JP3264634B2 - 表面検査装置及び方法 - Google Patents

表面検査装置及び方法

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JP3264634B2
JP3264634B2 JP03350697A JP3350697A JP3264634B2 JP 3264634 B2 JP3264634 B2 JP 3264634B2 JP 03350697 A JP03350697 A JP 03350697A JP 3350697 A JP3350697 A JP 3350697A JP 3264634 B2 JP3264634 B2 JP 3264634B2
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    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H05K13/00Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or adjusting assemblages of electric components
    • H05K13/08Monitoring manufacture of assemblages
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、被検査物表面を走
査してその表面状態を検査する表面検査装置及び表面検
査方法に関する。特に、本発明は、部品を実装した基
板、液晶パネル素子、半導体ウエハあるいは電子部品単
体等の表面を光走査し、それらの表面状態、特に、実装
された部品の位置ずれ、部品の欠落、半田付け不良、半
田付け前の部品の浮き上がり、部品の形状不良等を検査
する表面検査装置及び表面検査方法に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、部品が実装された実装基板の表面
状態を検査する方法として、レーザスキャン方式の表面
検査装置が多く用いられている。該表面検査装置は、図
8に示すように構成されている。即ち、半導体レーザ素
子1から放射されたレーザ光はコリメータレンズ2を経
て投光ビーム3となる。該投光ビーム3は、周囲が多角
形であり各周囲面が鏡面4aにてなり周囲方向へ中心軸
10の回りに回転するポリゴンミラー4へ入射され、鏡
面4aにて反射して反射光5となる。尚、各鏡面4aは
中心軸10の軸方向に平行な面であり、鏡面4aに対し
て投光ビーム3は、中心軸10に直交する方向から入射
する。ポリゴンミラー4は投光ビーム3が鏡面4aに入
射しながら中心軸10の軸回りに矢印方向へ回転するの
で、反射光5は、図3に矢印Iにて示す一方向へ偏向さ
れる。このように偏向された反射光5は、同軸配置され
た複数枚のレンズからなる光走査用のfθレンズ系6に
入射し、該fθレンズ系6によって偏向、集光されて、
被検査物たる実装基板7の表面7aに結像される。この
ようにして表面7aに結像された走査光は、ポリゴンミ
ラー4の回転に従い表面7aを光走査する。この光走査
によって実装基板7の表面7aにて反射した散乱反射光
8は、図8の側面図である図9に示すように、上記走査
光の光軸を挟み例えば180度離れた上記光軸に対称位
置に配置される2つの光検出器9,9の受光面に、レン
ズ11にて集光され入射される。光検出器9,9は、上
記受光面に入射した散乱反射光8を光電変換するととも
に、上記受光面における光照射位置に対応した電気信号
を演算装置13へ送出する。演算装置13では、光検出
器9,9から供給された上記電気信号に基づき公知の三
角測距法に基づき上記表面7a上の被測定物12の高さ
を演算する。尚、図9に示すように、光検出器9,9は
2方向に配置されているので、実装基板7に実装された
被測定物12の段差により散乱反射光8が遮られ、一方
の光検出器9に散乱反射光8が到達しない場合であって
も、他方の光検出器8にて検出が可能である。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】このように構成された
従来の表面検査装置20の場合、実装基板7等の表面状
態を光電的に検査できるものの、光検出器9を2方向に
設けているので、それぞれの光検出器9の受光面におけ
る光照射位置が一致していない場合には、両光検出器9
から出力される信号に差異が生じることから、測定誤差
が生じるという問題がある。特に、上述のように反射光
8が遮られ検出する光検出器9の切り換えが行われる場
合に測定誤差が大きくなるという問題があった。本発明
は、このような問題点を解決するためになされたもの
で、表面検査における測定精度を向上させる表面検査装
