JP2005505942A

JP2005505942A - 表面実装機検査カメラ上に用いる自動フィルタ交換器

Info

Publication number: JP2005505942A
Application number: JP2003535520A
Authority: JP
Inventors: ティースワブ，マイケル
Original assignee: アッセンブレオンエヌヴィ
Priority date: 2001-10-04
Filing date: 2002-09-30
Publication date: 2005-02-24
Also published as: EP1438883A1; WO2003032705A1; CN1561659A

Abstract

印刷回路基板アセンブリ機械は、組立の前に、回路基板と、回路基板上に実装される部品を検査する。アセンブリ機械は、検査の一貫として、回路基板と部品の物理的特徴を視覚化且つ認識し得る。特定の種類の回路基板又は部品を視覚化する際に、これらの部品の画像に見つけられる特有の不具合を除去するようフィルタが配置され得る。アセンブリ機械により検査される幾つかの回路基板又は部品が、異なる特有の視覚化問題を示す場合、アセンブリ機械は、回路基板又は部品の各種類に対し異なるフィルタを配置し得る。

Description

【０００１】
本発明は、特有の視覚化問題を示す印刷回路基板及び部品の視覚化に係る。本発明は、特に、しかし、以下に制限されないが、印刷回路基板及び電子部品の各種類が様々な特有の視覚化問題を示すときに、その印刷回路基板及び電子部品の様々な種類のうちの任意のものの物理的特徴を、コンピュータビジョンによって、認識するのに有用である。
【０００２】
アセンブレオン（Assembleon）社からの自動コンポーネントマウンタといった自動印刷回路基板アセンブリ機器は、印刷回路基板と、その印刷回路基板上に実装される部品を検査し、且つ、正確に設置するためにコンピュータビジョンシステムを利用する。これらのアイテムの検査は、一般的に、アイテムの視覚化、アイテムの物理的特徴の認識、物理的特徴の物理特性の解析を必要とする。
【０００３】
実装されていない印刷回路基板又はカードは、一般的に、格納場所から取り上げられ、カメラと前方照明を含むコンピュータビジョン機器がアセンブリ機械により用いられて、基板上の物理的特徴が検査される。物理的特徴の一部は、基準点と称される。基準点は、基板上に設置される部品を正確に位置合わせするよう設けられる。回路基板上の他のそのような物理的特徴は、はんだペーストコンタクトパッドである。検査された基板が不良品とされなければ、次に、アセンブリ機械は、基板を、実装する部品を受け取るための位置に設置する。
【０００４】
実装される各部品は、格納場所から取り出され、再び、カメラと前方照明を含むコンピュータビジョン機器がアセンブリ機械により用いられて、部品が検査される。部品が不良品とされなければ、次に、アセンブリ機械は、部品を移動させて、基板又はカード上の部品の実装位置に適切に位置合わせして設置する。
【０００５】
しかし、コンピュータビジョンシステムが、特定の種類の回路基板、カード、又は部品を検査するときに、特有の問題が発生する。一部の基板又はカードは、明るい色のセラミック材から形成され、金又は銀の基準点又ははんだペーストコンタクトパッドを有する。これらの色は、現行のコンピュータビジョンシステムが、基準点又はコンタクトパッドを信頼度が高く認識することを可能とする十分な視覚的なコントラストを与えない。
【０００６】
白又は明るい色のセラミック背景上に銀又は金の金属コンタクトを有する部品の場合にも同様の問題が発生し、コンタクトが、信頼度が高く認識されることが阻止される。
【０００７】
他の部品は、ある色の背景上に別の色のコンタクトを有し、これらの色は、モノクロカメラにより画像化されると、コンタクトの信頼度の高い認識を可能にする十分なコントラストを有さない。
【０００８】
特定の種類の部品の場合に遭遇する別の特有の問題は、コンタクトと背景からの眩光であり、これも、コンタクトの信頼度の高い認識を阻止する。
