚度落在該預設範圍內時，產生一指示出已形成一個可靠的焊點連接之指示訊號；以及一介面，其用於傳送該指示訊號。
  2. 如請求項1之智慧型焊匣，其中該儲存裝置包含一或多個不變性記憶體(NVM)及一無線射頻識別裝置(RFID)。
  3. 如請求項1之智慧型焊匣，其中關於該智慧型焊匣之該特徵資訊包括一或多個件號、序號、該智慧型焊匣之使用時間指示、焊嘴質量、焊嘴、焊嘴構造、鑑別碼，及焊嘴之熱特性。
  4. 如請求項3之智慧型焊匣，其中關於該智慧型焊匣之該特徵資訊進一步包括一或多個關於以下之資訊：各種承載物大小的該焊嘴之溫度隨時間的變化、該焊嘴與焊料 的接觸表面、該焊嘴至該加熱器之距離、該焊嘴已實行之焊接事件的數量、該焊嘴之總使用時間，及該智慧型焊匣之製造日期。
  5. 如請求項1之智慧型焊匣，其中該液化發生係於被監控之該功率的量正從一峰值下降時被偵測。
  6. 如請求項1之智慧型焊匣，進一步包含一溫度感應器，其用於量測該焊嘴之溫度。
  7. 如請求項1之智慧型焊匣，進一步包含一電位計，其用於量測該焊嘴之阻抗。
  8. 如請求項1之智慧型焊匣，其中該介面係一或多個有線介面及無線介面。
  9. 如請求項6之智慧型焊匣，其中該溫度感應器週期性地量測該焊嘴之溫度且饋入資訊至該處理器，且其中當該溫度變化偏離一預設值時，該處理器調整該焊嘴之溫度。
  10. 一種手持式焊鐵台，其包括如請求項1之智慧型焊匣，該智慧型焊匣用於焊接工作件。
  11. 一種自動式焊台，其包括如請求項1之智慧型焊匣，該智慧型焊匣用於焊接工作件。
  12. 一種智慧型焊匣，其包含：一外殼；一焊嘴；一加熱器，其用於加熱該焊嘴；一儲存裝置，其用於儲存關於該焊匣的特徵資訊； 一處理器，其用於提取關於該焊匣的該特徵資訊、偵測於一焊點之液化發生、接收一該焊點之3D當前影像、從該3D當前影像判定液化發生後所施焊料的體積、比對所施焊料的體積與填滿用於一通孔型組件的孔之孔管或填滿用於一表面黏著型組件的孔之孔管表面區域所需焊料的量以判定有多少所施焊料被消耗於孔管上或孔管表面區域之上、重覆比對所施焊料的體積直到所施焊料已填滿孔管或孔管表面區域，並且在所施焊料在一預設容許偏差內填滿孔管或孔管表面區域時產生一指示出已形成一可靠的焊點連接之指示訊號；以及一介面，其用於傳送該指示訊號。
  13. 如請求項12之智慧型焊匣，其中該儲存裝置包含一或多個不變性記憶體(NVM)及一無線射頻識別裝置(RFID)。
  14. 如請求項12之智慧型焊匣，其中關於該智慧型焊匣之該特徵資訊包括一或多個件號、序號、該智慧型焊匣之使用時間指示、焊嘴質量、焊嘴、焊嘴構造、鑑別碼，及焊嘴之熱特性。
  15. 如請求項14之智慧型焊匣，其中關於該智慧型焊匣之該特徵資訊進一步包括一或多個關於以下之資訊：各種承載物大小的該焊嘴之溫度隨時間的變化、該焊嘴與焊料的接觸表面、該焊嘴至該加熱器之距離、該焊嘴已實行之焊接事件的數量、該焊嘴之總使用時間，及該智慧型焊匣之製造日期。
  16. 如請求項12之智慧型焊匣，其中該介面係一或多個有線 介面及無線介面。
  17. 如請求項12之智慧型焊匣，進一步包含一溫度感應器，其用於量測該焊嘴之溫度。
  18. 如請求項17之智慧型焊匣，其中該溫度感應器週期性地量測該焊嘴之溫度且饋入資訊至該處理器，且其中當該溫度變化偏離一預設值時，該處理器調整該焊嘴之溫度。
  19. 一種手持式焊鐵台，其包括如請求項12之智慧型焊匣，該智慧型焊匣用於焊接工作件。
  20. 一種自動式焊台，其包括如請求項12之智慧型焊匣，該智慧型焊匣用於焊接工作件。
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