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HINTERGRUND
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Leiterplatten, die elektronische Schaltungen sowie diskrete elektronische Komponenten tragen, sind wohlbekannt. Ein Leiterplattensubstrat ist mit vorbestimmten Leiterbahnen und Kontaktstellen zum Aufnehmen der Zuleitung einer elektronischen Komponente in der Art von ICs, Widerständen oder Kondensatoren versehen. Während des Leiterplatten-Herstellungsprozesses werden Lötpastenblöcke angeeigneten Positionen auf dem Leiterplattensubstrat angeordnet. Die Lötpaste wird gewöhnlich durch Anordnen eines Siebs auf dem Substrat, Aufbringen von Lötpaste durch die Sieböffnungen und Entfernen des Siebs von dem Substrat aufgebracht. Die elektronischen Komponenten der Leiterplatte werden dann vorzugsweise mit einer aufnehmenden und anordnenden Maschine auf dem Substrat positioniert, wobei die Zuleitungen der elektronischen Komponenten auf den jeweiligen Lötpastenblöcken angeordnet werden. Nachdem alle Komponenten auf einem Substrat angeordnet wurden, wird die Leiterplatte durch einen Ofen geführt, um die Lötpaste zu schmelzen und dadurch eine elektrische und mechanische Verbindung zwischen den Komponenten und dem Substrat zu erzeugen.
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Mit der zunehmenden Betonung der Miniaturisierung in der Elektronikindustrie ist die Größe der Lötpastenblöcke immer kleiner geworden und die Genauigkeit, mit der sie auf dem Substrat angeordnet werden müssen, immer höher geworden. Die Höhen. der Lötpastenblöcke können lediglich 100 Mikrometer betragen, und sie müssen häufig innerhalb 1 der vorgesehenen Höhe und Größe gemessen werden. Der Abstand von Mitte zu Mitte zwischen Lötmittelblöcken beträgt manchmal 200 Mikrometer. Zu wenig Lötpaste kann dazu führen, dass keine elektrische Verbindung zwischen der Zuleitung einer elektronischen Komponente und der Kontaktstelle des Leiterplattensubstrats hergestellt wird. Zu viel Paste kann zu einer Überbrückung und einem Kurzschließen zwischen den Zuleitungen einer Komponente führen.
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Die Herstellung einer einzigen Leiterplatte kann Tausende oder sogar Zehntausende von Dollars kosten. Das Testen einer Leiterplatte nach Abschluss des Herstellungsprozesses kann Fehler in der Anordnung der Lötpaste und von Komponentenzuleitungsverbindungen feststellen, häufig ist die einzige Maßnahme bei einer fehlerhaften Leiterplatte jedoch das Wegwerfen der ganzen Platte. Es ist dementsprechend unbedingt notwendig, dass eine Leiterplatte während des Herstellungsprozesses inspiziert wird, so dass eine unangemessene Lötpastenanordnung vor der Anordnung der elektronischen Komponenten auf dem Substrat festgestellt werden kann. Diese während des Prozesses erfolgende Lötmittelinspektion verringert die Ausfallkosten, weil bis dahin noch keine kostspieligen Komponenten auf der Leiterplatte angeordnet worden sind. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind auf eine Vielzahl automatischer optischer Inspektionen in Bezug auf die Elektronikherstellung anwendbar. Wichtige Inspektionen umfassen die Lötpasteninspektion, die Klebstoffinspektion, die Komponenteninspektion nach deren Anordnung, die Inspektion der Koplanarität der Zuleitungen und der Lötkügelchen usw.
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Das
US-Patent 6 750 899 , das dem Erwerber der vorliegenden Anmeldung erteilt ist, sieht ein Höhentopologie-Inspektionssystem vor, das in der Lage ist, die Größe und Höhe von Lötpaste durch Projizieren von Licht durch ein Retikel, so. dass ein Lichtmuster auf einen Bereich der gedruckten Leiterplatte projiziert wird, festzustellen. Ein Leiterplattentransport positioniert die Leiterplatte an mindestens zwei verschiedenen Positionen, wobei jede Position einer anderen Phase des projizierten Lichts entspricht. An jeder Position wird ein Bild erfasst, das jeder jeweiligen Positionsphase entspricht. Die Relativbewegung zwischen dem Sensor und der Leiterplatte wird gemessen, und ein Prozessor überlagert die mindestens zwei Bilder und konstruiert mit den überlagerten Bildern ein Höhenkartenbild. Das Höhenkartenbild wird dann zum Feststellen der Größe und der Höhe der Lötpaste auf einer Leiterplatte verwendet.
