JP2002515123A

JP2002515123A - 検査方法

Info

Publication number: JP2002515123A
Application number: JP53764898A
Authority: JP
Inventors: キング，スティーブン，ジョセフ; ルドロウ，ジョナサン，エドマンド; シュール，ジョージ
Original assignee: アキュイティーイメージングエルエルシー
Priority date: 1997-02-26
Filing date: 1998-01-29
Publication date: 2002-05-21
Also published as: CA2282498A1; DE69826837D1; AU6318298A; EP1174708A1; EP0963548A1; EP0963548A4; WO1998038498A1; EP0963548B1; KR20000075763A; US5926557A; AU734389B2

Abstract

(57)【要約】検査装置（１０）および検査方法は、電子部品（１４）または球状の表面または物品上の、一つまたはそれ以上のはんだ球のような反射要素（１２）を照射するために環状照明装置（２０）を用いる。該環状照明装置（２０）は、該一つまたはそれ以上の反射要素（１２）を実質的に均等に照らす、実質的に環状の光源（２４）を含む。照明検知装置（３０）は、反射像を形成するために、照射された反射要素（１２）から反射された光束（３２）を検知する。反射像処理方法には、照射された反射要素をあらわす各反射像要素（１１０）上の一つまたはそれ以上の点を位置検出することが含まれる。反射像要素上の該点は、反射像要素のパターンを検出するために、および／または、各はんだ球または他の反射要素の真直径のある既知の比率に対応する各像要素に輪郭（１２０）を一致させるために用いられる。それにより、該検査装置および検査方法は、各反射要素の有／無、位置、ピッチ、サイズおよび形状のような様々な特徴を決定する。

Description

【発明の詳細な説明】検査方法関連出願の相互参照本出願は、名称“検査装置”にて本発明の譲受人に譲渡された、１９９７年２月２６日付出願の米国特許出願番号０８／８０７，３９７（特許弁護士整理番号ＡＣＵＩＴＹ−００５ＸＸ）の、一部継続出願である。発明の分野本発明は、検査装置及び検査方法、特に環状照明装置を用いて表面および物体を検査する装置及び方法に関する。発明の背景デジタルデータ及び信号の処理技術によって、複雑な検査工程を人手をかけずに遂行するために、コンピュータをデータ処理装置として使用する技術が非常に発達してきた。ほぼすべての種類の製品が、こうした新しいデジタルデータ及び信号処理技術から得られた低コスト、高精度、高速の検査技術による利益を受けている。例えば、コンピュータ及び他の電子装置において、電子部品（チップ）間の電気的接続は、その装置の作用にとって重要である。最近の技術革新の結果、電子部品は小型化、複雑化しており、より狭い面積により多くの電気的接続をする必要がある。製造工程における電子部品の検査は、電気的接点が正しく形成されていることを確認する助けとなり、電子部品間の不良な電気的接続を防止する。例えば半導体チップは、そのチップ及び回路板上の電気的接点の間にはんだあるいは融剤を用いて、物理的及び電気的にプリント回路板に接続されていなければならない。電気的接点の一例として、プリント回路板上の対応する金属面あるいは金属パッドに電気的に接続されていなければならない、半導体チップ上の金属面あるいは金属パッドが挙げられる。通常、少量のはんだあるいは融剤がパッド上に置かれ、加熱及びリフローされて、対応するパッドとの間に機械的及び電気的接続が形成される。一般的なはんだ付けの方法は、電子部品のチップあるいは基板上の金属パッドの上に置かれる、予め形成された球状はんだ球グリッドアレイ（BGA）として一般に知られている―を用いることである。電子部品の小型化及び複雑化により、チップをプリント回路板に電気的に接続するために、そのチップあるいは基板上に、400個以上ものはんだ球を所定のパターンで正確に置く必要がある。はんだ球をチップあるいは基板上の金属パッドに載せて接着する工程中に、チップとプリント回路板の電気的接続に悪影響を与えるような多くの不良が生じ得る。はんだ球がパッドの一つに十分に密着していない場合、チップとプリント回路板との重要な接続ができないことになる。はんだ球の置き間違いもまた、接続不良及び／あるいは他の隣接するはんだ球あるいは金属パッドとの電気的短絡を招き得る。また、大きすぎるあるいは小さすぎる形成不良のはんだ球は、パッド上の正しい位置に適切に置かれたとしても、電気的接続不良を生じ得る。従って、はんだ球の検査は、はんだ球の適切な大きさと形を確保するとともに、電子部品間の接続を形成する前に、はんだ球のプリント回路板上の適切なパッドへの正確な載置及び接着を確実なものにするために重要なのである。検査はまた、確実な電気的接続を必要とする他の電子部品にも必要である。従来技術による検査方法の一つは、はんだ球あるいは他の電気的接点の欠陥を探すため、各チップ、プリント回路板、あるいは他の電子部品を人に目で見させることである。しかし、人による検査は、多くの時間を必要とし、不正確で、殊に電子部品の小型化及び接続の数が増加したことを考慮すると、検査者に負担をかけるものである。はんだ球や他の接点あるいは電子部品上の特徴を検査するのに、ビデオ装置も使用されてきた。このような装置では、環状ライトなどのライトが検査すべき電子部品の表面を照らす。カメラが、電子部品上のはんだ球あるいは接点から反射した光束を捉え、反射画像がモニタ上に表示される。従来技術による検査装置で使用される環状ライトは、電子部品上のはんだ球に十分な照明をすることができなかった。