JP2004226129A - 外観検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】多機種少量生産型の基板製造において、細かな修正を加えるたびに生産ライン上の検査設定全体を変更するのは煩雑であった。
【解決手段】外観検査装置１０は、主にメインユニット１２と試験ユニット１４とから構成される。操作者は、試験ユニット１４が備える支持台２２の上に被検査体である基板１をマニュアルでセットする。支持台２２はレール２３ａ、ｂ上に載置されるとともに、そのレール２３ａ、ｂ上を滑動して走査ユニット１６の下方を一定速度で通過する。この一回の運動の間に、走査ユニット１６は照明状態を切り替えて基板１の二種類の外観画像を取得する。
【選択図】 図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、外観検査装置に関する。この発明は特に、プリント基板などの被検査体に搭載される電子部品の状態を検査する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、情報化社会の急激な発展とともに、パーソナルコンピュータや携帯電話が爆発的に普及してきている。普及の背景には、単にこれらの製品価格が低下してきたこと以外に、多様化したデザインとこれを実現するための機器のコンパクト化が進んだことも重要な要素のひとつとして挙げられる。電子機器のコンパクト化は機器の携帯性に対する影響も大きく、電子部品の高集積化の開発競争に一層拍車をかけている。
【０００３】
電子部品の高密度設計を支えるためには、部品の実装技術そのものだけでなく、その実装状態を検査する技術の実現が欠かせない。こうした技術のひとつとして、従来は、部品実装後のプリント基板（以下、単に「基板」という。）の外観検査に、接触型の試験を行うＩＣＴ（Ｉｎ−Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｔｅｓｔｅｒ）などが用いられたが、たとえばＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）やＣＳＰ（Ｃｈｉｐ Ｓｉｚｅ Ｐａｃｋａｇｅ， Ｃｈｉｐ Ｓｃａｌｅ Ｐａｃｋａｇｅ）といった技術が登場したように実装方法の変化と高密度化が一層進んだ結果、接触型の検査装置による対応が困難になりつつある。したがって、非接触型、特に画像認識技術を用いた外観検査装置の需要が伸びてきている。
【０００４】
近年の基板製造は多機種少量生産という形態が多くなったため、これらの基板を検査する装置の設定も頻繁に変更され得る。しかしながら、少量生産ゆえにわざわざ全体的な検査設定を変えるまでもない場合がある。また、たとえば手作業によるハンダ付けなどの微修正をオフラインで行った場合に、再びわざわざ検査ラインに載せることなくすぐ簡単に検査できる方が効率的である。特許文献１には、基板を把持する支持台が往復運動する間に基板上を走査して二種類の外観画像を取得する卓上据え置き型の外観検査装置が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−１８１７３０号公報 （全文、第１−７図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このような卓上据え置き型の外観検査装置において、手付け部品のハンダ付け後の基板を検査する場合、基板の大きさや高さがまちまちであるため、基板を支持台に固定するのが難しく、往復運動の折り返し点で停止して運動方向を変えるときに発生する振動により基板の位置がずれ、撮像される二種類の画像に位置ずれによる誤差が発生する恐れがあった。一方で、基板をネジ留めなどにより支持台にしっかりと固定させることもできるが、それは作業者にとって手間がかかり、オフラインで簡便に手付け後の基板を検査したいというニーズに応えることができない。
【０００７】
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、個別の状況に応じた柔軟な検査を容易かつ高い精度で行うことのできる基板検査技術の提供にある。
【０００８】
【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、三次元形状を有する被検査体の外観を検査するものであって、被検査体を走査する走査ユニットと、被検査体を把持する支持台とを含み、走査ユニットおよび支持台の相対運動によって走査ユニットのセンサが被検査体の上面を一定速度で一回走査し、その相対運動の始点は走査ユニットから離れた待機位置に設定され、その待機位置にて被検査体と走査ユニットとのクリアランスが確保されて被検査体の着脱が自在となるように走査ユニットおよび支持台の位置決めがなされている。
【０００９】
