DE112008002282T5

DE112008002282T5 - Verfahren zur Inspektion von Leiterplatten durch Multispektralanalyse

Info

Publication number: DE112008002282T5
Application number: DE112008002282T
Authority: DE
Inventors: Romain Ramel; François Amblard
Original assignee: VIT SAS
Current assignee: VIT SAS
Priority date: 2007-08-24
Filing date: 2008-07-31
Publication date: 2010-07-22
Also published as: WO2009050349A4; WO2009050349A3; FR2920227A1; FR2920227B1; WO2009050349A2

Abstract

Verfahren zur Inspektion von Leiterplatten,
dadurch gekennzeichnet, dass
es die folgenden Schritte umfasst:
– eine Leiterplatte (8) aufeinanderfolgend Strahlungen unterschiedlicher Wellenlänge (λ1, λ2, λ3, λ4) aussetzen,
– Erstellen von reflektierten Bildern (4) der Leiterplatte für die aufeinanderfolgenden Strahlungen,
– Unterteilen der Bilder (4) in Analysezonen (5) und Zuweisen reflektierter Strahlungswerte an die Analysezonen,
– Bilden einer Signatur jeder Analysezone (5), indem jeder Analysezone die entsprechenden reflektierten Strahlungswerte zugeordnet werden, die für die aufeinanderfolgenden Strahlungen erhalten werden,
– Vergleichen der Signaturen mit Referenzsignaturen (18).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Inspektion von Leiterplatten sowie die entsprechende Vorrichtung.
Hintergrund der Erfindung
Es ist bekannt, dass bei der Herstellung einer Leiterplatte mit oberflächenmontierten Bauelementen kontrolliert werden muss, dass die Bauelemente ordentlich positioniert sind und dass die Lötstellen ordentlich ausgebildet sind. Um diese Inspektion durchzuführen, ist es bekannt, optische Systeme zu verwenden, die eine oder mehrere Kameras aufweisen, welche Aufnahmen der zu prüfenden Leiterplatten sicherstellen und welche mit einer Verarbeitungseinheit verbunden sind, um eine Unterteilung der erhaltenen reflektierten Bilder in Analysezonen durchzuführen, und die anschließend einen Vergleich mit Referenzbildern sicherstellen, um die defekten Zonen zu bestimmen.
Angesichts der sehr geringen Abmessungen der heutigen Bauelemente ist es notwendig, die Bilder der Objekte, die von der Kamera aufgenommen werden, in Analysezonen zu unterteilen, deren Abmessung bezogen auf das Objekt höchstens 20 μm beträgt. Angesichts des Öffnungswinkels, der notwendig ist, um das Bild eines Objekts zu bilden, ist es nicht möglich, Farbkameras mit einer Auflösung dieser Größenordnung zu verwenden, so dass die Inspektion mittels einer Schwarz- Weiß-Kamera durchgeführt wird, die Graustufenvariationen zwischen den verschiedenen Analysezonen erfasst.
Wenn man jedoch eine Leiterplatte einer Strahlung einer gegebenen Wellenlänge aussetzt, erscheinen bestimmte Bauelemente, die sich farblich unterscheiden, in derselben Graustufe, so dass es in diesem Fall nicht möglich ist, zwei aneinandergrenzende Analysezonen zu unterscheiden, was zu einer Ungenauigkeit bei der Formerkennung führt.
Um diesen Missstand abzuschwächen, wurde vorgeschlagen, die Leiterplatte Strahlungen unterschiedlicher Einfallswinkel auszusetzen, die projizierte Schatten bilden, die von der Größe der Bauelemente abhängig sind. In bestimmten Fällen weist der projizierte Schatten jedoch eine Graustufe auf, die mit der angrenzenden Analysezone identisch ist, so dass der projizierte Schatten selbst nicht erkennbar ist.
Aufgabe der Erfindung
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung vorzuschlagen, die eine bessere Unterscheidung der bei einer Inspektion der Leiterplatte zu kontrollierenden Formen ermöglichen.
Kurzdarstellung der Erfindung
Im Hinblick auf die Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Inspektion von Leiterplatten vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass es die folgenden Schritte umfasst:

– eine Leiterplatte aufeinanderfolgend Strahlungen jeweils unterschiedlicher Wellenlänge aussetzen,
– Erstellen von reflektierten Bildern der Leiterplatte für die aufeinanderfolgenden Strahlungen,
– Unterteilen der Bilder in Analysezonen und Zuweisen reflektierter Strahlungswerte an die Analysezonen,
– Bilden einer Signatur jeder Analysezone, indem mit jeder Analysezone die entsprechenden reflektierten Strahlungswerte zugeordnet werden, die für die aufeinanderfolgenden Strahlungen erhalten werden,
– Vergleichen der Signaturen mit Referenzsignaturen.

Wenn folglich dieselbe Leiterplatte Strahlungen unterschiedlicher Wellenlänge ausgesetzt wird, ändern sich die Kontraste zwischen den Bauelementen in Abhängigkeit von der Wellenlänge, so dass, selbst wenn es nicht möglich ist, eine Unterscheidung zwischen zwei Analysezonen bei einem Aussetzen mit einer ersten Strahlung vorzunehmen, es im Allgemeinen möglich ist, eine Unterscheidung zwischen den beiden Zonen vorzunehmen, wenn die Strahlung eine andere Wellenlänge aufweist, so dass es durch Bereitstellen einer ausreichenden Anzahl von Strahlungen verschiedener Wellenlänge möglich ist, in die mit jeder Analysezone verknüpfte Signatur eine Information zu integrieren, die es ermöglicht, diese Analysezone von den umgebenden Analysezonen zu unterscheiden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung werden die Strahlungen ferner mit verschiedenen Einfallswinkeln emittiert.
Somit wird die Fähigkeit, die Analysezonen voneinander zu unterscheiden, erhöht.
Bevorzugt wird eine der Strahlungen mit einer infraroten oder infrarotnahen Wellenlänge emittiert.
Gemäß einem anderen vorteilhaften Gesichtspunkt der Erfindung umfasst das Verfahren eine Lernphase, welche die folgenden Schritte umfasst:

– eine Referenzleiterplatte aufeinanderfolgend Strahlungen jeweils unterschiedlicher Wellenlänge aussetzen,
– Erstellen von reflektierten Bildern der Referenzleiterplatte für die aufeinanderfolgenden Strahlungen,
– Unterteilen der Bilder in Analysezonen und Zuweisen reflektierter Strahlungswerte an die Analysezonen,
– Bilden einer Referenzsignatur jeder Analysezone, indem jeder Analysezone die entsprechenden reflektierten Strahlungswerte zugeordnet werden, die für die aufeinanderfolgenden Strahlungen erhalten werden,
– und Speichern der Referenzsignaturen.

