(57)【要約】      （修正有）【課題】非計測対象物の下方に位置する計測対象物を誤計測することなく、高精度に安定して計測することができる計測方法および計測装置を提供する。【解決手段】基準面１３上に存在する計測対象物の上方に、平面視において計測対象物の一部又は全部を遮る非計測対象物が存在するときに、計測対象物の計測を行う計測方法である。高さ方向に焦点の異なる画像を複数枚撮像し、撮像した画像から、合焦点法により、撮像物の奥行き情報を示す距離画像を生成して基準面１３の高さ位置を推測し、撮像した画像のうち、少なくとも基準面１３から計測対象物の最上部までを含み、かつ、非計測対象物を含まない高さ範囲で焦点が合った画像から、合焦点法により非計測対象物が存在しない計測画像を生成して、前記計測画像に基づいて、計測対象物を計測する。【選択図】図１
2016070795.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基準面上に存在する計測対象物の上方に、平面視において計測対象物の一部又は全部を遮る非計測対象物が存在するときに、前記計測対象物の計測を行う計測方法において、
高さ方向に焦点の異なる画像を複数枚撮像し、
撮像した画像から、合焦点法により、撮像物の奥行き情報を示す距離画像を生成して前記基準面の位置を推測し、
撮像した画像のうち、少なくとも前記基準面から前記計測対象物の最上部までを含み、かつ、前記非計測対象物を含まない高さ範囲で焦点が合った画像から、合焦点法により非計測対象物が存在しない計測画像を生成して、
前記計測画像に基づいて、前記計測対象物を計測することを特徴とする計測方法。
【請求項２】
前記計測画像は、基準面及び計測対象物の奥行き情報を示す距離画像であることを特徴とする請求項１に記載の計測方法。
【請求項３】
前記計測画像は、基準面及び計測対象物に焦点の合った全焦点画像であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の計測方法。
【請求項４】
前記計測対象物は、ワイヤボンディングされた圧着ボール部であり、前記非計測対象物はワイヤ部であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の計測方法。
【請求項５】
前記基準面から前記圧着ボール部の最上部までの圧着ボール高さ、前記圧着ボール部の直径、及び前記圧着ボール部の位置を計測することを特徴とする請求項４に記載の計測方法。
【請求項６】
基準面上に存在する計測対象物の上方に、平面視において計測対象物の一部又は全部を遮る非計測対象物が存在するときに、前記計測対象物の計測を行う計測装置において、
高さ方向に焦点の異なる画像を複数枚撮像する撮像手段と、
撮像した画像から、合焦点法により、撮像物の奥行き情報を示す距離画像を生成する第１画像生成手段と、
前記距離画像に基づいて前記基準面の位置を推測する推測手段と、
撮像した画像のうち、少なくとも前記基準面から前記計測対象物の最上部までを含み、かつ、前記非計測対象物を含まない高さ範囲で焦点が合った画像から、合焦点法により非計測対象物が存在しない計測画像を生成する第２画像生成手段と、
前記計測画像に基づいて、前記計測対象物を計測する計測手段とを備えたことを特徴とする計測装置。
【請求項７】
前記第２画像生成手段は、前記計測画像として、基準面及び計測対象物の奥行き情報を示す距離画像を生成することを特徴とする請求項６に記載の計測装置。
【請求項８】
前記第２画像生成手段は、前記計測画像として、基準面及び計測対象物に焦点の合った全焦点画像を生成することを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の計測装置。
【請求項９】
前記計測対象物は、ワイヤボンディングされた圧着ボール部であり、前記非計測対象物はワイヤ部であることを特徴とする請求項６〜請求項８のいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項１０】
