(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検査体の表面における被検査部位を撮像する撮像手段と、前記被検査部位に光を照射する照明とを備え、前記撮像手段により得られた画像を処理して前記被検査部位の良否を検査する外観検査装置において、
低角度リング照明である第１照明と、前記第１照明よりも前記被検査体から遠い位置にある高角度同軸照明である照射角度の高い第２照明と、前記両照明を前記被検査部位の形状的性質に応じて選択的に切り換える切換手段とを備え、
前記第２照明は、プリズムと、同プリズムの上斜面に配置されるハーフミラーと、同プリズムの垂直面に配置される反射鏡とを備え、前記ハーフミラーを透過する光源からの水平方向の入射光を前記反射鏡で反射して、再び前記ハーフミラー側に戻し、前記反射鏡からの反射光を９０°反射して前記被検査体側に向かわせるとともに、前記被検査体からの反射光を前記撮像手段側に前記プリズム及びハーフミラーを透過させるように構成され、そのハーフミラーは、前記切換手段に接続された駆動手段を介してプリズムの上斜面位置から同プリズムの斜め上方位置へ駆動されることにより前記反射光の経路上から退避可能に設けられ、前記第１照明のみが作動する状態では、同ハーフミラーは退避位置に移動されることを特徴とする外観検査装置。
【請求項２】
請求項１に記載する外観検査装置を用いるとともに、前記第２照明のみを作動させてプリント配線板上にある第２の被検査部位を検査し、前記第１照明のみを作動させて前記プリント配線板上にある前記第２の被検査部位よりも形状が立体的な第１の被検査部位を検査することを特徴とするプリント配線板の外観検査方法。
【請求項３】
前記第１の被検査部位は外部接続用のボールであり、前記第２の被検査部位は前記ボールが接合されるボールパッドであることを特徴とする請求項２に記載のプリント配線板の外観検査方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、撮像手段により得られた被検査体の画像を処理して被検査部位の良否を検査する外観検査装置、及びそれを用いたプリント配線板の外観検査方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体搭載用のプリント配線板の表面に形成されたパッドに多数の導電性ボールを接合してなるパッケージ、いわゆるＢＧＡ（Ball Grid Array）と呼ばれるパッケージがよく知られている。この種のパッケージには高密度化、高機能化、ファイン化、多端子化の要求があり、従ってその外部接続端子である導電性ボールの数も年々増加する傾向にある。ゆえに、パッケージ製造時において導電性ボールの良否を効率良く検査することは、生産性の向上を図るうえで極めて重要な課題であるといえる。そして最近では、従来までの肉眼検査に代わって、画像処理の技術を利用した外観検査が実施されるようになってきている。
【０００３】
このような外観検査を行う外観検査装置は、被検査部位であるはんだボールを撮像するＣＣＤカメラと、プリント配線板に光を照射する低角度リング照明とを備えている。そして、かかる装置では、ＣＣＤカメラにより得られた画像を処理して、はんだボールの形状等の良否を検査することが行われる。より具体的にいうと、例えば、位置ずれ発生の有無、傷や打痕の有無、大きさバラツキの有無等が検査される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来の外観検査装置は、立体的な形状である導電性ボールの検査に対して有効である反面、これとは異なる形状の被検査部位の検査に対しては不向きであった。例えば、平面的な形状であるボールパッドの検査に前記装置をそのまま流用した場合、検査精度が低くなるという欠点があり、装置として汎用性に乏しかった。従って、ボールパッド検査専用の外観検査装置を別途購入しなければならないという問題があった。
