JP5772062B2 - 三次元形状計測装置、および三次元形状計測方法 - Google Patents

Description

この発明は、三次元形状計測装置、および三次元形状計測方法に関し、特に、基板上に設置される半田等の計測対象を計測する三次元形状計測装置、および三次元形状計測方法に関するものである。

近年では、基板上に設置される半田の高さを検査する際に、三次元形状計測装置が用いられている。検査は、三次元形状計測装置を用いて半田の高さを計算し、計算した高さが所定の条件を満たしていれば、良品と判断するものである。このような検査に用いられる従来の三次元形状計測装置は、例えば、特許第３８６８９１７号公報（特許文献１）、および特開２０１０−２４３５０８号公報（特許文献２）に開示されている。

特許第３８６８９１７号公報 特開２０１０−２４３５０８号公報

特許文献１によると、基板の所定領域内から基準エリアを選択する。そして、選択した基準エリアから基準平面を形成した上で基準高さを特定し、この基準高さに基づいて、半田の高さを算出することとしている。しかしながら、この基準高さは、基板の配線パターンから形成される平面に基づくものであるため、半田の高さを正確に算出することは困難である。

例えば、基板のＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）では、配線が基板内部に引かれることとなるため、配線パターンがランドから離れて位置することとなる。図２４は、ＢＧＡ１００を含む基板１０２を示す平面図である。図２５は、平面図Ｃ−Ｃにおける断面を模式的に示した図である。図２４および図２５を参照して、このような場合に、配線パターン１０３から基準平面１０１を形成すると、基準平面１０１が基板面１０２ａやＢＧＡ１００等のランドに沿わない形状となる。例えば基板１０２に反りや撓みが発生していた場合に、このような沿わない形状となる。その結果、基準平面１０１に基づく基準高さから、ＢＧＡ１００等のランド上の半田の高さを正確に算出することは困難である。

また、特許文献２によると、半田を塗布される前の状態の基板において、基準高さを設定し、この設定した基準高さに基づいて、半田の高さを算出することとしている。しかしながら、半田を塗布される前の基板の状態と、半田を塗布された後の基板の状態とは、例えば反りや撓み等が発生し、異なる場合がある。図２６は、半田を塗布する前の基板（ａ）と、半田を塗布した後の基板（ｂ）とを示す図であって、基板を厚み方向に切断した場合の断面を模式的に示した図である。図２６を参照して、基準高さＧは、半田を塗布する前の基板１０７ａでは、ランド１０５の位置となっているが、半田を塗布した後の基板１０７ｂでは、半田部分１０６の位置となっている。このような場合に、半田の高さを正確に算出することは困難である。

この発明の目的は、正確に半田の高さを算出することができる三次元形状計測装置を提供することである。

この発明の他の目的は、正確に高さを算出することができる三次元形状計測方法を提供することである。

この発明に係る三次元形状計測装置は、基板上の部材に投影された光パタンを解析することによって、基板上の部材の三次元形状を計測する。基板は、半田が塗布される領域であるランドを含む。三次元形状計測装置は、光パタンが投影された基板上の部材を撮像し、画像として取得する撮像手段と、半田が塗布される前の状態の基板において、ランドに接続されている所定の領域の画像を撮像手段により取得して、所定の領域における所定の基準面からの高さを計測する領域高さ計測手段と、領域高さ計測手段により計測された所定の領域の高さに基づいて、所定の領域における基板の高さ分布を算出する分布算出手段と、半田が塗布される前の状態の基板において、所定の領域内のランドの画像を撮像手段により取得して、ランドにおける所定の基準面からの高さを計測するランド高さ計測手段と、分布算出手段により算出された所定の領域における基板の高さ分布とランド高さ計測手段により計測されたランドの高さとの距離を算出する距離算出手段とを備える。

このように、三次元形状計測装置は、所定の領域の高さに基づいて、所定の領域における基板の高さ分布を算出し、この算出した基板の高さ分布とランドの高さとの距離を算出する。この場合、所定の領域における基板の高さ分布は、例えば基板に反りや撓みが発生した場合であっても、その反りや撓みによる変化を含めたものとなる。その結果、算出した距離は、基板の歪みによる影響を抑えたものなる。そして、半田の高さを算出する際には、例えば基板に半田を塗布した後、基板に歪みが発生した場合であっても、このような歪みの影響を抑えた距離を用いることができるため、正確に半田の高さを算出することができる。

好ましくは、分布算出手段により算出される基板の高さ分布とは、所定の領域における所定の基準面からの高さを近似の曲面で表したものである。

さらに好ましくは、距離算出手段により算出された距離を用いて、基板のランド上に塗布された半田の高さを算出する半田高さ算出手段を備える。こうすることにより、歪みの影響を受けない距離を用いて、半田の高さを算出することができる。したがって、正確に半田の高さを算出することができる。

さらに好ましくは、所定の領域は、ランドの周囲を取り囲むようにして配置され、ランドに接続する導電線を有する配線パターンである。こうすることにより、ランドに近い配線パターンを用いて距離を算出することができるため、より正確に半田の高さを算出することができる。