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Wenngleich das
US-Patent 6 750 899 einen wichtigen Beitrag zur Technik der Höhentopologieinspektion darstellt, gibt es noch Raum für Verbesserungen. Dementsprechend verbessern Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die nachstehend beschrieben werden, im Allgemeinen den im
US-Patent 6 750 899 vorgestellten Entwurf.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Es wird ein Verfahren zum Kartographieren der Höhe eines Merkmals auf einer Testoberfläche bereitgestellt. Bei dem Verfahren wird eine strukturierte Beleuchtung auf das Merkmal projiziert, wobei die strukturierte Beleuchtung mehrere verschiedene Streifenperioden aufweist. Ein erstes Bild des Merkmals wird erfasst, während die strukturierte Beleuchtung auf das Merkmal projiziert wird. Es wird dann eine Relativbewegung zwischen einem Sensor und dem Merkmal erzeugt, um eine relative Verschiebung um einen Bruchteil eines Gesichtsfelds eines Detektors zu bewirken, wobei der Bruchteil in etwa gleich dem Kehrwert der Anzahl der verschiedenen Bereiche eines das Muster erzeugenden Retikels ist. Dann wird ein zweites Bild des Merkmals erfasst, während die strukturierte Beleuchtung auf das Merkmal projiziert wird. Die Höhenkarte wird auf der Grundlage mindestens des ersten und des zweiten Bilds erzeugt.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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1 ist eine schematische Ansicht eines Höhentopologie-Inspektionssystems, mit dem Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendbar sind.
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2 ist eine schematische Ansicht eines auf eine flache Oberfläche projizierten Retikelmusters eines Profilometers aus dem Stand der Technik.
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3 ist eine schematische Ansicht eines gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung projizierten Mehrphasen-Retikelmusters.
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4 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur dreidimensionalen Abbildung einer Testoberfläche unter Verwendung mehrphasigen strukturierten Lichts gemäß einer. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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5 ist ein Zeitablaufdiagramm, das die Y-Achsen-Sensorverschiebung und die Streifenbilderfassung über die Zeit gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
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6 ist eine schematische Ansicht eines gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung projizierten Mehrphasen-Retikelmusters.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG ALS BEISPIEL DIENENDER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwenden im Allgemeinen eine Technik zum Kartographieren oder auf andere Weise erfolgenden Messen der Höhe eines Merkmals in der Art von Lötpaste auf einer Leiterplatte. Die dreidimensionale Phasenprofilometrie ist eine bekannte Technik. Es sei beispielsweise auf die
US-Patente 6 049 384 und
6 750 899 verwiesen, die dem Erwerber der vorliegenden Anmeldung erteilt sind. Im Wesentlichen wird ein Lichtmuster auf ein Substrat projiziert und ist analog mit dem Muster dunkler und heller Bereiche, die durch Sonnenlicht, das durch eine Jalousie hindurchtritt, auf einen Fußboden geworfen wird. Ebenso wie das durch eine Jalousie hindurchtretende Sonnenlicht auf einem flachen Fußboden ein Muster paralleler, gerader Streifen bildet, weist das Lichtmuster auf einer flachen Oberfläche parallele, gerade Streifen auf, deren Intensität sich jedoch entsprechend dem Sinusmuster der Durchlässigkeit des Retikels ändert. Um die Analogie mit durch eine Jalousie hindurchtretendem Sonnenlicht fortzusetzen, sei bemerkt, dass das Streifenmuster von Sonnenlicht bei Betrachtung von oben seitlich verschoben wird, wenn ein Objekt (in der Art einer schlafenden Katze) mit einer von der Höhe des flachen Fußbodens verschiedenen Höhe getroffen wird. Weil das Licht unter einem Winkel zur Ebene einer flachen Oberfläche auf diese projiziert wird, ist das auf der flachen Oberfläche vorhandene Streifenmuster seitlich gegenüber dem Vorhandensein eines Objekts verschoben, dessen Höhe von der Höhe der flachen Oberfläche verschieden ist.
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1 zeigt ein Höhentopologie-Inspektionssystem 10, das einen Prozessor 14, ein X-Y-Bewegungssystem 16 und ein optisches Sensorsystem 18 aufweist. Zu Erläuterungszwecken ist das Höhentopologie-Inspektionssystem 10 ein Lötpasten-Inspektionssystem, Fachleute werden jedoch erkennen, dass das System 10 auch für andere geeignete Typen von Topologieinspektionen verwendet werden kann. Das Lötpasten-Inspektionssystem 10 ist durch ein Netzwerk 21 oder dergleichen mit einer Host-Vorrichtung 19 verbindbar, um Informationen zu senden und zu empfangen, die sich auf die Lötinspektion auf gedruckten Leiterplatten beziehen. Beispielsweise kann das System 10 Ortsinformationen empfangen, die sich auf spezifische Lötpastenorte und ihr jeweiliges Nennvolumen beziehen. Vorzugsweise befindet sich der Prozessor 14 innerhalb eines Mikrocomputers 12, der eine bekannte Vorrichtung mit einer Eingabe in der Art einer Tastatur und einer Maus und einer Ausgabe in Form eines Videobildschirms ist. Zusätzlich weist der Mikrocomputer 12 vorzugsweise eine Industriestandardarchitektur und einen Mikroprozessor auf. Ein Beispiel ist ein Personalcomputer, auf dem ein Microsoft Windows®-Betriebssystem läuft und der einen Intel Pentium®-Prozessor aufweist.
