JP2013211284A - はんだ印刷検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】位置ずれの要因を容易に切り分けることができるようにすること。
【解決手段】はんだが印刷された回路基板の外観を撮像する画像入力手段と、画像入力手段が撮像して得られた画像を用いて、回路基板に形成された複数の金属パッドと、金属パッドにそれぞれ印刷されたはんだの印刷領域とのＸＹ方向の位置ずれ量をそれぞれ検出する印刷ずれ量検出手段と、複数の金属パッドの設計上の座標における、印刷ずれ量検出手段が検出した位置ずれ量から、ＸＹ各方向の位置ずれ相関グラフを求めて、相関グラフと位置ずれ量との差である相関ずれをそれぞれ求めて、特に相関ずれの大きい位置を局所ずれとして検出する位置ずれ傾向検出手段とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、はんだ印刷検査装置に関する。特に本発明は、表面実装基板の組立ラインにおけるはんだ印刷検査装置に関する。

ＳＭＴ（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｍｏｕｎｔｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）基板のはんだ印刷工程においては、印刷されたはんだの位置と金属パッドの位置との位置ずれ量を最小化することが求められる。位置ずれ量を最小化することは、はんだ印刷工程の後工程の搭載の品質向上の上でも重要となる。

そのため、量産前評価の段階においては、印刷マスクの設計の良否を判断するために、はんだの外形寸法、中心位置、高さ等の外観を金属パッド毎に計測してその良否を判定するはんだ印刷検査装置が用いられている。

印刷されたはんだの位置と金属パッドの位置の位置ずれ量は、印刷マスクの開口位置や、パッドの位置自体が設計公差以内であっても、基準以上に外れる場合がある。そこで、はんだ印刷検査装置は、計測された印刷ずれ量を参照して、実際のパッドの位置にあわせて印刷マスクの開口位置を調整するよう設計工程にフィードバックする形態でも使用される。

このような背景に関連する技術は、様々なものが知られている（例えば、特許文献１〜３参照。）。

特許文献１には、クリームはんだが印刷されたプリント基板の画像を用いてプリント基板上のランドに対するクリームはんだの印刷状態を検査する方法が記載されている。より具体的に説明すると、この方法は、画像中のプリント基板を複数の領域に分割する。そして、この方法は、少なくともプリント基板の直交する２辺に対応する２方向において、分割された領域毎にそれぞれその領域に含まれるランドに対するはんだ印刷領域のずれ量を検出する。そして、この方法は、各領域、及び各方向で検出されたずれ量を用いて、ランドに対するはんだ印刷領域のずれの方向、及びそのずれ量を表すベクトルを領域毎に設定する。そして、この方法は、設定された領域毎のベクトルを、それぞれその領域に含まれるランドのサイズ、又は印刷ずれ量の適否を判別するための判定基準値に応じた重みを付けた長さにして、プリント基板における各領域の相対位置に対応付けて表示する。このようにして、この方法によっては、ユーザに、はんだの印刷ずれの原因を容易、且つ的確に認識させることが可能になる。

特許文献２には、キャリアの表面に設けられた密着性樹脂の被膜によって位置が固定された状態で保持された複数の個片基板に電子部品をはんだ接合により実装して個片実装基板を製造する電子部品実装方法が記載されている。より具体的に説明すると、この電子部品実装方法は、複数の個片基板のそれぞれに形成された電子部品接合用の複数の電極にはんだペーストを一括して印刷する。そして、この電子部品実装方法は、キャリアに形成されたキャリア認識マークの位置、及び個片基板に形成された基板認識マークの位置を認識する。そして、この電子部品実装方法は、印刷されたはんだペーストの位置を検出する。そして、この電子部品実装方法は、マーク位置認識結果、はんだ位置認識結果、及び個片基板における電極の位置を示す電極位置情報に基づいて、各個片基板の相対位置、及び半田ペーストの位置ずれを示すはんだ位置ずれデータを各個片基板毎に算出する。そして、この電子部品実装方法は、位置ずれを補正して電子部品を適正な位置に搭載するための位置補正データをはんだ位置ずれデータに基づいて各個片基板毎に求める演算を行う。そして、この電子部品実装方法は、はんだペースト印刷後のキャリアを対象としてキャリア認識マークの位置を認識する。そして、この電子部品実装方法は、マーク位置認識結果と位置補正データとを加味して部品搭載機構による電子部品の搭載動作を制御することにより、部品供給部から搭載ヘッドによって電子部品をピックアップしはんだペーストが印刷された各個片基板に搭載する。このようにして、この電子部品実装方法によっては、複数の個片基板をキャリアに保持させた部品実装形態において搭載位置補正を効率よく行うことができる。

