JP5065329B2 - 形状検査装置および形状検査プログラム - Google Patents

Description

本発明は、物体の形状を計測するための技術、特に、ＩＣ（Integrated Circuit）の外形を検査するための技術、に関する。

ＩＣチップは、入出力用の端子を複数備える。ＩＣチップには、小型化・軽量化・薄型化だけではなく、多端子化も求められる。このような要請に応えるためには、多数の小さな端子を均一に製造する技術だけでなく、その均一性（コプラナリティ：Coplanarity）を検査する技術も重要である。端子形状のばらつきは、ＩＣチップのみならず、ＩＣチップを実装するパッケージ基板全体の電気的不良原因となる可能性がある。このため、全ＩＣチップに対して高速・正確・低コストにてコプラナリティ検査を実行する必要がある。

特許文献１は、ＣＳＰ（Chip Scale Package）の端子であるはんだボールの形状を検査する技術に関し、複数方向からはんだボールを照明し、反射光を計測し、数学モデルに基づいてはんだボールの形状を計測している。特許文献２は、はんだの形状を検査するための技術に関し、はんだを照明し、反射光を計測し、数学モデルに基づいてはんだの形状を計測している。

特開２００４−２３９８１０号公報 特開２００６−２０８１８７号公報

特許文献１では、はんだボールが良品形状モデルにある程度近いと仮定した上で、表面反射パラメータ等の各種パラメータを推定し、これらのパラメータに基づいてはんだボールの形状を計測している（特許文献１の段落［００２３］等参照）。計測精度を高めるためには、適切な良品形状モデルを用意しなければならない。特許文献２では、はんだの位置を特定するための基板データを用意し、更に、数学モデルの各種パラメータを適切に設定しておかなければならない（特許文献２の段落［００２７］、［００４５］等参照）。いずれも、モデルやパラメータといった初期条件によって、計測精度が左右されやすい。

本発明は、上記課題に鑑みて完成された発明であり、その主たる目的は、物体の形状を簡易な構成にて効率的に検査するための技術、を提供することにある。

本発明に係る形状検査装置は、外形に曲面状の突起部を有する検査対象物体、突起部に光を照射する光源、突起部からの反射光を撮像するカメラのうち一以上の位置を変化させることにより、突起部から光源に向かう光源方向と突起部からカメラに向かう視点方向の双方または一方を変化させる位置制御部と、光源方向および視点方向の双方または一方を変化させるごとに突起部上の輝点を特定し、そのときの光源方向および視点方向に基づいて突起部の輝点における傾きを算出する傾斜算出部と、突起部の複数の輝点における傾きから、突起部の高さを算出する高度算出部と、を備える。「検査対象物体」は、たとえば、はんだボール素子が面配列されたＩＣ（Integrated Circuit）、「突起部」ははんだボール素子であってもよい。

突起部の最高地点における接平面と平行な基準面をあらかじめ設定しておき、基準面が視点方向に光が反射するときに突起部から視点方向に光を反射する輝点を突起部の最高地点として特定してもよい。

また、突起部の最高地点における傾きは検査対象物体において突起部が設置される面の傾きと同一であると仮定し、突起部が設置される面を基準面として、基準面から突起部の最高地点までの高さを突起部の高さとしてもよい。

検査対象物体が複数の突起部を有するときには、光源方向および視点方向の双方または一方を変化させるごとに、検査対象物体の複数の突起部それぞれについて輝点を特定し、各輝点における傾きを算出してもよい。いずれかの突起部について、所定の基準値から所定量以上乖離する高さが検出されたときに警告を発生させてもよい。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせ、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、検査対象物体の形状を簡易な構成にて効率的に検査しやすくなる。

入射光と反射光、視点の関係を示す模式図である。 光の入反射方向に基づいて検査対象面の傾きを特定する方法を説明するための模式図である。 ＳＩＰの外観図である。 ピンの傾きを検出するシステムのハードウェア構成図である。 形状検査装置の機能ブロック図である。 平面の傾きを検査する過程を示すフローチャートである。 ＢＧＡの外観図である。 曲面形状のはんだボールにおける光の反射状態を示す模式図である。 はんだボールの傾きおよび高さを検出するシステムのハードウェア構成図である。 はんだボールの高さを計測する方法を説明するための模式図である。 曲面形状を有する突起について、その傾きと突起の高さを検査する過程を示すフローチャートである。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。

図１は、入射光と反射光、視点の関係を示す模式図である。本実施の形態においては、検査対象物体に光を照射し、その反射光に基づいて検査対象物体の形状を計測する。具体的な処理内容を説明する前に、まず、計測原理を説明する。

検査対象面２００は光沢を有する平面であり、光を鏡面反射する。ここでは、検査対象面２００上の点Ｏにおける法線ベクトルをｎ_ｄとする。法線ベクトルｎ_ｄの方向は、図１においては点Ｏから点ｄへ向かう方向Ｏｄである。法線ベクトルｎ_ｄの方向がわかれば、検査対象面２００の点Ｏにおける傾きを特定できる。