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Der Prozessor 14 ist vorzugsweise auf einer Computerperipheriekarte mit einem Industriestandard-Formfaktor ausgeführt. Ferner ist der Prozessor 14 vorzugsweise dafür eingerichtet, durch einen Standard-Peripheriekomponentenverbindungs-Bus (Peripheral Component Interconnect (PCI) bus) mit dem Mikrocomputer 12 verbunden zu werden. Der Prozessor 14 kann Daten dann unter Verwendung eines bekannten Direktspeicherzugriffs-(Direct Memory Access (DMA))-Übertragungsverfahrens zum Mikrocomputer 12 und von diesem übertragen, um eine schnelle Datenübertragung zu ermöglichen.
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Der Prozessor 14 empfängt die digitalen Videodaten von der Analog/Digital-Elektronik 48 und führt an diesen Daten eine Anzahl von Funktionen aus. Beispielsweise löst der Prozessor 14 das Sensorsystem 18 aus, um Bilder auf der Grundlage von Encodern 24 über eine Leitung 20 empfangener Encoder-Informationen zu erfassen. Der Prozessor 14 kommuniziert auch mit dem Sensorsystem 18, um seine Betriebsart (d. h. hohe Auflösung gegenüber hohe Geschwindigkeit) zu steuern. Der Prozessor 14 empfängt zuvor digitalisierte Videodaten vom Sensorsystem 18, um sie in einem Rahmenpuffer (nicht dargestellt) zu speichern. Der Prozessor 14 bearbeitet die digitalisierten Videobilder, um bezüglich Fehlern in dem jeweiligen CMOS-Array 46 im Sensorsystem 18 zu korrigieren. Der Prozessor 14 wird auch verwendet, um Effekte bekannter optischer Verzerrungen auf der Höhenkarte zu kompensieren.
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Der Prozessor 14 ist mit dem X-Y-Bewegungssystem 16 über die Leitung 20 verbunden. Das X-Y-Bewegungssystem 16 weist auch X- und Y-Motoren (nicht dargestellt) auf, welche die Leiterplatte 22 in Bezug auf die X- und die Y-Achse positionieren. Die X- und Y-Motoren sind wirkungsmäßig mit X- und Y Encodern (in Block 24 schematisch dargestellt) verbunden, um dem Prozessor 14 Daten zuzuführen, welche die Position der Leiterplatte entlang der X- und der Y-Achse angeben. Bewegungsbefehle werden über eine Leitung 25 zum System 16 gesendet. Das System 16 ist außerordentlich stabil, und seine Bewegung wird über die Strecke, die erforderlich ist, um mindestens zwei Phasenbilder zu erfassen, die zum Erzeugen einer Höhenkarte verwendet werden, auf innerhalb etwa eines Bruchteils einer Pixelgröße gesteuert. Falls das System 16 nicht ausreichend stabil ist, kann eine zusätzliche Verarbeitung in der Elektronik erforderlich sein, um eine entsprechende Genauigkeit und Wiederholbarkeit bereitzustellen. Gemäß einer Ausführungsform hat jeder der Linear-Encoder, der von Renishaw gekauft werden kann, vorzugsweise eine Auflösung von etwa 0,5 μm. Demgemäß bewegen der Computer 12 und das X-Y-Bewegungssystem 16 die Leiterplatte 22 nach Wunsch in Zusammenarbeit an den Pfeilen 7 bzw. 8 in X- und Y-Richtung.
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Das optische Sensorsystem 18 weist ein Kamerasystem 30 und ein Projektionssystem 28 auf. Das Kamerasystem 30 weist eine Kameralinse 31, einen CMOS-Detektor 46 und einen Satz von A/D-Elektroniken 48 auf. Das Projektionssystem 28 weist eine Blitzlampe 38, einen Kondensor 40, ein Retikel 41 und eine Projektorlinse 42 auf. Alle Komponenten innerhalb des Systems 18 sind innerhalb eines Gehäuses für das System befestigt. Das System 18 ist fest an einem Verschiebetisch (nicht dargestellt) angebracht, um eine z-Bewegung zur Fokussteuerung bereitzustellen.