一実施形態として、半田高さ算出手段は、半田を塗布された後の状態の基板において、配線パターンの画像を撮像手段により取得して、配線パターンの高さを計測する配線高さ計測手段と、配線高さ計測手段により計測された配線パターンの高さに基づいて、配線パターンにおける基板の近似曲面を算出する近似曲面算出手段と、半田を塗布された後の状態の基板において、基板のランド上に塗布された半田の画像を撮像手段により取得して、半田を含むランドの高さを計測する半田ランド高さ計測手段とを含み、近似曲面算出手段により算出された配線パターンにおける基板の近似曲面と、半田ランド高さ計測手段により計測された半田を含むランドの高さと、距離算出手段により算出された距離とを用いて、半田の高さを計測する。こうすることにより、半田塗布後の基板において、配線パターンにおける基板の近似曲面を算出して、半田の高さを計測する。したがって、半田塗布前の基板の状態と半田塗布後の基板の状態とが変化していた場合であっても、正確に半田の高さを算出することができる。

この発明の他の局面においては、基板上の部材の三次元形状を計測する三次元形状計測方法に関する。基板は、半田が塗布される領域であるランドを含むものである。三次元形状計測方法は、半田が塗布される前の状態の基板において、ランドに接続されている所定の領域における所定の基準面からの高さに基づくものである、所定の領域における基板の高さ分布と、半田が塗布される前の状態の基板において、所定の領域内のランドにおける所定の基準面からの高さとの距離を記憶するステップと、記憶された距離を用いて、基板のランド上に塗布された半田の高さを算出するステップとを備える。

こうすることにより、所定の領域の高さに基づくものである、所定の領域における基板の高さ分布と、ランドの高さとの距離を記憶する。この場合、所定の領域における基板の高さ分布は、例えば基板に反りや撓みが発生した場合であっても、その反りや撓みによる変化を含めたものとなる。その結果、記憶した距離は、基板の歪みによる影響を抑えたものなる。そして、半田の高さを算出する際には、例えば基板に半田を塗布した後、基板に歪みが発生した場合であっても、このような歪みの影響を抑えた距離を用いることができるため、正確に半田の高さを算出することができる。

この発明によれば、三次元形状計測装置は、所定の領域の高さに基づいて、所定の領域における基板の高さ分布を算出し、この算出した基板の高さ分布とランドの高さとの距離を算出する。この場合、所定の領域における基板の高さ分布は、例えば基板に反りや撓みが発生した場合であっても、その反りや撓みによる変化を含めたものとなる。その結果、算出した距離は、基板の歪みによる影響を抑えたものなる。そして、半田の高さを算出する際には、例えば基板に半田を塗布した後、基板に歪みが発生した場合であっても、このような歪みの影響を抑えた距離を用いることができるため、正確に半田の高さを算出することができる。

この発明の一実施形態に係る三次元形状計測装置の一例を示す概略構成図である。 図１に示す三次元形状計測装置のブロック図である。 半田塗布前の基板の状態を示す図である。 半田塗布後の基板の状態を示す図である。 はんだ付けの検査の際の三次元形状計測装置の状態を示す模式図である。 検査を実施する際の全体の流れを示すフローチャートである。 ティーチング過程における処理を示すフローチャートである。 半田塗布前の基板において、配線パターンの近似面を作成する際の処理を示すフローチャートである。 半田塗布前の基板において、ランドの近似面を作成する際の処理を示すフローチャートである。 オフセットを算出する際の処理を示すフローチャートである。 検査過程における処理を示すフローチャートである。 検査を実施する際のＣＰＵにおける機能を示す機能ブロック図である。 分割された検査ブロックの一例を示す図である。 基板を厚み方向に切断した場合の断面を模式的に示した図であって、平面に近似される面を作成される基板の例を示している。 基板を厚み方向に切断した場合の断面を模式的に示した図であって、曲面に近似される面を作成される基板の例を示している。 検査ブロック上において、配線パターンの領域を抽出した状態を示す図である。 図１６に示す抽出した配線パターンの領域の中から、オフセット算出用の領域を選択した状態を示す図である。 検査ブロック上において、ランドの領域を抽出した状態を示す図である。 配線パターンの近似面Ｓｒとランドの近似面Ｓｌとオフセットである距離とを示す図である。 計測点Ｐにおけるｚ−ｘ断面図である。 計測点Ｐにおけるｚ−ｘ断面図である。 図２１の半田およびランドの部分を拡大した図であって、接線Ｌａと角度θとを示す図である。 交点Ｍ、Ｎを示す図である。 ＢＧＡを含む基板を示す平面図である。 平面図Ｃ−Ｃにおける断面を模式的に示した図である。 半田を塗布する前の基板（ａ）と、半田を塗布した後の基板（ｂ）とを示す図であって、基板を厚み方向に切断した場合の断面を模式的に示した図である。

