ＰＧＡ実装基板の半田付け検査装置
【課題】基板上に立設されたピン側面における半田はい上がり高さを直接的に計測して、欠陥を精密に検出評価できるＰＧＡ実装基板の半田付け検査装置を提供する。
【解決手段】PGA実装基板に配置されたピンの半田付け画像を撮像して、取得された画像データをもとにピンの接合状態を評価するPGA実装基板の半田付け検査装置であって、PGA実装基板Ｋが載置される基板載置台11と、基板載置台の長手方向Ａに対して斜め方向に延伸して設けられたカメラ移動台12と、カメラ移動台上に設置しPGA実装基板を斜め上方向から撮像するカメラ撮像部13と、カメラ撮像部をカメラ移動台上でその長手方向に移動させるカメラ撮像部移動手段14と、を備え、PGA実装基板のピンの格子状配列に対し、投影線Ｘにおいて交差するようにカメラ撮像部内に設けたリニアイメージセンサ13aのセンサ列を、カメラ撮像部移動手段によって移動させ、PGA実装基板を斜め上方から撮像するようにした。
【解決手段】PGA実装基板に配置されたピンの半田付け画像を撮像して、取得された画像データをもとにピンの接合状態を評価するPGA実装基板の半田付け検査装置であって、PGA実装基板Ｋが載置される基板載置台11と、基板載置台の長手方向Ａに対して斜め方向に延伸して設けられたカメラ移動台12と、カメラ移動台上に設置しPGA実装基板を斜め上方向から撮像するカメラ撮像部13と、カメラ撮像部をカメラ移動台上でその長手方向に移動させるカメラ撮像部移動手段14と、を備え、PGA実装基板のピンの格子状配列に対し、投影線Ｘにおいて交差するようにカメラ撮像部内に設けたリニアイメージセンサ13aのセンサ列を、カメラ撮像部移動手段によって移動させ、PGA実装基板を斜め上方から撮像するようにした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はＰＧＡ（Pin Grid Array）実装基板に実装されたピンの半田付け状態を判別するためのＰＧＡ実装基板の半田付け検査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＰＧＡ実装基板は、数百から千を超えるピンがリフロー半田付けによりマトリックス状にプリント基板上に接合されて製造されるＩＣチップなどであり、コンピュータなどの電子機器に搭載される。このようなＰＧＡ実装基板の製造においては、実装基板に半田付けされたピンへの半田はい上がり等の欠陥を検査するために光学的検査手法が多く採用されている。
例えば特許文献１（特開平６−５８７２９号公報）では、Ｉ／Ｏピンを有する基板を照明器で照射して撮像装置により多階調画像データが生成される。このデータを２値化してピンの位置検出のためのパターンマッチングや２値化データによる暗部領域の特定が行われ、最終的に半田付け状態の検査が行われるようにした半田付け状態検査装置が開示されている。
また、特許文献２（特開平１１−６７１８号公報）には、表面実装部品の各ピンの半田付け部の長手方向に対して交差する方向に照射する照明装置と、表面実装部品を撮像するカメラから出力されるピン半田付け部の画像の明るさにより、半田付け不良を判別するプリント基板半田不良検査装置が開示されている。ここでは、ワーク直上部に配置した２次元カメラを用いて、プリント基板の画像を撮影して、基板の欠陥が判定されるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平６−５８７２９号公報
【特許文献２】特開平１１−６７１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記従来の基板の検査技術においては、図９に示すように、ワーク真上に配置した２次元カメラを用いて、半田はい上がりによるピンの形態を判定するため、基板上に立設されたピン側面における欠陥の大きさや半田はい上がり部分の高さを直接的に計測することはできず、欠陥を誤認識しやすいという問題点があった。さらに、近年、検査工程における欠陥検査を厳格に行うことが求められ、これに伴ってカメラの分解能を更に高めたり、カメラを多数台設置したりして対応せざるを得ない状況ともなっていてコスト面やメンテナンス面での対応に問題があった。
また、前記特許文献１、２の検査技術のものは、プリント基板に突設されたピンの半田不良部以外の部分にも撮影用の照明光が散乱して画像データからの半田部分の識別が困難で欠陥を誤検知しやすいとともに、その視野中央と周辺では視野角が大きく異なりので、画像のあおりや歪の効果により基板欠陥部分の長さ測定を精密に行うことが困難であるという問題点もあった。
【０００５】
本発明は前記従来の課題を解決するためになされたもので、基板上に立設されたピン側面における欠陥の大きさや半田はい上がり部分の高さを直接的に計測することができ、半田付け工程に伴なって発生する不良や欠陥部分を光学的に精密に検出して、ＰＧＡ実装基板を効率的に評価できるＰＧＡ実装基板の半田付け検査装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（１）本発明のＰＧＡ実装基板の半田付け検査装置は、
ＰＧＡ実装基板に配置されたピンの半田付け画像を撮像して、取得された画像データをもとにピンの接合状態を評価するＰＧＡ実装基板の半田付け検査装置であって、
ＰＧＡ実装基板が載置される基板載置台と、
基板載置台の長手方向に対して斜め方向に延伸して設けられたカメラ移動台と、
カメラ移動台上に設置しＰＧＡ実装基板を斜め上方向から撮像するカメラ撮像部と、
カメラ撮像部をカメラ移動台上でその長手方向に移動させるカメラ撮像部移動手段と、を備え、
ＰＧＡ実装基板のピンの格子状配列に対し、投影線において交差するようにカメラ撮像部内に設けたリニアイメージセンサのセンサ列を、
カメラ撮像部移動手段によって移動させ、ＰＧＡ実装基板を斜め上方から撮像するようにしたことを特徴とする。
【０００７】
（２）本発明のＰＧＡ実装基板の半田付け検査装置は、前記ＰＧＡ実装基板のピンの格子状配列に対し、投影線において交差するようにカメラ撮像部内に設けたリニアイメージセンサのセンサ列の方向を、カメラ移動台に対して直角方向に設置し、基板載置台の長手方向Ａとカメラ移動台の延伸方向Ｂのなす角を交差角度θｓと等しくしたことを特徴とする。
【０００８】
（３）本発明のＰＧＡ実装基板の半田付け検査装置は、前記（２）において、前記交差角度θｓを、前記カメラ撮像部により取得される画像データ上で前記ＰＧＡ実装基板のピン同士が重ならない範囲内に設定したことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、ＰＧＡ実装基板のピンの格子状配列に対し、投影線において交差するようにカメラ撮像部内に設けたリニアイメージセンサのセンサ列を、カメラ撮像部移動手段によって移動させ、ＰＧＡ実装基板を斜め上方から撮像するようにしたので、
ピン側面側を望み隣接するピン列同士が干渉することなく撮像でき、撮像された画像データをもとに、ピン側面の欠陥部分を光学的に精密に検出して、ＰＧＡ実装基板を効率的に評価できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施例に係るＰＧＡ実装基板の半田付け検査装置の概略斜視図である。
【図２】実施例に係るＰＧＡ実装基板の半田付け検査装置を正面から見た正面図である。
【図３】実施例に係るＰＧＡ実装基板の半田付け検査装置を上面から見た平面図である。
【図４】実施例において、交差角度θｓを算出するための説明図である。
【図５】鏡面を有するＰＧＡピン撮像用光源における理想位置の説明図である。
【図６】ＰＧＡピン撮像用照明の原理説明図である。
【図７】実施例において、ＰＧＡピン撮像用照明の構成例の説明図である。
【図８】マクロレンズにより撮像されたピン画像の説明図である。