特許文献３には、複数の電極が形成された基板にはんだ接合により電子部品を実装する電子部品実装方法が記載されている。より具体的に説明すると、この電子部品実装方法は、基板の電極にはんだを印刷すると共に、このはんだの印刷結果の位置ずれ傾向を検出するために電極へのはんだの印刷と同時に基板の所定部位に複数のはんだマークを形成する。その際、この電子部品実装方法は、はんだの位置を算出するのに必要なはんだ位置データの数よりも多い数のはんだマークを形成する。そして、この電子部品実装方法は、基板を撮像することにより複数のはんだマークの位置を認識し認識結果を各はんだマーク毎に個別のマーク位置データとして出力する。その際、この電子部品実装方法は、一のはんだマークの位置を正常に認識できない認識エラーが発生したならば、そのはんだマークに代替して他のはんだマークを認識対象とする。そして、この電子部品実装方法は、マーク位置データに基づいて複数の電極に印刷されたはんだの位置を算出しはんだ位置データとして出力する。そして、この電子部品実装方法は、はんだ位置データに基づいて部品搭載機構を制御することにより電子部品を印刷されたはんだの位置を目標位置として搭載する。このようにして、この電子部品実装方法によっては、はんだマークの認識エラーに起因する不良基板の発生を軽減し、生産性を向上させることができる。

特許第４３８９８５９号公報 特許第４３６７５２４号公報 特開２０１１−０２９２５４号公報

図１１は、基板の変形特性の一例を示す。基板は、各金属パッドの位置によって不規則に変化している。即ち、基板は、不規則に伸縮している場合が多く、図１１の点線で囲んだ箇所のように、印刷マスクの開口位置のずれに起因した印刷ずれ量が基板の変形に起因した印刷ずれ量よりも小さくなる場合がある。その後に基板の製造品質の改善や材質特性の変化等によって伸縮の状態が変化すると、それに追随して印刷マスクの開口位置を調整しなおす必要がある。これが印刷マスクの評価とそれに対する再設計の回数が低減できない要因となっている。

上記課題を解決するために、本発明の第１の形態によると、はんだが印刷された回路基板の外観を撮像する画像入力手段と、画像入力手段が撮像して得られた画像を用いて、回路基板に形成された複数の金属パッドと、金属パッドにそれぞれ印刷されたはんだの印刷領域とのＸＹ方向の位置ずれ量をそれぞれ検出する印刷ずれ量検出手段と、複数の金属パッドの設計上の座標における、印刷ずれ量検出手段が検出した位置ずれ量から、ＸＹ各方向の位置ずれ相関グラフを求めて、相関グラフと位置ずれ量との差である相関ずれをそれぞれ求めて、特に相関ずれの大きい位置を局所ずれとして検出する位置ずれ傾向検出手段とを備える。

なおまた、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となり得る。

以上の説明から明らかなように、この発明によっては、位置ずれの要因を容易に切り分けることができるようになる。その結果、この発明によっては、マスク設計工程へ的確にフィードバックすることができるようになり、位置ずれのないマスクを早期に得ることができる。

