JP3194499B2

JP3194499B2 - 外観形状検査方法及び装置

Info

Publication number: JP3194499B2
Application number: JP30821892A
Authority: JP
Inventors: 清雄武安
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 1992-10-22
Filing date: 1992-10-22
Publication date: 2001-07-30
Anticipated expiration: 2016-07-30
Also published as: JPH06137829A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、プリント配線基板上の
電子部品はんだ付け接合部など、光沢面を有する対象の
外観形状や外観状態の良否判定を行う検査装置、特に検
査対象への照射角度が相違するよう多段構造とした複数
組の照明器を用い、対象への照射光を切替えて得られる
複数の映像をもとに前記検査対象の立体的な形状を認識
し、その良否を判定する方式の外観検査装置に使用する
映像信号処理方式に関し、より具体的には、前記複数の
映像信号パターンから検査対象の立体的構造状態を記述
するコード信号の生成方式に関する。

【０００２】上記の多段照明型外観検査装置において
は、対象面の状態を高速に認識するため、映像の各画素
毎に対象面角度を表現するためのコード信号を生成し、
得られたコードパターン分布から対象の立体形状を把握
する方式を採るのが一般的である。本発明は、このコー
ド生成において、複数の映像信号の適応的な利用によ
り、対象面の反射特性の如何にかかわらず、対象各部分
の平坦度や傾斜度の、より的確な記述を高速に実行する
ことを可能としたもので、外観検査における良否判定精
度や、検査速度の向上への寄与を目的としている。この
ような本発明の主眼点を明確にするため、以下多段照明
式の外観検査機の詳細について、図２から図１１を用い
て説明する。

