JP2016142567A - 検査方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】サーマルイメージング法において、高精度に接合部を抽出するために加熱面に水平方向、及び垂直方向の熱伝導を切り分けて、垂直方向のみの情報を取得可能な検査方法と装置を提供する。
【解決手段】試料を照射する照明光学系と、照明光学系で照射された試料の赤外線強度を検出する検出器と、試料の赤外線強度の時間変化に基づき、試料の熱伝搬の方向を少なくとも２つに分ける処理部と、を備えた検査装置により、接合部を高精度に抽出可能となる。
【選択図】図２

Description

検査方法及び装置に関する。

ニッケル水素電池などの二次電池と比べて軽量および小型という利点を有しているリチウムイオン電池の市場規模は年々拡大傾向にある。図１にリチウムイオン電池の構成を示す。このリチウムイオン電池の製品の安全性確保のため製造工程で各種検査が行われており、その中でも外部電極への電流取り出しを担う内部電極（図１）は確実に接合されていることの確認が重要であるため、非破壊全数検査が求められている。内部電極接合部のような金属同士の接合強度を評価する手法として加熱面から垂直方向への熱の伝わり易さから接合の良否を判定するサーマルイメージングがある。しかし、加熱を行うと加熱面に垂直方向だけではなく加熱面に水平方向にも熱が伝導するため、垂直方向の熱伝導の情報のみを取り出すことができず、接合領域を正確に抽出できないという課題がある。これに対しては、特許文献１（特開２０１３−１２２４１４号公報）に、サンプルを強度変調して加熱し、その周波数に応じた赤外線強度の変化を演算処理することで外乱の影響を抑制して接合の良否を判定する技術が開示されている（特許文献１）。

特開２０１３−１２２４１４号公報

サーマルイメージング法では、高精度に接合部を抽出するために加熱面に水平方向、及び垂直方向の熱伝導を切り分けて、垂直方向のみの情報を取得する必要がある。特許文献１に記載の技術では、異なる変調周波数で測定することで加熱面に垂直な方向の情報は抽出することができるが、水平方向の熱伝導の影響を抑制することはできない。

試料を照射する照明光学系と、前記照明光学系で照射された前記試料の赤外線強度を検出する検出器と、前記試料の赤外線強度の時間変化に基づき、前記試料の熱伝搬の方向を少なくとも２つに分ける処理部と、を備えた検査装置である。

本発明によれば、接合部を高精度に抽出できる検査方法及び装置が提供可能となる。

リチウムイオン電池の構成を説明する図である。 接合性検査装置を説明する図である。 サンプルの構造を説明する図である。 接合部、非接合部の赤外線強度の時間変化を示す図である。 接合部、非接合部の赤外線強度の差の時間変化を示す図である。 接合部、非接合部の赤外線強度の時間変化を示す図である。 赤外線強度の最大値で規格化した赤外線強度の時間変化を示す図である。 フィッティング範囲を説明する図である。 赤外線カメラの測定視野を示す図である。 時定数画像の断面プロファイルを示す図である。 時定数画像の断面プロファイルの二階微分を示す図である。 時定数画像の断面プロファイルから二階微分した値を引いた結果を示す図である。 二値化処理範囲を選定する画面イメージである。 二値化処理結果から接合部の面積を算出する方法を説明する図である。 接合部の良否判定方法を説明する図である。 検査のフローを説明する図である。

図２を用いて測定サンプル１０２の接合性を検査する接合性検査装置の基本構成を示す。

光源１０１、赤外線測定部１０３、サンプル駆動機構１０４、サンプル駆動機構コントローラ１０５、測定タイミング制御部１０６、ＰＣ１０７、コリメータレンズ１０８、光源コントローラ１０９、赤外線測定器コントローラ１１０、ビームエキスパンダ１１１、ビームホモジナイザ１１２、メモリ１１４と、を備えて構成される。

