-
Die Erfindung betrifft ein Inspektionssystem sowie ein Verfahren zur Fehleranalyse eines Produkts, insbesondere eines Leiterplattenprodukts, Halbleiterwafer oder dergleichen, wobei das Inspektionssystem eine Projektionsvorrichtung, eine optische Erfassungsvorrichtung und eine Verarbeitungsvorrichtung umfasst, wobei die Projektionsvorrichtung zumindest eine Spektrometereinrichtung aufweist, mittels der Weißlicht in seine spektralen Bestandteile aufteilbar und ein derart aus monochromatischen Lichtstrahlen gebildeter multichromatischer Lichtstrahl unter einem Einfallswinkel β auf ein Produkt projizierbar ist, wobei die optische Erfassungsvorrichtung eine Erfassungseinheit mit einer Flächenkamera und einem Objektiv aufweist, wobei in einer quer, vorzugsweise orthogonal zu einer Produktoberfläche des Produkts verlaufenden Erfassungsebene der Erfassungseinheit ein am Produkt reflektierter multichromatischer Lichtstrahl mittels der Flächenkamera erfassbar ist.
-
Bei den bekannten Inspektionssystemen bzw. Verfahren zur Fehleranalyse eines Produkts kann ein Höhenprofil, beispielsweise einer Leiterplatte oder von auf einer Leiterplatte angeordneten Bauteilen, mittels eines spektroskopischen Verfahrens ermittelt werden. Das zu überprüfende Produkt kann dabei ein sogenanntes PCB (printed circuit board - Leiterplatte) oder eine photovoltaische Zelle sein. PCB's können unter anderem auch durch ein Bedrucken eines Leiterplattensubstrats mit einer leitfähigen Paste zur Ausbildung von Leiterbahnen oder elektronischen Bauteilen, wie beispielsweise Widerständen, ausgebildet werden. Dabei können verschiedene Materialien, wie beispielsweise Kupfer, Gold, Aluminium, Titan etc. auf das Substrat aufgebracht werden. Das Leiterplattenprodukt kann weiter mit bedrahteten Bauelementen oder auch sogenannten SMD-Bauelementen bestückt, mit Lötstopplack beschichtet und im Rahmen des jeweiligen Herstellverfahrens, durch beispielsweise Schwalllöten, belötet werden. Bei diesen Herstellverfahren können eine Reihe von Fehler, wie beispielsweise eine unvollständig bedruckte Leiterbahn, eine fehlerhafte Lötstelle oder ein fehlendes Bauteil auftreten, die zu einer Funktionsunfähigkeit des Leiterplattenprodukts führen können. Es ist daher regelmäßig erforderlich, das Leiterplattenprodukt im Rahmen seiner Herstellung auf eventuelle Fehler zu analysieren.
-
Eine derartige Fehleranalyse erfolgt dabei regelmäßig mit einem Inspektionssystem, welches eine Kamera zur Bildaufnahme des Leiterplattenprodukts aufweist. Die Kamera kann eine sogenannte Zeilenkamera mit in einer Zeile bzw. Reihe angeordneten optischen Sensoren bzw. auch mit drei Reihen bzw. Zeilen mit jeweils unterschiedlichen Sensoren (RGB-Sensoren) oder eine Flächenkamera mit mehr als drei Reihen bzw. Zeilen sein. Nachteilig bei den bekannten Inspektionssystemen ist, dass nur-Produkte bis zu einer bestimmten Größe mittels des Inspektionssystems mit ausreichender Bildqualität analysiert werden können, da eine Zeilen- bzw. Reihenlänge der optischen Sensoren der bekannten Kameras herstellungsbedingt begrenzt ist. Zur Fehleranalyse ist es daher ggf. erforderlich ein Produkt in mehreren Durchgängen zu scannen, um die gesamte Produktoberfläche, oder deren relevante Abschnitte zu erfassen.
-
Aus der
EP 2 307 852 B1 ist ein Inspektionssystem bzw. ein Verfahren zur Fehleranalyse von PCB's bekannt, mit der bzw. dem eine Oberfläche des PCB's optisch vermessen werden kann. Dabei wird ein von einer Weißlichtquelle ausgehender polychromatischer Lichtstrahl durch ein Prisma geleitet, um einen multichromatischen Lichtstrahl zu erzeugen, der unter einem Einfallswinkel auf das Leiterplattenprodukt projiziert wird. Je nach Höhenunterschied einer Oberfläche des Leiterplattenprodukts erscheint die Oberfläche in Abhängigkeit ihrer Höhe in einer auf diese Höhe gerichteten Spektralfarbe des multichromatischen Lichtstrahls. Ein so von der betreffenden Oberfläche reflektierter monochromatischer Lichtstrahl wird mittels einer optischen Erfassungsvorrichtung, insbesondere einer Zeilenkamera, oder auch einer Zeile einer Flächenkamera, erfasst. Mittels einer Verarbeitungsvorrichtung bzw. einer Vorrichtung zur Datenverarbeitung kann dann unter Einstellung des gewünschten Einfallswinkels zur Ausrichtung des multichromatischen Lichtstrahls auf die Erfassungsebene und der Position des Leiterplattenprodukts relativ zur Zeilenkamera eine Höheninformation der betreffenden Oberfläche des Leiterplattenprodukts berechnet werden.
