JP2016070723A - 半田検査装置および方法 - Google Patents

Abstract

【目的】良好な半田は盛上り，ある程度の高さを持つものであり，そのために垂直照明した場合に高さの低い平坦な不良半田と明暗割合が大きく異なるという現象を利用して，正確な半田の良否を判定する。
【構成】照明装置22により基板面に対して垂直に光を投射し，半田部を含む領域を真上から撮像装置25により撮像する。撮像装置から得られる画像から半田部の画像を抽出し，抽出した半田部の画像の暗部面積比率を求め，求めた暗部面積比率を所定のしきい値と比較して半田の良否を判定する。
【選択図】図６

Description

この発明は半田検査装置および方法に関する。

特許文献１に記載のはんだ付検査方法は，はんだ付がなされた平面に対して垂直方向から照明し，照明されたはんだ付面を撮像し，撮像されたはんだ付面の画像の中の明度の低い画素面積の割合と，明度の低い画素集団に包囲される明度の高い画素面積の割合から，はんだ付の良否を判定するものである。

特開平２−１５３７７号公報

しかしながら，半田の付き方，形状によっては必ずしも明度の低い画素に明度の高い画素が包囲されるような画像が得られるとは限らない。

この発明は，良好な半田はある程度の高さを持つものであり，そのために垂直照明した場合に高さの低い平面的な不良半田と明暗割合が大きく異なるという現象を利用して，正確な半田の良否を判定するものである。

特にこの発明は，半田画像の平面形状のみからでは判別し難い半田の良否を判定するものである。

この発明による半田検査装置は，基板上に形成された電極上の半田を検査する装置において，基板面に対して垂直に光を投射する照明装置，前記照明装置により照明された半田部を含む領域を撮像する撮像装置，前記撮像装置から得られる画像から半田部の画像を抽出し，抽出した半田部の画像の暗部面積比率を求める画像処理手段，および前記画像処理手段により求められた暗部面積比率を所定のしきい値と比較して半田の良否を判定する判定手段を備えることを特徴とするものである。

また，この発明による半田検査方法は，基板上に形成された電極上の半田を検査する方法において，基板面に対して垂直に光を投射して照明し，照明された半田部を含む領域を撮像装置により撮像し，前記撮像装置から得られる画像から半田部の画像を抽出し，抽出した半田部の画像の暗部面積比率を求め，求めた暗部面積比率を所定のしきい値と比較して半田の良否を判定することを特徴とするものである。

中央部が盛り上った高さの高い良好な半田の場合，基板面に垂直な光で照明すると，湾曲した半田表面により照明光は斜め上方や横方向に反射し，半田を真上から撮像すると周縁部がやや広い範囲にわたって暗くなる。これに対して，高さが低く平坦に近い不良半田の場合には，多くの照明光が平坦面で上方に反射し，半田を真上から撮影した場合に全体的に明るく，暗い部分が少ない画像となる。

半田の平面形状が良品と同じでも基板面に垂直な光で照明したときに，半田の高さに依り，良品の場合には暗い部分の割合が多く，不良品の場合には暗い部分の割合が少ないという現象に着目して，この発明は半田部の画像の暗部面積比率に基づいて半田の良否を判定している。したがって，平面形状（輪郭形状）では判定できない半田の高さに依存する良否を判定することができる。

もちろん，抽出した半田部の画像の輪郭形状に基づいて不良と判定できるものについては暗部面積比率に基づく判定は行なわず，抽出した半田部の画像（輪郭形状）の良好なものについて暗部面積比率を求める。

すべての照明光が基板面に正しく垂直ということは現実にはあり得ないので，半田の高さに応じて反射光量に弁別可能な差を生じさせる程度に，大部分の光が基板面に垂直に向う，または垂直に近い角度で向うものであればよいのはいうまでもない。

良品半田を含む領域の平面図である。 図１のII−II線に沿う拡大断面図である。 不良品半田を含む領域の平面図である。 図３のIV−IV線に沿う拡大断面図である。 半田高さと暗部面積比率の関係を示すグラフである。 半田検査装置の全体構成を示す。 不良半田（ショート）を示す平面図である。 不良半田（欠損）を示す平面図である。