図３を用いてサンプル１０２の構造を説明する。

図３は、サンプル１０２のｘｙ平面図とｙ＝ｙ_１における断面図を示す。サンプル１０２は、大きさ１０×１０ｍｍ、厚さ３ｍｍのアルミニウム板２０１と大きさ１０×１０ｍｍ、厚さ５ｍｍのアルミニウム板２０２の中心３×３ｍｍを超音波溶接で接合したものであり、アルミニウム板２０１の表面には、傷２０５がある。ここで、超音波溶接された領域を接合部２０３、溶接されていない領域を非接合部２０４と定義する。アルミニウム板２０１の１０×１０ｍｍの領域全面を加熱するために、レーザ光１１３のスポット径は例えば直径１５ｍｍ以上とする。光源１０１としては、例えば波長８８０ｎｍ、出力１００Ｗの半導体レーザを用いる。半導体レーザから射出したレーザ光１１３は光ファイバに入射され射出端まで伝搬させる（図示せず）。光ファイバとしては、大出力化が可能なコア径の大きい光ファイバを用いる。例えば、コア径１００μｍ、ＮＡ＝０．３のマルチモードファイバなどが挙げられる。光ファイバの射出端から射出したレーザ光１１３はコリメータレンズ１０８でコリメート光にする。コリメート光のビーム径（直径）Ｄは、以下の式で求められる。
（数１） Ｄ＝２×ｆ×ＮＡ
ここで、ｆはレンズの焦点距離、ＮＡは光ファイバのＮＡ（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ａｐｅｒｔｕｒｅ）値である。例えば、波長８８０ｎｍ、ＮＡ０．３のレーザ光を焦点距離１３ｍｍのコリメータレンズに入射すると、レーザ光は直径７．８ｍｍのコリメート光になる。本実施例では、ビーム径を１５ｍｍ以上とするためビームエキスパンダ１１１でビーム径を広げる。ビームエキスパンダ１１１は、凸レンズと凹レンズの組み合わせ、または、２枚の凸レンズの組み合わせから構成されており、ビーム径を変更することが可能な光学素子である。コリメータレンズ透過後のビーム径が７．８ｍｍであり、サンプルの被照射範囲が１０ｍｍ×１０ｍｍであった場合、ビームエキスパンダ１１１としては、例えば最大入射有効径が１０ｍｍ、ビーム倍率が２倍の素子を使用すればよい。これより、コリメート光のビーム径は直径１５．６ｍｍまで広げることができる。

また、一般的なレーザ光は、強度分布がガウシアン分布など不均一なものであるため、均一加熱を行うためには、ビームの強度分布は一様にする必要がある。ビームの強度分布を一様にする手法としては、ビームホモジナイザ１１２などを用いればよい。ビームホモジナイザ１１２は、不均一な強度分布をもつレーザ光を均一な強度分布にする光学素子であり、例えば非球面ビームホモジナイザがある。非球面ホモジナイザは、ガウシアン分布の光線密度分布を均一分布に変換するように各光線の屈折角が非球面レンズによって制御されており、レーザ光の強度分布を均一にすることが可能となる。一様な強度分布になったレーザ光１１３はサンプル面１０２上に照射される。サンプルの加熱時間ｔは、加熱するサンプルの物性値、上昇させたい温度を基に決定し、近似的に以下の式から見積もることができる。
（数２） ｔ＝ＶｄΔＴ/εＰ
ここで、Ｖはレーザ照射部のサンプルの体積、ｄはサンプルの密度、ΔＴは温度変化量、εはサンプルの吸収率、Ｐは照射パワーである。例えば、出力１Ｗ、波長８８０ｎｍ、スポット径１ｍｍのレーザで厚さ０．１ｍｍのアルミニウム板の温度を１００℃上昇させる場合、アルミニウムの密度ｄ＝２．７ｇ/ｃｍ^３、吸収率０．８０を用いると照射時間は０．１７ｓとなり、この照射時間近辺で目標の温度上昇が達成できる。

サンプルの熱伝導の過渡応答は赤外線測定部１０３を用いて測定する。赤外線測定部１０３としては例えば赤外線カメラを用いる。赤外線カメラは、温度分解能０．０３℃、画素数３２０×２５６の素子を使用し、熱伝導の過渡応答を高い時間分解能で測定するため高速なフレームレートのものを使用する。例えば、ＩｎＳｂなどの半導体素子を利用した冷却型センサを使用すれば、フレームレート１５００ｆｐｓ（時間分解能：０．６７ｍｓ）といった高速フレームレートでの測定を実現できる。サンプル１０２にレーザ光１１３を照射するタイミングと赤外線測定部１０３の測定開始タイミングは、測定タイミング制御部１０６で制御する。測定タイミング制御部１０６としては、ファンクションジェネレータを用いて信号を出し、その信号を同期信号として用いればよい。同期信号のＯＮ／ＯＦＦはＰＣ１０７を用いて制御する。

赤外線測定部１０３による赤外線強度の測定は予め設定した時間まで行う。測定終了時刻の決定方法を図４、図５を用いて説明する。
図４は、接合部、非接合部の赤外線強度の時間変化を示す図、図５は、接合部、非接合部の赤外線強度の差の時間変化を示す図である。