【図９】従来のＰＧＡ実装基板の半田付け検査方法の概略説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本実施形態のＰＧＡ実装基板の半田付け検査装置を図面を用いて説明する。
本実施形態のＰＧＡ実装基板の半田付け検査装置１０は、ＰＧＡ実装基板Ｋに配置されたピンＰの半田付け画像を撮像して、取得された画像データをもとにピンＰの接合状態を評価する検査装置である。
半田付け検査装置１０は、ＰＧＡ実装基板が載置される基板載置台１１と、基板載置台１１の長手方向Ａに対して斜め方向Ｂに延伸して設けられたカメラ移動台１２と、カメラ移動台１２上に設置しＰＧＡ実装基板を斜め上方向から撮像するカメラ撮像部１３と、カメラ撮像部１３をカメラ移動台１２上でその長手方向（延伸方向Ｂ）に移動させるカメラ撮像部移動手段１４と、を備え、ＰＧＡ実装基板のピンの格子状配列に対し、投影線Ｘにおいて交差するようにカメラ撮像部１３内に設けたリニアイメージセンサのセンサ列である一次元カラーラインセンサーカメラ１３ａを、カメラ撮像部移動手段１４によって移動させ、ＰＧＡ実装基板を斜め上方から撮像するようにした。
これによって、撮像時においてピン同士が干渉する（重なる）ことのないように、ＰＧＡ実装基板のピン側面側の画像を斜め上方向からスキャンして撮像した画像データをもとに、ピン側面の欠陥部分を数値化してピンの接合状態を解析することができる。例えば、このような画像データの解析においては、ＰＧＡ実装基板のピン及びパッドの表面は明るくなり、ピンの側面側にはい上がって付着した半田表面は暗くなる。
さらに、このようにして得られた多階調画像データを固定値で２値化して２値化画像データを得ることによって、かかる２値化画像データをもとに予め設定した欠陥パターンとのパターンマッチングや、色や長さ測定処理のプログラムなどを用いて、ＰＧＡ実装基板における半田付け状態などのピンの接合状態の評価などを正確に行うことができる。
【００１２】
ＰＧＡ実装基板Ｋは、コンピューターチップ、ＣＰＵチップ等を搭載するために縦横格子状（マトリックス状）に数百から千ピンを超えるＰピン（以下ピンという）が高密度配置されたデバイスであって、ＰＧＡ（Pin Grid Array）方式によるリフロー半田付け処理で製造されるが、先ずは、治具によりピンを基板に差し込み、次にこの治具に半田剤を塗布したプラスチック基板をセットし、これをリフロー炉に通すことでＰＧＡ実装基板が製造される。
ＰＧＡ実装基板の半田はい上がりなどの欠陥検査はこの後の工程で実施される。
【００１３】
本実施形態のＰＧＡ実装基板の半田付け検査装置に備えられた基板載置台１１は、例えば、平板状のＰＧＡ実装基板をその上に固定載置する矩形状の基台などで構成される。基板載置台１１上には、ＰＧＡ実装基板の格子状に配列されたピンＰの配列方向が基板載置台の長手方向Ａに対し平行になるように固定載置される。
【００１４】
このようなＰＧＡ実装基板の固定載置にあたって、基板載置台上に基板移動手段１１ａを設けることもできる。基板移動手段１１ａは、基板載置台１１の上に配置されたＰＧＡ実装基板Ｋを移動させるための機構であって、基板載置台に設けられたＸＹ移動テーブルや回転テーブルなどにより構成することができ、基板載置台の上に固定載置されるＰＧＡ実装基板の位置を調整する。
ＸＹ移動テーブルは、このＸＹ移動テーブル上に固定載置されたＰＧＡ実装基板を基板載置台の長手方向（Ａ方向）や長手方向と直角方向に移動させることができる。
回転テーブルは、この回転テーブル上に固定載置されたＰＧＡ実装基板を基板載置台の上で３６０度回転移動させることができ、ＰＧＡ実装基板の格子状に配置されたピンの配列方向を基板載置台の長手方向Ａに対し平行になるように回転移動させることができる。
このような基板移動手段１１ａは、半田付け検査装置の全体動作を制御するコンピュータなどの制御回路を介して実行させることができる。
【００１５】
カメラ移動台１２は、基板載置台１１の長手方向Ａに対して斜め方向Ｂに延伸して設けられている矩形状の基台などで構成される。カメラ移動台１２上には、カメラ支持部１５が立設されており、さらにカメラ支持部１５の上方にカメラ撮像部１３が設置されており、基板載置台１１上のＰＧＡ実装基板を斜め上方向から撮像できるようになっている。
また、カメラ移動台１２は、カメラ支持部１５に設置されているカメラ撮像部１３を、カメラ移動台１２上でその長手方向Ｂに移動させるカメラ撮像部移動手段１４と、を備えている。
カメラ撮像部移動手段１４としては、カメラ移動台１２上に設けられるリニアレールのような１軸ステージが好ましく用いられ、その動作は半田付け検査装置の全体動作を制御するコンピュータなどの制御回路を介して実行させることができる。
【００１６】
カメラ撮像部１３は、鉛直線１６方向とカメラ撮像部１３のレンズ光軸１７方向とのなす角がθａ（カメラ傾斜角）を有するようにして、被写体であるＰＧＡ実装基板Ｋの斜め上方向に設置されている。このようなθａ（カメラ傾斜角）は、ＰＧＡ実装基板を斜め上方向θａ（カメラ傾斜角）の角度から撮像した場合に、ピン同士が重なり合うことなく、またピンの側面及びピン根元部分が視認できる角度範囲である。
カメラ傾斜角θａの角度範囲は、ピンの太さや高さなどのサイズ、隣接するピンの間隔などに応じて、模式図面やコンピュータを用いた数値計算により、シミュレーションをして決定することができる。
コンピュータを用いた数値計算によりカメラ傾斜角θａを決定する場合は、カメラ撮像部１３のレンズ光軸１７方向を鉛直線１６方向に対する角度を任意に設定できるカメラ傾斜角設定手段１８を設け、カメラ支持部１５に固定支持されたカメラ撮像部１３を鉛直線１６方向に対してカメラ駆動部（モータなど）により傾動させるにようにすることができる。
【００１７】
本実施形態においては、カメラ撮像部１３内には、撮像素子としてリニアイメージセンサのセンサ列をＰＧＡ実装基板のピンの格子状配列に対し、投影線Ｘにおいて公差するよう（斜め方向）に設けてある。ここで、投影線Ｘの方向はリニアイメージセンサのセンサ列と同一方向である。
リニアイメージセンサのセンサ列をピンの格子状配列に対し、このように斜め方向に設け、リニアイメージセンサのセンサ列をカメラ撮像部移動手段１４によってカメラ移動台１２の長手方向Ｂに移動させることによって、基板載置台１１上のＰＧＡ実装基板Ｋのピンの格子状配列に対し、投影線Ｘを前記カメラ移動台１２の長手方向Ｂと平行にスキャンさせ、ＰＧＡ実装基板の全面積を撮像することができる。
すなわち、カメラ移動台１２の長手方向Ｂへの移動は、リニアイメージセンサにおけるセンサ列を、そのセンサ列方向と直角に移動させることになり、ＰＧＡ実装基板上のピンの格子状配列に対しては、斜め方向の交差角度θｓを有してリニアイメージセンサをスキャンさせることになる。
これによって、ピンの格子状配列に対し投影線においてピンの格子状配列からのピン画像データの取得をすることができる。
なお、ここで、交差角度θｓは、センサ列の方向をカメラ移動台１２に対して直角方向に設置した場合は、基板載置台１１の長手方向Ａとカメラ移動台１２の移動方向Ｂのなす角が交差角度θｓと等しくなる。
【００１８】
交差角度θｓをどのくらいにするかの決定は、ＰＧＡ実装基板に立設されたピン同士が重ならないように、ピンサイズやその格子状配列に応じて、作図や数値計算によりシミュレーションして決定することができる。数値計算によるシミュレーションは、例えば、カメラの取り付け誤差も勘案して、回転移動角を５度おきに回転させた場合において、画像処理による各ピンの面積が全て同じならば重ならない角度として判断でき、その角度を交差角度θｓとして決定する。