図１および図２は良好な半田付き状態を示している。すなわち，基板10の表面上に，電極11およびこれに連続する配線12のパターンが形成されている。電極11および配線12は銅，その他の金属または導電材料で形成されている。基板10は絶縁体である。もっとも金属基板上に絶縁膜（層）を形成し，この絶縁膜（層）上に電極11および配線12を形成してもよい。電極11上には半田13が付けられている。半田13は電極11（配線12）とワイヤ（図示略）とを電気的に接続し，かつワイヤを固定するものである。

図３および図４は不良な半田付き状態を示している。基板10，電極11，配線12は図１，図２に示すものと同じである。電極11上の半田は符号13Ａで示されている。

図１と図３との対比から分るように，これらの半田13と13Ａは平面から（その輪郭形状を）みると，電極11の内側に沿った略方形でほぼ同じ形状である。ところが，それらの断面は図２，図４に示すように異なる。良好な半田13は電極11上に盛り上っているが，不良な半田13Ａは盛り上りに欠け，ほぼ平坦である。

このような半田13，13Ａについて，基板10（電極11）の表面に対して垂直に向う光で照明すると，良好な盛上った（高さの高い）半田13においては，丸味のある表面で照明光が上方のみならず斜め上方，横方向にも反射する。したがって，このような照明の下で，半田13を上方から撮像すると，半田13の中央部は明るく，周囲が暗い画像となり，暗い部分がかなり多い割合になっている。これに対して，高さの低い平坦な不良半田13Ａの場合には，殆どの照明光が平坦な面で上方に反射し，わずかに周縁で斜め上方または横方向に反射するにすぎず，半田13Ａを上方から撮像すると暗い部分が少ない全体的に明るい画像となる。

平面から見た形状（撮像画像の輪郭形状）が同じように良好で高さ（盛上り）の異なる多数の半田について，上記の垂直照明の下で上方から撮像し，その暗い部分（暗部）の全体（半田部の上からみた面積）に対する割合（暗部面積比率）と，半田の高さ（電極表面から半田の頂点までの高さ）との関係をグラフにとると，図５に示すようになる。暗部とは画像データ中の明るさ（輝度）を適切なしきい値で弁別したときの輝度の小さい方の画素の集まりである。このグラフから分るように，半田高さと暗部面積比率とは明確な相関があり，かつ暗部面積比率が小さい半田は半田高さが低いという傾向がある。そこで半田の画像について暗部面積比率を求め，それを適当なしきい値ＴＨで弁別すれば，高さの低い半田（不良品）（図３，図４）と高さの高い盛上った半田（良品）（図１，図２）とに分けることができ，半田の良否を判定することが可能となる。

上記の半田の良否判定は，図１，図３に示すように，平面から見た半田形状（半田画像の輪郭形状）がテンプレート画像の形状（良好な半田の画像の輪郭形状）と同じであるということが前提である。たとえば，図７に示すように隣接する電極11上の半田13Ｂがつながっている（短絡，ショート）ような半田不良，図８に示すように電極11上に半田13Ｃが殆ど存在しない不良（欠損）は，半田の画像の輪郭形状の判定で不良品と判定されるので，このような不良品は図５のグラフに基づく半田良否判定の対象とはしない。

図６は，半田検査装置の一例を示している。

半田検査装置はＸＹステージ21を備えている。ＸＹステージ21は水平な載置面を有し，水平面内においてＸＹ方向に移動自在に保持され，駆動制御装置（図示略）によりＸＹ方向の任意の位置に位置決めされる。ＸＹステージ21をＺ方向（垂直方向）に移動可能としてもよい。

ＸＹステージ21の上方には撮像装置25が配置されている。撮像装置25は光学系26と電子カメラ27とを備えている。光学系26は好ましくは（物体側）テレセントリックレンズを含む。カメラ27はこの実施例ではラインセンサである。もちろん二次元撮像素子を用いてもよい。撮像装置25はロボット（図示略）により，ＸＹＺ三次元方向に移動可能である。