接合部と非接合部は加熱終了後の赤外線強度の熱緩和過程の違いから判定できる。例えば、アルミニウム板２０１上の非接合部ｃはアルミニウム板２０２に接合されていない分、ｚ軸方向の金属板の厚さが薄くなるため、接合部ｂに比べて熱容量が小さくなる。その結果、非接合部ｃでは接合部より温度上昇が大きくなるため、接合部と非接合部において赤外線強度に差が生じる。そのため、赤外線強度の熱緩和が概ね緩和し、接合部と非接合部の間の赤外線強度の差がある一定値以下になった段階で測定を終了すればよい。図４は、図３の接合部ｂに対応する画素の赤外線強度の時間変化３０１（実線）と非接合部ｃに対応する画素の赤外線強度の時間変化３０２（点線）を示している。加熱を開始（時刻ｔ_１）するとサンプル表面の温度が上昇するため、放射される赤外線強度は大きくなる。加熱を終了（時刻ｔ_２）すると温度が低下するため赤外線強度が低下する。接合部と非接合部の赤外線強度の差を解析するため、両者の差４０１を求めると（図５）、加熱終了（時刻ｔ_２）直後は、接合部と非接合部の赤外線強度の差が最大になり、徐々に差が減少することが確認できる。これは加熱終了直後は、接合部と非接合部の温度差が大きいため赤外線強度の変化が大きくなるが、時間が経過すると熱が拡散し、接合部と非接合部の赤外線強度が均一に近づくため、差が小さくなることを示している。測定終了時刻は、例えば算出した赤外線強度の差４０１が０±Δｔ以内になった時刻ｔ_３とすればよい。ここで、Δｔはカメラの温度分解能である。

所定の時間の赤外線強度の時間変化測定が完了後、サンプル駆動機構１０４を用いてサンプル１０２を搬送し、次のサンプルの加熱、及び赤外線強度測定を開始する。サンプル１０２は、溶接装置からベルトコンベアで搬送され、ロボットアームでサンプル駆動機構１０４に移動させる（図示せず）。サンプル駆動機構としては、位置決め精度０．０１ｍｍのステッピングモータ駆動ステージを用いればよい。駆動方向は、ｘｙ平面の２軸駆動に加え、回転ステージを具備し、サンプルの回転を可能とする。赤外線測定部１０３で検出した１画素ごとの赤外線強度情報は通信ケーブル（図示せず）を介してＰＣ１０７に転送される。ＰＣ１０７では、加熱後の赤外線強度の時間変化から接合部と非接合部を評価する。

本願では、以下の工程で取得した赤外線強度画像から接合部を可視化し、接合の良否判定を行う。

（１）場所毎の放射率ムラの補正
（２）加熱終了後の赤外線強度の熱緩和過程を指数関数でフィッティング
（３）フィッティング結果を用いて接合部を可視化
（４）可視化した接合部のエッジ部強調処理
（５）接合部面積の算出
（６）接合部面積と引張強度の相関評価による接合の良否判定

以下で詳細を説明する。
（１）同じ接合部であっても場所毎に表面粗さは異なり、表面粗さが大きいほど放射率は増加する。これにより、場所毎の赤外線強度に差が生じるため、接合部と非接合部の判別が困難になる。そこで、場所毎に放射率ムラを補正する。放射率ムラを補正する方法を図６、７で説明する。

図６は、接合部、非接合部の赤外線強度の時間変化を示す図、図７は、赤外線強度の最大値で規格化した赤外線強度の時間変化を示す図である。

図６は図３の点ａ、ｂの赤外線強度の時間変化を示している。接合部ａ（傷のある接合部）、ｂ（傷のない接合部）の赤外線強度の時間変化を比べると共に接合部であるが、傷のある接合部ａでは放射率が大きくなるため、接合部ｂよりも放射される赤外線強度が大きくなる。このように、赤外線強度を補正しない場合、同じ接合部であっても赤外線強度に差が生じる。そこで、以下の工程で場所毎の放射率を補正する。

１．接合部ａの赤外線強度の時間変化を抽出
２．接合部ａの赤外線強度の最大値ａ_ＭＡＸを算出
３．接合部ａの各時間の赤外線強度を最大値ａ_ＭＡＸで規格化
（数３） 規格化式：Ｉ_ｔ＝i_ｔ／ａ_ＭＡＸ
ここで、Ｉ_ｔは時刻ｔにおける規格化後の赤外線強度、i_ｔは時刻ｔにおける赤外線強度である。
４．１〜３の処理を全画素において行う