【０００５】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、汎用性が高くてしかも検査精度に優れた外観検査装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決すべく本願発明者が鋭意研究を行ったところ、まず当該装置に使用されている照明の形態に着目するとともに、被検査部位の形状的性質が変わるとそれに適した照明も異なるという新たな知見を得た。また、１種類の照明のみでは、被検査部位の形状が大きく異なる場合には十分に対応できないことも併せて知見した。そこで、本願発明者は上記知見に基づいてさらにこれを発展させ、最終的に下記の発明を想到するに到ったのである。
【０００７】
即ち、上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明では、被検査体の表面における被検査部位を撮像する撮像手段と、前記被検査部位に光を照射する照明とを備え、前記撮像手段により得られた画像を処理して前記被検査部位の良否を検査する外観検査装置において、低角度リング照明である第１照明と、前記第１照明よりも前記被検査体から遠い位置にある高角度同軸照明である照射角度の高い第２照明と、前記両照明を前記被検査部位の形状的性質に応じて選択的に切り換える切換手段とを備え、前記第２照明は、プリズムと、同プリズムの上斜面に配置されるハーフミラーと、同プリズムの垂直面に配置される反射鏡とを備え、前記ハーフミラーを透過する光源からの水平方向の入射光を前記反射鏡で反射して、再び前記ハーフミラー側に戻し、前記反射鏡からの反射光を９０°反射して前記被検査体側に向かわせるとともに、前記被検査体からの反射光を前記撮像手段側に前記プリズム及びハーフミラーを透過させるように構成され、そのハーフミラーは、前記切換手段に接続された駆動手段を介してプリズムの上斜面位置から同プリズムの斜め上方位置へ駆動されることにより前記反射光の経路上から退避可能に設けられ、前記第１照明のみが作動する状態では、同ハーフミラーは退避位置に移動されることを特徴とする外観検査装置をその要旨とする。
【００１０】
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載する外観検査装置を用いるとともに、前記第２照明のみを作動させてプリント配線板上にある第２の被検査部位を検査し、前記第１照明のみを作動させて前記プリント配線板上にある前記第２の被検査部位よりも形状が立体的な第１の被検査部位を検査することを特徴とするプリント配線板の外観検査方法をその要旨とする。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、請求項２において、前記第１の被検査部位は外部接続用のボールであり、前記第２の被検査部位は前記ボールが接合されるボールパッドであるとした。
【００１２】
以下、本発明の「作用」について説明する。
請求項１〜３に記載の発明によると、２種類の照明を切換手段によって選択的に切り換えて検査を行うことができる。また、形状が平面的な被検査部位の場合、照明角度の高い照明から光を照射したほうが、撮像手段側に反射される光の量が多くなる。従って、第１照明のみを作動させることにより、形状が立体的な被検査部位（例えば外部接続用のボール等）の良否を精度よく検査することができる。また、第２照明のみを作動させることにより、形状が平面的な別の被検査部位（例えばボールパッド等）の良否を精度よく検査することができる。また、本発明によると、１つの装置で形状的性質の異なる２種の被検査部位を検査することが可能なため、汎用性の高い外観検査装置とすることができる。
【００１３】
また、請求項１に記載の発明によると、ハーフミラーを反射光の経路上から退避させることが可能なため、ハーフミラーの介在による反射光のロスが解消され、明るくて解像度に優れた鮮明な画像を得ることができる。よって、被検査部位が多数かつ微細なものであっても、その良否を容易にかつ極めて高い精度で検査することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した一実施形態の外観検査装置１及びそれを用いたプリント配線板２の外観検査方法を、図１〜図４に基づき詳細に説明する。
【００１５】
