JP4669151B2 - 外観検査装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、外観検査技術に関する。この発明はとくに、被試験体を走査して画像を取得し、これをもとに外観検査を行う外観検査装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＩＴブームを支えるハードウエアは、インフラとしてのインターネットと、端末としてのＰＣ、ＰＤＡ、携帯電話などの情報機器に大別することができる。後者、すなわち各種端末が爆発的に普及した背景には、技術革新による商品の小型化と低価格化の寄与するところが大きく、それらを高集積度設計が支えている。
【０００３】
高集積度設計を実現する要素には、各種設計ツールの充実、半導体技術の進歩のほかに、高密度実装技術が挙げられる。高密度実装のポイントは、製造技術および検査技術にある。最近、実装密度の高さのために、非接触型、とくに画像認識技術を用いた外観検査装置の需要が伸びている。
【０００４】
外観検査に画像認識技術を用いるという考え方自体は非常に古くから知られている。しかし、コンパクトな基板でも数百から千を超える部品が実装されていることが多い今日の状況下、検査画像に求められる解像度は非常に高い。例えば２０ミクロン前後の解像度を考える場合、部品の実装に比べて、検査のための時間が非常に大きくなり、これが激烈な商品開発競争にあって、非常に大きな足かせになりつつある。
【０００５】
こうした状況下、本出願人は先に、特開平８−２５４５００号公報において、ラインセンサを搭載した外観検査装置を提案した。この装置は、当時一般的であった側方照明源のほかに落射照明源を設け、試験項目に応じてこれらの切替を行っている。その趣旨は以下のとおりである。
【０００６】
いま、図１を被検査体である基板１とする。図２（ａ）、図２（ｂ）はそれぞれ側方光６ａと落射光６ｂの効果を示す。図２（ａ）のごとく、側方光６ａの反射光８ａは、部品２の水平面については斜め上方へ向かい、ハンダ４が正しく盛られた傾斜部分については一部が垂直上方へ向かう。一方、図２（ｂ）のごとく、落射光６ｂの反射光８ｂは、部品２の水平面においてほぼ全反射し、垂直上方へ向かうが、前記の傾斜部分についてはそうならない。
【０００７】
図３（ａ）、図３（ｂ）は、それぞれ側方光６ａ、落射光６ｂにより、基板１の垂直上方に設けられたＣＣＤセンサによって得られた画像を示す。図３（ａ）のごとく側方光６ａによれば、コピーマシンのような画像が得られ、部品のリード部分のブリッジ、すなわちハンダが複数のリードをショートさせる実装不良や部品の極性マークの判定が比較的容易である。一方、図３（ｂ）のごとく落射光６ｂによれば、強いコントラスト画像が得られ、立体物の輪郭部分やハンダの傾斜部分が黒く写る。したがって、部品の位置ずれや欠品の他、ハンダが正しく部品の電極やリードに付いているかどうかの判定が比較的容易になる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
製造工程においては、例えばコンベアにより基板を流し、部品を高速実装している。検査工程は一般に、製造工程に流れたすべての基板を対象とする。このため、製造工程のなかに検査工程を組み込むことが製造効率やコストの点から好ましい。また、検査工程自体においても検査効率と精度の向上に対する要望は厳しくなっている。
【０００９】
外観検査では、例えば、画像を取り込むためにＣＣＤセンサを用いるが、このとき温度ドリフトその他の要因による取込み画像の歪みが問題になる。光学系、すなわち、レンズ、ミラー等の汚れや曇りも当然に好ましくない。
【００１０】
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、検査効率の改善と検査精度の向上の両面でメリットのある外観検査技術、およびそのための要素技術の提供にある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明のある態様は外観検査装置に関する。この装置は、一次元センサを含む走査ヘッドで被検査体を走査して画像を取得し、これをもとに外観検査を行うものであり、被検査体の走査前の待機状態において走査ヘッドに対向する位置に色バランス補正、例えばシェーディング補正用のシートを設け、このシートと被検査体の搭載面との間に、その被検査体が通過するために必要十分なクリアランスを設けたことを特徴とする。シェーディング補正用シートの一例は基準白色板である。一次元センサはＣＣＤセンサ、その他任意の画像取得センサである。この装置によると、シートを利用することにより色バランス補正を行うことができるとともに、このシートは被検査体の通過を妨げない。したがって、被検査体と装置本体が相対移動する検査にも好都合である。
