JPH0814846A

JPH0814846A - 半田接合部の検査装置

Info

Publication number: JPH0814846A
Application number: JP14770094A
Authority: JP
Inventors: Toru Ishigame; 徹石亀; Toshihiko Omachi; 敏彦大町; Yoshiyuki Hashizume; 義之橋爪
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1994-06-29
Filing date: 1994-06-29
Publication date: 1996-01-19
Anticipated expiration: 2017-03-04
Also published as: JP3262150B2

Abstract

(57)【要約】【目的】しきい値を設けることなく半田接合部の良否
を大局的に判定できる半田接合部の検査装置を実現す
る。【構成】照明手段により、検査対象とする半田接合部
の傾斜面の角度に応じて連続的に輝度が変化する撮像画
像を得る。この撮像画像に対して複数の抽出領域を定義
し、各抽出領域の平均光量を求め、これらの平均光量を
多変量データとして扱い、多変量データを見本毎に設け
た確率密度関数に代入し、確率が最も高い見本に検査対
象の半田接合部が所属すると判定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、プリント基板上に形成
された半田接合部の外観形状を検出することにより、半
田接合部に欠陥があるかどうかを検査する半田接合部の
検査装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来における半田接合部の検査装置に
は、半田接合部を撮像した濃淡画像の度数分布や相関、
あるいは２値処理をした後の画像の面積値を求め、これ
らを予め設定したしきい値と比較することにより、半田
接合部に欠陥があるかどうかを判定していた。しかし、
従来例では、半田接合部の立体形状を抽出するのに必要
な画像の局所的部分の画像データに対して、多岐にわた
った基準をもとに判定を繰り返すために、検査パラメー
タが多くなり、良否の判定基準を一意的に定めるのが難
しいという問題点があった。上述した従来例は、例えば
以下の公報等に開示されている。特開昭６２−２１５８５４号公報特開昭６３−１９６９８０号公報特開昭６３−３０４１０９号公報特開平１−２１９５４８号公報特開平２−４４２３４号公報

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明はこのような問
題点を解決するためになされたものであり、半田接合部
の立体形状を抽出するのに必要な複数の画像領域の平均
光量を求め、この平均光量を多変量データとして扱い、
予め立体形状の見本毎に用意しておいた確率密度関数に
多変量データを代入して判定を行うことにより、しきい
値を設けることなく半田接合部の良否を大局的に判定で
きる半田接合部の検査装置を実現することを目的とす
る。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、プリント基板
上に形成された半田接合部の欠陥の有無を外観上から検
査する半田接合部の検査装置において、リング形光源と
拡散板を有し、前記拡散板は円筒形を成し前記リング形
光源の内側に配置されていて、リング形光源の照射光を
拡散板の端面より入光し、入光した光に拡散板の内面を
全反射及び拡散反射させ、拡散板から外界に出射する光
の輝度を拡散板の長さ方向に沿って減衰させていき、拡
散板の内周面から出射した光を前記半田接合部に照射
し、半田接合部で反射されて拡散板の長さ方向に進む反
射光の輝度を反射位置の傾斜角に応じて連続的に変化さ
せる照明手段と、拡散板の長さ方向に進む反射光を受け
て半田接合部の反射光像を撮像する撮像手段と、この撮
像手段の撮像画像の中で、半田接合部の立体形状の特徴
を抽出するのに必要な領域である抽出領域を複数個定義
する領域定義手段と、各抽出領域の中にある撮像画像の
平均光量を求める光量算出手段と、半田接合部の立体形
状の良品と不良品とを含んだ複数の見本について、各抽
出領域の平均光量からなる多変量データを変数として、
半田接合部が見本に所属する確率の分布を示した確率密
度関数を見本毎に生成する関数生成手段と、この関数生
成手段で生成した各見本毎の確率密度関数を記憶する関
数記憶手段と、検査対象の半田接合部について前記光量
算出手段により求めた多変量データを各確率密度関数に
代入し、各見本毎に検査対象の半田接合部が所属する確
率を求め、最も高い確率をとる見本に検査対象の半田接
合部の形状が所属するものと判断し、判断した見本に応
じて半田接合部の欠陥の有無を判定する判定手段と、を
具備したことを特徴とする半田接合部の検査装置であ
る。

