JPH07134011A - 実装済みプリント基板の検査方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 微小ビーム光で実装済みプリント基板上を走
査し、その反射光を複数のＰＳＤで受光して基板の表面
形状を検査する実装済みプリント基板の検査方法に関
し、反射光の反射方向を求めることにより、形状検査を
精度よく行う。 【構成】 光源１より微小ビーム光を発生し、ポリゴン
ミラー３により、実装済みプリント基板６上を略垂直に
走査する。照射位置からの反射光をＰＳＤ１９、２０、
２１、２２で受光する。ＰＳＤ１９、２０、２１、２２
の輝度出力値から、反射光の輝度重心位置ベクトルを算
出し、半田面の傾斜方向を求める。２重反射が生じてい
る場合は、傾斜方向を補正して、半田の形状検査を行
う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、細く絞った微小ビーム
光を実装済みプリント基板に照射し、その反射光を複数
の方向から受光することで、実装部品の半田不良などを
検査せんとする実装済みプリント基板の検査方法に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、実装済みプリント基板の部品の位
置ずれ、欠品、半田不良等の検査には三角測量の原理を
用いて、細く絞ったビーム光を実装済みプリント基板に
照射し、その反射光を検出して検査する非接触方式が用
いられている。これは微小ビーム光をポリゴンミラーで
偏向して基板上を走査し、微小ビーム光の照射位置から
の反射光を互いに異なる位置に配置した複数の光電変換
素子にて受光して、表面形状を検査するものである。

【０００３】具体的には、光電変換素子としてＰＳＤ
（半導体位置検出素子）を用い、微小ビーム光照射位置
の高さに応じたＰＳＤの受光位置から、基板表面の高さ
を求めることにより、実装部品の位置ずれ、欠品、半田
不良を検査するものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の検査方法に
おいては、複数のＰＳＤの出力から基板表面の正確な高
さを求めることができない場合に、照射する微小ビーム
光軸に沿った垂直方向への反射光の光量、すなわち輝度
を参照し、この輝度の大きさから基板表面の傾きの度合
を求め、平面と傾斜面とを区別することにより基板の検
査を行っている。

【０００５】しかしながら検査の内容によっては、上述
のように基板表面の傾斜の度合を求めただけでは、正確
な検査ができない場合がある。例えば半田の良、不良を
検査する場合には、半田面が傾斜していれば良好として
いるのであるが、半田不良の場合であっても同様に半田
面が傾斜していることがあるため、誤った検査がされて
しまう。

【０００６】そこで本発明は、基板表面が傾斜している
かどうかだけでなく、傾斜の方向を検出することによ
り、上述のような誤った検査をなくすことを目的とする
ものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の実装済みプリント基板の検査方法は、実装
済みプリント基板上を微小ビーム光により走査し、前記
微小ビーム光の照射位置からの反射光を互いに異なる複
数の光電変換素子で受光して、前記実装済みプリント基
板の表面形状を取得する実装済みプリント基板検査装置
において、前記複数の光電変換素子で受光した光量をも
とに、前記反射光の輝度の重心位置を求めることによ
り、前記反射光の反射方向を検出することを特徴とする
ものである。

【０００８】

【作用】上記方法によれば、反射光の反射方向を求め、
計測点の傾斜方向を検出するようにしたので、傾斜した
半田面などのＰＳＤで正確な基板表面の高さを求めるこ
とができないときでも、半田形状検査を行うことができ
るものである。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の実装済みプリント基板の検査
方法の実施例について図面を参照しながら説明する。本
発明が適用される実装済みプリント基板の検査装置とし
ては図１に示すものがある。

【００１０】図１において、１は実装済みプリント基板
６上に照射する微小ビーム光を発生するための光源であ
る。２は光源１からの微小ビーム光を集光し平行光束に
するためのコリメートレンズ系である。３は前記平行光
束を偏向し、かつ、実装済みプリント基板６からの反射
光を偏向するためのポリゴンミラーである。４はポリゴ
ンミラー３を回転駆動させるポリゴンモーターである。
５はポリゴンミラー３により偏向された前記平行光束を
集光し、実装済みプリント基板６に対して略垂直に照射
するｆθレンズである。６は検査対象の実装済みプリン
ト基板である。

