JP3706504B2

JP3706504B2 - 高さ計測装置

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Publication number: JP3706504B2
Application number: JP16722099A
Authority: JP
Inventors: 博明土屋
Original assignee: 博明土屋
Priority date: 1999-06-14
Filing date: 1999-06-14
Publication date: 2005-10-12
Anticipated expiration: 2019-06-14
Also published as: JP2000356510A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＩＣの基板に設けた多数の球状若しくは半球状の半田バンプのような被計測物体のコプラナリティを、画像処理技術を応用して非接触で計測し得るようにした高さ計測装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、画像処理技術を応用してＩＣの基板に設けた多数の球状若しくは半球状の半田バンプ、特にＢＧＡ（ｂａｌｌｇｒｉｄａｒｒａｙ）やＣＳＰ（ｃｈｉｐｓｉｚｅｐａｃｋａｇｅ）等のＩＣパッケージにおける各半田バンプのコプラナリティを非接触で計測することが求められるようになってきている。
【０００３】
半田バンプのコプラナリティを非接触で計測するための従来の装置の一例としては特開平９−１９６６２５号公報に示すものがある。
【０００４】
図１１はこの従来の計測装置のブロック図である。図中、１０１は基板１０１ａ上に多数の半田バンプ１０１ｂが設けられた被計測物体であるワークであり、ワーク１０１はＸ―Ｙの二軸方向（平面方向）へ水平移動し得るようにしたステージ１０２上に載置し得るようになっている。又１０３はワーク１０１の周囲に設けられた照明、１０４はワーク１０１を撮影するためのカメラ、１０５はレーザ変位計である。
【０００５】
カメラ１０４はワーク１０１を撮像し、撮像により得られたデータ１０６はＡ／Ｄ変換手段１０７で変換され濃淡画像データ１０８として二値化手段１０９へ与えられる。
【０００６】
二値化手段１０９は濃淡画像データ１０８を「１」又は「０」にする二値化レベルにおいて半田バンプ１０１ｂの斜面部のみを二値化し、二値化された二値化画像データ１１０は検査位置算出手段１１１ヘ与えられる。
【０００７】
検査位置算出手段１１１は二値化画像データ１１０をラべリング処理されたのち、各ラベルの重心位置が算出され、各半田バンプ１０１ｂのコプラナリティの検査位置は計測データ１１２として出力される。
【０００８】
ステージ駆動手段１１３は、検査位置算出手段１１１からの計測データ１１２とレーザ変位計１０５の計測位置が一致するよう、ステージ１０２をＸ―Ｙの二軸方向へ駆動する。
【０００９】
又、高さ計測手段１１５はステージ駆動手段１１３からの位置合わせ終了信号１１６を入力し、レーザ変位計１０５により半田バンプ１０１ｂの高さ計測を行い、計測終了信号１１７と半田バンプ１０１ｂの高さ信号１１８を出力する。
【００１０】
計測すべき半田バンプ１０１ｂが残っている場合には、各半田バンプ１０１ｂについて、ステージ１０２の移動並びにレーザ変位計１０５による半田バンプ１０１ｂの高さの測定を繰り返す。
【００１１】
コプラナリティ算出手段１１９は、高さ計測手段１１５からの半田バンプ１０１ｂの高さ信号１１８を基とした各半田バンプ１０１ｂの高さからコプラナリティ１２０を算出し、良不良判定手段１２１へ出力する。なお、１２２は全ての半田バンプ１０１ｂの計測終了信号である。
【００１２】
バンプのコプラナリティを非接触で計測するための従来の装置の他の例としては特開平７−３１１０２５号公報に示すものがある。
【００１３】
図１２はこの従来の計測装置の斜視図であり、図１３は共焦点光学系の一般的な構成を示す概略正面図である。
【００１４】
図１２において、１３１は被計測物体であるワークである。ワーク１３１は、例えばウエハ上に配列されたＩＣチップ、基板上にマトリックス状に配列された半田バンプにより形成されており、Ｘ―Ｙの二軸方向へ水平移動し得るようにしたステージ１３２には、ワーク１３１を載置し得るようになっている。
【００１５】