点ａに設置された光源から、点Ｏに光を照射する。以下、点Ｏから点ａへの方向Ｏａのように、検査対象面２００上において観察対象となっている点から光源が設置される点に向かう方向を「光源方向」とよぶ。法線ベクトルｎ_ｄと光源方向の成す角度、すなわち、光の入射角をαとする。入射角αと同じ大きさの反射角αにて、検査対象面２００から光が鏡面反射される。図１では、点Ｏから点ｂに向かって光が反射される。以下、点Ｏから点ｂへの方向Ｏｂのように、検査対象面２００上において観察対象となっている点から光が反射される方向を「反射方向」とよぶ。点ｃから検査対象面２００を観察する。以下、点Ｏから点ｃへの方向Ｏｃのように、検査対象面２００上において観察対象となっている点から視点に向かう方向を「視点方向」とよぶ。反射方向と視点方向の成す角度をγとする。

Phongモデルによれば、光の反射成分Ｉは以下の式（１）により表される。

Ｉａは環境光成分、Ｉｄは拡散反射成分、Ｉｓは鏡面反射成分である。検査対象面２００は光沢を有するため、Ｉａ、ＩｄはＩｓに比べて十分に小さいとする。したがって、以降においては、Ｉｓのみを考慮する。

鏡面反射成分Ｉｓは、以下の式（２）によって表される。

Ｋｓは鏡面反射成分係数、Ｅは照明光の強度、ｎは対象物体に依存する係数である。Ｋｓ、Ｅ、ｎはいずれも定数であるため、Ｉｓが最大になるのはγ＝０、すなわち、反射方向と視点方向が一致するときである。反射方向と視点方向が一致するとき、光源方向と視点方向（反射方向）の中心方向を、法線ベクトルｎ_ｄの方向として特定できる。

図２は、光の入反射方向に基づいて検査対象面２００の傾きを特定する方法を説明するための模式図である。図２では、γ＝０となるように、すなわち、視点方向（点Ｏ→点ｃ）と反射方向（点Ｏ→点ｂ）が一致するように光源方向と視点方向を設定している。このときの光源、視点、検査対象物体の位置関係のことを「最大反射ポジション」とよぶ。点ａから点Ｏに照射された光は、点Ｏから点ｃ（点ｂ）の方向に反射される。検査対象面２００に対する入射角および反射角をαとする。所定の傾斜基準面２０２と検査対象面２００の法線ベクトルｎ_ｄが成す角度(以下、「面傾斜角度」とよぶ）をθ_Ｎとする。また、最大反射ポジションにおける傾斜基準面２０２と光源方向の成す角度(以下、「特定光源角度」とよぶ）をθ_Ｌ、最大反射ポジションにおける傾斜基準面２０２と視点方向（反射方向）の成す角度(以下、「特定視点角度」とよぶ）をθ_Ｖとすると、図２から明らかなように、以下の式（３）、（４）が成立する。

式（３）、（４）からαを消去すると、式（５）が得られる。

検査対象面２００と視点方向を固定し、光源方向を変化させながら最大反射ポジションを探し出し、そのときの特定光源角度θ_Ｌを求めれば、特定視点角度θ_Ｖは固定値であるから、式（５）に基づいて面傾斜角度θ_Ｎを算出できる。最大反射ポジションを探るためには、光源、視点、検査対象面２００のいずれを移動させてもよいし、これらのうちの２以上を移動させてもよい。本実施の形態においては、視点方向と検査対象面２００を固定し、光源のみを移動させる、すなわち、光源方向のみを変化させる。

以下、本実施の形態として、（１）平面の傾きを特定する方法と（２）曲面の傾きを特定する方法のそれぞれについて説明するが基本的な計測原理は同じである。

図３は、ＳＩＰ２０４の外観図である。（１）平面の傾きを特定する方法について、ＳＩＰ（Single Inline Package）２０４のピン２０６を検査対象として説明する。図３に示すように、ＳＩＰ２０４の長手方向、幅方向、高さ方向にそれぞれｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を設定する。ＳＩＰ２０４は、複数のピン２０６をプリント基板のスルーホールに挿入して実装されるピン挿入型のＩＣである。これらのピン２０６は、ＳＩＰ２０４の外部接続端子として機能する。ＳＩＰ２０４のピン２０６は平板形状であり、金属製であるため光沢を有する。ピン２０６の各面のうち、ピン側面部２１０の面積が最も大きくピン先端部２０８の面積が最も小さい。ｙ軸方向に大きく反っているピン２０６があると、ＳＩＰ２０４をスルーホールに実装できないので、そのようなＳＩＰ２０４は不良品として取り除く必要がある。図３の場合、ピン２０６ａがｙ軸正方向、ピン２０６ｂがｙ軸負方向に曲がっている。