【００１１】７、８、９、１０は実装済みプリント基板
６上の前記微小ビーム光照射位置からの反射光を４方向
から受光し、反射光をそれぞれ、受光ｆθレンズ１１、
１２、１３、１４に導くために、反射光の光路を補正す
る光路補正光学系である。受光ｆθレンズ１１、１２、
１３、１４は、光路補正光学系７、８、９、１０を通過
してきた反射光をポリゴンミラー３に導くためのもので
ある。１５、１６、１７、１８は受光ｆθレンズ１１、
１２、１３、１４を通り、ポリゴンミラー３により偏向
された反射光を集光するためのＰＳＤ（半導体位置検出
素子）用レンズである。１９、２０、２１、２２はＰＳ
Ｄ用レンズ１５、１６、１７、１８により集光された反
射光を受光するＰＳＤであり、受光位置に応じた電気的
出力を発生する。

【００１２】２３は実装済みプリント基板６上の前記微
小ビーム光照射位置からの反射光のうち、投光光軸に沿
って、投光ｆθレンズ５、ポリゴンミラー３を通り戻っ
てきた、実装済みプリント基板６に対して垂直方向の反
射光を偏向するトンネルミラーである。２４はトンネル
ミラー２３により偏向された反射光を集光するためのレ
ンズである。２５は前記垂直方向以外からの反射光を遮
断する絞りである。２６は前記垂直方向の反射光を受光
し、受光光量を電気的出力に変換するフォトダイオード
である。

【００１３】２７は実装済みプリント基板６を固定する
ためのテーブルである。２８は回転することによりテー
ブル２７を副走査方向（矢印ｙ方向）に移動させるボー
ルネジである。２９はボールネジ２８を回転させるボー
ルネジモータである。３０はテーブル２７を案内するた
めの案内レールである。

【００１４】以上のように構成された実装済みプリント
基板検査装置についてその動作を説明する。光源１から
発生した微小ビーム光は、コリメートレンズ系２により
平行光束となり、トンネルミラー２３の穴空き部分を通
過後、ポリゴンミラー３に偏向され、投光ｆθレンズ５
により集光され、微小ビーム光照射光軸として実装済み
プリント基板６上に略垂直に照射される。この際、光源
１より発生した微小ビーム光は、ポリゴンモータ４によ
り回転駆動されるポリゴンミラー３の回転にともない、
実装済みプリント基板６上を図中の主走査方向（矢印ｘ
方向）を走査する。そして、実装済みプリント基板６上
の走査位置から拡散する反射光は、光路補正光学系７、
８、９、１０によって、受光ｆθレンズ１１、１２、１
３、１４へと導かれる。

【００１５】光路補正光学系７、８、９、１０は、実装
済みプリント基板６上の照射位置から拡散する反射光の
うち、前記微小ビーム光の走査位置の変化に関わらず、
前記微小ビーム光照射光軸となす角度（以下、倒れ角）
が略一定で、かつ、反射光軸を前記微小ビーム光照射光
軸に対して垂直な平面に投影した時の主走査方向となす
角度（以下、割付角）が略一定の反射光、方向ベクトル
が略一定の反射光を受光する。そして、走査位置の変化
に関わらず、主走査方向（矢印ｘ方向）の位置に対して
微小ビーム光照射光軸と略同位置で受光ｆθレンズ１
１、１２、１３、１４へ略垂直に入射させ、さらに、走
査位置が変化しても、反射光の受光ｆθレンズの副走査
方向（矢印ｙ方向）の入射位置が変化しないように、反
射光を導く。

【００１６】受光ｆθレンズ１３は投光ｆθレンズ５と
同一の形状であるため、反射光は投光の微小ビーム光と
同一の経路をたどりポリゴンミラー３に導かれる。そし
て、ポリゴンミラー３により偏向され、微小ビーム光の
走査位置の変化に関わらず、実装済みプリント基板６上
の前記微小ビーム光照射位置の高さに応じた、ＰＳＤ２
１上の位置に反射光の像が結像される。他の光路補正光
学系７、８、１０も同様であり、それぞれ、光路補正光
学系７、８、１０が受光する反射光は、受光ｆθレンズ
１１、１２、１４及びＰＳＤ用レンズ１５、１６、１８
を通り、ＰＳＤ１９、２０、２２に導かれる。

【００１７】このように実装済みプリント基板６からの
反射光は、微小ビーム光照射位置の高さに応じたＰＳＤ
上の位置に結像されるので、この時のＰＳＤ１９、２
０、２１、２２からの電気的出力を用いて微小ビーム光
の照射位置の高さを求める。これらの４方向に配置され
たＰＳＤ１９、２０、２１、２２により測定されたデー
タに対して、後に述べる選択等の処理を行い、測定対象
物の表面状態に関わらず、正しい高さを計測することが
できる。