【０００５】

【作用】このような本発明では、照明手段により、検査
対象とする半田接合部の傾斜面の角度に応じて連続的に
輝度が変化する撮像画像を得る。この撮像画像に対して
複数の抽出領域を定義し、各抽出領域の平均光量を求
め、これらの平均光量を多変量データとして扱い、多変
量データを見本毎に設けた確率密度関数に代入し、確率
が最も高い見本に検査対象の半田接合部が所属すると判
定する。

【０００６】

【実施例】以下、図面を用いて本発明を説明する。図１
乃至図６に関する説明は、本出願人による特願平５−１
２３９９２号の出願明細書の記載と同じである。図１は
本発明の一実施例の概略構成図である。図１において、
１はプリント基板、２はプリント基板１上に装着された
実装部品である。実装部品２は半田によりプリント基板
１に接合されていて、半田接合部が検査対象となる。３
はプリント基板１が載置されていて基板面に沿った２次
元方向にプリント基板１を移動して位置決めするＸＹ駆
動テーブルである。４はプリント基板１の上方に配置さ
れた照明手段で、リング形光源４１と拡散板４２とから
なる。拡散板４２は、円筒形を成していて、リング形光
源４１の内側に配置されている。リング形光源４１と拡
散板４２の中心軸は一致している。リング形光源４１の
光が拡散板４２に入光され、拡散板４２内で反射した後
に外界へ出射される。出射された光は半田接合部に照射
される。５は撮像手段としてのカメラであり、照明手段
４の上方に配置されていて、検査対象の反射光像を撮像
する。６は検査処理系コントロール部であり、カメラ５
の撮像画像から半田接合部の立体形状を検出し、検出し
た立体形状から半田接合部の欠陥の有無を判定する。検
査処理コントロール部６は、Ａ／Ｄ変換器６１、画像メ
モリ６２、画像処理部６３、画像判定部６４を有し、こ
れらを用いて欠陥の有無を判定する。請求範囲でいう判
定部は検査処理コントロール部６に相当する。７は駆動
系コントロール部であり、照明手段４の駆動を制御する
照明コントロール部７１、ＸＹ駆動テーブルのＸ方向と
Ｙ方向の移動をそれぞれ制御するＸ軸駆動部７２とＹ軸
駆動部７３を有する。

【０００７】図２及び図３は図１の装置の具体的構成例
を示した図である。図３は図２の２点鎖線で囲んだＸ部
分の拡大図である。図２及び図３で図１と同一のものは
同一符号を付ける。以下、図において同様とする。図２
及び図３において、リングライトガイド４１１内には光
ファイバ４１２が引かれていて、ハロゲンランプ等の光
源（図示せず）の光は光ファイバ４１２によって導か
れ、リング形光源４１のリング部分に伝えられる。リン
グ部分では、光ファイバ４１２の発光面を中心に向けて
配置している。発光面を中心に向けた光ファイバがリン
グの周方向に沿って配列されている。拡散板４２は、例
えばアクリルパイプで構成されていて、端面内側のエッ
ジを面取りして１次拡散面４２１を成している。光ファ
イバ４１２の発光面から出射した光が１次拡散面４２１
に当たって拡散板４２内に入るように、リング形光源４
１のリング部分はリングライトガイド４１１に内接して
いる。リング形光源４１、拡散板４２及びカメラ５の中
心軸は一致していてこれらの中心軸にプリント基板１の
基板面が直交している。

【０００８】このように構成した装置の動作を説明す
る。まず、図１を用いて動作を説明する。照明手段４と
カメラ５の位置は固定されている。駆動系コントロール
部７の制御によってＸＹ駆動テーブル３が移動すること
によって、検査対象となった半田接合部が照明手段４の
直下にくるようにプリント基板１が位置決めされる。位
置決め完了後、カメラ５が半田接合部を撮像し、検査処
理コントロール部６は撮像画像から半田接合部の立体形
状を認識し、所定の条件に基づいて半田接合部の欠陥の
有無を判定する。

