具有自动焊接验证的烙铁的制作方法

本发明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验证的烙铁。

背景技术：
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。许多方法被开发以减少波峰焊系统的故障率。然而，对于点对点手持焊接和返工应用，公司纯粹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有许多因素。这些因素包括焊头(soldertip)的温度、焊头的几何形状、焊料的氧化、人的行为等。

技术实现要素：
在一些实施方式中，本发明为一种由手持式烙铁台执行的用于焊接接头连接验证的方法，所述手持式烙铁台包括具有焊头的焊盒(solderingcartridge)。该方法包括：识别烙铁台正在使用的焊盒的类型并且获取与所识别的盒有关的信息；通过在第一预定时间段内测量输送至焊头的功率电平来确定焊接事件已经开始；在焊接事件开始之后，通过测量焊头温度来执行初步验证；监测输送至焊头的功率电平以检测液相线发生；在检测到液相线发生之后，根据焊接时间和焊头温度来确定焊接接头的金属间化合物(IMC)的厚度；确定IMC的厚度在预定冷却时间段内是否处在预定范围内；以及当IMC的厚度在预定冷却时间段内处在预定范围内时指示形成了可靠的焊接接头连接。在一些实施方式中，本发明为一种具有自动焊接接头连接验证的烙铁台，该烙铁台包括：手持件，该手持件包括具有焊头的焊盒；电源，该电源用于向焊头输送电力；指示器；以及包括相关电路的处理器，该处理器用于识别烙铁台正在使用的焊盒的类型并且获取与所识别的盒有关的信息；通过测量焊头温度来执行初步验证；监测输送至焊头的功率电平以检测液相线发生；在检测到液相线发生之后，根据焊接时间和焊头温度来确定焊接接头的金属间化合物(IMC)的厚度；以及确定IMC的厚度在预定冷却时间段内是否处在预定范围内。当IMC的厚度在预定冷却时间段内处在预定范围内时，指示器指示形成了可靠的焊接接头连接。在一些实施方式中，本发明为一种由手持式烙铁台执行的用于焊接接头连接验证的方法，该手持式烙铁台包括用于从不同的视角来捕获焊接接头的相应图像的两个照相机。该方法包括：在焊接事件开始之前通过照相机中的每个照相机来捕获焊接接头的2维(2D)参考图像；根据所捕获的2D参考图像来生成焊接接头的3维(3D)参考图像；根据3D参考图像来确定填充通孔部件的孔的筒所需要的焊料的量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；在焊接事件开始之后，通过照相机中的每个照相机来捕获焊接接头的2D当前图像；随着焊接事件的进行将2D当前图像中的每个2D当前图像的每个像素的值分别与2D参考图像的对应的像素值进行比较，以检测由于分配的焊料的展开而引起的2D当前图像中的像素的任何颜色变化；重复捕获2D当前图像并且比较每个像素的值直到2D当前图像中的所有像素都被确定是所分配的焊料的像素为止，以检测所分配的焊料的液相线的发生；在检测到所述液相线的发生之后，根据来自每个照相机的最后捕获的2D参考图像来生成焊接接头的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所确定的填充所述筒或所述筒的表面区域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中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到所分配的焊料已经在预定公差内填充筒或筒的表面区域为止；以及当所分配的焊料已经在预定公差内填充筒或筒的表面区域时启动指示器以指示良好的连接。在一些实施方式中，本发明为一种具有焊接接头连接的自动验证的烙铁台，该烙铁台包括：手持件，该手持件包括焊头；电源，该电源用于向焊头输送电力；位于不同位置处的两个照相机，所述两个照相机中的每个照相机用于捕获焊接接头的2维(2D)图像；指示器；以及包括相关电路的处理器，该处理器用于验证焊接接头的连接。照相机中的每个照相机在焊接事件开始之前通过所述照相机中的每个照相机来捕获焊接接头的2维(2D)参考图像；处理器根据所捕获的2D参考图像来生成焊接接头的3维(3D)参考图像，并且根据3D参考图像来确定填充通孔部件的孔的筒所需要的焊料的量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；所述照相机中的每个照相机在所述焊接事件开始之后捕获所述焊接接头的2D当前图像；所述处理器随着所述焊接事件的进行将2D当前图像中的每个2D当前图像的每个像素的值分别与2D参考图像的对应的像素值进行比较，以检测由于分配的焊料的展开而引起的2D当前图像中的像素的任何颜色变化；所述照相机中的每个照相机重复捕获2D当前图像并且所述处理器重复比较每个像素的值直到2D当前图像中的所有像素都被确定是所分配的焊料的像素为止以检测所分配的焊料的液相线的发生；在检测到所述液相线的发生之后，所述处理器根据来自每个照相机的最后捕获的2D参考图像来生成焊接接头的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所确定的填充所述筒或所述筒的表面区域所需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中或所述筒的表面区域上；以及重复进行所分配的焊料的体积的比较直到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为止。