JP2009168582A - Appearance inspecting equipment - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、外観検査技術に関する。この発明は特に、被検査体の検査面を走査して画像を取得して検査を行う外観検査装置および外観検査方法に関する。 The present invention relates to an appearance inspection technique. In particular, the present invention relates to an appearance inspection apparatus and an appearance inspection method for scanning an inspection surface of an object to be inspected and acquiring an image.
IC、LSIなどのチップはハンダ付けにより基板に接着される。このハンダ付けは、スクリーン印刷装置により基板の電極にクリームハンダを塗布し、このクリームハンダ上にチップのリードを着地させた後、リフロー装置によりクリームハンダを加熱処理して行われる。このとき、クリームハンダの塗布量が適正でないと、ハンダ付けが不良になりやすいことから、チップマウンタによりチップを基板に搭載する前に、クリームハンダの塗布状態の検査が行われる。 Chips such as IC and LSI are bonded to the substrate by soldering. This soldering is performed by applying cream solder to the electrode of the substrate by a screen printing device, landing the lead of the chip on the cream solder, and then heating the cream solder by a reflow device. At this time, if the amount of cream solder applied is not appropriate, soldering tends to be defective. Therefore, before the chip is mounted on the substrate by the chip mounter, the cream solder application state is inspected.
クリームハンダの塗布面積を測定することでクリームハンダの塗布状態の良否を検査する方法がある。しかし、チップのハンダ付けが正常に行われるためには適正な量のクリームハンダが塗布されていることが必要であり、本来はクリームハンダの塗布面積ではなく、塗布量を測定しなければ、正確な検査ができない。より精度の高い検査を行うためには、塗布されたクリームハンダの体積測定が必要である。 There is a method of inspecting the quality of cream solder application by measuring the area of cream solder application. However, in order to perform chip soldering properly, it is necessary to apply an appropriate amount of cream solder. Originally, it is not the area where cream solder is applied. Cannot be inspected. In order to perform a more accurate inspection, it is necessary to measure the volume of the applied cream solder.
従来、ハンダ付けには鉛と錫を主成分とするハンダが使用されてきたが、鉛は人体に有害であり、また、廃棄物となった場合に自然環境を汚染する危険性がある。そのため、鉛を含まない鉛フリーハンダが推奨されるようになり、最近では、電子・電気機器への特定有害物質の使用を規制する法令が各国で整備されてきたことから、鉛フリーハンダへの切り替えが一層進められている。鉛フリーハンダは「ぬれ」が悪いため、従来の鉛を含有するハンダに比べて、印刷工程が技術的に難しくなった。そのため、印刷後にハンダの体積を測定してハンダが適正に塗られているかどうかを判定することがこれまで以上に重要になっている。 Conventionally, solder composed mainly of lead and tin has been used for soldering. However, lead is harmful to the human body, and there is a risk of contaminating the natural environment when it becomes waste. Therefore, lead-free solder that does not contain lead has come to be recommended, and recently, laws and regulations restricting the use of specific hazardous substances in electronic and electrical equipment have been established in each country. Switching is being promoted further. Since lead-free solder has poor “wetting”, the printing process has become technically more difficult than conventional solder containing lead. Therefore, it is more important than ever to measure the volume of solder after printing to determine whether the solder is properly applied.
クリームハンダの体積検査のためには、合否判定のために適正体積の閾値を設定しなければならないが、現場技術者の勘と経験に頼って適正体積の閾値を調整しているのが現状である。リフロー後のハンダの三次元形状を正確に測定することができれば、ハンダ付けの合否を判定し、塗布されるべきクリームハンダの適正体積を把握できるようになる。特許文献1には、電子部品のハンダ付け後に、そのハンダの立体形状を画像処理技術によって検出する方法が開示されている。
特許文献1に記載の方法では、同心円状に配置され照射角度の異なる多段環状の光源をすべて点灯してハンダを照射し、反射光を捉えてハンダ面の傾斜角を測定することにより、ハンダの立体形状を得る。特に鉛を含有するハンダの場合は、リフロー後のハンダ面は鏡面反射に近い特性をもつため、ハンダ面に入射した光が鏡面反射した反射光を捉えて測定することが必要である。また、鉛入りのハンダ面は完全な鏡面反射ではなく、乱反射成分も多少含むため、多段環状の複数の光源からハンダ面に入射した光が乱反射して測定される反射光に合成されるため、測定の精度に影響を及ぼす。理想的にはただ一つの点光源をハンダ面のある反射点に照射し、エリアセンサでその反射光を測定すればよいが、ハンダ面をピンポイントで照射して反射光を測定することを測定点を変えながら繰り返したのでは、あまりにも測定時間がかかり、現実的ではない。
In the method described in
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、ハンダの形状を高速度かつ高精度で測定することのできる外観検査技術の提供にある。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide an appearance inspection technique capable of measuring the shape of solder with high speed and high accuracy.
