JP2008134194A

JP2008134194A - 検査装置

Info

Publication number: JP2008134194A
Application number: JP2006322052A
Authority: JP
Inventors: Shigeki Kobayashi; 茂樹小林; Takeshi Yamamoto; 武史山本
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-11-29
Filing date: 2006-11-29
Publication date: 2008-06-12

Abstract

【課題】教示が簡単で低廉なコストの３次元クリームはんだ印刷自動検査を実現する。
【解決手段】水平姿勢の基板と、その上方から１次元イメージセンサカメラの横長視野に沿って幅広く基板を照明する拡散光光源と、基板に対してカメラ視軸が斜め角度を取る姿勢に設置した１次元イメージセンサカメラとが構成する３次元撮像幾何光学配置において、カメラのピクセル配置に直交する方向に基板を移動することによって、基板全面の３次元画像を獲得し、検体クリームはんだ印刷基板の３次元画像と基準クリームはんだ印刷基板の３次元画像との差分画像処理を行い、クリームはんだの広がりや高さの異常によって生じた教示閾値を超える差分のある画素を、異同画素として検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、エレクトロニクス工場等において、１次元イメージセンサカメラによりクリームはんだ印刷基板を３次元撮像して外観検査を行う検査装置に関する。

最近のプリント基板への部品組みつけ工法はほぼ表面実装方式になり、素基板にクリームはんだを謄写版式に印刷塗布し、その上に部品を自動マウントし、クリームはんだをリフロー炉で加熱溶融して、部品のはんだ付を完了する。この方式における部品実装の不良は、クリームはんだ印刷工程、部品マウント工程、はんだ溶融工程で発生し得るので、それぞれの工程において品質を検査・確認する必要性が一般的に認識されるようになった。
中でもクリームはんだ印刷工程における印刷不良は、はんだ付不良の最大の原因であるため、はんだ印刷品質を自動検査する検査装置が使用されるようになっている。従来のこれら検査装置は、大別、２次元検出方式と３次元計測方式とがあり、前者は基板に対して垂直方向から撮った平面画像で、印刷の平面方向の不良を検出する。また後者は、三次元計測原理により、印刷はんだの厚み計測を行って異常を検出するので、とくにボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）のように、はんだボールの高さがはんだ付良否に直結する場合には、不可欠な検査機とされていた。

２次元検出方式の従来検査装置は比較的安価であるが、高さ計測ができないためにその利用範囲が限定されていた。一方、３次元計測方式の従来検査装置は、高さ計測が出来るが、３次元計測を行う仕組みによって高価となり、自動検査機普及の障害になっていた。

一方、本出願人は、プリント基板の全面を撮像し、その画像をもとにして外観検査を行うことにより、従来の教示作業を必要としない実装検査技術を考案し、開示をしている（特許文献１〜３参照、以下省略）。
特開２００３−０３７３４２特開２００４−２９６５６４特開２００４−３５４２６５

これらの開示技術は、基板に対して真上方向に設置した１次元イメージセンサカメラによりはんだ付後基板の検査を行うものであって、総じて２次元画像の差画像処理を行う技術である。唯一斜め画像を得る技術を特許文献２に開示しているが、これは溶融後のはんだフィレットを鏡面反射画像によって検査するため、カメラより低い位置に設置した光源と、基板を回転するターンテーブルを備え、４方向から４度撮像するという大がかりな技術であり、高コストであるばかりでなく、その光源とカメラの幾何光学配置は、溶融はんだの鏡面反射性を前提としているので、鏡面反射性がまったく無いクリームはんだの検査に適用することができなかった。

解決しようとする問題点は、２次元画像方式ではクリームはんだの高さ異常の検出ができず、一方、３次元計測方式では高コスト構造が避けられなかった点である。

本発明は、基板に対して斜めの視軸を取る姿勢に１次元イメージセンサカメラを設置し、更に水平配置の基板を上方から１次元イメージセンサカメラの視野に沿って幅広く照明する拡散光光源を設置する３次元撮像幾何光学配置により、鏡面反射性が無いクリームはんだの３次元画像を獲得し、基準基板画像と検体基板画像の差画像処理によって、クリームはんだ印刷の高さ異常を含む３次元検査を実現したことを最も主要な特徴とする。

本発明の検査装置は、３次元撮像幾何光学配置によりスキャン方式で獲得したクリームはんだ印刷基板の３次元画像を、基準基板と検体基板について差画像処理するだけでクリームはんだ印刷の高さ異常を含む不良を検出するので、高価な３次元計測構造が不要な、安価な３次元クリームはんだ印刷検査装置が実現するという利点がある。