画像処理によって交差角度θｓの決定の例を示すと、交差角度θｓを２０度とした場合、一つ一つのピンマスク（ピンの輪郭内）を白色で分離し、各「白色」面積がそれぞれで同じになるが、交差角度θｓを１０度とした場合では、一つ一つのピンマスクが分離されずにピン同士が引っ付いた状態となり、「白色」の面積が既定値より大きくなることからピン同士の重なり程度を判定する。
このようにして、「白色」の数や面積が既定値と一致したところで交差角度θｓを決定する。
【００１９】
一次元カラーラインセンサーカメラ１３ａに用いられるリニアイメージセンサは、光を検出して電荷を発生させるフォトダイオードを直線状に一列に配列したもの（センサ列）であり、センサ列方向の投影線を線画像として撮像することができる。
面積をもつ領域（ＰＧＡ実装基板の表面全体）を撮像するには、センサ列と直角方向に走査（スキャン）することにより２次元の静止画を取得することができる。
センサ列と直角方向へのスキャンは、被写体（ＰＧＡ実装基板）を一次元カラーラインセンサーカメラ１３ａと相対的に移動させるか、光学系によって同等の相対移動を行う（例えば、ミラーなどの使用）ことにより実行することができる。
本実施形態の場合は、被写体（ＰＧＡ実装基板Ｋ）を基板載置台１１上に固定載置して、カメラ撮像部１３をカメラ撮像部移動手段１４によって移動させて、ＰＧＡ実装基板のピンＰの格子状配列に対して斜め方向に設置された一次元カラーラインセンサーカメラ１３ａが取得する投影線Ｘを、一次元カラーラインセンサーカメラと直角方向（Ｂ方向）にスキャンしてＰＧＡ実装基板の表面全体を撮像するようにしている。
【００２０】
本実施形態において、カメラ撮像部は、基板載置面に対してその斜め上方４０度程度の角度位置に設置し、且つ、前後左右のピンが重ならないように見える位置に被写体を回転配置させ固定する。
撮像用の光源１９としては被写体上部から比較的光量の多い、例えばメタルハライド光源による拡散光を照射する。照射された拡散光は低反射率のワーク基板面で反射し、ＰＧＡ基板に実装されたピン側面の鏡面で再度反射され、この直接反射光を１次元カラーラインセンサにより受光する。
【００２１】
さらに、本実施形態のＰＧＡ実装基板の半田付け検査装置は、カメラ傾斜角θａ及び交差角度θｓが、カメラ撮像部により取得される画像データ上でＰＧＡ実装基板のピン同士が重ならない範囲内に設定することができる。重ならない範囲内に設定するにあたっては、実際にピンが格子状配列されたＰＧＡ実装基板をもとにシミュレーションしたり、図面上計算を実行したりすることにより、カメラ傾斜角θａ及び交差角度θｓの適性範囲を決定する。
【実施例】
【００２２】
以下、本発明の一実施例であるＰＧＡ実装基板の半田付け検査装置について図面を参照して具体化して説明する。
図１は本発明の一実施例であるＰＧＡ実装基板の半田付け検査装置の概略斜視図であり、図２はその上面側からみた平面図である。
本実施例のＰＧＡ実装基板の半田付け検査装置１０は、図示するように、平板状のＰＧＡ実装基板Ｋが載置される基板載置台１１と、このＰＧＡ実装基板Ｋを撮像するための一次元カラーラインセンサ（カメラ撮像部）１２と、カメラ撮像部１３をカメラ傾斜角θａで支持してカメラ傾斜角設定手段１８を構成するカメラ支持部１３と、カメラ支持部１３を基板載置台１１の長手方向に対して交差角度θｓの方向に移動させるカメラ移動手段の一例である１軸ステージ１４と、ＰＧＡ実装基板Ｋの上部から拡散光を照射するための略長尺板状の発光部が形成されたメタルハライド光源１９などを備えている。
メタルハライド光源１９は、カメラ撮像部１３と同様にカメラ移動手段１４により移動するカメラ支持部１３に固定されている。
【００２３】
カメラ撮像部１３及びカメラ支持部１３、カメラ移動手段１４は、図示しないコンピュータ制御部などを介して連携して駆動される。そして、ＰＧＡ実装基板をカメラ撮像部１３によりスキャンする毎にその取得された画像データがコンピュータ制御部に取り込まれて、所定の画像データ処理がなされるようになっている。
なお、カメラ傾斜角θａを鉛直線に対して反対方向に反転させて、ピンの反対側面側から撮像したり、あるいはカメラ傾斜角θａの異なる２台以上のカメラ撮像部を予めカメラ支持部１３に設けたりすることによって、ＰＧＡ実装基板上の異なる方向からの画像データを取得して欠陥検査の信頼性を高めるようにしてもよい。
【００２４】
こうして、カメラ撮像部１３を、カメラ傾斜角θａ（例えば４０度程度）の角度位置に設定し、且つ、前後左右のピンが重ならないように見える位置にＰＧＡ実装基板Ｋを配置・固定し、メタルハライド光源１９により拡散光を照射し、ＰＧＡ実装基板Ｋ上に実装されたピン側面で反射された反射光をカメラ撮像部１３で受光する。
さらに、カメラ撮像部１３をカメラ移動台上で一定速度で移動させることによってＰＧＡ実装基板の２次元解析画像を取得できる。
【００２５】
なお、カメラ撮像部１３に搭載するレンズは、ひずみのないテレセントリックレンズの他、比較的低価格のマクロレンズを使用することも可能である。マクロレンズ使用の場合には、後述するマクロ補正機能を組込み、マクロレンズにより発生するのひずみのあおり補正を行うことで、テレセントリックレンズと同等の光学精度を維持することができる。
【００２６】
次に以上のように構成された半田付け検査装置１０に適用されるＰＧＡ実装基板の検査方法について述べる。
（１）ＰＧＡ実装基板のピン立て工程と半田付け検査
ＣＰＵチップ等を実装するＰＧＡ実装基板Ｋのピン立て及びリフロー半田付けの例を以下に示す。
例えば、４０ｍｍ×４０ｍｍのプラスチック基板に９４０本のピンを形成する場合で、φ０．３ｍｍ、長さ２ｍｍの金メッキで表面メッキを施す場合では、先ず振込機で治具にピンを振り込み、移し替え治具を焼成用治具にピンをセットし、次にこの治具に半田剤を塗布したプラスチック基板をセットし、これに加重治具を組込み、リフロー炉を用いて通炉半田付けすることでＰＧＡ実装基板が完成し、半田はい上がり検査を後工程で実施することになる。
【００２７】
なお、従来の検査、特に半田はい上がり検査は、一般的には焼成後顕微鏡による目視検査が主流であり、自動機による検査はワーク上部から画像による推定検査が試験的に行われてはいるが精度が低く、推定による欠陥の誤認識が発生する等問題が多かった。本実施例における検査装置は、このような問題を解消して、誤認識の発生率を低減するものである。
【００２８】
（２）画像取得の方法
カメラ撮像部１３を、カメラ支持部１３を介してカメラ傾斜角（θａ＝４０度）の角度位置に傾けて設置し、且つ、隣接するピンＰの前後左右が重ならないように見える角度位置にＰＧＡ実装基板Ｋを配置・固定し、ＰＧＡの全ピンＰが視認出来るように配置した。
【００２９】
ここで、ＰＧＡ実装基板Ｋに実装された円筒状の短いピンＰに対して、それぞれのピンの重なりがおきない場所を調べるシミュレーションについて説明する。
すなわち、数値計算によりシミュレーションは、回転移動角を少しずつ回転させ、画像処理による各ピンの面積が全て同じならば重ならないような角度を交差角度θｓとして決定する。
図３、図４は、交差角度θｓを算出するためのＰＧＡ実装基板上に配置されたピンＰの説明図である。
水平面で見て斜め位置からＰＧＡ実装基板を撮像した場合に、格子状に配列されたピンＰが重ならない交差角度θｓを算出するために、仮想情報を使用してシミュレーションを行う。仮想情報には、図３や図４に示すように“ピン先端サイズ”、“シフト量ＸＹ”、“ピン数ＸＹ”、“ピッチＸＹ”、“回転角”、“スケールファクタ”を使用する。
これにより仮想的に座標が描画できるため、その座標からピンの伸びる方向にマスクをしてみて重ならない箇所を算出することができるのである。
【００３０】
カメラ撮像部１３において一次元カラーラインセンサを用いたのは、計測を行うため二次元カメラでは得られない高分解能（本実施例では一次元７５００素子）を得るためと、二次元カメラで生じるあおり角によるジャストフォーカスが得られない（フォーカス深度に入らない）事象を避けるためである。