Bevorzugt umfassen die Referenzsignaturen Signaturelemente, die für Bereiche definiert werden, indem auf die reflektierten Referenzstrahlungswerte, die für ein und dieselbe Form erzielt werden, ein Koeffizient in Abhängigkeit von einer Standardabweichung dieser reflektierten Strahlungswerte angewendet wird. Die Qualität des Vergleichs wird somit durch eine Beseitigung der Variationen verbessert, die nur mit Unterschieden der Oberflächenbeschaffenheit der identischen Bauelemente oder der Lötstellen, deren Formdefinition identisch ist, zusammenhängen.
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung, die Mittel umfasst, um das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden nach dem Durchlesen der nachstehenden Beschreibung eines speziellen nicht einschränkenden Ausführungsbeispiels der Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Figuren hervorgehen. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Inspektion von Leiterplatten;
2 ein Diagramm, das die typischen Spektren von drei Elementen gemäß der Wellenlänge der verwendeten Strahlung veranschaulicht;
3 ein Diagramm, das den Schritt des Vergleichens von verschiedenen Signaturen mit einer Referenzsignatur veranschaulicht.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Mit Bezug auf 1 umfasst die erfindungsgemäße Inspektionsvorrichtung auf an sich bekannte Art und Weise eine Kamera 1, die mit einem Objektiv 2 versehen ist, das einem Sensor 3 zugeordnet ist, im Allgemeinen einem digitalen Matrixsensor, der ein Objektbild 4 erzeugt, das in Analysezonen 5 unterteilt ist, die im Fall eines digitalen Matrixsensors durch die Pixel definiert werden, die der Auflösung des Sensors entsprechen.
Ebenfalls auf an sich bekannte Art und Weise sind der Kamera eine Beleuchtungsmatrix 6, die aus Leuchtdioden besteht, die gegenüber einem halbtransparenten Plättchen 7 angeordnet sind, um die Strahlung der Dioden von der Matrix 6 axial zu der zu inspizierenden Leiterplatte 8 zurückzustrahlen, und Beleuchtungsmatrizen 9, die angeordnet sind, um eine seitliche Beleuchtung mit einem Einfallswinkel von 40° bis 60° zur Achse der Kamera auszuführen, zugeordnet.
Erfindungsgemäß umfassen die Beleuchtungsmatrizen Leuchtdioden, die Strahlungen jeweils unterschiedlicher Wellenlänge emittieren. Bei dem abgebildeten bestimmten Beispiel umfassen die Beleuchtungsmatrizen 9 eine Gruppe von Leuchtdioden 10, die blaue Strahlung einer Wellenlänge λ1 von 470 nm emittieren, die Matrix 6 umfasst eine Gruppe von Leuchtdioden 11, die grüne Strahlung einer Wellenlänge λ2 von 525 nm emittieren, die Matrizen 9 umfassen Leuchtdioden 12, die rote Strahlung einer Wellenlänge λ3 von 630 nm emittieren, und die Matrix 6 umfasst eine Gruppe von Leuchtdioden 13, die infrarotnahe kurzwellige Farbstrahlung einer Wellenlänge λ4 von 680 nm emittieren.
Erfindungsgemäß umfasst die Vorrichtung auch eine Steuer- und Verarbeitungseinheit 14, um die aufeinanderfolgende Ansteurung der verschiedenen Leuchtdiodengruppen sicherzustellen und somit aufeinanderfolgende Bilder der Leiterplatte 8 mit verschiedenen Beleuchtungen zu erhalten.
Jedem Teil der Leiterplatte entspricht eine reflektierte Strahlung, die in Abhängigkeit von der Wellenlänge der ursprünglichen Strahlung variiert. 2 zeigt das reflektierte Strahlungsspektrum von drei verschiedenen Elementen einer Leiterplatte in Abhängigkeit der Wellenlänge der ursprünglichen Strahlung. Insbesondere zeigt 2 mit einer fett gedruckten Kurve 15 das reflektierte Strahlungsspektrum einer grünen gedruckten Schaltung in Abhängigkeit von der Wellenlänge der ursprünglichen Strahlung, mit einer gestrichelten Kurve 16 die Strahlung, die an einem gelben Bauelement reflektiert wird und mit einer dünn gedruckten Kurve 17 die Strahlung, die an einem schwarzen Bauelement reflektiert wird. Es ist ersichtlich, dass das Spektrum der gedruckten Schaltung eine reflektierte Strahlungsspitze für eine ursprüngliche Strahlung der Wellenlänge λ2 und eine höhere Stufe für eine ursprüngliche Strahlung der Wellenlänge λ4 aufweist, und zwar mit einem geringen Wert der reflektierten Strahlung für die ursprünglichen Strahlungen der Wellenlängen λ1 und λ3. Das Spektrum des gelben Bauelements weist einen geringen Wert für die ursprüngliche Strahlung der Wellenlänge λ1, einen steigenden Wert zwischen λ1 und λ2 und eine Stufe auf einem etwas niedrigeren Wert als dem der Stufe der gedruckten Schaltung, der jedoch einem im Wesentlichen konstanten Wert der reflektierten Strahlung für die ursprünglichen Strahlungen der Wellenlängen λ3 und λ4 entspricht, auf. Das schwarze Bauelement weist eine reflektierte Strahlung mit einem geringen Wert über den gesamten Bereich der ursprünglichen Strahlung von λ1 bis λ4 auf.
Die Erfindung besteht also darin, mit jeder Analysezone 5 des Bildes 4 eine Signatur zu verknüpfen, welche die verschiedenen reflektierten Strahlungswerte, die bei der Beleuchtung dieser Zone mit verschiedenen Strahlungen erhalten werden, kombiniert. Bei der Inspektion einer Leiterplatte werden die Eigenschaften einer Zone dann bestimmt, indem man die Signatur dieser während der Prüfung erzielten Zone mit einer zuvor gespeicherten Referenzsignatur vergleicht. Die so beobachteten Eigenschaften werden von den üblichen Formerkennungsalgorithmen verarbeitet.
Die Referenzsignaturen können erzielt werden, indem man einzeln jedes der Elemente einer Leiterplatte den verschiedenen vorgemerkten Strahlungen aussetzt und indem man die erhaltene Signatur speichert. Bevorzugt werden gemäß einem Gesichtspunkt der Erfindung die Referenzsignaturen während einer Lernphase erfasst, die ausgehend von einer oder mehreren Referenzleiterplatten durchgeführt wird, deren Übereinstimmung mit den Spezifikationen zuvor durch eine Sichtprüfung festgestellt wurde. Die Lernphase umfasst dabei die folgenden Schritte:

– eine Referenzleiterplatte aufeinanderfolgend Strahlungen jeweils unterschiedlicher Wellenlänge aussetzen,
– Erstellen von reflektierten Bildern der Referenzleiterplatte für die aufeinanderfolgenden Strahlungen,
– Unterteilen der Bilder in Analysezonen 5 und Zuweisen reflektierter Strahlungswerte, die von dem Sensor 3 gemessen werden, an die Analysezonen 5,
– Bilden einer Signatur jeder Analysezone 5, indem jeder Analysezone 5 die entsprechenden reflektierten Strahlungswerte zugeordnet werden, die für die aufeinanderfolgenden Strahlungen erhalten werden, und
– Speichern der Referenzsignaturen.

Um die Variationen zu berücksichtigen, die zwischen den reflektierten Strahlungen von ein und demselben Bauelement oder von einer mit den Spezifikationen übereinstimmenden Lötstelle vorliegen können, werden die Referenzsignaturen bevorzugt ausgehend von Messungen definiert, die an mehreren gleichartigen Referenzelementen (Bauelement, Kartenteil, Lötstelle) festgestellt werden, d. h. die definiert werden, um die gleichen reflektierten Strahlungswerte für jede der ursprünglichen Strahlungen zu ergeben. Die Referenzsignaturen werden dann in Form von Bereichen 18 definiert (siehe 3), die gemäß den Bandsegmenten, die der Standardabweichung der gemessenen Werte entsprechen, die mit einem Koeffizienten in Abhängigkeit von der zulässigen Toleranz für die Erkennung der Signatur für eine gegebene Zone versehen ist, definiert werden. Beispielhaft zeigt 3 die Bereiche, die durch geradlinige Segmente begrenzt sind, die +/– 2,58 mal der Standardabweichung der an der grünen gedruckten Schaltung bei den Aufnahmen beobachteten Werte entsprechen. Die Wahrscheinlichkeit, dass eine Analysezone, die zu der gedruckten Schaltung gehört, als solche erkannt wird, liegt dann bei 99%.
Bei der Inspektion einer Leiterplatte umfasst das eingesetzte Prüfungsverfahren dann die folgenden Schritte:

– eine Referenzleiterplatte aufeinanderfolgenden Strahlungen aussetzen, die von den Leuchtdioden mit den Wellenlängen λ1, λ2, λ3 und λ4 emittiert werden,
– Erstellen von reflektierten Bildern 4 der Leiterplatte 8 für die aufeinanderfolgenden Strahlungen,
– Unterteilen der Bilder 4 in Analysezonen 5 und Zuweisen reflektierter Strahlungswerte an die Analysezonen,
– dann Bilden einer Signatur jeder Analysezone 5, indem jeder Analysezone die entsprechenden reflektierten Strahlungswerte zugeordnet werden, die für die aufeinanderfolgenden Strahlungen erzielt werden, und
– Vergleichen der Signaturen mit den zuvor gespeicherten Referenzsignaturen. Bei Referenzsignaturen, deren Elemente durch Bereiche definiert werden, wie oben erwähnt, besteht der Vergleich darin, zu überprüfen, dass die Elemente der Signatur der zu überprüfenden Analysezone in die entsprechenden Bereiche einer Referenzsignatur fallen.