焊接台还包括指示器，该指示器用于在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指示良好的连接。附图说明图1A描绘了根据本发明的一些实施方式的示例性手持焊铁。图1B是根据本发明的一些实施方式的处理器及相关部件的示例性框图。图2示出了根据本发明的一些实施方式的示例性处理流程。图3A示出了根据本发明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。图3B示出了根据本发明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。图4A示出了根据本发明的一些实施方式的IMC的厚度相对于时间的曲线图。图4B示出了根据本发明的一些实施方式的IMC的厚度相对于焊接时间的曲线图。图5是根据本发明的一些实施方式的使用来自多个照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。图6A至图6D示出了根据本发明的一些实施方式的用于检测液相线的各个图像。图7A示出了根据本发明的一些实施方式的用于通孔部件的一些示例性焊接接头。图7B描绘了根据本发明的一些实施方式的用于表面安装部件的一些实例性焊接接头。具体实施方式在一些实施方式中，本发明是具有自动焊接验证的烙铁。烙铁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验证的其他必要的电子电路。在一些实施方式中，处理器接收焊接接头和烙铁的各种特征，并执行对焊料和PCB衬底的金属间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，烙铁中(例如手持件中)的音频或LED指示器向操作者通知良好焊接接头的形成。通常，由SAC焊料和铜衬底PCB形成的良好焊接接头发生在金属间厚度处在1um至4um内时。因此，如果操作者使用例如SAC305(96.5％Sn，3％Ag，0.5％Cu)焊线与铜衬底PCB，则在焊接期间由本发明的一些实施方式计算金属间厚度Cu6Sn5，并且当金属间化合物(IMC)的金属间厚度(intermetallicthickness)达到1um至4um时通知操作者。铜衬底和烙铁之间的化学反应可表示为：3Cu+Sn->Cu3Sn(阶段1)(1)2Cu3Sn+3Sn->Cu6Sn5(阶段2–IMC1um至4um)(2)。化学反应的第1阶段是临时的(瞬时)，因此不用于确定焊接接头的质量。在一些实施方式中，可以将微处理器(或控制器)放置在电源中、放置在手持件或焊接系统的台中。可以在工件台处使用公知的无线接口通过有线和/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、打印机等的通信。图1A描绘了根据本发明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。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接收电力并加热焊头以执行对工件的焊接。在一些实施方式中，焊头可包括温度传感器来感测尖端的温度并且将该数据传送至处理器。手持件108可以包括各种指示器，例如在其上的一个或更多个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。如在下面更详细描述的，在一些实施方式中，微处理器和相关电路识别什么焊盒正在被使用、验证尖端的几何形状、验证温度和负载是否匹配以确保盒能产生足够的能量来使负载达到焊料熔点、检测液相线(liquidus)温度，然后确定IMC的厚度。在一些实施方式中，焊盒包括焊头、相关线路、磁屏蔽、加热器、轴、连接器、非易失性存储器(NVM)、一个或更多个传感器以及用于测量尖端的阻抗的电位计。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，在材料中取决于该材料而在足够的时间之后形成更多晶体。图1B是根据本发明的一些实施方式的处理器和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，以包含本发明的一些实施方式的处理器和相关电路。在I/O接口118可以是至焊接台外部的部件的有线接口和/或无线接口。可选地，照相机122和照相机124这两个照相机经由总线120或I/O接口118耦接到处理器和存储器，以从不同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。图2示出了根据本发明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和PCB衬底之间的所有连接接头的处理。在块204中，识别正在使用的盒，并且从非易失性存储器(NVM)如EEPROM中取回与所识别的盒有关的数据。在一些实施方式中，可以将NVM放置在盒中以存储与盒有关的数据，例如，部件号、批号、序列号、总用量、总点、尖端质量/重量、尖端构型，认证代码(如果有的话)、热效率、热特性等。可以在启动时和在操作期间定期地取回所述数据。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。