本発明のある態様は、外観検査装置に関する。この装置は、被検査体の検査面に対して平行光を投射する照明源と、前記被検査体からの反射光をレンズ光軸に対して平行に集光する光学系と、前記光学系を介して前記被検査体からの反射光を検知する一次元センサを有し、この一次元センサを走査することにより前記被検査体の検査面の画像を取得する走査ヘッドと、前記走査ヘッドにより取得された前記被検査体の検査面の画像を検査画像として格納する画像メモリと、前記走査ヘッドにより取得されたハンダの撮像画像の画素情報とハンダ面の傾斜角度の相関関係を示す相関マップを記憶する相関マップ記憶部と、前記相関マップを参照することにより、前記画像メモリに格納された前記検査画像のハンダ撮像領域の画素情報から前記検査面上のハンダ面の傾斜角度を算出する傾斜角度算出部とを含む。 One embodiment of the present invention relates to an appearance inspection apparatus. The apparatus includes an illumination source that projects parallel light onto an inspection surface of an object to be inspected, an optical system that collects reflected light from the object to be inspected in parallel with a lens optical axis, and the optical system. A scanning head that has a one-dimensional sensor that detects reflected light from the object to be inspected, and obtains an image of the inspection surface of the object by scanning the one-dimensional sensor, and acquired by the scanning head An image memory for storing the image of the inspection surface of the inspection object as an inspection image, and a correlation map indicating a correlation between the pixel information of the captured image of the solder acquired by the scanning head and the inclination angle of the solder surface An inclination angle for calculating the inclination angle of the solder surface on the inspection surface from the pixel information of the solder imaging area of the inspection image stored in the image memory by referring to the correlation map And a calculation unit.
前記照明源からの平行光と前記被検査体からの反射光とが同軸となるように構成してもよい。これにより、平行光が投射された被検査体からの反射光を投射方向と同じ方向から捉えて撮像することができる。前記一次元センサは前記被検査体からの反射光の拡散成分を検知してもよい。特に、被検査体が完全な鏡面反射でなく、拡散成分をもつ場合に、反射光の拡散成分を検知して、ハンダ面の反射特性を取得することができる。 You may comprise so that the parallel light from the said illumination source and the reflected light from the said to-be-inspected object may become coaxial. Thereby, the reflected light from the inspection object on which the parallel light is projected can be captured from the same direction as the projection direction and imaged. The one-dimensional sensor may detect a diffusion component of reflected light from the object to be inspected. In particular, when the object to be inspected is not a perfect specular reflection but has a diffusion component, the reflection component of the solder surface can be acquired by detecting the diffusion component of the reflected light.
前記走査ヘッドは、主光線がレンズ光軸に対して平行になるように設計されたテレセントリック光学系をさらに有し、前記被検査体からの反射光は前記テレセントリック光学系を通して集光され、前記一次元センサに結像されてもよい。画角がゼロ度のテレセントリック光学系を使用することにより、光軸から離れた周辺位置でも視差による歪みのない均一な検査画像を取得することができる。また、テレセントリック光学系として大口径のテレセントリックレンズを用いる以外に、同様に全体の画角を実質的にゼロ度にする作用をもつマイクロレンズアレイを用いてもよい。 The scanning head further includes a telecentric optical system designed so that a chief ray is parallel to a lens optical axis, and reflected light from the object to be inspected is condensed through the telecentric optical system, and the primary An image may be formed on the original sensor. By using a telecentric optical system with an angle of view of zero degree, a uniform inspection image free from distortion due to parallax can be obtained even at a peripheral position away from the optical axis. Further, in addition to using a large-diameter telecentric lens as the telecentric optical system, a microlens array having an effect of making the entire field angle substantially zero degrees may be used.
なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システム、記録媒体、コンピュータプログラムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。 It should be noted that any combination of the above-described constituent elements and a conversion of the expression of the present invention between a method, an apparatus, a system, a recording medium, a computer program, etc. are also effective as an aspect of the present invention.