【０００９】ここで、本発明の検出原理について説明す
る。図４〜図６は検出原理の説明図である。図４におい
て、８は円筒面状の照明で本発明の拡散板４２に相当す
る。９は鏡面性の球面で本発明の半田接合面１１に相当
する。円筒面の高さ方向に対して放射強度が図５に示す
ように連続的に変化する光を、円筒面状の照明８から鏡
面性の球面９に対して照射する。このとき、鏡面性の球
面９で反射した光の中で円筒面の高さ方向に進む光は、
反射光のもとになる照射光の照射角に応じて異なる光路
をとる。これは、円筒面の高さ方向に進む反射光は、そ
のもとになる照射光の照射角が異なれば、球面９上の反
射位置が異なるためである。図に示す傾斜角Θは、反射
位置における球面の接線と水平線とのなす角である。円
筒面の高さ方向に進む各反射光は、反射位置の傾斜角Θ
がそれぞれ異なる。このことから、円筒面の高さ方向に
進む反射光を鏡面性の球面９の真上から観測すると、そ
の光束の輝度は傾斜角Θに対応した値をもつことにな
る。光束の輝度Φと傾斜角Θの関係は、例えば図６に示
すようになる。

【００１０】このような検出原理を適用した本発明の動
作を図２と図３を用いて説明する。リングライトガイド
４１１内の光ファイバ４１２から発光された光は、内接
する拡散板４２に入光し、さらに１次拡散面４２１に照
射される。この拡散面で反射した光は、拡散板４２を媒
体として２次拡散面４２２で拡散反射し、拡散板４２の
内面と外界の境界面から一部が外界に出射される。ここ
て、外界に出射されなかった光は、拡散板４２の内部で
全反射し、再び２次拡散面４２２で拡散反射し、その一
部が外界に出射される。これを繰り返すことにより、拡
散板４２の入光位置から離れるに従って外界に出射する
光の輝度が連続的に減衰していく。これによって、拡散
板４２の内周面からは、拡散板４２の長さ方向に沿って
照射角と強度が異なる光が照射される。図２で、半田接
合部１１に対して、光路Ａから照射された光は傾斜角α
の斜面で鉛直上方に反射し、光路Ｂから照射された光は
傾斜角βの斜面で鉛直上方に反射する。それぞれの光の
反射位置が異なるため、各反射光の光路は異なる。すな
わち、鉛直上方に進む反射光は、反射位置の傾斜角に応
じた輝度になっている。従って、反射光の輝度情報が傾
斜角情報になっている。このような反射光をカメラ５で
取り込むことにより、半田接合部１１の立体形状が検出
される。

【００１１】図７乃至図１２は半田のフィレット形状の
例を示した図である。図７、図９及び図１１はカメラ５
の撮像画像を示した図である。図８、図１０及び図１２
で、（ａ）及び（ｂ）は断面図、（ｃ）は斜視図であ
る。図７及び図８はフィレットが不足の場合、図９及び
図１０は正常の場合、図１１及び図１２はフィレットが
かまぼこ形の場合の形状を示した図である。

【００１２】図１３はフィレット形状と判定コードの対
応関係を示した図である。図１３に示すように、各種の
フィレット形状に対してそれぞれ判定コード「１０」〜
「９０」（判定コード「６０」は欠番）を付けている。
各種のフィレット形状をカテゴリと称する。

【００１３】図１４は半田接合部の撮像画像に配置する
ウィンドウを示した図である。図１４のＷ１〜Ｗ７がウ
ィンドウである。ウィンドウは、半田接合部の立体形状
の特徴を抽出するのに必要な領域である抽出領域に配置
される。図１４のリード部分とパッド部分は、図７を例
に挙げると、図７に示すリード部分とパッド部分に相当
する。半田接合部の良否判定では、各ウィンドウＷ１〜
Ｗ７について平均光量が求められ、これらの平均光量が
変数１〜変数７になる。

【００１４】図１５は、「不足」、「正常」、「かまぼ
こ形」のカテゴリについて、７種のウィンドウＷ１〜Ｗ
７から抽出された変数１〜変数７の値を示したグラフで
ある。図１５で、（ａ）は「不足」、（ｂ）は「正
常」、（ｃ）は「かまぼこ形」のカテゴリを示したグラ
フである。各カテゴリではそれぞれ２０点ずつのサンプ
ルについて折れ線グラフを描いている。