ピン２０６の「反り」を検出する方法として、ｚ軸正方向に視線を設定し、各ピン先端部２０８の位置を確認するという方法が考えられる。ピン２０６に反りがなければ、ピン先端部２０８は直線状に並ぶが、反りがあればピン先端部２０８の位置はばらつく。しかし、ピン先端部２０８は面積が小さいため、このような確認方法によってピン２０６の反りを正確に検出するのは難しい。そこで、本実施の形態においては、ピン先端部２０８ではなくピン側面部２１０を検査対象面２００として設定し、各ピン側面部２１０のｙ軸方向の傾きを検出する。

図４は、ピン２０６の傾きを検出するシステムのハードウェア構成図である。このシステムにおいては、ＳＩＰ２０４およびカメラ２２２の位置は固定され、光源２２０のみが移動する。同図紙面手前方向がｘ軸の正方向、上方向がｙ軸の正方向、右方向がｚ軸の正方向に対応する。ピン２０６の長さは約１ｍｍ、ＳＩＰ２０４からカメラ２２２までの距離は約３００ｍｍ、ＳＩＰ２０４から光源２２０までの距離は約７００ｍｍである。したがって、ＳＩＰ２０４のサイズに比べて、ＳＩＰ２０４からカメラ２２２や光源２２０までの距離は十分に大きい。光源２２０は、ピン２０６を中心とした半径７００ｍｍの円上を同図に示す始点Ｓから終点Ｅまで一定速度にて移動する。

カメラ２２２と光源２２０には、形状検査装置１００が接続される。形状検査装置１００は、光源２２０を移動させながら、ピン２０６に光を照射させ、カメラ２２２を介して反射光の強度(以下、「反射強度」とよぶ）を計測する。形状検査装置１００は、反射強度が最大となるとき、最大反射ポジションに達したと判定する。このときの特定光源角度θ_Ｌを求めれば、式（５）に基づいてピン２０６の面傾斜角度θ_Ｎを特定できる。

ただし、特定光源角度θ_Ｌの大きさを直接測定するのは利便性の面から必ずしも好適とはいえない。そこで、形状検査装置１００は、光源２２０の移動速度と移動時間に基づいて、いいかえれば、光源方向の変化速度と変化時間に基づいて、特定光源角度θ_Ｌを算出する。光源２２０が始点Ｓを出発してから経過した時間のことを「光源移動時間」とよぶ。また、光源２２０がＳＩＰ２０４を中心とする円上を移動するときの角速度をωとする。光源２２０が最大反射ポジションに到達したときの移動時間(以下、特に「ピーク時間」とよぶ）をＴ_Ｌとすると、ピン２０６から始点Ｓの方向を基準とした特定光源角度θ_Ｌは、以下の式（６）により表される。

ここで、基準となるピン２０６(以下、「基準ピン」とよぶ）を設定し、この基準ピンの特定光源角度をθ_ＬＢとする。検査対象となるピン２０６(以下、「検査ピン」とよぶ）の特定光源角度をθ_ＬＴとすると、検査ピンと基準ピンの傾きの差である相対角度Δθ_ＮＤは、式（５）に基づき、以下の式（７）により表される。

Ｔ_ＬＴは検査ピンのピーク時間、Ｔ_ＬＢは基準ピンのピーク時間である。式（７）によれば、ピーク時間を計測することで相対角度Δθ_ＮＤを特定できる。相対角度Δθ_ＮＤが所定の閾値Ｔ_１以上となる検査ピンは、基準ピンと比べて傾きの差が大きすぎると判定される。そして、このような検査ピンを有するＳＩＰ２０４は不良品として除外対象となる。基準ピンは任意に設定してもよいが、本実施の形態においては、ＳＩＰ２０４の複数のピン２０６のピーク時間の平均値を基準ピンのピーク時間としている。式（６）によれば、複数のピン２０６の傾きの平均値を基準ピンの傾きとしている、ともいえる。複数のピン２０６の平均的な傾きに比べて大きく傾いているピン２０６を有するＳＩＰ２０４は不良品と判定される。

図５は、形状検査装置１００の機能ブロック図である。形状検査装置１００は、ハードウェア的には、コンピュータのＣＰＵをはじめとする素子で実現でき、ソフトウェア的にはデータ送受信機能のあるプログラム等によって実現されるが、図５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はハードウェア、ソフトウェアの組合せによっていろいろなかたちで実現できる。ここでは、各機能ブロックの構成を中心として説明する。

形状検査装置１００は、ＵＩ（ユーザインタフェース）部１１０、データ処理部１２０およびデータ保持部１４０を含む。ＵＩ部１１０は、ユーザインタフェース処理を担当する。データ処理部１２０は、ＵＩ部１１０やデータ保持部１４０から取得されたデータを元にして各種のデータ処理を実行する。データ保持部１４０は、ＵＩ部１１０とデータ保持部１４０の間のインタフェースの役割も果たす。データ保持部１４０は、各種データを保持するための記憶領域である。