本発明によれば、被検査体の検査面上のハンダの形状を効率よく測定して検査することができる。 According to the present invention, it is possible to efficiently measure and inspect the shape of the solder on the inspection surface of the object to be inspected.
図1は、実施の形態に係る外観検査装置10の構成図である。この装置は、被検査体の検査面をラインセンサで走査して画像を形成し、画像認識によって部品実装状態の合否を判定するものである。ラインセンサによる撮像ラインに対して垂直に走査ヘッドを駆動することで順次ラインごとの画像がえられ、走査ヘッドの一次元運動で検査面の全体画像が取得される。本出願人は先に、特開平8−254500号公報において、このような一次元センサを用いた外観検査装置を提案しており、それを本実施形態で用いてもよい。
FIG. 1 is a configuration diagram of an
図1のごとく、外観検査装置10は、メインユニット12と試験ユニット14を備える。試験ユニット14の下部には支持台22が設けられ、被検査体の一例である基板1が把持されている。試験ユニット14の上部には、走査ヘッド16と、それを駆動するステッピングモータ20と、走査ヘッド16を支持するリニアガイド等のガイド18が設けられている。
As shown in FIG. 1, the
走査ヘッド16は照明ユニット30、テレセントリックレンズ31、レンズ32およびラインセンサ34を有する。これらの部材はフレーム36上に固定されている。照明ユニット30は、落射照明源、側方照明源、ハーフミラーなどを内蔵する。基板1から垂直上方への反射光はハーフミラーでテレセントリックレンズ31へ導かれ、テレセントリックレンズ31を通過する。テレセントリックレンズ31を通過した光はレンズ32を通して集光され、一次元CCDセンサであるラインセンサ34に結像される。ラインセンサ34はライン単位に基板1を撮像してその画像データ54を出力する。
The
メインユニット12は、本装置全体を統括的に制御するもので、ハードウエア的には、任意のコンピュータのCPU、メモリ、その他のLSIで実現でき、ソフトウエア的にはメモリにロードされた外観検査機能のあるプログラムなどによって実現されるが、ここではそれらの連携によって実現される機能ブロックを描いている。したがって、これらの機能ブロックがハードウエアのみ、ソフトウエアのみ、またはそれらの組合せによっていろいろな形で実現できることは、当業者には理解されるところである。
The
メインユニット12のヘッド制御ユニット40はまず、照明制御クロック50を照明ユニット30へ供給し、1ライン毎に落射照明と側方照明を交互に切り替えて点灯させる。ヘッド制御ユニット40はさらに、モータ制御信号52をモータ20へ、試験開始信号56をメモリ制御ユニット42へそれぞれ出力する。モータ制御信号52によってモータ20のステップ制御がなされ、検査の開始に際し、走査ヘッド16が基板1の端部へ移動する。この位置をスタート位置として、以降1ライン撮像するたびにモータ制御信号52によって走査ヘッド16が1ライン分進行する。一方、試験開始信号56を参照し、メモリ制御ユニット42は画像メモリ44への画像データ54の書込を制御し、以降、画像データ54がライン単位で記録されていく。画像データ54は、落射照明によるものと側方照明によるものとが1ライン毎に選択的に入力され、全ラインの撮像が終わると、画像メモリ44内には、落射照明による外観検査用画像と側方照明による外観検査用画像とが形成される。
First, the
なお、画像メモリ44の内部構成、画像メモリ44内の画像データ54の配置については設計上の自由度があり、いろいろな構成が可能である。たとえば、画像メモリ44内に、落射照明による検査画像と側方照明による検査画像を個別に格納するための独立した2つの記憶領域が設けられ、メモリ制御ユニット42は、1ライン毎に各記憶領域に分けて画像データ54が個別に格納されるように制御してもよい。あるいは、画像メモリ44内には、落射照明による検査画像と側方照明による検査画像を格納するための単一の記憶領域が設けられ、メモリ制御ユニット42は、その単一の記憶領域に画像データ54が1ラインずつ交互に格納されるように制御してもよい。
Note that the internal configuration of the
ハンダ形状測定部60は、画像メモリ44に格納された落射照明による外観検査用画像(以下、単に検査画像41と呼ぶ)を参照して、基板1上のハンダ領域を抽出し、基板上のハンダの三次元形状を測定する。ハンダ形状測定部60は、その主たる構成として、傾斜角度算出部61および形状算出部62を有する。
The solder
ハンダ面は基板1の検査面に対して傾きをもつため、ハンダ面が照明源により照射されると、ハンダ面の傾きによって明るさなどの色情報に違いが生じる。したがって、ハンダ撮像領域の明度等の色情報の違いからハンダ面がどれくらい傾いているかを把握することができる。そこで、実験的にハンダの撮像画像の画素情報とハンダ面の傾斜角度の相関情報を取得し、その相関関係を示す相関マップ64をテーブルなどの形でハンダ情報記憶部45に記憶しておく。ここで画素情報には、HSV空間などの色空間における色情報および画像のモーメント情報を含む。このような画素情報として、たとえば、明度(輝度)を用いることが好適である。
Since the solder surface has an inclination with respect to the inspection surface of the
実施の形態では、画素情報として明度を例にとって、明度と傾斜角度の相関関係からハンダ面の傾斜角度を求める方法を説明するが、これは一例である。ハンダ面の傾斜角度との間に一定の相関関係が成り立つ限り、色相や彩度など明度以外の画素情報を用いて、あるいはそれらの画素情報の組み合わせを用いて、想定される相関関係からハンダ面の傾斜角度を求めるようにしてもよい。 In the embodiment, a method for obtaining the tilt angle of the solder surface from the correlation between the brightness and the tilt angle will be described by taking the brightness as an example of the pixel information, but this is an example. As long as a certain correlation is established with the tilt angle of the solder surface, use the pixel information other than lightness, such as hue and saturation, or use a combination of these pixel information to determine the solder surface from the assumed correlation. The inclination angle may be obtained.
ハンダ面の傾斜角度とハンダの撮像画像の画素情報の相関関係は、一般にハンダの材料特性によって異なる。そこでハンダの材料特性の違いに応じて複数パターンの相関マップ64を用意しておき、基板1に使用されているハンダの材料特性に応じたパターンの相関マップ64に切り替えて使用する。
In general, the correlation between the tilt angle of the solder surface and the pixel information of the captured image of the solder differs depending on the material characteristics of the solder. Accordingly, a plurality of patterns of correlation maps 64 are prepared in accordance with differences in the solder material characteristics, and are switched to the pattern correlation maps 64 in accordance with the solder material characteristics used in the
