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平價回焊爐改裝教戰守則 - 9款控制器剖析

作者:James Hwang

 

平價的回焊爐是以DIY Kit的方式,以改裝現有的電烤箱來實現。好的改裝,效能會是出奇的好,同時非常省電,甚至可以完成市售款式做不到的境界。

在有鉛製程的時期,只需單純增加控制器就已足夠 (不需改裝烤箱);但近年已跨入到無鉛製程。無鉛製程在升溫速度與錫膏溶解溫度都有較高的限制,因此除了控制器以外,還需要改裝烘箱始能達標。

由於所有烘箱的改裝,方向與方法皆大同小異。所以此篇的討論重點會放在控制器的部份。我將先從一些經驗與需要考量的功能來探討,然後再選幾個比較有代表性,或較特別的案例進一步分析。

功能分析

1. 溫控模式 (PID or no PID)

PID 控制理論最早出現在一位偉大的英國物理學家,即麥斯威爾 (James Maxwell)所發表的的《On Governers》論文中,當時是1868年。麥斯威爾是誰呢?在行家的眼中,麥斯威爾的貢獻是20世紀物理學中最巨大的一位,影響之深遠僅次於牛頓。當人們問起愛因斯坦,相對論是否奠基於牛頓的理論上時,愛因斯坦回覆說:「不是的,我是奠基於麥斯威爾的貢獻上。」

PID

PID恆溫控制示意圖

PID在恆溫/溫控方面的應用一直都有非常出色的表現。但前提是 Kp 、 Ki、Kd 三個係數調得恰到好處。由於不同的設備與不同使用環境會產生不同的係數, 因此要調得適當非常不容易。若調得非常好, ±3°C以下的溫控恆溫誤差是可預期的。

至於回焊的應用是否一定需要 PID 恆溫?答案是未必的,簡單的物件回焊其實不需要 PID 恆溫,只需要在規範的時間內,慢慢增溫拖過即可。

2. 讀取誤差度 (Read Accuracy/Error)

坊間許多溫控裝置都只標榜顯示的精細度而已,這和實際讀取的精準度/誤差度並不相同,例如:擁有 ±0.0625°C細度顯示不等於擁有 ±0.0625°C誤差度。誤差的構成因素有很多,每項因素都應該列入考量。以電熱偶的例子來說,誤差度的主要構成因素為:冷接點誤差 + 增益誤差 + 熱電偶線材誤差,而誤差度越小越好。

3. 輸出誤差度 (Ouput Accuracy/Error)

市面上,很少有產品會標示實際輸出後的精準度/誤差度。即使高端的設備也很少寫出,主要是因為影響因素太多,安裝後仍然需要非常多調校才有機會達到。

在恆溫誤差度方面,烘箱通常可分為以下幾種:

  • 普通便宜烘箱,實際輸出的溫控誤差度會在 ±20-30°C 之間。
  • 專業等級,實際輸出的溫控誤差度會在 ±10- 20°C之間。
  • 高精度等級,輸出溫控誤差度會在 ±5-10°C 左右。
  • 非常高精密等級,輸出溫控誤差掌握在 ±3°C 以下。

一般家用的電烤箱的輸出誤差會落在 ±20-30°C 之間。而透過好的改裝,精密度可以大幅提升。

4. 自我設定 (Auto Learning)

控制器初次的使用,需要與烘箱做一些媒合,這部份的設定一直是最麻煩的地方,因為同樣的控制器進入不同的環境(不同的烘箱),會需要做適度的調整。很遺憾的,這個調整沒有通用數值,即使同型號的烘箱也會有差異,需要使用不同的參數。

如果沒有學習的功能,參數的調整將會是耗時又費力的工作,需要相當的耐心來完成。為了克服這點,有些控制器會有自我學習的功能,或是自我校正的功能來調整參數。有了這項學習的功能,設定就能簡便許多。 

5. 回焊曲線調整 (Profile Tuning)

回焊曲線有兩種:Soak/Ramp,以及 Ramp/Peak曲線。一般來說 Soak/Ramp 之馬鞍型曲線會比較通用;Ramp/Peak 曲線則比較合適搭配微小零件使用。