図７に放射率ムラを補正した赤外線強度の時間変化のグラフを示す。放射率の補正をすることで接合部である点ａとｂの赤外線強度変化は概ね一致することがわかる。このように場所ごとの赤外線強度の最大値で規格化することで赤外線強度変化の挙動のみを考慮した接合部の判定が可能となる。

（２）接合部と非接合部を判別するため、放射率ムラを補正した加熱終了後の赤外線強度の熱緩和過程を解析する。一般的な熱緩和は以下の式で表される。
（数４） ΔＴ＝（Ｔ_０−Ｔ_ｍ）ｅｘｐ（−αＳｔ／Ｃ）＋Ｔ_ｍ
ここで、ΔＴは温度変化、Ｔ_０は時刻ｔ＝０におけるサンプルの温度、Ｔ_ｍは測定環境の温度、αは熱伝達率、Ｓはサンプルの表面積、ｔは時刻、Ｃは熱容量である。熱緩和の式より、加熱終了後の赤外線強度の熱緩和過程は指数関数で表すことができる。ここで、指数関数の時定数（Ｃ／αＳ）は、熱容量と熱伝達係数に依存するため、接合強度の違いは時定数の値に表れる。また、フィッティング式の指数関数の項は、ｅｘｐ（−ｔ／τ）で表されるため、加熱終了後の赤外線強度の熱緩和率が大きいほど、時定数τは小さくなる。例えば、非接合部では、接合部よりも熱容量が小さいため、加熱時の温度上昇が大きくなる。その結果、加熱終了直後の赤外線強度の熱緩和率は接合部よりも大きくなるため、非接合部における時定数は接合部より小さくなる。このように時定数の値の比較により接合部と非接合部の判別が可能である。さらに、接合部と非接合部の熱容量の違いは−ｚ軸方向の厚さの違いによるため、−ｚ軸方向の熱伝導の情報を取得すれば接合部を抽出できる。しかし、アルミニウム板２０１全面を加熱した場合、−ｚ軸方向２０７だけではなく、ｘｙ面内２０６にも熱が伝導するため、フィッティング結果には各方向の熱伝導の影響が重畳する。そのため、接合部と非接合部の境界が不明瞭になり、接合部を正確に抽出することができない。そこで、ｘｙ面内の熱伝導２０６と−ｚ軸方向の熱伝導２０７を切り分けて、−ｚ軸方向のみの情報を抽出する。ｘｙ面内と−ｚ方向の熱伝導の切り分け方法として指数関数を２項用いて加熱終了後の赤外線強度の熱緩和過程をフィッティングする。フィッティングは以下の式を用いる。
（数５） Ｉ＝Ａ_Ｚｅｘｐ（−ｔ／τ_Ｚ）＋Ａ_ｘｙｅｘｐ（−ｔ／τ_ｘｙ）＋ｎ
ここで、Ａ＝Ｔ_０−Ｔ_ｍ、τ＝Ｃ／αＳとおき、ｎはオフセット項、各係数、時定数の添え字は熱の伝導方向を表す。また、フィッティング式の第一項が−ｚ軸方向の熱伝導、第二項がｘｙ面内の熱伝導を示す。
フィッティングは最小二乗法で行い、測定結果との残差の二乗和が最小となる値を求めればよい。フィッティング範囲７０１は加熱終了時（時刻ｔ_ａ）から測定終了（時刻ｔ_ｂ）の間で行えばよい（図８）。
図８は、フィッティング範囲を説明する図である。

（３）接合部の面積を算出するため、フィッティングにより求めた時定数を用いて接合部を可視化する。接合部の可視化方法を図９で説明する。
図９は、赤外線カメラの測定視野を示す図である。

処理は以下の工程で行う。

１．画素８０２における加熱終了後の赤外線強度の熱緩和過程のフィッティング結果から時定数τ_ｚを抽出
２．抽出した時定数τ_ｚを画素８０２の値として割り当て
３．赤外線カメラの測定視野８０１のすべての画素において時定数τ_ｚを割り当て、時定数τ_ｚ画像を作成

（４）接合部をより精度良く抽出するため、（３）で取得した時定数τ_ｚ画像における接合部のエッジ部を強調する処理を行う。処理手法としては例えば、ラプラシアンフィルタを用いる。図３のｙ＝ｙ_１における時定数τ_ｚ画像の断面プロファイルに対して接合部と非接合部の境界２０３Ａ、２０３Ｂを強調する方法を例に説明する（図１０）。

