DE3212190A1

DE3212190A1 - Opto-elektronische unterscheidung von strukturen auf oberflaechen

Info

Publication number: DE3212190A1
Application number: DE19823212190
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dipl Ing Hendricks; Richard Dipl Phys Dr Schneider
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1982-04-01
Filing date: 1982-04-01
Publication date: 1983-10-06

Description

Opto-elektronische Unterscheidung von Strukturen auf
Oberflächen.
Die Erfindung betrifft ein opto-elektronisches Verfahren zur berührungslosen Unterscheidung verschiedener Strukturen auf Oberflächen, insbesondere auf elektrischen Leiterplatten.
Die Herstellung von gedruckten Schaltungen erfolgt durch physikalisch/chemische Prozesse. Dabei können in Leiterbild lokale Defekte (Leiterbahneinschnürungen und -unterbrechungen, Ätzrückstände, zu geringe Isolationsabstände) auftreten, die die Funktion und die spätere Zuverlässigkeit der Leiterplatten erheblich gefährden.
Wenn bei einer Massenfabrikation jedes einzelne Produkt durch einen Prüfer visuell betrachtet wird, um festzustellen, ob es bestimmten vorgegebenen Anforderungen genügt, dann ist es von dessen Aufmerksamkeit abhängig, ob auch fehlerhafte Exemplare durch diese Prüfung schlüpfen.
Es ist deshalb wünschenswert, eine derartige visuelle Kontrolle möglichst weit zu automatisieren. Dies gilt in noch höherem Itaße für die wachsende Anzahl von Produkten, bei denen die visuelle Kontrolle praktisch kaum durchführbar ist, z. B. wegen kleiner Abmessungen des Produktes oder wegen großer Stückzahlen. Zur Objektivierung und Rationalisierung dieser wichtigen und umfangreichen Prüfaufgaben wird an automatischen Verfahren durch Methoden der Bildverarbeitung und Mustererkennung gearbeitet. Voraussetzung hierfür ist jedoch bei Leiterplatten eine eindeutige Unterscheidung zwischen dem Isolations- und Leiterbereich. Besonders letzterer kann äußerst unterschiedliche optische Eigenschaften aufweisen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit dem eingangs beschriebenen Verfahren für die Bildverarbeitung und Nustererkennung Voraussetzungen zu schaffen, die eine eindeutige Unterscheidung zwischen Isolations- und Leiterbereich ermöglichen. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die zu prüfende Oberfläche lokal beleuchtet und die StreucharakteristilL jeder beleuchteten Stelle durch Detektoren aus verschiedenen, symmetrischen Raumrichtungen gleichzeitig erfaßt wird und durch einen Vergleich der richtungsabhängigen Streuintensitäten die Oberflächen klassifiziert werden.
Die Erfindung beruht im wesentlichen auf einer räumlichen Erfassung und Interpretation des Streuverhaltens von Oberflächen mittels opto-elektronischer Komponenten.
Ein Vergleich der Streuintensitäten untereinander erlaubt eine eindeutige Trennung von z. B. metallischen und isolierenden Oberflächen auch wenn die metallischen Oberflächen deutlich unterschiedliche Winkelorientierungen aufweisen (z. B. verzinnte Leiterbahnen). Im Bereich der Isolation sind nämlich die aus verschiedenen Richtungen gemessenen Intensitäten annähernd gleich und relativ gering. Im Bereich der Metallisierung können sich die Intensitäten aufgrund einer schmalen Reflektionskeule erheblich voneinander unterscheiden. Nur bei ebenen metallischen Flächen und senkrecht auftreffender Beleuchtung sind die Streuintensitäten untereinander etwa gleich. Allerdings sind sie erheblich niedriger als das in die Beleuchtungsrichtung zurückreflektierte Licht.
Nach einer T.lleiterbildung der Erfindung wird die zu prüfende Oberfläche von einem Lichtstrahl (z. B. Laserscanner) beleuchtet und die Detektoren messen nahezu unabhängig vom Ort des Lichtpurdmles die gestreute Intensität. Bei Verwendung eines Lasers ist die Fokussierung unproblematisch und die Ortskoordinaten werden über Steuersignale des Laserscanners gegeben. Der Laserstrahl muß nicht unbedingt senkrecht auftreffen, sollte aber im allgemeinen einen nahezu konstanten Winkel zur Oberfläche bilden, um unabhängig vom Ort der Oberfläche gleiche Richtungsverhältnisse zu garantieren.
Im Rahmen der Erfindung kann die Oberfläche auch gleichmäßig ausgeleuchtet werden. Die Detektoren, die eine Ortsauflösung besitzen, messen die Intensität des zurückgestrahlten Lichts in Abhängigkeit vom Ort. Damit wird erreicht, daß statt eines aufwendigen Lasers preiswerte andere Lichtquellen, z. B. Halogenlampen, benützt werden können.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung können durch den Detektoren vorgeschaltete optische Filter bestimmte Wellenlängen bevorzugt werden. Hierdurch kann der Kontrast verbessert werden, da die spektralen Absorptions-Emissionseigenschaften (Fluowszenz)der Oberfläche in die Auswertung mit einbezogen werden.
Im Rahmen der Erfindung ist es auch möglich, daß nur ein Detektor das rückgestrahlte Licht der Oberfläche von mehreren, aus verschiedenen Raumrichtungen strahlenden sequentiell angesteuerten Lichtquellen empfängt und durch sequentiellen Vergleich der Streuintensitäten gleicher Ortspunkte die Oberfläche klassifiziert. Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß der Aufwand für die hochempfindlichen Detektoren wesentlich reduziert wird.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung kann der Detektor eine Ortsauflösung besitzen und die Lichtquellen das Objekt ganzflächig ausleuchten. Der Vorteil eines derartigen Verfahrens liegt darin begründet, daß hierdurch der Justieraufwand deutlich reduziert wird und kein Laserscanner benötigt wird.