照明装置22は撮像装置25の下方でかつステージ21の上方の位置に設けられ，撮像装置25と一体的に固定され，上記ロボットにより撮像装置25と一緒に三次元的に移動する。照明装置22は，撮像装置25による撮影位置の真上に配置された同軸落射照明装置23と，その周囲に配置されたリング照明装置34とから構成される。同軸落射照明装置23は基板10の表面に対して垂直な光を照射する。リング照明装置は撮影対象物の全体を明るくするものであり，必ずしもなくてもよい。

撮像装置25から出力される画像信号は検査処理装置30に与えられる。検査処理装置30はたとえばコンピュータ（ＰＣ）により構成され，撮像装置25が撮像した半田の画像を解析して，半田の良否を判定するとともに，不良の場合にはその種類を判別する。

基板10上の半田のすべてを一挙に検査してもよいし，半田ごと，半田のまとまりごとに検査してもよいが，いずれにしても撮像装置25と照明装置22をロボット操作により位置決めし（高さ，水平位置），その後，ＸＹステージ21を移動させることにより，カメラ27からラインスキャン画像信号が出力される。これらの画像信号から半田が存在する部分（半田部）を含む領域の二次元画像が得られる。

検査処理装置30は，半田部を含む領域の画像から半田部の画像をたとえば次のようにして抽出する。

良品の半田の画像をテンプレートとしてテンプレートマッチングを行い，半田部のおおよその位置を求め，半田部を含む少し大き目の画像を切り出す。

切り出した画像の周縁部分は半田部ではなく背景画像（基板または電極）である。この周縁部分の画像の平均的な明るさを求め，その明るさの画素を取り除く。

このようにして半田部の外側の画素が除去されるが，半田部の内部にも背景画像と同じ明るさの部分があるとその画素も除かれてしまうので，このような小さいパターン，細かいパターンを除去するためにクロージング（同じ回数分，膨張して圧縮する処理）をかける。これにより，正確な半田部の範囲（領域）が定まるのでこの範囲の画像を上記の切り出した画像から抽出すれば，半田部のみの画像が得られる。

半田部のみの画像の各画素の明るさのヒストグラムを作成する。このヒストグラム上で適当なしきい値を用いて暗部とそれ以外の部分を分け，暗部面積比率（％）を求める。得られた暗部面積比率をしきい値ＴＨと比較し，しきい値ＴＨより小さい暗部面積比率をもつ画像の半田を不良，しきい値ＴＨ以上の暗部面積比率をもつ画像の半田を良品とする。

上記において，得られた半田のみの画像からその輪郭形状を求め，輪郭形状に基づいて図７に示すようなショート，図８に示すような欠損，その他の明らかな不良半田部を判断する。この判断において不良とされたものについては上記暗部面積比率の計算処理には移行しない。図１，図３に示すように，良品のテンプレート半田画像と同じような外形を持つ半田部について暗部面積比率の計算処理に進む。

10 基板
11 電極
13，13Ａ，13Ｂ，13Ｃ 半田（部）
21 ＸＹステージ
22 照明装置
25 撮像装置
30 検査処理装置

Claims (3)

1. 基板上に形成された電極上の半田を検査する装置において，
   基板面に対して垂直に光を投射する照明装置，
   前記照明装置により照明された半田部を含む領域を撮像する撮像装置，
   前記撮像装置から得られる画像から半田部の画像を抽出し，抽出した半田部の画像の暗部面積比率を求める画像処理手段，および
   前記画像処理手段により求められた暗部面積比率を所定のしきい値と比較して半田の良否を判定する判定手段，
   を備える半田検査装置。
2. 上記画像処理手段は，抽出した半田部の画像の形状が良好なものについて暗部面積比率を求める，請求項１に記載の半田検査装置。
3. 基板上に形成された電極上の半田を検査する方法において，
   基板面に対して垂直に光を投射して照明し，
   照明された半田部を含む領域を撮像装置により撮像し，
   前記撮像装置から得られる画像から半田部の画像を抽出し，抽出した半田部の画像の暗部面積比率を求め，
   求めた暗部面積比率を所定のしきい値と比較して半田の良否を判定する，
   半田検査方法。

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