さらに一次元カラーラインセンサで二次元的な全体画像を得るために、図１に示すようにカメラ移動台上を１方向に移動する１軸移動ステージ１４上にカメラ支持部１３を設け、
カメラ撮像部１３を、一次元カラーラインセンサのセンサ列（一次元の配列）方向と直角方向（Ａ方向）に移動させる構造とした。
なお、カメラ撮像部１３のＡ方向移動に代えて、カメラ撮像部１３を固定したままで、ＰＧＡ実装基板Ｋを載置した基板載置台１１をＢ方向に移動させる機構としてもよい。
ここで、Ｂ方向は、ＰＧＡ実装基板Ｋ上にマトリックス配列されているピンの整列した方向をいう。
【００３１】
また、モノクロカメラではなく、カラーカメラとしたのはＰＧＡピン台座である基板色、金メッキされたピンＰと、半田そのものをコントラストよくスペクトル分別処理できるようにするためである。モノクロ画像からでは、各々のスペクトルが分別できず、結果、ワークの微妙な色合いの差から半田はい上がりが検査できなくなることを避けるためである。
【００３２】
（３）理想的照明位置
照明系としての光源には、一次元カラーラインセンサを用いることと、その設置のしやすさや十分な光量が確保できることなどを考慮し、メタルハライド光源を、光ガイド等を介して誘導して、被写体となるＰＧＡ実装基板Ｋの上方から照明する拡散板を取り付けた拡散照明系を構成するものとした。
【００３３】
一般的にＰＧＡ実装基板上の一番端のピンＰは横から光を当てて観察すると半田の状態がよく確認できることがわかる。これでは当然のことながら、それより奥のピンＰは手前のピンに隠れて見ることができない。そこで、カメラ傾斜角θａが４０度の角度位置にカメラ撮像部のレンズ光軸方向を傾け、ピンＰの側面が前後左右のピンに隠れない位置を探すことでピン全体を見渡すことができるようにした。
しかし、ＰＧＡピンの場合、通常上方から光を入れてもピン表面が鏡面のため、乱反射する光成分がなく、カメラには黒く撮像される結果となる。
【００３４】
図５に示すように、ピン上方の光源から照射される光は、ピンＰの側面で全反射するためカメラにはいることがない。すなわち、カメラに取り込まれる成分が重要となる。このため照明位置に関しては、全ピンに対して斜め下方に光源を配置するのが理想だが、物理的に無理な配置となる。
そこで本実施例では、周囲からの間接的反射光をＰＧＡ実装基板のピンＰに照射する。そして、カメラ傾斜角θａを４０度の角度位置にカメラ撮像部のレンズ光軸方向を傾けて配置し、ピンＰの側面が前後左右のピンに隠れない位置に設置した一次元カラーラインセンサを一方向にスキャンすることで全体を見渡すことができるようにしている。
【００３５】
このような間接型反射照明と撮像方法の原理を図６に示す。ここでは、周りから強い光を入れることによって、表面での反射光をカメラに取り込むことができる。
また、ピンＰが鏡面であるため、一方向から強い光が入るとハレーションを起こす。このため、図示するように広い角度範囲からの光が取り入れられる。こうして、本実施例では図７に示すように、ライン形拡散光源となるようなメタルハライド光源１９を用いることによって、ピンＰより十分な面積を取った強力光を当て、反射率が低くなる基板表面からの反射光でも一次元カラーラインセンサ１２で検知して受光できるようにしているのである。
【００３６】
（４）半田はい上がりの抽出
以上により、ＰＧＡ実装基板Ｋのカラー画像を一次元カラーラインセンサ１２で取得し、半田がはい上がっているかどうかを、ＲＧＰカラー空間をＨＳＬ空間に変換して“黄色ではなく彩度がない”部分を抽出することで判別する。
すなわち、ピンＰ以外の余計な部分（被検査部）は画像処理前にマスク（取り去る）しておき、ピンＰだけを検査できるようにする。例えばカラーチャート上でパラメータ条件を指定して、「黄色ではなく、彩度が高く、明度もある」箇所を欠陥とするように画像データを抽出する。
こうして、本来あるべきピンでないイメージ、すなわち半田はい上がり状況を検査判定することができる。このようにＨＳＬパラメータを使用することで、直感的な色選択を行いやすくすることができる。
【００３７】
（５）マクロ補正
マクロレンズのあおり角による歪みは以下の手順により補正することができる。すなわち、レンズとしてテレセントリック光学系を使用してＰＧＡ実装基板を撮像すると角ピン垂直同一条件で理想的な解析が実施できる。但し、テレセントリック光学系は極めて高額であるため、比較的低価格なマクロレンズを使用しても、テレセントリック光学系同様の条件で検査判定できるように、あおり補正を加えピンの部分だけ抜き出して解析できるようにした。マクロレンズでピンPを撮像すると画像端部では図８のようないわゆるあおり角による歪みが生じる。
【００３８】
このようなマクロ補正は以下の計算方法により実現できる。まず、マクロレンズを使用できるようにマクロ補正の手法を組み込む。マクロレンズによる歪みが線形であると仮定できるため、ピンＰの先端座標がわかれば、下記の計算でどの程度傾いたピンなのかが計算できるため、高価なテレセントリック光学系を必ずしも使用しなくても、正確なピン先端位置が推測でき誤差無く半田はい上がり計測を実施することができる。
dx=x*a a：(a<1)の補正係数
このような計算によって、半田の抽出箇所を特定するためのマスクを作成でき、これによってシステムコストなどの大幅な低減が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
上記のように、本発明のＰＧＡ実装基板の半田付け検査装置は、カメラ撮像部がリニアに配列されたリニアイメージセンサによりレンズからの入射光を電気信号に変換して一次元画像データを取得する一次元カメラを用い、ピンからの直接反射光を受光計測するので、従来の推測判定でなく直接計測結果での判定が行え、誤評価は発生しない。
また、一次元カラーラインセンサカメラを使用しカメラ撮像部を一定速で移動することによりＰＧＡ実装基板のピンの格子状配列の二次元解析画像を取得することで、斜め上方設置によるあおり角によるフォーカスエラーの発生を抑制でき、基板の光学的情報を精度よく取得して、ＰＧＡ実装基板の製造工程における半田付け不良などの欠陥を効率的かつ精密に判定することができ、産業上の利用可能性が極めて高い。
【符号の説明】
【００４０】
１０ ＰＧＡ実装基板の半田付け検査装置
１１ 基板載置台
１２ カメラ移動台
１３ カメラ撮像部（一次元カラーラインセンサ）
１４ カメラ撮像部移動手段（１軸ステージ）
１５ カメラ支持部
１６ 鉛直線
１７ レンズ光軸
１８ カメラ傾斜角設定手段
１９ 光源
Ｘ 投影線
【技術分野】
【０００１】
本発明はＰＧＡ（Pin Grid Array）実装基板に実装されたピンの半田付け状態を判別するためのＰＧＡ実装基板の半田付け検査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＰＧＡ実装基板は、数百から千を超えるピンがリフロー半田付けによりマトリックス状にプリント基板上に接合されて製造されるＩＣチップなどであり、コンピュータなどの電子機器に搭載される。このようなＰＧＡ実装基板の製造においては、実装基板に半田付けされたピンへの半田はい上がり等の欠陥を検査するために光学的検査手法が多く採用されている。
例えば特許文献１（特開平６−５８７２９号公報）では、Ｉ／Ｏピンを有する基板を照明器で照射して撮像装置により多階調画像データが生成される。このデータを２値化してピンの位置検出のためのパターンマッチングや２値化データによる暗部領域の特定が行われ、最終的に半田付け状態の検査が行われるようにした半田付け状態検査装置が開示されている。