傾斜角度算出部61は、相関マップ64を参照して、ハンダ撮像領域の明度に対応する検査面上のハンダ面の傾斜角度を取得する。相関マップ64に明度と傾斜角度を対応づけた数値の組が離散的に格納されている場合は、傾斜角度算出部61は、適宜補間計算をすることにより、観測された明度に対応する傾斜角度を算出する。
The inclination
形状算出部62は、傾斜角度算出部61により算出されたハンダ面の傾斜角度にもとづいて検査面上のハンダの高さ情報を算出する。具体的には、ハンダが付けられたランドの端部を高さゼロの基点として、ハンダ面の傾斜角度による高さの増分を積算することにより、ハンダの高さを求める。形状算出部62は、こうして得られるハンダ面の各点の高さ情報を格納したハンダ形状プロファイル66をハンダ情報記憶部45に記録する。
The
解析ユニット46は、画像メモリ44から落射照明による検査画像と側方照明による検査画像を読み出し、また、ハンダ情報記憶部45からハンダ形状プロファイル66を読み出し、判定基準記憶部48に予め記録された判定基準に照らして、検査項目ごとに合否を判断する。検査項目として、落射試験による部品の位置ずれ、欠品、ハンダのヌレの判定など、および側方試験によるハンダブリッジの有無、搭載部品の間違い、極性の反転の判定などがある。たとえば、落射試験によるハンダヌレの判定は、部品の電極の周りに一様に暗い部分が生じれば合格、電極から離れたところに暗い丸が生じれば不合格とすることができる。後者の場合、ハンダが電極に載らず、基板1のランドに低い山状に溶けずに残っている可能性が高い。いずれにしても、判定基準記憶部48にはあらかじめ検査すべき基板1の部品搭載について、合否に関する判断基準または基準画像が記録され、合成された画像にそれらの判断基準または基準画像を適用して合否判定が行われる。
The
特に、解析ユニット46は、ハンダ形状プロファイル66を参照して、ハンダ付けの不良を判定する。具体的にはハンダ面の傾斜角度や高さにもとづいて、リード浮き、ハンダの面積や体積の不足、ハンダブリッジの有無、銅箔露出などのハンダ付け検査項目を検査する。
In particular, the
さらに、解析ユニット46は、落射照明による検査画像に対してハンダ形状プロファイル66から得られる高さ情報を付与した画像を生成して表示装置に表示させる。これにより、ユーザは画面上でハンダ領域の高さ情報を閲覧することができ、ハンダ付けの合否を目視でも確認することができる。ハンダ領域の高さ情報は、検査画像上で等高線で示したり、色の違いや濃淡によって示すことができる。また、解析ユニット46は、側方照明によるフルカラーの検査画像のハンダ領域をマスクし、ハンダの高さ情報を等高線、色、濃淡などの識別情報で示した画像をそのマスクされたハンダ領域に合成することにより得られる画像を表示装置に表示させることもできる。検査面上のハンダ面の傾斜角度を示す識別情報が付与された画像を側方からのフルカラー照明による検査画像に合成することにより、検査画像は人間の視覚イメージに近くなり、ユーザの目視による検査が容易になる。
Further, the
図2は試験ユニット14の斜視図、図3は試験ユニット14をラインセンサ34の撮像ラインの方向110(以下、単に撮像方向と呼ぶ)から見た模式図である。照明ユニット30は落射照明源100と側方照明源102を有し、これらがハーフミラー108を取り囲んでいる。落射照明源100とハーフミラー108にはレンチキュラーシート106が間挿され、落射光はレンチキュラーシート106、ハーフミラー108を通過して基板1の検査面へ入射角がほぼゼロで投じられる。側方照明源102の下にはアクリルシート104が設けられる。この実施の形態では落射照明源100に幅をもたせており、基板1が反ったときでも入射角がゼロになるような落射光成分が存在するよう配慮している。
FIG. 2 is a perspective view of the
図3のごとく、落射照明源100は中央からふたつのサブ基板100a、100bに分かれ、それぞれ走査方向110にLED(発光ダイオード)群120をもつ。これらのサブ基板100a、100bは微妙に内側を向け合う形で接続され、それぞれのLED群120が効率的に検査中のライン112へ落射光を投ずる配置とされている。一方、ふたつの側方照明源102はLED群120をもち、落射照明源100同様、前記ライン112へ効率的に側方光を投ずるよう傾斜がつけられている。前記ライン112からの反射光はハーフミラー108で反射し、テレセントリックレンズ31および通常のレンズ32へ向けられる。これを図2で示せば、落射照明源100内のある点Pからの落射光L1は基板1上の点Q付近で反射し、反射光L2がハーフミラー108で再度反射し、その反射光L3がテレセントリックレンズ31および通常のレンズ32へ入射する(図2ではテレセントリックレンズ31は図示していない)。なお、落射照明源100の中央に近い2列のLED群120と、それ以外LED群120は、それぞれ独立に点灯制御可能なよう、図示しない電源が別系統になっている。
As shown in FIG. 3, the epi-
アクリルシート104は、側方照明源102からの側方光を拡散する。側方照明源102は点光源であるLEDの集合体であるため、拡散作用がないと、スポット的な光が画像データへ写り込んで検査精度に悪影響を及ぼす懸念がある。
The
一方、レンチキュラーシート106は、走査方向110について落射光を基板1に垂直な成分に絞り込むよう作用する。これにより、落射照明源100からの照明の内、基板1上の走査方向110のライン上の各点の真上の光だけが基板1に入射される。言い換えれば、走査方向110のライン上には理想的な点光源が並べられて垂直方向にだけ照射されていることになる。
On the other hand, the
テレセントリックレンズ31は、図3では、ハーフミラー108からラインセンサ34に向かう光路に置かれているが、別の構成例として、テレセントリックレンズ31を基板1からハーフミラー108への光路の途中に設置してもよい。いずれの場合でも、テレセントリックレンズ31の光軸と落射照明源100による落射照明とはハーフミラー108を介して同軸に配置されていることが重要である。これにより、基板1の走査方向110のラインを真上から照射する落射照明による反射光がテレセントリックレンズ31を通してラインセンサ34に結像される。
In FIG. 3, the
図2または図3の状態で1ライン分の画像データが取り込まれると、走査ヘッド16はガイド18によって駆動方向114へ1ライン分送り出される。以降同様の処理を繰り返すことにより、基板1全面にわたる画像データが取得される。
When the image data for one line is captured in the state of FIG. 2 or FIG. 3, the
図4は、走査ヘッド16におけるテレセントリック光学系の働きを説明する図である。基板1に対してラインセンサ34が読み取る方向である主走査方向74と、ラインセンサ34が基板1に対して駆動する(あるいは基板1がラインセンサ34に対して搬送される)方向である副走査方向76が定義される。落射照明源100から基板1に垂直に投光される落射照明は、基板1の検査面の主走査方向74のライン70に照射される。ライン70からの反射光はハーフミラー108によってテレセントリックレンズ31に導かれる。テレセントリックレンズ31を通過した反射光はレンズ32によって集光され、ラインセンサ34に結像される。なお、ここでは、ハーフミラー108による反射光の光路変更については図示を省略している。
FIG. 4 is a diagram for explaining the operation of the telecentric optical system in the