Bei dem Verfahren nach der Erfindung kann der Detektor (z. B. Fernsehkamera oder Diodenzeile) senkrecht über der Oberfläche angeordnet sein.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die Modulation des Lichtes durch elektrische Ansteuerung der Lichtquellen, durch mechanische Unterbrechung des Lichtstrahles oder durch elektrooptische Beeinflussung des Lichtstrahles erfolgen. Die mechanische Unterbrechung der Lichtstrahlen erfolgt beispielsweise durch eine Chopperscheibe. Die elektrische Ansteuerung der Lichtquellen ist z. B. für Leuchtdioden zweckmäßig.
Zur Realisierung des erfindungsgemaßen Verfahrens kann auch eine Lichtquelle Verwendung finden, deren Strahl sequentiell zur Beleuchtung aus mehreren Raumrichtungen mit Hilfe von Spiegeln umgeschaltet wird. Mit einem derartigen Verfahren würde der Leistungsverbraucn wesentlich herabgesetzt.
Nach der Erfindung besitzt die Oberfläche eine spezielle winkelabhängige Streucharakteristik und die Anordnung der Detektoren und die Auswertung der Streuintensitäten sind daran angepaßt. Das hat den Vorteil, daß man das Verfahren auf die speziellen Oberflächeneigenschaften des Objekts optimieren kann.
Die Erfindung wird anhand der Figuren erläutert Es zeigen: Figur 1 im linken Teil das Streuverhalten eines isolierenden Bereichs, sowie im rechten Teil das Streuverhalten einer ebenen metallischen Oberfläche, Figur 2 das Streuverhalten einer geneigten metallischen Oberfläche und Figur 3 im oberen Teil eine metallische Leiterbahn auf einer Leiterplatte, im mittleren Teil die von vier Detektoren abgegebenen Intensitätssignale und im unteren Teil die aus den Signalen gewonnene binäre Information.
Die Figuren beziehen sich nur auf ein Ausführungsbeispiel für die Belichtung einer Oberfläche mit einem senkrecht auftreffenden, fokussierten Lichtstrahl. In den Figuren ist ein Teilausschnitt einer Leiterplatte 1 dargestellt, auf der in den Figuren 1 bis 3 ein metallischer Leiter 2 angeordnet ist. Aus der Richtung 3 erfolgt die Beleuchtung.
Mit JO bis J3 sind mehrere, in verschiedene Raumrichtungen gestreute, bzw. reflektierte Lichtintensitäten bezeichnet. Die gestrichelte Umhüllung in den Figuren soll eine Fläche beschreiben, welche durch die Vektoren JO bis J aufgespannt wird. Die Länge dieser Vektoren ist proportional zum Betrag der in die betreffenden Richtungen gestreuten bzw. reflektierten Intensitäten.
Isolierende Werkstoffe der Leiterplattentechnik (z. B.
Epoxid, Keramik) wirken als gut streuende Oberflächen.
Einfallendes Licht wird gleichmäßig in einen großen Rawwnwinkelbereich gestreut (linkes Teilbild der Figur 1). Die Streuintensitäten bei einem isolierenden Bereich verhalten sich dann: J0 ss J1 J2 J3.
Metallische Oberflächen (z. B. verzinnte Leiterbahnen, Leiterbahnen mit Kupferoberflächen) reflektieren im allgemeinen das auftreffende Licht in einen schmalen Raumwinkelbereich entsprechend der lokalen l.liSielorientierung der Oberfläche. Die Streuintensitäten verhalten sich dann in der Situation entsprechend dem rechten Teilbild der Figur 1 wie: J1 # J2 # J3 # J0. Bei Figur 2 liegen folgendeVerhältnisse vor: J0 # J2 # J3 # J1.
Zur sicheren Unterscheidung von isolierendenund metallischen Bereichen wird nun die Oberfläche entsprechend der notwendigen Ortsauflösung mit einem Lichtpunkt beleuchtet tz. B. mit Hilfe eines Laserscanners) und die Streucharakteristik (z. B. JOS J1' J2, J3) dieser Stelle durch Detektoren gleichzeitig erfaßt, die in verschiedene Raumrichtungen gleichmäßig verteilt sind.
Ein Vergleich der Streuintensitäten Ji' J2, 3 mit der Intensität JO, erlaubt eine eindeutige Trennung von metallischen und isolierenden Oberflächen. Hierbei ist entsprechend den Figuren 1 bis 3 mit JO die in Beleuchtungsrichtung zurückgelangende Intensität bezeicho net. Bei nicht senkrecht auftreffender Beleuchtung 3 (hier nicht dargestellt), wird die von einer ebenen Metallfläche reflektierte Lichtintensität als J0 definiert.
Wenn die metallischen Oberflächen deutlich unterschiedliche WirAcelorientierungen aufweisen, wie z. B. bei verzinnten Leiterbahnen entsprechend Figur 2, ist jedoch unter Umständen folgende Zusatzbedingung zu erfüllen: Da bei hinreichend starker Oberflächenneigung die empfangenen Intensitäten so gering sein können, daß sie wegen des ungünstigen Signal-Rausch-Verhältnisses nicht voneinander unterscheidbar sind, ist ein Schwellenwert Js für die Intensität zu definieren, der dicht unter dem Wert für die Streuung an Isolationsflächen liegt Unterschreiten alle Intensität-swerte gleichzeitig diese Schwelle J5 so liegt im allgemeinen Metallisierung vor.
Figur 3 zeigt im mittleren Teil den Verlauf von JO, J1 J2 und J- aufgenommen quer über eine verzinnt Leiterbahn 2, wobei die Messung von J1 bis J3 symmebrisch aus drei Raumrichtungen unter etwa 300 zur Normalen erfolgt.
Dabei ist die Streucharakteristik von J0 mit einer durchgehenden Linie, die Streucharakteristik J1 gepunktet, die Streucharakteristik J2 gestrichelt und die Streucharakteristik J3 mit kleinen Kreisen dargestellt.
Eine mögliche logische Verknüpfung zur Binärisierung ist die Verhältnisbildung der Intensitäten J1, J2, J3 zu J0 z. B.
logisch 0 : wenn J1J2 J3 (Isolation) ~ # ~ # ~ 1 und J0, J1, J3 # Js J0 J0 J0 logisch 1 : wenn J1 J2 J3 (Metall) - oder - oder - #1 oder J0,J1,J2,J3<JS JO JOJO 10 Patentansprüche 5 Figuren