-
Nachteilig bei dem vorbeschriebenen Inspektionssystem bzw. Verfahren ist, dass eine Oberfläche des PCB's nicht immer zuverlässig detektiert werden kann. So kann es je nach Reflexionsgrad bzw. Farbe der Produktoberfläche zu Abweichungen bei einer Reflektion des betreffenden Lichtstrahls an der Produktoberfläche kommen. Zu einer verlässlichen Fehleranalyse sind daher regelmäßig mehrere Bildaufnahmen des Leiterplattenprodukts bzw. des PCB's erforderlich, oder das Produkt wird mit unterschiedlich farbigem Licht beleuchtet bzw. es werden mittels der Verarbeitungsvorrichtung die für eine Fehleranalyse am geeignetsten erscheinenden RGB-Kanäle weiterverarbeitet. Zur Erstellung eines Höhenprofils und zu der Gewinnung eines qualitativ guten Analysebildes des Produktes sind jedoch regelmäßig verschiedene Beleuchtungseinrichtungen mit jeweils zugeordneten Erfassungseinheiten erforderlich, wobei diese dann sequenziell oder in voneinander getrennten Durchgängen die Produktoberfläche scannen können. Die Fehleranalyse selbst und der konstruktive Aufbau des Inspektionssystems werden dadurch aufwändig. Ferner ist nachteilig, dass die erhaltene Höheninformation der betreffenden Oberfläche ungenau sein kann. Je nach Höhe der Oberfläche kommt es zu einer unscharfen Abbildung in einer Bildebene der optischen Erfassungsvorrichtung bzw. auf der Zeilenkamera oder der Flächenkamera. Eine Höhenmessung wird dadurch weniger genau, wobei sich diese Unschärfe auch nicht durch die Verwendung eines Kamerachips mit höherer Auflösung kompensieren lässt.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Inspektionssystem und ein Verfahren zur Fehleranalyse eines Produkts vorzuschlagen, welches mit einfachen Mitteln eine verlässliche Fehleranalyse ermöglicht.
-
Diese Aufgabe wird durch ein Inspektionssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst.
-
Das erfindungsgemäße Inspektionssystem zur Fehleranalyse eines Produkts, insbesondere eines Leiterplattenprodukts, Halbleiterwafer oder dergleichen, umfasst eine Projektionsvorrichtung, eine optische Erfassungsvorrichtung und eine Verarbeitungsvorrichtung, wobei die Projektionsvorrichtung zumindest eine Spektrometereinrichtung aufweist, mittels der Weißlicht in seine spektralen Bestandteile aufteilbar und ein derart aus monochromatischen Lichtstahlen gebildeter multichromatischer Lichtstrahl unter einem Einfallswinkel β auf ein Produkt projizierbar ist, wobei die optische Erfassungsvorrichtung eine Erfassungseinheit mit einer Flächenkamera und einem Objektiv aufweist, wobei in einer quer, vorzugsweise orthogonal zu einer Produktoberfläche des Produkts verlaufenden Erfassungsebene der Erfassungseinheit ein am Produkt reflektierter multichromatischer Lichtstrahl mittels der Flächenkamera erfassbar ist, wobei die Erfassungseinheit ein dispersives oder diffraktives Element aufweist, welches in der Erfassungsebene in dem Objektiv oder zwischen dem Objektiv und dem Produkt angeordnet ist, wobei der reflektierte multichromatische Lichtstrahl auf eine Bildebene der Flächenkamera projizierbar ist, wobei mittels der Verarbeitungsvorrichtung aus einer räumlichen Verteilung von Sättigungswerten des reflektierten multichromatischen Lichtstrahls in der Bildebene, einer Position der optischen Erfassungseinheit relativ zum Produkt und dem Einfallswinkel β eine Höheninformation der Produktoberfläche ableitbar ist.
-
Je nach Höhenunterschied einer Produktoberfläche verschiebt sich aufgrund des auf die Erfassungsebene in dem Einfallswinkel β ausgerichteten multichromatischen Lichtstrahls, dessen Wellenlänge mit einer Höhe in der Erfassungsebene variiert, ein Reflexionsbild des multichromatischen Lichtstrahls auf der Produktoberfläche relativ zu einer optischen Achse des Objektivs bzw. zu der Erfassungsebene der Erfassungseinheit bzw. der Flächenkamera. Dies führt dazu, dass das betreffende Reflexionsbild in der Bildebene der Flächenkamera ebenfalls relativ zu der optischen Achse bzw. Erfassungsebene, in Abhängigkeit der Wellenlänge bzw. Höhe versetzt abgebildet wird. Durch eine Bestimmung eines Ortes der Abbildung in der Bildebene wird es dann möglich, mittels der Verarbeitungsvorrichtung eine Höheninformation der Produktoberfläche zu errechnen.