テレセントリックレンズ31は、被写体側の主光線が光軸と平行になるように構成されており、被写体側の画角がゼロである。大口径のテレセントリックレンズ31は、高屈折の特殊な硝材を用いて、高度な非球面加工技術によって作成されており、ラインセンサ34のすべての画素の光軸が基板に対して正確に垂直になるように保持する作用を奏する。テレセントリックレンズ31を使用した場合、画角がゼロ度であるため、被写体の像が光軸中心にあっても光軸から離れた周辺位置にあっても視差による影響を受けず、原理的には視差による歪みのない画像を撮影することができる。走査ヘッド16を副走査方向76に駆動させて、ライン70を順次撮影することで、基板1の検査面全体の画像が撮像され、主走査方向74と副走査方向76の両方向で均一な落射照明による検査画像を得ることができる。検査面に対する照明条件が均一、かつ光学系の視差による歪みが無い検査画像に基づいてハンダ面の傾斜角度を算出することにより、画像解析を簡略化でき、高速度かつ高精度な検査を実現することができる。
The
なお、基板1の主走査方向74のライン70全体を撮像するに足る長さのラインセンサ34が用意できない場合は、ラインセンサ34、テレセントリックレンズ31およびレンズ32の組を二つ以上用意して、基板1の主走査方向74に並べて配置した走査ヘッド16を構成することで、主走査方向74のライン全体を一度に撮影できるようにする。
When the
ラインセンサ34の長さは、基板1の主走査方向74の長さよりも短いため、基板1の検査面のライン70からの反射光は、テレセントリックレンズ31を通過した後、さらに通常のレンズ32によって集光して、ラインセンサ34に結像させる。すなわち、本実施の形態の走査ヘッド16は、縮小光学系である。
Since the length of the
別の構成例として、走査ヘッド16を等倍光学系で構成することもできる。その場合、ラインセンサ34は基板1の検査面のライン70を等倍で撮像できる長尺のセンサでなければならない。また、等倍光学系の場合、ライン70の像を縮小せずに撮像することになるため、超小型のレンズを配列したマイクロレンズアレイを用いて、ライン70の像を長尺のラインセンサ34に結像させることになる。マイクロレンズアレイの一例はセルフォック(登録商標)レンズアレイ(SLA)である。マイクロレンズアレイは、焦点距離が非常に短いため、マイクロレンズアレイを基板1の検査面から5〜10ミリメートルの至近距離まで近づけて設置する必要がある。そのため、背の高い部品が搭載された基板1の検査には使うことができない。また、マイクロレンズアレイを使うと隣のレンズによる像による干渉があり、解像度は40〜50ミクロン(マイクロメートル)が限界となる。
As another configuration example, the
それに比べて、テレセントリックレンズ31を用いた縮小光学系では、焦点距離が長いため、設計自由度が大きい。基板1からテレセントリックレンズ31までの距離を50〜100ミリメートル位離してもかまわないため、背の高い部品がハンダ付けされた基板1であっても検査することができる。また、大口径のテレセントリックレンズ31による画像の解像度は高く、3〜5ミクロン位であり、高精度の検査に必要な解像度を確保することができる。
On the other hand, the reduction optical system using the
図5は、傾斜角度算出部61によるハンダ面の傾斜角度の測定原理を説明する図である。基板1上に銅箔部分であるランド82があり、ランド82上にハンダ80が付けられている。落射照明源100からハンダ面の真上から落射照明が照射される。落射照明源100からの落射照明が傾斜角が異なるハンダ面AおよびBに照射されたとする。ハンダ面Aの基板1に対する傾斜角θAに比べて、ハンダ面Bの基板1に対する傾斜角θBは大きい。そのため、ハンダ面Bは、ハンダ面Aよりも暗く撮像される。このようにハンダ面の勾配が急になるほど、ハンダ面の撮影画像は暗くなる。この性質を利用すれば、ハンダ面の撮像領域の明度からハンダ面の傾斜角度を求めることができる。
FIG. 5 is a diagram for explaining the principle of measuring the tilt angle of the solder surface by the tilt
図6は、ハンダ面の傾斜角度θとハンダ面を落射照明で照射して撮像したときの明度Lの関係を示すグラフである。グラフの横軸はハンダ面の傾斜角度θであり、縦軸はハンダ面の明度Lである。一般に、同軸落射照明による撮影画像は対象物の傾斜角度に対して非常に敏感な反射輝度特性をもつ。特に、鉛を含有するハンダを落射照明で照射して撮影した場合、ハンダ面は鏡面反射に近い特性をもつため、グラフ90のように、ハンダ面の傾斜角度θがある角度(実験では12度前後)以下で水平面に近い場合は、真上からの落射照明による反射光には垂直上方の成分が多く、明度Lは高くなる。しかし、ハンダ面がこれ以上の角度に傾くと、真上からの落射照明による反射光には垂直上方の成分がほとんどなくなり、急激に明度Lが下がり、暗くなる。したがって鉛を含有するハンダ面を落射照明で撮影すると、非常にコントラストの強い画像が撮影され、水平面と垂直面を容易に分離することができ、部品の輪郭を抽出して部品の搭載位置を正確に検出することができる。一方でこの敏感な反射輝度特性はハンダ面の勾配の変化を捉えることを難しくしている。 FIG. 6 is a graph showing the relationship between the inclination angle θ of the solder surface and the brightness L when the solder surface is irradiated with epi-illumination and imaged. The horizontal axis of the graph is the inclination angle θ of the solder surface, and the vertical axis is the brightness L of the solder surface. In general, a photographed image by coaxial epi-illumination has a reflection luminance characteristic that is very sensitive to the tilt angle of an object. In particular, when a lead-containing solder is photographed by irradiating it with epi-illumination, the solder surface has a characteristic close to specular reflection. In the case of being close to the horizontal plane in the following (before and after), the reflected light from the direct illumination from directly above has many components in the vertical direction, and the lightness L becomes high. However, when the solder surface is tilted at an angle larger than this, the reflected light from the epi-illumination from directly above has almost no vertical component, and the brightness L is suddenly lowered and darkened. Therefore, when the solder surface containing lead is photographed with epi-illumination, a very high-contrast image is captured, the horizontal and vertical planes can be easily separated, and the component outline is extracted to accurately locate the component. Can be detected. On the other hand, this sensitive reflection luminance characteristic makes it difficult to capture changes in the solder surface gradient.