安価で普及度の高いクリームはんだ印刷の自動検査装置を実現するという目的を、鏡面反射性が無いクリームはんだ撮像に特化した１次元イメージセンサカメラと照明光源の３次元撮像幾何光学配置で３次元画像を獲得し、基準基板と検体基板を差画像処理することによって実現した。

図１は、本発明検査装置の第１実施例の全体構成図であって、基板１上にはクリームはんだ２が印刷され、基板１は１次元テーブル３に水平姿勢で保持されている。

基板１の上方には、１次元イメージセンサカメラ４と照明装置５が配置されている。１次元イメージセンサカメラ４はラインＣＣＤカメラであって、その視軸が基板１に対して斜めになるように傾斜姿勢で設置されている。この傾斜角は、カメラと対象基板の幾何光学構成を説明する図４（Ａ）の断面模式図に示すように、はんだの高さ異常検出に関して、傾斜角が浅くなるほど検出感度が上るという関係にある。従って、傾斜角の設定は、必要な検出感度と、基板に印刷されたクリームはんだの高さ（厚み）とパタン密度を勘案して、決定する。また、斜め視軸を得るためには、水平に設置したカメラの前方に表面反射ミラーを設置し、ミラー反射角度を利用してもよい。
１次元イメージセンサカメラ４は、クリームはんだ印刷検査の場合、カラーカメラでもモノクロカメラでも適用することができる。本発明は両者共通の原理技術に関するものである。

１次元イメージセンサカメラ４と照明装置５は、下記の条件を満足する３次元撮像幾何光学配置としている。
（１）高さ画像の獲得：１次元イメージセンサカメラ４を、視軸が基板に対して傾斜する姿勢とすることによって、印刷クリームはんだの高さ画像を獲得する。
（２）クリームはんだの光学特性：照明装置５を、上方から照明する幅広い拡散光光源とすることによって、斜め視軸のカメラが、無彩色の完全散乱反射物体であるクリームはんだの立体的な画像を得る。

この幾何光学配置によれば、カメラ視軸の傾斜角が一定であるので、検査箇所のＸＹ座標によって決まる視軸の方位角から、３次元座標空間においてクリームはんだの高さ計測が可能である。図４の模式断面図（Ａ）に示すように、本発明は１次元イメージセンサカメラを用いているので、ライン状の視軸は、基板に対して一定の傾斜角をもつ。一方、視野の方位角は、図４の模式平面図（Ｂ）と画像（Ｃ）に示すように、ＣＣＤのピクセルに対応する基板上の位置ごとに、一定の方位角になっている。この関係により、得られる画像を用いてはんだの高さ計測ができるのである。

この実施例の自動検査装置は、通常ルーティンワークとして、高さ異常や印刷範囲異常を差画像処理により検出している。高さ異常は、図４（Ｄ）の斑点領域が示す差画像として検出される。

１次元イメージセンサカメラ４は、制御装置６に接続され、制御装置６は、１次元センサ撮像ユニット７、画像データ保存ユニット８、画像処理演算ユニット９、及びシステム全体を制御する統合システム制御ユニット１０を有し、各ユニット７，８，９、及び１０は、バス１５を通じてデータの交換を行う。

また、制御装置６には、教示データ等の入力を行う入力ユニット１１と、検査結果等を印字する出力ユニット１２と、外部装置との間でデータ送受を行う通信ユニット１３と、画像や検査結果等を表示する表示ユニット１４が接続されている。

次に、図２（Ａ）のフロー図に従って、この実施例検査装置の教示ステップを説明する。まず基準とする基板１をテーブルに装填し（ＳＴ１）、基板のＩＤデータを教示し（ＳＴ２）、その後基準基板を１次元テーブル３で移動して１次元イメージセンサカメラ４でスキャン撮像する（ＳＴ３）。獲得した基準基板の３次元全面画像を、画像データ保存ユニット８に保存し（ＳＴ４）、基準基板を除去する（ＳＴ５）。