ＵＩ部１１０は、撮像部１１２と警告部１１４を含む。このほかにもユーザの操作を受け付ける入力部や、画面に各種情報を表示させる表示部を含んでもよい。撮像部１１２は、カメラ２２２を駆動してＳＩＰ２０４等の検査対象物体を撮像する。このときに撮像された画像を「検査画像」とよぶ。警告部１１４は、検査対象物体の形状に異常があるとき、ユーザに警告を発する。ＳＩＰ２０４を検査対象物体とする場合には、相対角度Δθ_ＮＤが閾値Ｔ_１以上となる検査ピンが存在するときに警告を発する。表示や音声による直接的な警告であってもよいし、外部のデータベースに所定情報を送信・記録することによる間接的な警告であってもよい。データ保持部１４０は、画像保持部１４２と反射強度情報保持部１４４を含む。画像保持部１４２は検査画像を保持する。反射強度情報保持部１４４は、光源移動時間や反射強度を対応づけた反射強度情報を保持する。反射強度情報は、計測中に随時更新される。反射強度情報については後述する。

データ処理部１２０は、位置制御部１２２、位置特定部１２４、反射強度計測部１２６、傾斜算出部１２８、異常判定部１３４および高度算出部１３６を含む。位置制御部１２２は、光源２２０を一定の角速度ωにて始点Ｓから終点Ｅまで移動させる。位置特定部１２４は、光源移動時間と角速度から、光源方向を特定する。反射強度計測部１２６は検査画像の画素の濃淡値として、検査対象面２００の反射強度を計測する。

傾斜算出部１２８は、検査対象物体の面傾斜角度θ_Ｎ、より厳密には、面傾斜角度θ_Ｎを特定するための法線ベクトルを算出する。傾斜算出部１２８は、平面傾斜算出部１３０と曲面傾斜算出部１３２を含む。平面傾斜算出部１３０は、ピン２０６のような平面の傾きを算出する。曲面傾斜算出部１３２は、曲面の傾きを算出する。異常判定部１３４は、平面の傾き等について異常の有無を判定する。異常判定されたときには、警告部１１４が警告を発生させる。異常判定部１３４は、ＳＩＰ２０４を検査対象物体とする場合には、Δθ_ＮＤが閾値Ｔ_１以上となるピン２０６が存在するか否かを判定する。高度算出部１３６は、曲面状の突起部についてその高さを計測する。高度算出部１３６の役割については後に詳述する。

図６は、平面の傾きを検査する過程を示すフローチャートである。まず、位置制御部１２２は、時刻ｔ＝０にて光源２２０を始点Ｓに設置し、一定の角速度ωにて光源２２０を移動させる（Ｓ１０）。所定時間の経過後、撮像部１１２はＳＩＰ２０４の複数のピン２０６を撮像し、検査画像を取得する（Ｓ１２）。反射強度計測部１２６は、検査画像を参照し、ピン２０６ごとの反射強度と、光源移動時間とを対応づけて反射強度情報として記録する（Ｓ１４）。ＳＩＰ２０４を撮像するとピン２０６の部分が明るく輝く検査画像を得られる。最大反射ポジションに到達したときのピン２０６は特に明るく輝く。したがって、検査画像からピン２０６の場所を特定するのは容易である。光源２２０が終点Ｅに到達していなければ（Ｓ１６のＮ）、処理はＳ１２に戻る。光源２２０が終点Ｅに到達するまで、定期的に、検査画像の撮像（Ｓ１２）と反射強度情報の記録（Ｓ１４）が実行される。

光源２２０が終点Ｅに到達すると（Ｓ１６のＹ）、位置制御部１２２は光源２２０を停止させる（Ｓ１８）。位置特定部１２４は、反射強度情報を参照し、ピン２０６ごとのピーク時間Ｔ_Ｌを特定する（Ｓ２０）。たとえば、あるピン２０６について、光源移動時間ｔ_０、ｔ_１、・・・、ｔ_ｋ、・・・の各タイミングで計測された反射強度を比較し、それらのうち最も反射強度が高くなるときの時間がｔ_ｋであったとする。この場合には、このピン２０６についてピーク時間Ｔ_Ｌ＝ｔ_ｋとする。式（６）に関連して説明したように、ピーク時間Ｔ_Ｌの特定により特定光源角度θ_Ｌも確定する。

平面傾斜算出部１３０は、これらのピーク時間Ｔ_Ｌの平均値を、仮想的な基準ピンのピーク時間Ｔ_ＬＢとして設定する（Ｓ２２）。式（６）に関連して説明したように、ピーク時間Ｔ_ＬＢの特定により基準ピンの特定光源角度θ_ＬＢも確定する。平面傾斜算出部１３０は、式（７）にしたがって、各ピン２０６の相対角度Δθ_ＮＤを算出する（Ｓ２４）。

異常判定部１３４は、閾値Ｔ_１よりも大きな相対角度Δθ_ＮＤとなるピン２０６が存在するかを判定する（Ｓ２６）。存在すれば（Ｓ２６のＹ）、異常判定部１３４は警告部１１４に指示して警告を発生させる（Ｓ２８）。存在しなければ（Ｓ２６のＮ）、Ｓ２８はスキップされる。