ところが、特に鉛フリーハンダの場合、ハンダ面は鏡面反射せず、拡散成分をもつようになるため、グラフ94のように、ハンダ面のかなり広範囲の傾斜角度θに対して明度Lが単調に変化する反射輝度特性が得られる。これにより、従来の鉛入りのハンダでは難しかった、傾斜角度が12度以上のハンダ面であっても明度から傾斜角度を把握することが可能になる。鉛の含有率に応じて傾斜角度θと明度Lの相関関係は異なり、鉛の含有率が中くらいのハンダであれば、グラフ92のような特性を示す。このように、鉛の含有率が低くなるほど、明度Lは傾斜角度θに対してなだらかな特性を示すので、明度Lの測定による傾斜角度θの分解能が高まる。
However, especially in the case of lead-free solder, the solder surface does not have a specular reflection and has a diffusing component. Therefore, as shown in the
近年、パッドの微小化に伴ってハンダ面の傾斜角度が大きくなり、照明が反射しにくい30度以上の傾斜角度のハンダ付け部品が多くなっている。鉛の含有率が低いハンダでは急な傾斜のハンダ面であっても拡散する光の成分が存在し、ハンダ面の輝度の違いになって現れるため、傾斜角度を測定することができる。 In recent years, with the miniaturization of pads, the inclination angle of the solder surface has increased, and there are an increasing number of soldered parts having an inclination angle of 30 degrees or more, which makes it difficult for illumination to be reflected. In the case of solder with a low content of lead, even if the solder surface has a steep slope, there is a component of diffused light, which appears as a difference in the brightness of the solder surface, so the tilt angle can be measured.
ハンダ情報記憶部45に記憶される相関マップ64は、このようなハンダの材料特性の違い、特に鉛の含有率の違いに応じた明度Lと傾斜角度θの相関関係をテーブルの形でもたせたものである。
The
図7は、形状算出部62により生成されるハンダ形状プロファイル66を説明する図である。ランド82の端部にはハンダがないため、ハンダの高さは0である。これを基点としてハンダ80が付着し始めるところからハンダ面の傾斜角θ1〜θ6を測定し、各傾斜角による高さの増分を積算していけば、ハンダ面の各点の高さを求めることができる。傾斜角θ1による高さの増分をΔh1とすると、点x1における高さh1はΔh1である。点x2における高さh2は、傾斜角θ2による高さの増分Δh2を加算することにより、h2=h1+Δh2で求められる。同様にして、各点における傾斜角θによる高さの増分を積算していけば、点x3における高さh3=h2+Δh3、…、点x5における高さh5=h4+Δh5、点x6における高さh6=h5+Δh6が得られる。この高さ計算を2次元のハンダ面について行うことで、基板1のハンダ領域の2次元座標(x,y)に対して、高さhの情報を得ることができる。これがハンダ形状プロファイル66である。
FIG. 7 is a diagram for explaining the
高さ情報を得る別の実施例として、ハンダ面の傾斜角度からハンダの表面形状、すなわち相対的な高さ変化を算出してから、ハンダが盛られ始めるエッジ部分の高さ方向のオフセットをゼロと仮定することにより、ハンダ面の各点の高さ情報を求めるようにしてもよい。 As another example of obtaining the height information, after calculating the surface shape of the solder, that is, the relative height change from the inclination angle of the solder surface, the offset in the height direction of the edge portion where the solder starts to be piled is zero. As a result, the height information of each point on the solder surface may be obtained.