【０００９】
コンピュータビジョンシステムに一般的に用いられる電荷結合装置（ＣＣＤ）カメラは、赤外線に非常に敏感であることにより、更に別の問題も発生する。従って、特に、赤外線スペクトルにおいて反射する部品の画像は、色があせ、信頼度が高く認識することが困難となる。
【００１０】
本出願より先行する出願は、明るい色の背景上に金属コンタクトを有する部品の物理的特徴を認識するための発明技術を教示する。しかし、印刷回路基板アセンブリ機械は、しばしば、回路基板と部品が様々に組合わされ、夫々が、上述した様々な１つ以上の認識問題を示す混合体に対処しなければならない。現在、遭遇する様々な認識問題を解決する、印刷回路基板アセンブリ機械に用いられる技術はない。
【００１１】
幾つかの種類の回路基板及び部品を取り扱う印刷回路基板アセンブリ機械において、本発明の面は、特定の種類の回路基板及び部品を検査するときに、フィルタが自動的に配置される方法及び装置に見つけられ得る。フィルタは、特定の修理のアイテムの物理的特徴を視覚化する際に遭遇する特有の問題を補正する。
【００１２】
銀の基準点と明るい色の印刷回路基板の間、又は、銀のコンタクトと明るい色の部品の間の画像は、回路基板の照明を直線偏向し、且つ、照明フィルタとは異なる方向に向けられる直線偏向フィルタを用いて基板又は部品を画像化することにより改善され得る。
【００１３】
部品の画像における１つの色のコンタクトともう１つの色の背景とのコントラストは、その部品を、カラーフィルタを通して画像化することにより改善され得る。
【００１４】
回路基板又は部品の画像における眩光は、基板又は部品を、円偏光フィルタを通して画像化することにより減少され得る。
【００１５】
ＣＣＤカメラへの反射赤外線放射の影響は、基板又は部品を、赤外線を遮断するフィルタを通して画像化することにより、回路基板又は部品の画像において減少され得る。
【００１６】
より具体的には、本発明の面は、以下の背景上の物理的特徴を有するアイテムを視覚化する方法において見つけられる。アイテムは、照明源を用いて電磁放射により照明される。アイテムから反射される電磁放射から画像が形成され、この画像は、視覚化されるアイテムの種類に依存する特有の不具合を有する。反射される電磁放射は、自動的にフィルタリングされて、画像から特有の不具合が取り除かれる。それにより、フィルタリングされた画像における物理的特徴と背景とのコントラストが改善される。
【００１７】
回路基板又は部品の物理的特徴は、検査目的のために、フィルタリングされた画像において認識され得る。
【００１８】
本発明の更なる面は、背景上の物理的特徴を有するアイテムを視覚化する機器に見つけられる。１つ以上の照明源が、電磁放射により、アイテムを照射する。画像形成装置が、アイテムから反射される電磁放射から画像を形成する。この画像は、視覚化されるアイテムの種類に依存する特有の不具合を有する。アクチュエータは、画像が、フィルタを通る電磁放射から形成されるようフィルタを位置付け、それにより、画像から特有の不具合を取り除き、画像における物理的特徴と背景とのコントラストを改善する。
【００１９】
本発明の１つの例示的な実施例では、フィルタは、所定の位置に直線的に動かされる。
【００２０】
本発明の別の例示的な実施例では、幾つかの利用可能なフィルタがホイール上に取り付けられ、所定の位置に回転される。
【００２１】
本発明の更なる面は、本発明の方法によって認識される部品が表面実装される回路基板又はカードにおいて見つけられる。本発明の方法を用いることにより、実装される部品の認識される物理的特徴は、回路基板又はカードのコンタクトパッドと見当合わせされて所定の位置に置かれる。
【００２２】
本発明の他の面は、添付図面と共に以下の詳細な説明を熟読することにより明らかとなろう。
【００２３】
図１を参照するに、誘電体の又は非金属製の低コントラスト背景に対し金属オブジェクトを有する部品の視覚化のための本発明の実施例を、従来のコンピュータビジョンシステム１０と併せて説明する。従来のコンピュータビジョンシステム１０は、セラミック誘電体基板１６により担持される小さいハイメルトはんだボール１４からなる通常は２次元のボール・グリッド・アレイ（ＢＧＡ）１２を認識する。