１３３は、ワーク１３１上の計測すべき領域を特定するための二次元撮像装置、１３４は半田バンプ等の形状を計測するためのＺ方向へ昇降可能な三次元形状計測装置であって、三次元形状計測装置１３４は例えば後述の共焦点光学系から構成されている。又、１３５は制御処理装置である。
【００１６】
二次元撮像装置１３３により撮像されたワーク１３１のデータは、制御処理装置１３５によって画像処理されると共に、その結果をもとにワーク１３１の姿勢位置決め及びワーク１３１上の計測されるべき領域の特定処理が行なわれ、その特定結果に基いて、ステージ１３２のＸ―Ｙ方向の位置が制御される。而して、ステージ１３２のＸ―Ｙ方向への移動位置を制御することにより、ワーク１３１は三次元形状計測装置１３４の計測視野内に移動し、三次元形状計測装置１３４によりワーク１３１の半田バンプ等の形状データが採取される。
【００１７】
図１３に示す共焦点光学系の一般的な装置において、図中、１４１は基板１４１ａ上に多数の半田バンプ１４１ｂが設けられた被計測物体であるワークであり、Ｚ方向へ垂直移動し得るようにしたステージ１４２には、ワーク１４１を載置し得るようになっている。
【００１８】
光源１４３から発せられた光は、レンズ１４４，１４５によって拡大されてピンホールアイ１４６に入射されることにより、アレイ状に配列された複数の光点から発せられる光となる。これらの光はハーフミラー１４７を介して対物レンズ１４８へ入射され、対物レンズ１４８によってワーク１４１上面に入射される。
【００１９】
又、ワーク１４１の表面で反射されたアレイ状の光はハーフミラー１４７によって反射され、ピンホールアレイ１４９を介して光検出器アレイ１５０に入射される。
【００２０】
又、制御処理部１５１により共焦点光学系又はワーク１４１が載置されたステージ１４２を光軸方向（Ｚ方向）に移動させながら光検出器アレイ１５０上に焦点を結ばせて、その受光量が最大となる移動位置をもって、ワーク１４１の反射点の高さとする。斯かる処理を光検出器アレイ１５０に入射された各光について行えば、ワーク１４１表面の各位置の半田バンプ１４１ｂの高さを検出することができる。
【００２１】
すなわち、図１３の従来装置によれば、ピンホールアレイ１４９によって、共焦点光学系ユニットを平面上でマトリックス状に並設することにより、ワーク１４１の半田バンプ１４１ｂの各位置における高さを測定するようにしている。
【００２２】
共焦点光学系におけるピンホールアレイ１４９のピンホール間隔に対応するピッチで計測されたワーク１４１の半田バンプ１４１ｂの各高さのデータは、図１２における制御処理装置１３５へ転送され記憶される。又、図１２の二次元撮像装置１３３によって得られたワーク１３１の二次元座標データに基づき、制御処理装置１３５に記憶された全ての高さデータからワーク１３１（ワーク１４１と同じもの）における各半田バンプ等の頂点位置近傍のデータが選択され、半田バンプ等の頂点高さの推定が行われる。
【００２３】
図１２、１３の装置において、ワーク１３１や１４１の半田バンプ１４１ｂ等の頂点高さを推定するための手段としては、以下に述べるようなものがある。なお、以下の説明は、都合上、図１３のワーク１４１について行う。
【００２４】
（ａ）例えば、半田バンプ１４１ｂの形状を半球又は二次曲線若しくは正規分布関数に近似しているものとし、半田バンプ１４１ｂの頂点位置近傍のデータから代数的に半田バンプ１４１ｂの頂点の高さを求める方法。
【００２５】
（ｂ）ワーク１４１の半田バンプ１４１ｂの形状を予め求めると共に、このデータをメモリーテーブルに記憶させておき、半田バンプ１４１ｂの頂点近傍の高さ計測値からその頂点高さを求める方法。
【００２６】
（ｃ）ワーク１４１の半田バンプ１４１ｂの形状に応じて、該当する次数の関数を想定し、半田バンプ１４１ｂの高さの頂点があると予測される近傍の計測点の座標とその高さ計測値をデータとして使用し、最小二乗法により関数を決定して半田バンプ１４１ｂの基板１４１ａ平面方向の位置（座標）及び頂点の高さを決定する方法。
【００２７】
【発明が解決しようとする課題】
図１１に示す従来装置の一例のものにおいては、以下に述べるような問題点がある。
【００２８】
（ｉ）計測位置データに基づきステージ１０２をＸ―Ｙ方向に移動させ、半田バンプ１０１ｂのＸ―Ｙ方向の全計測点に対し一点ずつ位置決めを行う必要があるため、計測時間が長くなり、効率の良い計測を行うことができない。
【００２９】
（ｉｉ）半田バンプ１０１ｂの計測位置はラベルの重心位置としているため、例えば半田バンプ１０１ｂが真球ではない場合には、その頂点の高さ位置を計測することができない。
【００３０】