簡易型的控制器不能調整 Soak/Reflow 的溫度與時間長短,但它方便並符合簡易PCB回焊使用。比較進階的控制器則可允許個別調整 Soak/Reflow 的溫度高低與時間長短,如此較能克服不同的設計需求。

6. 恆溫熱處理 (Bake/ Heat Treatment)

這是一個很重要的項目,可惜大多數的開發者都忽略了它。許多電子零件對此項目特別敏感,尤其是一些機構件(例如插座)、LED,或是QFN/CSP/BGA 晶片等。

還有包含 PCB 本身,也都需要根據它的 MSL 等級,安排前製程的熱處理,從2小時到數十天的熱處理都有。在零件的規格書裡面,往往會標示指向參考 JEDEC J-STD-033,或是直接說明個別的熱處理需求。

如果沒有安排熱處理就直接回焊的話,受潮的零件(包含PCB)會有極高的機率因高溫濕氣瞬間膨脹,導致變形損毀或內傷。這是一項不可或缺的功能,如果控制器沒有這功能的話,就需要額外準備一台恆溫烘箱來完成這部份。

7. 控制盒/控制面板 (Control Box / Control Panel)

近年有越來越多無操作面板的設計,所以需要特別說明。控制盒是完全沒有屏幕顯示,也沒有控制按鍵的,一切的控制與操作都需要透過平板/手機/電腦來操控。而控制面板則保有顯示屏幕與按鍵,能直接在設備上完成操作。

8. 測溫紀錄 (Thermal Profiling)

記錄溫度需要多組溫度輸入才有實質的分析意義。若只有一組測溫,就只能單純記錄烘箱的溫度而已。在實際的操作中,往往會需要針對不同的部位,擷取溫度曲線做記錄與分析。通常這是靠外接到電腦後,才能將資料拋出呈現。

9. 輸出控制 (Number of Output Control)

大部份控制器只提供單一溫控輸出,如此所有加熱裝置就只能同時開關。有些控制器則會提供兩個或更多的輸出控制。有些多組輸出的安排,是應用在不同設備的連動設定,譬如降溫時開啟外部風扇;有的則是應用在溫控上,分散開關加熱管讓均溫效果更好。

10. 數據輸出 (Data Outputs)

如果有個 USB 的接口, 或是藍芽/WiFi的連線,就可以方便與電腦連線,將測溫的數據拋出,就可以擷取並記錄溫度數據了。有了數據紀錄就能做分析,以便完成溫度補償或調整等。

若溫度曲線資料只有烘箱而已,那就稍嫌不足了,因為真正比較需要的其實是關鍵部位的表面溫度。

11. J-STD-020 Profile Compliance

網路上有許多資訊指出,烘箱的溫控必須完全符合JEDEC J-STD-020的回焊規範,事實上,這資訊並不完全正確。

首先,溫控曲線需要針對不同的設計個別做調整,並沒有一定要符合JEDEC規範才行。在實際應用中,同一個板子裡往往會有耐溫偏低的零件,以及散熱特別好的物件。

由於溫控曲線需要配合兩個極端,因此常會有稍微超出規範操作的時候;再者, JEDEC 的曲線規範是針對零件的耐溫做建議,而不是烘箱的溫度。在零件的規格書裡面,通常會標示該零件的建議回焊曲線;這是零件的表面溫度的曲線,而不是烘箱的溫度曲線。

烘箱與零件的實際表面溫度幾乎都不會一致,因此不能只看烘箱的溫度而已。所以是否烘箱的溫控一定要符合 JEDEC J-STD-020 的曲線呢?答案是否定的。

12. 測溫輸入點 (Number of Temperature Inputs)

大部份的DIY Kit都只有一個溫度輸入,作為測溫/溫控點。由於物體的實際溫度和烘箱很少會一致,所以需要實際量測;但如果測溫輸入只有一組,就需要外部另接溫度量測儀器,才能知道物體的實際表面溫度;若控制器本身就有多組的溫度輸入,就可以直接同步擷取不同部位的實際溫度。

有了實際溫度的回饋後,才能安排合適的溫度補償與調整。

13. 屏幕曲線顯示 (On Display Thermal Curve)