置及び表面検査方法を提供することを目的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明の第1態様である
表面検査装置は、レーザ光を放射するレーザ素子と、周
囲が多角形であり各周囲面が鏡面にてなり周囲方向へ中
心軸回りに回転し上記鏡面に対して上記中心軸に直交す
る方向から入射する上記レーザ光を上記中心軸回りに回
転しながら反射する偏向走査用ミラーと、上記偏向走査
用ミラーにて反射した反射光による被検査物の表面の光
走査によって上記被検査物表面にて反射した散乱反射光
を検出し、かつ走査光の光軸を挟み対称位置に設置され
る2つの光検出器と、を備え上記光検出器のそれぞれの
受光面における光照射位置に基づき上記被検査物表面の
検査を行う表面検査装置であって、上記偏向走査用ミラ
ーと上記被検査物との間に配置され、上記偏向走査用ミ
ラーにて反射した反射光の光軸を移動させて上記2つの
光検出器のそれぞれの上記受光面における光照射位置を
一致又はほぼ一致させ上記表面検査の誤差を最小にする
光学素子をさらに備えたことを特徴とする。
【0005】又、本発明の第2態様である表面検査方法
は、周囲面が鏡面にてなる多角形形状であり周囲方向へ
中心軸回りに回転する偏向走査用ミラーに対して、該偏
向走査用ミラーの回転中に上記中心軸に直交する方向か
らレーザ光を上記鏡面に照射して反射させ、該反射した
走査光にて被検査物の表面を走査し、該走査により上記
被検査物の表面にて反射した散乱反射光を、上記走査光
の光軸を挟み対称位置に設置される2つの光検出器にて
検出して上記被検査物表面の検査を行う表面検査方法で
あって、上記走査光について、上記2つの光検出器のそ
れぞれの受光面における光照射位置が一致又はほぼ一致
させ表面検査の誤差を最小になるように上記被検査物表
面への上記走査光の光軸を移動させて上記被検査物表面
へ照射することを特徴とする。
【0006】
【発明の実施の形態】本発明の一実施形態である表面検
査装置、及び表面検査方法について、図を参照しながら
以下に説明する。尚、各図において同じ構成部分につい
ては同じ符号を付している。又、上記表面検査方法は、
上記表面検査装置にて実行されるものである。又、偏向
走査用ミラーの機能を果たす一実施形態がポリゴンミラ
ー4に相当する。又、本実施形態では、被検査物として
電子部品が実装された実装基板を例にとるが、被検査物
はこれに限定されるものではない。
【0007】図1及び図2に示すように、本実施形態の
表面検査装置50においても従来の表面検査装置20と
同様に、半導体レーザ素子1、コリメータレンズ2、ポ
リゴンミラー4、fθレンズ系6、2つの光検出器9,
9、及びレンズ11,11を備える。これらの構成部分
は表面検査装置20に備わる構成部分と同一であるので
その説明は省略する。表面検査装置50と表面検査装置
20との相違点は、fθレンズ系6と実装基板7との間
に、fθレンズ系6から出射された反射光31を実装基
板7の表面7aへ向けて走査光32として反射する光学
素子25を配置した点である。該光学素子25は、当該
光学素子25に備わる反射面の傾斜角度を変更すること
で上記走査光32の光軸を移動させ、これによって上記
2つの光検出器9,9から出力されるそれぞれの被検査
物表面情報信号を一致又はその差を最小にするためのも
のである。このような光学素子25は図4及び図5に示
すような構造にてなる。
【0008】即ち、光学素子25は、反射面251を有
する反射体252と、反射面251の傾斜角度を変更す
る反射角度変更部材253とを備える。上記反射体25
2は、幅10〜20mm程度、長さ50〜60mm程度
の短冊形状のガラスにてなり、反射面251は鏡面にて
形成されている。このような反射体252は、その長手
方向の両端部分を押え部材256,256にて押圧され
ることで台座254に形成されたV字状の切欠255に
保持される。それぞれの押え部材256は、段違いにて
平行でかつ同方向にそれぞれ延在し薄い金属板にてなる
押圧部256a及び固定部256bと、これら押圧部2
56a及び固定部256bにおけるそれぞれの端部どう
しを連結する連結部256cとから構成され、これら押
圧部256a、固定部256b及び連結部256cを一
体的に形成したものである。このような押え部材25
6,256において、反射体252の長手方向と各押圧
部256a及び各固定部256bの延在方向とを一致さ
せ、かつ各押圧部256aと切欠255との間に反射体
252を挟んだ状態にて、各固定部256bが取付けネ
ジ257,257にて切欠255に取り付けられる。よ
ってこのような押え部材256は、取付けネジ257を
支点として反射体252の長手方向の両端部分を弾性的
に台座254へ押圧して、反射体252を台座254へ