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Das Projektionssystem
28 projiziert mehrere Phasen strukturierten Lichts auf Lötpastenmerkmale
36. Die Blitzlampe
38 ist vorzugsweise eine mit Xenongas gefüllte Hochgeschwindigkeits-Stroboskoplampe, die breitbandiges weißes Licht projiziert. Eine Hochgeschwindigkeits-Entladungsschaltung (nicht dargestellt) innerhalb des Gehäuses
18 treibt die Lampe
38, wenn Zeitsignale über einen Kanal
34 die Lampe
38 mehrere Male innerhalb eines kurzen Zeitraums, vorzugsweise mindestens eine Millisekunde zwischen Strobe-Signalen, um zu gewährleisten, dass die Blitzlampe stabil bleibt, auslösen. Hochgeschwindigkeits-Entladungsschaltungen, die in der Lage sind, innerhalb einer so kurzen Zeit drei Blitze bereitzustellen, sind entscheidend, um einen hohen Systemdurchsatz zu gewährleisten. Ein Beispiel einer solchen Hochgeschwindigkeits-Entladungsschaltung ist im
US-Patent 6 593 705 mit dem Titel ”Rapid-Firing Flashlamp Discharge Circuit”, das auf den Erwerber der vorliegenden Anmeldung übertragen ist und auf das hiermit verwiesen sei, vorgestellt. Andere Typen von Beleuchtungsquellen, wie ein gepulster Laser oder eine gepulste LED, sind mit der vorliegenden Erfindung verwendbar, solange sie in der Lage sind, innerhalb des bevorzugten Zeitraums aufeinander folgende Pulse kurzer Dauer und hoher Energie bereitzustellen. Die Kondensorlinse
40 sammelt Licht von der Blitzlampe
38 und leitet es durch das Retikel
41 zur Projektorlinse
42, welche auf einer Testoberfläche
36 sinusförmig variierende Streifenbilder bildet. Vorzugsweise weist das Retikel
41 ein astigmatisches Muster auf und ist die Projektorlinse astigmatisch, wobei sie gemeinsam zuverlässig sinusförmig variierende astigmatische Muster mit einer geringen harmonischen Verzerrung bilden.
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Das Projektorlinsensystem 28 ist vorzugsweise in der Hinsicht doppelt telezentrisch, dass es im Retikelraum und im Zielraum (bei Lötpastenablagerungen 36 auf der Leiterplatte 22) telezentrisch ist. Die doppelt telezentrische Eigenschaft ist wichtig, weil sie es ermöglicht, dass die Höhen-, Volumen- und Flächenberechnungen unabhängig vom Ort der Lötpaste innerhalb des Gesichtsfelds und der Fokustiefe sind. Diese Eigenschaft ermöglicht auch eine geringere Verzerrung des Systems insgesamt, was wichtig ist, weil sich das Ziel zwischen Belichtungen bewegt.
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Das Kamerasystem 30 betrachtet die projizierten Streifen auf dem Ziel der Lötpastenablagerungen 36 und erfasst und digitalisiert Bilder in rascher Folge. Das Kamerasystem 30 weist kein Gitter auf, wie es in Moiré-Interferometriesystemen enthalten ist. Vorzugsweise ist das Kamerasystem 30 im Zielraum selbst telezentrisch und weist aus den vorstehend angegebenen Gründen eine geringe Verzerrung auf. Die Größe des Gesichtsfelds wird so ausgewählt, dass die Feldabdeckung maximiert wird, während noch eine ausreichende Auflösung des Ziels aufrechterhalten wird. Das CMOS-Array 46 ist vorzugsweise ein Megapixel-Array und als solches in der Lage, Lötpastenmerkmale mit feinen Einzelheiten zu inspizieren. Beispielsweise können Lötmittelmerkmale für Komponenten, wie eine Chip Scale Package (CSP) oder ein Mikrokügelchengitter-Array, inspiziert werden. Durch Abtasten oder Kombinieren von Daten von individuellen Pixeln werden jedoch größere äquivalente Pixel erzeugt, wodurch die Inspektion bei höheren Geschwindigkeiten erleichtert wird. Dieses größere effektive Pixel ermöglicht Hochgeschwindigkeitsanwendungen und kann demgemäß die nachfolgende Verarbeitungszeit verringern. Gemäß einer Ausführungsform kann der Inspektionsmodus für verschiedene Lötpastenmerkmale auf derselben Leiterplatte auf der Grundlage des Typs der Komponenten, die in verschiedenen Bereichen der Leiterplatte 22 vorgefunden werden, schnell zwischen dem Modus hoher Auflösung und dem Modus hoher Geschwindigkeit umgeschaltet werden. Daher verwendet das optische Sensorsystem 18 in derselben Einheit eine Fähigkeit zu zwei Auflösungen.