（ｉｉｉ）ステージ１０２の位置決め誤差が、コプラナリティの計測精度に大きく影響する。
【００３１】
（ｉｖ）カメラ１０４の他に高価なレーザ変位計が必要である。
【００３２】
（ｖ）ステージ１０２の移動のためＸ―Ｙ二軸方向への駆動系が必要となるため、一軸方向の駆動系に比較して高価になる。
【００３３】
図１２、１３に示す従来装置の他の例のものにおいては、以下に述べるような問題点がある。
【００３４】
（ｉ）例えば、複数の半田バンプ１４１ｂに対して夫々複数の高さ計測値が必要となるため、大量のデータを取得し処理することとなり、従って、計測時間が長くなり、効率の良い計測を行うことができない。
【００３５】
（ｉｉ）半田バンプ１４１ｂの頂点の高さを直接計測するものではないため、計測誤差の他、頂点の高さ推定演算誤差が加わり、精度が悪化する虞がある。
【００３６】
（ｉｉｉ）共焦点光学系を構成する三次元形状計測装置１３４は機構が複雑であるため、高価でしかもメンテナンスが大変である。
【００３７】
本発明は、斯かる実情に鑑み、二次元配列された多数の半田バンプのごとき被計測物体の頂点の高さの差或いは高さを簡単な機構で高速且つ高精度に非接触で計測し得るようにした被計測物体の高さ計測装置を提供しようとするものである。
【００３８】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、ワークの基板に二次元的に配置された複数の被計測物体を前記基板に対し略交差する方向から照射する第一の光源と、前記基板の平面に対し前記被計測物体の頂点を含むよう、前記基板の平面に対し略水平に近い傾斜角度で基板の平面方向へ照射し得るようにした第二の光源と、前記第一の光源により照射された被計測物体の反射被照明像を撮像すると共に第二の光源により照射された被計測物体の頂点から発する散乱光による輝点群を撮像するための１台の撮像装置と、該撮像装置からの反射被照明像の信号から被計測物体の基板の平面方向の位置を検出すると共に、前記散乱光による輝点群の信号から被計測物体の頂点の高さを計測する制御処理装置を設けたものである。
【００３９】
請求項２の発明では、第二の光源は基板の平面方向へ広がったスリット光である。
【００４０】
請求項３の発明は、ワークと第二の光源は基板の平面方向へ相対移動可能に構成されている。
【００４１】
請求項４の発明では、ワークと第二の光源は基板の直角方向へ相対移動可能に構成されている。
【００４２】
請求項５の発明は、スリット光が被計測物体に対し乱反射したタイミングにより被計測物体の基準となる高さに対する当該被計測物体の高さの差を求めるよう構成されている。
【００４３】
本発明では、基本的には第一の光源から照射される光により、被計測物体の基板平面方向の位置が検出され、第二の光源から照射される光により、被計測物体の高さが検出されることになる。
【００４４】
本発明では、二次元配列された多数の被計測物体の頂点の高さの差や高さを簡単な機構で高速且つ高精度に非接触で計測することができる。
【００４５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の非接触式の被計測物体の高さ計測装置の実施の形態を図示例と共に説明する。
【００４６】
図１〜図９は本発明を実施する形態の一例である。図１中、１はＩＣパッケージ等の被計測物体であるワークであり、ワーク１は、例えば基板１ａ上面に半田バンプ１ｂを設けた構造を有している。半田バンプ１ｂは説明のため４列×４行の場合を図示している。又、ワーク１は、駆動装置２によりＸ方向の一軸方向へ水平移動し得るようにしたステージ３に載置され得るようになっている。
【００４７】
４は検査時にワーク１の上面を撮像するためのカメラを用いた二次元撮像装置、５はワーク１の斜め上方から半田バンプ１ｂの頂点を含むよう、基板１ａの平面に対し略水平に近い傾斜角度θ（例えば２〜３°）で基板１ａの平面方向へ広がったスリット光６を照射し得るよう設置されたスリット光源、７は二次元撮像装置４で撮像した画像データを取り込んで画像処理を行い半田バンプ１ｂの頂点のステージ３平面と平行な方向の位置及び高さ位置を算出すると共に、駆動装置２に駆動指令を、又スリット光源５及びワーク１の上面を照射するための後述の光源１０に照射指令を出力し得るようにした制御処理装置である。
【００４８】