一つの問題は、検査される領域の周辺部に十分な強さの光束を当てることができないため、検査されるはんだ球のうち幾つかが照らされず、結局はんだ球の有無あるいは位置が不正確に判断される場合に生じる。他の問題は、一個のはんだ球が部分的にしか照らされず、そのはんだ球の実際の直径及び球状であるかどうかの正確な測定が妨げられる場合に生じる。他の検査装置は、チップに対して高い角度で光束を向けるため、検査されていない金属被覆されたパッド、基板表面、あるいは他の実質的に平らな反射面で光束が反射してしまう。ビデオカメラにより検知された照明画像では、はんだ球を金属パッドや他の実質的に平らな反射面から見分けるのが困難である。はんだ球の有無及びその状態（例えば、位置、直径、及び球状であるかどうか）を調べるために、照明画像を画像処理装置で処理し分析しなければならないのは、まさにこの問題のためである。他の環状ライトは、検査される部品の表面と平行に光束を向けるものであり、各電子部品の全表面を十分照らすには、その電子部品に向けてあるいはその周囲に置かれる必要がある。このタイプの環状ライトが、検査される電子部品の表面に向けておかれた場合、その部品は、特に端部が十分には照らされないであろう。従って、このタイプの環状ライトは、各電子部品が十分照らされるように、電子部品毎に位置を上げ下げしなければならず、多数の電子部品を、その製造工程中に連続して迅速に検査することはできない。他の問題点は、多くの従来技術による視覚的検査装置が、電子部品の照明画像を検査して、置き漏れ、置き間違い、あるいは形成不良のはんだ球などの欠陥を探すのに、やはり人手を必要とすることである。照明画像の視覚的検査では、やはりはんだ球の大きさ及び形の正確な測定ができない。従って、はんだ球あるいは他の反射物、反射面、あるいは反射要素を検査するための装置及び方法であって、すべての検査される反射要素を十分に照らし、検査されていない他のほぼ平坦な面を照らさずに、反射要素の正確な測定と検査が可能な装置及び方法が求められている。また、迅速かつ正確に、照らされた反射要素の有無を調べ、その位置を判断し、大きさ及び形、例えば直径及び必要であれば、突き出た物体が球状であるかどうかなどを測定する装置及び方法が求められている。発明の要旨本発明はまた、ほぼ平坦な表面上に突出部または貫入部のような一つまたはそれ以上の非平坦部を有する物品の、環状照明装置を用いた検査方法を特徴とする。該検査方法には、照明検知装置の視野内に非平坦部または突出部を有する物品を置くことと、視野を横切る実質的に均等な強度の光線を与えるように、環状照明装置からの環状光線を視野内の非平坦部または突出部に向かって照射することと、非平坦部または突出物の反射像を形成するために非平坦部または突出物から反射された光線を検知することと、検査情報を決定するための、非平坦部または突出物の反射像を処理することとが含まれる。望ましい方法は、電子部品上に配列したはんだ球を検査するために用いられる。検査情報には、配列したはんだ球における各はんだ球の有／無、各はんだ球の位置、はんだ球間のピッチ、奇形のはんだ球、各はんだ球の直径、及び各球の真円度が含まれると望ましいが、これらに限定される訳ではない。本発明はまた、照明反射要素パターンをあらわす反射像要素パターンを有する反射像の処理方法を特徴とする。該処理方法には、反射像における反射像要素パターンを検出すること、各反射像要素の少なくとも一つの寸法または特徴を決めるために該パターンにおける各反射像要素へ輪郭を合わせること、反射像要素パターンによってあらわされる照明反射要素に付随する検査情報を決定することが含まれる。反射像要素の位置を検出するステップには、反射像要素の一つまたはそれ以上のグループを定めること、反射像要素の該グループにおける各反射像要素上の少なくとも一点を位置検出すること、反射像要素の一つまたはそれ以上のグループにおける反射像要素において一本の線を該点に合わせることが含まれる。一方法に従い各反射像要素の該点を位置検出するステップには、反射像を反射光の強度レベルに応じたグレースケール値を有する複数のピクセルへ分けることと、各反射像要素を横切る少なくとも一つのベクトルを設定することと、ベクトルに沿った一連のピクセルを検査することと、ベクトルに沿った一連のピクセル中各ピクセルでの強度グラジエントを決定することと、各反射像要素の縁に応じた最大グラジエントの点を位置検出することとが含まれると望ましい。さらに縁の位置決めステップには、最強度グラジエントの点グループの位置を検出することと、サブピクセル精度で楕円のピークが反射像要素の縁に対応するように、最強度グラジエントの点へ楕円を一致させることとが含まれる。別の方法による反射像要素での点位置検出ステップには、各反射像要素を、反射像における反射光の強度レベルに応じたグレースケール値を有する複数のピクセルへの分割と、各反射像要素を横切る少なくとも一つのベクトルの設定と、該ベクトルに沿った一連のピクセルの検査と、各ベクトルに沿ったグレースケール最大値のピクセルの位置検出とが含まれ、グレースケール最大値のピクセルは各反射像要素の最も明るい中間点に対応する。さらに別の方法によると、照明反射要素はほぼ球体の反射面である。ほぼ球体の反射面をあらわす各反射像要素の寸法または特徴の決定は、各反射像要素周囲の少なくとも四点の位置を検出することと、各反射像要素における四点に円を一致させることとを含む。該円は、ほぼ球状である反射面の真直径の既知の比率に対応し、球体表面の直径、真円度、または他の寸法を計算するために用いられる。さらに望ましい処理方法は、反射像要素の総数を決定するステップを含む。反射像要素の総数決定において、反射像を、反射光の強度レベルに対応するグレースケール値を有する複数のピクセルに分け、閾値より上のグレースケール値を有するピクセルグループを検出し、反射像要素数に対応するピクセルのグループ数を計算する。反射像要素の数は、反射要素の有／無を決定するために予想される反射要素数と比較される。