【０００３】

【従来技術】生産工程における各種の検査過程の中で、
外観検査は製造工程自体の状況把握や、製造品質確保の
上で重要な地位を占めている。例えば電子機器に使用さ
れるプリント配線基板の実装工程では、基板上に搭載さ
れた電子部品を接合するはんだ付部分の良否が製品信頼
性を左右するため、従来目視を主体とした綿密な外観検
査が行われてきた。しかし、近来のプリント基板高密度
実装化や電子部品細密化の進展に伴い、作業能率の向上
や作業品質確保を目的とした、はんだ付外観検査の自動
化、機械化が一般化している。このような、はんだ接合
部に代表される微細な対象部品の自動外観検査装置とし
て既に多様な方式のものが開発されているが、その効果
的な一手段として、多段照明による検査方式がある。図
２に多段照明式はんだ検査装置の基本システム構成を示
す。光投射角度が相違する多段構造（図の場合は２段）
の照明器２０から検査対象１０を介した反射光がテレビ
カメラ３０で受光されるが、この照明を切替えることに
より得られる複数組の映像信号１３０が、対象面の輝度
分布パターンの形で画像記憶装置５０に記憶される。こ
の複数組の記憶内容１５０を入力信号としてコード生成
部７０が対象面の角度分布を示すコード分布パターン１
７０を生成し、さらにこれを利用して認識処理部９０が
対象の立体形状の認識、ならびに良否判定を実行する。
検査対象をＩＣリードのはんだ付けと仮定した場合の、
この一連の処理過程を図３に示す。テレビカメラ３０の
画面内にはＩＣの複数本のリードが含まれるが、その各
々について順次検査ウインドーが設定されはんだ付けの
良否判定が行われる。検査ウインドーの設定位置は、事
前に行われるティーチング情報に基づき、通常はんだ付
けランドに一致した形で設定される。この検査ウインド
ー内の各画素毎に複数の輝度情報を利用して対象面の角
度を記述するコード信号が後述の方法で生成され、この
コード分布パターンから対象の立体形状把握と対象の良
否判定が行われる。なお、図２において６０は照明切替
え装置、４０は対象を逐次移動させるための移動テーブ
ル、また８０はその駆動装置である。制御部としての機
能を兼ねた認識処理部９０は、必要に応じテーブル制御
信号１８０を介して４０を複数の検査対象のそれぞれを
検査するのに適した位置に順次移動させ、照明制御信号
１６０を介して照明を切替え、図３の処理動作をシーケ
ンシャルに実行する。図４は、多段照明式はんだ検査装
置における光学系と検査対象の関係をより具体的に示し
た側視図である。照明器は２０−、２０−、２０−
および、２０−の４段のから構成された環状照明器
であり、図の上方向から見たとき同心円上に配置されて
いる。テレビカメラ３０は対象の構造に応じた検査を可
能とするため複数個使用されることが多いが、一般的に
は垂直配置の３０−ａが用いられる。これらの照明器か
らの投射光と、検査対象であるＩＣリードのはんだフィ
レットの関係を図５に示す。図５において、１１はＩＣ
のリードの断面形状を、また１２は同じくリードとプリ
ント配線基板９上のランド８とを電気的に接合するはん
だフィレットの断面を示している。また、各矢印、２１
−、２１−、２１−、および２１−は、それぞ
れ照明器２０−、２０−、２０−、および２０−
から対象を介した反射光の光路を示している。各照明
器は各々投射角度が相違しているため、検査対象である
はんだフィレットのそれぞれ異なる角度部分において最
も輝度の高い反射光を図の上方にあるテレビカメラに受
光させる。すなわち、各照明器に若干の面照明特性を与
えたとき、各照明器によるテレビカメラへの反射光は特
定のフィレット角度（以降、これを照明器の反射中心角
度と呼ぶ）において最大輝度を示し、対象面がこの角度
からシフトするに従い輝度を低下させる。このような対
象面角度と反射光の輝度との関係を示したのが図６であ
る。各照明器の反射中心角度は光学系の構造により決定
されるが、図の場合は、それぞれ５°、１５°、２５
°、および３５°に設計した例を示している。このよう
な各照明器の反射特性を利用して、図７から図９に示し
た方法で対象面の輝度分布パターンならびに、これに基
づく角度コード分布パターンを形成する。すなわち、図
７（ａ）に示したはんだフィレット１２を検査対象とし
た場合、まずランド８を基準とした検査ウインド−１０
０を設定する。次に照明器を切り替えることにより、第
８図に示す映像信号が検査ウィンド−領域内に得られ
る。図８の１４０−、１４０−、１４０−、なら
びに１４０−は、それぞれ照明器２０−、２０−
、２０−、および２０−の照射に対応したテレビ
カメラの映像信号パターンであり、対象面の立体形状に
応じた輝度分布を示す。なお、図７および図８の網目部
分の１単位１０１は、テレビカメラの映像における１画
素（ピクセル）に相当し、光学系の構成により、その大
きさが決定される。図８の各映像領域は、図７の検査ウ
ィンド−１００に対応しているが、この検査ウィンド−