Claims

Patentansitche.

Opto-elektronisches Verfahren zur berührungslosen Unterscheidung verschiedener Strukturen auf Oberflächen, insbesondere auf elektrischen Leiterplatten, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die zu prufende Oberfläche (1, 2) lokal beleuchtet (3) und die Streucharakteristik (Joa J1, J2, J3) jeder beleuchteten Stelle durch Detektoren aus verschiedenen, symmetrischen Raumrichtungen gleichzeitig erfaßt wird und durch einen Vergleich der richtungsabhängigen Streuintensitäten die Oberflächen klassifiziert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, o a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die zu prüfende Oberfläche von einem Lichtstrahl (z. B. eines Laserscanners) beleuchtet wird und daß die Detektoren nahezu unabhängig von Ort des Lichtpunktes die gestreute Intensität messen.
3. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Oberfläche gleichmäßig ausgeleuchtet wird und die Detektoren eine Ortsauflösung besitzen und die Intensität des zurückgestrahlten Lichts in Abhängigkeit vom Ort messen.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, d a cl u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß durch den Detektoren vorgeschaltete optische Filter bestimmte Wellenlängen bevorzugt erden.
5. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß ein Detektor das rückgestrahlte Licht der Oberfläche von mehreren, aus verschiedenen Raumrichtungen strahlenden, sequentiel1 argesteuerten Lichtquellen empfängt und durch sequentiellen Vergleich der Streuintensicäten gleicher Ortspunkte die Oberfläche klassifiziert.
6. Verfahren nach Anspruch 5, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß der Detektor eine Ortsauflösung besitzt und die Lichtquellen das Objekt ganzflächig ausleuchten.
7. Verfahren nach Anspruch 5 und 6, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß der Detektor (z. B. Fernsehkamera oder D.odenzeile) senkrecht über der Oberfläche angeordnet ist.
8. Verfahren nach Anspruch 5 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Modulation des Lichtes durch elektrische Ansteuerung der Lichtquellen, durch mechanische Unterbrechung der Lichtstrahlen oder durch elektro-optische Beeinflussung der Lichtstrahlen erfolgt.
9. Verfahren nach Anspruch 5 bis 7, d a d u r c n g e k e n n z e i c h n e t , daß eine Lichtquelle Verwendung findet, deren Strahl sequentiell umgeschaltet wird zur Beleuchtung des Objektes aus verschiedenen Raumrichtungen.
10. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t s daß die Oberfläche eine speziell winkelabhängige Streucharakteristik besitzt und daß die Anordnung der Detektoren und die Auswertung der Streuintensitätel1 daran angepaßt wird.