図面の簡単な説明本発明の上記及び他の特徴や効果は、次の図面を参照し、以下の詳細な説明を読むことによってより理解できるであろう。図１は、本発明による一つ以上の面あるいは物体を検査するための検査装置の概要図である。図２は、本発明の一実施例による検査装置及び方法において、反射要素を照明するために用いられる環状照明装置の上面図である。図３は、図２に示された環状照明装置の線III‐IIIに沿った側断面図である。図４は、本発明の他の実施例による環状照明装置の側断面図である。図５は、本発明の一実施例による検査装置によって検知された反射画像の概要図である。図６は、本発明の一実施例により処理される一反射画像要素の概要図である。図６Ａは、光線が最大反射点から反射するはんだ球の概略側面図である。図７は、本発明による反射画像を処理するための方法のフローチャートである。図８は、本発明に従って処理された反射像における反射像要素に一つ以上の点を定める方法のフローチャートである。図９は、反射画像における多数の反射画像要素を測定するための、本発明による方法のフローチャートである。実施例の詳細な説明本発明の検査システム１０（明確化するために誇張斜視図で示す図１）は物品１４の上に置かれた突起状反射面又は物体１２のような一個以上の反射体の検査に用いられる。一つの例では、突起反射物体１２は反射面と非反射面を有するほぼ平坦な面１８上に配置される。物品１４には典型的には金属又は他の光反射物質から成る突起状反射物体１２が並べられる。本実施例では、本検査システムがＢＧＡやマイクロＢＧＡ半導体パッケージ、チップスケールパッケージ(ＣＳＰ)、フレックス回路の様な電子部品のチップ又は他の基板上の金属パッドに並べたはんだ球を検査するために用いられる。チップとプリント回路板の様な他の電子部品の正しい電気的接続を容易にするために、はんだ球の位置、寸法及び形状が検査される。しかしながら、本発明は、如何なる形の物体に如何なる配置に配列されても、突起やゆがみ、或は他の形状の表面や物体を含む、かつそれらに限定されない、如何なる形状の反射物をも検査することを狙いとする。本検査システム１０は物品１４上に置かれた突起状反射物体１２をカバーする視野１６と、視野１６を広げる開口部２２となる環状照明装置２０とから成る。環状照明装置２０は、光束２６を発生し物品１４の視野１６に光束２６を送り、それにより突起した反射物体１２が照明される、実質的に環状の光源２４を有する。光束２６は物品１４上の視野１６にわたり実質的に均一な光強度と、視野１６中の全ての突起状反射物体１２に実質的に均一な照明を与えることが望ましい。これについては後で詳述する。概して円環状に示されているが、環状照明装置２０は楕円形又は他の類似形状でもよい。本検査システム１０は更に環状照明装置２０の上に、例えば約１４インチ離れて配置されるＣＣＤカメラの様な照明検知装置３０を備える。照明検知装置３０は各突起状反射物体１２から反射される光束を検知し、反射像をつくる。照明検知装置３０の一例は約６４０×６４０ピクセルの解像力を有するＣＣＤカメラである；しかし本発明では照明像を検知できる他の型のカメラや装置も考えられる。実質的な環状光源２４は、視野１６の外、即ち照明検知装置３０の範囲外の物品１４上の平坦な面１８から、検知されない光束３４を反射させる様な照明角度で、物品１４に対して光束２６をおくる。好ましい光束２６の照明角度は１０°以下であり、以下で詳細に述べるように、実質的な環状光源の別の実施例で示される。従って、反射物体１２から反射して検知された光束３２が反射像を作り、平坦面１８から反射した非検知光束３４は反射像には含まれない。環状照明装置２０は、例えば取り付けブラケット２９を有する取り付け支持台２８に取り付けられる。取り付け支持台２８及び取り付けブラケット２９が環状照明装置２０を所望の位置に支持し、物品１４が反射物体１２と共に視野１６内に置かれるようにする。環状照明装置２０の下方に位置する物体支持面２７は、反射面１２が視野１６に来る様に、被検査物品１４を支持する。一例では、物体支持面２７は、技術的に知られているように、製造工程中の検査のために絶えず物品１４を視野１６に入れるようにずらされる。或は環状照明装置２０及び照明検知装置３０が検査すべき各物品１４の上をずらされるか動かされる。検査中、物品１４及び／又は環状照明装置２０と照明検知装置３０を互いに移動する場合、移動の影響を除くため、光源２４としてはストロボ電源が望ましい。検査システム１０には更に、反射像を処理し突出した各反射面１２の有無、位置、ピッチ、大きさ及び形状を含む、但しこれらに限られない、検査情報を定めるイメージプロセッサ３８が備えられている。これに関しては後で詳述する。本検査システム１０は、好みにより作業者が反射像を見るためのモニタ３６を備える。このモニタ３６は視覚検査及び作業者による反射物体１２の整列を容易にする。本発明はまたプリンタや記憶装置を含む、但しこれに限られない、他の出力装置又は周辺機器を考慮している。イメージプロセッサ３８により検査情報を作業者が見るモニタ３６（もし有れば）又はデジタルＩ／Ｏ、ＲＳ−２３２シリアル通信又はイーサネットネットワークの様な他の周辺機器に伝達することができる。好ましい環状照明装置２０の実施例（図２）には、開口部２２を画定し、検査すべき物品１４の上方に取付けられた取り付け部材４０が含まれる。取り付け部材４０には好ましくは取り付けブラケット２９にボルト止め又は他の固定のための一個以上の固定具受け部４２が備えられる。取り付け部材４０はまた光源２４の電源（明示せず）に接続するための電気コードを収納するための電気コード収容部４４を備える。実施例では物品１４の照明時の移動の影響を除くためにストロボ電源を用いたが、本発明ではどのような電源も用いうる。好ましい環状光源２４は、実質的に環状形に取り付け部材４０に取り付けられた、発光ダイオードの様な複数個の発光素子５０を備える。発光素子５０の一例には、東芝製ＴＬＲＡ１５５ＢＰＬＥＤの様な、遠赤スペクトル波長（例えば、約６６０ｎｍ）の光束を発し、光束広がり角度αが約２６°から２８°のＬＥＤが含まれる。