前記計測手段は、前記基準面から前記圧着ボール部の最上部までの高さ、前記圧着ボール部の直径、及び前記圧着ボール部の位置を計測することを特徴とする請求項９に記載の計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、合焦点法によって再構築された奥行き情報に基づいて計測対象物を計測する計測方法および計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば半導体チップとリードフレームとの間にワイヤがボールボンディングされている場合に、圧着ボールのボール直径、ボール位置等を計測する装置がある（特許文献１）。特許文献１のものは、光学的手段の開口径を変化させて、被写界深度を深くしたり、浅くしたりするものである。この装置は、所定の被写界深度に設定した後、光学的手段を上下動させて焦点を半導体チップ表面に合わせて、圧着ボールの計測を行う。この方法は、圧着ボールを二次元的に計測することはできるが、三次元的に計測することはできない。すなわち、圧着ボールの高さまでは計測することができない。
【０００３】
そこで、圧着ボールを三次元的に計測する方法として、合焦点法による方法がある。合焦点法は、撮像系と物体との距離を連続的に変化させて（撮像系をｚ方向にスキャンさせて）焦点の異なる画像を複数枚撮像し、奥行き情報画像（距離画像）と全焦点画像とを生成する。距離画像は、撮像と同時に各画素ごとに最大の合焦度評価値を検出した時点における相対距離情報を記憶し、撮像手段から撮像物体までの距離に応じて輝度により表現された画像である。全焦点画像とは、局所領域ごとに合焦度評価値を取得し、焦点の合っている局所画像を組み合わせて再構成したものが全焦点画像である。これらの画像の元となる画像を撮像する際には、ボンディングされているリードフレーム等の厚みや姿勢のばらつきを考慮して、十分な高さの垂直走査範囲を確保する必要がある。
【０００４】
このようにして作成された距離画像により、撮像した物体の高さ情報を得ることができ、全焦点画像は、全てのピクセルにおいて焦点が合ったものとなる。これら距離画像及び全焦点画像を用いて、通常の２次元画像では為し得ない光学的計測を行うことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第２９８１９４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
合焦点法は、前記したように、上方から撮像した画像に基づいて奥行き情報の再構築を行うものであるため、ワイヤに焦点の合った画像を奥行き情報の再構築に用いてしまう。すなわち、全焦点画像は、図４（ａ）に示すような画像となり、圧着ボール部１１から上空に延びているワイヤ部１２が圧着ボール部１１の観察視界を遮ることになる。この場合、奥行き情報は、図４（ｂ）に示すように、チップ表面１３からワイヤ部１２の上部までの範囲となる。特に、ワイヤ部１２の位置が低い超低ループのものであったり、圧着ボール部１１の直径が小さいケースであったりする場合は、面積的に相当な割合でボール圧着部１１がワイヤ部１２に遮られる。また、多列ボンディングに代表される高密度ボンディングがなされているケースでは、隣接したワイヤループによっても視界を遮られる。
【０００７】
このため、ワイヤ部１２の画像情報が、圧着ボール部１１の計測にとってノイズとなり、圧着ボール高さ、直径、位置等を計測するための有効部位面積が極少となって、圧着ボール部１１の計測が高精度にできない。場合によっては誤計測をし、不正確な情報を出力して不良品流出につながるおそれがある。これを解決するために、複数回の機械的往復動作を繰り返すと、計測に時間を要してしまう。また、機構寿命が縮まるという問題もある。
【０００８】
そこで、本発明は斯かる実情に鑑み、非計測対象物の下方に位置する計測対象物を誤計測することなく、高精度に安定して計測することができる計測方法および計測装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の計測方法は、基準面上に存在する計測対象物の上方に、平面視において計測対象物の一部又は全部を遮る非計測対象物が存在するときに、前記計測対象物の計測を行う計測方法において、高さ方向に焦点の異なる画像を複数枚撮像し、撮像した画像から、合焦点法により、撮像物の奥行き情報を示す距離画像を生成して前記基準面の位置を推測し、撮像した画像のうち、少なくとも前記基準面から前記計測対象物の最上部までを含み、かつ、前記非計測対象物を含まない高さ範囲で焦点が合った画像から、合焦点法により非計測対象物が存在しない計測画像を生成して、前記計測画像に基づいて、前記計測対象物を計測することを特徴とするものである。
【００１０】