以下、図面を参照して、この発明の一実施形態に係る三次元形状計測装置について説明する。図１は、この発明の一実施形態に係る三次元形状計測装置１０の一例を示す概略構成図である。図２は、図１に示す三次元形状計測装置１０のブロック図である。図１および図２を参照して、三次元形状計測装置１０は、計測する計測対象１５の表面に光パタンを投影する投光部１１と、光パタンが投影された計測対象１５を撮像し、その画像を取得する撮像部１２と、撮像部１２によって撮像された画像に含まれる光パタンを解析する画像解析・駆動制御部１３と、計測対象１５を水平移動させる搬送部１４とを備える。

投光部１１は、計測対象１５の表面に光パタンを投影する。投光部１１は、光を照射する光源２２と、投光レンズ２４と、光源２２から照射された光にパタンを持たせるためのパタン生成素子２６と、光線を透過または遮光することで光パタンを照射する光パタン照射領域１６および光パタン非照射領域１７の境界を明確にするための光線分離部２７とを備える。なお、この実施形態では、投影する光パタンとして、正弦波状のものを用いる。また、投光部１１は、その光軸が撮像部１２の光軸に対して所定の角度を有するように設けられている。これにより、計測対象１５に投影した光パタンのずれに基づいて、計測対象１５の高さを算出する。

撮像部１２は、光パタンが投影された計測対象１５を撮像して、その画像を取得する。撮像部１２は、ラインセンサ４０と、撮像レンズ４１とを備える。

画像解析・駆動制御部１３は、撮像部１２によって撮像された画像に含まれる光パタンを縞解析法によって解析し、計測対象１５の三次元形状を算出すると共に、コントローラ４２に各種指示を行う。また、画像解析・駆動制御部１３は、撮像部１２からの画像をデジタルデータで取り込むキャプチャボード４３と、各種の制御を行うＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）４４と、各種の情報を記憶するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）４５とを備える。

搬送部１４は、ラインセンサ４０の主走査方向（長手方向）、および主走査方向と垂直な方向（以下「副走査方向」という）に計測対象１５を水平移動させる。搬送部１４は、計測対象１５を載置するための搬送ステージ４６と、搬送ステージ４６を駆動するサーボモータ４７とを備える。三次元形状計測装置１０は、搬送部１４により計測対象１５を副走査方向（図１中の矢印の方向）に移動させつつラインセンサ４０により逐次撮像することによって、計測対象１５全体の三次元形状を計測することが可能になる。

ここで、撮像部１２のラインセンサ４０は、その主走査方向の軸が搬送ステージ４６の計測面と平行で、かつ、搬送方向と垂直になるように設けられている。このようにラインセンサ４０の光軸と搬送ステージ４６の計測面とを平行にすることにより、計測対象１５の上面を均一な倍率で撮像することができる。また、ラインセンサ４０の光軸と搬送方向とを垂直にしているので、搬送しながら撮影した複数のライン画像からなる２次元画像には、直角部分が直角部分として撮像される。

ここで、三次元形状計測装置１０の動作について説明する。まず、画像解析・駆動制御部１３からコントローラ４２を介しての命令によって、搬送部１４のサーボモータ４７が搬送ステージ４６を初期設定位置にセットする。この初期設定位置は、撮像部１２が計測対象１５を撮像する際の副走査方向の撮像開始位置を決定するものであり、撮像部１２の撮像領域が、搬送部１４の搬送ステージ４６に載せられた計測対象１５の副走査方向における端部に来るような位置であることが好ましい。

そして、投光部１１が計測対象１５に光パタンを投影する。撮像部１２は、光パタンが投影された計測対象１５を走査し、この計測対象１５の画像を取得する。撮像部１２によって取得された画像は、画像解析・駆動制御部１３に送信され、キャプチャボード４３によってデジタルデータに変換される。そして、ＣＰＵ４４が光パタンを解析することによって、計測対象１５の高さ情報が算出される。また、画像中の光パタンを解析する際に、空間縞解析法を用いてよい。

なお、詳細な計測対象１５の高さ情報の算出方法は公知であり、例えば、特開２００９−３１１０５号公報、および特開２００７−１１４０７１号公報に記載の方法を利用することができる。

ここで、このような三次元形状計測装置１０を用いて、基板に塗布された半田の高さを計測して、はんだ付けの検査を実施する場合について説明する。まず、基板について説明する。図３は、半田塗布前の基板２５の状態を示す図であって、平面図と、平面図Ａ−Ａにおける断面図とを示している。図４は、半田塗布後の基板２５の状態を示す図であって、平面図と、平面図Ｂ−Ｂにおける断面図とを示している。なお、図３および図４においては、基板２５の一部を示している。図３および図４を参照して、基板２５上には、銅箔や金などの導電性の材料から形成され、半田を塗布する箇所であるランド３０と、内部に導電線を有する配線パターン３１と、基板２５の厚み方向に貫通するスルーホール３２と、基板２５の品番等を示す文字等であるシルク３３と、基板２５のランド３０や配線パターン３１以外の箇所であり絶縁性の材料から形成されるレジスト３４とを含む。

ランド３０と配線パターン３１とは、基板２５内部の導電線等で接続された状態であって、基板２５の上面２５ａからのそれぞれの高さ（図３中のＬ、Ｒで示す線）は、平行と見なせる。そして、図４に示すように、ランド３０に半田２９が塗布される。