保持する。よって、後述のように反射角度変更部材25
3にて反射面251の傾斜角度が変更可能なように、反
射体252は揺動可能である。又、上記切欠255は、
上述のように反射体252が揺動可能なような形状にて
形成されている。
【0009】又、反射体252に対する押え部材256
の取り付け形態は、上述した形態に限定されるものでは
なく、例えば図7に示すように反射体252の長手方向
に対して押圧部258a及び各固定部258bの延在方
向を直交させるようにして押え部材258を台座254
に取り付けてもよい。しかしながら、ガラスにてなる反
射体252と金属材にてなる押え部材258との熱膨張
係数の相違により、図7に示す形態では反射体252と
押え部材258との延在方向が異なるので雰囲気温度の
上昇に伴い反射体252と押え部材258と膨張量に差
異が生じる。よって、反射面251の傾斜角度が変化し
てしまう可能性がある。その点、図4に示すように反射
体252の長手方向に対して各押圧部256a及び各固
定部256bの延在方向を一致させた場合は、そのよう
な問題が生じず図7の形態に比べてより好ましい。
【0010】反射角度変更部材253は、台座254に
形成され切欠255に開口する貫通穴259に螺合し、
切欠255に設置された反射体252の反射面251に
対向する背面252aに対して鋭角に進退するネジであ
る。このような反射角度変更部材253を上記背面25
2aに対して進退させることで、切欠255に設置され
た反射体252は支点258を中心に微小角度にて揺動
可能となり、その結果反射面251の傾斜角度を変化さ
せることができる。本実施形態では、反射面251の角
度調整が容易なように、反射角度変更部材253は反射
体252の長手方向における中央部に当接するように一
つのみ配置されている。反射角度変更部材253が一つ
のみであっても、反射面251の全面にわたりゆがみな
く反射体252を揺動させることができる。
【0011】このように構成される光学素子25は、図
1及び図2に示すように、fθレンズ系6の出射側に配
置され、図4及び図5に示すようにfθレンズ系6から
出射された反射光31を反射面251にて反射し走査光
32として実装基板7の表面7aへ照射する。尚、光学
素子25の配置位置は、本実施形態の配置位置に限定さ
れず、ポリゴンミラー4とfθレンズ系6との間に配置
してもよい。一方、実装基板7の表面7a上における走
査光32の走査線が直線とならずに湾曲してしまうこと
から、半導体レーザ素子1とポリゴンミラー4との間に
光学素子25を配置するのは好ましくない。
【0012】上述の配置位置に配置された光学素子25
における動作を説明する。光学素子25を図1に実線に
て示す設置位置26に対して、反射角度変更部材253
にて、図1に示すような揺動位置26aに反射体252
を位置させ反射面251の傾斜角度を変更したときに
は、上記設置位置26に対する走査光32の光軸が移動
して走査光32aとなり、又、揺動位置26bに示すよ
うに反射面251の傾斜角度を変更したときには、上記
走査光32の光軸が移動し走査光32bとなる。このよ
うに走査光32の光軸が移動することで、実装基板7の
表面7aにて反射した散乱反射光8の光軸も移動し、2
つの光検出器9,9のそれぞれの受光面91,91に対
する光照射位置が矢印33にて示す方向に移動する。し
たがって2つの光検出器9,9において、上記設置位置
26に対応する上記走査光32による各散乱反射光8,
8がそれぞれの受光面91,91へ照射されたとき、受
光面91,91における光照射位置が異なり2つの光検
出器9,9から出力されるそれぞれの被検査物表面情報
信号が異なるような場合には、2つの光検出器9,9の
受光面91,91に対する各光照射位置が一致又はほぼ
一致するように、反射角度変更部材253にて反射体2
52の反射面251の角度を変化させる。それによって
走査光32の光軸を移動させて散乱反射光8,8のそれ
ぞれの光軸を移動させる。このように操作することで、
2つの光検出器9,9の受光面91,91における各光
照射位置を一致又はほぼ一致させることができ、よって
2つの光検出器9,9の上記被検査物表面情報信号を一
致又はその差を最小にすることができる。
【0013】このように構成される本実施形態の表面検
査装置50の動作について説明する。尚、表面検査装置
50の基本的な動作は従来の表面検査装置20に同一で
あるので、上記説明は略説する。表面検査装置50につ
いて一応の組み立てが終了した時点で、仮の実装基板7
として均一な表面状態をもつセラミックの平板を実装基
板設置位置に配置し、該セラミック平板へ試験的にレー
ザ光の照射を行う。尚、上記セラミック平板上への試験
照射にて得られる高さ情報は、検査可能範囲の中央付近
に相当する高さ情報が得られるように設定するのが好ま