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Eine Beschränkung früherer Phasenprofilometrieverfahren zur Bestimmung der Höhe einer Oberfläche ist der Phasenumlauf. Der Phasenumlauf erzeugt Höhenmehrdeutigkeiten infolge der zyklischen Natur der Phasenrekonstruktionstechnik. Dieses Problem ist bei Oberflächen, die Höhenvariationen aufweisen, welche größer sind als die Phasenperiode des Sensors, sowie bei Oberflächen, die diskontinuierliche Stufenhöhenprofile aufweisen, besonders lästig. Versuche zum Lösen dieses Problems umfassen im Allgemeinen das Hinzufügen eines zweiten Sensors oder die Modifikation der Streifenfrequenz innerhalb des Bildquellengenerators. Das Hinzufügen eines zweiten Sensors ist ein kostspieligerer Ansatz, weil zwei getrennte optische Wege benötigt werden. Zusätzlich werden die Kosten des Profilometers durch Hinzufügen eines Verfahrens zum Ändern der Streifenfrequenz mit dem gleichen Bildquellengenerator erhöht, und es sind mehrere Lesezyklen der Empfangskamera nötig, wodurch die Datenerfassungsrate des Sensors verringert wird.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung überwinden im Allgemeinen die Mängel früherer Versuche und stellen ein dreidimensionales Bildgebungssystem bereit, das ohne zusätzliche Kosten und ohne eine Geschwindigkeitsbeeinträchtigung einen stark erweiterten Umfang der effektiven Höhe hat.
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2 ist eine schematische Ansicht eines auf eine flache Oberfläche projizierten Retikelmusters eines Profilometers aus dem Stand der Technik. Wie ersichtlich ist, besteht das Muster 100 aus mehreren parallelen Linien veränderlicher Dunkelheit, die vorzugsweise unter einem Winkel von 45° in Bezug auf die Richtung der Relativbewegung zwischen dem Profilometer und dem Werkstück angeordnet sind. Der Abstand zwischen den Zyklen des Musters in 2 wird als die Streifenperiode angesehen.
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3 ist eine schematische Ansicht eines gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung projizierten Mehrphasen-Retikelmusters. Wie in 3 ersichtlich ist, weist das Retikelmuster 200 in der Hinsicht einige Ähnlichkeiten zum Retikelmuster 100 auf, dass es aus einer Anzahl paralleler Linien besteht, die im Allgemeinen unter einem Winkel in Bezug auf die Richtung der Relativbewegung zwischen dem Sensor und der Leiterplatte stehen. Wie in 3 ersichtlich ist, weist das Retikelmuster 200 jedoch mehrere verschiedene Phasenregionen auf. Insbesondere weist der Bereich 202 eine verhältnismäßig kurze Streifenperiode auf, wodurch eine sehr hohe Genauigkeit ermöglicht wird, er weist jedoch auch eine verhältnismäßig geringe Umlaufhöhe auf. Der Bereich 204 ist angrenzend an den Bereich 202 angeordnet und weist eine Streifenperiode auf, die von der Streifenperiode des Bereichs 202 verschieden, in diesem Fall größer, ist. Wie in 3 dargestellt ist, sind die verschiedenen Bereiche 202, 204 vorzugsweise miteinander ausgerichtet. Ferner ist die Größe der jeweiligen Streifenbereiche 202, 204 vorzugsweise gleich. Diese Präferenz bleibt selbst dann bestehen, wenn zusätzliche Streifenbereiche die andere Streifenperioden aufweisen, verwendet werden. Falls beispielsweise drei Bereiche verwendet werden, ist es zweckmäßig, dass jeder der drei Bereiche die gleiche Größe hat.
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Die Auswahl der verschiedenen Streifenperioden für die verschiedenen Bereiche ist wichtig. Beispielsweise kann eine Streifenperiode für eine grobe Höhenkartographierung verhältnismäßig groß sein. Solange die Grobhöhenkartographierungsfunktion eine Höhe innerhalb der Umlaufhöhe der zweiten Streifenperiode bestimmen kann, ist sie nützlich. Demgemäß kann eine erste Streifenperiode sehr genau sein, jedoch eine Umlaufhöhe von nur 1 mm aufweisen. Dann kann eine zweite Streifenperiode eine Umlaufhöhe von 9 mm aufweisen, jedoch in der Lage sein, die Höhe auf innerhalb 1 mm zu bestimmen. Wie verständlich sein wird, kann die Genauigkeit der kleineren Streifenperiode durch Hebeln der beiden gegeneinander verwendet werden, um eine sehr genaue Höhenkartographierung innerhalb des gesamten Höhenbereichs der größeren Streifenperiode zu erhalten. Es werden auch andere Kombinationen verschiedener Streifenperioden erwogen.
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In dem vorstehenden Beispiel weist nur eine der Streifenperioden die sehr feine Höhengenauigkeit auf, und die andere wird zur groben Höhenbestimmung verwendet. Es können jedoch zwei verhältnismäßig ähnliche Streifenperioden verwendet werden, um möglicherweise eine eindeutige Präzisionshöhenkarte über eine Strecke bereitzustellen, die größer ist als die Umlaufhöhe jeder einzelnen Streifenhöhenkarte. Demgemäß ermöglicht eine Streifenperiode mit einer Umlaufhöhe von 1 mm, die mit einer zweiten Streifenperiode mit einer Umlaufhöhe von 1,2 mm verwendet wird, dass jede zu der genauen Höhenkartographierung beiträgt und eine Umlaufhöhe von 6 mm bereitgestellt wird. Dies liegt daran, dass innerhalb der Höhe von 6 mm die anhand der Kombination der jeweiligen Streifenperioden abgeleiteten Höheninformationen nur zu einer einzigen Höhe innerhalb des 6-mm-Höhenbereichs aufgelöst werden.