半田バンプ１ｂの頂点の高さを計測する際には、図１に示す半田バンプ１ｂの頂点の高さを計測する画像データの他に、半田バンプ１ｂの頂点のステージ３平面と平行な方向の位置を算出するための画像データを得る必要がある。このため、半田バンプ１ｂの頂点の高さを計測するために用いるスリット光源５の他に、適当な光源を選択する必要があり、図２は光源として同軸落射照明装置を用いる例、図４、５は光源として蛍光管リング照明装置を用いる例を示している。なお、図１に示す光源１０は、例として蛍光管リング照明装置を図示している。
【００４９】
図２に示す落射照明は半田バンプ１ｂが真球でない場合に適用されるもので、平行光束８を半田バンプ１ｂの真上から当てるようになっている。半田バンプ１ｂの頂点は真球でない場合であっても平行光束８に対し直角になるので、平行光束８は光の入射角と反射角からの関係から半田バンプ１ｂの頂点においては、真上に反射するようになっている。従って、図２に示すごとく、平行光束８は半田バンプ１ｂの頂点以外においては、真上以外の方向へ反射し、ワーク１の真上に設けた二次元撮像装置４からの撮像信号を制御処理装置７で二値化処理すると、図３に示すように、半田バンプの画像９の頂点９ａはその付近が明るく光り、ハッチングを施した周辺部９ｂは暗くなるよう構成されている。
【００５０】
頂点９ａの明るい部分が円でない場合には、その重心を求めるか、円とみなされる場合には、円の中心を求めることにより、頂点９ａのワーク１平面方向の位置を例えばワーク１の基準位置に対する座標として求め得るように構成されている。
【００５１】
又、半田バンプ１ｂが近似的に真球と考えられる場合には、例えば図４、５に示すように、平面視で内径がワーク１よりも大きい蛍光管リング照明装置１０を光源として用い、全ての半田バンプ１ｂの外周部に一様に照明が当るようにして二次元撮像装置４からの撮像信号を制御処理装置７で二値化処理し、同軸落射照明装置による場合と同様にして半田バンプ１ｂの重心位置、又は円の中心を求めれば、その位置が各半田バンプ１ｂのワーク１平面方向の位置となるように構成されている。
【００５２】
半田バンプ１ｂの外周に一様に照明を当てるための照明装置としては、図４の蛍光管リング照明装置１０以外に、複数のＬＥＤ照明をドーム状に配置したドーム照明装置等が有効である。
【００５３】
次に、本発明の実施の形態において、半田バンプ１ｂの頂点の高さを求めるための原理について、図１、６を参照しつつ説明する。
【００５４】
スリット光源５からは、基板１ａの平面に対し微小な傾斜角度θでスリット光６が、半田バンプ１ｂの頂点を含むように照射される。而して、半田バンプ１ｂの頂点はスリット光６が当ると光は散乱し、頂点は輝点として、図１に示す二次元撮像装置４に撮像されることになる。
【００５５】
今、図６に示す半田バンプ１ｂのうちハッチングを施してある半田バンプ１ｂ（以下、基準半田バンプ１ｂ_Ｐｋと言う）の頂点高さが設計値どおりの値であると仮定し、この頂点の高さを基準高さとして検出されるＸ方向位置を基準水平位置Ｐ_ｋとする。
【００５６】
図６において、ワーク１すなわち半田バンプ１ｂが、ステージ３と共に図のＸ方向と平行に右方向から左方向へ速度Ｖで移動する場合に、基準半田バンプ１ｂ_Ｐｋに相当する実際の半田バンプ１ｂ（以下、半田バンプ１ｂ_Δｈと言い、図６の基準半田バンプ１ｂ_Ｐｋの右側に図示）が基準半田バンプ１ｂ_Ｐｋの基準高さよりもΔｈだけ高いとする。
【００５７】
而して、半田バンプ１ｂ_Δｈの頂点の位置は二次元撮像装置４によって撮像されるが、その撮像されるタイミングは、基準半田バンプ１ｂ_Ｐｋの頂点が撮像される後述の基準時間Ｔ_ｋよりも、Δｔ秒だけ早くなる。
【００５８】
同様に、図６において、ワーク１すなわち半田バンプ１ｂが、ステージ３と共に図のＸ方向と平行な方向に右方向から左方向へ速度Ｖで移動する場合に、基準半田バンプ１ｂ_Ｐｋに相当する実際の半田バンプ１ｂ（以下、半田バンプ１ｂ_−Δｈと言い、図６の基準半田バンプ１ｂ_Ｐｋの左側に図示）が基準半田バンプ１ｂ_Ｐｋの基準高さよりもΔｈだけ低いとする。
【００５９】
この場合も、半田バンプ１ｂ_−Δｈの頂点の位置は二次元撮像装置４によって撮像されるが、その撮像されるタイミングは、基準半田バンプ１ｂ_Ｐｋの頂点が基準水平位置Ｐ_ｋで撮像される基準時間Ｔ_ｋよりも、Δｔ秒だけ遅くなる。
【００６０】
図６から、ΔｈとΔｔとの間には次の関係が成立する。すなわち、実際の半田バンプ１ｂの高さが基準高さに対し、±Δｈ異なる場合の頂点として撮像される位置Ｐ_±Δｈと基準水平位置Ｐ_ｋとの距離は、
【数１】
Δｔ・Ｖ＝±Δｈ・（ｔａｎθ）^−１
で表わされ、高さの差Δｈは
【数２】
Δｈ＝±Δｔ・Ｖｔａｎθ
で表わされる。
【００６１】