しい。上記試験照射により、2つ光検出器9,9から出
力されるそれぞれの上記被検査物表面情報信号が一致又
はその差が最小であるか否かを確認する。もし、上記被
検査物表面情報信号が一致又はその差が最小でない場合
には、上述したように反射角度変更部材253を進退さ
せることで反射体252の反射面251の傾斜角度を変
化させ、走査光32の光軸、ひいては散乱反射光8,8
のそれぞれの光軸を移動させることで、2つの光検出器
9,9の受光面91,91に対する光照射位置を一致又
はほぼ一致させ、2つの光検出器9,9の上記被検査物
表面情報信号を一致又はその差を最小にさせる。これに
て表面検査装置50の組み立てが終了し、上記セラミッ
ク基板を取り除いた後、以下のようにして表面検査を実
行する。
【0014】即ち、半導体レーザ1から放射されたレー
ザ光はコリメータレンズ2を介して投光ビーム3とな
り、ポリゴンミラー14の鏡面4aに当たり反射光5と
なる。ポリゴンミラー4は中心軸10の軸回りに回転す
るので、反射光5は一方向に偏向され、光走査用のfθ
レンズ系6に入射する。fθレンズ系6は、図3に示す
ような集束レンズ作用を反射光5に与える。尚、図3に
は、fθレンズ系6として便宜上一つのレンズのみを図
示しているが、実際には図2に示すように同軸配置され
た複数枚のレンズからなるものである。fθレンズ系6
から出射された反射光31は、上述のように予め反射面
251の傾斜角度が調整された光学素子25にて反射
し、走査光32となって実装基板7の表面7aに常に直
角に入射し、その表面を光走査する。このため、実装基
板7の表面7aに被測定物12が存在するにもかかわら
ず、入射する走査光32に死角を生じさせることはな
い。この光走査によって実装基板7の表面7aに生じた
散乱反射光8,8は、受光レンズ11,11を介して2
つの光検出器9,9の受光面91,91に入射する。
尚、受光レンズ11,11は、光検出器9,9に対して
光走査幅をカバーする視野角をもち、実装基板7上の被
測定物12における高さに応じて、光検出器9,9の受
光面91,91上において、光照射位置が矢印33,3
3方向に移動するように散乱反射光8,8を合焦する作
用を有する。受光面91,91への光照射により、光検
出器9,9は、矢印33方向の光照射位置の移動量に比
例した被検査物表面情報信号を光走査に同期して、時系
列に出力する。上記被検査物表面情報信号は演算装置1
3へ供給され、実装基板7への光走査による実装基板1
7における被測定物12の3次元形状が検査される。
【0015】演算装置13において、2つの光検出器
9,9のどちらの信号を採用するかは受光量にしきい値
を設け、供給された上記被検査物表面情報信号が上記し
きい値以上かどうかにて決定する。双方共にしきい値以
上の場合は、両方の信号の平均値を採用する。又、双方
共にしきい値以下の場合はエラーとする。
【0016】このように本実施形態の表面検査装置50
によれば、走査光32の光軸を微小角度調整できる光学
素子25を設けたことで、2つの光検出器9,9が出力
するそれぞれの上記被検査物表面情報信号を一致又はそ
の差が最小となるように調整することができ、表面検査
の検査精度を向上することができる。
【0017】尚、走査光32の光軸を移動させる手法と
しては、本実施形態における光学素子25を設けずに、
ポリゴンミラー4の回転軸10を傾かせることでポリゴ
ンミラー4そのものを傾かせる方法が考えられるが、こ
の方法は投光ビーム3が回転軸10の軸方向に対して直
交する方向にてポリゴンミラー4の鏡面4aに入射せ
ず、よって実装基板7の表面7a上における走査光32
による走査線が直線とならずに湾曲してしまうので好ま
しくない。
【0018】又、走査光32の光軸を移動させる光学素
子としては、本実施形態における反射体252以外に、
図6に示すような、くさび形のプリズム35が使用可能
である。但し、該プリズム35は平行光でない光束中に
挿入すると収差が発生し、被測定物12への走査光32
のスポット形状を悪化させるので注意が必要である。
【0019】実装基板7の表面7aの全面を表面検査す
る場合には、リニアモータや、モータとボールネジ駆動
等の基板移動装置にて光走査と直角方向へ基板7を移動
させる動作と、上記光走査とを交互に行うことでなされ
る。もちろん基板7を静止して、検査装置を移動させて
もよい。
【0020】上述した実施形態では、被検査対象物が実
装基板7の場合を例に採ったが、これに限定されるもの
ではなく、本実施形態の表面検査装置は、部品を実装す
る前の回路基板や電子部品、液晶パネルの他、3次元形
状の測定が必要な対象物に適用できる。
【0021】
【発明の効果】以上、詳述したように本発明の第1態様
の表面検査装置、及び第2態様の表面検査方法によれ