図１に示されるように、本実施形態の外観検査装置１は、被検査体であるプリント配線板２の表面にある２種の被検査部位（はんだボール３及びそのはんだボールが接合されるボールパッド４）の良否を自動的に検査するためのものである。即ち、このプリント配線板２は、Ｅ−ＢＧＡタイプのパッケージを構成するものである。この外観検査装置１は、撮像手段としてのＣＣＤカメラ５、第１の照明としての低角度リング照明６、第２の照明としての高角度同軸照明７、制御コンピュータ８、Ｘ−Ｙ−Ｚテーブル９、図示しない支持用フレーム等を備えている。
【００１６】
ＣＣＤカメラ５は、レンズ５ａの側を下方に向けた状態でフレームに支持されている。ＣＣＤカメラ５の光軸はプリント配線板２の垂直方向に対して平行になっている。ＣＣＤカメラ５は制御コンピュータ８に電気的に接続されている。従って、ＣＣＤカメラ５により得られた画像データ信号は、制御コンピュータ８内のＣＰＵ８ａ内に取り込まれ、そこで所定のプログラムに基づいて処理されるようになっている。
【００１７】
Ｘ−Ｙ−Ｚテーブル９はＣＣＤカメラ５の下方に設置されている。このテーブル９上には、被検査体であるプリント配線板２が載置される。そして、このテーブル９を所定方向に適宜動かすことにより、撮像位置の調整や焦点の調整等が行われる。なお、プリント配線板２は、例えばこのとき真空引き等によって前記テーブル９側に固定されていてもよい。もっとも、ＣＣＤカメラ５側を適宜移動させて撮像位置等の調整を行っても構わない。
【００１８】
低角度リング照明６は、リング状の発光体をその内部に持つ照明であって、プリント配線板２の上方かつプリント配線板２に近接した位置となるようにフレームに支持されている。また、低角度リング照明６の中心部は、光が通過可能になっている。この低角度リング照明６は、低角度リング照明６用の駆動手段１０を介して制御コンピュータ８に電気的に接続されている。制御コンピュータ８内には、切換手段の一部を構成する第１スイッチ１１が内蔵されている。具体的には、その第１スイッチ１１を介して駆動手段１０側とＣＰＵ８ａ側とが接続されている。そして、この第１スイッチ１１は、切換手段の一部でもあるＣＰＵ８ａからの信号によりオンオフする。その結果、低角度リング照明６が点灯または消灯するようになっている。
【００１９】
高角度同軸照明７は、低角度リング照明６よりも照射角度の高い照明のことをいう。高角度同軸照明７を構成する光源としてのランプ１２は、同じく高角度同軸照明７を構成する光反射ユニット１３の側方において離間した位置に配設されている。このランプ１２は、高角度同軸照明７用の駆動手段１４を介して制御コンピュータ８に電気的に接続されている。制御コンピュータ８内には、切換手段の一部を構成する第２スイッチ１５が内蔵されている。具体的には、その第２スイッチ１５を介して駆動手段１４側とＣＰＵ８ａ側とが接続されている。そして、この第２スイッチ１５は、ＣＰＵ８ａからの信号によりオンオフする。その結果、ランプ１２が点灯または消灯し、高角度同軸照明７が実質的に作動状態または被作動状態に切り換わるようになっている。
【００２０】
高角度同軸照明７を構成する光反射ユニット１３は、低角度リング照明６よりもプリント配線板２から遠い位置（高い位置）となるようにフレームに支持されている。なお、光反射ユニット１３は、ＣＣＤカメラ５の光軸の軸線上に配置されている。
【００２１】
本実施形態の光反射ユニット１３は、プリズム１６、ハーフミラー１７、反射鏡１８、ハーフミラー退避用のアクチュエータ１９、アクチュエータ駆動手段２０を備えている。プリズム１６はガラス等の光透過性材料からなり、その垂直面には反射鏡１８が設けられている。反射鏡１８は、ハーフミラー１７を透過して水平方向から入射してくるランプ１２の光を反射して、再びハーフミラー１７側に戻す役割を果たしている。ハーフミラー１７は、透過率が約５０％程度の光透過性材料からなる板状部材であって、プリズム１６の上斜面に配置されている。従って、このハーフミラー１７は、水平方向に対して４５°の角度をなしている。ハーフミラー１７は、反射鏡１８からの反射光を９０°反射してプリント配線板２側に向かわせるとともに、プリント配線板２側からの反射光を上方に透過させてＣＣＤカメラ５側に到らせる役割を果たしている。
【００２２】