また、特許文献２（特開平１１−６７１８号公報）には、表面実装部品の各ピンの半田付け部の長手方向に対して交差する方向に照射する照明装置と、表面実装部品を撮像するカメラから出力されるピン半田付け部の画像の明るさにより、半田付け不良を判別するプリント基板半田不良検査装置が開示されている。ここでは、ワーク直上部に配置した２次元カメラを用いて、プリント基板の画像を撮影して、基板の欠陥が判定されるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平６−５８７２９号公報
【特許文献２】特開平１１−６７１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記従来の基板の検査技術においては、図９に示すように、ワーク真上に配置した２次元カメラを用いて、半田はい上がりによるピンの形態を判定するため、基板上に立設されたピン側面における欠陥の大きさや半田はい上がり部分の高さを直接的に計測することはできず、欠陥を誤認識しやすいという問題点があった。さらに、近年、検査工程における欠陥検査を厳格に行うことが求められ、これに伴ってカメラの分解能を更に高めたり、カメラを多数台設置したりして対応せざるを得ない状況ともなっていてコスト面やメンテナンス面での対応に問題があった。
また、前記特許文献１、２の検査技術のものは、プリント基板に突設されたピンの半田不良部以外の部分にも撮影用の照明光が散乱して画像データからの半田部分の識別が困難で欠陥を誤検知しやすいとともに、その視野中央と周辺では視野角が大きく異なりので、画像のあおりや歪の効果により基板欠陥部分の長さ測定を精密に行うことが困難であるという問題点もあった。
【０００５】
本発明は前記従来の課題を解決するためになされたもので、基板上に立設されたピン側面における欠陥の大きさや半田はい上がり部分の高さを直接的に計測することができ、半田付け工程に伴なって発生する不良や欠陥部分を光学的に精密に検出して、ＰＧＡ実装基板を効率的に評価できるＰＧＡ実装基板の半田付け検査装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（１）本発明のＰＧＡ実装基板の半田付け検査装置は、
ＰＧＡ実装基板に配置されたピンの半田付け画像を撮像して、取得された画像データをもとにピンの接合状態を評価するＰＧＡ実装基板の半田付け検査装置であって、
ＰＧＡ実装基板が載置される基板載置台と、
基板載置台の長手方向に対して斜め方向に延伸して設けられたカメラ移動台と、
カメラ移動台上に設置しＰＧＡ実装基板を斜め上方向から撮像するカメラ撮像部と、
カメラ撮像部をカメラ移動台上でその長手方向に移動させるカメラ撮像部移動手段と、を備え、
ＰＧＡ実装基板のピンの格子状配列に対し、投影線において交差するようにカメラ撮像部内に設けたリニアイメージセンサのセンサ列を、
カメラ撮像部移動手段によって移動させ、ＰＧＡ実装基板を斜め上方から撮像するようにしたことを特徴とする。
【０００７】
（２）本発明のＰＧＡ実装基板の半田付け検査装置は、前記ＰＧＡ実装基板のピンの格子状配列に対し、投影線において交差するようにカメラ撮像部内に設けたリニアイメージセンサのセンサ列の方向を、カメラ移動台に対して直角方向に設置し、基板載置台の長手方向Ａとカメラ移動台の延伸方向Ｂのなす角を交差角度θｓと等しくしたことを特徴とする。
【０００８】
（３）本発明のＰＧＡ実装基板の半田付け検査装置は、前記（２）において、前記交差角度θｓを、前記カメラ撮像部により取得される画像データ上で前記ＰＧＡ実装基板のピン同士が重ならない範囲内に設定したことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、ＰＧＡ実装基板のピンの格子状配列に対し、投影線において交差するようにカメラ撮像部内に設けたリニアイメージセンサのセンサ列を、カメラ撮像部移動手段によって移動させ、ＰＧＡ実装基板を斜め上方から撮像するようにしたので、
ピン側面側を望み隣接するピン列同士が干渉することなく撮像でき、撮像された画像データをもとに、ピン側面の欠陥部分を光学的に精密に検出して、ＰＧＡ実装基板を効率的に評価できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施例に係るＰＧＡ実装基板の半田付け検査装置の概略斜視図である。
【図２】実施例に係るＰＧＡ実装基板の半田付け検査装置を正面から見た正面図である。
【図３】実施例に係るＰＧＡ実装基板の半田付け検査装置を上面から見た平面図である。
【図４】実施例において、交差角度θｓを算出するための説明図である。
【図５】鏡面を有するＰＧＡピン撮像用光源における理想位置の説明図である。
【図６】ＰＧＡピン撮像用照明の原理説明図である。
【図７】実施例において、ＰＧＡピン撮像用照明の構成例の説明図である。
【図８】マクロレンズにより撮像されたピン画像の説明図である。
【図９】従来のＰＧＡ実装基板の半田付け検査方法の概略説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本実施形態のＰＧＡ実装基板の半田付け検査装置を図面を用いて説明する。
本実施形態のＰＧＡ実装基板の半田付け検査装置１０は、ＰＧＡ実装基板Ｋに配置されたピンＰの半田付け画像を撮像して、取得された画像データをもとにピンＰの接合状態を評価する検査装置である。
半田付け検査装置１０は、ＰＧＡ実装基板が載置される基板載置台１１と、基板載置台１１の長手方向Ａに対して斜め方向Ｂに延伸して設けられたカメラ移動台１２と、カメラ移動台１２上に設置しＰＧＡ実装基板を斜め上方向から撮像するカメラ撮像部１３と、カメラ撮像部１３をカメラ移動台１２上でその長手方向（延伸方向Ｂ）に移動させるカメラ撮像部移動手段１４と、を備え、ＰＧＡ実装基板のピンの格子状配列に対し、投影線Ｘにおいて交差するようにカメラ撮像部１３内に設けたリニアイメージセンサのセンサ列である一次元カラーラインセンサーカメラ１３ａを、カメラ撮像部移動手段１４によって移動させ、ＰＧＡ実装基板を斜め上方から撮像するようにした。
これによって、撮像時においてピン同士が干渉する（重なる）ことのないように、ＰＧＡ実装基板のピン側面側の画像を斜め上方向からスキャンして撮像した画像データをもとに、ピン側面の欠陥部分を数値化してピンの接合状態を解析することができる。例えば、このような画像データの解析においては、ＰＧＡ実装基板のピン及びパッドの表面は明るくなり、ピンの側面側にはい上がって付着した半田表面は暗くなる。
さらに、このようにして得られた多階調画像データを固定値で２値化して２値化画像データを得ることによって、かかる２値化画像データをもとに予め設定した欠陥パターンとのパターンマッチングや、色や長さ測定処理のプログラムなどを用いて、ＰＧＡ実装基板における半田付け状態などのピンの接合状態の評価などを正確に行うことができる。
【００１２】
ＰＧＡ実装基板Ｋは、コンピューターチップ、ＣＰＵチップ等を搭載するために縦横格子状（マトリックス状）に数百から千ピンを超えるＰピン（以下ピンという）が高密度配置されたデバイスであって、ＰＧＡ（Pin Grid Array）方式によるリフロー半田付け処理で製造されるが、先ずは、治具によりピンを基板に差し込み、次にこの治具に半田剤を塗布したプラスチック基板をセットし、これをリフロー炉に通すことでＰＧＡ実装基板が製造される。
ＰＧＡ実装基板の半田はい上がりなどの欠陥検査はこの後の工程で実施される。
【００１３】
本実施形態のＰＧＡ実装基板の半田付け検査装置に備えられた基板載置台１１は、例えば、平板状のＰＧＡ実装基板をその上に固定載置する矩形状の基台などで構成される。基板載置台１１上には、ＰＧＡ実装基板の格子状に配列されたピンＰの配列方向が基板載置台の長手方向Ａに対し平行になるように固定載置される。
【００１４】