ば、偏向走査用ミラーにて反射した反射光の光軸を移動
可能とする光学素子を備え、上記反射光の光軸を移動さ
せることで2つの光検出器から出力されるそれぞれの被
検査物表面情報信号を一致又はその差を最小にすること
ができ、表面検査における測定精度を向上することがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施形態の表面検査装置の構成を
示す側面図である。
【図2】 図1に示す表面検査装置の平面図である。
【図3】 図1に示すポリゴンミラーの回転方向と基板
上の光走査方向との示す図である。
【図4】 図1に示す光学素子の斜視図である。
【図5】 図4に示す光学素子の断面図である。
【図6】 図1に示す光学素子の他の実施形態を示す図
である。
【図7】 図1に示す光学素子の反射体を台座へ押圧す
る押え部材の他の取り付け状態を示す斜視図である。
【図8】 従来の表面検査装置の構成を示す図である。
【図9】 図8に示す表面検査装置の側面図である。
【符号の説明】
1…半導体レーザ素子、4…ポリゴンミラー、6…fθ
レンズ系、7…実装基板、9…光検出器、25…光学素
子、35…プリズム、251…反射面、252…反射
体、253…反射角度変更部材 256…押え部材、256a…押圧部、256b…固定
部。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01B 11/24 G01N 21/88 H05K 13/08

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 レーザ光を放射するレーザ素子(1)
    と、周囲が多角形であり各周囲面が鏡面にてなり周囲方
    向へ中心軸回りに回転し上記鏡面に対して上記中心軸に
    直交する方向から入射する上記レーザ光を上記中心軸回
    りに回転しながら反射する偏向走査用ミラー(4)と、
    上記偏向走査用ミラーにて反射した反射光による被検査
    物の表面の光走査によって上記被検査物表面にて反射し
    た散乱反射光を検出し、かつ走査光の光軸を挟み対称位
    置に設置される2つの光検出器(9)と、を備え上記光
    検出器のそれぞれの受光面における光照射位置に基づき
    上記被検査物表面の検査を行う表面検査装置であって、 上記偏向走査用ミラーと上記被検査物との間に配置さ
    れ、上記偏向走査用ミラーにて反射した反射光の光軸を
    移動させて上記2つの光検出器のそれぞれの上記受光面
    における光照射位置を一致又はほぼ一致させ上記表面検
    査の誤差を最小にする光学素子(25,35)をさらに
    備えたことを特徴とする表面検査装置。
  2. 【請求項2】 上記光学素子(25)は、上記偏向走査
    用ミラーにて反射した反射光を反射する反射面(25
    1)と、上記反射面における上記反射光の反射角度を変
    化させて上記反射光の光軸を移動させる反射角度変更部
    材(253)とを備える、請求項1記載の表面検査装
    置。
  3. 【請求項3】 上記光学素子(25)は、短冊状の板状
    体であり、2つの押え部材(256)にて当該光学素子
    の両端部を台座(254)へ押圧されて保持され、それ
    ぞれの上記押え部材は、薄板にてなり一端部に上記光学
    素子を押圧する押圧部(256a)を有し他端部に上記
    台座へ固定される固定部(256b)を有し、それぞれ
    上記光学素子の軸方向に沿って延在して設置される、請
    求項1又は2記載の表面検査装置。
  4. 【請求項4】 上記光学素子(35)は、くさび形の断
    面にてなるプリズムである、請求項1記載の表面検査装
    置。
  5. 【請求項5】 周囲面が鏡面にてなる多角形形状であり
    周囲方向へ中心軸回りに回転する偏向走査用ミラー
    (4)に対して、該偏向走査用ミラーの回転中に上記中
    心軸に直交する方向からレーザ光を上記鏡面に照射して
    反射させ、該反射した走査光にて被検査物の表面を走査
    し、該走査により上記被検査物の表面にて反射した散乱
    反射光を、上記走査光の光軸を挟み対称位置に設置され
    る2つの光検出器にて検出して上記被検査物表面の検査
    を行う表面検査方法であって、 上記走査光について、上記2つの光検出器のそれぞれの
    受光面における光照射位置が一致又はほぼ一致させ表面
    検査の誤差を最小になるように上記被検査物表面への上
    記走査光の光軸を移動させて上記被検査物表面へ照射す
    ることを特徴とする表面検査方法。
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