内の各画素ごとに上記４種類の画像を利用した角度コー
ド生成処理を実行する。４段構成の照明器を用いた場
合、各照明器の反射中心角度を基準とした８段階のコー
ド生成が基本となる。すなわち、照明器２０−、２０
−、２０−、および２０−の反射中心角度に対応
してコードＮｏ１、Ｎｏ３、Ｎｏ５、およびＮｏ７を、
またそれらの中間角度に対してコードＮｏ２、Ｎｏ４、
Ｎｏ６を、さらにコードＮｏ７以上に対応する角度、ま
たは角度不明の場合にコードＮｏ８を割付ける。このよ
うなコード生成は基本的に以下の演算式で整数演算の形
で実行される。コード番号＝Ａ１×Ｓ１＋Ａ３×Ｓ３＋Ａ５×Ｓ５＋Ａ７×Ｓ７／Ｂ１×Ｓ１＋Ｂ３×Ｓ３＋Ｂ５×Ｓ５＋Ｂ７×Ｓ７（１）（１）式においてＳｉは各照明器による反射光輝度レベ
ルであり、また各係数ＡｉおよびＢｉは照明器の特性や
対象面の特性に応じて決定されるが、その内容について
は本発明の範囲外である。なお、６図において、対象面
角度が４５°以上の範囲では、全ての輝度信号レベルが
低下し、式（１）の演算結果は通常コードＮｏ４となる
が、Ｓ／Ｎの観点から、信号レベルが極端に低い領域は
不明領域としコードＮｏ８を設定することが多い。この
ような演算に基づき生成されたコードパターンの具体例
を図９に示す。図の（ａ）は良好なフィレットが形成さ
れている例で、検査ウインドー（すなわちランド）１０
０の端部からリード１１の先端部にかけて角度コードが
逓増したパターン分布を示しており、はんだフィレット
形状が良好であると判定でき、また、ランド中心線上の
コード列を検査ランド端部からリードの先端位置にかけ
て累積演算することにより、図の１３に示したフィレッ
ト断面形状、すなわちフィレットの高さや長さを算定す
ることができる。一方図の（ｂ）は、リードが浮き上が
って、ランド上のフィレットがリードに非接合の状態と
なった、いわゆるリード浮き不良を示している。この場
合のコード分布パターンは、検査ウインド−１００の周
囲にフィレット高勾配を示すコードが分布し、ウィンド
−中央部に平坦な角度を示すコードが集中していること
から、フィレット断面形状が図の１３の状態にあり、は
んだとリードが接合していない不良であることが判定で
きる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このように多段照明式
の外観検査装置は、投射角度が相違する照明器を利用し
て得られる複数の対象映像パターンを基に、対象面の立
体形状を記述するコードパターン分布を生成し、対象の
形状良否判定を的確に実行する能力を持つが、以上に述
べたコード生成方式には以下の問題点があった。（１）検査ウインド−内の多数の画素について、乗除
演算を伴うコード生成が必要であるため、処理時間を要
する。（２）対象面の性質によっては、対象面が平坦である
にもかかわらず、傾斜角度を示すコードが生成される場
合がある。このうち（２）について図１０および図１１を用い説明
する。一般にプリント基板上のはんだ付けランドは、は
んだの濡れ性を良好にするためにめっきコートされた場
合と、銅箔生地の場合とに大別される。図１０は多段照
明によるはんだ面や銅箔等の反射輝度特性を示したもの
である。図におけるａからｉは、鏡面特性を示すはんだ
面について、その角度が照明２０−の反射中心角度か
ら２０−の反射中心角度まで変化した場合の輝度特性
群を示している。これらについては夫々の角度に対応し
て前記のコード生成方式により、コードＮｏ１、Ｎｏ
２、またはＮｏ３が割付けられる。一方図の銅箔特性は
平坦面での状態を示したもので、本来はコードＮｏ１が
割付けられるべきである。しかし、銅箔が散乱反射特性
を持つため、図のＳ１およびＳ３が対等な輝度レベルを
有することから、前記のコード化方式では、傾斜角度に
対応したコードＮｏ３が割付けられる。この結果、例え
ば図１１（ａ）のように、銅箔ランド状に比較的長さの
短いはんだフィレットが形成された場合、そのコードパ
ターン状でフィレット傾斜部とランド部分の識別が困難
となり、はんだフィレットの長さや高さの演算に誤差を
生じる。基板に一般的に用いられるシルク印刷部分も、
検査ウインド−の領域内に存在した場合は同様な誤差原
因となる。また、基板上のはんだ付けランドの周囲にあ
るレジスト印刷面は図１０に示すように全ての輝度信号
レベルが低いため、前記のコード演算からは比較的反射
率が高い部分がコードＮｏ４、低い部分はコードＮｏ８
が割付けられる。このため、図１１（ｂ）のように前記
テーブルの移動誤差等によりランドと検査ウインド−と
間に位置偏差を生じた場合、銅箔の場合と同様、フィレ
ット傾斜部とレジスト部分の識別が困難であるため、は
んだフィレットの長さや高さの演算に誤差を生じる。以
上に述べた問題点を解決し、より性能の高い外観検査を
実現するためには、対象面の性質にかかわらず対象面の
角度を正確に記述するためのコード生成が必要である。