又、本発明の実施の形態において、計測の対象とする半田バンプ１ｂの頂点の基準高さに対する差を求める場合には、半田バンプ１ｂを光源１０により照射しつつ二次元撮像装置４により撮像し、その画像信号を制御処理装置７に与えて画像処理し、半田バンプ１ｂの頂点のＸ方向位置を求め、これを当該半田バンプ１ｂの基準水平位置Ｐ_ｋとする。この手順で決定された基準水平位置Ｐ_ｋは段落番号[００５５]の定義により、実際の半田バンプ１ｂの位置と同一であるが、頂点の高さが設計値どおりの値である基準高さとなっているものと仮定している。
【００６２】
半田バンプ１ｂの実際の頂点高さと基準高さとの差の計測は、以下のようにして行う。すなわち、図６のＸと平行な方向における任意の位置に計測原点Ｐ_ｏを定め、計測原点Ｐ_ｏから基準半田バンプ１ｂ_ＰｋまでのＸ方向と平行な方向の距離をＳ_ｋとする。そうすると、基準半田バンプ１ｂ_Ｐｋが計測原点Ｐ_ｏから距離Ｓ_ｋだけ移動するに要する時間すなわち基準時間Ｔ_ｋは、ワーク１のＸ方向への移動の速度がＶの場合
【数３】
Ｔ_ｋ＝Ｓ_ｋ／Ｖ
で表わされる。
【００６３】
又、基準時間Ｔ_ｋよりもΔｔ秒だけ早いタイミングで半田バンプ１ｂのタイミングが計測されれば、半田バンプ１ｂの頂点の高さはΔｈだけ高く、同様に基準時間Ｔ_ｋよりもΔｔ秒だけ遅いタイミングで半田バンプ１ｂのタイミングが計測されれば、半田バンプ１ｂの頂点の高さはΔｈだけ低いものとする。すなわち、基準となる頂点に対する高さの差はΔｈとなる。
【００６４】
次に、本発明の実施の形態において半田バンプ１ｂの頂点の高さを計測する場合の手順について、図７のフローチャートをも参照しつつ説明する。
【００６５】
（Ｉ）ステップＳ１（半田バンプ１ｂの頂点の水平方向位置の計測）
ステージ３上に載置され固定されたワーク１は、ステージ３が停止した状態で光源１０により照射されつつ二次元撮像装置４により撮像され、その画像データは制御処理装置７に与えられて全て（本実施の形態例においては４列×４行の１６個）の半田バンプＳ_１ａ〜Ｓ_１ｄ、Ｓ_２ａ〜Ｓ_２ｄ、Ｓ_３ａ〜Ｓ_３ｄ、Ｓ_４ａ〜Ｓ_４ｄの頂点の水平方向の位置が決定される。
【００６６】
これらの位置は半田バンプ１ｂの頂点が設計値高さである場合の基準水平位置Ｐ_ｋとなる。
【００６７】
今、基準水平位置Ｐ_ｋ及びワーク１のコーナ部の１箇所に形成した計測原点Ｐ_ｏからワーク１における基板１ａ上の基準水平位置Ｐ_ｋまでのステージ３の移動方向の距離Ｓ_ｋの記号を各半田バンプ１ｂの頂点に対応して図８のごとく定める。ここで、Ｐに対する添え字は半田バンプ１ｂの頂点の水平方向の位置に対する列及び行で決まる座標を示している。
【００６８】
計測原点Ｐ_ｏは図８では、ワーク１の基板１ａのコーナ部に定めているがステージ３上にワーク１の固定治具等を設け、ワーク１の製作寸法精度が所定の範囲内に収まっている等の理由により、ワーク１を所定の精度でステージ３上にセット可能ならば、計測原点Ｐ_ｏをステージ３上に設定しても良い。
【００６９】
又、計測原点Ｐ_ｏは特徴的なパターンの存在或いは、特別に作成したマークを画像処理により認識可能であれば、ワーク１上にその位置を設定することも可能である。
【００７０】
（ＩＩ）ステップＳ２（各半田バンプ１ｂの頂点の図６に示すＸ方向[水平方向]の位置のデータの入力）
ステップＳ１で検出された各半田バンプ１ｂの頂点の水平方向位置のデータから、各半田バンプ１ｂに相当する計測原点Ｐ_ｏと基準水平位置Ｐ_ｋとのＸ方向の距離Ｓ_ｋ、具体的には図８に示すＰ_１ａ〜Ｐ_１ｄ、Ｐ_２ａ〜Ｐ_２ｄ、Ｐ_３ａ〜Ｐ_３ｄ、Ｐ_４ａ〜Ｐ_４ｄの合計１６個のデータを制御処理装置７に入力する。
【００７１】
（ＩＩＩ）ステップＳ３（各半田バンプ１ｂの頂点の図６に示すＸ方向[水平方向]の位置において検出される基準時間Ｔ_ｋの表の作成）
前述の１６個のＰ_１ａ〜Ｐ_１ｄ、Ｐ_２ａ〜Ｐ_２ｄ、Ｐ_３ａ〜Ｐ_３ｄ、Ｐ_４ａ〜Ｐ_４ｄの計測原点Ｐ_ｏからの距離Ｓ_１ａ〜Ｓ_１ｄ、Ｓ_２ａ〜Ｓ_２ｄ、Ｓ_３ａ〜Ｓ_３ｄ、Ｓ_４ａ〜Ｓ_４ｄをステージ３の設定された移動の速度Ｖで除した数値を図９に示すようにテーブル化し、そのデータを制御処理装置７に入力する。
【００７２】
距離Ｓ_１ａ〜Ｓ_１ｄ、Ｓ_２ａ〜Ｓ_２ｄ、Ｓ_３ａ〜Ｓ_３ｄ、Ｓ_４ａ〜Ｓ_４ｄの数値は、ステージ３を図１上で右から左へ一定の速度Ｖで移動させたときの、計測原点Ｐ_ｏから設計値どおりのバンプ高さに製作された半田バンプ１ｂを検出するまでの時間すなわち基準時間Ｔ_ｋに変換される。
【００７３】