-
Dadurch, dass der multichromatische Lichtstrahl, der aus monochromatischen Lichtstrahlen gebildet ist, über das dispersive oder diffraktive Element, welches in der Erfassungsebene in dem Objektiv oder zwischen dem Objektiv und dem Produkt angeordnet ist, auf die Bildebene der Erfassungsvorrichtung bzw. die Flächenkamera projiziert wird, kann der aus monochromatischen Lichtstrahlen gebildete, von dem Objekt reflektierte Lichtstrahl durch das dispersive oder diffraktive Element wieder aufgespalten werden. Durch diese Aufspaltung in einem Detektionspfand bzw. in dem Objektiv oder zwischen dem Objektiv und dem Produkt, können mehrere Zeilen der Flächenkamera zur Farberkennung verwendet werden. Insbesondere wenn ein Grauskalenchip als Flächenkamera verwendet wird, kann gegenüber einem RGB-Chip eine höhere Auflösung sowie eine exaktere Farbbestimmung durchgeführt werden. Auch benötigt der Grauskalenchip keine Farbfilter, so dass eine maximale Empfindlichkeit des Grauskalenchips genutzt werden kann. Insgesamt wird so eine verbesserte Auflösung einer Höhenmessung bzw. eine genauere Bestimmung der Höheninformation der Produktoberfläche möglich.
-
Weiter können mittels der Verarbeitungsvorrichtung von zumindest zwei Sensorzeilen der Flächenkamera mit überdurchschnittlichen Sättigungswerten Zeilenbilder erfassbar sein. Eine Verschiebung des Reflexionsbildes in der Bildebene wird dann dadurch ermittelt, dass eine räumliche Verteilung bzw. eine Abbildungsbreite von Sättigungswerten mittels der Verarbeitungsvorrichtung ausgewertet wird. Aus der räumlichen Verteilung bzw. Abbildungsbreite der Sättigungswerte ergibt sich der Ort der Verschiebung, da die Sensorzeilen der Flächenkamera mit den überdurchschnittlichen Sättigungswerten diesen repräsentieren. Daher ist es bereits ausreichend mittels der Verarbeitungsvorrichtung alleine zwei Sensorzeilen mit überdurchschnittlichen Sättigungswerten zu ermitteln und die auf diesen Sensorzeilen abgebildeten Zeilenbilder in der Bildebene zu erfassen. Damit wird nicht nur die Bestimmung der Höhe bzw. einer Topografie möglich, sondern es können gleichzeitig Zeilenbilder von der Produktoberfläche erfasst werden. Durch den Einsatz des dispersiven oder diffraktiven Elements, welches in der Erfassungsebene in dem Objektiv oder zwischen dem Objektiv und dem Produkt angeordnet ist, werden Zeilenbilder in unterschiedlichen Farbabstufungen erhalten..
-
Je nach einer Position der räumlichen Verteilung von Sättigungswerten in der Bildebene der Flächenkamera kann eine Höheninformation der Produktoberfläche ableitbar sein. Dadurch, dass mit dem dispersiven oder diffraktiven Element der durch das Objektiv verlaufende Lichtstrahl aufgespalten wird, wird eine vergleichsweise größere Fläche der Flächenkamera nutzbar. Es ergibt sich daher eine breitere räumliche Verteilung von Sättigungswerten in der Bildebene der Flächenkamera. Auch über die breitere räumliche Verteilung des Lichtstrahls in der Bildebene wird es möglich, eine noch genauere Höheninformation der Produktoberfläche zu erhalten. So kann über eine Verteilung der Sättigungswerte eine Wellenlänge bzw. ein Wellenlängenbereich des Lichtstrahls noch genauer analysiert und eine exaktere Farbinformation und damit eine Höheninformation gewonnen werden.
-
Mittels der Verarbeitungsvorrichtung kann aus einer Mehrzahl von Zeilenbildern ein Analysebild des Produkts abgeleitet werden. Die erfassten Zeilenbilder können dann im Rahmen eines Scanvorgangs von der Verarbeitungsvorrichtung zu einem Analysebild der Produktoberfläche kombiniert werden. Insbesondere können so alleine im Rahmen eines einzigen Scans der Produktoberfläche Höheninformationen und gleichzeitig ein qualitativ hochwertiges Analysebild gewonnen werden.
-
Mittels des Objektivs kann ein Zeilenbild von einer Objektebene der Produktoberfläche auf eine Bildebene der Flächenkamera abgebildet werden, wobei die Flächenkamera quer, vorzugsweise orthogonal zu einer Bewegungsrichtung eines Produkts angeordnet sein kann. Beispielsweise kann die Flächenkamera eine rechteckige Sensorfläche aufweisen, wodurch dann eine Erfassungsbreite, bezogen auf eine Produktoberfläche, optimal ausgenutzt werden kann. Das Objektiv dient dann dazu, ein Zeilenbild, welches einem am Produkt reflektierten multichromatischen Lichtstrahls, der von dem Objektiv erfassbar ist, entspricht, in der Bildebene der Flächenkamera abzubilden. Durch das zwischen dem Objektiv und dem Produkt angeordnete dispersive oder diffraktive Element ist ein Strahlengang divergent bzw. erfolgt die Abbildung in der Bildebene aufgrund der Lichtbrechung des dispersiven oder diffraktiven Elements entsprechend dem Spektrum der Spektrometereinrichtung und dem am Produkt reflektierten multichromatischen Lichtstrahls mit einer spektralen Verteilung auf der Bildebene.