ここでいう「被検査体」は、主に各種電子部品を搭載した基板を示す。外観検査には、部品の位置ずれ検出などの検査が含まれる。
【００１０】
この装置によれば、支持台もしくは走査ユニットが被検査体の上面を一回だけ移動する間に所定の外観検査がなされるので、たとえば作業者がマニュアルで支持台に基板を載置して試験ユニットに収納／取出を繰り返しながら次々に検査することができる。したがって、生産ライン上の基板を次々に検査するのとは異なり、基板ひとつひとつに対して柔軟に対応する個別検査を簡単な操作で実現できる。
【００１１】
また、前記走査ユニットは、被検査体の検査面に垂直上方から投光する落射照明源と、被検査体の検査面に斜め方向から投光する側方照明源とを含み、前記相対運動の際に、前記落射照明源と前記側方照明源を交互に切り替えて点灯することを繰り返し、それぞれの照明状態における二種類の外観検査用画像を取得してもよい。これにより、走査ユニットのセンサが被検査体の上面を一定速度で走査する間に、落射光による画像と側方光による画像の両方を一度に取得することができる。いったん検査面の走査がスタートすると、停止することがないため、被検査体が振動する恐れがなく、振動による誤差がほとんど発生しない。また、二種類の画像を取得するために、二回に分けて走査したり、支持台を往復運動させたりする必要がなく、一回の走査で二種類の画像を同時に取得することができるため、二種類の画像間の位置ずれを最小にすることができる。さらに、一回のみの走査で検査ができるため、検査速度を短縮することができる。
【００１２】
前記支持台は、前記被検査体を収容するための取り外しが可能な治具を含み、前記治具には前記被検査体に合わせた嵌め込み部が設けられてもよい。走査ユニットが被検査体の上面を一定速度で走査し、画像取得時に振動が生じない構成であるため、治具の嵌め込み部と被検査体の間には遊びがあってもよい。またこの嵌め込み部には、前記被検査体を仮留めするための固定具が設けられてもよい。
【００１３】
なお、以上の構成要素の任意の組合せや、本発明の構成要素や表現を方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本実施形態の外観検査装置は、基板を載置した支持台がレール上を滑動する間に基板上を走査することによって画像を取得する卓上据え置き型の試験ユニットを備える。この装置は、生産ライン上に設置して次々に基板を検査していく方式と異なり、マニュアルでセットした基板をひとつひとつ検査するのが主な使用方法である。また、基板の一回の移動の間に二種類の画像が得られるので、検査時間を短縮することができる。
【００１５】
本実施形態においては、ラインセンサによる撮像ラインに対して垂直に支持台を駆動させることで順次ラインごとの画像が得られ、検査面の一次元運動で検査が完了する。外観検査装置の別のタイプとして、検査面を二次元的に移動させて停止し、これを繰り返して次々にスポット撮影をするものもあるが、その場合、一般に機構系が複雑になり、検査時間も長い場合が多い。その点で、本実施形態のように一次元センサを用いる方が有利である。本出願人は先に、特開平８−２５４５００号公報において、このような一次元センサを用い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他に落射照明源を設け、試験項目に応じてこれらの切り替えを行っている。その趣旨は以下の通りである。
【００１６】
いま、図１の基板１を被検査体とする。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、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。
【００１７】
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。
【００１８】
図４は、外観検査装置の検査前の状態を例示する。本装置１０は、主に卓上据え置き型の試験ユニット１４およびメインユニット１２で構成される。試験ユニット１４は、被検査体である基板１の上面を走査する走査ユニット１６と、その基板１を把持する支持台２２とを含む。
【００１９】
支持台２２は、レール２３ａ、ｂ上に滑動自在に載置される。支持台２２は、レール２３ａ、ｂ上を滑動することによって、試験ユニット１４内の走査ユニット１６下方を通過する。本図に示される支持台２２は、この運動の始点に位置する状態である。この位置は、走査ユニット１６から離れた待機位置として設定される。この待機位置にて基板１と走査ユニット１６とのクリアランスが確保されるので、操作者による基板１の着脱作業が可能である。
【００２０】
図５は、外観検査装置の検査中の状態を例示する。本図は、支持台２２が試験ユニット１４の内部に収まる方向で駆動するとともに、走査ユニット１６の下方を通過している状態を示している。