一実施形態に係るはんだ印刷検査装置の利用環境の一例を示す図である。 はんだ印刷検査装置の動作フローの一例を示す図である。 はんだ印刷後の基板５０を撮像した画像データ中のある部品のパッド部分を拡大したものの例を示す図である。 はんだ印刷後の基板５０を撮像した画像データ中のある部品のパッド部分を拡大したものの例を示す図である。 はんだ印刷後の基板５０を撮像した画像データ中のある部品のパッド部分を拡大したものの例を示す図である。 各パッドの設計位置と印刷位置ずれ量から相関グラフを生成する手段の詳細につき説明するための図である。 基板の変形特性の一例を示す図である。 基板の変形特性の一例を示す図である。 基板の変形特性の一例を示す図である。 表示部４６の所定の領域に表示される判定結果の一例を示す図である。 基板の変形特性の一例を示す。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではなく、また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、一実施形態に係るはんだ印刷検査装置の利用環境の一例を示す。はんだ印刷検査装置は、カメラ１、照明２、基板供給ステージ３、及び検査制御部４を備える。

カメラ１は、はんだが印刷された基板を撮像する装置である。照明２は、基板の検査対象領域に可視光線を照射する装置である。例えば、照明２には、蛍光灯や発光ダイオードを用いることができる。基板供給ステージ３は、検査対象の基板を供給して、位置決めを行う装置である。検査制御部４は、カメラ１が撮像した画像データを入力して、所定の画像処理によってはんだ印刷検査を実行して、その結果を出力する装置である。

検査制御部４は、画像入力部４１、照明制御部４２、メモリ４３、画像処理部４４、ステージ制御部４５、表示部４６、結果処理部４７、及びこれらを統括制御するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）部４０を備える。

画像入力部４１は、カメラ１を制御して、カメラ１から出力された映像信号を画像データに変換してメモリ４３に保持する。照明制御部４２は、照明２の光量を制御する。画像処理部４４は、メモリ４３に保持された画像データを読み出して、所定の検査プログラムを実行して各パッド上の印刷領域の位置ずれ情報等の結果をメモリ４３に戻すとともに、表示部４６にユーザが視認できる形態で結果を表示する。結果処理部４７はメモリ４３に保持された位置ずれ情報から対応する基板のパッドの設計上の位置との差の相関、即ち、基板の変形の相関グラフを平滑化もしくは曲面近似等の手段にて算出するとともに、相関グラフと位置ずれ量との差から相関ずれを求める。特に相関ずれの大きい位置を局所ずれと検出し、相関グラフ、相関ずれ、局所ずれを出力する。

まず、本装置の検査動作の概略につき、図２のフローチャートを参照して説明する。検査対象の基板５０が基板供給ステージ３に供給されると（Ｓ１）、検査制御部４は基板供給ステージ３を制御して基板とカメラ１との位置関係を調整し、カメラ１及び照明２を制御して基板の外観を撮像する（Ｓ２）。カメラ１から出力された撮像信号は、画像入力部４１を介して画像データに変換され、メモリ４３に保持される（Ｓ３）。

そして、取得されたメモリ４３上の画像データから、検査対象のパッド部分の位置とはんだ印刷領域の位置を計測し（Ｓ４）、そのずれ量を求める（Ｓ５）。計測方法はたとえば以下の通りとする。

はんだ印刷後の基板５０を撮像した画像データ中のある部品のパッド部分を拡大したものの例を図３に示す。図３を参照すると、基板５０の上には実装する部品の電極サイズに応じたパッド５１が形成され、更にその上にはんだがはんだ印刷領域５２にそって印刷されている。図３の例においては、パッド５１とはんだ印刷領域５２の色には明確な違いがあることから、それぞれの色に応じたしきい値を用いて画像データを２値化し、パッド５１及び対応するはんだ印刷領域５２を個別に抽出する。更にパッド５１及び対応するはんだ５２の輪郭部分を抽出し、抽出した輪郭の最外接矩形の中心もしくは輪郭で囲まれた領域の重心の間隔（Δｘ、Δｙ）、あるいは輪郭同士の間隔（Δｘ’、Δｙ’）を計測することで印刷ずれ量としている。