次に、テスト基板を装填し（ＳＴ６）、１次元テーブル３で移動して１次元イメージセンサカメラ４でスキャン撮像する（ＳＴ７）。基準基板の３次元全面画像とテスト基板の３次元全面画像を表示ユニット１４に表示して、デフォルト画像精度とデフォルト検出感度の条件で両者の差画像処理を試行し、テスト基板上の不良の見逃しがあれば、デフォルト画像精度あるいは検出感度を上げ、また、過検出が多ければ、それらを下げることにより、この基板に最適な画像精度と検出感度に調節した後（ＳＴ８）、テスト基板を除去する（ＳＴ９）。

画像精度は、基準基板画像と検体基板画像の差画像処理の画像密度であり、全画素を比較するか、間引いて行うか、選択できるようにしている。全画素を対象とすると、検査精度は当然アップするが、画像処理時間が長くなるので、基板の種類や不良の種類によって必要な画素密度を適用し、検査時間の短縮ができるようにしている。
また検出感度は、差画像処理の閾値を上下させる差分感度と、閾値を超えた画素の広がりや移動の範囲を限定する感度とに大別される。本発明の技術によれば、異同画素の範囲を検出することによって、基板上に印刷されたクリームはんだの平面方向へのはみ出しや不足のみならず、差画像処理に用いる画像が３次元画像であるために、高さ（厚み）の大小不良も検出できるのである。

次に、この実施例における自動検査の動作を、図２（Ｂ）のフロー図に沿って説明する。
まず、図１において検体基板１を１次元テーブル３に装填し（ＳＴ１０）、検体基板のＩＤデータを入力するか又は読取ると（ＳＴ１１）、制御装置６の指令で検体基板１を１次元移動し、１次元センサ撮像ユニット７の制御によって１次元イメージセンサカメラ４が検体基板１の全面をスキャン撮像し（ＳＴ１２）、獲得した画像データを画像データ保存ユニット８に保存する（ＳＴ１３）。
この場合、前ステップ１２で画像を取込みながら次ステップ１４の画像処理を行うようにすることも可能であり、その場合にはこの画像保存ステップ１３は省略される。

そこで画像処理演算ユニット９が、画像データ保存ユニット８に保存されている基準基板３次元画像と検体基板３次元画像の差分画像処理を行い（ＳＴ１４）、差分画像データから教示した画像精度と検出感度に基づいて異常箇所を報告し（ＳＴ１５）、検体基板を除去する（ＳＴ１６）。

本発明検査装置の第２実施例の全体構成は、第１実施例と同様であり、図１に示したとおりであるので説明を割愛し、教示ステップと自動検査の動作を説明する。

図３（Ａ）のフロー図に従って、実施例２検査装置の教示ステップを説明する。まず基準とする基板１（図１）をテーブルに装填し（ＳＴ２１）、基板のＩＤデータを教示し（ＳＴ２２）、その後基準基板を１次元テーブル３で移動して１次元イメージセンサカメラ４でスキャン撮像する（ＳＴ２３）。獲得した基準基板の３次元全面画像を表示ユニット１４に表示し、検査領域を設定する（ＳＴ４）。

検査領域設定は、図５（Ａ）に示すように、部品実装箇所のそれぞれを囲むように設定してもよい。また、同図（Ｂ）のように、複数部品に実装箇所をまとめて囲むように設定してもよい。ただし、高さによる射影範囲や、印刷ずれ等の検出のために、実装箇所よりも広い領域設定が必要である。また、ＢＧＡのような多電極部品は、一括の領域設定でよい（図５（Ｃ））。本発明検査装置は、差画像処理を検出原理とするためにこれらのおおくくりの領域設定を可能にしており、教示の簡易化を実現している。
領域教示が完了したら、基準基板を除去する（ＳＴ２５）。

次に、テスト基板を装填し（ＳＴ２６）、１次元テーブル３で移動して１次元イメージセンサカメラ４でスキャン撮像する（ＳＴ２７）。基準基板の３次元全面画像とテスト基板の３次元全面画像を表示ユニット１４に表示して、デフォルト画像精度とデフォルト検出感度の条件で両者の差画像処理を試行する（ＳＴ２８）。
このとき、テスト基板上の不良の見逃しがあれば、その検査領域のデフォルト画像精度あるいは検出感度を上げ、また、過検出が多ければ、その検査領域のそれらを下げることにより、この基板に最適な画像精度と検出感度に調節する。
本実施例は、検査領域の画像精度と検出感度を個別に調整できるようにしているので、検査領域ごとの画像状況に応じた調節によって、全体均一レベル方式では困難であった過検出や不検出の発生可能性が大きく低減している。
全検査領域の画像精度と検出感度の調節が完了したら、テスト基板を除去する（ＳＴ２９）。