図8は、解析ユニット46により生成されるハンダの高さ情報を示す画像を説明する図である。検査画像には、ランド82に付着されたハンダ80の領域が撮像されている。ハンダ80の撮像領域にはハンダ形状プロファイル66を用いて高さ情報が付与される。ここでは、高さ情報にもとづいて等高線が付与され、等高線で挟まれた領域は異なる色または濃淡で区別して表示される。これにより、ユーザはハンダ面の高さを視覚的に確認して、ハンダ付けの良否を目視でも判定することができる。
FIG. 8 is a diagram for explaining an image showing the solder height information generated by the
解析ユニット46は、高さ情報を求めずに、ハンダ面の傾斜角度を示す識別情報が付与された画像を生成して表示してもよい。たとえば、ハンダ面の傾斜の緩急に応じてハンダ面を異なる色または濃淡で区別して表示してもよい。たとえば、ゼロ度の傾斜角を赤色、90度の傾斜角を青色として、ゼロ度から90度の間の傾斜角を2色の間で色が単調に変化するグラデーションを用いて表示してもよい。ハンダ付け状態の良否は、まずはハンダ面の傾斜角度が急かどうかを調べることによって判定することができるため、ハンダ面の傾斜角度を示す画像を表示することが役立つ。
The
また、解析ユニット46は、高さ情報を含むハンダ形状プロファイル66を利用して、ハンダ面を真上から見た場合の表面形状を3次元ワイヤーフレームで生成して表示することもできる。これは、走査ライン毎に取得されるハンダ面の高さ情報を用いて、ハンダが盛られた部分を走査ラインで輪切りにした場合の断面の輪郭を線で表示するものであり、ハンダ部分の表面形状が斜視図的に表される。これにより、オペレータはハンダ面の表面形状を把握してハンダ付け状態の良否をより正確に判定することができる。
Moreover, the
なお、対象物の画像の陰影からの対象物の形状を復元するSFS(shape from shading)と呼ばれる技術は、下記の文献にアルゴリズムが紹介されている。このような公知の技術を用いて、ハンダ面の画像の濃淡からハンダ面の形状を求めることができる。
Ruo Zhang, Ping-Sing Tsai, James Edwin Cryer, and Mubarak Shah, "Shape from Shading: A Survey", IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, Vol. 21, No. 8, August 1999.
An algorithm called SFS (shape from shading) for restoring the shape of the object from the shadow of the image of the object is introduced in the following document. Using such a known technique, the shape of the solder surface can be obtained from the density of the image of the solder surface.
Ruo Zhang, Ping-Sing Tsai, James Edwin Cryer, and Mubarak Shah, "Shape from Shading: A Survey", IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, Vol. 21, No. 8, August 1999.
図9は、外観検査装置10によるハンダ付け検査の手順を示すフローチャートである。ハンダ付けがされた基板1の検査を始めるにあたって、まず基板1で使用されたハンダの材料特性を指定する。ハンダの材料特性によって使用される相関マップ64のパターンを切り替える必要があるからである。ハンダの材料特性の初期パターンとして、たとえば前日までの検査に用いられたものをそのまま利用してもよい。連続して同じ種類の基板1を検査する場合は、ハンダの材料特性は同じであると仮定してもよいからである。新しい種類の基板1の検査を始める際は、ハンダ付けの材料特性のパターンをユーザが設定し直す。あるいは、基板1の型番などの情報からハンダの材料特性を判別することができる場合は、基板1の型番が外観検査装置10により読み取られたときに、自動的にその基板1のハンダの材料特性を判定して、適合する相関マップ64に切り替えてもよい。ハンダ形状測定部60は、基板1に適した特定のパターンの相関マップ64を選択して切り替えるための相関マップ選択部が設けられる。
FIG. 9 is a flowchart showing a procedure of soldering inspection by the
次に、基板1を支持台22に設置し、試験ユニット14により基板1の上面を走査して検査画像を取得する(S10)。このとき、落射照明源100による画像と側方照明源102による画像が撮影され、それぞれ検査画像として画像メモリ44に記憶される。
Next, the board |
ハンダ形状測定部60は、落射照明源100による検査画像からハンダ領域を抽出する(S12)。ハンダ領域は光沢があるため、画像処理によって部品の搭載領域などの他の領域と区別して抽出することができる。
The solder
傾斜角度算出部61は、ハンダの材料特性に合わせて選択された相関マップ64を参照して、ハンダ領域の明度からハンダ面の傾斜角度を算出する(S14)。形状算出部62は、傾斜角度算出部61により測定されたハンダ面の傾斜角度による高さの増分をハンダ面に沿って積算していくことで、ハンダ面の任意の点の高さを算出する(S16)。形状算出部62は、ハンダ面の各点の高さの情報を格納したハンダ形状プロファイル66を生成してハンダ情報記憶部45に記録する(S18)。
The tilt
解析ユニット46は、側方からのフルカラー照明による検査画像のハンダ領域をマスク処理する(S20)。そして、解析ユニット46は、ハンダ形状プロファイル66を参照して、各ハンダ領域についてハンダの立体形状を示す画像を生成して、マスク処理された検査画像に合成し、表示装置に表示させる(S22)。側方フルカラー照明によれば、複写機で複写したような検査画像が得られるため、ハンダ面の表面形状を示す画像を側方照明による検査画像のハンダ領域に合成すれば、基板を人間が実際に見たときのイメージに近い画像になり、グラフィカルユーザインターフェース(GUI)が向上する。
The
解析ユニット46は、各ハンダ領域についてハンダ付け検査を行い、検査結果をユーザに提示する(S24)。ユーザは提示された検査結果と、表示装置に表示されたハンダ領域の立体形状とを比較して、目視によりハンダ付けの合否を最終判定する。グラフィカルユーザインターフェースの向上により、検査結果の視認性が高まり、オペレータの熟練度によらない、誰にでも分かり易い画面表示を行うことができる。このハンダ付け検査の結果、リフロー前のクリームハンダの体積が十分であったかどうかを把握することができる。ハンダ付けの良否の結果をリフロー前のハンダの印刷工程にフィードバックすれば、ハンダの印刷工程におけるハンダの体積を適正なレベルに調整することができる。
The
以上述べたように、本実施形態の外観検査装置によれば、基板の検査面をラインスキャナで走査して一枚の画像として取得し、検査画像からハンダ撮像領域を抽出し、ハンダ撮像領域の明度からハンダ面の傾斜角を求めることができる。ハンダ面の傾斜角からハンダ面の三次元形状を把握することができ、ハンダ付け状態を効率良く、高い精度で検査するができる。 As described above, according to the appearance inspection apparatus of the present embodiment, the inspection surface of the substrate is scanned with the line scanner to obtain a single image, the solder imaging area is extracted from the inspection image, and the solder imaging area The inclination angle of the solder surface can be obtained from the brightness. The three-dimensional shape of the solder surface can be grasped from the inclination angle of the solder surface, and the soldered state can be inspected efficiently and with high accuracy.