次に、はんだ付けの検査の際の三次元形状計測装置１０の状態について説明する。図５は、はんだ付けの検査の際の三次元形状計測装置１０の状態を示す模式図である。図５を参照して、搬送ステージ４６の計測面上（図５においては図示せず）に、計測対象１５として、基板掴持部４８に両端を挟まれて固定された状態の基板２５が載置される。この基板掴持部４８の両側の高さは水平である。このとき、高さを計測する際の基準となる所定の基準面は、基板２５の撮像部１２側の上面２５ａと接する基板掴持部４８の面４８ａである。図５中の点線でこの基準面４８ａを示している。そして、計測する高さは、基準面４８ａから撮像部１２側に向かう方向を正に取った値である。すなわち、基準面４８ａが高さ０点となる。例えば、基板２５上の部材３１における点Ｑまでの高さは、図５中のｈで示される値となる。

ここで、基板２５に塗布された半田２９の高さを計測して、半田２９の高さを検査する場合について説明する。図６は、検査を実施する際の全体の流れを示すフローチャートである。図７は、ティーチング過程における処理を示すフローチャートである。図８は、半田塗布前の基板２５において、配線パターンの近似面を作成する際の処理を示すフローチャートである。図９は、半田塗布前の基板２５において、ランドの近似面を作成する際の処理を示すフローチャートである。図１０は、オフセットを算出する際の処理を示すフローチャートである。図１１は、検査過程における処理を示すフローチャートである。図１２は、検査を実施する際のＣＰＵ４４における機能を示す機能ブロック図である。図６〜図１２を参照して説明する。

まず、図６を参照して、三次元形状計測装置１０は、半田２９の高さを検査するにあたり、基板２５の名称や基板２５のサイズ等の基板情報の入力をＲＡＭ４５等から受け付ける。また、基板２５上の検査を実施する領域である検査ブロックの情報の入力を受け付ける（図６において、ステップＳ１１、以下ステップを省略する）。ここで、ＣＰＵ４４は、設計情報取得機能５０として作動する。そして、搬送部１４により、図３に示すような半田塗布前の基板２５、すなわちベアボード（生基板）が所定の位置に搬入され（Ｓ１２）、ティーチング工程を行う（Ｓ１３）。ティーチング工程では、半田２９の高さを計測するための基準を設定する。なお、ティーチング工程の詳細については、後述する。

そして、ティーチング工程を終了すると、半田２９が塗布される。その後、搬送部１４により、図４に示すような半田塗布後の基板２５が所定の位置に搬入されて（Ｓ１４）、半田２９の高さを検査する（Ｓ１５）。なお、検査の詳細については、後述する。このようなＳ１４〜Ｓ１５の処理は、基板毎に繰り返し実施されることとなる。

次に、図７を参照して、Ｓ１３におけるティーチング工程について説明する。まず、搬入されたベアボードに対して、撮像部１２によりベアボードの画像を撮影する。ここで、撮像部１２は、画像取得機能５１、すなわち撮像手段として作動する。そして、撮影した画像を所定の大きさで分割して複数のブロックとし、その１つのブロックを、検査を実施する検査ブロックとする（Ｓ２１）。なお、この画像の分割の数等は、例えば、予め設定されたデータを利用するものであってもよいし、ユーザが手動で設定してもよいし、他の方法であってもよい。図１３は、分割された検査ブロック３５の一例を示す図である。図１３を参照して、検査ブロック３５には、配線パターン３５ａやランド３５ｃが含まれている。

そして、検査ブロック３５において、配線パターンの近似面を作成する（Ｓ２２）。この近似面は、平面または２次曲面（以下、「曲面」という）である。図１４は、基板を厚み方向に切断した場合の断面を模式的に示した図であって、平面に近似される面を作成される基板４９ａの例を示している。図１５は、基板を厚み方向に切断した場合の断面を模式的に示した図であって、曲面に近似される面を作成される基板４９ｂの例を示している。図１５を参照して、曲面の場合には、基板４９ｂに例えば微小な反りや撓み等が生じている状態である。このような微小な反りや撓みは、１つの検査ブロック３５に収まる基板の画像の範囲が広い場合に生じるものである。この実施形態では、曲面を採用し、近似面として近似曲面を作成する。

ここで、配線パターンの近似面Ｓｒは、以下の式で表される。なお、ａ〜ｆは、係数である。

なお、配線パターンの近似面Ｓｒの作成処理の詳細については、後述する。

また、検査ブロック３５において、ランドの近似面を作成する（Ｓ２３）。ここで、ランドの近似面Ｓｌは、以下の式で表される。なお、ａ〜ｅ、ｇは、係数であり、ａ〜ｅは、配線パターンの近似面Ｓｒと同じ係数である。

配線パターンの近似面Ｓｒとランドの近似面Ｓｌとは、平行と見なせる。なお、ランドの近似面の作成処理の詳細については、後述する。

そして、作成した配線パターンの近似面Ｓｒとランドの近似面Ｓｌとに基づいて、オフセットを算出する（Ｓ２４）。このオフセットは、半田２９の高さを計測する際に用いる値である。そして、算出したオフセットをＲＡＭ４５に記録する（Ｓ２５）。なお、オフセットの算出処理の詳細については、後述する。このようなＳ２２〜Ｓ２５の処理は、複数の検査ブロック毎に繰り返し実施される。