ここで印刷マスクの設計上、図４のようにパッド５１に対して、パッド５１の一部が露出するようにはんだ印刷領域５２を形成する必要がある場合は、予め設計上のパッド５１上の輪郭と、はんだ印刷領域５２の輪郭を検査パラメータ上に登録しておく。そして、それぞれの輪郭を計測した後に、パッド５１における設計上のはんだ印刷領域の輪郭部分である塗布境界部分５３と、実際のはんだ印刷領域５２との位置ずれを求める形態としてもよい。

図５のように、所定の幅をもってパッド５１を完全に覆うようにはんだ印刷領域５２を形成する必要がある場合は、設計上のパッド５１と、その近傍のはんだ印刷の対象とならないスルーホール５４等ランドパターンとの位置関係を検査パラメータに登録しておく。そして、計測対象のはんだ印刷領域５２の位置とスルーホール５４との位置の差の計測結果を用いて印刷ずれ量を計算する形態としてもよい。

なお一般的なはんだ印刷検査装置では、印刷ずれ量以外にも、面積や体積、はんだ高さの計測機能も備えるものが多いが、その機能に関しては本明細では省略する。

得られた位置ずれ計測結果を所定の基準値と比較してはんだ印刷状態の良否を判定し、（Ｓ６）、判定結果は図１０に示すように表示部４６の所定の領域に表示する（Ｓ７）。

以上一連の計測処理を、基板５０上に形成された検査対象のパッド５１及び対応するはんだ印刷領域５２のすべてに対して行った後（Ｓ８）、基板を排出する（Ｓ９）。

次に計測したすべてのパッドの印刷ずれ量のＸＹ成分（Δｘ、Δｙ）の、設計位置（Ｘ，Ｙ）に対する対応関係をもとに近似曲面の形態で相関グラフＣを生成する（Ｓ１０）。得られた相関グラフＣが、ＸやＹが大きいほどΔｘやΔｙが共に増減する傾きをもつ平面であればそのマスクが均等に膨張しているか、もしくは基板が均等に収縮していることを意味する。一方ＸＹ平面と平行であれば、その基板またはマスクはいずれも変形していないことを意味する。

ここで、相関グラフと、Ｓ５で求めたそれぞれのパッドの印刷ずれ量（Δｘ、Δｙ）との差から相関ずれを演算して求める（Ｓ１１）。また、求めた相関ずれの中から、特にずれの大きい位置を局所ずれとして検出する（Ｓ１２）。

次に、ステップＳ１０に示す各パッドの設計位置と印刷位置ずれ量から相関グラフを生成する手段の詳細につき説明する。

簡単のため図６のように、基板５０のある領域に属する６個の部品に対応した２箇所一組のパッド５１１〜５１６の設計上の中心座標が（Ｘ１，Ｙ１）〜（Ｘ６，Ｙ６）であり、Ｙ１＝Ｙ３＝Ｙ５＝Ｙ６、Ｙ２＝Ｙ４であったとする。これに対し、計測された印刷ずれ量のＸ成分がΔｘ１〜Δｘ６であり、Ｙ１で局所ずれがあったとすると、パッドの設計上のＸ座標とずれ量のＸ成分との関係は図７の×印で示すような形態となる。このとき図７の×印のうち近傍の点を用いて得られた平滑化、もしくは曲線近似等の手段にて得られた曲線が計測した基板の印刷ずれ量の相関グラフＣｘとなる。Ｙ方向の印刷ずれ量についても同様の方法で相関グラフＣｙを求める。

図７では、簡単のため２次元の相関グラフとしたが、実際には３次元の相関グラフＣとして（Ｘ，Ｙ，Δｘ）空間上の曲面、及び（Ｘ，Ｙ，Δｙ）空間上の曲面として表現するのが望ましい。この場合、図７における特性グラフは、図８における（Ｘ，Ｙ，Δｘ）空間上におけるＹ＝Ｙ１での近似曲線Ｃ１、Ｙ＝Ｙ２での近似曲線Ｃ２を含む面として表現できる。これによりこの基板は（Ｘ１，Ｙ１）で局所ずれがあることがよりはっきり分かり、更にＸＹ方向に変形している可能性があることがあわせて確認できる。

