Transcript 2 - 金沢大学

A-12
うず電流探傷技術を用いたPCB検査に
おける傷抽出のための計測と画像処理
Measurement Techniques and Image Processing of
Printed Board Based on Eddy-Current Testing Method
金沢大学大学院 自然科学研究科
電子情報工学専攻
井波 孝仁
もくじ
1.はじめに
研究背景，目的
2.プリント基板配線検査原理と配線モデルの計測
うず電流探傷用プローブを用いた検査原理
配線モデルの計測結果
3.PCB検査のための計測と画像処理
差分法を用いた配線の断線傷の抽出
特徴点抽出法を用いた配線の断線傷の抽出
欠け傷の抽出
4.まとめ
1.研究背景
電子製品の小型化・高機能化により、
プリント基板(PCB)配線の細密化が進んでいる
プリント基板のエラーは電子機器全体の不具合に直結
基板の検査技術の研鑚が行われている
1.主流なPCB検査技術
電気的導通検査
光学検査
電気プローブを用いて配線に電流を流して
導通性の検査を行う
カメラを用いて傷のないマスター画像との
比較を行い，欠陥を発見する
導通性の検査が可能
高速，非破壊
低速，破壊検査
導通性の検査が不可能
2つ検査方法を併用して欠点を補う
マスター画像
検査対象
探傷画像
欠陥抽出画像
1.うず電流探傷検査技術
金属棒や配管の自動探傷に
広く用いられている
高周波の励磁磁場で誘起された
うず電流は金属表面を流れる
うず電流探傷原理図
うず電流は，表面の欠陥を避ける
ように流れを変えるため，それに
伴う磁場の方向の変化を検出す
る検査方法
金属導体であるプリント基板配線に対して
非破壊、非接触で導通性の検査が可能
1.研究目的
傷信号
傷以外の信号
200mm
PCB conductor
プローブに平行な配線
複数方向の配線
傷部分以外の信号からでも配線上の
検査プローブを配線に平行に走査した場合に，傷部分の信号を出力させるように設定
欠陥の抽出が可能な画像処理手法の確立
基板が複数の方向の配線で構成されている場合，プローブの走査方向も増加する
走査方向を固定した場合，傷部分以外が出力される
検査システムの利便性の上昇，計測時間の短縮
2.検査対象となるピッチ変換基板
200mm 200mm
200mm
PCB conductor
135度配線
200mm
PCB conductor
45度配線
・高密度化され、単純なパターン
・曲線は存在せず、全て直線
・配線の位置情報が既知である
PCB conductor
0度配線
200mm PCB conductor 200mm
90度配線
2.うず電流探傷用プローブの構成
10mm
2.45mm
Meandercoil
46.5mm
50mm
SV-GMR
sensor
z
y
x
励磁周波数5MHz
励磁電流200mA
ミアンダコイルの長辺方向の磁場
ミアンダコイルは長辺方向に垂直な磁場を一
様に励磁
巨大磁気抵抗効果(GMR)センサは一つの高
感度方向を持ち，x方向に設定
平面コイルとx方向にのみ感度を持つ微小なセン
サを使用することで，励磁磁場の影響を受けるこ
となく検査対象の信号を検出できる
ミアンダコイルに垂直な磁場
2.うず電流探傷用プローブを用いた検査原理
200
y
10mm
135mm
Magnetic fields
inducedby eddycurrents
x
conductor
PCB conductor
Unit:mm
50mm
y
傷部分を出力
x
プローブに対して垂直に流れ
る電流の磁束密度を計測
Meander coil
平行な配線の電流分布
z
センサと検出信号の位置関係
SV-GMR
sensor
z
y x
Meandercoil
46.5mm
Eddy-currents
50
2.45mm
z
SV-GMR sensor
Eddy-currents
200
Eddy-currents
SV-GMR sensor
50
Meander coil
磁束密度を計測するため非接触で，う
ず電流を流すことによって導通性検査
平行な配線
一様な励磁磁場
垂直な配線
一様ではない
z
PCB conductor
y
Unit:mm
x
垂直な配線の電流分布
配線部分を出力
2.配線方向の違いによる出力の変化
200mm
PCB
conductor
200mm
200mm
PCB
conductor
z
ECT probe
ECT probe
z
x
x
90度配線モデル
8
4
6
3
Flux density B [mT]
Flux density B [mT]
断線のある0度配線モデル
4
2
0
-2
-4
2
1
0
-1
-2
-6
-3
-8
-500-400-300-200-100 0 100 200 300 400 500
-4
-500-400-300-200-100 0 100 200 300 400 500
Displacement x [mm]
断線部の磁束密度分布
ピーク間隔 500mm ピーク値 6mT
90度配線モデル
計測点の両端にうず電流が誘起されている
Displacement x [mm]
配線部の磁束密度分布
ピーク間隔 400mm ピーク値 3mT
ピーク間隔≦ 200mm
2.90度配線に誘起されるうず電流密度分布
×10
k
PCB
conductor
i
h
l
Current density Jz [A/m2]
g
j
y
e
a
b
x
c
f
d
z
10
5
0
-5
100 200 300 400 500
Displacement z [mm]
電流密度のz成分
ピーク間隔 500mm
ピーク値 16×106A/m2
6
15
b
10
h
5
0
200
Current density Jx [A/m2]
15
-10
-500 -400 -300 -200 -100 0
90度配線モデル
×10
6
20
-5
-10
-15
-500 -400 -300 -200 -100 0
100 200 300 400 500
Displacement z [mm]
電流密度のx成分
ピーク間隔 250mm
ピーク値 10×106A/m2
a
375 250 125
0
125 250 375
中心の間隔500mmの2つの楕円
g
2.90度配線が発生させる磁束密度分布
2つの1turnの円形コイルを中心の距離500mmで設置し，センサの位置(y=135)のx軸方
y