次に、図８を参照して、Ｓ２２における配線パターンの近似面の作成処理について説明する。まず、Ｓ２１および図１３に示すように、検査ブロック３５の画像を取得すると（Ｓ３１）、配線パターンの領域を抽出する（Ｓ３２）。ここで、ＣＰＵ４４は、配線パターン抽出機能５３として作動する。図１６は、検査ブロック３５上において、配線パターンの領域３５ａを抽出した状態を示す図である。図１６を参照して、配線パターンの領域３５ａをハッチングで示している。そして、抽出した配線パターンの領域３５ａの中から、オフセット算出用の領域を選択する。図１７は、図１６に示す抽出した配線パターンの領域３５ａの中から、オフセット算出用の領域３５ｂを選択した状態を示す図である。図１７を参照して、このオフセット算出用の領域３５ｂをハッチングで示している。ここで、領域の選択は、ランド３５ｃの周囲を取り囲むようにして配置されている領域を選択する。また、検査ブロック３５内に位置するランド３５ｃに近い領域だけでなく、ランド３５ｃから離れた領域も含めるように選択する。また、６地点を含めるように選択する。すなわち、近似面を作成するための条件を満たすように選択する。そして、条件を満たすと判断すれば（Ｓ３３において、ＹＥＳ）、選択したオフセット算出用の領域３５ｂの高さを計測する（Ｓ３４）。ここで、ＣＰＵ４４は、領域高さ計測手段として作動し、オフセット算出用の領域３５ｂが所定の領域となる。

そして、選択したオフセット算出用の領域３５ｂの位置、すなわちｘ位置、ｙ位置、およびｚ位置を示す座標（ｘ、ｙ、ｚ）を用いて、配線パターンの近似面Ｓｒの係数（ａ〜ｆ）を算出する（Ｓ３５）。ここで、この座標（ｘ、ｙ）は、撮像部１２で撮影した際に得た画像上の値であり、座標（ｚ）がＳ３４において計測した値である。これにより、配線パターンの近似面Ｓｒを作成する。すなわち、配線パターンの近似面Ｓｒとは、配線パターンの高さ分布を表すものである。ここで、ＣＰＵ４４は、近似面算出機能５６、すなわち分布算出手段として作動する。

なお、Ｓ３３において、条件を満たさない場合には（Ｓ３３において、ＮＯ）、Ｓ３１において取得する画像の領域を拡大し、再度、Ｓ３２からの処理を行う（Ｓ３６）。ここで、ＣＰＵ４４は、画像拡張判定機能５２として作動する。

次に、図９を参照して、Ｓ２３におけるランドの近似面の作成処理について説明する。まず、上記した配線パターンの近似面の作成処理Ｓ３１と同様に、検査ブロック３５の画像を取得すると（Ｓ４１）、ランドの領域を抽出する（Ｓ４２）。ここで、ＣＰＵ４４は、ランド抽出機能５４として作動する。なお、Ｓ３６において、画像の領域を拡大した場合には、ここでも同様に、画像の領域を拡大した状態でランドの領域を抽出する。図１８は、検査ブロック３５上において、ランドの領域３５ｃを抽出した状態を示す図である。図１８を参照して、ランドの領域３５ｃをハッチングで示している。そして、抽出したランドの領域３５ｃの高さを計測する（Ｓ４３）。ここで、ＣＰＵ４４は、ランド高さ計測手段として作動する。

そして、配線パターンの近似面Ｓｒの係数（ａ〜ｆ）のうち、同じ係数である（ａ〜ｅ）を読み出し（Ｓ４４）、抽出したランド領域３５ｃの位置、すなわちｘ位置、ｙ位置、およびｚ位置を示す座標（ｘ、ｙ、ｚ）を用いて、ランドの近似面Ｓｌの係数（ｇ）を算出する（Ｓ４５）。この座標（ｘ、ｙ）は、撮像部１２で撮影した際に得た画像上の値であり、座標（ｚ）がＳ４３において計測した値である。これにより、ランドの近似面Ｓｌを作成する。ここで、配線パターンの近似面Ｓｒの高さ方向を示す係数（ｆ）以外が、ランドの近似面Ｓｌと同じであり、配線パターンの近似面Ｓｒとランドの近似面Ｓｌとは、平行である。