ＣＣＤカメラは遠赤ＬＥＤに良く感応し、検査工程中、周囲の光の影響が濾過され、実質的に除去される。本実施例では、約６０個のこの様なＬＥＤ５０が取り付け部材４０の周りに環状に取り付けられる。本発明では、視野を所望のように均一に照明できる如何なる型及び数の発光素子も採用可能である。実質的に環状の光源２４（図３）の実施例では、各発光素子５０の中心軸又は中心線５４が物品１４のほぼ平坦な表面１８に平行な平面５２に対して角度θをなして置かれている。約４°の好ましい角度θで、物品１４の平坦面１８に対し小さい照明角度（約１０°以下）の光束２６が得られ、その結果、平坦面１８（非反射面、反射面いずれも）は光束２６を反射しない、あるいは、照明検知装置により検知されない非検知光束３４として、光束２６を視野１６の外へ向って反射する。本実施例には、好ましくは各発光素子５０の近傍に白ペンキ又は反射コーティングを施した光反射面６４が設けられ、又発光素子５０のほぼ前面に散光面６６が設けられてもよく、これらにより光が散乱され、物品１４に対しより均一に光が当てられる。反射性に関する既知の光物理の原理によれば、光が反射面に当たる場合、反射面の接線に垂直な軸から測って、反射角は進入角に等しい。このため、発光素子５０の角度θが大きすぎると、発光素子５０は高い照明角度で光束２６を発し、光束２６は平坦面１８から照明検知装置３０に向かって反射される。従って、発光素子５０の取り付け角θを小さくすることにより、光束２６の照明角度が小さくされ、光束２６は反射性金属パッドや非反射性平面の様な平坦面１８から、検知装置３０に検地されない非検地光束３４として視野１６の外へ低角度で反射される。他方、突起状反射物体１２に当たった光束２６は検知光束３２として、開口部２２を通過し照明検知装置３０へ反射される。突起状反射物体１２はここで検査のため照明され、一方、平坦面１８は照明も検査もされない。本実施例では、環状照明装置２０と被検査物品１４の間に十分な間隙Ｓを残し、一方では物品１４上の全視野１６にわたり均一に照明がなされるように、発光素子５０の角度θを０°より大きくするのが望ましい。環状照明装置２０の面１８からの間隙Ｓによって、例えば製造工程中での検査時、環状照明装置２０の下で物品１４を視野１６の中に、又は外へ通過させることが出来る。好ましい間隔Ｓは、検査工程中に環状照明装置２０の下を通過する物品１４の邪魔にならない限り、できるだけ小さくし、通常、約１／４から１／２インチの範囲とする。発光素子５０は環状照明装置２０の底部５６に物理的に可能な限り近付るのが望ましい。各発光素子５０の中心線５４に沿って方向付けられる光束２６の中心光束領域２５は、典型的に最も高いパワーあるいは強度を有する。角度θが約０°であれば、中心光束領域２５は物品１４に対し実質的に平行に向けられるであろう。平行な中心光束領域２５が物品１４から一定間隔で置かれている場合、物品１４上の視野１６の端部１７は、より低度のパワーあるいは強度を有する光束を受けるのみであって、視野１６の端部１７の近傍に位置する突起状反射物体１２には十分な照明が行き渡らない恐れがある。中心光束領域２５を物品１４上の視野１６の反対側、すなわち端部１７に向けて方向付けることにより、実質的に等しい強度の光束が全視野１６を横断して与えられ、視野１６に位置付けられた全突起状反射物体１２に対し、実質的に等しい照明を与えることができる。従って、発光素子５０の角度θは、中心線５４から延びる想像線が一般に視野１６の反対端部あるいは反対側１７と交差するか、あるいは重なり合うように規定されるが、平坦面１８から反射される光束が検知されてしまう程高い照明角度で光束２６を向けないようにしなければならない。実質的に環状の光源２４は、発光素子５０の前部から測って、例えば物品１４上の視野１６の寸法あるいは幅に対し約２．５から３倍の直径ｄを形成することが好ましい。この好ましい直径ｄは、環状照明装置２０と物品１４との間に十分な間隙Ｓを維持している間、中心光束領域２５が低い照明角度を伴って端部１７に向けられることを許容する。一つの例としては、約２インチ×２インチの物品１４上の視野１６を均等に照らすため、約５．５インチの直径が用いられる。従って、発光素子５０の角度θだけでなく環状光源２４の直径ｄもまた、望ましくない平坦面１８への照明を防ぐと同時に、物品１４が環状照明装置２０の下を通過することを許容しつつ、光束２６が物品１４上の視野１６を横断して均等な照明を与えることを許容する。環状照明装置２０の好ましい実施例は、更に、開口部２２を形成する上部取付け部６０と該上部取付け部６０から延びる側部取付け部６２とを含む。該模範実施例において、複数の発光素子５０は、環状に形成され溶接された側部取付け部６２に取付けられるか、あるいは上部取付け部６０に固定される。発光素子５０と側部取付け部６２のどちらか一方を、角度θを設定するように曲げることができる。散光面６６は、上部取付け部６０に取付けられた光拡散部材あるいはリングとして形成することができる。本発明は、光源から光を拡散、あるいは分散させる他の型の面、例えば個々の発光素子５０上に直接配置されるような光拡散面についても意図している。白ペンキあるいは他の光反射色が施された光反射面６４は、側部取付け部６２及び上部取付け部６０上に設けることができる。一つの実施例では、上部取付け部６０の一部６５が発光素子５０を越えて延在し光反射面６４を有するように、開口部２２の直径を実質的に環状の光源２４の直径ｄの約７０から８０パーセントに設定する。図４における環状照明装置２０ａの別の実施例によれば、光束２６は、発光素子５０ａから発光された光束を拡散し角度を成して分散させる、高い透過率と高い拡散能力を有する拡散器６６ａによって、所望の範囲の照明角度で物品１４に放たれる。角度を成して分散された光束２６ａは、平坦な反射面への照明を防ぐと共に環状照明装置２０ａからの間隙Ｓを与える一方で、物品１４上の視野１６を横断して実質的に等しい強度の光を提供する。