本発明の計測方法によれば、高さ方向に焦点の異なる複数の画像から距離画像を作成して、基準面の高さ位置を先に抽出し、基準面からごく僅かな高さ範囲（基準面から計測対象物の最上部までを含み、かつ、非計測対象物を含まない範囲）に限定して、この高さ範囲で焦点の合った画像から計測画像を作成して、再び奥行き情報の再構築を行う。すなわち、非計測対象物に焦点の合った画像を、奥行き情報の再構築に使用することなく排除している。これにより、計測画像は、計測対象物の上方にある非計測対象物の影響を排除した画像となって、計測対象物の抽出を行うことができる。しかも、計測画像を作成する際には、画像を撮像する必要がなく、距離画像を作成する際に使用した画像情報を再利用することができ、僅かな処理時間で計測画像を作成することができる。
【００１１】
前記構成において、前記計測画像は、基準面及び計測対象物の奥行き情報を示す距離画像とすることができる。また、前記計測画像は、基準面及び計測対象物に焦点の合った全焦点画像とすることができる。さらに、計測画像は、距離画像と全焦点画像との両方であってもよい。
【００１２】
前記構成において、前記計測対象物は、ワイヤボンディングされた圧着ボール部であり、前記非計測対象物はワイヤ部とすることができる。これにより、圧着ボール部において、ワイヤ部に遮られた部分を抽出することができ、圧着ボール部の計測を高精度に行うことができる。
【００１３】
前記構成において、前記基準面から前記圧着ボール部の最上部までの高さ、前記圧着ボール部の直径、及び前記圧着ボール部の位置を計測することができる。
【００１４】
本発明の計測装置は、基準面上に存在する計測対象物の上方に、平面視において計測対象物の一部又は全部を遮る非計測対象物が存在するときに、前記計測対象物の計測を行う計測装置において、高さ方向に焦点の異なる画像を複数枚撮像する撮像手段と、撮像した画像から、合焦点法により、撮像物の奥行き情報を示す距離画像を生成する第１画像生成手段と、前記距離画像に基づいて前記基準面の位置を推測する推測手段と、撮像した画像のうち、少なくとも前記基準面から前記計測対象物の最上部までを含み、かつ、前記非計測対象物を含まない高さ範囲で焦点が合った画像から、合焦点法により非計測対象物が存在しない計測画像を生成する第２画像生成手段と、前記計測画像に基づいて、前記計測対象物を計測する計測手段とを備えたものである。
【００１５】
前記構成において、前記第２画像生成手段は、前記計測画像として、基準面及び計測対象物の奥行き情報を示す距離画像を生成するものとできる。また、前記第２画像生成手段は、前記計測画像として、基準面及び計測対象物に焦点の合った全焦点画像を生成するものとできる。
【００１６】
前記構成において、前記計測対象物は、ワイヤボンディングされた圧着ボール部であり、前記非計測対象物はワイヤ部とすることができ、前記計測手段は、前記基準面から前記圧着ボール部の最上部までの高さ、前記圧着ボール部の直径、及び前記圧着ボール部の位置を計測するものとできる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明では、非計測対象物の影響を排除した奥行き情報を取得して、これに基づいて計測対象物の抽出を行うことができるため、非計測対象物の下方に位置する計測対象物を誤計測することなく、高精度に安定して計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の計測装置を示すブロック図である。
【図２】ワイヤがチップ表面にボールボンディングされた状態を示す側面図である。
【図３】（ａ）は本発明の計測装置の第２画像生成手段により生成した第２の全焦点画像であり、（ｂ）は奥行き情報を示す図である。
【図４】（ａ）は本発明の計測装置の第１画像生成手段により生成した第１の全焦点画像であり、（ｂ）は奥行き情報を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態を図１〜図４に基づいて説明する。
【００２０】
本発明の計測装置は、基準面上に存在する計測対象物の上方に、平面視において計測対象物の一部又は全部を遮る非計測対象物が存在するときに、計測対象物の計測を行うものである。本実施形態では、一例としてワイヤがチップに対してボールボンディングされている場合について説明する。この場合、図２に示すように、基準面はチップ表面１３であり、計測対象物は、チップ表面１３に圧着された圧着ボール部１１であり、非計測対象物は、圧着ボール部１１から延びるワイヤ部１２である。本実施形態における計測装置は、圧着ボール高さＨ、圧着ボール部１１の直径Ｄ（図３参照）、及び圧着ボール部１１の位置を計測するものである。
【００２１】