次に、図１０を参照して、Ｓ２４におけるオフセットの算出処理について説明する。まず、Ｓ３５において算出した配線パターンの近似面Ｓｒの係数（ａ〜ｆ）を読み出す（Ｓ５１）。また、Ｓ４４およびＳ４５において算出したランドの近似面Ｓｌの係数（ａ〜ｅ、ｇ）を読み出す（Ｓ５２）。そして、配線パターンの近似面Ｓｒとランドの近似面Ｓｌとの距離（差）を算出する（Ｓ５３）。この距離をオフセット（ＯｆｆＬ）とし、オフセットをＲＡＭ４５に記録する（Ｓ５４）。ここで、ＣＰＵ４４は、ランドオフセット算出機能５８、すなわち距離算出手段として作動する。また、ＲＡＭ４５は、ランドオフセット記録機能６１として作動する。図１９は、基板２５を厚み方向に切断した場合の断面を模式的に示した図であって、配線パターンの近似面Ｓｒを二点鎖線で示し、ランドの近似面Ｓｌを三点鎖線で示し、オフセットである距離ＯｆｆＬを示している。図１９を参照して、配線パターンのオフセット算出用の領域３５ｂにおいて配線パターンの近似面Ｓｒ（配線パターンの高さの分布）が算出されて、ランドの領域３５ｃにおいてランドの近似面Ｓｌ（ランドの高さの分布）が算出される。

次に、図１１を参照して、半田２９の高さの検査について説明する。まず、基板２５には、半田２９が塗布されている状態である。そして、基板２５には、半田塗布前とは異なる歪みや傾き等が発生している場合がある。このような半田塗布後の基板２５が、Ｓ１４において搬送されると、図１２のＳ２１と同じ位置の検査ブロックを取得する（Ｓ６１）。このときの検査ブロックは、例えば、塗布された半田２９上の計測点Ｐを含むものとする。図２０は、取得した基板２５の検査ブロックを厚み方向に切断した場合の断面を模式的に示した図であって、半田２９上の計測点Ｐにおけるｚ−ｘ断面図である。ｘ軸が紙面の左右方向（主走査方向）を示し、ｚ軸が高さ方向を示し、ｙ軸は紙面の表裏方向（副走査方向）となる。そして、取得した検査ブロックにおいて、配線パターンの高さを計測して、配線パターンの近似面ＳＲを作成する（Ｓ６２）。なお、配線パターンの近似面ＳＲの詳細な作成方法は、上記した図８と同様であるため、説明は省略する。ここで、ＣＰＵ４４は、配線高さ計測手段、および近似曲面算出手段として作動する。図２０において、配線パターンの近似面ＳＲを点線で示している。なお、ランドの近似面ＳＬは、配線パターンの近似面ＳＲに平行であり、配線パターンの近似面ＳＲに平行なランドの近似面ＳＬを一点鎖線で示している。

そして、検査ブロックにおいて、半田領域を抽出し（Ｓ６３）、Ｓ５４においてＲＡＭ４５に記憶したオフセット（ＯｆｆＬ）を読み出す（Ｓ６４）。ここで、ＣＰＵ４４は、半田抽出機能５５、およびランドオフセット読み込み機能６２として作動する。そして、抽出した半田領域において、半田２９の高さを計算する（Ｓ６５）。ここで、ＣＰＵ４４は、ＣＰＵ４４は、高さ計測機能５７、ランドオフセット減算機能５９、すなわち半田高さ算出手段として作動する。そして、計算した結果に基づいて、半田の良、不良を検査する。ここで、ＣＰＵ４４は、検査機能６０として作動する。

ここで、Ｓ６５における半田２９の高さの計算方法について、具体的に説明する。この場合、Ｓ６３において、抽出した半田領域には、計測点Ｐが含まれているものとし、計測点Ｐにおける半田２９の高さの計算方法について説明する。図２１は、図２０と同様に計測点Ｐにおけるｚ−ｘ断面図である。図２０と同様に、ｘ軸が紙面の左右方向（主走査方向）を示し、ｚ軸が高さ方向を示し、ｙ軸は紙面の表裏方向（副走査方向）となる。そして、計測点Ｐと撮像部１２とを通る線ｌ上において、配線パターンの近似面ＳＲとの交点をＡとし、ランドの近似面ＳＬとの交点をＢとし、高さ０点、すなわちｘ軸との交点をＣとする。そして、点Ａ、点Ｐ、点Ｂ、および点Ｃのｘ位置およびｙ位置を座標（Ｘｐ、Ｙｐ）とする。

まず、ＡＣの長さを算出する。ここで、点Ａは、配線パターンの近似面ＳＲ上の点であるため、（ｘ、ｙ）に（Ｘｐ、Ｙｐ）を代入して、ＡＣの長さは、以下の式より算出される。

このとき、ＺａがＡＣの長さとなる。

また、ＰＣの長さを算出する。すなわち、計測点Ｐの高さを計測する。計測点Ｐは、半田２９上の点であって、この半田２９はランド３５ｃ上に塗布されるものである。したがって、計測点Ｐの高さは、半田２９を含むランド３５ｃの高さである。ここで、ＣＰＵ４４は、半田ランド高さ計測手段として作動する。

そして、配線パターンの近似面ＳＲ上の点Ａにおける接線Ｌａとｘ軸とでなす角度θを算出する。図２２は、図２１の半田２９およびランド３５ｃの部分を拡大した図であって、接線Ｌａと角度θとを示す図である。ここで、接線Ｌａは、座標（Ｘｐ、Ｙｐ）における接線であるため、接線Ｌａの傾き（ｔａｎθ）は、配線パターンの近似面ＳＲの式を偏微分し、（ｘ、ｙ）に（Ｘｐ、Ｙｐ）を代入することにより得ることができる。なお、ランドの近似面ＳＬ上の点Ｂにおける接線Ｌｂとｘ軸とでなす角度も同じθであり、ランドの近似面ＳＬの式を偏微分しても同じ結果となる。偏微分した結果を以下に示す。