若有個大屏幕, 可以直接顯示當前的溫度曲線及目標曲線,在視覺效果上絕對是加分的。屏幕小就沒辦法顯示圖形/曲線了,但依然可以顯示重要的溫度及狀態資訊。

14. 蜂鳴器 (Buzzer)

控制器若有個聲音輸出,就能方便在房間/辦公室的另一側聽見。但若控制器沒有聲音輸出時,使用者則需要守在附近盯著。 

15. 記憶儲存 (Memory Storage)

有些控制器會有多區的記憶儲存功能,方便日後直接快速恢復當時的設定。

 

DIY Kit的選擇:

1. RocketScream Reflow Controller

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RocketScren Reflow Controller

  • Controller Type:Arduino Shield
  • Processor:None
  • Display:LCD 0802
  • Thermal Control:PID
  • Learning:No
  • In-Flight Adjust:No
  • Temperature IC:MAX31855K x 1
  • Number of Outputs:1
  • Buzzer:Yes
  • Enclosure:None
  • Data Link:Via Arduino board
  • Muli-Profile Memory:None
  • Bake Function:No

這是一個非常有代表性的經典回焊控制器。它是一片 Arduino shield 模組, 不能獨立操作,需要另外搭配一片 Arduino 的主控板,許多日後的控制器都是以它為參考樣本做延伸。

這套件的原設計者就是 Arduino PID Library 的原創,原設計者將他的原始碼與硬體線路都開放,方便使用者根據自己需求客製調整,只是輸出只有一個,測溫輸入也只有一個。

至於控制板與烘箱之間的媒合,則需要一步一步測試、調整參數。這部份很耗時,但調好後能運作得很順暢。若要調整溫度/時間設定的話,整個步驟需要重來一次。

2. Beta Layout V3 Pro

BetaLayout V3 Pro

BetaLayout V3 Pro

  • Controller Type:Stand Alone
  • Processor:Atmega32
  • Display:LCD
  • Thermal Control:PID
  • Learning:Yes
  • In-Flight Adjust:No
  • Temperature IC:Unspecified x 1
  • Number of Outputs:1
  • Buzzer:Yes
  • Enclosure:Yes
  • Data Link:USB
  • Muli-Profile Memory:Yes
  • Bake Function:No

Beta Layout 這款式很特別,它的做法是完全不改造烘箱,直接接上插座就使用。但由於沒有改造過的烘箱升溫速度非常慢, 因此其實只有有鉛的曲線才會穩定;若要套用無鉛的曲線,仍需要進行烘箱的改造。

Beta Layout 使用 PID 溫控為控制基礎,溫度輸出只有一個,輸入也只有一個,沒有長時間恆溫的功能。而Beta Layout 的控制器還有學習的功能,用來做與烘箱的媒合:把烘箱的特性記錄下來後,能夠自我調整PID參數,如此就可以很方便的呈現回焊溫度曲線。

3. Toaster-R-Reflow

Toaster-R-Reflow Controller Board

Toaster-R-Reflow Controller Board

 

Toaster-R-Reflow Power Board

Toaster-R-Reflow Power Board

  • Controller Type:BeagleBone Shield
  • Processor:Atmega328P
  • Display:LCD 1602
  • Thermal Control:PID
  • Learning:No
  • In-Flight Adjust:No
  • Temperature IC:MAX31855K x 1
  • Number of Outputs:2
  • Buzzer:No
  • Enclosure:No
  • Data Link:USB
  • Muli-Profile Memory:3
  • Bake Function:No

Toaster-R-Reflow是一個 BeagleBone Shield的模組。除了需要 BeagleBone 的主控板外,它共分成兩塊,分別為主控板及電控板;兩個板子需要一起搭配一片BeagleBone 主控板才能使用 (總共三塊板子)。它主要是以 PID做溫控,提供兩組TRIAC輸出,直接控制電熱管或旋風風扇,測溫輸入則是一組。