【００２４】
ＢＧＡ１２は、コンピュータビジョンシステム１０の上方向に向くカメラ２０の上方で、ピック・アンド・プレイス機械（図示せず）のグリッパ又はマニピュレータ１８によって保持される。カメラ２０は、電子画像を形成し、それを、コンピュータビジョンシステム１０に供給する。コンピュータビジョンシステム１０は、電子画像を使用して、有無、寸法、及び、間隔に関して、ＢＧＡ１２のはんだボール１４を認識且つ検査する。ＢＧＡ１２が検査をパスすると、コンピュータビジョンシステム１０は、マニピュレータ１８によって、回路基板又はカード２２上へのＢＧＡ１２の並進及び配置を操作し、ＢＧＡの認識されたはんだボール１４は、基板又はカード２２のコンタクトパッド２４と位置合わせされる。
【００２５】
従来と同様に、ＢＧＡ１２と他の表面実装コンポーネントを回路基板又はカード２２上に配置する前に、コンタクトパッド２４は、共晶はんだペーストで被覆され、ＢＧＡ１２及び他の表面実装コンポーネントの回路基板又はカード２２上への配置の後に、熱が、ＢＧＡ及び他のコンポーネントが配置されたカードに加えられ、それにより、ＢＧＡを回路基板又はカードにしっかりと表面実装するフィレット（図示せず）にはんだペーストを溶解する。
【００２６】
はんだボール１４が銀色であり、基板１６が白又は明るい色をした最低のコントラスト状況では、カメラ２０による適切な視覚化、及び、ビジョンシステム１０によるはんだボール１４の適切な認識を可能にするようカメラ２０のレンズ３０の前にある偏光フィルタ２８と共にライトボックス２６が用いられ、それにより、ＢＧＡ１２の全般的に上方向及び内側方向に向けられる偏光照明Ｉを供給する。
【００２７】
図２に示すように、ライトボックス２６の１つの好適な実施例は、中央アパーチャ３２を有し、この中央アパーチャ３２を通してカメラ２０は、偏光フィルタ２８を介して上方向を見る。角錐台の４つの上方向且つ外方向に傾斜する台形面３４、３６、３８、４０は、それぞれ、別個の偏光源を形成する。台形面３４、３６、３８、及び４０は、ＬＥＤアレイ５２の上にあるそれぞれの乳白ガラス拡散パネル５０上にある偏光フィルタ４０、４２、４４、及び４６を含む。
【００２８】
偏光フィルタ２８により通される直線偏光の方向を０°として取ると、偏光フィルタ４０及び４４は、９０°に向けられた直線偏光を通すよう方向付けられ、偏光フィルタ４２及び４６は、１８０°に向けられた直線偏光を通すよう方向付けられる。その結果、はんだボール１４から反射された４つの偏光源からの光の下方向に向けられる成分は、９０°の偏光を有する、即ち、偏光フィルタ２８により通される偏光方向と略直交する。従って、はんだボール１４により反射された光は、カメラ２０のレンズ３０に到達しない。
【００２９】
その一方で、白又は明るい色の基板１６から反射される光の下方向に向けられる成分は、偏光に略均一に分散され、基板１６から下方向に反射されるかなりの光量が、偏光フィルタ２８を通り、カメラ２０のレンズ３０に到達する。その結果、カメラ２０により形成される電子画像では、はんだボール１４は、実質的に黒く現れ、基板１６は、実質的に白く現れ、はんだボール１４の信頼度の高い認識のための良好なコントラストが与えられる。このコントラクト生成効果は、誘電体被写体からの電磁放射の反射における偏光のスミアリングに対する光る金属被写体からの電磁放射の反射における偏光の維持によるものと考えられる。
【００３０】
印刷回路基板アセンブリ機械が、１つの回路基板のアセンブリの間に、様々な種類の部品を検査する。検査される部品の一部が明るい色の基板を有し、他の部品が黒の基板を有する場合、追加の問題が発生する。直線偏光フィルタ２８の効果は、はんだボール１４を、カメラ２０により形成される電子画像において実質的に黒く現れるようにすることなので、はんだボールは、このようなフィルタを通し見られる場合には、黒い基板を有する部品上では容易に認識され得ない。このような状況では、白の基板を有する部品を視覚化するときは、カメラ２０のレンズ３０の前にフィルタ２８を配置し、黒の基板を有する部品を視覚化するときは、フィルタを引き込めることが好適である。