【００１８】前記微小ビーム光照射位置より、前記微小
ビーム光照射光軸方向（略垂直方向）へ反射する反射光
は、投光ｆθレンズ５、ポリゴンミラー３、トンネルミ
ラー２３、レンズ２４、絞り２５を介してフォトダイオ
ード２６に導かれる。この際、垂直方向への反射光は、
投光ｆθレンズ５、レンズ２４により集光され、この集
光された反射光をフォトダイオード２６が受光する。ま
た、レンズ２４とフォトダイオード２６の間に設けられ
ている絞り２５により前記微小ビーム光照射光軸方向の
反射光以外の光は遮断される。したがって、前記微小ビ
ーム光照射位置より前記微小ビーム光照射光軸方向へ反
射する反射光の光量のみが正しく計測できる。

【００１９】このように４つのＰＳＤ１９、２０、２
１、２２で１つの計測点に対して４方向より４つの輝度
データ及び高さデータが取得できる。４つの輝度データ
の選択方法としては、４つのデータの平均を求める方法
などがある。高さデータの選択処理方法としては、例え
ば、計測精度を保証できないデータを取り除き、残りの
データの平均を取る方法や、最大レベルのデータと最小
レベルのデータを取り除き、残りのデータの平均を取る
方法などがある。

【００２０】フォトダイオード２６は、実装済みプリン
ト基板６からの垂直方向への反射光を受光するので、半
田面の傾きが緩やかな時や半田がついていない時は、垂
直方向への反射光が多くなるので出力は大きくなり、逆
に半田面の傾きが急な時は、垂直方向への反射光が少な
くなるので出力は小さくなる。そこで４つのＰＳＤによ
り半田面の高さを正しく測定できない場合は、フォトダ
イオード２６の輝度情報を参照することができる。

【００２１】そして、選択処理された高さ及び輝度情報
と、予め基準となる実装済みプリント基板から得られて
記憶されている高さ及び輝度情報を比較して、実装済み
プリント基板の実装状態の良否を検査することができ
る。

【００２２】ところで上述の検査方法で半田検査を行う
場合、半田面が傾斜しているときは、ＰＳＤの検出精度
が悪くなり、正確な半田面の高さが求められない。そこ
でフォトダイオード２６の出力より、半田面が平面であ
るのか、それとも斜面であるのかを区別することで、半
田の良、不良を判断している。しかしながらこのような
検査方法では、良品半田と不良半田の区別がつかないこ
とがある。

【００２３】図２は良品、不良品の判別ができない例を
示している。（ａ）は良品、（ｂ）は不良品を示す図で
あり、３１はＩＣリードを、３２は半田を示している。
（ａ）、（ｂ）ともにＡからＢ、及びＣからＤまでは斜
面、ＢからＣまでは平面である。上述のようにフォトダ
イオード２６により平面、斜面の判断だけにもとづいて
半田の良、不良を区別しようとすると、ＡからＢの間の
斜面では、（ａ）、（ｂ）ともに同じ結果になり区別が
つかない。しかし斜面ＡからＢまでの傾斜方向を求める
ことができると（ａ）と（ｂ）の区別がつくようにな
る。

【００２４】そこで、以下に本発明の実装済みプリント
基板の検査方法が特徴とする、半田面の傾斜方向の求め
方について説明する。図３は図１に示す検査装置のよう
に、微小ビーム光の照射位置から拡散する反射光を、互
いに異なる４つのＰＳＤで受光する装置において、ＰＳ
Ｄの輝度値より反射光の輝度重心位置ベクトルを算出す
る方法を説明するものである。

【００２５】図では、微小ビーム光照射位置（測定点）
を原点ｘｙで示しており、４方向に配置されたＰＳＤ
１，ＰＳＤ２，ＰＳＤ３，ＰＳＤ４と原点ｘｙとの距離
は、それぞれのＰＳＤの輝度を示している。点Ｐは輝度
重心位置、θは割付角、βはＰＳＤ１方向から輝度重心
位置Ｐまでの角度である。ωは主走査方向ｘから輝度重
心位置Ｐまでの角度（輝度重心位置ベクトルの方向）で
あり、このωが測定点ｘｙの主走査方向を基準とした傾
斜方向を表している。

【００２６】ｃｈ１をＰＳＤ１の輝度値、ｃｈ２をＰＳ
Ｄ２の輝度値、ｃｈ３をＰＳＤ３の輝度値、ｃｈ４をＰ
ＳＤ４の輝度値とし、ａをｃｈ１とｃｈ３の合成値、ｂ
をｃｈ２とｃｈ４とすると以下の式が成り立つ。

【００２７】ａ＝ｃｈ１−ｃｈ３ ｂ＝ｃｈ２−ｃｈ４ β＝ａｔａｎ（ｂ／ａ） ω＝θ＋β これよりωを割付角θと輝度値ｃｈ１、ｃｈ２、ｃｈ
３、ｃｈ４で表すと以下のようになる。