検査領域限定の場合も、画像精度は、全面検査の場合と同様の意味を有する。即ち、検査領域内の全画素を比較するか、間引いて行うか、選択できるようにしている。全画素を対象とすると、検査精度は当然アップするが、画像処理時間が長くなるので、基板の種類や不良の種類によって必要な画素密度を適用し、検査時間の短縮ができるようにしている。
また検査領域の検出感度も、全面検査の場合と同様の意味を有する。即ち、差画像処理の閾値を上下させる差分感度と、閾値を超えた画素の広がりや移動の範囲を限定する感度とに大別される。異同画素の範囲を検出することによって、基板上に印刷されたクリームはんだの平面方向へのはみ出しや不足のみならず、差画像処理に用いる画像が３次元画像であるために、高さ（厚み）の大小不良も検出できるのである。

次に、この実施例における自動検査の動作を、図３（Ｂ）のフロー図に沿って説明する。
まず、図１において検体基板１を１次元テーブル３に装填し（ＳＴ３０）、検体基板のＩＤデータを入力するか又は読取ると（ＳＴ３１）、制御装置６の指令で検体基板１を１次元移動し、１次元センサ撮像ユニット７の制御によって１次元イメージセンサカメラ４が検体基板１の全面をスキャン撮像する（ＳＴ３２）。

そこで画像処理演算ユニット９が、基準基板３次元画像と検体基板３次元画像の各検査領域について、差分画像処理を行い（ＳＴ３３）、差分画像データから教示した画像精度と検出感度に基づいて異常領域を報告し（ＳＴ３４）、検体基板を除去する（ＳＴ３５）。

水平配置の基板に対してカメラ視軸が斜め角度を取る姿勢で設置した１次元イメージセンサカメラと、上方から１次元イメージセンサカメラの視野に沿って幅広く照明する拡散光光源を備えた照明装置によって３次元撮像幾何光学配置を構成し、クリームはんだ印刷基板の印刷品質を自動的に３次元画像検査する検査装置に適用できる。

検査装置の全体構成を示した説明図である。（実施例１）検査装置における教示と自動検査の動作を示したフロー図である。（実施例１）検査装置における教示と自動検査の動作を示したフロー図である。（実施例２）検査装置における撮像の幾何光学配置と画像処理を説明する図である。（各実施例共通）検査装置における検査領域の設定方法を説明する図である。（実施例２）

符号の説明

１基板
２クリームはんだ
４１次元イメージセンサカメラ
５照明装置
６制御装置

Claims

クリームはんだ印刷基板の印刷品質を自動的に３次元画像検査する検査装置であって、
差画像処理を行う際の画像精度および異常検出感度を設定する教示手段と、
水平姿勢の基板と、その上方から１次元イメージセンサカメラの横長視野に沿って幅広く基板を照明する拡散光光源と、基板に対してカメラ視軸が斜め角度を取る姿勢に設置した１次元イメージセンサカメラとが構成する３次元撮像幾何光学配置において、カメラのピクセル配置に直交する方向に基板を移動することによって、基板全面の３次元画像を獲得する撮像手段と、
撮像手段が獲得した検体クリームはんだ印刷基板の３次元画像と基準クリームはんだ印刷基板の３次元画像との差分画像処理を行い、クリームはんだの広がりや高さの異常によって生じた教示閾値を超える差分のある画素を、異同画素として検出する画像処理手段と
より成る検査装置。
クリームはんだ印刷基板の印刷品質を自動的に３次元画像検査する検査装置であって、
クリームはんだ印刷箇所を含む検査領域を教示し、個々の教示領域に差画像処理を行う際の画像精度および異常検出感度をそれぞれ設定し得る教示手段と、
水平姿勢の基板と、その上方から１次元イメージセンサカメラの横長視野に沿って幅広く基板を照明する拡散光光源と、基板に対してカメラ視軸が斜め角度を取る姿勢に設置した１次元イメージセンサカメラとが構成する３次元撮像幾何光学配置において、カメラのピクセル配置に直交する方向に基板を移動することによって、基板全面の３次元画像を獲得する撮像手段と、
教示された検査領域について、撮像手段が獲得した検体クリームはんだ印刷基板の３次元画像と基準クリームはんだ印刷基板の３次元画像との差分画像処理を行い、クリームはんだの広がりや高さの異常によって生じた教示閾値を超える差分のある画素を、異同画素として検出する画像処理手段と
より成る検査装置。