-
Die Flächenkamera kann durch einen RGB-Chip oder einen Grauskalenchip ausgebildet sein, der relativ quer, vorzugsweise orthogonal zu einer Bewegungsrichtung eines Produkts 32 bis 128 Sensorzeilen, vorzugsweise 32 bis 64 Sensorzeilen aufweisen. Beispielsweise kann die Flächenkamera 1024 Pixel x 36 Sensorzeilen, 2048 Pixel x 72 Sensorzeilen, 4096 Pixel x 128 Sensorzeilen, 16.384 Pixel x 256 Sensorzeilen oder mehr aufweisen. Mit einem Grauskalenchip kann prinzipiell eine höhere Auflösung erzielt werden, da hier alle Sensorzeilen des Grauskalenchips unabhängig von einer Wellenlänge des Lichts nutzbar sind. Gleichwohl ist es auch möglich, einen RGB-Chip zu nutzen.
-
Die Projektionsvorrichtung kann Licht der Wellenlängenbereiche Rot, Grün, Blau (RGB), Infrarot (IR) und/oder Ultraviolett (UV), vorzugsweise in einem Wellenlängenbereich von 400 bis 700 nm emittieren und die Flächenkamera kann dieses Licht erfassen.
-
Das Inspektionssystem kann eine weitere Projektionsvorrichtung aufweisen, wobei die weitere Projektionsvorrichtung Licht mit einem von der Projektionsvorrichtung abweichenden Wellenlängenbereich oder einem übereinstimmenden Wellenlängenbereich emittieren kann. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die weitere Projektionsvorrichtung und die Projektionsvorrichtung relativ zur Produktoberfläche unterschiedlich hoch angeordnet sind, um so die Produktoberfläche in einer Höhe mit unterschiedlichen Wellenlängenbereichen zu beleuchten. Die weitere Projektionsvorrichtung kann mit der Projektionsvorrichtung identisch ausgebildet sein. Gleichwohl kann vorgesehen sein, dass mit der weiteren Projektionsvorrichtung Licht eines anderen Wellenlängenbereichs oder eines übereinstimmenden Wellenlängenbereichs emittiert wird. So ist es dann auch möglich, dass in dem mit der Flächenkamera erfassten Bild die jeweilige Projektionsvorrichtung zurückgerechnet werden kann. Es können sich dann auch mehrere voneinander beabstandete Bereiche mit überdurchschnittlichen Sättigungswerten in der Bildebene der Flächenkamera ergeben. So ist es dann auch möglich, viele verschiedene Merkmale des Produkts mit einer Bildaufnahme zu generieren. Wenn die Projektionsvorrichtung und die weitere Projektionsvorrichtung Licht in unterschiedlichen Wellenbereichen verwendet, kann das Produkt zum selben Zeitpunkt mit Licht einer kürzeren Wellenlänge und mit Licht einer längeren Wellenlänge beleuchtet werden. Das dispersive Element kann dann dieses Licht, welches vom Produkt reflektiert wird, wieder separieren. Insgesamt wird so eine noch genauere Höheninformation ermittelbar. Auch können insgesamt drei oder mehr übereinstimmende oder voneinander verschiedene Projektionsvorrichtungen vorgesehen sein. So können mit einer Mehrzahl Projektionsvorrichtungen in einem einzigen Scan mehrere Bildaufnahmen generiert werden. Dadurch kann eine Inspektion von Produkten wesentlich beschleunigt werden. Auch kann das Produkt auf eine Vielzahl von Fehlerarten, die zur optimalen Erkennung ggf. eine unterschiedliche Beleuchtung erfordern, zeitgleich geprüft werden. Die Projektionsvorrichtung und die weitere Projektionsvorrichtung können relativ zur Erfassungsebene einander gegenüberliegend symmetrisch angeordnet sein. So werden dann auch im Wesentlichen schattenfreie Bildaufnahmen eines Produktes möglich.
-
Das dispersive oder diffraktive Element kann ein Prisma oder ein Beugungsgitter sein. In einer besonders einfachen Ausführungsform kann das Prisma ein Dispersionsprisma in Form eines beispielsweise gleichschenkligen Dreiecks sein.
-
Das Objektiv kann ein telezentrisches Objektiv mit einer bildseitigen Blende sein. Innerhalb des Objektivs kann dann der Strahlengang des Objektivs zumindest abschnittsweise parallel verlaufen. Die Blende bzw. Aperturblende kann in einer objektseitigen Brennebene des Objektivs angeordnet sein. Folglich kann das Objektiv auch ein teilweise telezentrisches Objektiv sein.
-
Die Blende kann eine Spaltblende sein. Dadurch, dass eine Flächenkamera verwendet wird, ist es bereits ausreichend, wenn die Blende eine Spaltblende ist, die in Richtung der Längsachse der Flächenkamera angeordnet bzw. ausgerichtet ist.