【００１５】本発明の装置により半田接合部の検査を行
う動作を説明する。カメラ５の撮像画像に対して、第１
４図に示すウィンドウＷ１〜Ｗ７の平均光量がそれぞれ
算出される。算出された７つの平均光量は、もとになる
画像データが２次元の濃淡画像でありながら、半田接合
部の傾斜面の角度を与える情報である。従って、７つの
平均光量によって構成される７次ベクトルは、フィレッ
トの立体形状に応じたベクトルになる。

【００１６】図１５のグラフによると、「不足」のカテ
ゴリである（ａ）図のグラフは、７つの変数の値が全体
的に小さく、「正常」のカテゴリである（ｂ）図のグラ
フは、どの変数も比較的大きな値をとっている。これ
は、「正常」のカテゴリの方が「不足」のカテゴリに比
べて、図２の光路Ａ近傍の照射光を導く傾斜面がより多
く存在しているためである。このことは、図７と図９に
示された画像と、図８（ｃ）と図１０（ｃ）に示された
斜視図からも明らかである。また、「かまぼこ」のカテ
ゴリである図１５（ｃ）のグラフは、変数５と変数６が
小さな値をとる。これは、図１４に示すように変数５と
変数６が定義された領域（ウィンドウＷ５とＷ６）は、
リードの先端近傍であり、図１２が示すように、このカ
テゴリの特徴としてリードの先端が濡れていないためで
ある。

【００１７】図１６は検査処理を行う部分の具体的構成
例を示した図である。図１６で、手段６３１〜６３７は
画像処理部６３に設けられていて、手段６４１は画像判
定部６４に設けられている。各手段を説明する。６３１
はカメラ５から得られた画像データを取り込む画像取り
込み手段、６３２は取り込んだ画像データの中からリー
ド先端の画像データを抽出するリード先端抽出手段、６
３３は画像の中にウィンドウを定義するウィンドウ定義
手段、６３４はリード先端の画像データの中でウィンド
ウ内にある画像データの平均輝度を求めるウィンドウ平
均輝度抽出手段である。ここで、平均輝度は前述した平
均光量に相当する。６３５は予めカテゴリ毎に用意され
た教師データを編集して教師用多変量データを生成する
教師データ編集手段である。ここで、教師データは、例
えば、図１５のグラフに示すようにカテゴリ毎に設けた
各変数のデータである。６３６は教師用多変量データに
対して正規母集団としての平均値ベクトルや分散共分散
行列を算出して２次形式判別関数の基底値を求める統計
値・行列演算手段、６３７はカテゴリやパラメータを定
義して２次形式判別関数を判別関数目録に定義するカテ
ゴリ・パラメータ定義手段である。６４１は判別関数目
録に定義した２次形式判別関数に多変量データを代入
し、全てのカテゴリについて検査対象の半田接合部が所
属する確率を求め、最も高い確率をとるカテゴリに検査
対象の半田接合部が所属すると判定する判定手段であ
る。６５は記憶手段で、検査処理系コントロール部６に
設けられていて、ウィンドウ定義データ、教師用多変量
データ、２次形式判別関数、判別関数目録、多変量デー
タ等が格納される。画像データ、リード先端データ等は
画像メモリ６２に格納される。ここで、請求範囲でいう
領域定義手段はウィンドウ定義手段６３３に、光量算出
手段はウィンドウ平均輝度抽出手段６３４に、関数生成
手段は統計値・行列演算手段６３６に、関数記憶手段は
記憶手段６５に、判定手段は判定手段６４１にそれぞれ
相当する。