近似曲線の算出方法としては、印刷ずれ不良の要因による違いを明確にできるよう、特定のパッドの印刷ずれ量が他より抜き出て大きい場合その箇所を抽出しやすくするハフ変換による多項式近似が望ましい。ただ、上記ずれ量の最大が基板の最大変形量より小さいと保証できればガウシアンフィルタ等の平滑化によって求めても良い。

また、局所ずれに見られるような大きな相関ずれは、設計時のミスや基板の製造工程で生じたパッド位置のずれの可能性があるので別途確認する。そして、基板やマスクの設計時のミスや、製造工程で生じたパッドやマスク開口位置のずれと認定できる場合は、マスクデータの修正に用いる。

これに対して、小さな相関ずれは、印刷時のはんだのにじみや擦れ、また、測定誤差等が影響して生じるものと考えられるので、マスクデータの修正には用いない。

ただし、複数枚の基板での検査結果に対する相関ずれがおおむね一定の値となっていた場合は、小さな相関ずれであっても固定的な要因によるものと判断して、マスクデータの修正に用いる。

なお上記説明では、印刷時における基板とマスクの位置ずれに起因する平行移動のずれや回転のずれは含まないものとして説明した。

平行ずれや回転ずれのずれ量検出は、一般的に行われている方法を用いればよいので詳細の説明は省略するが、上記例で、相関グラフＣｘの平均値を求めると、その平均値がＸ方向の平行ずれ量となる。

したがって、はんだ印刷機におけるマスク固定位置をＸ方向に相関グラフＣｘの平均値分だけ調整すればよい。

また、相関グラフＣｘから、平行ずれであるその平均値を除いた値を、基板の各パッドにおけるマスクとのＸ方向の位置ずれ量として、マスクデータの修正に用いる。

以上のように、本実施形態のはんだ印刷検査装置は、印刷ずれ量の計測値とパッドの設計上の位置との関係を平滑化もしくは曲面近似等によって相関グラフとして求める。更には相関グラフと計測されたずれ量との差を相関ずれとして計算することにより、特に相関ずれの大きい位置を局所ずれと検出し、これらを出力できる。そのため、位置ずれの要因のうち基板の変形に起因すると思われる位置ずれ部分と、印刷マスクの開口位置もしくは基板上のパッドの設計位置等に起因すると思われる位置ずれ部分、印刷時のずれや測定誤差等に切り分けることが容易になる。その結果、マスク設計工程へ的確なフィードバックが可能となり、位置ずれのないマスクを早期に得ることが出来るという効果がある。

上記のステップＳ１０の印刷ずれ量の計測値とパッドの設計上の位置との関係を曲面近似して特性グラフとして求める手順において、図８の特性グラフＣ１に示すように、特性グラフＣ１の（Ｘ１，Ｙ１）の位置、局所ずれの影響を受けて上方に寄ってきている。そのため、局所ずれを除いたパッドに対して相関グラフを再度求める手順を付加しても良い。この場合の修正後の相関グラフは図９のＣ１‘のようになる。なお相関グラフの再作成時に対象から除くパッドの位置を指定するための手段として、操作者による手動指定か、自動指定かは問わない。これを本発明の第２の実施例とする。

また、位置ずれから相関グラフを求める際に、予め分割された基板内の各領域において、各相関グラフと相関ずれを求め、局所ずれを検出することができる。

特に、微細ピッチパターンの集中した部分等を他の領域と区別して相関グラフを求めることは、特に、精度の高い修正を必要となるところを集中して精査できるので効果が大きい。

更に、印刷ずれ量の基板全体の傾向を可視化するため、たとえば特許４３８９８５９号に示す公知のはんだ印刷検査装置に備えられている印刷ずれ量の表示手段を用いても良い。

即ち、基板を複数個の領域に分割し、各分割された領域内における相関グラフを求め、ＸＹ２つの相関グラフの平均値から領域内の平均位置ずれを平均位置ずれベクトルとして表示する。また、ＸＹ方向の各最大の位置ずれを最大の位置ずれベクトルとして表示する。また、全ての領域の平均位置ずれベクトルも求めて表示する。