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4 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur dreidimensionalen Abbildung einer Testoberfläche unter Verwendung mehrphasigen strukturierten Lichts gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Zum Erfassen von Bildern wird der Sensor 18 entlang der Y-Achse 8 in Bezug auf die Testoberfläche 22 bewegt, wie in 1 dargestellt ist. Das Verfahren 300 beginnt in Block 302, von wo aus die Steuerung zu Block 304 übergeht. In Block 304 wird die Höhenabtastvorrichtung initialisiert. Diese Initialisierung kann das Auf-Null-Setzen jeglicher geeigneter Variablen und/oder Register sowie das Starten des Bewegungsprofils einschließen. Sobald die Initialisierung abgeschlossen wurde, geht die Steuerung zu Block 306, wo der Sensor zu einem ”nächsten” Ort bewegt wird. Dieser Ort ist der Ort eines Merkmals auf der zu testenden Oberfläche. Im Allgemeinen ist dies der Ort einer Lötpastenablagerung, es könnte sich jedoch auch um jeden geeigneten Ort handeln, für den eine Höhenkarte erwünscht ist. Sobald der Sensor richtig positioniert wurde, beginnt Block 308, wobei es sich um den Gesamt-Höhenbild-Erfassungsprozess handelt. Innerhalb des Blocks 308 wird in Block 310 zuerst ein erstes Bild erfasst (Bild A). Block 310 weist Unterschritte 310A, 310B und 310C auf. In Block 310A wird die Streifenbeleuchtungsvorrichtung ausgelöst. In diesem Schritt wird eine Beleuchtung, vorzugsweise eine Strobe-Beleuchtung, durch ein Retikel, beispielsweise das Retikel 41, das zwei verschiedene Streifenmuster aufweist, gefeuert. Die Beleuchtungsvorrichtung wird vorzugsweise durch Stufen-Encoder 24 ausgelöst, wenn der Sensor positioniert wurde, um das erste Streifenbild zu erfassen. Hierdurch werden zwei verschiedene Muster innerhalb des Gesichtsfelds des CMOS-Sensors 46 erzeugt. In Block 310B wird auf das Streifenbild 1A zugegriffen, und es wird gespeichert. In Block 310C wird auf das Streifenbild 2A zugegriffen, und es wird gespeichert. Auf diese Weise projiziert die Beleuchtungsvorrichtung für eine Einzelbilderfassung das Bild des Retikels auf die Testoberfläche, und ein Bild wird auf der Bereichs-Array-Bilderzeugungsvorrichtung erfasst. Das Bild wird von der Bilderzeugungsvorrichtung heruntergeladen und im Speicher der Steuereinrichtung gespeichert. Dementsprechend werden die Streifenbilder 1A und 2A gleichzeitig erfasst, weil sie sich innerhalb desselben Gesichtsfelds des CMOS-Detektors 46 befinden.
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Nachdem Bild A in Block 310 erfasst wurde, geht die Steuerung zu Block 312, wo das System wartet, bis die nächste Phasenposition bereit ist. Hierbei kann gewartet werden, bis ein Bewegungssteuersystem eine Relativbewegung zwischen dem Werkstück und dem Sensor erzeugt oder bis ein sich bewegender Schlitten das Werkstück um eine ausreichende Strecke bewegt hat. Es ist wichtig zu bemerken, dass die zwischen der Erfassung von Bild A in Block 310 und Bild B in Block 314 auftretende Bewegung in einer einzigen Richtung in der Art der in den 2 und 3 angegebenen Richtung verläuft.
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In Block 314 wird Bild B erfasst. Ebenso wie Block 310 weist Block 314 Unterschritte 314A, 314B und 314C auf. In Block 314A wird die Streifenbeleuchtungsvorrichtung ausgelöst. In diesem Schritt wird eine Beleuchtung, vorzugsweise eine Strobe-Beleuchtung, durch ein Retikel, beispielsweise das Retikel 41, das zwei verschiedene Streifenmuster aufweist, gefeuert. Hierdurch werden zwei verschiedene Muster innerhalb des Gesichtsfelds des CMOS-Sensors 46 erzeugt. In Block 314B wird auf das Streifenbild 1B zugegriffen, und es wird gespeichert. In Block 314C wird auf das Streifenbild 2B zugegriffen, und es wird gespeichert. Die Streifenbilder 1B und 2B werden gleichzeitig erfasst, weil sie sich innerhalb desselben Gesichtsfelds des CMOS-Detektors 46 befinden.