-
Das Objektiv kann eine Frontlinse aufweisen, die als eine Sammellinse und/oder als ein Achromat ausgebildet ist. Der Achromat kann aus zumindest zwei Linsen zusammengesetzt sein, wobei die Linsen des Achromats miteinander verklebt oder lediglich unter Ausbildung eines sehr dünnen Luftspalts ineinander gesetzt sind. Der Luftspalt zwischen den Linsen kann beispielsweise bis zu 100 µm betragen. Dadurch wird es möglich, besonders kostengünstig einen Achromat auszubilden und auf ein Verkleben der Linsen zu verzichten. Durch die Verwendung eines Achromats wird es möglich Farbfehler oder Verzeichnungsfehler zu korrigieren.
-
Die Frontlinse kann eine zylindrische oder sphärische Linse sein. Ggf. ist es ausreichend, als Frontlinse alleine eine zylindrische Linse zu verwenden, da lediglich ein Lichtspalt in der Bildebene bzw. das Zeilenbild abgebildet werden muss. Durch die Verwendung der zylindrischen Linse wird es möglich, Kosten bei der Herstellung des Inspektionssystems einzusparen.
-
Die Frontlinse kann kreissegmentförmig mit zwei koaxialen und parallelen Begrenzungsflächen ausgebildet sein. Wenn die Frontlinse eine zylindrische Linse ist, können die Ränder der Frontlinse soweit abgetrennt werden, dass eine stabförmige Linse verbleibt, die eine Hauptachse der zylindrischen Linse mit einschließt. Wenn die Frontlinse eine sphärische Linse ist, können auch Begrenzungsflächen an den äußeren Enden der Frontlinse parallel ausgebildet sein, wobei die Frontlinse dann nur näherungsweise einem Kreissegment entsprechen kann. Mittels einer derart ausgebildeten stabförmigen Frontlinse wird es möglich, einen Bauraum neben der Erfassungseinheit im Vergleich zu einer vollständig kreisförmigen Frontlinse einzusparen und diesen Bauraum dann zur Anordnung der Projektionsvorrichtung bzw. einer Beleuchtungseinrichtung zu nutzen. Das Inspektionssystem wird dann besonders kompakt ausbildbar.
-
Ein Kreissegment der Frontlinse kann eine Tiefe von < 20 mm, vorzugsweise 10 mm aufweisen, wobei die Frontlinse eine Breite von > 250 mm, vorzugsweise 180 mm aufweisen kann. Unter der Breite der Frontlinse kann auch ein Durchmesser der Frontlinse verstanden werden. Die Tiefe der Frontlinse kann einem Relativabstand der parallelen Begrenzungsflächen entsprechen.
-
Die optische Erfassungsvorrichtung kann zumindest eine zweite Erfassungseinheit mit einer zweiten Flächenkamera, einem zweiten dispersiven oder diffraktiven Element und einem zweiten Objektiv aufweisen, wobei die Flächenkameras relativ zueinander in Richtung ihrer Längsachsen fluchtend angeordnet sein können, wobei die Flächenkameras, in einem Abstand relativ zueinander, derart angeordnet sein können, dass die von den Flächenkameras in einer gemeinsamen Erfassungsebene von der Objektebene erfassbaren jeweiligen Zeilenbilder der Flächenkameras abschnittsweise überlappen können, wobei mittels der Verarbeitungsvorrichtung die überlappenden Zeilenbilder zu einem Kombinationszeilenbild zusammensetzbar bzw. kombinierbar sein können, wobei mittels der Verarbeitungsvorrichtung aus einer Mehrzahl von Kombinationszeilenbildern ein Analysebild des Produkts ableitbar sein kann.
-
Die zweite Erfassungseinheit der optischen Erfassungsvorrichtung kann so mit der zweiten Flächenkamera und dem zweiten Objektiv angeordnet sein, dass die Flächenkameras in einer Reihe, bezogen auf ihre Längsachsen, und damit quer zu der Bewegungsrichtung positioniert sind. Die Flächenkameras können dabei in einem Abstand relativ zueinander, jedoch benachbart angeordnet sein. Die Zeilenbilder in der Objektebene sind dabei vergleichsweise größer, als die Zeilenbilder in der Bildebene der Flächenkamera, sodass es dann möglich wird, die Erfassungseinheiten bzw. Flächenkameras so anzuordnen, dass die jeweiligen Zeilenbilder der Flächenkameras an ihren Längsenden abschnittsweise überlappen, d. h. dass mit den Flächenkameras übereinstimmende Abschnitte (b) der Produktoberfläche jeweils erfasst werden können. Die Verarbeitungsvorrichtung kann so eingerichtet sein, dass sie diese überlappenden Zeilenbilder zu einem Kombinationszeilenbild zusammensetzen bzw. kombinieren kann. So wird es prinzipiell möglich, durch eine Aneinanderreihung von Flächenkameras bzw. Erfassungseinheiten ein Inspektionssystem auszubilden, welches eine nahezu beliebig große Erfassungsbreite (E) aufweist. Eine Gesamtbreite eines Produkts kann dann in einem Scandurchgang erfasst werden, wobei die Kombinationszeilenbilder zu dem Analysebild des Produkts mittels der Verarbeitungsvorrichtung zusammengesetzt werden können.