（ＩＶ）ステップＳ４（ステージ３の移動及び各半田バンプ１ｂの図６に示す頂点の検出並びに頂点が検出された際の時間の計測）
通常、同一ロットの最初のワーク１の計測時にのみ行う調整として、二次元撮像装置４の視野内で半田バンプ１ｂの頂点が輝点として検出されるよう、スリット光源５の位置及び姿勢を予め調整し、図６のスリット光６の傾斜角度θを確定しておく。この調整はライン外で行うので、実際には、一連の計測の最初の段階で実施しておく。
【００７４】
次に、どの半田バンプか特定する必要はないが、例えば基準水平位置Ｐ_１ａをスリット光源５からのスリット光６により照射して検出した半田バンプ１ｂの頂点における輝点のＸ方向位置を位置Ｐ_ｍとし、これを制御処理装置７へ記憶させる。
【００７５】
斯かる準備が終了したら駆動装置２を駆動して、ステージ３を一定の速度Ｖで移動開始させ、計測原点Ｐ_ｏが位置Ｐ_ｍを通過した時点をもって時間ｔ＝０とする。
【００７６】
スリット光源５からのスリット光６を基板１ａの平面に対し略水平に近い傾斜角度でワーク１の斜め上方から照射させつつ、ワーク１を載置したステージ３を一定の速度Ｖで図６の右方向から左方向へ移動させる。
【００７７】
又、ステージ３を移動させつつ、各半田バンプ１ｂの頂点における輝点を、計測原点Ｐ_ｏが位置Ｐ_ｍを通過した時点からの経過時間として検出する。
【００７８】
半田バンプ１ｂの高さ計測の安定性確保のため、一定レベル以上の輝度を頂点の輝度検出位置とする。又、半田バンプ１ｂの頂点であると予想される位置以外では、二次元撮像装置４により画像が撮像されないように、適宜のタイミングで二次元撮像装置４のマスキング操作を行うと良い。
【００７９】
各半田バンプ１ｂの頂点の検出時には、各水平基準位置Ｐ_ｋに対応させて当該頂点が検出されるタイミングｔ_ｋの検出を行い、その信号を制御処理装置７へ格納する。
【００８０】
（Ｖ）ステップＳ５（基準高さを有する半田バンプ１ｂが基準水平位置Ｐ_ｋにある場合にその頂点が検出されるタイミング[基準時間Ｔ_ｋ]と当該半田バンプ１ｂの水平位置においてその頂点が実際に検出されるタイミングｔ_ｋとの時間差Δｔの算出）
ステップＳ３及びステップＳ４で得られた基準時間Ｔ_ｋと実際に検出されるタイミングｔ_ｋとの時間差Δｔ、例えば基準水平位置Ｐ_２ｂについては
【数４】
Δｔ_２ｂ＝Ｔ_２ｂ−ｔ_２ｂ
により算出される。［数４］でＴ_２ｂは基準水平位置Ｐ_２ｂにおける基準時間、ｔ_２ｂは基準水平位置Ｐ_２ｂにおいて当該半田バンプ１ｂの頂点が実際に検出されたタイミングである。全ての半田バンプ１ｂについてその頂点が検出される実際のタイミングに基づく時間差Δｔの算出が行なわれるが、その計算は［数４］に準じて行なわれる。
【００８１】
（ＶＩ）ステップＳ６（基準時間Ｔ_ｋとタイミングｔ_ｋとの時間差Δｔに基づく各半田バンプ１ｂの頂点の基準となる高さと実際の高さとの差Δｈ）
差Δｈは各半田バンプ１ｂについて［数２］により求める。例えば基準水平位置Ｐ_２ｂの場合には［数２］は
【数５】
Δｈ₂ _ｂ＝Δｔ₂ _ｂ・Ｖｔａｎθ
のようになる。他の位置にある半田バンプ１ｂについても同様にして求める。［数５］でΔｈ_２ｂは当該半田バンプ１ｂの基準の高さと実際の高さの差、Δｔ_２ｂは基準水平位置Ｐ_２ｂにおける半田バンプ１ｂの頂点の基準水平位置と、実際の半田バンプ１ｂの頂点高さが基準高さに対して差異を有するため当該基準水平位置とずれる実際の水平位置に基づいて生じる検出時間の時間差である。
【００８２】
ところでステップＳ４においては、計測原点Ｐ_ｏが基準水平位置Ｐ_１ａに相当する半田バンプ１ｂ頂点における輝点検出の位置Ｐ_ｍをステージ３が移動中に通過した時点を時間ｔ＝０とした。位置Ｐ_ｍは半田バンプ１ｂの頂点が設計値高さである場合の基準水平位置Ｐ_１ａと同一であるとは保証されず、高さの差Δｈの計測値に一定量のオフセットが生じる。この場合理論的には、水平位置Ｐ_１ａの半田バンプ１ｂの頂点は設計値どおりの高さであると計測される。
【００８３】
しかし、各半田バンプ１ｂの頂点の高さは同一のオフセット量で計測されるため、本発明の実施の形態においては、各半田バンプ１ｂの頂点の高さのばらつきを計測することが可能となる。この意味で計測原点Ｐ_ｏを基準水平位置Ｐ_１ａにすることもできる。
【００８４】
なお、計測原点Ｐ_ｏの位置に擬似的に半田バンプ１ｂの頂点の設計値の高さと同じ高さの半田バンプ１ｂをダミーとして設けることも可能である。すなわち、段落番号[００８３]で述べたように、計測原点Ｐ_ｏを既存の基準水平位置Ｐ_ｋに代替可能である趣旨からして、計測原点Ｐ_ｏを既存の４列×４行、合計１６個の半田バンプ１ｂの１７個目の基準水平位置Ｐ_ｋとしてみなすことができる。