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Nachdem Bild B in Block 314 erfasst worden ist, geht die Steuerung zu Block 316, wo das System wartet, bis die nächste Phasenposition bereit ist.
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In Block 318 wird Bild C erfasst. Ebenso wie die Blöcke 310 und 314 weist Block 318 Unterschritte 318A, 318B und 318C auf. In Block 318A wird die Streifenbeleuchtungsvorrichtung ausgelöst. In diesem Schritt wird eine Beleuchtung, vorzugsweise eine Strobe-Beleuchtung, durch ein Retikel, beispielsweise das Retikel 41, das zwei verschiedene Streifenmuster aufweist, gefeuert. Hierdurch werden zwei verschiedene Muster innerhalb des Gesichtsfelds des CMOS-Sensors 46 erzeugt. In Block 318E wird auf das Streifenbild 1C zugegriffen, und es wird gespeichert. In Block 318C wird auf das Streifenbild 2C zugegriffen, und es wird gespeichert. Die Streifenbilder 1C und 2C werden gleichzeitig erfasst, weil sie sich innerhalb desselben Gesichtsfelds des CMOS-Detektors 46 befinden.
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In den Blöcken 320 und 322 wird das N-te Höhenbild für die Streifen 1 bzw. 2 berechnet. Als nächstes wird in Block 324 das für den Streifen 1 berechnete N-te Höhenbild mit dem (N – 1)-ten Höhenbild für das Streifenbild 2 kombiniert, um ein Höhenbild mit einem erweiterten Bereich zu erzeugen. Die Steuerung geht dann zu Block 326, wo das System feststellt, ob die Abtastung vollständig ist. Falls die Abtastung vollständig ist, geht die Steuerung zu Block 328, wo das Verfahren endet. Falls die Abtastung jedoch nicht vollständig ist, kehrt die Steuerung über eine Linie 330 zu Block 306 zurück, und das System geht zum ”nächsten” Ort (N + 1). Ferner ist die Bewegung zwischen dem aktuellen Ort (N) und dem ”nächsten” Ort vorzugsweise ein Bruchteil des Gesichtsfelds des CMOS-Detektors. Bei Ausführungsformen, bei denen mehr als zwei verschiedene Streifenperioden verwendet werden, gleicht der Bruchteil vorzugsweise in etwa dem Kehrwert der Anzahl verschiedener Bereiche des das Muster erzeugenden Retikels.
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Durch Projizieren von mehr als einer Streifenperiode können die zwei oder mehr Streifenperiodenbereiche durch die Bereichs-Array-Bilderzeugungsvorrichtung erfasst und getrennt als zwei verschiedene Höhenkarten verarbeitet werden. Für jeden Bilderfassungszyklus stellen die von den zwei oder mehr Bereichen des Streifenbilds erzeugten zwei oder mehr Höhenbilder verschiedene Bereiche der Testoberfläche dar. Weil sich der Sensor in Bezug auf die Testoberfläche bewegen muss, ist jeder der durch die beiden Streifenperioden definierten Bereiche jedoch in der Lage, ein Bild der Testoberfläche zu erfassen, wenn die Bildbereiche verschiedener Streifenperiode entlang der Achse der Sensorbewegung ausgerichtet sind. Sobald die Höheninformationen für eine Testoberfläche durch jede der Streifenperioden erfasst wurden, können die einzelnen Höhenbilder verglichen und kombiniert werden, um den Höhenbereich der Messung über die Umlaufhöhe eines einzigen Streifenbilds hinaus zu erweitern.
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5 ist ein Zeitablaufdiagramm, das die Y-Achsen-Sensorverschiebung und die Streifenbilderfassung über die Zeit gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in
5 ersichtlich ist, wird am Zeitrahmen t
0 ein Retikelbild mit den Streifenmustern 1 und 2 an einer Position y
0 projiziert. Während dieses Retikelbild projiziert wird (Streifen 1 und 2), werden zwei oder vorzugsweise drei Bilder variierender Phasen erfasst. Wie im
US-Patent 6 750 899 dargestellt ist, haben diese Bilder eine Phasendifferenz (wobei beispielsweise drei Bilder bei einer Phasendifferenz von 120 Grad erfasst werden), die es ermöglicht, dass eine Höhenkarte in Bezug auf den ersten Zeitrahmen konstruiert wird. Wie in
5 ersichtlich ist, dauern die Bilderfassungen während des Zeitrahmens t
0 nicht bis zum Zeitrahmen t
1, und es gibt vielmehr eine zeitliche Verzögerung zwischen t
0 und t
1, während derer sich der Sensor entlang der Y-Achse zur nächsten Position bewegt. Diese Verzögerung wird mit Bezug auf Block
306 in
4 beschrieben. Vorzugsweise bewegt sich der Sensor so, dass die während des Zeitrahmens t
1 erfassten Bilder einen Überlappungsabschnitt im Sensorgesichtsfeld mit den während des Zeitrahmens t
0 erfassten Bildern aufweisen. In der Darstellung überlappt das Streifenmuster 1 im Zeitrahmen t
1 das Streifenmuster 2 des Zeitrahmens t
0. Wie auch in
5 dargestellt ist, wird dieser Prozess fortgesetzt, bis der Sensor die gesamte Y-Achse abgetastet oder auf andere Weise sensoriell erfasst hat.