このようなＰＧＡ実装基板の固定載置にあたって、基板載置台上に基板移動手段１１ａを設けることもできる。基板移動手段１１ａは、基板載置台１１の上に配置されたＰＧＡ実装基板Ｋを移動させるための機構であって、基板載置台に設けられたＸＹ移動テーブルや回転テーブルなどにより構成することができ、基板載置台の上に固定載置されるＰＧＡ実装基板の位置を調整する。
ＸＹ移動テーブルは、このＸＹ移動テーブル上に固定載置されたＰＧＡ実装基板を基板載置台の長手方向（Ａ方向）や長手方向と直角方向に移動させることができる。
回転テーブルは、この回転テーブル上に固定載置されたＰＧＡ実装基板を基板載置台の上で３６０度回転移動させることができ、ＰＧＡ実装基板の格子状に配置されたピンの配列方向を基板載置台の長手方向Ａに対し平行になるように回転移動させることができる。
このような基板移動手段１１ａは、半田付け検査装置の全体動作を制御するコンピュータなどの制御回路を介して実行させることができる。
【００１５】
カメラ移動台１２は、基板載置台１１の長手方向Ａに対して斜め方向Ｂに延伸して設けられている矩形状の基台などで構成される。カメラ移動台１２上には、カメラ支持部１５が立設されており、さらにカメラ支持部１５の上方にカメラ撮像部１３が設置されており、基板載置台１１上のＰＧＡ実装基板を斜め上方向から撮像できるようになっている。
また、カメラ移動台１２は、カメラ支持部１５に設置されているカメラ撮像部１３を、カメラ移動台１２上でその長手方向Ｂに移動させるカメラ撮像部移動手段１４と、を備えている。
カメラ撮像部移動手段１４としては、カメラ移動台１２上に設けられるリニアレールのような１軸ステージが好ましく用いられ、その動作は半田付け検査装置の全体動作を制御するコンピュータなどの制御回路を介して実行させることができる。
【００１６】
カメラ撮像部１３は、鉛直線１６方向とカメラ撮像部１３のレンズ光軸１７方向とのなす角がθａ（カメラ傾斜角）を有するようにして、被写体であるＰＧＡ実装基板Ｋの斜め上方向に設置されている。このようなθａ（カメラ傾斜角）は、ＰＧＡ実装基板を斜め上方向θａ（カメラ傾斜角）の角度から撮像した場合に、ピン同士が重なり合うことなく、またピンの側面及びピン根元部分が視認できる角度範囲である。
カメラ傾斜角θａの角度範囲は、ピンの太さや高さなどのサイズ、隣接するピンの間隔などに応じて、模式図面やコンピュータを用いた数値計算により、シミュレーションをして決定することができる。
コンピュータを用いた数値計算によりカメラ傾斜角θａを決定する場合は、カメラ撮像部１３のレンズ光軸１７方向を鉛直線１６方向に対する角度を任意に設定できるカメラ傾斜角設定手段１８を設け、カメラ支持部１５に固定支持されたカメラ撮像部１３を鉛直線１６方向に対してカメラ駆動部（モータなど）により傾動させるにようにすることができる。
【００１７】
本実施形態においては、カメラ撮像部１３内には、撮像素子としてリニアイメージセンサのセンサ列をＰＧＡ実装基板のピンの格子状配列に対し、投影線Ｘにおいて公差するよう（斜め方向）に設けてある。ここで、投影線Ｘの方向はリニアイメージセンサのセンサ列と同一方向である。
リニアイメージセンサのセンサ列をピンの格子状配列に対し、このように斜め方向に設け、リニアイメージセンサのセンサ列をカメラ撮像部移動手段１４によってカメラ移動台１２の長手方向Ｂに移動させることによって、基板載置台１１上のＰＧＡ実装基板Ｋのピンの格子状配列に対し、投影線Ｘを前記カメラ移動台１２の長手方向Ｂと平行にスキャンさせ、ＰＧＡ実装基板の全面積を撮像することができる。
すなわち、カメラ移動台１２の長手方向Ｂへの移動は、リニアイメージセンサにおけるセンサ列を、そのセンサ列方向と直角に移動させることになり、ＰＧＡ実装基板上のピンの格子状配列に対しては、斜め方向の交差角度θｓを有してリニアイメージセンサをスキャンさせることになる。
これによって、ピンの格子状配列に対し投影線においてピンの格子状配列からのピン画像データの取得をすることができる。
なお、ここで、交差角度θｓは、センサ列の方向をカメラ移動台１２に対して直角方向に設置した場合は、基板載置台１１の長手方向Ａとカメラ移動台１２の移動方向Ｂのなす角が交差角度θｓと等しくなる。
【００１８】
交差角度θｓをどのくらいにするかの決定は、ＰＧＡ実装基板に立設されたピン同士が重ならないように、ピンサイズやその格子状配列に応じて、作図や数値計算によりシミュレーションして決定することができる。数値計算によるシミュレーションは、例えば、カメラの取り付け誤差も勘案して、回転移動角を５度おきに回転させた場合において、画像処理による各ピンの面積が全て同じならば重ならない角度として判断でき、その角度を交差角度θｓとして決定する。
画像処理によって交差角度θｓの決定の例を示すと、交差角度θｓを２０度とした場合、一つ一つのピンマスク（ピンの輪郭内）を白色で分離し、各「白色」面積がそれぞれで同じになるが、交差角度θｓを１０度とした場合では、一つ一つのピンマスクが分離されずにピン同士が引っ付いた状態となり、「白色」の面積が既定値より大きくなることからピン同士の重なり程度を判定する。
このようにして、「白色」の数や面積が既定値と一致したところで交差角度θｓを決定する。
【００１９】
一次元カラーラインセンサーカメラ１３ａに用いられるリニアイメージセンサは、光を検出して電荷を発生させるフォトダイオードを直線状に一列に配列したもの（センサ列）であり、センサ列方向の投影線を線画像として撮像することができる。
面積をもつ領域（ＰＧＡ実装基板の表面全体）を撮像するには、センサ列と直角方向に走査（スキャン）することにより２次元の静止画を取得することができる。
センサ列と直角方向へのスキャンは、被写体（ＰＧＡ実装基板）を一次元カラーラインセンサーカメラ１３ａと相対的に移動させるか、光学系によって同等の相対移動を行う（例えば、ミラーなどの使用）ことにより実行することができる。
本実施形態の場合は、被写体（ＰＧＡ実装基板Ｋ）を基板載置台１１上に固定載置して、カメラ撮像部１３をカメラ撮像部移動手段１４によって移動させて、ＰＧＡ実装基板のピンＰの格子状配列に対して斜め方向に設置された一次元カラーラインセンサーカメラ１３ａが取得する投影線Ｘを、一次元カラーラインセンサーカメラと直角方向（Ｂ方向）にスキャンしてＰＧＡ実装基板の表面全体を撮像するようにしている。
【００２０】
本実施形態において、カメラ撮像部は、基板載置面に対してその斜め上方４０度程度の角度位置に設置し、且つ、前後左右のピンが重ならないように見える位置に被写体を回転配置させ固定する。
撮像用の光源１９としては被写体上部から比較的光量の多い、例えばメタルハライド光源による拡散光を照射する。照射された拡散光は低反射率のワーク基板面で反射し、ＰＧＡ基板に実装されたピン側面の鏡面で再度反射され、この直接反射光を１次元カラーラインセンサにより受光する。
【００２１】
さらに、本実施形態のＰＧＡ実装基板の半田付け検査装置は、カメラ傾斜角θａ及び交差角度θｓが、カメラ撮像部により取得される画像データ上でＰＧＡ実装基板のピン同士が重ならない範囲内に設定することができる。重ならない範囲内に設定するにあたっては、実際にピンが格子状配列されたＰＧＡ実装基板をもとにシミュレーションしたり、図面上計算を実行したりすることにより、カメラ傾斜角θａ及び交差角度θｓの適性範囲を決定する。
【実施例】
【００２２】
以下、本発明の一実施例であるＰＧＡ実装基板の半田付け検査装置について図面を参照して具体化して説明する。
図１は本発明の一実施例であるＰＧＡ実装基板の半田付け検査装置の概略斜視図であり、図２はその上面側からみた平面図である。