【０００５】

【課題を解決するための手段】前記の問題点を解決する
ため、本発明によるコード生成部７０は、図１に示すよ
うに敷居値判定部７０−１、および相対値判定部７０−
２の二つの機能から構成する。

【０００６】

【作用】敷居値判定部は、各映像信号レベルが所定の敷
居値を超えたか否かによりコード割付けを行う機能を有
し、これにより従来の演算処理を不要とする。

【０００７】

【実施例】以下実施例について説明する。図１２におい
て、一例として２種類の敷居値ＳａおよびＳｂを設定し
た上で、以下のコード生成を行う方法について説明す
る。（１）映像信号レベルＳｉが敷居値Ｓａを超えた
場合は、このＳｉのみでコードを決定する。第１２図の
場合、これに該当するのは、ａ、ｃ、ｅおよびｇの区間
であり、それぞれ、コードＮｏ１、Ｎｏ３、Ｎｏ５、お
よびＮｏ７が割付けられる。（２）上記以外の条件にお
いて２種類の映像信号レベルＳｉ１、およびＳｉ２が共
に敷居値Ｓｂを超えた場合は、Ｓｉ１、およびＳｉ２の
中間を割付ける。図１２の場合、これに該当するのは、
Ｓ１およびＳ３がＳｂを超えたＢの区間のうち、前記
（１）の条件に該当しないｂの区間、さらにｄ、ｆの区
間であり、それぞれ、コードＮｏ２、Ｎｏ４およびＮｏ
６が割付けられる。（３）上記以外の条件において映像
信号レベルＳｉが敷居Ｓｂを超えた場合は、このＳｉの
みでコードを決定する。図１２の場合、これに該当する
のは、ｈおよびｉの区間であり、それぞれ、コードＮｏ
１およびＮｏ７が割付けられる。（４）上記以外の条
件、すなわち図１２の場合のｊの区間については、不明
瞭域としコード８を割付ける。以上、述べたように、本
発明によれば多段照明による反射光の特性を考慮した敷
居値の設定により、特に演算処理を用いることなく第１
の情報として適切なコード生成が可能である。次に相対
値判定部の機能について説明する。図１０においてａか
らｉで示した低勾配フィレット領域と銅箔面の輝度特性
を、Ｓ１ならびにＳ３を指標としてレベル関係を示すと
図１３のようになり、レベル関係が接近あるいは重複し
ているため両者の識別が困難であることが分かる。シル
ク印刷部分についても同様である。しかし、図１４に示
すように、『Ｓ１＋Ｓ３』および『Ｓ５＋Ｓ７』を用い
てレベルの関係を比較すれば、係数Ｋｃにより、これら
の領域識別が容易であることが分かる。同様に、図１５
のように、『Ｓ１＋Ｓ３』および『Ｓ３―Ｓ５』を用い
てレベルの関係を比較すれば、係数Ｋｓにより、さらに
銅箔部分とシルク印刷部分の識別が可能であることが分
かる。すなわち、対象面の性質に応じ複数の輝度信号の
相対的特性関係に着目することにより、対象面の反射特
性にかかわらず、第２の情報として的確なコード生成を
行うことができる。以上に述べた第１の情報を得るため
の敷居値比較部と第２の情報を得るための相対値判定部
との機能を含むコード生成部処理方式の例を図１６に示
す。このような機能はハードウェア的な手段、あるいは
ソフトウェア的な手段のいずれによっても実現可能であ
る。図１６のコード生成方式により、図１１（ａ）の場
合のコードパターンは図１９（ａ）のように改善され、
銅箔平坦部とはんだフィレットが明確に識別でき、その
良否判定が的確に行える。次にランド周囲のレジスト印
刷面の反射特性は、図１０に示すように反射率が一般的
に低く、輝度レベルが全体的に低下するフィレット高勾
配部分と類似した特性を示す。このため、図１８に示す
ように、輝度信号レベルに基づく両者の識別が困難であ
り、その様子は図１１（ｂ）のコードパターンにおける
コード８の分布として示した通りである。従って、この
ような対象については、輝度信号レベルでの識別ではな
く検査対象の構造特質を考慮した識別が必要である。す
なわち、はんだフィレットを検査対象として考えた場
合、フィレットが高勾配であるためコード８が割付けら
れる画素部分は、必ずコード７あるいは６の画素部分に
隣接する。すなわち、図１６によるコード生成処理を実
施した後、必要に応じて、輝度信号が全体に低い画素部
分のコード再生成を実行すればよい。その方法として、
図１２のように、敷居値Ｓｃを設定し、各輝度信号レベ
ルがこれを下回った画素部分について、隣接コードがＮ
ｏ６ないしはＮｏ７である場合にＮｏ８（高勾配部とし
て処理）、隣接コードが本来Ｎｏ８またはＮｏ４以下の
領域をコードＮｏｒあるいはＮｏｏ（いずれも平坦部と
して処理）に変換する。このような処理の１実施例を図
１８に示す同図において、Ｃｉはｉ番地の画素コード、
Ｃｉ―１はｉ―１番地の画素のコードＮｏ、ＳＯ＝Ｓ３
＋Ｓ５＋Ｓ７となる（ＳＣは図１２参照）。この結
果、図１９（ｂ）に示すように平坦部とフィレット部の
識別が容易になり、はんだ付けの良否判定が適切に実行
できる。