ボールボンディングとは、ワイヤの先端に放電して金属を溶融させてボール（ＦＡＢ）を形成した後、ボールに熱、超音波、圧力をかけてワイヤをボンディングする方法である。例えばリードフレームに接着剤を介してチップが固定されており、このチップ上にワイヤをボンディングする場合、ワイヤの線端のＦＡＢが、キャピラリ内のチャンファに保持されつつキャピラリ先端から突き出た状態とする。キャピラリは、チップ上のボンディング位置へ下降し、ボンディング位置で衝撃荷重が加えられてＦＡＢが変形する。このとき超音波エネルギー、荷重、温度が印加されて、ＦＡＢはチャンファの形状に合わせてさらに変形する。このとき、ボンディング前に圧着ボール高さＨを予め設定しておき、ボンディング後の圧着ボール高さＨが設定高さとなるように、超音波エネルギー、荷重、温度が決定される。
【００２２】
このようにして、図２に示すように、ワイヤ部１２は、チップ表面１３に対して、圧着ボール部１１、さらにチャンファ対応部１４を介してボンディングされる。チャンファ対応部１４は、ＦＡＢのうちボンディング時にチャンファに保持された部分であり、チャンファの内径面に対応した形状となっている。圧着ボール部１１は、ＦＡＢのうちボンディング時にキャピラリ先端から突き出た部分であり、円形に広がっている。圧着ボール部１１の高さは、チップ表面１３から圧着ボール部１１の最上部（つまり、圧着ボール部１１とチャンファ対応部１４との境界）となる。
【００２３】
本発明の計測装置は、図１に示すように、撮像手段１と、第１画像生成手段２と、推測手段３と、第２画像生成手段４と、計測手段５とを備えている。撮像手段１はＣＣＤカメラ等からなる。撮像手段１はｚ方向に（上下方向に）移動することができ、圧着ボール部１１やワイヤ部１２との距離を連続的に変化させて、高さ方向に焦点が異なる画像を取得する。
【００２４】
第１画像生成手段２と、推測手段３と、第２画像生成手段４と、計測手段５とは、図示省略のコンピュータに設けられている。さらに、このコンピュータは、撮像手段１により撮像した画像データを格納するためのメモリ６を備えている。
【００２５】
第１画像生成手段２は、メモリ６に格納されている画像データから、合焦点法により撮像物の奥行き情報を示す距離画像を生成するものである。ここで、距離画像とは、撮像と同時に各画素ごとに最大の合焦度評価値を検出した時点における相対距離情報を記憶し、撮像手段から撮像物体までの距離に応じて輝度により表現された画像であり、撮像物の奥行き情報を示す。また、第１画像生成手段２は、距離画像の生成と併せて、図４（ａ）に示すような全焦点画像を生成することもできる。全焦点画像とは、撮像系と物体との距離を連続的に変化させて（カメラをｚ方向にスキャンさせて）、焦点の異なる画像を複数枚撮像し、局所領域ごとに合焦度評価値を取得し、焦点の合っている局所画像を組み合わせて再構成したものであり、全てのピクセルにおいて焦点が合っている。
【００２６】
推測手段３は、距離画像により取得する奥行き情報に基づいてチップ表面１３の高さ位置を推測するものである。
【００２７】
第２画像生成手段４は、メモリ６に格納されている画像データのうち、一部の画像データから、計測画像を生成するものである。本実施形態では、計測画像は、距離画像及び全焦点画像である。すなわち、第２画像生成手段４は、距離画像及び図３（ａ）に示すような全焦点画像を生成するものである。
【００２８】
計測手段５は、第２画像生成手段により生成した距離画像による奥行き情報、及び全焦点画像に基づいて、チップ表面１３から圧着ボール高さＨ、圧着ボール部１１の直径Ｄ、圧着ボール部１１の位置を計測する。
【００２９】
本発明の計測装置を使用した圧着ボール部１１の計測方法は次のようになる。まず、撮像手段１は、少なくとも計測対象物である圧着ボール部１１が撮像範囲となるように、上方から画像を撮像する。このとき、撮像手段１を上下動させて、図２の範囲Ａのように高さ方向に焦点の異なる画像を複数枚（例えば１００枚）撮像する。範囲Ａは、チップ表面１３よりも低い位置から、ワイヤ部１２の上部よりも僅かに高い位置にまで及んでおり、この範囲Ａの中で１００箇所の焦点の異なる画像が得られる。この複数枚の画像データが、メモリ６に格納される。
【００３０】
次に、第１画像生成手段２は、メモリ６に格納されている画像データから、合焦点法により距離画像を生成して図４（ｂ）に示すような奥行き情報を取得するとともに、図４（ａ）に示すような全焦点画像を生成する。この全焦点画像は、図４（ａ）に示すように、チップ表面１３と、圧着ボール部１１と、ワイヤ部１２との全てにおいて焦点が合っており、圧着ボール部１１の一部は、ワイヤ部１２によって遮られている。また、奥行き情報は、図４（ｂ）に示すように、チップ表面１３から、ワイヤ部１２の上部にまで及ぶ。