本実施例においては、発光素子５０の角度θを省くことも可能であり、０°から８°の範囲で設定することが好ましい。高い透過率と高い拡散能力を有する拡散器６６ａを使用する時、光反射面６４は拡散器６６を越えて延在する上部取付け部６０ａの一部６５ａに設けられない。この上部取付け部の一部６５ａは、黒色又は他の非反射面を有するか、あるいは完全に省かれてしまうこともできる。高い透過率と高い拡散能力を有する拡散体６６ａは、約８５％以上、好ましくは約８８％から９０％の範囲の拡散透過性を有する。高い透過性と高い拡散能力を有する拡散体６６ａの一つのタイプは、３Ｍ^TMにより製造されているアクリル酸のディフュージングフィルムオールターナティブ（ＤＦＡ）である。本発明はまた、所望の拡散透過性と所望の角度を成して光束を分散させる能力とを提供する他の適切な高透過性、高拡散性のフィルムについても意図している。より大きな視野に対しては、より大きな環状照明装置を使用することができる。よりタイトな応用として、内部光路を保護し、所望の照明角度の範囲で光束を物体に向けるために光学通路を屈折させる円錐形の鏡と共に、より小さな環状照明を使用することができる。物品１４上に取付けられた反射物体１２のような一つ以上の反射要素を検査するための検査システム１０の使用方法は、物品１４を視野１６に置く段階を含む。一連の物品１４が環状照明装置２０の下方の視野１６を通じて連続して通過又はスライドさせられるか、あるいは環状照明装置２０が各物品１４の上方でスライドさせられるかのどちらかである。光束２６の輪は、物品１４上の平坦面１８を照らすことなく、視野を横断して実質的に等しい強度の光束を与えるために、環状照明装置２０から視野１６に含まれる反射要素に向けて、所望の範囲の照明角度で放たれる。本発明の装置並びに方法は、突起状反射物体１２のような照らされた反射要素から反射される光束を検知して、図５において示されるような、照らされた反射要素の反射像７０を作り出す。反射像は、反射物体１２のような照らされた反射要素を表している反射像要素７２を含む。反射像７０は、照明検知装置（カメラ）３０のアナログ出力信号を、各々が像の小さな画素又はピクセルを表している複数のデジタル信号に転換することにより得られる。反射像７０を形成しているデジタル信号は、その後モニター３６上への表示用のアナログ信号へと転換されるか、あるいはイメージプロセッサにより処理されることができる(図１参照)。反射像７０は、反射要素の有無、位置、大きさ及び形状を含む、但しこれらに限られない、検査情報を決定するために処理される。本発明の限定を意図しない模範的装置並びに方法において、検査システム１０は、半導体チップのような電子構成要素上のソルダパッド上に取付けられたはんだ球の配列を検査するために用いられる。反射像７０において、各はんだ球は、図６のドーナツ形あるいは環状の形状を有する反射像要素７２として現れる。はんだ球の配列に関する検査情報は、配列における各はんだ球の有無、各はんだ球の位置、はんだ球間のピッチ、奇形のはんだ球、各はんだ球の直径、並びに各はんだ球の真円度を含むが、これらに限定されない。本発明はまた、図７における反射像要素７２のパターンを含む反射像７０を処理する方法１００を特徴とする。反射像を処理する方法は、反射像７０における反射像要素７２のパターンを検出する段階１１０と、反射像要素のパターンにおける各反射像要素７２に輪郭を適合させる段階１２０と、反射像７０によって表された反射要素に関する検査情報を決定する段階１３０とを含む。反射像要素７２のパターンを検出する段階１１０としての一つの方法は、反射像要素７２のグループを識別すること、例えば反射像要素７２の外側の列あるいはグループを囲むウィンドウ７５（図５）を作ることによる。その後、グループにおける各反射像要素７２上の点が、外縁７６のように定められる。一つまたはそれ以上の線７４が、該パターンを検出し、且つ該パターンにおいて各反射像要素７２の“予測”位置を決定するために、外縁７６または反射像要素７２上の他の点に合わせられる(図５参照)。模範実施例は像要素７２の長方形の格子を示しているが、本発明ではまた、円形あるいは他のパターンの反射像要素の位置検出についても意図されている。円形パターンでは、円になって形成された像要素の外縁の位置が検出され、円形適合アルゴリズムが用いられて、円が外縁に適合されパターンが検出される。反射像を検出するための別の方法は、反射像７０における反射像要素７２に対して、所定の位置に取付けられた参照マーク又は基準マーク７３の位置を検出することによる。反射像を検出する更なる方法は、周知のパターンの型又はひな型と反射像とを相互に関連させることによる。一度反射像７０のパターンが検出されると、ステップ１２０において、例えば各予測位置にて各反射像要素７２の周りにウィンドウ７８（図６）を形成することにより、且つ複数の点７６ａ−７６ｄを反射像要素７２の縁７６に定めるまたは複数の中間点７１ａ−７１ｄを反射像要素７２内に定めることにより、輪郭が各反射像要素に合わせられる。円形あるいは環状の反射像要素７２のために、少なくとも縁７６ａ−７６ｄの三つまたは中間点７１ａ−７１ｄが、各円輪郭７７ａ、７７ｂを合わせるために必要となる。各輪郭７７ａ、７７ｂの真円度を決定するためには、四つの縁７６ａ−７６ｄまたは中間点７１ａ−７１ｄが必要である。後述するように、反射像要素７２に合わせられる縁７６ａ−７６ｄまたは中間点７１ａ−７１ｄおよび各輪郭７７ａ、７７ｂは、はんだ球の真直径のある既知の比率、真円度、他の寸法、または測定される反射要素に対応する。好ましい実施例においては、八つ以上の点が位置づけられ、その点の位置が反射要素の大きさ並びに円形具合を正確に決定する円形適合アルゴリズムに提供される。