在块206中，在一定时间段内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。图3A示出了在三个给定负载规模下焊头的温度随时间变化的曲线图。曲线图306针对大负载规模，曲线图304针对中等负载规模，曲线图302示出了小负载规模。如图3A所示，对于给定的尖端，负载越重，则温度下降越快。在一些实施方式中，如果尖端温度下降大于预定值例如25℃，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尖端输送电力来保持尖端的温度。在一些实施方式中，可以通过测量尖端的阻抗，然后通过下面的公式(3)确定尖端温度来检测温度下降。可以通过关断至尖端的电源并且测量线圈(在盒中)的电压来测量阻抗。于是阻抗将是线圈的电压乘以取决于尖端类型的阻抗因子(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尖端中以直接读取温度下降，并将温度下降传送至微处理器。Rimd＝Rmin+Rmax/{1+[K*e^(-T)]}(3)。其中，Rimd是阻抗值，Rmin为阻抗的最小值，Rmax为阻抗的最大值，K是权重因子，T是温度增量。图3B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。曲线图318针对小功率，曲线图312针对大功率，并且曲线图314示成了中等功率。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。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尖端几何形状和加热器材料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和/或蜂鸣器来确定处理中止。TE_factor＝TipMass*TipStyle*HTR_factor*Const(4)其中，TipMass是铜重量(mg)，其对于“LongReach”尖端为0.65，对于“Regular”尖端为1，对于“Power”尖端为1.72。TipStyle指从尖端的末端到盒中的加热器的距离。例如，TipStyle对于“LongReach”尖端为20mm，对于“Regular”尖端为10mm，并且对于“Power”尖端为5mm。HTR_factor为加热器温度乘以基于加热器的类型而变化的因子(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可以为800F*0.01＝8；700F*0.01＝7；600F*0.01＝6；或500F*0.01＝5。参照图2，在块210中，基于尖端在预定时间段(例如第一个2至3秒内)的温度下降来执行热效率检查，以确保尖端的几何形状/温度与负载匹配。在一些实施方式中，热效率检查对焊接台相对于尖端和负载的热传递和功率恢复进行检查。每种尖端类型都有其自身的热特性，其随尖端温度、质量和构型/样式而变化。对于各种尖端类型，将其热效率因子(TE)存储在NVM中。在第一时间段(例如，2至3秒)期间，测量尖端的功率，并且将尖端的功率与尖端的TE进行比较。如果所测量的功率大于阈值，例如为TE的95％+/-10％，则这意味着尖端太小或负载过大，因此它们需要大量的电力。在该情况下，热效率检查失败(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和/或蜂鸣器。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，被接通以让操作者知道已通过热效率检查处理。在块214中，基于如下热传递公式来检测液相线温度。ΔT＝P*TR(5)，其中，ΔT为尖端温度减去负载温度，P为功率电平，以及TR是可从NVM取回的尖端和负载之间的热阻抗。由于负载温度继续增加直到其达到平衡为止，因此ΔT在整个焊接动作中减小。此外，当焊接事件首次开始时功率增大。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。ΔT↓＝P↑*TR↓ΔT↓＝P↓*TR～在块216中，检查以查看功率是否在峰值并正在下降。如果功率不处在峰值并下降，则处理超时(216a)并且在块226中止处理。如果功率处在峰值并下降(216b)，则处理进行到块218以接通指示器，例如LED和/或蜂鸣器。当功率处在峰值并正在下降时，这表示焊接事件处在液相线状态。在块220中，IMC的厚度由如下公式确定。IMC＝1+[k*ln(t+1)](6)，其中，k是加权系数，t是焊接间隔时间@100ms。通常，IMC的厚度将随时间和温度而变化。当温度处在熔点(例如，在220至240℃)时，该温度对IMC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。4A示出了针对k＝0.2173使用许多焊接接头和IMC厚度测量通过实验获得的IMC厚度相对于时间的曲线图。如图4A所描绘的，IMC的厚度随时间而增加。参照图2，块222检查以查看在预定量的时间(冷却时段)内所确定的IMC厚度是否处在预定范围例如1um至4um内。如果所确定的IMC厚度在预定范围内(222a)，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。在一些实施方式中，本发明为操作者提供成功的接头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。