【００３１】
推測手段３は、距離画像の奥行き情報に基づいて、基準面となるチップ表面１３を抽出し、チップ１３表面の高さ位置を推測する。
【００３２】
その後、第２画像生成手段４は、メモリ６に格納されている画像データから、ごく僅かな高さ方向範囲（チップ１３表面から圧着ボール部１１の最上部までを含み、かつ、ワイヤ部１２を含まない範囲であり、図２の範囲Ｂ）に限定して、この高さ範囲Ｂで焦点の合った画像から計測画像を作成し、再び奥行き情報の再構築を行う。つまり、チップ表面１３から例えば１０μｍ程度下方位置から、チャンファ対応部１４にかけての範囲Ｂで焦点の合った画像（例えば１０枚）を用いて、合焦点法により距離画像を生成して図３（ｂ）に示すような奥行き情報を取得する。また、第２画像生成手段４は、図３（ａ）に示すような全焦点画像を生成する。本実施形態では、範囲Ｂは、ボンディング前に予め設定した圧着ボール高さの２倍としている。
【００３３】
このようにして生成された全焦点画像は、図３（ａ）に示すように、ワイヤ部１２が存在せず、圧着ボール部１１の外縁の全部が現れている。また、奥行き情報は、図３（ｂ）に示すように、チップ表面１３から、チャンファ対応部１４の一部のみとなる。
【００３４】
このようにして、ワイヤ部１２に焦点の合った画像を、奥行き情報の再構築に使用することなく排除している。これにより、圧着ボール部１１の上方にあるワイヤ部１２の影響を排除した計測画像（距離画像及び全焦点画像）を取得することができて、圧着ボール部１１の抽出を行うことができる。しかも、計測画像を作成する際には、画像を撮像する必要がなく、第１画像生成手段による距離画像を作成する際に使用した画像情報を再利用することができ、僅かな処理時間で計測画像を作成することができる。
【００３５】
計測画像が生成されると、計測手段５は、計測画像（全焦点画像及び奥行き情報）に基づいて、圧着ボール部１１の圧着ボール高さＨ、圧着ボール部１１の直径Ｄ、圧着ボール部１１の位置を計測する。
【００３６】
本発明の計測装置及び計測方法は、ワイヤ部１２の影響を排除した奥行き情報及び全焦点画像を取得することができて、これに基づいて圧着ボール部１１の抽出を行うことができるため、ワイヤ部１２の下方に位置する圧着ボール部１１を誤計測することなく、高精度に安定して計測することができる。
【００３７】
前記実施形態において、第１画像生成手段２は、少なくとも距離画像を生成すればよいものであるため、距離画像のみを生成し、全焦点画像を生成しないものであってもよい。
【００３８】
計測画像としては、前記実施形態では、距離画像と全焦点画像との両方であったが、距離画像のみとしたり、全焦点画像のみとしたりすることができる。すなわち、第２画像生成手段４は、距離画像のみを生成し、全焦点画像を生成しないものとしてもよい。第２画像生成手段４は、少なくとも距離画像を生成することが望ましいが、全焦点画像のみを生成するものであってもよい。
【００３９】
以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明は前記実施形態に限定されることなく種々の変形が可能であって、例えば、計測対象物は圧着ボール部に限られず、非計測対象物もワイヤ部に限られない。計測対象物の上方に、計測対象物を遮る非計測対象物があれば、本発明を適用することができる。この場合、非計測対象物が、計測対象物の一部を遮るものであっても、全部を遮るものであってもよい。計測対象物が圧着ボール部である場合、基準面はチップ表面に限られず、リードフレームや、チップに積層されたパッド等の場合もある。計測画像を生成する際の高さ範囲は、ボンディング前に設定した圧着ボール部の高さの２倍に限られない。撮像手段は、ＣＣＤカメラに限られず、ＣＭＯＳカメラ等種々のものを採用することができる。
【符号の説明】
【００４０】
１     撮像手段
２     第１画像生成手段
３     推測手段
４     第２画像生成手段
５     計測手段
１１   圧着ボール部
１２   ワイヤ部
１３   チップ表面
Ｂ     範囲
Ｄ     直径
Ｈ     圧着ボール高さ
【図１】
2016070795.tif 000003
【図２】
2016070795.tif 000004
【図３】
2016070795.tif 000005
【図４】
2016070795.tif 000006