【００３１】
回路基板アセンブリ機械が、印刷回路基板又はカードを取り扱うときに同様の問題が発生する。一部の回路基板は、ガラス繊維基板を用いて製造され、ガラス繊維基板は、一般的に緑色である。このような基板は、回路基板上に設置される部品の位置合わせをするために用いられる銀又は金色の基準点とは良好なコントラストを与える。しかし、同じアセンブリ機械により取り扱われる他の回路基板又はカードは、白、又は、他の明るい色をしたセラミック基板を有し得、これは、金属性基準点とのコントラストは最低である。明るい色又は暗い色の基板を有する部品上のはんだボールの信頼度の高い認識を達成するために、適宜、フィルタを配置する上述した技術は、明るい色又は暗い色をした印刷回路基板又はカード上の金属基準点を信頼度が高く認識するためにも用いることができる。
【００３２】
回路基板アセンブリ機械の制御システムは一般的に、その制御システムが取り扱う各種類のアイテム（印刷回路基板、カード、又は部品）についての仕様書ファイルを使用する。このファイルは、各種類のアイテムの特性に関する情報を含む。例えば、物理的特徴（基板及びカード上の基準点及びコンタクトパッド、又は、部品上のコンタクト）の数及び場所といったファイルからの情報は、検査処理のためにコンピュータビジョンシステムに供給される。本発明の技術を用いるアセンブリ機械では、仕様書ファイルは更に、その種類のアイテムを検査する際にはフィルタを用いるべきか否か、また、図５に示す実施例では、どの種類のフィルタを用いるべきかを指定する情報も含み得る。
【００３３】
図３を参照するに、フィルタが引き込められて示される線形フィルタ配置装置６０を用いる本発明の１つの実施例を示す。フィルタ６１は、リング仕掛け６４によって線形アクチュエータ６５に取り付けられる。線形アクチュエータ６５は、回路基板アセンブリ機械の制御システムによりエネルギーが供給されると、フィルタが、カメラ２０の光学軸から引き込まれた図示するような構成を取る。制御システムによりエネルギーの供給が中断されると、線形アクチュエータ６５は、リング仕掛けが伸ばされ、フィルタ６１がカメラ２０のレンズ３０の前に配置される図４に示すような構成を取る。
【００３４】
一部の種類の線形アクチュエータについては、アクチュエータ６５の動作は、上述したものと反対である。即ち、アクチュエータにエネルギーが供給されると、フィルタ６１は配置され、アクチュエータ６５へのエネルギー供給が中断されると、フィルタ６１は引き込められる。上述の説明は、フィルタ６１を配置するための線形アクチュエータの使用を議論するが、本発明の１つの実施例には、ソレノイドも用い得ることを理解するものとする。
【００３５】
図３及び図４におけるフィルタ６１は、上述したように、明るい色の背景上にある金属の物理的特徴に関連付けられる視覚化問題を補正するよう、直線偏光された照明と組合わせて使用される、図１に示すような直線偏光フィルタ２８で有り得る。又は、フィルタ６１は、以下に説明するように、他の特有の問題を補正するよう選択される幾つか別の種類のフィルタのうちの１つであり得る。これらの他の種類のフィルタは、偏光又は非偏光照明と共に同等の有効性で使用することが可能である。
【００３６】
視覚化されるアイテムが、例えば、緑色の背景上の赤い物理的特徴を有すると、フィルタ６１は、赤色フィルタであるよう選択され得る。そのようなフィルタは、赤い物理的特徴から反射される赤色光は通すが、背景から反射される緑色光は遮断し、それにより、モノクロカメラからの画像において、物理的特徴は実質的に白く現れ、背景は実質的に黒く現れる。
【００３７】