ハーフミラー１７を支持するハーフミラー退避用のアクチュエータ１９は、アクチュエータ駆動手段２０を介して制御コンピュータ８に電気的に接続されている。従って、ＣＰＵ８ａから制御信号が出力されると、アクチュエータ駆動手段２０を介してアクチュエータ１９が動作する。その結果、ハーフミラー１７が使用位置（即ちプリズム１６の上斜面位置）から退避位置（即ちプリズム１６の斜め上方の位置、反射光の経路上から外れた位置）へと駆動されるようになっている。前記アクチュエータ１９としては、例えば流体圧シリンダ等が使用可能である。この場合において前記アクチュエータ駆動手段２０としては、例えば流体圧シリンダへの駆動流体の給排を行う電磁弁等が使用される。勿論、流体圧を利用した機器に代えて、例えばモータ等のように電気を利用した機器を前記アクチュエータ１９として使用してもよい。
【００２３】
さて、以上のように構成された外観検査装置１を用いてプリント配線板２を検査する方法について説明する。
まず、はんだボール３の良否を検査したい場合について述べる。図１（ｂ）に示されるように、この場合には第１スイッチ１１がオン状態に切り換えられ、第２スイッチ１５がオフ状態に切り換えられる。従って、低角度リング照明６のみが作動状態となり、高角度同軸照明７は非作動状態となる。なお、アクチュエータ１９の駆動によって、ハーフミラー１７は退避位置に移動される。
【００２４】
低角度リング照明６の発した光は、プリント配線板２の表面にて反射された後、プリズム１６を透過してＣＣＤカメラ５のレンズ５ａに到る。その結果、図２（ａ）に示されるような画像が撮影される。
【００２５】
ここで、はんだボール３は光沢のある金属材料（即ちはんだ）からなる反面、その周囲にある基材の部分は光沢のない樹脂材料からなる。このように金属材料のある場所とない場所とでは反射率が相違する。ゆえに、ＣＣＤカメラ５の画像には、プリント配線板２上のはんだボール３の輪郭が環状の明パターンとして現れ、それ以外の箇所が暗パターンとして現れる。従って、この明暗画像の形状に基づいて所定の画像処理を実施することにより、はんだボール３の良否の検査が行われる。図２（ｂ）のグラフは、Ａ線上における反射強度のチャートである。同チャートによると、はんだボール３の輪郭線のある部分において反射強度が特に強くなることがわかる。
【００２６】
次に、ボールパッド４の良否を検査したい場合について述べる。図１（ａ）に示されるように、この場合には第１スイッチ１１がオフ状態に切り換えられ、第２スイッチ１５がオン状態に切り換えられる。従って、高角度同軸照明７のみが作動状態となり、低角度リング照明６は非作動状態となる。なお、ハーフミラー１７は使用位置に戻される。
【００２７】
ランプ１２の発した光は、いったんハーフミラー１７を透過した後、反射鏡１８によって反射される。反射鏡１８からの光は、ハーフミラー１７によって反射され、プリント配線板２側に到る。そして、この光はプリント配線板２の表面にて反射された後、プリズム１６及びハーフミラー１７を透過してＣＣＤカメラ５のレンズ５ａに到る。その結果、図３（ａ）に示されるような画像が撮影される。
【００２８】
ここで、ボールパッド４は光沢のある金属材料（例えば銅、アルミニウム、金等）からなる反面、その周囲にある基材の部分は光沢のない樹脂材料からなる。このように金属材料のある場所とない場所とでは反射率が相違する。ゆえに、ＣＣＤカメラ５の画像には、プリント配線板２上のボールパッド４が円形状の明パターンとして現れ、それ以外の箇所が暗パターンとして現れる。従って、この明暗画像の形状に基づい所定の画像処理を実施することにより、ボールパッド４の良否の検査が行われる。図３（ｂ）のグラフは、Ｂ線上における反射強度のチャートである。同チャートによると、ボールパッド４のある部分において反射強度が特に強くなることがわかる。
【００２９】
ここで本実施形態に対する比較例として、図４に示されるように照明形態の異なる３種の外観検査装置をそれぞれ用意した。比較例１の外観検査装置は、低角度リング照明６のみを備えている（図４（ａ）参照）。比較例２の外観検査装置は、低角度リング照明６及び高角度同軸照明７を備えているものの、両照明６，７を選択的に切り換える切換手段を備えていない（図４（ｂ）参照）。従って、比較例２では両照明６，７をブレンドした光が照射されるようになっている。なお、比較例２は、ハーフミラー退避用のアクチュエータ１９及びアクチュエータ駆動手段２０も備えていない。比較例３の外観検査装置は、低角度リング照明６に加え、高角度リング照明２１及び光拡散板２２を備えている（図４（ｃ）参照）。