基板の検査面に対して真上からの同軸落射照明によって照射されたハンダ面を撮影するため、隣接部品によって照明が遮られたり、隣接部品の陰に隠れて撮影できなくなることがない。背の高い部品に挟まれた微細チップのハンダ付け状態であっても真上から正確に撮影して検査することができる。環状の多段照明を用いて異なる入射角から光を照射してハンダの立体形状を測定する従来手法では、背の高い隣接部品によって低角度の入射光が遮られて、測定不能になることがある。この点、同軸落射照明を用いた撮影では、隣接備品で遮られることがないため、緩い斜面から急な斜面まで任意の勾配のハンダ面を例外なく正確に測定することができる。 Since the solder surface irradiated by the coaxial epi-illumination from directly above the inspection surface of the substrate is photographed, the illumination is not blocked by the adjacent parts, and it is not possible to photograph by being hidden behind the adjacent parts. Even in a soldered state of a fine chip sandwiched between tall parts, it can be accurately photographed and inspected from directly above. In the conventional method of measuring the solid shape of solder by irradiating light from different incident angles using annular multi-stage illumination, the incident light at low angles may be blocked by tall adjacent components, making measurement impossible. . In this regard, in photographing using coaxial epi-illumination, since it is not obstructed by adjacent equipment, it is possible to accurately measure a solder surface having an arbitrary gradient from a gentle slope to a steep slope without exception.
また、落射照明源100からの落射照明はレンチキュラーシート106を通して基板1に垂直に照射されるため、基板面のライン上の各点に対して真上に点光源があるのと実質的に同じであり、画像の濃淡からハンダ面の傾斜角度を正確に算出することができる。従来手法のように、環状に多段で設けられた光源で照射する場合は、点光源でないため、このような前提が成り立たず、他の光源による干渉のため、測定に誤差が生じる。
Moreover, since the epi-illumination from the epi-
以上、本発明をいくつかの実施の形態をもとに説明した。これらの実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。 The present invention has been described based on some embodiments. It is understood by those skilled in the art that these embodiments are exemplifications, and that various modifications can be made to combinations of the respective constituent elements and processing processes, and such modifications are also within the scope of the present invention. By the way.
実施の形態では、ハーフミラーを介してレンズの光軸と同軸に配置された落射照明により垂直上方から照射された検査面上のハンダ面からの反射光を撮像したが、照明源としては被検査体の検査面に対して平行光を投射するものであればよく、斜光照明であってもよい。落射照明源または斜光照明源によって平行光が投射された被検査体の検査面からの反射光をレンズ光軸に対して平行に集光することのできる光学系で捉えて、一次元センサで検知することにより、検査面上のハンダ面の傾斜に応じた明度等の画素情報を取得し、ハンダ面の傾斜角を求めることができる。 In the embodiment, the reflected light from the solder surface on the inspection surface irradiated from vertically above is reflected by epi-illumination arranged coaxially with the optical axis of the lens through the half mirror. What is necessary is just to project parallel light with respect to the test | inspection surface of a body, and oblique illumination may be sufficient. The reflected light from the inspection surface of the object to be inspected, which has been projected with parallel light by an epi-illumination source or oblique illumination source, is captured by an optical system that can collect light parallel to the lens optical axis and detected by a one-dimensional sensor. By doing so, it is possible to acquire pixel information such as brightness according to the inclination of the solder surface on the inspection surface and obtain the inclination angle of the solder surface.
1 基板、 10 外観検査装置、 12 メインユニット、 14 試験ユニット、 16 走査ヘッド、 30 照明ユニット、 31 テレセントリックレンズ、 32 レンズ、 34 ラインセンサ、 40 ヘッド制御ユニット、 42 メモリ制御ユニット、 44 画像メモリ、 46 解析ユニット、 48 判定基準記憶部、 60 ハンダ形状測定部、 61 傾斜角度算出部、 62 形状算出部、 64 相関マップ、 66 ハンダ形状プロファイル。
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記走査ヘッドにより取得された前記被検査体の検査面の画像を検査画像として格納する画像メモリと、
前記走査ヘッドにより取得されたハンダの撮像画像の画素情報とハンダ面の傾斜角度の相関関係を示す相関マップを記憶する相関マップ記憶部と、
前記相関マップを参照することにより、前記画像メモリに格納された前記検査画像のハンダ撮像領域の画素情報から前記検査面上のハンダ面の傾斜角度を算出する傾斜角度算出部とを含むことを特徴とする外観検査装置。 An illumination source that projects parallel light onto the inspection surface of the object to be inspected, an optical system that collects reflected light from the object to be inspected parallel to the optical axis of the lens, and the object through the optical system. A scanning head that has a one-dimensional sensor that detects reflected light from the inspection object, and acquires an image of the inspection surface of the inspection object by scanning the one-dimensional sensor;
An image memory for storing an image of the inspection surface of the inspection object acquired by the scanning head as an inspection image;
A correlation map storage unit for storing a correlation map indicating the correlation between the pixel information of the captured image of the solder acquired by the scanning head and the inclination angle of the solder surface;
An inclination angle calculation unit that calculates an inclination angle of a solder surface on the inspection surface from pixel information of a solder imaging region of the inspection image stored in the image memory by referring to the correlation map. Appearance inspection device.
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