Beispielhaft zeigt 3 die Referenzsignatur der gedruckten Schaltung in Form von vier Bereichen 18 ab. Die kleinen Kreuze 19 und die kleinen Kreise 20 sind die Signaturen von zwei Analysezonen bei einer Inspektion. Es ist ersichtlich, dass jedes der Kreuze 19, die eine Signatur bilden, in der entsprechenden Definition der Referenzsignatur 18 enthalten ist. Die entsprechende Zone 5 ist somit ein Teil der gedruckten Schaltung. Die kleinen Kreise 20 bilden die Signatur eines gelben Bauelements. Der Vergleich mit der Referenzsignatur der gedruckten Schaltung zeigt, dass von den vier Elementen, welche die Signatur bilden, drei mit den Elementen zusammenfallen, die der Referenzsignatur der gedruckten Schaltung entsprechen, das vierte jedoch, das der Strahlung mit einer Wellenlänge λ3 entspricht, außerhalb des Referenzbereichs 18 liegt. Somit ist es möglich, eine Analysezone, die einem Teil der gedruckten Schaltung entspricht, von einer Analysezone, die dem gelben Bauelement entspricht, zu unterscheiden.
Es versteht sich angesichts der vorstehenden Erläuterungen, dass es zum angemessenen Identifizieren der Eigenschaften einer Analysezone notwendig ist, dass die Anzahl der Strahlungen, denen die Leiterplatte ausgesetzt wird, ausreichend sein muss, um eine Differenzierung der Spektralsignaturen zu erlauben. Eine große Anzahl von getrennten Strahlungen ermöglicht es also, eine bessere Differenzierung zu erzielen. Die Anzahl der Strahlungen, denen eine elektronische Karte ausgesetzt werden kann, ist jedoch durch die Aufnahmezeit eines Bildes begrenzt, angesichts der Zeit, die zur Durchführung einer Prüfung einer Karte eingeräumt wird. In der Praxis ist es möglich, eine zufriedenstellende Inspektion einer Leiterplatte ausgehend von vier Strahlungen mit verschiedenen Wellenlängen auszuführen, wobei die Anzahl der tatsächlich verwendeten Strahlungen von der Vielfalt der auf einer Leiterplatte montierten Bauelemente und den Schwierigkeiten, die beim Unterscheiden derselben auftreten können, abhängig ist.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, und es können Ausführungsvarianten entwickelt werden, ohne den Rahmen der Erfindung, wie er in den Ansprüchen definiert wird, zu verlassen.
Obwohl die Erfindung mit einer gleichzeitigen Umsetzung einer multispektralen Beleuchtung durch eine Verwendung von Strahlungen diverser Wellenlängen und einer strukturierten Beleuchtung durch die Verwendung einer Beleuchtung in verschiedenen Einfallswinkeln beschrieben wurde, kann die Erfindung insbesondere mit einer multispektralen Beleuchtung alleine umgesetzt werden, insbesondere falls die Kamera eine ausreichende Anzahl von Aufnahmen ermöglicht, um die Anzahl der verwendeten Strahlungen zu erhöhen. In diesem Fall ist es möglich, den Platzbedarf der Prüfungsvorrichtung zu reduzieren, indem einzig eine Axialbeleuchtung der Leiterplatte vorgenommen wird.
Obwohl die Erfindung unter Verwendung nur der Strahlungen in sichtbaren Farben beschrieben wurde, kann man auch eine Infrarotstrahlung verwenden, die es in manchen Fällen ermöglicht, die verschiedenen Elemente (Widerstand, Kapazität, Mikroprozessoren, Lötstellen, Anschlussfelder...), die auf der Leiterplatte zu beobachten sind, besser zu unterscheiden.
Zusammenfassung
Das Verfahren zur Inspektion von Leiterplatten umfasst die Schritte:

– eine Leiterplatte (8) aufeinanderfolgend Strahlungen unterschiedlicher Wellenlänge (λ1, λ2, λ3, λ4) aussetzen,
– Erstellen von reflektierten Bildern (4) der Leiterplatte für die aufeinanderfolgenden Strahlungen,
– Unterteilen der Bilder (4) in Analysezonen (5) und Zuweisen reflektierter Strahlungswerte an die Analysezonen,
– Bilden einer Signatur jeder Analysezone (5), indem jeder Analysezone die entsprechenden reflektierten Strahlungswerte zugeordnet werden, die für die aufeinanderfolgenden Strahlungen erhalten werden,
– Vergleichen der Signaturen mit Referenzsignaturen (18).

Für die Zusammenfassung ist 1 bestimmt.

Claims

Verfahren zur Inspektion von Leiterplatten, dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte umfasst: – eine Leiterplatte (8) aufeinanderfolgend Strahlungen unterschiedlicher Wellenlänge (λ1, λ2, λ3, λ4) aussetzen, – Erstellen von reflektierten Bildern (4) der Leiterplatte für die aufeinanderfolgenden Strahlungen, – Unterteilen der Bilder (4) in Analysezonen (5) und Zuweisen reflektierter Strahlungswerte an die Analysezonen, – Bilden einer Signatur jeder Analysezone (5), indem jeder Analysezone die entsprechenden reflektierten Strahlungswerte zugeordnet werden, die für die aufeinanderfolgenden Strahlungen erhalten werden, – Vergleichen der Signaturen mit Referenzsignaturen (18).
Verfahren zur Inspektion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungen in verschiedenen Einfallswinkeln emittiert werden.
Verfahren zur Inspektion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Strahlungen mit einer infraroten oder infrarotnahen Wellenlänge emittiert wird.
Verfahren zur Inspektion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Lernphase umfasst, welche die folgenden Schritte umfasst: – eine Referenzleiterplatte aufeinanderfolgend Strahlungen aussetzen, die voneinander unterschiedliche Wellenlängen (λ1, λ2, λ3, λ4) aufweisen, – Erstellen von reflektierten Bildern der Referenzleiterplatte für die aufeinanderfolgenden Strahlungen, – Unterteilen der Bilder (4) in Analysezonen (5) und Zuweisen reflektierter Strahlungswerte an die Analysezonen, – Bilden einer Referenzsignatur jeder Analysezone (5), indem jeder Analysezone die entsprechenden reflektierten Strahlungswerte zugeordnet werden, die für die aufeinanderfolgenden Strahlungen erhalten werden, – und Speichern der Referenzsignaturen.
Verfahren zur Inspektion nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzsignaturen gebildet werden, indem den reflektierten Strahlungswerten für jede Zone ein Koeffizient in Abhängigkeit von einer Standardabweichung der reflektierten Strahlungswerte für die Analysezonen, die gleichartigen Elementen entsprechen, zugeordnet wird.
Vorrichtung zur Inspektion von Leiterplatten, dadurch gekennzeichnet, dass sie folgendes umfasst: – Mittel (10, 11, 12, 13), die dazu vorgesehen sind, eine Leiterplatte (8) aufeinanderfolgend Strahlungen auszusetzen, die jeweils unterschiedliche Wellenlängen (λ1, λ2, λ3, λ4) aufweisen, – Mittel (3) zum Erstellen von reflektierten Bildern (4) der Leiterplatte für die aufeinanderfolgenden Strahlungen, – Mittel (3) zum Unterteilen der Bilder (4) in Analysezonen (5) und Zuweisen reflektierter Strahlungswerte an die Analysezonen (5), – Mittel (14) zum Bilden einer Signatur jeder Analysezone, indem jeder Analysezone die entsprechenden reflektierten Strahlungswerte zugeordnet werden, die für die aufeinanderfolgenden Strahlungen erhalten werden, und – Mittel (14) zum Vergleichen der Signaturen mit Referenzsignaturen.