【００３０】
そして、これら４種の外観検査装置１を用いて下記のごとく外観検査を行うとともに、得られた結果について比較を行った（図５の表参照）。ここでは、特に不良の起こっていない良品のサンプルを２２個、はんだボール３に位置ずれの起こっているサンプルを７個、はんだボール３に傷が付いているサンプルを７個用意した。そして、画像処理による判定結果（「ＯＫ」または「ＮＧ」）に基づいて、欠陥検出率及び過検査率を算出した。
【００３１】
実施形態では、良品、ボールずれ及びボール傷の欠陥検出率及び過検査率がそれぞれ０％、１００％、１００％であり、検出精度に極めて優れていることがわかった。なお、ボールパッド４の大きさや位置ずれ等の良否検査を同様に行ったところ、これについても特に問題はなく、検出精度に極めて優れていることがわかった。
【００３２】
比較例１においても、良品、ボールずれ及びボール傷の欠陥検出率及び過検査率がそれぞれ０％、１００％、１００％であり、検出精度に極めて優れていることがわかった。しかしながら、ボールパッド４の大きさや位置ずれ等の良否検査を同様に行ったところ、この場合には誤検出率が高くなり、検出精度が低下する傾向が認められた。それゆえ、形状が平面的なボールパッド４の検査には低角度リング照明６は適していないものと結論付けられた。
【００３３】
比較例２では、良品、ボールずれ及びボール傷の欠陥検出率及び過検査率がそれぞれ９％、１００％、７１％であり、実施形態に比べて明らかに検出精度に劣っていた。
【００３４】
比較例３では、良品、ボールずれ及びボール傷の欠陥検出率及び過検査率がそれぞれ３６％、１００％、１００％であり、実施形態に比べて明らかに検出精度に劣っていた。
【００３５】
従って、本実施形態によれば以下のような効果を得ることができる。
（１）本実施形態の外観検査装置１は、第１照明である低角度リング照明６と、それよりも照射角度の高い高角度同軸照明７と、両照明６，７を被検査部位の形状的性質に応じて選択的に切り換える切換手段とを備えている。よって、これら２種類の照明６，７を、前記切換手段によって適宜選択的に切り換えて外観検査を行うことができる。また、形状が平面的なボールパッド４を検査する場合、高角度同軸照明７から光を照射したほうが、ＣＣＤカメラ５側に反射される光の量が多くなる。従って、低角度リング照明６のみを作動させることにより、はんだボール３の良否を精度よく検査することができる。一方、高角度同軸照明７のみを作動させることにより、ボールパッド４の良否を精度よく検査することができる。
【００３６】
また、本実施形態によると、１つの外観検査装置１で形状的性質の異なる２種の被検査部位を検査することが可能となる。このため、汎用性の高い外観検査装置１とすることができる。つまり、外観検査装置１の流用が可能になることにより、パッケージ生産設備に対する投資が少なくて済み、結果的にパッケージの低価格化を図ることができる。
【００３７】
（２）この外観検査装置１における高角度同軸照明７は、ランプ１２からの入射光をプリント配線板２の方向に反射するとともに、プリント配線板２からの反射光をＣＣＤカメラ５側に透過させるハーフミラー１７を備えている。また、そのハーフミラー１７は、ハーフミラー退避用のアクチュエータ１９及びアクチュエータ駆動手段２０によって２位置間を移動することができる。よって、必要に応じて、ハーフミラー１７を反射光の経路上から退避させることができる。このため、ハーフミラー１７の介在による反射光のロスが解消され、明るくて解像度に優れた鮮明な画像を得ることができる。よって、はんだボール３やボールパッド４が多数かつ微細なものであっても、その良否を容易にかつ極めて高い精度で検査することができる。
【００３８】
（３）この外観検査装置１は、低角度リング照明６をオンオフする第１スイッチ１１と、高角度同軸照明７をオンオフする第２スイッチ１５と、それらのスイッチ１１，１５を制御するＣＰＵ８ａとからなる切換手段を備えている。このため、被検査部位の形状的性質に応じた両照明６，７の切り換えを容易にかつ確実に行うことができる。