外縁７６上の点７６ａ−７６ｄまたは各反射像要素７２の中間点７１ａ−７１ｄを位置検出する図８の方法２００は、反射像７０を、反射像７０における反射光の強度レベルに応じたグレースケール値を有する複数のピクセルに分ける、ステップ２１０を含む。一つの例では、各ピクセルは、最も暗いピクセルとしてグレースケール値０、及び最も明るいピクセルとしてグレースケール値２５５を備えた八つのビットによって表される。ベクトル７９ａ−７９ｄ（図６）は、ステップ２２０における像要素７２の予測位置と交わるように定められる。各ベクトル７９ａ−７９ｄに沿った一連のピクセルは、ステップ２３０において、各ベクトル７９ａ−７９ｄに沿って縁７６ａ−７６ｄまたは中間点７１ａ−７１ｄを見つけるために調べられる。放射状ベクトルとして示されているが、該ベクトルはクロスハッチのような様々な形状に位置付けできるので、ベクトルは像要素７２と交わる。そして縁７６ａ−７６ｄまたは中間点７１ａ−７１ｄは、線７４を合わせることにより像を定めるために、または輪郭７７ａ、７７ｂを合わせることによりはんだ球の直径、真円度または他の寸法を決定するために用いられる。各ベクトル７９ａ−７９ｄの軌道に沿って縁７６ａ−７６ｄを検出するために、各ピクセルの片側におけるピクセルのグレースケール値間を区別することにより、各ピクセルにおける強度グラジエントが決定される。最大グラジエント点（つまり最も暗いピクセルから最も明るいピクセルへ最も大きく変化する）が位置検出され、反射像要素７２の縁７６に対応するよう割当てられる。望ましい方法には、各反射像要素７２のために最強度グラジエントを有する点グループを選択し、楕円を最強度グラジエントへ一致させることが含まれる。該楕円のピークは、サブピクセル精度で最強度グラジエントの点に対応し、それにより、各反射像要素７２が現すはんだ球または他の反射面の寸法及び形状を、より正確に計算することができる。縁７６ａ−７６ｄ及び縁７６ａ−７６ｄに一致する円輪郭７７ａは、測定されるはんだ球の真直径の既知の比率、つまり約７０％に対応する。ベクトル７９ａ−７９ｄに沿って中間点７１ａ−７１ｄを位置検出するために、各ピクセルでのグレースケール値が決定され、円環像要素７２における中間点がグレースケール最高値を有するピクセルに対応する。望ましい方法には、グレースケール最高値を有するピクセルグループつまり最も明るいピクセルおよび一つ以上の近傍ピクセルの選択、およびこれらのピクセルに楕円を合わせることが含まれる。楕円のピークは、サブピクセル精度で最強度を有する中間点７１に対応する。最も明るい中間点７１ａ−７１ｄおよび７１ａ−７１ｄに一致する円輪郭７７ｂは、測定されるはんだ球の既知寸法に対応する。図６Ａの各はんだ球８０は、最強度の光線８４を反射する頂点から約４５度にはんだ球８２の球面に定められた、最大反射点８２を有する。最大反射点８２の位置は、はんだ球８０の直径のsi n（４５度）(あるいは０．７０７１）倍に等しい。したがって最も明るい中間点７１ａ−７１ｄおよび円輪郭７７ｂは、最大反射点８２およびはんだ球８０の真直径の既知の比率に対応する。像要素７２の縁７６に焦点があっていない場合、像要素７２の縁７６ａ−７６ｄを定めるために、像要素７２の最も明るい中間点７１ａ−７１ｄを用いることで、強度グラジエント方法を用いるよりも正確な寸法を得ることができる。上述の方法は、縁７６に沿って線７４を合致させることにより決定される（図５参照）反射像要素７２の予測された位置に従って、反射像要素７２を処理するものであるため、付加されたはんだ球あるいは他の反射面に対応して余分のあるいは付加的反射像要素７２ａが検知される可能性はない。本画像処理方法は、更に、図９における反射像要素７２の数を決定するための方法３００を含む。予測される位置においてのみでなく、全反射像７０における反射像要素７２の数を決定することによって、はんだ球あるいは他の反射面の有無を容易に判断することができる。段階３１０として、反射像要素７２の数は、反射像７０における光の強度に対応するグレースケール値を有する複数のピクセルに反射像７０を分割することにより決定される。その後、段階３２０として、閾値を上回るグレースケール値を有するピクセルグループの位置が検出され、段階３３０として、（反射像要素７２の数に対応する）ピクセルグループの数が数えられる。反射像要素７２の数を決定することによって、欠落したり、誤って取付けられたり、余分に存在しているはんだ球や他の反射物体のような反射要素の決定が可能となる。本発明の画像処理方法はまた、検査情報測定値を従来単位で表したり、拡大や遠近感の誤差や他の効果を修正することを許容するために行われることができる校正工程を含む。校正処理は、周知の大きさのターゲット、例えばターゲット上の周知のサイズと周知の位置とを有するドットの配列を測定することを含む。イメージプロセッサにより決定されるターゲットイメージの座標とターゲット上のドットの周知位置の座標との間の関係は、ピクセルと従来単位との間の相互関係を決定するために計算される。本方法はまた、光学上の拡大によってもたらされる誤差を説明するための、校正ターゲットに対する検査されている部分の高度修正についても意図している。上で説明された環状照明装置２０と共に用いられる反射像７０を処理するための本方法は、電子構成要素又は他の物体上に存在するはんだ球の直径や円形度合をより正確に決定することを可能にする。最大グラジエント点またはグレースケール最大値をはんだ球の真直径の既知の比率に対応させるために、照明角度の所望の範囲で光線を向けることにより、つまり高散光性の散光器あるいは円錐鏡を用いて角度θに光源２４を向けることにより、各はんだ球の頂部表面部分は照らされる。また、光束を所望の範囲の照明角度で放つことにより、ソルダパッドあるいは他の概して平坦な面領域の照明が最高グラジエントの決定を妨げることを防ぐこともできる。本発明の環状照明装置が反射像を処理するための本方法と共に用いられる時、検査の間に得られた測定値は高度の正確さと繰返し性を有する。