図１０は、時定数画像の断面プロファイルを示す図である。

処理は以下の工程で行う。
１．ｙ＝ｙ_１における時定数τ_ｚのプロファイル９０１抽出（図１０）
２．プロファイル９０１の二階微分１００１を計算（図１１）
３．（プロファイル９０１）−（二階微分１００１）により接合部と非接合部の境界を強調１１０１（図１２）
ここで、図１１は時定数画像の断面プロファイルの二階微分を示す図、図１２は時定数画像の断面プロファイルから二階微分した値を引いた結果を示す図である。

図１０の断面プロファイル９０１を見ると加熱面に水平、及び垂直方向の熱伝導の影響の重畳により接合部と非接合部の境界２０３Ａと２０３Ｂが不明瞭になっている。この断面プロファイル９０１に対して二階微分１００１を求めると接合部の境界付近でオーバーシュート１００２とアンダーシュート１００３が生じる。そして、この二階微分１００１を断面プロファイル９０１から引くと図１２に示すように接合部と非接合部のプロファイル１１０１の傾きが急峻になり、接合部のエッジ部を強調できることがわかる。これを二次元的に処理することで取得した時定数τ_ｚ画像全体の輪郭を強調することができ、より精度良く接合部を抽出することができる。
（５）接合強度を定量的に評価するため、取得した時定数τ_ｚ’画像から接合部の面積を算出する。
（５-１）二値化処理を行う範囲の設定方法を図１３で説明する。図１３は時定数τ_ｚ’画像のヒストグラムから二値化処理範囲を決定する画面イメージを示している。詳細は（２）で説明したが、接合部と非接合部では、熱容量の違いにより−ｚ軸方向の熱緩和情報を有する時定数の値が異なり、その値は接合部よりも非接合部のほうが小さくなる。そのため、ヒストグラムには接合部を表す時定数のピーク１２０３と非接合部を表す時定数のピーク１２０２が生じる。これに加えサンプルがない領域のピークが生じる。サンプルの存在しない領域では加熱が行われないため赤外線強度の変化はほとんどない。その結果、サンプルの存在しない領域の時定数τ_ｚ’のピーク１２０４は接合部の時定数τ_ｚ’のピーク１２０３よりも大きい値となる。その結果、時定数τ_ｚ’のヒストグラムには大きくわけて３つのピークが生じる。ここで、サンプルの存在しない領域のピーク１２０４を含めて二値化処理すると接合部と非接合部を正しく分離できないため、二値化処理の範囲を接合部と非接合部のピークのみを含む領域に設定する必要がある。設定方法は、まず時定数τ_ｚ’のヒストグラムを確認し、二値化処理の下限１２０６、及び上限１２０７を設定する。下限１２０６、及び上限１２０７はヒストグラム上のスケールを移動、または範囲指定ウィンドウ１２０５に値を入力すればよい。設定した範囲での時定数τ_ｚ’画像１２０８を確認し、所望の解析範囲のみ抽出できていることを確認する。
（５−２）（５−１）で選定した範囲のヒストグラムを二値化処理し、接合部の面積を抽出する方法を図１４で説明する。

図１４は二値化処理により算出した接合部の面積の表示画面イメージである。まず二値化処理範囲を設定した時定数τ_ｚ’画像１２０８のヒストグラム１３０１に対して二値化処理を行う。二値化処理の閾値は判別分析法を用いて算出すればよい。判別分析法は分離度と呼ばれる値が最大となる値を求め、その値を閾値とする。分離度はクラス間分散σ_b ²とクラス内分散σ_ｗ ²の比（σ_b ²／σ_ｗ ²）で求めることができる。ここで、ある値ｔｈ_１でクラス分けをしたときの各クラスの画素数ω_i、平均値ｍ_i、分散σ_i（i＝１，２）を用いるとクラス間分散σ_b ²とクラス内分散σ_ｗ ²は次の式で求めることができる。
（数６） σ_b ²＝ω_１ω_２(ｍ_１−ｍ_２)²／(ω_１＋ω_２)²、
（数７） σ_ｗ ²＝（ω_１σ_１ ²＋ω_２σ_２ ²)／(ω_１＋ω_２)
判別分析法により求めた閾値１３０２で時定数τ_ｚ’画像１２０８を二値化して二値化画像１３０４を取得し、閾値１３０２以上の画素を接合部１３０６として可視化する。算出した閾値は閾値表示ウィンドウ１３０３に表示する。二値化処理により抽出した接合部１３０６の面積は（接合部の画素数）×（画素サイズ）により算出する。例えば、赤外線カメラの画素サイズが５０×５０μｍであり、二値化処理で接合部と判断した画素数が８０００画素であった場合、面積は２０ｍｍ^２となる。算出した接合部１３０６の面積は接合部面積表示ウィンドウ１３０５に表示する。