光源２２０を始点Ｓから終点Ｅに移動させるとき、一つのＳＩＰ２０４の複数のピン２０６を同時に計測することにより、検査効率が向上する。更に、複数のＳＩＰ２０４を同時に計測してもよい。たとえば、１０本のピン２０６を有するＳＩＰ２０４を５個同時に計測すれば、１枚の検査画像によって１０×５＝５０本のピン２０６それぞれの反射強度を計測することにより、検査効率をいっそう向上させることができる。

図７は、ＢＧＡ２３０の外観図である。（２）曲面の傾きを特定する方法については、ＢＧＡ（Ball Grid Array）２３０のはんだボール２３２を検査対象として説明する。図７に示すように、ＢＧＡ２３０の面方向にそれぞれｘ軸、ｚ軸、高さ方向にｙ軸を設定する。ＢＧＡ２３０は、はんだボール２３２をアレイ状に並べた表面実装型のＩＣである。はんだボール２３２はＢＧＡ２３０の外部端子として機能する。ＢＧＡ２３０内の半導体集積回路は、はんだボール２３２を介して、パッケージ基板と接続する。はんだボール２３２は球面形状の突起であり、金属製であるため光沢を有する。はんだボール２３２は、ＢＧＡ２３０のはんだボール設置面２３４に面配列される。はんだボール２３２のはんだボール設置面２３４からの高さがばらつくと、ＢＧＡ２３０をパッケージ基板に実装できないので、そのようなＢＧＡ２３０は不良品として取り除く必要がある。

はんだボール２３２の高さを測定するために、まず、形状検査装置１００ははんだボール２３２の表面の傾き（形状）を計測する。曲面の計測についても、図１、図２に関連して説明した原理がベースとなる。

図８は、はんだボール２３２からの光の反射状態を示す模式図である。図８は、はんだボール２３２のｘｙ方向の断面を示している。点Ｐ_Ａ、Ｐ_Ｂ、Ｐ_Ｃは、いずれもはんだボール２３２の表面上の点である。点Ｐ_Ａ、Ｐ_Ｂ、Ｐ_Ｃにおける法線ベクトルをそれぞれｎ_Ａ、ｎ_Ｂ、ｎ_Ｃとする。はんだボール２３２は曲面形状であるため、ｎ_Ａ、ｎ_Ｂ、ｎ_Ｃは互いに方向が異なる。

光源２２０から光を照射すると、点Ｐ_Ａ、Ｐ_Ｂ、Ｐ_Ｃからはそれぞれ別方向に光が反射される。図８では、点Ｐ_Ｂから反射された光はカメラ２２２にまっすぐ向かっている。いいかえれば、点Ｐ_Ｂについては反射方向と視点方向が一致している。図８は、点Ｐ_Ｂの最大反射ポジションを示していることになる。カメラ２２２によりはんだボール２３２を観察すると、はんだボール２３２の表面のうち点Ｐ_Ｂが特に輝いて見える。以下、このような点のことを「輝点」とよぶ。検査画像において各画素の濃度値を比較することにより、検査画像から輝点の位置を特定できる。

図９は、はんだボール２３２の傾きおよび高さを検出するシステムのハードウェア構成図である。このシステムの構成は、図４に示した構成と基本的に同等である。ＢＧＡ２３０およびカメラ２２２の位置に固定され、光源２２０のみが移動する。同図紙面手前方向がｚ軸の正方向、上方向がｙ軸の正方向、右方向がｘ軸の正方向に対応する。はんだボール２３２の高さは約１００μｍ、ＢＧＡ２３０からカメラ２２２までの距離は約３００ｍｍ、ＢＧＡ２３０から光源２２０までの距離は約７００ｍｍである。ＢＧＡ２３０のサイズに比べて、ＢＧＡ２３０からカメラ２２２や光源２２０までの距離は、各はんだボール２３２から光源２２０を結ぶ複数の直線が平行とみなせるほど大きい。光源２２０は、ＢＧＡ２３０を中心とした半径７００ｍｍの円上を同図に示す始点Ｓから終点Ｅまで一定速度にて移動する。

カメラ２２２と光源２２０には、形状検査装置１００が接続される。形状検査装置１００は、光源２２０を移動させながら、はんだボール２３２に光を照射させ、カメラ２２２を介してはんだボール２３２の輝点を検出する。

図１０は、はんだボール２３２の高さを計測する方法を説明するための模式図である。まず、ｘｙ平面上の一般的な曲線の変化量は、式（８）により表現できる。

ここで、Δｈは、ｘ座標をΔｘだけ移動させたときのｙ座標の変化量を示す。ｙ（ｘ_１＋Δｘ）は、ｘ＝ｘ_１＋Δｘにおけるｙ座標値を示す。同様に、ｙ（ｘ_１）は、ｘ＝ｘ_１におけるｙ座標値を示す。Δｘは微小であるとする。ｎはｘ＝ｘ_１＋Δｘにおける法線ベクトル、ｍは移動ベクトルであり、それぞれ、式（９）、（１０）のように表される。