【０００８】

【発明の効果】以上に述べたように、本発明によれば複
数個の照明器の切換えによる複数の対象映像情報から対
象面形状を的確に記述する角度コード信号の生成が可能
であり、はんだ付けなど微細で多様な光沢物の外観検査
装置における性能向上や速度向上など、工業的に見た効
果が顕著である。なお、本発明の基本原理は、照明器の
段数や構造方式や受光センサの種類には無関係に適用可
能である。また実施例は４段構成の照明器による８レベ
ルのコード化方式で説明したが、４レベル、あるいは１
２レベル等のコード化もあり得る。さらに、検査対象の
種類に応じて、コード生成に用いる各種の敷居値を外部
信号により変更することも、本特許方式の範囲内で実現
しうることは明らかである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の基本構成を示す図である。

【図２】本発明の具体的対象である多段照明式外観検査
装置の基本システム構成を示す図。

【図３】本発明の動作フローチャート。

【図４】本発明の光学部の具体構造図。

【図５】本発明光学系の反射モデルを示す図。

【図６】従来の照明器による対象面反射特性図。

【図７】従来例による映像情報形成のモデル図。

【図８】従来例による映像情報形成モデル図。

【図９】従来例によるコード生成状況のモデル図。

【図１０】対象面の種類と輝度特性の関係を示す図。

【図１１】従来方式におけるコード生成の問題点の説明
図。

【図１２】本発明の実施例における敷居値判定によるコ
ード生成方式の原理説明図。

【図１３】本発明の実施例における相対値比較によるコ
ード生成方式原理説明図。

【図１４】本発明の実施例における相対値比較によるコ
ード生成方式原理説明図。

【図１５】相対値比較によるコード生成方式の原理説明
図。

【図１６】本発明によるコード生成方式の実施例説明
図。

【図１７】本発明の他の実施例説明図。

【図１８】本発明の実施例におけるコード再細生成方式
の説明図。

【図１９】本発明による効果説明図。

【符号の説明】

１０検査対象（ＩＣリードのはんだ接合部を含む）８プリント配線基板上のはんだ付けランド９プリント配線基板１１ＩＣリード１２上記ランドとリードを接合するはんだフィレット１３上記フィレット断面２０照明器２１照明光３０テレビカメラなど受光センサ１３０受光センサ出力５０映像パターン記憶部１５０同出力（映像パターン）７０コード生成部７１同敷居値比較部７２同相対値比較部１７０コード生成部出力（コードパターン）１００検査ウインドー１０１検査ウインドー内の画素部分

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01B 11/00 - 11/30 102 G01N 21/84 - 21/958 H05K 3/32 - 3/34 512

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】検査対象物への投光角度が異なる複数段
の照明光源を切換え光を照射し、該光の照射による前記
検査対象物からの反射光を受光し電気信号に変換し該電
気信号に基づき前記検査対象物の外観形状を検査する方
法において、前記電気信号出力を所定の敷居値により、前記複数段の
各照明光源に対応する前記検査対象物の検査対象面の各
画素毎に角度を示す第１の情報を生成し、該第１の情報
の分布パターンにより検査対象物の形状を判定するとと
もに、前記複数の電気信号出力を適宜比較することによ
り前記電気信号出力レベルの相対的な関係に基づき前記
検査対象物の対象面の状態を示す第２の情報を生成し、
前記第１の情報と前記第２の情報に基づき、前記検査対
象の外観形状を検査することを特徴とする外観形状検査
方法。
【請求項２】請求項１記載の対象面の状態を示す第２
の情報の生成は、異なる投射角の照明に対応する電気信
号出力の少なくとも一方を加算または減算した結果の相
対的な関係に基づき行うことを特徴とする外観形状検査
方法。
【請求項３】請求項１記載の第１の情報の生成は、複
数の敷居値により行うことを特徴とする外観形状検査方
法。
【請求項４】検査対象物への投光角度が異なる複数段
の照明光源と、前期検査対象物を搭載し検査対象物の検
査対象の位置調整を行うステージ機構と、前記検査対象
物からの反射光を受光し電気信号に変換する受光センサ
を有する外観形状検査装置において、前記受光センサの出力値に応じて、所定の敷居値により
前記複数段の各照明光源に対応して前記検査対象物の検
査対象面の各画素毎に角度を示す第１の情報を生成する
手段と、該第１の情報の分布パターンにより検査対象物
の形状を判定する手段と、前記複数の受光センサ出力を
適宜比較することにより前記受光センサの出力レベルの
相対的な関係に基づき前記検査対象物の対象面の状態を
示す第２の情報を生成する手段と、前記第１の情報生成
手段により生成された第１の情報と前記第２の情報生成
手段により生成された第２の情報に基づき前記検査対象
の外観形状を検査することを特徴とする外観形状検査装
置。