（６）接合部面積を用いて接合の良否を判定する方法を説明する。
図１５に測定結果の判定画面のイメージを示す。ここでは、例として接合部の面積と引張強度の相関から接合の良否を判定する方法を説明する。事前に接合強度が異なるサンプルを作製し、サーマルイメージングによる接合部面積の算出、及び各サンプルの引張強度を測定し、接合部の面積と引張強度の相関を求める。接合強度の異なるサンプルの作製方法としては、例えば超音波溶接時の溶接時間、振幅、または加圧力を変えた条件で溶接を行えばよい。次に、ユーザは接合部の良品と判断できる接合強度を決定し、これを良否判定の基準値とする。基準としては例えば溶接条件を変えても引張強度が変化しなくなった値を用いればよい。ここでは例として５０Ｎ以上を良品と仮定する。本実施例では引張強度５０Ｎは接合部面積１５ｍｍ^２に対応するため、時定数τ_ｚ’画像から算出した接合部の面積が１５ｍｍ^２以上であれば良品となる。判定画面では、ユーザが評価項目１４０１、及び良品判定閾値１４０２を入力すると、引張強度と接合部の相関グラフ１４０５に測定結果１４０６がプロットされ、接合部面積１４０３、及び良否判定結果１４０４が出力される。

測定フロー、及び処理フローを説明する（図１６）。
測定サンプル１０２を載置したサンプル駆動機構１０４により、測定サンプル１０２を予め設定した位置まで搬送する（ステップ００１）。

サンプル１０２に応じてメモリ１１４よりＰＣ１０７が同期測定の有無、加熱条件、赤外線カメラ撮影条件等の測定レシピを読み出し（ステップ００２）、赤外線測定部１０３による撮影と光源１０１によるサンプルの加熱とを開始する（ステップ００３）。

レーザの出力、試料の熱拡散係数、構造の情報から予め決定した条件で加熱が行われた時点で光源１０１による加熱を終了し（ステップ００４）、予め設定した時間、赤外線強度を測定した時点で赤外線カメラ１０３の撮影を終了する（ステップ００５）。

ＰＣ１０７により、赤外線カメラで取得した赤外線強度の時間変化から加熱終了後の熱緩和過程を抽出する（ステップ００６）。

加熱面に水平、及び垂直方向の熱伝導の影響を切り分けるため、ＰＣ１０７により加熱終了後の赤外線強度の熱緩和過程を２項以上の指数関数でフィッティングする（ステップ００７）。

ＰＣ１０７にて、フィッティング結果から加熱面に垂直方向の熱緩和情報を有する時定数τ_ｚを抽出し、画素の値とする（ステップ００８）。

取得した時定数画像に対して接合部を高精度に抽出するため、ＰＣ１０７にて接合部のエッジ部を強調処理する（ステップ００９）。

ＰＣ１０７にて、接合部を判別するためにステップ００９で取得した時定数画像を二値化処理し、閾値以上の値を接合部とする（ステップ０１０）。

次に、ＰＣ１０７にてステップ０１０で抽出した接合部から接合の良否判定を行うための評価値を算出する。評価値としては、例えば接合部の画素数に赤外線カメラの画素サイズを乗算することで求められる接合部の面積をもちいればよい（ステップ０１１）。

この評価値と予め設定した良否判定の基準値とをＰＣ１０７にて比較し（ステップ０１２）、評価値が基準値以上であれば良品として判定する（ステップ０１３）。
本実施例では、波長８８０ｎｍの光を用いて試料の加熱を行ったが、これに限定される必要はない。波長は試料の吸収が大きい波長を選定することで、試料を効率よく加熱することができる。例えば、ステンレスの場合、波長８８０ｎｍよりも長波長側で赤外線の吸収率が高くなる。そのため、ステンレスでは、波長１５５０ｎｍ近辺を選択したほうが効率よく加熱することができる。波長１５５０ｎｍ近辺の光源としてはエルビウムドープファイバレーザなどを用いればよい。

本実施例では、赤外線測定部として冷却型センサを用いたが、これに限定される必要はない。例えば、非冷却型センサを用いることで装置の低コスト化が可能となる。非冷却型センサは冷却型に比べ、フレームレート、温度分解能が劣るため、測定に求められる仕様を基に装置選定を行えばよい。非冷却型センサとしてはマイクロボロメータなどを用いればよい。