この式に、（ｘ、ｙ）に（Ｘｐ、Ｙｐ）を代入すると以下のようになり、角度θを算出することができる。

また、計測点Ｐを通り、接線Ｌａ、Ｌｂに平行な直線をＬｐとし、点Ａを通り、Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｐに垂直な直線をＬｔとし、ＬｐとＬｔとの交点をＭとし、ＬｂとＬｔとの交点をＮとする。図２３は、交点Ｍ、Ｎを示す図である。

そして、半田２９の高さをＤとすると、Ｄ＝ＡＮ−ＡＭで算出する。すなわち、この場合、半田２９の高さＤを計測するための基準は、オフセットから算出されるランドの高さとなる。ここで、ＡＮの長さは、Ｓ６４で読み出したＯｆｆＬの値であり、ＡＭの長さは、ＡＰｃｏｓθであり、ＡＰの長さは、ＡＣ−ＰＣで算出することができる。その結果、Ｄは、以下の式で算出されることとなる。

なお、このようなＳ６２〜Ｓ６５の処理は、複数の検査ブロック毎に繰り返し実施される。

このように、この発明に係る三次元形状計測装置１０は、所定の領域、ここでは、配線パターンの高さに基づいて、所定の領域における高さ分布を算出し、この算出した高さ分布とランドの高さとの距離（オフセット）を算出する。この場合、所定の領域における高さ分布は、例えば基板２５に反りや撓みが発生した場合であっても、その反りや撓みによる変化を含めたものとなる。その結果、算出した距離は、基板２５の歪みによる影響を抑えたものなる。そして、半田２９の高さを算出する際には、例えば基板２５に半田２９を塗布した後、基板２５に歪みが発生した場合であっても、このような歪みの影響を抑えた距離を用いることができるため、正確に半田２９の高さを算出することができる。

また、この場合、オフセットは、配線パターンとランドとの両方を考慮して算出された値であるため、従来のように配線パターンのみから算出されることなく、正確に半田２９の高さを算出することができる。

また、この場合、半田塗布前の基板２５においてオフセットを算出し、半田塗布後の基板２５において、再度配線パターンにおける基板２５の近似面を算出して、半田２９の高さを計測する。したがって、半田塗布前の基板２５の状態と半田塗布後の基板２５の状態とが変化していた場合であっても、正確に半田２９の高さを算出することができる。

また、この場合、半田２９のみを高さを算出することができ、工業規格等に定められた定量的な半田量を検査に採用することができ、検査を適切に行うことができる。

また、基板２５の反りや撓みは、一般的に基板２５毎に異なるものである。しかしながら、この場合、基板２５毎にオフセットを算出して、半田２９の高さを算出することができ、基板２５毎に正確に半田２９の高さを算出することができる。

なお、上記の実施の形態においては、２次曲面の例について説明したが、これに限ることなく、平面や他の形状の面にも適用することができる。この場合、（１）で示したＳ２２における配線パターンの近似面Ｓｒ、および（２）で示したＳ２３におけるランドの近似面Ｓｌは、以下の式で示すことができる。

そして、ＡＣの長さを算出する際の（ｘ、ｙ）に（Ｘｐ、Ｙｐ）を入力すると、以下の式で示すことができる。

そして、（５）および（６）で示した配線パターンの近似面ＳＲ上の点Ａにおける接線Ｌａとｘ軸とでなす角度θを算出する際の式は、以下の式で示すことができる。

なお、上記の実施の形態においては、所定の領域として、配線パターンを採用する例について説明したが、これに限ることなく、例えば、ランドの近傍のレジストの領域であってもよいし、他の領域であってよい。

また、上記の実施の形態においては、撮像部１２により撮像した画像を取得して、配線パターンの高さやランドの高さを計測することにより、オフセットを算出し、この算出したオフセットを用いて、半田の高さを算出する例について説明したが、これに限ることなく、例えば、予めオフセットの値をユーザにより設定されることにより、この設定されたオフセットを用いて、半田の高さを算出することとしてもよい。

以上、図面を参照してこの発明の実施形態を説明したが、この発明は、図示した実施形態のものに限定されない。図示された実施形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。