【００１２】
被検査体の走査に先立って色バランス補正を実施するときシートが搭載面により近い位置に移動し、被検査体の走査が始まるときにはクリアランスを保つ位置に移動するよう、シートの高さ調整機構を設けてもよい。「搭載面により近い位置」の例として、被検査体の画像を結像するレンズの焦点位置であってもよい。この構成によると、被検査体の通過面またはそれに近い位置で色バランス補正を行うことができる。また、シートがクリアランスを保つ位置にあるとき、そのシートによって走査ヘッドの開口部、又は前記走査ヘッドの最も外側の光透過部がふさがれるよう構成してもよい。
【００１３】
この構成によると、走査ヘッド内への塵埃の進入、又は光透過部への塵埃の付着を防ぐ効果が期待できる。後者の場合さらに、光透過部に接触するシートの面に、光透過部を走掃するブラシ様の部材を取り付けてもよく、これにより積極的に塵埃を除去してもよい。
【００１４】
なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明を方法やシステムとして表現したものもまた、本発明の態様として有効である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図４は、実施の形態に係る外観検査装置１０の構成を示す。この装置は、被検査体の検査面をラインセンサで走査して画像を形成し、画像認識によって部品実装状態の合否を判定するものである。ラインセンサによる走査方向と垂直に被検査体を流すことで順次ラインごとの画像がえられる。
【００１６】
図４のごとく、外観検査装置１０は、本装置全体を統括的に制御するメインユニット１２と、試験ユニット１４を備える。試験ユニット１４の下部にはコンベア２２が設けられ、被検査体である基板１が把持された状態で、例えば、他の工程から一定の速度で流れてくるようになっている。試験ユニット１４の上部には、走査ヘッド１６と、それを駆動するモータ２０と、走査ヘッド１６を支持するリニアガイド等のガイド１８が設けられている。図中において、位置α１は検査前の待機状態における走査ヘッド１６の位置（以下、待機位置という）を示し、位置α２は検査時における走査ヘッド１６の位置（以下、検査位置という）を示す。
【００１７】
走査ヘッド１６は照明ユニット３０、レンズ３２およびラインセンサ３４を有する。これらの部材はフレーム３６上に固定されている。照明ユニット３０は、後述の落射照明源、側方照明源、ハーフミラーなどを内蔵する。基板１から垂直上方への反射光はハーフミラーで反射してレンズ３２へ導かれ、レンズ３２を通過した後、一次元ＣＣＤセンサであるラインセンサ３４へ入力される。ラインセンサ３４はライン単位に基板１を走査してその画像データを出力する。
【００１８】
試験ユニット１４には、待機位置α1にある走査ヘッド１６と対向する位置にシェーディング補正用の基準白色板であるシート６０が設けられている。シート６０は、シート調整機構６２に接続されている。シート調整機構６２は、シート６０を、コンベア２２に搭載された基板１が通過するために十分なクリアランスを設けた位置（図中β１：以下、シート待機位置という）と、レンズ３２の焦点位置又はその近傍の位置（図中β２：以下、補正位置という）とに移動させる。
【００１９】
メインユニット１２のヘッド制御ユニット４０は、シェーディング補正をするとき、モータ制御信号５２によってモータ２０を制御して走査ヘッド１６を待機位置α１に維持し、シート調整信号５８をシート調整機構６２に出力してシート６０を補正位置β２に移動させる。ヘッド制御ユニット４０は、照明制御信号５０を照明ユニット３０へ出力し、シェーディング補正のための点灯状態を制御する。これにより、シェーディング補正に必要な情報が取得される。すなわち、照明がついているときに得られた画像データをもとに白バランスのための補正値が取得され、照明が消えているときに得られた画像データをもとに黒バランスのための補正値が取得される。