【００８５】
通常、斯かる準備が終了したら、駆動装置２を駆動して、ステージ３を一定の速度Ｖで移動を開始させ、ダミーの半田バンプ１ｂの頂点をスリット光６照射により検出した時点をもって時間ｔ＝０とするのが効率的である。勿論、追加してもう一つの計測原点Ｐ_ｏを設けることも可能である。而して、この場合には、各半田バンプ１ｂの頂点の高さは、擬似の半田バンプ１ｂの高さを基準として、絶対値により計測できる。
【００８６】
（ＶＩＩ）ステップＳ７（コプラナリティの算出）
ステップＳ６までで本発明の目的としている半田バンプ１ｂの高さ計測のデータは揃ったことになる。従ってこれ以降は検査のためのステップで、検査現場の状況により種々の方法が考えられている。
【００８７】
例えば、全ての半田バンプ１ｂの頂点の高さのデータを用いて、最小二乗法等を利用し、これにより仮想平面を求め、平面から最も高い頂点と最も低い頂点との高さの差をもってコプラナリティとすることができる。
【００８８】
又、半田バンプ１ｂの最も高い頂点３点を含む平面をシッティングプレーンとし、このシッティングプレーンから最も離れた頂点との距離をコプラナリティとすることもある。
【００８９】
本発明の実施の形態例では、半田バンプ１ｂの頂点の高さの差Δｈを、基準時間Ｔ_ｋと頂点検出タイミングｔ_ｋとの時間差Δｔを使用した時間ベースの計測で求める場合について説明したが、図６における実際の頂点高さが検出される位置すなわち計測原点Ｐ_ｏの位置を零として、距離Ｓ_ｋ±Δｈ(ｔａｎθ）^−１を直接計測してΔｈを求めるようにしても実施可能である。
【００９０】
図１０は位置を直接計測する形態の一例である。駆動装置２(図１参照）に設けたエンコーダで発生させたパルス１１又は制御処理装置７から駆動装置２への指令として与えられたパルス１１をポジションカウンタ１２に入力し、位置カウンタ値１３として出力する。位置カウンタ値１３はデータを一時的に貯めるバッファ１４に送られ、連続データとして保存される。半田バンプ１ｂの頂点がスリット光６により照射され、頂点が輝点として二次元撮像装置４に撮像されたタイミングでトリガ信号１５をバッファ１４に送り、連続して変化している位置カウンタ値１３の瞬間値１６を読み出す。瞬間値１６は上述の距離Ｓ_ｋ±Δｈ(ｔａｎθ）^−１の数値であり、これを制御処理装置７に入力することによりΔｈを求めることが可能である。
【００９１】
なお、本発明においては、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で以下に述べるような種々の変更が可能である。すなわち、ステップＳ４においては、ステージ３は一定の速度で移動する場合について説明したが、計測精度を高めるため半田バンプ１ｂの頂点を検出するタイミングの近傍でステージ３の移動速度を低下させるようにすることができる。
【００９２】
又、計測時のステージ３の移動方向は、Ｘ方向と平行な方向のうちの片側一方向としたが、ステージ３をＸ方向と平行に往復動させて折り返し移動や重複移動を行いつつ計測を行うようにすることもできる。
【００９３】
更に、ステージ３は最大の移動ストロークを移動させず、ストロークの途中から移動させるようにもでき、二次元撮像装置４のカメラ視野の任意の位置から移動を開始することもできる。
【００９４】
更に又、ワーク１はステージ３により水平方向であるＸ方向へ移動させるようにしているがＺ方向である上下方向へ移動させるようにしても実施可能である。
【００９５】
すなわち、図６の基準水平位置Ｐ_ｋに注目し、ハッチング部は基準高さの半田バンプ１ｂ_Ｐｋである。また、上下の二点鎖線部はそれぞれ半田バンプ１ｂの頂点の高さが±Δｈ異なる半田バンプ１ｂ_Δｈ，１ｂ_−Δｈである。
【００９６】
スリット光６により半田バンプ１ｂの頂点は輝点として二次元撮像装置４において撮像されるが、図６上で半田バンプ１ｂを基準水平位置Ｐ_ｋの線に沿って上下に動かすと半田バンプ１ｂの頂点の高さにより輝点として撮像されるタイミングが異なることになる。このタイミングを計測することにより、半田バンプ１ｂの頂点高さの差を求めることが可能である。従って、ワーク１とスリット光源５は基板１ａ平面に対し直角方向へ相対移動可能に構成することもできる。
【００９７】
又、二次元撮像装置４はラインカメラ等の一次元撮像装置を用いてもステージ３の移動をカメラの撮像のタイミングと同調させることで、本発明の目的を果たすことは充分可能である。