Δｈは、法線ベクトルｎと移動ベクトルｍの内積として表現される。

また、法線ベクトルｎは、式（１１）として表現することもできる。

ｋ_ｎは定数、θ_ｎは法線ベクトルｎがｘ軸と成す角度である。

式（９）と式（１１）から、ｘ座標値とｙ座標値をそれぞれ比較し、ｋ_ｎを消去すると、式（１２）を得られる。

式（８）、（９）、（１０）、（１２）より、式（１３）を得られる。

すなわち、ｘをΔｘだけ移動させたときの高さの変化Δｈは、曲線の傾きθ_ｎから特定できる。

以上を前提として、はんだボール２３２の形状を計測する。最終的な目的ははんだボール２３２の高さを計測することであるが、そのためにはんだボール２３２上の各点における傾きを算出する。光源移動時間ｔ_ｒにおける輝点をＰ_ｒ、光源移動時間ｔ_ｒ＋１における輝点をＰ_ｒ＋１とする。輝点Ｐ_ｒのはんだボール設置面２３４からの高さをｈ_ｒ、輝点Ｐ_ｒ＋１の高さをｈ_ｒ＋１とする。また、輝点Ｐ_ｒと輝点Ｐ_ｒ＋１のｘ座標の差をΔｘ_ｒ＋１とする。輝点Ｐ_ｒの法線ベクトルをｎ_ｒ、法線ベクトルｎ_ｒがはんだボール設置面２３４と成す角度、すなわち、ｘ軸と成す角度をθ_ｒとする。同様に、輝点Ｐ_ｒ＋１の法線ベクトルをｎ_ｒ＋１、法線ベクトルｎ_ｒ＋１がｘ軸と成す角度をθ_ｒ＋１とする。

輝点Ｐ_ｒ＋１と輝点Ｐ_ｒの高さの差をΔｈ_ｒ＋１とすると、Δｈ_ｒ＋１は、式（１３）に基づき、以下の式（１４）により表される。

また、θ_ｒ＋１とθ_ｒの差、すなわち、法線ベクトルの方向の変化量をΔθ_ｒ＋１とすると、Δθ_ｒ＋１は、式（５）、（６）に基づき、以下の式（１５）により表される。

はんだボール２３２の最高地点をＰ_ｔとする。この最高地点Ｐ_ｔにおける法線ベクトルｎ_ｔはｙ軸正方向の向きとなる。いいかえれば、この最高地点Ｐ_ｔにおいてはんだボール２３２と接する平面は、はんだボール設置面２３４と平行な平面となる。したがって法線ベクトルｎ_ｔは、はんだボール設置面２３４の法線ベクトルｎ_ｔと同じ方向であり、法線ベクトルｎ_ｔがｘ軸と成す角度θ_ｔは９０°である。このため、最高地点Ｐ_ｔが輝点となるときには、はんだボール設置面２３４の反射強度が最大になるはずである。いいかえれば、はんだボール設置面２３４の反射強度が最大となるときにはんだボール２３２から検出される輝点は、最高地点Ｐ_ｔである。最高地点Ｐ_ｔが輝点となるときの光源移動時間をｔ_ｔとする。

輝点Ｐ_ｒ＋１における角度θ_ｒ＋１を求める式は、式（１５）にしたがって、次の式（１６）のようになる。

Δθ_{ｔ〜ｒ＋１}は、輝点Ｐ_ｒ＋１における角度θ_ｒ＋１と最高地点Ｐ_ｔにおける角度θ_ｔとの角度の差である。式（１６）により、ある輝点Ｐ_ｒ＋１のピーク時間ｔ_ｒ＋１と、最高地点Ｐ_ｔのピーク時間ｔ_ｔがわかれば、輝点Ｐ_ｒ＋１におけるはんだボール２３２の傾きθ_ｒ＋１の求めることができる。

複数の検査画像を参照し、Ｐ_ｒとＰ_ｒ＋１のｘ座標値の変化量をΔｘ_ｒ＋１として特定し、式（１４）に式（１６）を代入すれば、輝点Ｐ_ｒ＋１と輝点Ｐ_ｒの高さの差をΔｈ_ｒ＋１を求めることができる。各輝点における高さの変化量Δｈを累算することにより、はんだボール２３２の高さｈ_ｔを以下の式（１７）により求めることができる。

図１１は、曲面形状を有する突起について、その傾きと突起の高さを検査する過程を示すフローチャートである。位置制御部１２２は、時刻ｔ＝０にて光源２２０を始点Ｓに設置し、一定の角速度ωにて光源２２０を移動させる（Ｓ３０）。所定時間の経過後、撮像部１１２はＢＧＡ２３０の複数のはんだボール２３２を撮像し、検査画像を取得する（Ｓ３２）。検査画像における各はんだボール２３２の位置は、あらかじめ画像処理により特定しておいてもよい。反射強度計測部１２６は、検査画像を参照し、各はんだボール２３２の輝点を検出する。反射強度計測部１２６は、はんだボール２３２ごとに、輝点の座標と光源移動時間とを対応づけて反射強度情報として記録する（Ｓ３４）。はんだボール２３２のような曲面を検査対象とする場合には、反射強度情報においては、はんだボール２３２ごとに、輝点の座標、光源移動時間がそれぞれ対応づけられる。また、はんだボール設置面２３４の反射強度も反射強度情報の一部として記録しておく。光源２２０が終点Ｅに到達していなければ（Ｓ３６のＮ）、処理はＳ３２に戻る。光源２２０が終点Ｅに到達するまで、定期的に、検査画像の撮像（Ｓ３２）と反射強度情報の記録（Ｓ３４）が実行される。