【００２０】
一方、外観検査を行うとき、ヘッド制御ユニット４０はモータ制御信号５２によってモータ２０を制御して走査ヘッド１６を検査位置α２に移動させ、シート調整信号５８をシート調整機構６２に出力してシート６０をシート待機位置β１に移動させる。ヘッド制御ユニット４０は、照明制御信号５０を照明ユニット３０へ出力し、試験の内容に応じて異なる点灯状態を実現する。ヘッド制御ユニット４０はさらに、処理指示信号５６をメモリ制御ユニット４２へ出力する。処理指示信号５６を参照し、メモリ制御ユニット４２はメモリ４４への画像データの書込を制御し、以降、画像データがライン単位で記録されていく。
【００２１】
検査対象物の画像取得が完了した後、解析ユニット４６は、メモリ４４からその画像データを読み出し、先に得られた補正値をもとにシェーディング補正を加味し、判定基準記憶部４８に予め記録された判定基準に照らして検査項目ごとに合否を判断する。
【００２２】
検査項目として、落射試験による部品の位置ずれ、欠品、ハンダのヌレの判定など、および側方試験によるハンダブリッジの有無、実装部品の間違い、極性の反転の判定などがある。例えば、落射試験によるハンダヌレの判定は、部品の電極のまわりに一様に暗い部分が生じれば合格、電極から離れたところに暗い丸が生じれば不合格とすることができる。後者の場合、ハンダが電極に載らず、基板１のランドに低い山状で溶けずに残っている可能性が高い。いずれにしても、判定基準記憶部４８には予め検査すべき基板１の部品実装について、合否に関する判断基準または基準画像が記録され、実際にラインセンサ３４で取得された画像にそれらの基準または画像を適用して合否判定が行われる。
【００２３】
図５は、試験ユニット１４の詳細斜視図、図６は、実施の形態に係る試験ユニット１４を走査方向１１０から見た側面図である。照明ユニット３０は落射照明源１００と側方照明源１０２を有し、これらがハーフミラー１０８を取り囲んでいる。落射照明源１００とハーフミラー１０８にはレンチキュラーシート１０６が間挿され、落射光はレンチキュラーシート１０６、ハーフミラー１０８を通過して、検査時においては、基板１の検査面へ入射角がほぼゼロで投じられる。側方照明源１０２の下にはアクリルシート１０４が設けられる。この実施の形態では落射照明源１００に幅をもたせており、基板１が反ったときでも入射角がゼロになるような落射光成分が存在するよう配慮している。なお、落射照明を用いる試験を落射試験といい、側方照明を用いる試験を側方試験という。
【００２４】
図６のごとく、落射照明源１００は中央からふたつのサブ基板１００ａ、１００ｂに分かれ、それぞれ走査方向１１０に３列のＬＥＤ（発光ダイオード）群１２０をもつ。これらのサブ基板１００ａ、１００ｂは微妙に内側を向け合う形で接続され、それぞれのＬＥＤ群１２０が効率的に検査中のラインへ落射光を投ずる配置とされている。一方、ふたつの側方照明源１０２はそれぞれ４列のＬＥＤ群１２０をもち、落射照明源１００同様、前記ラインへ効率的に側方光を投ずるよう傾斜がつけられている。前記ラインからの反射光はハーフミラー１０８で反射し、レンズ３２へ向けられる。なお、落射照明源１００の中央に近い２列のＬＥＤ群１２０と、それ以外のＬＥＤ群１２０は、それぞれ独立に点灯制御可能なよう、図示しない電源が別系統になっている。
【００２５】
アクリルシート１０４は、側方照明源１０２からの側方光を拡散する。側方照明源１０２は点光源であるＬＥＤの集合体であるため、拡散作用がないと、スポット的な光が画像データへ写り込んで検査精度に悪影響を及ぼす懸念がある。一方、レンチキュラーシート１０６は、走査方向１１０について落射光を基板１に垂直な成分に絞り込むよう作用する。なお、落射光に関する拡散作用はレンチキュラーシート１０６によって実現される。
【００２６】
図５および図６に示すように、シート６０は、シート待機位置β１において、２つのアクリルシート１０４間に形成されている開口部１１２をふさぐ。これにより、開口部１１２から走査ヘッド１６内に進入する塵埃を低減する作用がある。