本実施例では、ファンクションジェネレータを用いて測定タイミングの制御を行ったが、赤外線カメラまたは光源から信号を取り出して同期を行ってもよい。これにより、ファンクションジェネレータを使用する必要がないため、装置の小型化が可能となる。

本実施例では、試料駆動機構のモータとしてステッピングモータを使用したが、これに限定される必要はない。例えば、サーボモータを用いれば、ステッピングモータと比較して価格は高くなるが、高い位置決め精度を実現することが可能となるため、試料の移動量が微小かつ高い精度が求められる場合はサーボモータを用いればよい。

本実施例では、加熱終了後の赤外線強度の熱緩和過程を２項の指数関数でフィッティングし、接合部を可視化したが、これに限定される必要はない。例えば、３項の指数関数で近似してもよい。これによりｘ軸方向、ｙ軸方向で熱伝導に異方性がある場合でもこれらを切り分けて接合部を可視化することが可能となる。

本実施例では、時定数τ_ｚを用いて接合部の可視化を行ったがこれに限定される必要はない。例えば熱伝達率α、サンプルの表面積Ｓ、熱容量Ｃが既知である場合、時定数τ_ｚ、τ_ｘｙは定数とおける。この場合、係数Ａ_ｚを用いて接合部の可視化を行えばよい。これによりフィッティングのパラメータ数が減少するためフィッティングの収束時間が短くなり、処理時間を短縮することができる。

本実施例では、加熱終了後の赤外線強度変化から取得した画像に対して、加熱面に水平、及び垂直方向からの熱伝導の影響を切り分ける処理を行ったが、これに限定される必要はない。例えば、レーザ光に強度変調をかけてサンプルを複数回加熱するロックイン計測で取得した接合部画像に対してこの処理を行っても良い。単一周波数で測定するロックイン計測では加熱面に水平、及び垂直方向からの熱伝導の影響を切り分けることはできないが、取得した画像に対して本処理を行うことにより単一周波数で測定したロックイン計測の結果に対しても加熱面に水平、及び垂直方向の熱伝導の影響を抑制し、高感度に接合部を抽出することが可能となる。

本実施例では、引張試験との相関をとるパラメータとして接合部の面積を選定したがこれに限定される必要はなく、接合強度と関連のある評価値を用いて検査をしてもよい。例えば、二値化処理で取得した二値化画像と時定数τ_ｚ画像を画素毎に掛け算し、全画素の値の総和を評価値としてもよい。この値を用いることで接合強度の差異から生じる時定数の差を反映した評価値を取得することができる。例えば、接合部内に剥離しかけている接合部がある場合、その箇所の時定数は確実に接合部している部分の時定数よりも非接合部における時定数の値に近くなる。二値化処理で求めた接合部の画素数に赤外線カメラの画素サイズをかける処理のみだと接合状態の差異は反映しないが、領域内の時定数の値の総和を用いることでより精度のよい接合強度の評価が可能となる。

本実施例では、引張強度を接合の良否判定の基準としたが、これに限定される必要はない。例えば接合部の抵抗値を基準とすればよい。接合部は接合強度のほかに電流が確実に流れていることを補償することが求められる。抵抗値は電流が流れる領域の面積に比例するため、接合部可視化結果から抵抗値の評価も可能となる。
加熱面に水平、及び垂直方向の熱伝導の影響が重畳した赤外線強度を各方向の熱伝導成分に切り分け、加熱面に垂直方向の熱伝導の情報を用いることで接合部を高精度に抽出できる検査装置が提供可能となる。