本実施例のＰＧＡ実装基板の半田付け検査装置１０は、図示するように、平板状のＰＧＡ実装基板Ｋが載置される基板載置台１１と、このＰＧＡ実装基板Ｋを撮像するための一次元カラーラインセンサ（カメラ撮像部）１２と、カメラ撮像部１３をカメラ傾斜角θａで支持してカメラ傾斜角設定手段１８を構成するカメラ支持部１３と、カメラ支持部１３を基板載置台１１の長手方向に対して交差角度θｓの方向に移動させるカメラ移動手段の一例である１軸ステージ１４と、ＰＧＡ実装基板Ｋの上部から拡散光を照射するための略長尺板状の発光部が形成されたメタルハライド光源１９などを備えている。
メタルハライド光源１９は、カメラ撮像部１３と同様にカメラ移動手段１４により移動するカメラ支持部１３に固定されている。
【００２３】
カメラ撮像部１３及びカメラ支持部１３、カメラ移動手段１４は、図示しないコンピュータ制御部などを介して連携して駆動される。そして、ＰＧＡ実装基板をカメラ撮像部１３によりスキャンする毎にその取得された画像データがコンピュータ制御部に取り込まれて、所定の画像データ処理がなされるようになっている。
なお、カメラ傾斜角θａを鉛直線に対して反対方向に反転させて、ピンの反対側面側から撮像したり、あるいはカメラ傾斜角θａの異なる２台以上のカメラ撮像部を予めカメラ支持部１３に設けたりすることによって、ＰＧＡ実装基板上の異なる方向からの画像データを取得して欠陥検査の信頼性を高めるようにしてもよい。
【００２４】
こうして、カメラ撮像部１３を、カメラ傾斜角θａ（例えば４０度程度）の角度位置に設定し、且つ、前後左右のピンが重ならないように見える位置にＰＧＡ実装基板Ｋを配置・固定し、メタルハライド光源１９により拡散光を照射し、ＰＧＡ実装基板Ｋ上に実装されたピン側面で反射された反射光をカメラ撮像部１３で受光する。
さらに、カメラ撮像部１３をカメラ移動台上で一定速度で移動させることによってＰＧＡ実装基板の２次元解析画像を取得できる。
【００２５】
なお、カメラ撮像部１３に搭載するレンズは、ひずみのないテレセントリックレンズの他、比較的低価格のマクロレンズを使用することも可能である。マクロレンズ使用の場合には、後述するマクロ補正機能を組込み、マクロレンズにより発生するのひずみのあおり補正を行うことで、テレセントリックレンズと同等の光学精度を維持することができる。
【００２６】
次に以上のように構成された半田付け検査装置１０に適用されるＰＧＡ実装基板の検査方法について述べる。
（１）ＰＧＡ実装基板のピン立て工程と半田付け検査
ＣＰＵチップ等を実装するＰＧＡ実装基板Ｋのピン立て及びリフロー半田付けの例を以下に示す。
例えば、４０ｍｍ×４０ｍｍのプラスチック基板に９４０本のピンを形成する場合で、φ０．３ｍｍ、長さ２ｍｍの金メッキで表面メッキを施す場合では、先ず振込機で治具にピンを振り込み、移し替え治具を焼成用治具にピンをセットし、次にこの治具に半田剤を塗布したプラスチック基板をセットし、これに加重治具を組込み、リフロー炉を用いて通炉半田付けすることでＰＧＡ実装基板が完成し、半田はい上がり検査を後工程で実施することになる。
【００２７】
なお、従来の検査、特に半田はい上がり検査は、一般的には焼成後顕微鏡による目視検査が主流であり、自動機による検査はワーク上部から画像による推定検査が試験的に行われてはいるが精度が低く、推定による欠陥の誤認識が発生する等問題が多かった。本実施例における検査装置は、このような問題を解消して、誤認識の発生率を低減するものである。
【００２８】
（２）画像取得の方法
カメラ撮像部１３を、カメラ支持部１３を介してカメラ傾斜角（θａ＝４０度）の角度位置に傾けて設置し、且つ、隣接するピンＰの前後左右が重ならないように見える角度位置にＰＧＡ実装基板Ｋを配置・固定し、ＰＧＡの全ピンＰが視認出来るように配置した。
【００２９】
ここで、ＰＧＡ実装基板Ｋに実装された円筒状の短いピンＰに対して、それぞれのピンの重なりがおきない場所を調べるシミュレーションについて説明する。
すなわち、数値計算によりシミュレーションは、回転移動角を少しずつ回転させ、画像処理による各ピンの面積が全て同じならば重ならないような角度を交差角度θｓとして決定する。
図３、図４は、交差角度θｓを算出するためのＰＧＡ実装基板上に配置されたピンＰの説明図である。
水平面で見て斜め位置からＰＧＡ実装基板を撮像した場合に、格子状に配列されたピンＰが重ならない交差角度θｓを算出するために、仮想情報を使用してシミュレーションを行う。仮想情報には、図３や図４に示すように“ピン先端サイズ”、“シフト量ＸＹ”、“ピン数ＸＹ”、“ピッチＸＹ”、“回転角”、“スケールファクタ”を使用する。
これにより仮想的に座標が描画できるため、その座標からピンの伸びる方向にマスクをしてみて重ならない箇所を算出することができるのである。
【００３０】
カメラ撮像部１３において一次元カラーラインセンサを用いたのは、計測を行うため二次元カメラでは得られない高分解能（本実施例では一次元７５００素子）を得るためと、二次元カメラで生じるあおり角によるジャストフォーカスが得られない（フォーカス深度に入らない）事象を避けるためである。
さらに一次元カラーラインセンサで二次元的な全体画像を得るために、図１に示すようにカメラ移動台上を１方向に移動する１軸移動ステージ１４上にカメラ支持部１３を設け、
カメラ撮像部１３を、一次元カラーラインセンサのセンサ列（一次元の配列）方向と直角方向（Ａ方向）に移動させる構造とした。
なお、カメラ撮像部１３のＡ方向移動に代えて、カメラ撮像部１３を固定したままで、ＰＧＡ実装基板Ｋを載置した基板載置台１１をＢ方向に移動させる機構としてもよい。
ここで、Ｂ方向は、ＰＧＡ実装基板Ｋ上にマトリックス配列されているピンの整列した方向をいう。
【００３１】
また、モノクロカメラではなく、カラーカメラとしたのはＰＧＡピン台座である基板色、金メッキされたピンＰと、半田そのものをコントラストよくスペクトル分別処理できるようにするためである。モノクロ画像からでは、各々のスペクトルが分別できず、結果、ワークの微妙な色合いの差から半田はい上がりが検査できなくなることを避けるためである。
【００３２】
（３）理想的照明位置
照明系としての光源には、一次元カラーラインセンサを用いることと、その設置のしやすさや十分な光量が確保できることなどを考慮し、メタルハライド光源を、光ガイド等を介して誘導して、被写体となるＰＧＡ実装基板Ｋの上方から照明する拡散板を取り付けた拡散照明系を構成するものとした。
【００３３】
一般的にＰＧＡ実装基板上の一番端のピンＰは横から光を当てて観察すると半田の状態がよく確認できることがわかる。これでは当然のことながら、それより奥のピンＰは手前のピンに隠れて見ることができない。そこで、カメラ傾斜角θａが４０度の角度位置にカメラ撮像部のレンズ光軸方向を傾け、ピンＰの側面が前後左右のピンに隠れない位置を探すことでピン全体を見渡すことができるようにした。
しかし、ＰＧＡピンの場合、通常上方から光を入れてもピン表面が鏡面のため、乱反射する光成分がなく、カメラには黒く撮像される結果となる。
【００３４】
図５に示すように、ピン上方の光源から照射される光は、ピンＰの側面で全反射するためカメラにはいることがない。すなわち、カメラに取り込まれる成分が重要となる。このため照明位置に関しては、全ピンに対して斜め下方に光源を配置するのが理想だが、物理的に無理な配置となる。
そこで本実施例では、周囲からの間接的反射光をＰＧＡ実装基板のピンＰに照射する。そして、カメラ傾斜角θａを４０度の角度位置にカメラ撮像部のレンズ光軸方向を傾けて配置し、ピンＰの側面が前後左右のピンに隠れない位置に設置した一次元カラーラインセンサを一方向にスキャンすることで全体を見渡すことができるようにしている。
【００３５】
このような間接型反射照明と撮像方法の原理を図６に示す。ここでは、周りから強い光を入れることによって、表面での反射光をカメラに取り込むことができる。