この発明は、半田の高さの計測が必要となる場合に、有効に利用される。

１０ 三次元形状計測装置、１１ 投光部、１２ 撮像部、１３ 画像解析・駆動制御部、１４ 搬送部、１５ 計測対象、１６ 光パタン照射領域、１７ 光パタン非照射領域、２２ 光源、２４ 投光レンズ、２５，４９ａ，４９ｂ 基板、２５ａ 面、２６ パタン生成素子、２７ 光線分離部、２９ 半田、３０ ランド、３１ 配線パターン、３２ スルーホール、３３ シルク、３４ レジスト、３５ 検査ブロック、３５ａ 配線パターンの領域、３５ｂ オフセット算出用の領域、３５ｃ ランドの領域、４０ ラインセンサ、４１ 撮像レンズ、４２ コントローラ、４３ キャプチャボード、４４ ＣＰＵ、４５ ＲＡＭ、４６ 搬送ステージ、４７ サーボモータ、４８ 基板掴持部、４８ａ 基準面、５０ 設計情報取得機能、５１ 画像取得機能、５２ 画像拡張判定機能、５３ 配線パターン抽出機能、５４ ランド抽出機能、５５ 半田抽出機能、５６ 近似面算出機能、５７ 高さ計測機能、５８ ランドオフセット算出機能、５９ ランドオフセット減算機能、６０ 検査機能、６１ ランドオフセット記録機能、６２ ランドオフセット読み込み機能。

Claims (5)

1. 基板上の部材に投影された光パタンを解析することによって、基板上の部材の三次元形状を計測する三次元形状計測装置であって、
   基板は、半田が塗布される領域であるランドと、前記ランドの周囲を取り囲むように前記基板の上面に配置される所定の領域とを含み、
   前記三次元形状計測装置は、
   光パタンが投影された基板上の部材を撮像し、画像として取得する撮像手段と、
   半田が塗布される前の状態の基板における、所定の基準面を基準とした前記所定の領域における高さ分布と前記ランドの高さ分布との距離を、ランドオフセットとして記憶する記憶手段と、
   前記記憶手段に記憶された前記ランドオフセットを用いて、基板のランド上に塗布された半田の、当該ランドからの高さを計測する半田高さ計測手段とを備え、
   前記半田高さ計測手段は、
   半田を塗布された後の状態の基板において、前記所定の領域の画像を前記撮像手段により取得して、前記所定の基準面からの前記所定の領域の高さを計測し、計測した前記所定の領域の高さに基づいて、前記所定の領域における高さ分布を算出する塗布後領域高さ分布算出手段と、
   半田を塗布された後の状態の基板において、前記ランド上に塗布された半田の画像を前記撮像手段により取得して、前記所定の基準面からの、半田を含むランドの高さを計測する塗布後ランド高さ計測手段と、
   前記塗布後領域高さ分布算出手段により算出された前記所定の領域における高さ分布と、前記塗布後ランド高さ計測手段により計測された半田を含むランドの高さと、前記記憶手段に記憶された前記ランドオフセットとを用いて、半田の高さを算出する半田高さ算出手段とを含む、三次元形状計測装置。
2. 半田が塗布される前の状態の基板において、前記所定の領域の画像を取得して、前記所定の基準面からの前記所定の領域の高さを計測し、計測した前記所定の領域の高さに基づいて、前記所定の領域における高さ分布を算出する塗布前領域高さ分布算出手段と、
   半田が塗布される前の状態の基板において、前記ランドの画像を取得して、前記所定の基準面からの前記ランドの高さを計測し、計測した前記ランドの高さと前記塗布前領域高さ分布算出手段により算出された前記所定の領域における高さ分布とに基づいて、前記ランドの高さ分布を算出する塗布前ランド高さ分布算出手段と、
   前記塗布前領域高さ分布算出手段により算出された前記所定の領域における高さ分布と、前記塗布前ランド高さ分布算出手段により算出された前記ランドの高さ分布との距離を算出する距離算出手段とをさらに備え、
   前記記憶手段は、前記距離算出手段により算出された距離を、前記ランドオフセットとして記憶する、請求項１に記載の三次元形状計測装置。
3. 前記所定の領域における高さ分布とは、前記所定の領域における前記所定の基準面からの高さを近似の曲面で表したものであり、
   前記ランドの高さ分布とは、前記所定の基準面からの前記ランドの高さを、前記所定の領域における近似曲面と平行な近似曲面で表したものである、請求項１または２に記載の三次元形状計測装置。
4. 前記所定の領域は、ランドの周囲を取り囲むようにして配置され、ランドに接続する導電線を有する配線パターンである、請求項１〜３のいずれかに記載の三次元形状計測装置。
5. 基板上の部材の三次元形状を計測する三次元形状計測方法であって、
   基板は、半田が塗布される領域であるランドと、前記ランドの周囲を取り囲むように前記基板の上面に配置される所定の領域とを含むものであり、
   半田が塗布される前の状態の基板において、所定の基準面を基準とした前記所定の領域における高さ分布と前記ランドの高さ分布との距離を、ランドオフセットとして記憶するステップと、
   記憶された前記ランドオフセットを用いて、基板のランド上に塗布された半田の、当該ランドからの高さを計測する計測ステップとを備え、
   前記計測ステップは、
   半田を塗布された後の状態の基板において、前記所定の基準面からの前記所定の領域の高さを計測し、計測した前記所定の領域の高さに基づいて、前記所定の領域における高さ分布を算出するステップと、
   半田を塗布された後の状態の基板において、前記所定の基準面からの、半田を含むランドの高さを計測するステップと、
   算出された前記所定の領域における高さ分布と、計測された半田を含むランドの高さと、記憶された前記ランドオフセットとを用いて、半田の高さを算出するステップとを含む、三次元形状計測方法。

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