【００２１】
なお、本実施形態においては、支持台２２が運動することによって走査ユニット１６のセンサが基板１の上面を走査する構成としているが、これを走査ユニット１６側の機構が運動することによって走査がなされる構成であってもよい。または、支持台２２がいったん試験ユニット１４の内部に収まった後で、走査ユニット１６が駆動して走査する構成であってもよい。いずれにしても、走査ユニット１６および支持台２２が相対運動することにより走査が実現されていればよい。
【００２２】
図６は、外観検査装置の構成を示す。外観検査装置１０は、メインユニット１２および試験ユニット１４を備える。試験ユニット１４の下部には支持台２２が設けられ、被検査体である基板１が把持されている。支持台２２の端部近傍には、それを駆動するステッピングモータ２０が設けられている。支持台２２は、レール２３上に載置されている。試験ユニット１４の上部には、走査ユニット１６が設けられている。
【００２３】
走査ユニット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、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５４を出力する。
【００２４】
メインユニット１２は、本装置全体を統括的に制御するもので、ハードウェア的には、任意のコンピュータのＣＰＵ、メモリ、その他のＬＳＩで実現でき、ソフトウェア的にはメモリにロードされた外観検査機能のあるプログラムなどによって実現されるが、ここではそれらの連携によって実現される機能ブロックを描いている。したがって、これらの機能ブロックがハードウェアのみ、ソフトウェアのみ、またはそれらの組合せによっていろいろなかたちで実現できることは、当業者には理解されるところである。
【００２５】
メインユニット１２のヘッド制御ユニット４０はまず、照明制御クロック５０を照明ユニット３０へ供給し、１ライン毎に落射照明と側方照明を交互に切り替えて点灯させる。ヘッド制御ユニット４０はさらに、モータ制御信号５２をステッピングモータ２０へ、試験開始信号５６をメモリ制御ユニット４２へそれぞれ出力する。モータ制御信号５２によってステッピングモータ２０のステップ制御がなされ、検査の開始に際し、基板１の端部が走査ユニット１６の下方へ位置するように支持台２２を移動させる。以降、１ライン撮像するたびにモータ制御信号５２によって支持台２２が１ライン分進行する。一方、試験開始信号５６を参照し、メモリ制御ユニット４２はメモリ４４へ画像データ５４の書込を制御し、以降、画像データ５４がライン単位で記録されていく。画像データ５４は、落射照明によるものと側方照明によるものとが１ライン毎にインターリーブされて入力され、全ラインの撮像が終わると、メモリ４４内には、落射照明による外観検査用画像と、側方照明による外観検査用画像が個別に形成される。
【００２６】
解析ユニット４６は、走査と並行して、または走査完了後にメモリ４４から画像データ５４を読み出し、判定基準記憶部４８にあらかじ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。検査項目として、部品の位置ずれ、欠品、ハンダのヌレの判定、ハンダブリッジの有無、搭載部品の間違い、極性の反転の判定などがある。たとえば、落射試験によるハンダヌレの判定は、部品の電極の周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に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にはあらかじめ検査すべき基板１の部品搭載について、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。
【００２７】
図７は、基板１を収容するための取り外し可能な治具１００を示す。手付け部品をハンダ付けした後の基板１は、形状、サイズ、高さがまちまちであり、支持台２２に基板１を設置するための統一された固定具を用意することはできない。そこで、手付け後の基板１をそのまま収容できる治具１００を基板１に合わせてあらかじめ用意する。治具１００には、基板１の形状、サイズ、高さに合わせて、嵌め込み部１０２が設けられており、操作者は、基板１をこの嵌め込み部１０２に嵌め込んだ上で、治具１００を支持台２２に設置する。
【００２８】