原創者有將他的程式碼與硬體線路開放,方便自行組立、修改;不過它沒有學習功能,參數需要自己調整,也沒有恆溫的功能。但就回焊的部份來說,參數調好後運作是蠻穩定的。

4. Hobbybotic Reflow Controller Quad v1.0

Hobbybotic Reflow Controller Quad

Hobbybotic Reflow Controller Quad

  • Controller Type:Stand Alone
  • Processor:ATMEGA1284P
  • Display:LCD 1602
  • Thermal Control:PID
  • Learning:Unspecified
  • In-Flight Adjust:Unspecified
  • Temperature IC:MAX31855K x 4
  • Number of Outputs:4
  • Buzzer:No
  • Enclosure:No
  • Data Link:USB、BLE、XBee
  • Muli-Profile Memory:Unspecified
  • Bake Function:Unspecified

Hobbybotic 的控制板原先是以 PIC16F 設計,並以PID為溫度控制的基礎,後來改用ATMEGA1284P;輸出控制從原先的一組直接擴充到 4組;測溫輸入也是從原先的一組擴充到4組,還外加 SD卡的插座。

由於沒有詳細的資料,SD 卡 及 XBee 的應用尚不明確。Hobbybotic 這款式就硬體層面看來應該是很強大的,只是原創者所提供的資訊並不多,實際是否有銷售也不明確;倒是前代版本 V8.03仍然在架上銷售。

5. IPHolders Reflow Controller

IPHolders Reflow Controller

IPHolders Reflow Controller

  • Controller Type:Stand Alone
  • Processor:PIC18F
  • Display:None
  • Thermal Control:PID
  • Learning:No
  • In-Flight Adjust:No
  • Temperature IC:AD597 x 1
  • Number of Outputs:2
  • Buzzer:No
  • Enclosure:No
  • Data Link:USB
  • Muli-Profile Memory:Yes
  • Bake Function:Yes

IPHolders 的這款回焊控制器,在功能上同時顧慮到回焊及長時間恆溫,不過控制板本身並沒有屏幕顯示,也沒有按鍵可以操作控制,需要依靠電腦連線才能顯示,也需要透過電腦的介面才能操作控制。

控制器本身並沒有參數學習的功能來學習烘箱的特性,參數需要自己根據經驗調整。需要特別一提的是,它的控制軟體是需要另外付費的選購配件,沒有隨機附送,而缺少這個控制軟體就不能獨立運作。

6. Zallus Designs Reflow Controller

Zallus Reflow Controller

Zallus Main Controller

Zallus Main Controller

  • Controller Type:Stand Alone
  • Processor:Unspecified
  • Display:None
  • Thermal Control:MPC/PID
  • Learning:Yes
  • In-Flight Adjust:No
  • Temperature IC:MAX31856 x 1
  • Number of Outputs:4
  • Buzzer:No
  • Enclosure:Yes
  • Data Link:WiFi
  • Muli-Profile Memory:Yes
  • Bake Function:Yes

Zallus 的使用者介面一直都是最棒的。

繼前版後, 最新的這款做了非常多的優化:新增了 WiFi 的連線及恆溫控制,輸出從原本的1組擴充到了4組。這4組當中,只用1組做溫控的輸出;另外3組輸出雖然不做溫控,但可調整做其他的連動輸出。新款控制器捨去了顯示屏幕, 只有一個配合連線使用的按鍵,所有的控制與訊息回報,都必須搭配平版/手機來完成。

在這新版本中,Zallus很努力地套用先進的 MPC 技術。初次使用時,控制器會偵測並記錄烘箱的特性,讓後臺的 MPC 計算可以完成。MPC是一個非常先進的運算,複雜度高,需要很大記憶空間和計算能力;由於MPC計算並非一般的 MCU可以完成,Zallus 的作法是利用平板/手機將這部分的計算做好,然後才上傳數據結果到控制器,這是一個相當聰明的做法。

7. Controleo2

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Controleo2

  • Controller Type:Stand Alone
  • Processor:atmega32u4
  • Display:LCD 1602
  • Thermal Control:Timed Cycle
  • Learning:Yes
  • In-Flight Adjust:No
  • Temperature IC:MAX31855K x 1
  • Number of Outputs:5
  • Buzzer:Yes
  • Enclosure:Yes
  • Data Link:USB
  • Muli-Profile Memory:No
  • Bake Function:Yes