１０１…光源、１０２…測定サンプル、１０３…赤外線測定部、１０４…サンプル駆動機構、１０５…サンプル駆動機構コントローラ、１０６…測定タイミング制御部、１０７…ＰＣ、１０８…コリメータレンズ、１０９…光源コントローラ、１１０…赤外線測定器コントローラ、１１１…ビームエキスパンダ、１１２…ビームホモジナイザ、１１３…レーザ光、１１４…メモリ、２０１…厚さ３ｍｍのアルミニウム板、２０２…厚さ５ｍｍのアルミニウム板、２０３…接合部、２０４…非接合部、２０５…アルミ板２０１上の傷、２０６…ｘｙ平面内の熱の伝導イメージ、２０７…−ｚ軸方向の熱の伝導イメージ、３０１…接合部の赤外線強度時間変化、３０２…非接合部の赤外線強度時間変化、４０１…接合部と非接合部の赤外線強度差の時間変化、７０１…フィッティング範囲、８０１…赤外線カメラの測定視野、８０２…画素、９０１…ｙ＝ｙ_１における時定数τ_ｚの断面プロファイル、１００１…時定数τ_ｚの二階微分、１００２…二階微分結果のオーバーシュート、１００３…二階微分結果のアンダーシュート、１１０１…接合部輪郭強調後の断面プロファイル、１２０１…時定数τ_ｚのヒストグラム、１２０２…非接合部のヒストグラムのピーク、１２０３…接合部のヒストグラムのピーク、１２０４…サンプルが存在しない領域のヒストグラムのピーク、１２０５…ヒストグラム解析範囲指定ウィンドウ、１２０６…ヒストグラム解析範囲の下限、１２０７…ヒストグラム解析範囲の上限、１２０８…解析範囲制限後の時定数τ_ｚ画像、１３０１…時定数τ_ｚのヒストグラム、１３０２…二値化閾値、１３０３…閾値表示ウィンドウ、１３０４…二値化画像、１３０５…接合部面積表示ウィンドウ、１３０６…二値化処理後の接合部、１４０１…評価項目表示ウィンドウ、１４０２…良否判定閾値表示ウィンドウ、１４０３…接合部面積表示ウィンドウ、１４０４…判定結果表示ウィンドウ、１４０５…引張試験と接合部面積の相関、１４０６…測定結果

Claims (16)

1. 試料を照射する照明光学系と、
   前記照明光学系で照射された前記試料の赤外線強度を検出する検出器と、
   前記試料の赤外線強度の時間変化に基づき、前記試料の熱伝搬の方向を少なくとも２つに分ける処理部と、を備えた検査装置。
2. 請求項１記載の検査装置であって、
   前記処理部は、前記赤外線強度の時間変化を少なくとも２項以上の指数関数で近似して前記試料の熱伝搬の方向を分けることを特徴とする検査装置。
3. 請求項１記載の検査装置であって、
   前記処理部は、前記試料の放射むらを補正した赤外線強度を算出することを特徴とする検査装置。
4. 請求項１記載の検査装置であって、
   前記処理部は、前記検出器にて検出した前記試料の赤外線強度を指数関数でフィッティングすることにより前記試料の熱伝搬の方向を分けることを特徴とする検査装置。
5. 請求項１記載の検査装置であって、
   前記処理部は、前記２つに分けた結果に基づき前記試料の接合部の面積を算出することを特徴とする検査装置。
6. 請求項５記載の検査装置であって、
   前記処理部は、算出された前記試料の接合部の面積に基づき前記試料の接合状態を判定することを特徴とする検査装置。
7. 請求項１記載の検査装置であって、
   前記処理部は、前記検出部にて検出された赤外線強度の放射率を補正することを特徴とする検査装置。
8. 請求項１記載の検査装置であって、
   前記処理部は、前記検出部にて検出された赤外線強度に基づく画像に対して接合部のエッジ部を強調処理して接合部を抽出することを特徴とする検査装置。
9. 試料を照射する照明工程と、
   前記照明工程にて照射された前記試料の赤外線強度を検出する検出工程と、
   前記試料の赤外線強度の時間変化に基づき、前記試料の熱伝搬の方向を少なくとも２つに分ける処理工程と、を備える検査方法。
10. 請求項９記載の検査方法であって、
    前記処理工程では、前記赤外線強度の時間変化を少なくとも２項以上の指数関数で近似して前記試料の熱伝搬の方向を分けることを特徴とする検査方法。
11. 請求項９記載の検査方法であって、
    前記処理工程では、前記試料の放射むらを補正した赤外線強度を算出することを特徴とする検査方法。
12. 請求項９記載の検査方法であって、
    前記処理工程では、前記検出工程にて検出した前記試料の赤外線強度を指数関数でフィッティングすることにより前記試料の熱伝搬の方向を分けることを特徴とする検査方法。
13. 請求項９記載の検査方法であって、
    前記処理工程では、前記２つに分けた結果に基づき前記試料の接合部の面積を算出することを特徴とする検査方法。
14. 請求項１３記載の検査方法であって、
    前記処理工程では、算出された前記試料の接合部の面積に基づき前記試料の接合状態を判定することを特徴とする検査方法。
15. 請求項９記載の検査方法であって、
    前記処理工程では、前記検出工程にて検出された赤外線強度の放射率を補正することを特徴とする検査方法。
16. 請求項９記載の検査方法であって、
    前記処理工程では、前記検出工程にて検出された赤外線強度に基づく画像に対して接合部のエッジ部を強調処理して接合部を抽出することを特徴とする検査方法。

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