【００１８】ここで、検査対象の半田接合部が所属する
カテゴリの判別のしかたを説明する。本発明では、多変
量解析を用いて判別を行う。多変量解析は、所属が不明
なサンプルから得られた多変量データに基づいて、その
サンプルがどのカテゴリに所属するかを判断する手法で
ある。以下に具体的な解析手順を説明する。（１）データの性質独立変数（多変量データ）：量的データ（数値等）従属変数（カテゴリ）：質的データ（名称等）（２）定式化と条件多変量データｘ＝（ｘ₁，ｘ₂，…ｘ_m）（ｍは整数）に
よって特徴づけられる個体を、ｇ（ｇは整数）個のカテ
ゴリに判別する場合において、未知の個体ｘを第ｊカテ
ゴリに誤判別することによる総損失は次式で与えられ
る。多変量データｘはｘ₁，ｘ₂，…ｘ_mを要素とするｍ
次のベクトルである。ただし、（ａ）〜（ｃ）の条件を満たすものとし、式
を最小にするカテゴリの判別が誤判別による損失を最小
にする。（ａ）ｇ個のカテゴリについて、各々の多変量データｘ
＝（ｘ₁，ｘ₂，…ｘ_m）に関する確率密度関数ｆ_i（ｘ）
が既知である。（ｂ）各カテゴリの相対頻度にあたる先験確率π_i（ｉ
＝１，２，…ｇ）が既知である。（ｃ）第ｉカテゴリから第ｊカテゴリに誤判別した場合
の損失Ｃ_ijが既知である。ここで、誤判別による損失Ｃ_ijを具体的数値で表すこと
は困難であるため、（ｄ）の仮定により誤判別率を最小
にする基準を採択することで、次式を最大にするカテ
ゴリを判別する。カテゴリへの所属確率＝π_iｆ_i（ｘ）（ｄ）ｉ＝ｊのときＣ_ij＝０、ｉ≠ｊのときＣ_ij＝１と
することで、誤判別による総損失は、誤判別率を最小に
する基準と同一になる。（３）２次形式の判別関数各カテゴリの確率密度関数がｍ変量の正規分布関数であ
る場合、第ｉカテゴリにおける確率密度関数ｆ_i（ｘ）
は次式のとおりになる。ただし、μ_i：母平均ベクトル，Σ_i：母分散共分散行列統計値・行列演算手段６３６で求める基底値が母平均ベ
クトルμ_iと母分散共分散行列Σ_iである。（ｘ−
μ_i）′は、ベクトル（ｘ−μ_i）の各要素によって構成
される行列の転置行列である。ここで、式を式に代
入して対数をとり、全てのカテゴリに共通な項を除去す
ると、２次形式の判別関数として次式が求められる。式に多変量データｘ＝（ｘ₁，ｘ₂，…ｘ_m）を代入す
ると、式の値は、第ｉカテゴリに所属する確率の値そ
のものではないが、確率の大きさを定める部分である。
Σ_i ^-1は行列Σ_iの逆行列である。ｇ個のカテゴリについ
て所属確率ｆ_i（ｘ）（ｉ＝１，２，…ｇ）を求め、所
属確率が最も大きいカテゴリに検査対象の半田接合部が
所属していると判断する。判断したカテゴリが良品のカ
テゴリであるか不良品のカテゴリであるかに応じて検査
対象の半田接合部の良否を判定する。

【００１９】上述した判定のしかたを図を用いて説明す
る。図１７は１次の確率変数についての確率密度関数の
グラフである。カテゴリが２個の場合について説明す
る。図で、ｆ₁（ｘ），ｆ₂（ｘ）はそれぞれカテゴリＥ
１，Ｅ２の確率密度関数である。検査対象の多変量デー
タによって与えられる確率変数がｘ_aである場合は、検
査対象がカテゴリＥ１及びＥ２に所属する確率はそれぞ
れＰ₁及びＰ₂になる。このときは、Ｐ₁＞Ｐ₂より検査対
象はカテゴリＥ１に所属すると判断する。検査対象の多
変量データによって与えられる確率変数がｘ_bである場
合は、検査対象がカテゴリＥ１及びＥ２に所属する確率
はそれぞれＰ₃及びＰ₄になる。このときは、Ｐ₃＜Ｐ₄よ
り検査対象はカテゴリＥ２に所属すると判断する。