【００２８】ω＝θ＋ａｔａｎ｛（ｃｈ２−ｃｈ４）／
（ｃｈ１−ｃｈ３）｝ ここで輝度重心位置ベクトルの大きさをＳとすると次の
式で表すことができる。

【００２９】

【数１】

【００３０】この輝度重心位置ベクトルの大きさＳは傾
斜の程度を表しており、この値があるレベルより小さけ
れば平面と判定する。

【００３１】以上のように、輝度重心位置Ｐのベクトル
を求めることで、測定点の傾斜方向と傾斜の程度を知る
ことができ、図２の（ａ）、（ｂ）が判別でき良好な半
田検査を行うことができる。

【００３２】なお実際に検査を行う場合は、細かい傾斜
方向は必要ないので、例えば、傾斜方向を４方向のみと
し、ωを０゜〜９０゜、９０゜〜１８０゜、１８０゜〜
２７０゜、２７０゜〜３６０゜で４値化すると簡単に検
査が行える。また、回転部品の場合には、この４値化の
しきい値を最も検査精度の良い方向に回転部品ごとに変
えることで、様々な方向に回転している部品（半田）の
検査も、精度よく簡単に行うことができる。

【００３３】また上述の輝度重心位置Ｐを求める数式は
一例であり、輝度値の合成値を次のようにすることもで
きる。

【００３４】 ａ＝（ｃｈ１−ｃｈ３）／（ｃｈ１＋ｃｈ３） ｂ＝（ｃｈ２−ｃｈ４）／（ｃｈ２＋ｃｈ４） ところで、ＰＳＤが測定点、すなわち微小ビーム光照射
位置からの反射光だけでなく、基板上の他の部品を反射
した光、いわゆる２重反射光も受光すると、ＰＳＤ輝度
値が正確ではなくなり、よって輝度重心位置ベクトルを
求めることができなくなる。この場合には２重反射を検
出し、輝度重心位置ベクトルを補正する必要があり、そ
の方法を以下に述べる。

【００３５】まず、２重反射の検出方法について述べ
る。図４は問題となる２重反射の説明図であり、３３、
３４は集光レンズ、３５、３６は半田である。投光の主
光線及び反射光の主光線を矢印付きの一点鎖線で表す。
半田３６がなく２重反射が生じないときは、測定点Ａの
傾斜方向はＰＳＤ３の方向であるため、ＰＳＤ１の輝度
値よりもＰＳＤ３の輝度値の方が大きい。

【００３６】しかし図のように半田３６によって２重反
射が生じると、ＰＳＤ１、ＰＳＤ３ともに、測定点Ａか
らの反射光と２重反射点Ｂからの反射光を受光すること
となり、反射光の主光線がＰＳＤ１の方向に向いている
ため、ＰＳＤ３の輝度値よりもＰＳＤ１の輝度値の方が
大きくなる。

【００３７】図５はＰＳＤが受光する反射光の光量とそ
の位置、いわゆる光量分布を示すものであり、図５
（ａ）はＰＳＤ１の光量分布、図５（ｂ）はＰＳＤ３の
光量分布である。測定点Ａからの反射光の分布を５Ａ、
２重反射点Ｂからの２重反射光の光量分布を５Ｂで表し
ている。５ＣはＰＳＤが検出する位置及び大きさであ
り、５Ａと５Ｂの合成となる。

【００３８】半田面が傾斜している場合、ＰＳＤ上では
反射光が広がって受光されるために正確な基板表面の高
さを検出することはできないのではあるが、２重反射が
生じたときには、図４にも示すように、測定点Ａからの
反射光と２重反射点Ｂからの反射光との光量分布は大き
く異なって検出される。このため５Ｃは、ＰＳＤ１では
本来の測定点５Ａの位置より高さの高い方向にずれて検
出され、ＰＳＤ３では本来の測定点５Ａの位置より高さ
の低い方向にずれて検出される。

【００３９】２重反射が生じているときの４つのＰＳＤ
で検出された５Ｃのばらつきは、２重反射のないときに
比べて大きいので、５Ｃのばらつきを検出することで２
重反射を生じていると判断することができる。具体的に
は、４つのＰＳＤの高さの分散を求め、この分散値があ
る値以上であると２重反射を生じていると判断する方法
や、４つのＰＳＤの高さの最大値と最小値の差がある値
以上であると２重反射を生じていると判断する方法など
がある。