Controleo2 曾在 Kickstarter 上成功募資過,也曾在 Makezine 上做過專題報導。Controleo2 並不使用 PID 做溫控,它是依靠時間的計算,慢慢增溫、保溫帶過,這樣的設計構造簡潔、穩定、有效,對一般的 PCB 回焊是足夠的。

它總共有5組輸出,可以分別控制上下加熱管、旋風風扇、伺服馬達。當原始烘箱的加熱能力不足的時候,可以利用其中一組輸出,擴增另外一組加熱管。

Controleo2有內建的自我學習功能。初次使用時,它會自動進入學習模式,記錄烘箱的特性,並根據它的特性來調整回焊時間與曲線。一旦完成後,後續的回焊只需要按下開始按鈕即可,對於一般的電子裝置設計師很實用。後來的粉絲也自主貢獻了恆溫的程式碼,讓其他 Controleo2 的粉絲/使用者也能擴增恆溫功能。Controleo2程式碼是開源的, 可以自由下載並根據自己需求客製。

8. X-Toaster

X-Toaster Module

X-Toaster Module

 

X-Toaster Touch Screen UI

X-Toaster Touch Screen UI

  • Controller Type:Stand Alone
  • Processor:atmega128
  • Display:Color LCD 12864
  • Thermal Control:PID
  • Learning:No
  • In-Flight Adjust:No
  • Temperature IC:MAX31855K x 1
  • Number of Outputs:2
  • Buzzer:Yes
  • Enclosure:No
  • Data Link:No
  • Muli-Profile Memory:3
  • Bake Function:No

X-Toaster 是款蠻特別的設計,採用大型彩色螢幕觸控螢幕。雖然X-Toaster 沒有自我調校的功能,使用者會需要自己根據經驗調整PID的參數,原創者還是加入不少規則來強化 PID 的控制與設定,尤其針對烘箱 Hysteresis 及 Thermal inertia 下了不少功夫;此外也增加了一些曲線預測功能,讓 PID 可以更完善的補償,讓回焊曲線更穩定。

記憶體方面,它可以儲存3筆不同的 Profile,讓使用者能快速選用。X-Toaster總共有兩個輸出,一個是控制加熱管,另一個則是控制風扇;沒有任何的 PC 連線, 一切操作都在觸控面板上進行。

9. SimpleFlow-II

Simpleflow-II Front

Simpleflow-II Front

 

Simpleflow-II back

Simpleflow-II Back

 

Quad TC Expansion Module

Quad TC Expansion Module

  • Controller Type:Stand Alone
  • Processor:atmega328p
  • Display:LCD1602
  • Thermal Control:PID
  • Learning:Yes
  • In-Flight Adjust:Yes
  • Temperature IC:MAX31856 x 2 (expandable to 6)
  • Number of Outputs:5
  • Buzzer:Yes
  • Enclosure:Yes
  • Data Link:USB
  • Muli-Profile Memory:No
  • Bake Function:Yes

SimpleFlow-II是筆者所開發的第二代控制器,它以PID作為溫控主軸,採用一般的 1602 液晶作為屏幕顯示, 搭配2組 MAX31856熱電偶測溫輸入(可再增加4組),輸出方面則總共有5組。

SimpleFlow-II 是目前擁有最多測溫輸入的控制器:基本2組,可擴充到6組。有了多組的測溫輸入,才能夠同步擷取各部位的實際表面溫度做 Profiling,也才能分析,做溫度曲線上的補償與調整。5組的溫控輸出,分別控制上下部位的加熱管、旋風風扇及伺服馬達,讓溫度分佈較均勻。

SimpleFlow-II 具備中場調程的功能,可讓一個即將失效的回焊,做中場補救, 推上那最後一哩路,將逆風轉為順風。而自我學習功能則是主要功能之一,透過自我學習模式與烘箱做媒合,根據所記錄的烘箱特性,調整/補償回焊溫度曲線,內建的恆溫模式也是以 PID 做為主控,最長可執行長達10天的恆溫。

(責任編輯:小波)

Hwang James

Hwang James

投入電子業多年,曾任職於Motorola、3Com、LSI開發電信與網通系統;亦曾任職於英業達大溪廠,開發4-Way刀鋒伺服器。喜好大自然、音樂、美食及動手實作;目前是個熱血職人,研製無線電子裝置與工具。
Hwang James

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