【００２７】
図７（ａ）、図７（ｂ）はそれぞれ、落射試験、側方試験の際の照明の点灯または消灯状態を示す図である。落射試験の際、落射照明源１００全体が点灯され、落射光１６０が基板１の垂直上方から投じられる。一方、側方試験の際、側方照明源１０２全体を点灯して側方光１６２を投ずると同時に、落射照明源１００の外側のＬＥＤ群１２０を点灯させ、補助光１６４を投じている。
【００２８】
図８は、落射試験と側方試験とをインターリーブして行う処理動作を示すフローチャートである。ここでは、落射光の点灯と側方光および補助光の点灯をインターリーブして行い、基板１が走査ヘッド１６下を通過する間に落射試験用と側方試験用の両方の画像を個別かつ一度に形成する。なお、このために、外観検査装置１０による画像解像度は十分に高く、前記画像をそれぞれ１ラインおきに取得しても十分検査目的に耐えるものとする。
【００２９】
まず、走査ヘッド１６を待機位置α１に位置させ、シート６０を補正位置β２に位置させ、シェーディング補正のための補正値取得処理を行う（Ｓ１０）。まず光を照射しない状態でシート６０の画像データをメモリ４４に書き込み、黒バランスのための補正値を得る。つぎに、落射光のもとシート６０の画像データをメモリ４４に書き込み、また側方光と補助光のもと同様の処理をし、これらをもとに落射試験時と側方試験時における白バランスの補正値を得る。
【００３０】
次いで、走査ヘッド１６を検査位置α２に位置させ、シート６０をシート待機位置β１に位置させる（Ｓ１２）。そして、コンベア２２上を流れてくる基板１が所定の位置にくるまで待機し（Ｓ１４）、基板が所定の位置にきたとき（Ｓ１４のＹ）落射光のもと１ラインの走査が実施され（Ｓ１６）、その画像データがメモリ４４へ書き込まれる（Ｓ１８）。そして、基板のエンド位置であるか否かが判定される（Ｓ２０）。エンド位置でなければ（Ｓ２０のＮ）、側方試験モードへ切替が行われ（Ｓ２２）、側方光と補助光のもと、次の１ラインの走査、メモリ４４への書込（Ｓ１６、Ｓ１８）が行われる。基板の検査すべきエンド位置にくるまでＳ１６からＳ２２の処理は繰り返され、奇数ラインの画像は落射光によって形成される一方、偶数ラインの画像は側方光および補助光によって形成される。
【００３１】
基板１がエンド位置にくれば、処理はＳ２０のＹからＳ２４へ進み、Ｓ２４では、各項目に関する検査が行われる。解析ユニット４６はメモリ４４から落射試験時に得られた画像を読み出し、落射試験に対応するシェーディング補正値を考慮した後、落射試験項目を検査する。つづいて側方試験時に得られた画像を読み出し、側方試験に対応するシェーディング補正値を考慮した後、側方試験項目を検査する。
【００３２】
つづいて、検査処理を終了するか否かが判断され（Ｓ２６）、終了する場合（Ｓ２６のＹ）、走査ヘッド１６を待機位置α１に移動させて一連の処理を終了する。この際、シート６０は、走査ヘッド１６の開口部１１２を覆う。
【００３３】
コンベア２２上を流れてくる後続の基板１に対する検査処理を続ける場合（Ｓ２６のＮ）、所定時間が経過しているか否かを検出し（Ｓ３０）、経過している場合（Ｓ３０のＹ）、ラインセンサ３４に温度ドリフトが発生している等、シェーディング補正を再度行うことが好ましい状況が考えられるので、走査ヘッド１６を待機位置α１に移動させてシェーディング補正用のデータ取得処理（Ｓ１０）を実行し、Ｓ１２以降の処理を行う。一方、所定時間経過していない場合（Ｓ３０のＮ）には新たなシェーディング補正用のデータ取得処理が必要ないとして、Ｓ１４からＳ２４の処理を行う。ただし、当然ながらすべての基板についてシェーディング補正用のデータを取得してもよい。
【００３４】
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、その各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
【００３５】
実施の形態では、白黒画像についてのシェーディング補正を行うようにしていたが、本発明はこれに限られず、カラー画像のシェーディング補正を行うようにしてもよい。また、シェーディング補正にかぎらず、任意の手法の色バランス補正をしてもよい。色バランス補正は、光学系の機構的な調整でもよいし、画像処理系の信号補正であってもよいし、その他、結果的に色の調整ができるものであれば、任意であってよい。
