JP2009168582A - 外観検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】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は難しい。
【解決手段】走査ヘッド１６は、基板１の検査面に投光する落射照明源と、基板１からの反射光を検知するラインセンサ３４を有し、このラインセンサ３４の走査により被検査体の検査面全体の画像を取得する。画像メモリ４４は、走査ヘッド１６により取得された基板１の検査面全体の画像を検査画像として格納する。ハンダ情報記憶部４５は、検査面上のハンダの撮像画像の明度とハンダ面の傾斜角度の相関関係を示す相関マップ６４を記憶する。傾斜角度算出部６１は、相関マップ６４を参照することにより、画像メモリ４４に格納された検査画像４１のハンダ撮像領域の明度から検査面上のハンダ面の傾斜角度を算出する。
【選択図】図１

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。

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。

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。

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。

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。
特開平８−１４８４９号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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θ_Ａに比べて、ハンダ面Ｂの基板１に対する傾斜角θ_Ｂ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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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.

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。

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。

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。

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）。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

実施の形態に係る外観検査装置の構成図である。 図１の試験ユニットの斜視図である。 図１の走査ヘッドの側面図である。 図１の走査ヘッド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。 図１の傾斜角度算出部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。 ハンダ面の傾斜角度とハンダ面を落射照明で照射して撮像したときの明度の関係を示す図である。 図１の形状算出部により生成されるハンダ形状プロファイルを説明する図である。 図１の解析ユニット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。 実施の形態に係る外観検査装置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。

符号の説明

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。

Claims (8)

1. 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ことを特徴とする外観検査装置。
2. 前記相関マップ記憶部は、ハンダの材料特性の違いに応じて複数パターンの前記相関マップを記憶することを特徴とする請求項１に記載の外観検査装置。
3. 被検査体に応じて、前記複数パターンの相関マップの内、特定のパターンの相関マップを選択する相関マップ選択部をさらに含むことを特徴とする請求項１または２に記載の外観検査装置。
4. 前記傾斜角度算出部により算出された前記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検査結果として出力する傾斜角度解析部をさらに含む請求項１から３のいずれかに記載の外観検査装置。
5. 前記傾斜角度解析部は、前記識別情報が付与された画像をフルカラー照明による検査画像のハンダ撮像領域に合成することにより得られる画像を検査結果として出力することを特徴とする請求項４に記載の外観検査装置。
6. 前記傾斜角度算出部により算出された前記検査面上のハンダ面の傾斜角度から前記検査面上のハンダの表面形状を算出する形状算出部をさらに含むことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の外観検査装置。
7. 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ことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の外観検査装置。
8. 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することを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の外観検査装置。

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