【００３９】
なお、本発明の実施形態は以下のように変更してもよい。
・  形状が立体的な被検査部位としては、必ずしもはんだボール３に限られず、はんだ以外の導電性金属からなるボール、例えば金ボール等であってもよい。また、ボール状（完全な球状）の端子部ばかりでなく、例えば不完全球状（半球状）の端子部を被検査部位としてもよい。さらには、端子部以外の立体的構造物、例えばマッシュルーム形状のバンプ等や端子ピン等を、被検査部位とすることも可能である。
【００４０】
・  切換手段は、第１スイッチ１１と第２スイッチ１５とＣＰＵ８ａとからなるものに限定されず、例えば両スイッチ１１，１５を一体化した１つのスイッチを用いてもよい。また、制御コンピュータ８内のＣＰＵ８ａによって電気的に切り換えられるスイッチ１１，１５に代え、手動切換用のスイッチを用いて装置１を構成しても構わない。
【００４１】
・  形状が平面的な被検査部位としては、必ずしもボールパッド４に限られず、例えばプリント配線板２の表面に形成された配線パターン等であってもよい。
・  被検査部位は必ずしも光沢を有するもののみに限定されることはなく、交代の少ないものまたは無いものであってもよい。
【００４２】
・  被検査体は実施形態にて示したようなプリント配線板２に限定されることはなく、端子部等を備えるそれ以外の電子部品であってもよい。さらには、電子部品以外のものを被検査体とすることも勿論可能である。
【００４３】
次に、特許請求の範囲に記載された技術的思想のほかに、前述した実施形態によって把握される技術的思想を以下に列挙する。
（１） 請求項１において、前記両被検査部位は、ともに光沢のある金属材料からなること。
【００４４】
（２） 請求項１において、前記両被検査部位は、ともに光沢のある金属材料からなる端子部であること。
（３） 請求項１において、前記切換手段は、前記第１照明をオンオフするための第１スイッチと、前記第２照明をオンオフするための第２スイッチと、それらのスイッチを制御する制御手段と備えること。
【００４５】
（４） 請求項１において、前記ハーフミラーを前記反射光の経路上から退避させるためのハーフミラー退避用のアクチュエータを設けたこと。
【００４６】
【発明の効果】
以上詳述したように、請求項１に記載の発明によれば、汎用性が高くてしかも検査精度に優れた外観検査装置を提供することができる。また、ハーフミラーを反射光の経路上から退避させることが可能なため、ハーフミラーの介在による反射光のロスが解消され、明るくて解像度に優れた鮮明な画像を得ることができる。よって、被検査部位が多数かつ微細なものであっても、その良否を容易にかつ極めて高い精度で検査することができる。
【００４７】
請求項２，３に記載の発明によれば、プリント配線板の外観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】（ａ），（ｂ）は本発明を具体化した一実施形態における外観検査装置の要部を示す概略斜視図。
【図２】（ａ）は実施形態の外観検査装置によるボールの撮像例の図、（ｂ）はそのときの反射強度を示すグラフ。
【図３】（ａ）は実施形態の外観検査装置によるボールパッドの撮像例の図、（ｂ）はそのときの反射強度を示すグラフ。
【図４】（ａ），（ｂ），（ｃ）は、比較例の外観検査装置の要部を示す概略斜視図。
【図５】実施形態及び各比較例の比較結果を示したグラフ。
【符号の説明】
１…外観検査装置、２…被検査体としてのプリント配線板、３…第１の被検査部位としての（はんだ）ボール、４…第２の被検査部位としてのボールパッド、５…撮像手段としてのＣＣＤカメラ、６…第１照明としての低角度リング照明、７…第２照明としての高角度同軸照明、８ａ…切換手段を構成するＣＰＵ、１１…切換手段を構成する第１スイッチ、１５…切換手段を構成する第２スイッチ、１７…ハーフミラー。
【図１】
0004745489.tif 000002
【図２】
0004745489.tif 000003
【図３】
0004745489.tif 000004
【図４】
0004745489.tif 000005
【図５】
0004745489.tif 000006