カメラ２０が、電荷結合装置（ＣＣＤ）を用いて電子画像を形成する場合、特に、赤外線スペクトルで反射するアイテムは、違う特有の視覚化問題を発生し得る。ＣＣＤは、赤外線スペクトルにおける放射に非常に敏感なので、そのようなアイテムの電子画像は、色があせ、アイテムの物理的特徴及び背景は共に、画像中に明るいグレイの被写体として現れ、コンピュータビジョンシステムが、アイテム上の物理的特徴を認識することを阻止する。このような種類のアイテムに対し、フィルタ６１は、赤外線フィルタとして選択することができる。赤外線フィルタは、赤外線放射を遮断し、可視光を通す。赤外線放射を遮断することによって、ＣＣＤが、アイテムから反射された可視光のみで電子画像を形成することを可能にし、その結果、フィルタがかけられた画像中に、アイテムの物理的特徴と背景との良好なコントラストがもたらされる。
【００３８】
特定のアイテムを視覚化する際に、特徴として眩光がある場合も、カメラ２０により生成される画像は、色があせる。このような状況において、フィルタ６１は、円偏光フィルタであるよう選択され得る。このようなフィルタは、アイテムから反射される照明のうちの回転成分を制限し、その結果、アイテムからの眩光を低減し、そのアイテム上の物理的特徴の正しい認識を可能にする。
【００３９】
上述では、電子部品上のコンタクト、又は、印刷回路基板又はカード上の基準点及びコンタクトパッドの認識を説明したが、他のアイテム上に認識される物理的特徴は、コンタクト又は基準点ではない場合もあることを認識すべきである。例えば、レンズが発光ダイオード上に実装される場合、レンズが、回路基板又はカードに取り付けられることを可能にするよう実装特徴について検査される。同様に、回路基板又はカードが、基板にはんだで付けられない部品を実装するよう機能する熱硬化性の接着糊ドットの有無及び正確な配置に関し検査され得る。
【００４０】
回路基板アセンブリ機械により取り扱われるアイテムが、それぞれ、異なる特有の問題を示す場合、検査されるアイテムに依存して、幾つか異なるフィルタのうちの１つを配置し、そのアイテムの物理的特徴の信頼度の高い認識を可能にしなければならない。幾つかのフィルタのうちの１つを配置することを可能にする本発明の１つの実施例を、図５に示す。回転式フィルタ配置装置７０を示すが、これは、ステッパ電動機７６のシャフト上に取り付けられるフィルタホイール７５である。図５には更に、フィルタホイール７５上に、アパーチャ７２及び７４と位置合わせされるフィルタ６１及び６３を示す。アセンブリ機械の制御システムからの信号に応答して、ステッパ電動機７６は、特定の位置まで回転し、それにより、視覚化される部品に適切なフィルタを配置する。
【００４１】
回転式フィルタ配置装置７０を、図６により詳細に示す。フィルタホイール７５は、本発明のこの実施例では、４つのアパーチャ７１、７２、７３、及び７４を有するものとして示す。アパーチャ７２、７３、及び７４は、フィルタ６１、６２、及び６３によりそれぞれ覆われ、アパーチャ７１は、フィルタにより覆われていない。フィルタホイール７５のハブは、ステッパ電動機７６のシャフトに取り付けられる。レンズ３０は、アパーチャ７４を通して見える。電動機７６は、ステッパ電動機として説明したが、本発明の１つの実施例では、フィルタホイール７５を、アセンブリ機械の制御システムからの信号に応答して位置付けるためにサーボモータを用いることもできる。
【００４２】
図３、４、及び５は、ＢＧＡパッケージの視覚化のために用いられる本発明の実施例を示すが、本発明の技術は、他の種類のパッケージ及び印刷回路基板及びカードの視覚化を改善するよう用いることも可能であることを理解するものとする。
【００４３】
上述した実施例は、使用されるフィルタ配置装置は１つしかないことを示すが、本発明の更なる実施例では、複数のフィルタが、複数のフィルタ配置装置によって一緒に配置されて、複数の特有の問題を示すアイテムの視覚化を改善できることを理解するものとする。
【００４４】
従って、本発明の目的は達成されたものと理解すべきである。本発明は特定の詳細で説明したが、複数の変更が、本発明の意図する精神及び範囲内で可能であることを理解すべきである。特許請求の範囲を解釈する際に、以下を理解するものとする。即ち、
ａ）「含む」という用語は、請求項に記載する構成要素又は段階以外の構成要素又は段階の存在を排除するものではない。
【００４５】
ｂ）単数形で示される構成要素は、その構成要素が複数存在することを排除するものではない。