-
Das Kombinationszeilenbild kann in der Objektebene eine Erfassungsbreite (E) aufweisen, die größer ist als eine erfassbare Breite (B) des Zeilenbildes in der Objektebene. Folglich überdecken sich die jeweiligen Zeilenbilder nicht vollständig, sondern nur in einem Überdeckungsabschnitt (b). Beispielsweise kann der Überdeckungsabschnitt 1 mm bis 3 mm groß sein.
-
Eine erfassbare Breite (B) des Zeilenbildes in der Objektebene kann größer sein als ein Durchmesser (D) des Objektivs oder eine Länge (L) der Flächenkamera. Somit wird es überhaupt erst möglich, Flächenkameras mit fluchtenden Längsachsen nebeneinander anzuordnen und dennoch ein ungeteiltes Kombinationszeilenbild zu erhalten. Unter dem Durchmesser des Objektivs wird ein maximales Außenmaß des Objektives und unter der Länge der Flächenkamera eine maximale Außenlänge der Flächenkamera verstanden.
-
Eine optische Achse des Objektivs kann relativ zu der Objektebene und quer zu der Bewegungsrichtung orthogonal angeordnet sein, wobei ein konvergenter Strahlengang des Objektivs unter einem Winkel α > 80° und < 90° relativ zu der Objektebene verlaufen kann. Durch den konvergenten Strahlengang des Objektivs wird es dann möglich die Zeilenbilder der Objektebene abschnittsweise in Überdeckung zu bringen, und gleichzeitig die Erfassungseinheiten nebeneinander, ggf. mit einem Zwischenraum beabstandet anzuordnen. Die optischen Achsen der jeweiligen Objektive können dann in der Erfassungsebene parallel angeordnet sein.
-
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Zeilenbilder 1 mm bis 3 mm überlappen. Die Verarbeitungsvorrichtung kann dann so eingerichtet sein, dass die Zeilenbilder anhand übereinstimmender Pixel in den Überlappungsbereichen zu dem Kombinationszeilenbild zusammengesetzt werden. Durch die Addition der Zeilenbilder in dem Überlappungsbereich wird es möglich, in dem Überlappungsbereich eine besonders gute Abbildungsqualität zu erzielen. Ggf. kann dann auch das Objektiv im Randbereich seiner erfassbaren Breite Abbildungsfehler aufweisen, die dann tolerierbar sind.
-
Die Projektionsvorrichtung kann eine Beleuchtungseinrichtung aufweisen, wobei mittels der Beleuchtungseinrichtung diffuses Licht auf das Produkt projizierbar sein kann, wobei am Produkt in der Erfassungsebene reflektiertes Licht des diffusen Lichts mittels der Flächenkamera erfassbar sein kann. Die Beleuchtungseinrichtung kann einen Diffusor aufweisen, mittels dem eine homogene Verteilung des Lichts auf der Produktoberfläche bei gleichzeitiger Vermeidung starker Kontraste erzielt werden kann. Die Beleuchtungseinrichtung kann Licht der Wellenlängenbereiche Rot, Grün und Blau (RGB), Infrarot (IR) und/oder Ultraviolett (UV) emittieren. Auch kann vorgesehen sein, Farbanteile des Lichts beliebig auszuwählen, um bestimmte Wellenlängenbereiche zu mischen. Die Beleuchtungseinrichtung kann jeweils aus einer Anzahl von Leuchtioden (LED) in einer Reihenanordnung oder einer Matrixanordnung ausgebildet sein. Weiter kann vorgesehen sein, dass die Beleuchtungseinrichtung einen Polarisationsfilter aufweist.
-
Die Projektionsvorrichtung kann eine zweite Beleuchtungseinrichtung aufweisen, wobei die erste und die zweite Beleuchtungseinrichtung relativ zur optischen Erfassungsvorrichtung koaxial angeordnet sein können. Die Beleuchtungseinrichtungen können ebenfalls quer bzw. orthogonal zu der Bewegungsrichtung des Produkts angeordnet sein. So wird eine eventuelle Bildung von Schatten auf der Produktoberfläche vermieden. Die zweite Beleuchtungseinrichtung kann dabei in ihrem Aufbau der ersten Beleuchtungseinrichtung entsprechen.