しかしながら、本発明は、本環状照明装置を反射像を処理するための他の方法と共に用いることや、反射像を処理するための本方法を別の型の照明装置と共に用いることについても意図している。従って、本発明により、物体上のはんだ球、突起、貫入、逸脱、すかし角及び他の反射要素のような、一つ以上の面又は物体を正確に検査し測定する検査装置及び方法が提供される。該検査装置及び方法によって、物体又は電子構成要素上の平坦な、あるいは望ましくない面にまで照明を当ててしまうという心配なしに、検査されるべく面又は物体の全てに均等に照明を当てることができる。該検査方法はまた、個々の反射要素又ははんだ球の大きさや形状をより正確に測定する画像処理方法も含む。通常の技術を有する当業者による変形及び置換は、以下に続く請求項による限定を除いては何ら限定されるものではない本発明の範囲内であるとみなされる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＧＷ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ (72)発明者シュール，ジョージアメリカ合衆国ケンタッキー州 41075, フォートトーマス，タワープレイス 115

Claims

【特許請求の範囲】１．ほぼ平坦な表面に少なくとも一つの非平坦部を有する物品の検査方法であって、前記ほぼ平坦な表面に少なくとも一つの非平坦部を有する前記物品を照明検知装置の視野の中に置き、前記視野を横切りほぼ均一な強度の光を与える様に、環状照明装置から前記物品及び前記物品のほぼ平坦な表面の前記少なくとも一つの非平坦部に向かって、前記物品の前記ほぼ平坦な表面に対し或る照明角の範囲で、環状の光束を照射し、前記ほぼ平坦な表面の前記少なくとも一つの非平坦部から反射される光束を検知して、前記ほぼ平坦な表面の前記少なくとも一つの非平坦部の反射像を形成し、前記ほぼ平坦な表面の前記少なくとも一つの非平坦部の反射像を処理して、検査情報を得る、検査方法。２．前記照射角の範囲が約１０°以下である、請求項１の方法。３．前記光束を照射するステップが前記光束を散乱させることを含み、前記光束の散乱が前記入射角の範囲を決める、請求項１記載の方法。４．前記環状光束の前記照射ステップが複数個の発光素子を予め定める角度に向けることを含み、前記予め定める角度に前記複数個の発光素子を向けることが、前記入射角の範囲を決める、請求項１記載の方法。５．前記反射された光束がビデオカメラにより検知される、請求項１記載の方法。６．前記ほぼ平坦な表面の前記少なくとも一つの非平坦部の反射像を表示するステップを更に含む、請求項１記載の方法。７．前記ほぼ平坦な平面の前記少なくとも一つの非平坦部が複数個の突起を含む、請求項１記載の方法。８．前記ほぼ平坦な平面の前記少なくとも一つの非平坦部が電子部品上の複数個のはんだ球を含む、請求項１記載の方法。９．検査情報を得るための、前記複数個のはんだ球の前記反射像を処理するステップが、はんだ球の配列中の各はんだ球の有無、各はんだ球の位置、はんだ球間のピッチ、不良形状のはんだ球、各はんだ球の直径、及び各はんだ球の真円度、から成るグループから選ばれる検査情報を決定することを含む、請求項８記載の方法。１０．物品上の照明されるほぼ球形の反射要素のパターンを表す反射像要素のパターンを含む反射像の処理方法であって、前記反射像における前記反射像要素のパターンを検出し、少なくとも一つの反射像要素の周りの少なくとも四つの点を位置検出し、前記少なくとも一つの反射像要素上に位置検出された前記少なくとも四つの点の各々に円に合わせ、ここで前記円は前記ほぼ球形の反射要素の真の直径の或る既知の比率に相当し、そして前記少なくとも一つの反射像要素上に位置検出された前記少なくとも四つの点の各々に合わせた前記円の大きさを用いて、前記少なくとも一つの反射像要素により表わされる、少なくとも一つの照明されるほぼ球形の反射要素に属する検査情報を決定する、ことから成る方法。１１．前記反射像要素のパターンを検出する前記ステップが、少なくとも一群の反射像要素を検出し、前記少なくとも一群中の反射像要素の各反射像要素上の少なくとも一点を位置検出し、前記少なくとも反射像要素の一群中の前記反射像要素の前記少なくとも一点に一本の線を合わせ、前記反射像における各反射像要素の少なくとも一の予想位置を決定する、請求項１０記載の方法。１２．各反射像要素上の前記少なくとも一つの点を位置検出するステップが、各前記反射像要素を複数個の画素に分割し、各画素が前記反射像要素の反射光の強度水準に相当するグレースケール値を有し、各前記反射像要素を通る少なくとも一つのベクトルを設定し、前記少なくとも一つのベクトルに沿って一連の画素を調査し、各前記反射像要素を通って位置づけられた前記少なくとも一つのベクトルに沿って、前記一連の画素中の各画素における強度グラジエントを決定し、そして前記強度グラジエントを決定するステップに対応して、前記反射像要素を通って位置づけられた前記少なくとも一つのベクトルに沿って、最大強度グラジエントの点を位置検出することを含み、ここで前記最大強度グラジエントの点が各反射像要素の縁に対応する、請求項１１記載の方法。１３．更に、最大強度グラジエント点の群を位置検出し、前記最大強度グラジエントの点の群に一つの楕円を合わせることを含み、前記楕円の頂点がサブ・ピクセルの精度で前記反射像要素の前記縁に対応する、請求項１２記載の方法。１４．各反射像要素の前記少なくとも一点を位置検出するステップが、各前記反射像要素を複数個の画素に分割し、各画素が前記反射像要素の反射光の強度水準に相当するグレースケール値を有し、各前記反射像要素を通る少なくとも一つのベクトルを設定し、前記少なくとも一つのベクトルに沿って一連の画素を調査し、各前記反射像要素を通って位置づけられた前記少なくとも一つのベクトルに沿って最大グレースケール値の画素を位置検出することを含み、ここで前記最大グレースケール値の画素が各々の前記反射像要素の最も明るい中点である、請求項１１に記載の方法。