また、最大位置ずれベクトルにかわり、最大相関ずれベクトルや、局所ずれベクトルをそれぞれ求めて表示しても良い。

これにより、平均位置ずれベクトルより、基板とマスクの平行位置ずれや回転位置ずれも容易に表示できる。また、最大位置ずれベクトル、最大相関ずれベクトル、局所ずれベクトル等も合わせて表示することで、領域毎の基板の変形傾向や設計ミスや製造工程の異常の可能性等も容易に認識できるようになる等の効果がある。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は、上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更、又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。そのような変更、又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

特許請求の範囲、明細書、及び図面中において示した装置における動作、手順、ステップ、及び段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示していない。また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現し得ることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、及び図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。

１ カメラ
２ 照明
３ 基板供給ステージ
４ 検査制御部
４０ ＣＰＵ部
４１ 画像入力部
４２ 照明制御部
４３ メモリ
４４ 画像処理部
４５ ステージ制御部
４６ 表示部
４７ 結果処理部
５０ 基板
５１ パッド
５２ はんだ印刷領域
５３ 塗布境界部分
５４ スルーホール
５１１ パッド
５１２ パッド
５１３ パッド
５１４ パッド
５１５ パッド
５１６ パッド

Claims (8)

1. はんだが印刷された回路基板の外観を撮像する画像入力手段と、
   前記画像入力手段が撮像して得られた画像を用いて、前記回路基板に形成された複数の金属パッドと、前記金属パッドにそれぞれ印刷されたはんだの印刷領域とのＸＹ方向の位置ずれ量をそれぞれ検出する印刷ずれ量検出手段と、
   前記複数の金属パッドの設計上の座標における、前記印刷ずれ量検出手段が検出した位置ずれ量から、ＸＹ各方向の位置ずれ相関グラフを求めて、前記相関グラフと前記位置ずれ量との差である相関ずれをそれぞれ求めて、特に相関ずれの大きい位置を局所ずれとして検出する位置ずれ傾向検出手段と
   を備えるはんだ印刷検査装置。
2. 前記位置ずれ傾向検出手段は、一旦求めた局所すれを除いて、改めて相関グラフを求め、前記改めて求めた相関グラフから、改めて前記除いた局所ずれを含めて相関ずれを求め、改めて局所ずれを検出する
   請求項１に記載のはんだ印刷検査装置。
3. 前記位置ずれ傾向検出手段は、予め分割された基板内の各領域において、各相関グラフと相関ずれを求め、局所ずれを検出する
   請求項１又は２に記載のはんだ印刷検査装置。
4. 前記位置ずれ傾向検出手段は、前記相関グラフから平均値を求める機能を含む
   請求項１から３のいずれか一項に記載のはんだ印刷検査装置。
5. 前記位置ずれ傾向出力手段は、前記相関グラフの平均値をＸＹ平面におけるベクトルとして表示する機能を含む
   請求項１から４のいずれか一項に記載のはんだ印刷検査装置。
6. 前記位置ずれ傾向検出手段は、分割された各領域において、前記相関ずれの内の最大のずれ量、または、局所ずれの内の最大のずれ量、または、位置ずれの内の最大のずれ量の少なくとも１つの最大ずれ量を求め、求めた最大ずれ量をＸＹ平面におけるベクトルとして表示する機能を含む
   請求項３に記載のはんだ印刷検査装置。
7. 前記位置ずれ傾向検出手段は、前記相関グラフを求める手段として、ハフ変換による多項式近似を用いる
   請求項１から３のいずれか一項に記載のはんだ印刷検査装置。
8. 前記位置ずれ傾向検出手段は、前記相関グラフを求める手段として、前記金属パッドの設計上の座標の近接した複数のパッドにおけるＸＹ各方向の位置ずれ量を用いた平滑化手段を用いる
   請求項１から３のいずれか一項に記載のはんだ印刷検査装置。

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