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。图4B示出了IMC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℃的温度具有Y＝0.176X+1.242，曲线图404针对275℃的温度具有Y＝0.044X+1.019，并且曲线图406针对220℃的温度具有Y＝0.049X+0.297，其中X是时间，Y是IMC厚度。常数来源于多个实验。如图所示，IMC厚度的中断(breakout)发生在三个不同的温度范围。由于IMC的厚度随时间和温度而变化，随着温度上升，IMC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尖端的焊接应用，使用曲线图404。以该方式，本发明的实施方式通过计算金属间厚度从而防止在早期阶段中出现坏接头来确保两种金属之间良好的结合和电连接。此外，本发明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。操作者可以改变若干参数或从菜单中选择若干参数以满足特定应用要求。在一些实施方式中，当利用作为自调节居里温度的居里温度(点)/SmartheatTM技术时，对客户站点处的系统的校准没有要求。居里温度或居里点是材料的永久磁性变为感应磁性时的温度，即，材料的固有磁矩改变方向时的临界点。本发明还提供了以下能力：用于帮助操作者识别针对焊接事件是否正在使用不当的尖端/盒组合。在一些实施方式中，本发明使用至少两个高分辨率照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、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，barrel)填充的焊料的量，或者在表面安装部件中的部件的周围展开的焊料的量。图5是根据本发明的一些实施方式的用于使用来自多个照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。至少两个高分辨率照相机靠近于焊接接头放置在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照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。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，以确定填充筒或的筒的表面区域需要多少焊料。筒的表面还可以根据照相机的位置由2D图像来确定。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。在块512中，重复进行块508(图6C)和块510中的处理直到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。在检测到液相线之后，在块516中对来自每个照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(即，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)，直到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(VSVb)或(VSSb)。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。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补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。Vlead＝πrlead2h(7)Vbarrel＝πrbarrel2h(8)Vrequired＝πh(rbarrel2-rlead2)(9)其中，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；rlead是(通孔)部件引线半径；rbarrel是通孔筒半径；h是板厚度，如图7A所示。图7A示出了根据本发明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照相机来捕获。图7B示出了根据本发明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照相机来捕获。在该情况下，本发明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小照相机仅能捕获线性地填充的区域。本领域的普通技术人员将会认识到，可以在不偏离本发明的宽泛的创造性的情况下对本发明的所示出的实施方式和其他实施方式进行修改。因此将会理解，本发明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发明的范围和精神范围内的任何变化、适应性改变或变型。相关申请的交叉引用本专利申请要求于2014年8月4日提交的、名称为“ConnectionValidationForHandheldSolderingIronStation”的美国临时专利申请No.62/033,037的优先权，其全部内容特意通过引用并入本文中。