光源２２０が終点Ｅに到達すると（Ｓ３６のＹ）、位置制御部１２２は光源２２０を停止させる（Ｓ３８）。位置特定部１２４は、反射強度情報を参照し、はんだボール２３２ごとに最高地点の座標を特定する（Ｓ４０）。より具体的には、はんだボール設置面２３４の反射強度が最高値となるときの輝点を最高地点として特定する。式（１５）、（１６）にしたがって、曲面傾斜算出部１３２はすべての輝点の傾きを算出する（Ｓ４２）。高度算出部１３６は、これらの傾きから、すべての輝点における高さ変化量を算出する（Ｓ４４）。高度算出部１３６は、すべてのはんだボール２３２の高さを算出する（Ｓ４６）。

高度算出部１３６は、はんだボール２３２の高さの平均値を、基準値とする。そして、はんだボール２３２の高さと基準値の差である相対高度を計算する。異常判定部１３４は、この相対高度が所定の閾値Ｔ_２よりも大きいはんだボール２３２が存在するかを判定する（Ｓ４８）。存在すれば（Ｓ４８のＹ）、異常判定部１３４は警告部１１４に指示して警告を発生させる（Ｓ５０）。存在しなければ（Ｓ４８のＮ）、Ｓ５０はスキップされる。

以上、実施の形態に基づいて、形状検査装置１００を説明した。形状検査装置１００は、光源２２０が移動する速度と光源移動時間に基づいて、光源方向を特定している。カメラ、光源、検査対象物体の相対的な位置関係を変化させながら最大反射ポジションを探っているため、カメラや光源、検査対象物体の初期位置を設定する上での制約が少ないというメリットがある。

また、式（７）や（１６）に示したように、光源移動時間を計測すれば、平面や曲面の傾きを求めることができるため、シンプルな構成と簡易なアルゴリズムにより低コストにて高速な計測処理が可能となる。特に、表面反射パラメータ等のパラメータの設定や算出が必要でないため、利便性だけでなく計測精度の面からも有利である。数学モデルにあてはめながら検査対象物体の形状を判定するのではないため、多様な形状の検査対象物体に対応しやすい。

はんだボール２３２の最高地点は、あらかじめ設定されてもよいが、設定されていない場合であってもはんだボール設置面２３４の反射強度に基づいて特定できる。このため、いっそう利便性や測定精度を向上させることができる。更に、光源２２０を１回移動させるだけで、複数のピン２０６や複数のはんだボール２３２、あるいは、複数のＳＩＰ２０４や複数のＢＧＡ２３０をまとめて検査できるため、検査効率が高い。

本実施の形態においては、ＳＩＰ２０４やＢＧＡ２３０を対象として説明したが、検査対象物体はこれに限らず、ある程度の光沢を有する平面や曲面であれば広く検査対象とできる。たとえば、パッケージ基板の膨れやへこみの検出にも応用可能である。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。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。

以上の実施の形態および変形例から把握される発明のいろいろな態様をすでに特許請求の範囲に記載したものも含むかたちにて以下に例示する。平面の傾きを計測する方法に関連し、以下の発明が認識される。

Ａ１．外形に平面部を有する検査対象物体、前記平面部に光を照射する光源、前記平面部からの反射光を撮像するカメラのうち一以上の位置を変化させることにより、前記平面部から前記光源に向かう光源方向と前記平面部から前記カメラに向かう視点方向の双方または一方を変化させる位置制御部と、
前記光源方向および前記視点方向の双方または一方の変化速度と変化時間に基づいて、前記光源方向および前記視点方向を特定する位置特定部と、
前記平面部から前記視点方向に光が反射されるときの前記光源方向および前記視点方向に基づいて、前記平面部の傾きを算出する傾斜算出部と、
を備えることを特徴とする形状検査装置。

Ａ２．前記カメラの位置における前記反射光の強度を計測する反射強度計測部、を更に備え、
前記傾斜算出部は、前記反射光の強度が最大となるときの前記光源方向および前記視点方向の中心方向を前記平面部の法線ベクトルとして、前記平面部の傾きを算出することを特徴とするＡ１に記載の形状検査装置。

Ａ３．前記検査対象物体は、複数の平面部を有し、
前記傾斜算出部は、各平面部から前記視点方向に光が反射されるときの前記光源方向および前記視点方向に基づいて、前記複数の平面部それぞれの傾きを算出することを特徴とするＡ１またはＡ２に記載の形状検査装置。