-
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Fehleranalyse eines Produkts, insbesondere eines Leiterplattenprodukts, Halbleiterwafer oder dergleichen, mit einem Inspektionssystem, welches eine Projektionsvorrichtung, eine optische Erfassungsvorrichtung und eine Verarbeitungsvorrichtung umfasst, wird mittels einer Spektrometereinrichtung der Projektionsvorrichtung Weißlicht in seine spektralen Bestandteile aufgeteilt und ein derart aus monochromatischen Lichtstahlen gebildeter multichromatischer Lichtstrahl unter einem Einfallswinkel β auf ein Produkt projiziert, wobei die optische Erfassungsvorrichtung eine Erfassungseinheit mit einer Flächenkamera und einem Objektiv aufweist, wobei in einer quer, vorzugsweise orthogonal zu einer Produktoberfläche des Produkts verlaufenden Erfassungsebene der Erfassungseinheit ein multichromatischer Lichtstrahl am Produkt reflektiert wird, der mittels der Flächenkamera erfasst wird, wobei der reflektierte multichromatische Lichtstrahl mittels eines dispersiven oder diffraktiven Elements der Erfassungseinheit, welches in der Erfassungsebene in dem Objektiv oder zwischen dem Objektiv und dem Produkt angeordnet ist, auf eine Bildebene der Flächenkamera projiziert wird, wobei mittels der Verarbeitungsvorrichtung aus einer räumlichen Verteilung von Sättigungswerten des reflektierten multichromatischen Lichtstrahls in der Bildebene, einer Position der optischen Erfassungseinheit relativ zum Produkt und dem Einfallswinkel β eine Höheninformation der Produktoberfläche abgeleitet wird. Hinsichtlich der vorteilhaften Wirkungen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf die Vorteilsbeschreibung des erfindungsgemäßen Inspektionssystems verwiesen.
-
Mittels der Verarbeitungsvorrichtung können von zumindest drei, vorzugsweise fünf Sensorzeilen der Flächenkamera mit den höchsten Sättigungswerten gleichzeitig Zeilenbilder erfasst werden. Beispielsweise ist es dann auch möglich zumindest zwei der Sensorzeilen bzw. deren Zeilenbilder einander zu überlagern, um ein qualitätsoptimiertes, einzelnes Zeilenbild zu erhalten. Gleichzeitig wird dann auch eine zu verarbeitende Datenmenge gering sein, was eine schnelle Verarbeitung der Bilddaten und damit einen schnellen Scan des Produkts ermöglicht. Durch die Überlagerung der Zeilenbilder wird es möglich lediglich ein Zeilenbild von dem reflektierten multichromatischen Lichtstrahl mit der Flächenkamera zu erfassen. Die Flächenkamera wird daher gleichzeitig zur Topografiebestimmung und zur Auswahl gut verwertbarer Zeilenbilder verwendet.
-
Mittels einer weiteren Projektionsvorrichtung des Inspektionssystems kann Licht mit einem von der Projektionsvorrichtung abweichenden Wellenlängenbereich oder einem übereinstimmenden Wellenlängenbereich emittiert wird, wobei mit der Flächenkamera gleichzeitig Zeilenbilder in den Wellenlängenbereichen der Projektionsvorrichtung und der weiteren Projektionsvorrichtung erfasst werden können.
-
Die Bildebene bzw. eine Abbildung in der Bildebene der Flächenkamera kann daher mittels der Verarbeitungseinrichtung hinsichtlich Farbton, Helligkeit und/oder Sättigung analysiert werden. Die Bildinformationen können insbesondere zur Analyse der Materialart und Verteilung verwendet werden, da verschiedene Materialien verschiedene H-, S- und V-Werte aufweisen. Eine Auswahl eines Farbraums kann in Abhängigkeit von den zu analysierenden Materialien erfolgen, wobei als Basis ein RGB-Farbraum dienen kann.
-
Mittels der Verarbeitungseinrichtung kann aus dem Analysebild ein Material, eine Materialeigenschaft und/oder eine geometrische Struktur des Produkts bestimmt werden und/oder ein Vergleich des Analysebilds mit einem Referenzbild erfolgen. Weitere Material-Strukturinformationen eines Produkts können gewonnen werden, wenn mittels der Verarbeitungsvorrichtung Zeilenbilder des Analysebildes überlagert und ausgewertet werden. Dabei können dann beispielsweise zwei Zeilenbilder einer übereinstimmenden Produktfläche mittels Bildverarbeitung der Verarbeitungsvorrichtung kombiniert werden. Optional kann auch eine Beleuchtung mittels der Spektrometereinrichtung in einer Abfolge erfolgen. Dabei wird zunächst eine erste Analysebildaufnahme bei alleine einer Beleuchtung in einem Wellenlängenbereich und nachfolgend eine zweite Analysebildaufnahme alleine bei einer Beleuchtung in einem davon abweichenden Wellenlängenbereich einer überstimmenden Produktfläche aufgenommen. Abschließend werden die Analysebilder mittels Bildverarbeitung kombiniert. Weiter kann im Rahmen einer Fehleranalyse mittels der Verarbeitungsvorrichtung ein Vergleich von Analysebildinformation bzw. Analysebildern mit Referenzbildern erfolgen. Die Referenzbilder des Produkts können CAD-Daten und Materialverteilungsdaten des Produkts umfassen. Der Vergleich kann durch Bildverarbeitung erfolgen, wobei für unterschiedliche Strukturen des Produkts jeweils getrennt voneinander Differenzbilder analysiert werden können. Weiter können diese Materialinformationen mit Höheninformationen kombiniert werden, um beispielsweise eine Leiterbahn eindeutig zu identifizieren. Die Referenzbildinformationen können demnach sämtliche geometrische Daten des Produkts, Materialinformationen, Bauteilinformationen und auch Höheninformationen umfassen. Weichen die Analysebildinformationen von den Referenzbildinformationen ab, kann ein Fehler signalisiert werden.