【００３６】
また、上記実施形態では、走査ヘッド１６が開口部１１２を有する構成であったために、待機位置において、シート６０により開口部１１２をふさいだが、例えば、走査ヘッド１６が最も外側をガラス等の光透過部で囲った構成である場合、この光透過部にシート６０を当接してもよい。
【００３７】
実施の形態では、検査を行う際に、メモリ４４に格納した基板１の画像データに対してシェーディング補正を加味し、その画像データを利用して検査を行うようにしていたが、本発明はこれに限られず、ラインセンサ３４から取得された基板１の画像データに対してシェーディング補正を行った後、メモリ４４に格納するようにしてもよい。
【００３８】
実施の形態では、被検査体として基板１を考えたが、外観検査装置１０の適用はそれには限られない。例えば、ＢＧＡ（Ball Grid Array）タイプのＬＳＩのピンの検査をはじめ、落射試験と側方試験の組合せに意味のある検査に広く適用できる。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、外観検査の効率または精度を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 被検査体の例である基板の外観図である。
【図２】 図２（ａ）、図２（ｂ）はそれぞれ、側方試験における側方光、落射試験における落射光およびそれらの反射光の方向を示す図である。
【図３】 図３（ａ）、図３（ｂ）はそれぞれ、側方試験、落射試験において得られる画像の例を示す図である。
【図４】 実施の形態に係る外観検査装置の全体構成図である。
【図５】 実施の形態に係る試験ユニットの詳細斜視図である。
【図６】 実施の形態に係る試験ユニットの側面図である。
【図７】 図７（ａ）、図７（ｂ）はそれぞれ、落射試験、側方試験の際の照明の点灯または消灯状態を示す図である。
【図８】 落射試験と側方試験とをインタリーブして行う処理動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ 基板、 １０ 外観検査装置、 １２ メインユニット、 １４ 試験ユニット、 １６ 走査ヘッド、 ４０ ヘッド制御ユニット、 ４４ メモリ、４６ 解析ユニット、 ６０ シート 、 ６２ シート調整機構 、 １００ 落射照明源、 １０２ 側方照明源、 １１０ 走査方向、 １１２ 開口部。

Claims (3)

1. 部品が搭載される基板を一次元センサにより走査し、前記基板の画像データを取得する走査ヘッドを備え、前記取得された画像データに基づき前記部品の実装状態を検査する外観検査装置において、
   前記走査ヘッドを、前記基板の画像データを取得する検査位置と、前記一次元センサのシェーディング補正を実施する待機位置と、に移動させる駆動機構と、
   前記待機位置の前記走査ヘッドに対向する位置に設けられるシェーディング補正用のシートと、
   前記シートを、前記基板が通過する通過面に配置させる補正位置と、前記基板が通過する通過面から離隔させるシート待機位置と、に移動させるシート調整機構とをさらに備え、
   前記一次元センサのシェーディング補正を実施する際に、前記走査ヘッドが待機位置に移動するとともに前記シートが前記補正位置に移動し、前記シェーディング補正値を取得し、かつ、
   前記基板の画像データを取得する際に、前記走査ヘッドが検査位置に移動するとともに前記シートがシート待機位置に移動し、前記取得されたシェーディング補正値に基づき前記基板の画像データを補正し、前記補正された画像データによって前記部品の実装状態を検査することを特徴とする外観検査装置。
2. 前記シート調整機構は、前記シートを前記補正位置に移動させる際に、前記基板の反射光を前記一次元センサに結像させるレンズの焦点を含む平面上に前記シートを移動させることを特徴とする請求項１に記載の外観検査装置。
3. 前記基板毎に前記シェーディング補正値を取得し、前記取得されたシェーディング補正値に基づき前記基板毎の画像データを補正することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の外観検査装置。

Images