【００９８】
又、本発明の実施の形態例ではステージ３と共にワーク１を移動させる場合について説明したが、ワーク１は固定して、スリット光源５を移動させるようにしても実施可能である。
【００９９】
更に、スリット光源５によるスリット光６に代えてレーザスポットを光スキャンのために用いることも可能である。
【０１００】
本発明の実施の形態によれば、二次元配列された多数の半田バンプ１ｂの頂点の基準値に対する高さの差を簡単な機構で高速且つ高精度に非接触で計測することができる。
【０１０１】
【発明の効果】
本発明の高さ計測装置によれば、下記のごとき種々の優れた効果を奏し得る。
【０１０２】
Ｉ）被計測物体の頂点の高さは近似演算等を用いず、光散乱を利用して非接触で直接計測することができるため、被計測物体の頂点の高さや高さの差を高精度で計測することができる。
【０１０３】
ＩＩ）被計測物体の頂点の高さの計測を行う場合、被計測物体に対して装置の位置決めを行う必要がなくて、一軸方向へ連続的にワークと光源を相対的に移動させるだけで良く、しかも一つの被計測物体の頂点の高さを計測するために当該被計測物体の近傍の他の被計測物体の高さの計測やその処理を必要としないため、能率よく被計測物体の頂点の高さの計測を行うことができる。
【０１０４】
ＩＩＩ）高価なレーザ変位計や共焦点光学系ユニット等、三次元形状計測装置が不要となる。
【０１０５】
ＩＶ）基本的には、従来の二次元形状計測技術を使用し、しかも可動部分は一軸方向である。
【０１０６】
Ｖ）ＩＩＩ）、ＩＶ）から簡易且つ安価な装置により確実に三次元形状計測を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の高さ計測装置の実施の形態の一例を示す斜視図である。
【図２】本発明の高さ計測装置において各半田バンプの平面方向の位置を求める際に使用する落射照明の正面図である。
【図３】図２の落射照明により得られる半田バンプの画像の平面図である。
【図４】本発明の高さ計測装置において各半田バンプの平面方向の位置を求める際に使用する蛍光管リング照明装置の正面図である。
【図５】図４のＶ―Ｖ方向矢視図である。
【図６】本発明の高さ計測装置において半田バンプの高さを求める原理を示す概念図である。
【図７】本発明の高さ計測装置において各半田バンプの頂点の高さを計測する手順を示すフローチャートである。
【図８】本発明の高さ計測装置において高さを求める半田バンプの位置を示すための斜視図である。
【図９】本発明の高さ計測装置において各半田バンプの平面方向の位置を求める際に使用するテーブルである。
【図１０】本発明の高さ計測装置において、高さを求める半田バンプの位置を位置カウンタ値から直接読むためのブロック図である。
【図１１】従来の装置の一例におけるフローチャートである。
【図１２】従来の装置の他の例における装置の斜視図である。
【図１３】従来の装置の他の例である共焦点光学系ユニットの正面図である。
【符号の説明】
１ワーク
１ａ基板
１ｂ半田バンプ（被計測物体）
４二次元撮像装置（撮像装置）
５スリット光源（第二の光源）
６スリット光
７制御処理装置
９ａ頂点
１０蛍光管リング照明装置（第一の光源）
Δｈ高さの差
θ 傾斜角度

Claims

ワークの基板に二次元的に配置された複数の被計測物体を前記基板に対し略交差する方向から照射する第一の光源と、前記基板の平面に対し前記被計測物体の頂点を含むよう、前記基板の平面に対し略水平に近い傾斜角度で基板の平面方向へ照射し得るようにした第二の光源と、前記第一の光源により照射された被計測物体の反射被照明像を撮像すると共に第二の光源により照射された被計測物体の頂点から発する散乱光による輝点群を撮像するための１台の撮像装置と、該撮像装置からの反射被照明像の信号から被計測物体の基板の平面方向の位置を検出すると共に、前記散乱光による輝点群の信号から被計測物体の頂点の高さを計測する制御処理装置を設けたことを特徴とする高さ計測装置。
第二の光源は基板の平面方向へ広がったスリット光である請求項１記載の高さ計測装置。
ワークと第二の光源は基板の平面方向へ相対移動可能に構成された請求項１又は２記載の高さ計測装置。
ワークと第二の光源は基板の直角方向へ相対移動可能に構成された請求項１又は２記載の高さ計測装置。
スリット光が被計測物体に対し乱反射したタイミングにより被計測物体の基準となる高さに対する当該被計測物体の高さの差を求めるよう構成した請求項１、２、３又は４記載の高さ計測装置。