-
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens ergeben sich aus den Merkmalsbeschreibungen der auf den Vorrichtungsanspruch zurückbezogenen Unteransprüche.
-
Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Figur näher erläutert. Die Figur zeigt eine vereinfachte Prinzipdarstellung einer Ausführungsform eines Inspektionssystems 26 in einer Seitenansicht. Das Inspektionssystem 26 weist eine Flächenkamera 27 auf. Weiter ist eine Erfassungsvorrichtung 28 mit einer Erfassungseinheit 29, umfassend die Flächenkamera 27, ein Objektiv 30 und ein dispersives Element 31, zusammen mit einer Projektionsvorrichtung 32 dargestellt. Die Projektionsvorrichtung 32 weist eine Lichtquelle 33, die Weißlicht emittiert, eine Blende 34 und ein weiteres dispersives Element 35 auf. Das weitere dispersive Element 35 ist als ein weiteres Prisma 36 ausgebildet, mittels dem ein multichromatischer Lichtstrahl 37 auf eine Produktoberfläche 38 quer zu einer mit einem Pfeil 39 gekennzeichneten Bewegungsrichtung des hier nicht näher darstellten Produkts, projiziert wird.
-
Das Objektiv 30 umfasst eine Linsenanordnung 40, die hier schematisch dargestellt ist, eine Frontlinse 41 sowie eine bildseitig angeordnete Blende 42. Die Blende 42 ist insbesondere als eine Spaltblende 43 ausgebildet. Die Frontlinse 41 ist kreissegmentförmig ausgebildet und weist zwei parallele und koaxial zu einer optischen Achse 44 angeordnete Begrenzungsflächen 45 auf. Die optische Achse 44 verläuft durch eine Erfassungsebene 46 der Erfassungseinheit 29, wobei die Erfassungsebene 46 relativ zu der Produktoberfläche 38, welche einer Objektebene 47 entspricht, orthogonal angeordnet ist. Der multichromatische Lichtstrahl 37 fällt somit unter einem Winkel β relativ zur Erfassungsebene 46 auf die Produktoberfläche 38 bzw. die Objektebene 47 und wird von dort in das Objektiv 30 reflektiert. Zwischen dem Objektiv 30 und der Produktoberfläche 38 ist das dispersive Element 31 angeordnet, welches als ein Prisma 48 ausgebildet ist. Das Prisma 48 dispergiert das in das Objektiv 30 eintretende Licht und projiziert es über das Objektiv 30 auf die Flächenkamera 27 bzw. deren Bildebene 49. Weiter kann auch alleine oder ergänzend ein weiteres optisches Element, welches hier nicht dargestellt ist, zwischen dem Objektiv 30 und der Bildebene 49 auf der optischen Achse 44 angeordnet sein, welches die longitudinale chromatische Aberration korrigiert.
-
Aufgrund einer räumlichen Verteilung des reflektierten multichromatischen Lichtstrahls 37 auf der Flächenkamera 27 wird mittels hier nicht dargestellten Verarbeitungsvorrichtung eine Höheninformation der Produktoberfläche 38 relativ zu der Flächenkamera 27 abgeleitet. Dazu werden hier nicht näher dargestellte Sensorzeilen der Flächenkamera 27, die parallel zu der Erfassungsebene 46 verlaufen, ausgewertet, wobei fünf Sensorzeilen mit den höchsten bzw. maximalen Sättigungswerten erfasst werden. Aus einer Lage der Sensorzeilen relativ zu der Erfassungsebene 46 und dem Einfallswinkel β kann dann die Höheninformation errechnet werden. Weiter wird mittels der Verarbeitungsvorrichtung eine Überlagerung der Sensorzeilen bzw. deren Zeilenbilder durchgeführt. Diese Zeilenbilder werden wiederum zu einem Analysebild des Produkts zusammengesetzt.
-
Weiter kann eine hier andeutungsweise dargestellte weitere Projektionsvorrichtung 50 des Inspektionssystems 26 vorgesehen sein. Die weitere Projektionsvorrichtung 50 ist vom Aufbau identisch mit der Projektionsvorrichtung 32 und relativ zu der Erfassungsebene 46 mit der Projektionsvorrichtung 32 symmetrisch angeordnet. Insbesondere ist die weitere Projektionsvorrichtung 50 ebenfalls mit dem Einfallswinkel β relativ zu der Erfassungsebene 46 positioniert. Mit der weiteren Projektionsvorrichtung 50 wird Licht mit einem von der Projektionsvorrichtung 32 abweichenden Wellenlängenbereich auf die Produktoberfläche 38 emittiert. Mit der Flächenkamera 27 können dann gleichzeitig Zeilenbilder in den jeweiligen Wellenlängenbereichen der Projektionsvorrichtung 32 und der weiteren Projektionsvorrichtung 50 erfasst werden. So können alleine mit einer einzigen Bildaufnahme zumindest zwei dreidimensionale Bilder der Produktoberfläche 38 generiert werden. Da beide dreidimensionalen Bilder auf Licht mit unterschiedlichen Wellenlängenbereichen basieren, können weitere Merkmale der Produktoberfläche sowie eine noch genauere Höheninformation erhalten werden.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