【００２０】なお、実施例では主として表面実装部品を
リフローにより半田付けした後に検査を行う場合を対象
に説明したが、同一のハードウェア構成を用いて、抽出
領域と判別関数を専用に用意することによって、クリー
ム半田の塗布状態の検査、ディスクリート部品等を対象
にしたフロー半田の外観検査等にも適用できる。また、
円筒形の拡散板による円周方向の均一性と、任意の照射
角に重み付けがされた照明手段とにより、クリーム半田
では球状の半田粒を対象にして、さらにフロー半田では
フィレット部分を対象として、濃淡画像から立体的特徴
を認識して高精度にカテゴリを判別できる。

【００２１】

【発明の効果】本発明によれば、検査対象とする半田接
合部の傾斜面の角度に応じて連続的に輝度が変化する撮
像画像に対して複数の抽出領域を定義し、各抽出領域の
平均光量を求める。これらの平均光量を多変量データと
して扱い、多変量データをカテゴリ毎に設けた確率密度
関数に代入し、最も高い確率をとるカテゴリに検査対象
の半田接合部が所属すると判断している。これによっ
て、画像を２値化して特定のしきい値を設けることなく
半田接合部の良否を大局的に判定できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の概略構成図である。

【図２】図１の装置の具体的構成例を示した図である。

【図３】図１の装置の具体的構成例を示した図である。

【図４】検出原理の説明図である。

【図５】検出原理の説明図である。

【図６】検出原理の説明図である。

【図７】半田のフィレット形状の例を示した図である。

【図８】半田のフィレット形状の例を示した図である。

【図９】半田のフィレット形状の例を示した図である。

【図１０】半田のフィレット形状の例を示した図であ
る。

【図１１】半田のフィレット形状の例を示した図であ
る。

【図１２】半田のフィレット形状の例を示した図であ
る。

【図１３】フィレット形状と判定コードの対応関係を示
した図である。

【図１４】半田接合部の撮像画像に配置するウィンドウ
を示した図である。

【図１５】各カテゴリについての変数値を示したグラフ
である。

【図１６】検査処理を行う部分の具体的構成例を示した
図である。

【図１７】確率密度関数のグラフである。

【符号の説明】

１プリント基板１１半田接合部２実装部品４照明手段４１リング形光源４２拡散板５カメラ６検査処理系コントロール部６３３ウィンドウ定義手段６３４ウィンドウ平均輝度抽出手段６３６統計値・行列演算手段６４１判定手段６５記憶手段

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】プリント基板上に形成された半田接合部
の欠陥の有無を外観上から検査する半田接合部の検査装
置において、リング形光源と拡散板を有し、前記拡散板は円筒形を成
し前記リング形光源の内側に配置されていて、リング形
光源の照射光を拡散板の端面より入光し、入光した光に
拡散板の内面を全反射及び拡散反射させ、拡散板から外
界に出射する光の輝度を拡散板の長さ方向に沿って減衰
させていき、拡散板の内周面から出射した光を前記半田
接合部に照射し、半田接合部で反射されて拡散板の長さ
方向に進む反射光の輝度を反射位置の傾斜角に応じて連
続的に変化させる照明手段と、拡散板の長さ方向に進む反射光を受けて半田接合部の反
射光像を撮像する撮像手段と、この撮像手段の撮像画像の中で、半田接合部の立体形状
の特徴を抽出するのに必要な領域である抽出領域を複数
個定義する領域定義手段と、各抽出領域の中にある撮像画像の平均光量を求める光量
算出手段と、半田接合部の立体形状の良品と不良品とを含んだ複数の
見本について、各抽出領域の平均光量からなる多変量デ
ータを変数として、半田接合部が見本に所属する確率の
分布を示した確率密度関数を見本毎に生成する関数生成
手段と、この関数生成手段で生成した各見本毎の確率密度関数を
記憶する関数記憶手段と、検査対象の半田接合部について前記光量算出手段により
求めた多変量データを各確率密度関数に代入し、各見本
毎に検査対象の半田接合部が所属する確率を求め、最も
高い確率をとる見本に検査対象の半田接合部の形状が所
属するものと判断し、判断した見本に応じて半田接合部
の欠陥の有無を判定する判定手段と、を具備したことを
特徴とする半田接合部の検査装置。