また、ピンＰが鏡面であるため、一方向から強い光が入るとハレーションを起こす。このため、図示するように広い角度範囲からの光が取り入れられる。こうして、本実施例では図７に示すように、ライン形拡散光源となるようなメタルハライド光源１９を用いることによって、ピンＰより十分な面積を取った強力光を当て、反射率が低くなる基板表面からの反射光でも一次元カラーラインセンサ１２で検知して受光できるようにしているのである。
【００３６】
（４）半田はい上がりの抽出
以上により、ＰＧＡ実装基板Ｋのカラー画像を一次元カラーラインセンサ１２で取得し、半田がはい上がっているかどうかを、ＲＧＰカラー空間をＨＳＬ空間に変換して“黄色ではなく彩度がない”部分を抽出することで判別する。
すなわち、ピンＰ以外の余計な部分（被検査部）は画像処理前にマスク（取り去る）しておき、ピンＰだけを検査できるようにする。例えばカラーチャート上でパラメータ条件を指定して、「黄色ではなく、彩度が高く、明度もある」箇所を欠陥とするように画像データを抽出する。
こうして、本来あるべきピンでないイメージ、すなわち半田はい上がり状況を検査判定することができる。このようにＨＳＬパラメータを使用することで、直感的な色選択を行いやすくすることができる。
【００３７】
（５）マクロ補正
マクロレンズのあおり角による歪みは以下の手順により補正することができる。すなわち、レンズとしてテレセントリック光学系を使用してＰＧＡ実装基板を撮像すると角ピン垂直同一条件で理想的な解析が実施できる。但し、テレセントリック光学系は極めて高額であるため、比較的低価格なマクロレンズを使用しても、テレセントリック光学系同様の条件で検査判定できるように、あおり補正を加えピンの部分だけ抜き出して解析できるようにした。マクロレンズでピンPを撮像すると画像端部では図８のようないわゆるあおり角による歪みが生じる。
【００３８】
このようなマクロ補正は以下の計算方法により実現できる。まず、マクロレンズを使用できるようにマクロ補正の手法を組み込む。マクロレンズによる歪みが線形であると仮定できるため、ピンＰの先端座標がわかれば、下記の計算でどの程度傾いたピンなのかが計算できるため、高価なテレセントリック光学系を必ずしも使用しなくても、正確なピン先端位置が推測でき誤差無く半田はい上がり計測を実施することができる。
dx=x*a a：(a<1)の補正係数
このような計算によって、半田の抽出箇所を特定するためのマスクを作成でき、これによってシステムコストなどの大幅な低減が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
上記のように、本発明のＰＧＡ実装基板の半田付け検査装置は、カメラ撮像部がリニアに配列されたリニアイメージセンサによりレンズからの入射光を電気信号に変換して一次元画像データを取得する一次元カメラを用い、ピンからの直接反射光を受光計測するので、従来の推測判定でなく直接計測結果での判定が行え、誤評価は発生しない。
また、一次元カラーラインセンサカメラを使用しカメラ撮像部を一定速で移動することによりＰＧＡ実装基板のピンの格子状配列の二次元解析画像を取得することで、斜め上方設置によるあおり角によるフォーカスエラーの発生を抑制でき、基板の光学的情報を精度よく取得して、ＰＧＡ実装基板の製造工程における半田付け不良などの欠陥を効率的かつ精密に判定することができ、産業上の利用可能性が極めて高い。
【符号の説明】
【００４０】
１０ ＰＧＡ実装基板の半田付け検査装置
１１ 基板載置台
１２ カメラ移動台
１３ カメラ撮像部（一次元カラーラインセンサ）
１４ カメラ撮像部移動手段（１軸ステージ）
１５ カメラ支持部
１６ 鉛直線
１７ レンズ光軸
１８ カメラ傾斜角設定手段
１９ 光源
Ｘ 投影線
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＰＧＡ実装基板に配置されたピンの半田付け画像を撮像して、取得された画像データをもとにピンの接合状態を評価するＰＧＡ実装基板の半田付け検査装置であって、
ＰＧＡ実装基板が載置される基板載置台と、
基板載置台の長手方向に対して斜め方向に延伸して設けられたカメラ移動台と、
カメラ移動台上に設置しＰＧＡ実装基板を斜め上方向から撮像するカメラ撮像部と、
カメラ撮像部をカメラ移動台上でその長手方向に移動させるカメラ撮像部移動手段と、を備え、
ＰＧＡ実装基板のピンの格子状配列に対し、投影線において交差するようにカメラ撮像部内に設けたリニアイメージセンサのセンサ列を、
カメラ撮像部移動手段によって移動させ、ＰＧＡ実装基板を斜め上方から撮像するようにしたことを特徴とするＰＧＡ実装基板の半田付け検査装置。
【請求項２】
前記ＰＧＡ実装基板のピンの格子状配列に対し、投影線において交差するようにカメラ撮像部内に設けたリニアイメージセンサのセンサ列の方向を、カメラ移動台に対して直角方向に設置し、基板載置台の長手方向Ａとカメラ移動台の延伸方向Ｂのなす角を交差角度θｓと等しくしたことを特徴とする請求項１に記載のＰＧＡ実装基板の半田付け検査装置。
【請求項３】
前記交差角度θｓを、前記カメラ撮像部により取得される画像データ上で前記ＰＧＡ実装基板のピン同士が重ならない範囲内に設定したことを特徴とする請求項２に記載のＰＧＡ実装基板の半田付け検査装置。
【請求項１】
ＰＧＡ実装基板に配置されたピンの半田付け画像を撮像して、取得された画像データをもとにピンの接合状態を評価するＰＧＡ実装基板の半田付け検査装置であって、
ＰＧＡ実装基板が載置される基板載置台と、
基板載置台の長手方向に対して斜め方向に延伸して設けられたカメラ移動台と、
カメラ移動台上に設置しＰＧＡ実装基板を斜め上方向から撮像するカメラ撮像部と、
カメラ撮像部をカメラ移動台上でその長手方向に移動させるカメラ撮像部移動手段と、を備え、
ＰＧＡ実装基板のピンの格子状配列に対し、投影線において交差するようにカメラ撮像部内に設けたリニアイメージセンサのセンサ列を、
カメラ撮像部移動手段によって移動させ、ＰＧＡ実装基板を斜め上方から撮像するようにしたことを特徴とするＰＧＡ実装基板の半田付け検査装置。
【請求項２】
前記ＰＧＡ実装基板のピンの格子状配列に対し、投影線において交差するようにカメラ撮像部内に設けたリニアイメージセンサのセンサ列の方向を、カメラ移動台に対して直角方向に設置し、基板載置台の長手方向Ａとカメラ移動台の延伸方向Ｂのなす角を交差角度θｓと等しくしたことを特徴とする請求項１に記載のＰＧＡ実装基板の半田付け検査装置。
【請求項３】
前記交差角度θｓを、前記カメラ撮像部により取得される画像データ上で前記ＰＧＡ実装基板のピン同士が重ならない範囲内に設定したことを特徴とする請求項２に記載のＰＧＡ実装基板の半田付け検査装置。
【図４】
【図１】
【図２】
【図３】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１】
【図２】
【図３】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−１５８３６３（Ｐ２０１１−１５８３６３Ａ）
【公開日】平成２３年８月１８日（２０１１．８．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２０７８８（Ｐ２０１０−２０７８８）
【出願日】平成２２年２月１日（２０１０．２．１）
【出願人】（５０１２９８９２６）浜松メトリックス株式会社 (10)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年８月１８日（２０１１．８．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年２月１日（２０１０．２．１）
【出願人】（５０１２９８９２６）浜松メトリックス株式会社 (10)
【Ｆターム（参考）】
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