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6 ist eine schematische Ansicht eines gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung projizierten Mehrphasen-Retikelmusters. Das Muster 400 weist drei verschiedene Bereiche auf. Insbesondere weist das Muster 400 die Bereiche 402, 404 und 406 auf. Wie in 6 ersichtlich ist, ist der Bereich 404 ein Höhenkartenbereich mit einer kleineren Streifenperiode als die Bereiche 402, 406. Wenn der Bereich 404 demgemäß auf eine Testoberfläche projiziert wird, können feine Höhendetails sichergestellt werden. Weil das Werkstück jedoch möglicherweise nicht wirklich flach liegt, kann einer der Bereiche 402, 404 verwendet werden, um die Höhe vor der Erfassung eines bildtragenden Bereichs 404 grob zu bestimmen. Dies ermöglicht das Einstellen der Sensor-Z-Höhe, im einen besseren Fokus für das Höhenkartenbild bereitzustellen. Sobald die z-Höhe eingestellt oder bestätigt wurde, wird ein Bild des Bereichs 404 auf der Testoberfläche erfasst. Dies ermöglicht es dem System, den Fokus dynamisch zu ändern, um eine Leiterplatte oder ein Werkstück zu verfolgen, das nicht wirklich flach liegt, und dennoch sehr genaue Höhenkarten für Merkmale auf diesem Werkstück bereitzustellen. Zusätzlich sind zwei Streifenbilder vorhanden, um zu ermöglichen, dass die ”Fokussierungsinformationen” vor dem Feinauflösungsretikel liegen, wodurch eine Bewegung in beide Richtungen ermöglicht wird.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bieten im Allgemeinen eine Anzahl von Vorteilen. Beispielsweise kann der verwendbare Bereich der Phasenprofilometer-Höhenmessung vergrößert werden, ohne die Auflösung zu verringern. Ferner können die gleichen Projektor-, Bilderfassungs- und Bildverarbeitungsmechanismen verwendet werden, um die Absoluthöhe zu messen und/oder einen spezifischen Phasenzyklus in dem Höhenbild, der zum Entwickeln der zyklischen Höhenmessung verwendet wird, zu identifizieren. Ferner wird keine zusätzliche Belichtungszeit benötigt, um die zusätzlichen Höheninformationen zu bestimmen. Auch wird angenommen, dass keine zusätzliche Hardware benötigt wird, um mehrere Streifenperioden zu projizieren. Diese mehreren Streifenperioden können durch dieselben optischen Systeme projiziert und erfasst werden. Die mehreren Streifenperioden können gleichzeitig erfasst werden, wodurch die Erfassungszeit verringert wird, die normalerweise mit dem Erfassen mehrperiodiger Streifenprojektionen in stationären Phasenprofilometern verbunden ist.
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Wenngleich die vorliegende Erfindung mit Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, werden Fachleute verstehen, dass Änderungen an der Form und den Einzelheiten vorgenommen werden können, ohne vom Grundgedanken und vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Wenngleich der Bilddetektor 46 beispielsweise als ein CMOS-Detektor beschrieben wurde, kann jeder beliebige geeignete Detektor in der Art eines CCD-Detektors verwendet werden.
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Zusammenfassung
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Es ist ein Verfahren (300) zum Kartographieren der Höhe eines Merkmals (36) auf einer Testoberfläche (22) vorgesehen. Bei dem Verfahren wird eine strukturierte Beleuchtung auf ein Merkmal (36) projiziert (310A), wobei die strukturierte Beleuchtung mehrere verschiedene Streifenperioden aufweist. Ein erstes Bild des Merkmals wird erfasst (310), während die strukturierte Beleuchtung auf das Merkmal (36) projiziert wird. Es wird dann eine Relativbewegung zwischen einem Sensor und dem Merkmal (36) erzeugt, um eine relative Verschiebung um einen Bruchteil eines Gesichtsfelds eines Detektors (46) zu bewirken, wobei der Bruchteil gleich etwa dem Kehrwert der Anzahl der verschiedenen Bereiche eines das Muster erzeugenden Retikels ist. Dann wird ein zweites Bild des Merkmals erfasst (314), während die strukturierte Beleuchtung auf das Merkmal (36) projiziert wird. Die Höhenkarte wird auf der Grundlage zumindest des ersten und des zweiten Bilds erzeugt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6750899 [0004, 0005, 0005, 0013, 0035]
- US 6049384 [0013]
- US 6593705 [0019]