Ａ４．いずれかの平面部について、所定の基準値から所定量以上乖離する傾きが検出されたときに警告を発生させる警告部、を更に備えることを特徴とするＡ３に記載の形状検査装置。

Ａ５．前記警告部は、前記複数の平面部の傾きの平均値を前記基準値とすることを特徴とするＡ４に記載の形状検査装置。

Ａ６．前記検査対象物体はピン挿入型のＩＣ（Integrated Circuit）であって、前記平面部はピンであることを特徴とするＡ１から５のいずれか一項に記載の形状検査装置。

Ａ７．外形に平面部を有する検査対象物体、前記平面部に光を照射する光源、前記平面部からの反射光を撮像するカメラのうち一以上の位置を変化させることにより、前記平面部から前記光源に向かう光源方向と前記平面部から前記カメラに向かう視点方向の双方または一方を変化させる機能と、
前記光源方向および前記視点方向の双方または一方の変化速度と変化時間に基づいて、前記光源方向および前記視点方向を特定する機能と、
前記平面部から前記視点方向に光が反射されるときの前記光源方向および前記視点方向に基づいて、前記平面部の傾きを算出する機能と、
をコンピュータに発揮させることを特徴とする形状検査プログラム。

１００ 形状検査装置
１１０ ＵＩ部
１１２ 撮像部
１１４ 警告部
１２０ データ処理部
１２２ 位置制御部
１２４ 位置特定部
１２６ 反射強度計測部
１２８ 傾斜算出部
１３０ 平面傾斜算出部
１３２ 曲面傾斜算出部
１３４ 異常判定部
１３６ 高度算出部
１４０ データ保持部
１４２ 画像保持部
１４４ 反射強度情報保持部
２００ 検査対象面
２０２ 傾斜基準面
２０４ ＳＩＰ
２０６ ピン
２２０ 光源
２２２ カメラ
２３０ ＢＧＡ
２３２ はんだボール
２３４ はんだボール設置面

Claims (6)

1. 外形に曲面状の突起部を有する検査対象物体、前記突起部に光を照射する光源、前記突起部からの反射光を撮像するカメラのうち一以上の位置を変化させることにより、前記突起部から前記光源に向かう光源方向と前記突起部から前記カメラに向かう視点方向の双方または一方を変化させる位置制御部と、
   前記光源方向および前記視点方向の双方または一方を変化させるごとに前記突起部上において前記視点方向に光を反射する点を輝点として特定し、前記輝点を特定したときの前記光源方向および前記視点方向に基づいて前記突起部の前記輝点における傾きを算出する傾斜算出部と、
   前記突起部の複数の輝点における傾きから、前記突起部の高さを算出する高度算出部と、
   を備え、
   前記突起部の最高地点における接平面と平行な基準面をあらかじめ設定しておき、
   前記高度算出部は、前記基準面が前記視点方向に光が反射するときに前記突起部から前記視点方向に光を反射する輝点を前記突起部の最高地点として特定し、前記最高地点における高さを前記突起部の高さとして算出することを特徴とする形状検査装置。
2. 前記高度算出部は、前記突起部の前記最高地点における傾きは前記検査対象物体において前記突起部が設置される面の傾きと同一であると仮定し、前記突起部が設置される面を前記基準面として、前記基準面から前記突起部の最高地点までの高さを前記突起部の高さとして算出することを特徴とする請求項１に記載の形状検査装置。
3. 前記検査対象物体は、複数の突起部を有し、
   前記傾斜算出部は、前記光源方向および前記視点方向の双方または一方を変化させるごとに、前記複数の突起部それぞれについて輝点を特定し、各輝点における傾きを算出することを特徴とする請求項１または２に記載の形状検査装置。
4. いずれかの突起部について、所定の基準値から所定量以上乖離する高さが検出されたときに警告を発生させる警告部、を更に備えることを特徴とする請求項３に記載の形状検査装置。
5. 前記検査対象物体は、はんだボール素子が面配列されたＩＣ（Integrated Circuit）であって、前記突起部ははんだボール素子であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の形状検査装置。
6. 外形に曲面状の突起部を有する検査対象物体、前記突起部に光を照射する光源、前記突起部からの反射光を撮像するカメラのうち一以上の位置を変化させることにより、前記突起部から前記光源に向かう光源方向と前記突起部から前記カメラに向かう視点方向の双方または一方を変化させる機能と、
   前記光源方向および前記視点方向の双方または一方を変化させるごとに前記突起部上において前記視点方向に光を反射する点を輝点として特定し、前記輝点を特定したときの前記光源方向および前記視点方向に基づいて前記突起部の前記輝点における傾きを算出する機能と、
   前記突起部の最高地点における接平面と平行な基準面が前記視点方向に光が反射するときに前記突起部から前記視点方向に光を反射する輝点を前記突起部の最高地点として特定し、前記最高地点における高さを前記突起部の高さとして算出する機能と、
   をコンピュータに発揮させることを特徴とする形状検査プログラム。

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