１５．更に、最大グレースケール値の画素の群を位置検出し、前記最大グレースケール値の画素群に楕円を合わせることを含み、前記楕円の頂点がサブ・ピクセルの精度で前記反射像要素の前記最も明るい中点に対応する、請求項１４記載の方法。１６．［削除］１７．検査情報を決定するステップが、前記反射像要素上の前記少なくとも四つの点に合わせた円を用いて、各ほぼ球形の反射面の直径を計算することを含む、請求項１０記載の方法。１８．検査情報を決定するステップが、前記反射像要素上の前記少なくとも四つの点に合わせた円を用いて、各ほぼ球形の反射面の真円度を計算することを含む、請求項１０記載の方法。１９．更に、前記配列中の前記反射像要素の数を計数することを含む、請求項１０記載の方法。２０．前記配列中の前記反射像要素の数、を計数することが、各前記反射像要素を複数個の画素に分割し、各画素が前記反射像要素の反射光の強度水準に相当するグレースケール値を有し、閾値よりも高いグレースケール値を有する画素群を検出し、前記反射像要素の数を計数するために、前記画素群の数を計数することを含み、前記反射像要素の前記計数が被照明反射要素の計数に対応する、請求項軸１９記載の方法。２１．検査情報を決定するステップが、前記反射像要素の計数値を前記被照明反射要素の期待される計数値と比較し、少なくとも一つの前記被照明反射像要素の有無を決定する、請求項２０記載の方法。２２．物品上の被照明反射像要素のパターンを表す反射像要素のパターンを含む反射像を処理する方法であって、前記反射像中で反射像要素の前記パターンを検出し、反射像要素の前記パターン中の少なくとも一つの反射像要素上の少なくとも一つの点を位置検出し、ここで前記少なくとも一つの反射像要素上の前記少なくとも一つの点を位置検出するステップが、少なくとも一つの反射像要素を複数の画素に分割し、各画素が前記少なくとも一つの反射像要素中の反射光の強度水準に相当するグレースケール値を有し、前記少なくとも一つの反射像要素を通る少なくとも一つのベクトルを設定し、少なくとも一つのベクトルに沿った一連の画素を調査し、前記少なくとも一つの反射像要素を通って位置づけられた前記少なくとも一つのベクトルに沿った前記一連の画素において、各画素の強度グラジエントを決定し、強度グラジエントを決定する前記ステップに対応して、前記少なくとも一つの反射像要素を通って位置づけられた前記少なくとも一つのベクトルに沿って、最大強度グラジエントの点を位置検出し、ここで、前記各最大強度のグラジエントの点は前記少なくとも一つの反射像要素の縁に対応し、そして前記少なくとも一つの反射像要素上に位置検出された前記少なくとも一つの点を用いて、前記少なくとも一つの反射像要素で表される少なくとも一つの被照明反射要素に属する検査情報を決定することを含む方法。２３．少なくとも一つの点を位置検出するステップが、前記少なくとも一つの反射像要素上の複数個の点を位置検出することを含み、更に、各前記複数の点を通り、且つ前記少なくとも一つの反射像要素のほぼ周辺に一つの線を合わせることを含む、請求項２２に記載の方法。２４．前記少なくとも一つの被照明反射要素がほぼ球形を成し、前記少なくとも一つの反射像要素がほぼ円形である、請求項２３に記載の方法。２５．少なくとも一つの点を位置検出するステップが、前記少なくとも一つの反射像要素上の少なくとも四つの点を位置検出し、前記線を合わせる前記ステップが、前記少なくとも四つの点を通り、且つ前記少なとも一つの反射像要素のほぼ周辺に一つの円を合わせ、そして検査情報を決定することが、前記円の直径を用いて、前記少なくとも一つの反射像要素に対応して、前記少なくとも一つの被照明反射要素の直径及び真円度の少なくとも一つを計算することを含む、請求項２４記載の方法。２６．物品上の照明されたほぼ球形の反射要素のパターンを表す反射像要素のパターンを含む反射像の処理方法であって、前記反射像中の反射像要素の前記パターンを検出し、反射像要素の前記パターン中の少なくとも一つの反射像要素上の少なくとも一つの点を位置検出し、ここで前記少なくとも一つの反射像要素上の少なくとも一つの点を位置検出するステップが、少なくとも一つの反射像要素を複数の画素に分割し、各画素が前記少なくとも一つの反射像要素中の反射光の強度水準に相当するグレースケール値を有し、前記少なくとも一つの反射像要素を通る少なくとも一つのベクトルを設定し、少なくとも一つのベクトルに沿った一連の画素を調査し、前記少なくとも一つの反射像要素を通って位置づけられた前記少なくとも一つのベクトルに沿って、最大グレースケール値の画素を位置検出し、ここで前記最大グレースケールの画素が前記少なくとも一つの反射像要素の最も明るい中点に対応し、且つ前記少なくとも一つの反射像要素により表される少なくとも一つのほぼ球形の反射要素の既知の位置に対応し、そして前記少なくとも一つの反射像要素上の前記少なくとも一つの点を用いて、前記少なくとも一つの反射像要素により表される前記少なくとも一つの照明されたほぼ球形の反射要素に属する検査情報を決定することを含む方法。２７．少なくとも一つの点を位置検出するステップが、前記少なくとも一つの反射像要素上の複数の点を位置検出することを含み、さらに、前記複数の点の各々を通りかつ前記少なくとも一つの反射像要素のほぼ周囲を通る線を合わせることを含む、請求項２６記載の方法。２８．前記少なくとも一つの反射像要素がほぼ円形である、請求項２７記載の方法。２９．少なくとも一つの点を位置検出するステップが、前記少なくとも一つの反射像要素上の少なくとも四つの点を位置検出し、前記線を合わせる前記ステップが、前記少なくとも四つの点を通り、且つ前記少なとも一つの反射像要素のほぼ周辺に一つの円を合わせ、そして検査情報を決定することが、前記円の直径を用いて、前記少なくとも一つの反射像要素に対応して、前記少なくとも一つの照明されたほぼ球状の反射要素の直径及び真円度の少なくとも一つを計算することを含む、請求項２８記載の方法。