ここで、基板１を治具１００に嵌め込む際の作業性や、手付け部品の位置のばらつきを考慮して、基板１と治具１００の嵌め込み部１０２の間には余裕を設けているため、検査搬送時に揺れが生じると、一般には正確な外観画像を取得することができなくなる恐れがある。特に、検査面をＸＹ方向に走査して基板１をスポット撮影するタイプの外観検査装置では、搬送時に移動と停止を繰り返すため、加減速による揺れが大きく、治具１００に嵌め込まれた基板１が振動し、外観画像を正確に撮影できなくなる。しかしながら、本実施の形態では、走査ユニット１６が基板１の上面をスタート位置から一定速度で走査し、途中で停止することがないため、外観画像の取得時に振動が生じない構造である。したがって、本実施の形態では、治具１００が基板１をそれほど強固に把持する必要はなく、治具１００の嵌め込み部１０２と基板１の間に遊びがあってもよく、治具１００に基板１が嵌め込まれた状態で支持台２２に設置すれば、走査ユニット１６の下を静かに滑動することで、基板１の正確な外観画像を取得することが可能である。
【００２９】
図８は、治具１００に嵌め込まれた基板１を仮留めした状態を示す。治具１００には、走査のスタート時に基板１が治具１００の嵌め込み部１０２から外れたり、動いたりしないように仮留めするためのピン１０４などの固定具が設けられる。同図に示すように、手付け後の基板１の隅には、ネジ留め用の穴１０６が設けられているのが一般的である。治具１００の嵌め込み部１０２にピン１０４を設け、このネジ留め用の穴１０６に下側からピン１０４を通すことで、基板１を簡単に仮留めすることができる。
【００３０】
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、それら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。以下、変形例を挙げる。
【００３１】
本実施形態においては、外観検査装置１０を基板生産ラインから外れた場所に設置する場合を主に説明したが、これを生産ラインに組み込み、一部の製品を検査する場合に適用してもよい。走査ユニット１６が基板１上を一回だけ走査することにより二種類の画像を取得し、外観検査を行うことができるため、生産ラインへの外観検査装置１０の組込みにも有利である。例えば走査ヘッド１６の側を固定式にして基板１の支持台２２をコンベアにすることにより、生産ラインを流れる基板１をそのまま検査することができる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、製造状況に応じてより柔軟性の高い方法で簡単に基板を検査することができる。
【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】（ａ）、（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】（ａ）、（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】外観検査装置の検査前の状態における外観を示す図である。
【図５】外観検査装置の検査中の状態における外観を示す図である。
【図６】実施の形態に係る外観検査装置の構成を示す機能ブロック図である。
【図７】基板を収容するための取り外し可能な治具を示す図である。
【図８】図７の治具に嵌め込まれた基板を仮留めした状態を示す図である。
【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 走査ユニット、 ２０ ステッピングモータ、 ２２ 支持台、 ２３ レール、 ３０ 照明ユニット、 ３４ ラインセンサ、 １００ 治具、 １０２ 嵌め込み部。

Claims (4)

1. 三次元形状を有する被検査体の外観を検査する装置であって、
   前記被検査体を走査する走査ユニットと、
   前記被検査体を把持する支持台とを含み、
   前記走査ユニットおよび前記支持台の相対運動によって前記走査ユニットのセンサが前記被検査体の上面を一定速度で一回走査し、
   前記相対運動の始点は前記走査ユニットから離れた待機位置に設定され、
   前記待機位置にて前記被検査体と前記走査ユニットとのクリアランスが確保されて前記被検査体の着脱が自在となるように前記走査ユニットおよび前記支持台の位置決めがなされていることを特徴とする外観検査装置。
2. 前記走査ユニットは、前記被検査体の検査面に垂直上方から投光する落射照明源と、前記被検査体の検査面に斜め方向から投光する側方照明源とを含み、前記相対運動の際に、前記落射照明源と前記側方照明源を交互に切り替えて点灯することを繰り返し、それぞれの照明状態における二種類の外観検査用画像を取得することを特徴とする請求項１に記載の外観検査装置。
3. 前記支持台は、前記被検査体を収容するための取り外しが可能な治具を含み、前記治具には前記被検査体に合わせた嵌め込み部が設けられたことを特徴とする請求項１または２に記載の外観検査装置。
4. 前記嵌め込み部には前記被検査体を仮留めするための固定具が設けられたことを特徴とする請求項３に記載の外観検査装置。

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