【００４６】
ｃ）請求項内の参照符号は、請求項の範囲を制限するものではない。
【００４７】
ｄ）幾つかの「手段」は、ハードウェア又はソフトウェアで実施される構造又は機能の同じアイテムによって表され得る。
【００４８】
本出願は、２００１年１０月４日に出願した同時係属出願である米国出願番号０９／９７０，９６０の一部継続出願である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の視覚化、認識、及び配置装置を示す断面図である。
【図２】線２−２から見たときの図１の照明及び受信部を示す平面図である。
【図３】フィルタが引き込められた本発明の視覚化、認識、配置、及び直線フィルタ配置装置を示す断面図である。
【図４】フィルタが配置された断面図である。
【図５】回転式フィルタ配置装置を示す本発明の別の実施例を示す断面図である。
【図６】図５の回転式フィルタ配置装置を示す平面図である。

Claims

自動印刷回路基板アセンブリ機械において、背景上の物理的特徴を有するアイテムを視覚化する方法であって、
照明源を用いて、前記物理的特徴及び前記背景を含む前記アイテムを、電磁放射で照射する段階と、
アイテムの種類に依存する特有の不具合を含み、前記アイテムから反射される電磁放射の画像を形成する段階と、
前記画像から前記特有の不具合を除去するよう前記反射される電磁放射を自動的にフィルタリングする段階と、
を含み、
前記フィルタリングされた画像において、前記特有の不具合は減少し、前記物理的な特徴と前記背景との改善されたコントラストが生成される方法。
前記フィルタリングされた画像における前記物理的特徴を認識する段階を更に含む請求項１記載の方法。
前記電磁放射は、光であり、
前記フィルタリングされた画像は、カメラにより形成される請求項１記載の方法。
前記電磁放射は、光であり、
前記フィルタリングされた画像は、コンピュータビジョンシステムのカメラにより形成され、
前記認識段階は、前記コンピュータビジョンシステムにより行われる請求項２記載の方法。
前記アイテムは、印刷回路基板である請求項１記載の方法。
前記アイテムは、印刷回路基板である請求項２記載の方法。
前記アイテムは、印刷回路基板上に実装される部品である請求項１記載の方法。
前記アイテムは、印刷回路基板上に実装される部品である請求項２記載の方法。
自動印刷回路基板アセンブリ機械における、背景上の物理的特徴を有するアイテムを視覚化する機器であって、
前記アイテムを、電磁放射で照射する１つ以上の照射源と、
アイテムの種類に依存する特有の不具合を有し、前記アイテムから反射される電磁放射の画像を形成する画像形成装置と、
フィルタと、
前記画像が、前記フィルタを通る電磁放射により形成されるよう前記フィルタを位置付けるアクチュエータと、
を含み、
前記フィルタは、前記フィルタリングされた画像における前記特有の不具合を減少させ、前記物理的特徴と前記背景との改善されたコントラストが生成される機器。
前記フィルタリングされた画像における前記物理的特徴を認識するコンピュータビジョンシステムを更に含む請求項９記載の機器。
前記電磁放射は、光であり、
前記画像形成装置は、カメラである請求項９記載の機器。
前記電磁放射は、光であり、
前記画像形成装置は、前記コンピュータビジョンシステムのカメラである請求項１０記載の機器。
前記アイテムは、印刷回路基板である請求項９記載の機器。
前記アイテムは、印刷回路基板である請求項１０記載の機器。
前記アイテムは、印刷回路基板上に実装される部品である請求項９記載の機器。
前記アイテムは、印刷回路基板上に実装される部品である請求項１０記載の機器。
前記部品の認識される物理的特徴を回路基板又はカードのコンタクトパッドに見当合わせして、前記部品を前記回路基板又はカード上に位置付けるマニピュレータを更に含む請求項１６記載の機器。
請求項８記載の方法に従い認識される部品がその上に表面実装される回路基板又はカードであって、
前記表面実装では、前記部品の認識される物理的特徴が、前記基板又はカードのコンタクトパッドと見当合わせされる回路基板又はカード。