【００４０】そこで、２重反射が検出された場合の輝度
重心位置ベクトル補正方法について述べる。半田面は光
沢面であるため、正反射方向の光量が極端に大きくなり
周辺光の光量は小さくなる。したがって、半田面が傾斜
している方向に一番近いＰＳＤの輝度値が最大で他のＰ
ＳＤの輝度値に比べかなり大きくなり、輝度重心位置は
ＰＳＤ最大輝度値でだいたい決定される。図４に示した
ような２重反射が生じた場合は、本来ならＰＳＤ３の輝
度値が最大となるはずであるが、ＰＳＤ１の輝度値が最
大となり最大輝度値のＰＳＤ方向が１８０゜変化するこ
とになる。以上より本来の傾斜方向は、ωに１８０゜加
えた方向となる。

【００４１】図４に示したもの以外の２重反射の例を図
６に示す。測定点Ａで反射した拡散反射光の一部が半田
面Ｂでさらに反射して、ＰＳＤ１、ＰＳＤ３に入射す
る。ＰＳＤ１、ＰＳＤ３で点Ａからの反射光のみを比べ
ると、ＰＳＤ１とＰＳＤ３の輝度値はほぼ等しくなる
が、半田面Ｂからの反射光を比べると、半田面Ｂの傾き
が急になるほどＰＳＤ３の輝度値が大きくなり、ＰＳＤ
１よりもＰＳＤ３の輝度値の方が大きくなる。このた
め、重心位置ベクトルの大きさを示すＳの値が大きくな
り、点Ａのプリント基板表面も傾斜していると判断され
てしまい、点Ａの部分まで半田があるかのように見え、
半田が大きく認識されてしまう。この問題点を解消する
ために、フォトダイオード２６の出力は半田斜面では小
さくプリント基板面では大きくなるので、輝度重心位置
ベクトルで斜面と判断されても、フォトダイオードの出
力が小さい場合は、輝度重心位置ベクトルを無視して平
面と判定する。

【００４２】以上のように、４方向のＰＳＤの輝度値よ
り輝度重心位置ベクトルを求め、測定点の傾斜方向を判
断し、さらに、２重反射が生じている場合は、これを検
出し、傾斜方向を補正することにより、正確な半田形状
を求めることができる。

【００４３】なお、本発明の実施例においては、４つの
ＰＳＤ輝度値から輝度重心ベクトルを算出し、半田の傾
斜方向を求めたが、部品の回転方向が一定の場合は、４
つのＰＳＤのうち最大輝度値のＰＳＤ方向に半田面が傾
斜していると判断して検査を行っても差し支えなく、こ
の場合も、同様な方法で２重反射を検出し傾斜方向を補
正できる。

【００４４】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、複数の光
電変換素子で受光した反射光の光量をもとに、測定点の
傾斜方向を求めるようにしたので、半田検査を行う場合
に、半田面が傾斜して正確な高さを求めることができな
いときでも、正しく半田の形状検査を行うことができ
る。

【００４５】また、２重反射が生じている場合において
も、測定点の正しい傾斜方向を検出し、半田の形状検査
を精度よく行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が適用される実装済みプリント基板の検
査装置の一構成図

【図２】半田検査の説明図

【図３】本発明の一実施例における輝度重心位置ベクト
ル算出方法の説明図

【図４】２重反射の説明図

【図５】２重反射が生じた場合のＰＳＤの光量分布図

【図６】２重反射の他の説明図

【符号の説明】

１ 光源 ２ コリメートレンズ系 ３ ポリゴンミラー ５ 投光ｆθレンズ ６ 実装済みプリント基板 ７、８、９、１０ 光路補正光学系 １１、１２、１３、１４ 受光ｆθレンズ １５、１６、１７、１８ ＰＳＤ用レンズ １９、２０、２１、２２ ＰＳＤ ２３ トンネルミラー ２４ レンズ ２５ 絞り ２６ フォトダイオード ３１ ＩＣリード ３２、３５、３６ 半田 ３３、３４ 集光レンズ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】実装済みプリント基板上を微小ビーム光に
   より走査し、前記微小ビーム光の照射位置からの反射光
   を互いに異なる複数の光電変換素子で受光して、前記実
   装済みプリント基板の表面形状を取得する実装済みプリ
   ント基板検査装置において、前記複数の光電変換素子で
   受光した光量をもとに、前記反射光の輝度の重心位置を
   求めることにより、前記反射光の反射方向を検出するこ
   とを特徴とする実装済みプリント基板の検査方法。
2. 【請求項２】光電変換素子に半導体位置検出素子を用
   い、各半導体位置検出素子の出力のばらつきを検出する
   ことにより、２重反射を検出することを特徴とする請求
   項１記載の実装済みプリント基板の検査方法。