向の磁束密度を計算した
b
h
135
200
-250
375 250 125 0 125 250 375
うず電流分布図
g
500 x
Unit:mm
z
250
シミュレーション用モデル
4
3
Flux density B [mT]
a
0
-500
うず電流が配線に沿って流れてい
ないため，配線幅よりも遠い位置で
磁束密度が最大値となる
2
1
0
-1
-2
-3
-4
-500-400-300-200-100 0 100 200 300 400 500
Displacement x [mm]
x方向の磁束密度
ピーク間隔 250mm≧配線幅
楕円では，ピーク間隔はさらに広が
るため，シミュレーション値は正しい
2.配線モデルの計測結果
計測点幅100mm
200mm
PCB
200mm
conductor
ECT probe
z
x
Voltage[V]
PCB
conductor
2
1.9
200mm
1.7
ECT probe
1.6
z
1.5
0
5
10
15
20
25
30
0度配線出力信号
2.27
x 10
300mm
-4
x
35
Displacement x
2.26
Voltage
Signal
Output
Voltarge[V] [V]
200mm
1.8
1.4
断線のある0度配線モデル
計測点幅100mm
500mm
-4
2.25
2.24
断線のある90度配線モデル
Voltage[V]
Signal Voltage [V]
2.1
x 10
2.23
2.22
2.21
2.2
2.19
2.18
0度配線計測結果
2.17
0
5
10
15
20
25
30
distance(x)
Displacement
x
90度配線出力信号
90度配線計測結果
2.計測結果に対する差分処理
2.27
x 10
-4
3.5
Signal Voltage [V]
2.25
2.24
Output Voltarge[V]
Voltage
Signal
Output
Voltarge[V] [V]
-6
3
2.26
2.23
2.22
2.21
2.2
2.19
2.5
2
1.5
1
0.5
0
-0.5
-1
2.18
2.17
x 10
0
5
10
15
distance(x)
20
Displacement x
-1.5
30
0
5
10
15
20
25
30
distance(x)
Displacement
x
yn  yn1  yn
差分後出力信号
Displacement z
Displacement z
出力信号
25
Displacement x
計測結果
Displacement x
差分結果
傷部分のエッジが抽出され，配線部分とそれ以外の部分の区別がしやすくなる
2.2値化処理
探傷の自動化のためには，コンピュータに傷部分と他の部分を判別させる必要がある
しきい値を設定し，2値化処理によって，計測結果の出力を”1”(黒)と”0”(白)に区別する
6
x 10
-6
Displacement z
Signal Voltage [V]
5
3
2
1
0
-1
5
10
15
20
25
Displacement z
差分画像
配線出力信号
20
25
25
20
20
distance(z)
distance(z)
15
30
ノイズ成分の除去
出力の強調
Displacement z
5
10
distance(z)
0
Displacement x
Displacement z
Displacement z
2値化のしきい値設定の安定度
は傷抽出の安定度に直結
4
15
10
15
10
5
5
25
5
10
15
distance(x)
20
25
5
10
15
distance(x)
20
25
5
10
15
distance(x)
20
25
Displacement x
Displacement x
Displacement x
しきい値A
しきい値B
しきい値C
PCB conductor
200mm
0度配線計測結果
Voltage[V]
0度配線
200mm
PCB conductor
135度配線
Voltage[V]
200mm
Voltage[V]
3.ピッチ変換基板の各方向配線の計測結果
135度配線計測結果
PCB conductor
90度配線
90度配線計測結果
45度配線は，プローブの走査方向，
GMRセンサの高感度方向より， 135
度配線に対して対称であるため，同
様の考察が成り立つ
オフセット電圧の変動を除去し，配線，
傷部分の出力を強調する必要がある
3.画像処理フィルタについて
計測結果にフィルタを使用する目的
1．エッジ(配線出力，傷部分出力)の強調
2．オフセット電圧の変動をキャンセルする
3．ノイズの除去
画像処理フィルタとは，近傍から判断して中心の点をどのように処理するかの評価
関数である
最低限の近傍として，３×３フィルタがある
上下左右の4近傍を用いる方法，斜め方向を含めた8近傍を用いる方法がある
h6 h7 h8
●
● ● ●
h5 h0 h1
● ○ ●
● ○ ●
h4 h3 h2
●
● ● ●
座標の定義
4近傍
8近傍
評価する点が多いほど、平均化され，ノイズに強くなる
，
3.ソーベルフィルタについて
シフト差分フィルタ
h6 h7 h8
0
0
0
0
0
0
h5 h0 h1
-1
1
0
0
1
0
h4 h3 h2
0
0
0
0
-1
0
座標の定義
水平方向差分
Δx=h0-h1
垂直方向差分
Δy=h0-h3
ソーベルフィルタ(Sobelfilter)
-1
0
1
1
2
1
-2
0
2
0
0
0
-1
0
1
-1 -2 -1
水平方向差分
Δx=2*h1+h2+h8-h4-2*h5-h6
垂直方向差分
Δy=-h2-2*h3-h4+h6+2*h7+h8
ソーベルフィルタは単純な差分ではなく，6点の座標を用いて評価点に反映させるため，
ノイズ成分を平均化する効果があり，画像のフィルタリングに適している
200mm
PCB
200mm
conductor
ECT probe
z
x
Output Voltage[V]
Displacement z
3.差分法による0度配線モデルの傷の抽出
計測
Displacement x
Displacement x
断線のある0度配線モデル
計測結果
x軸-出力画像
x方向にフィルタリングを行う
ことによって，傷部分を抽出
差分法
Output Voltage[V]
差分処理
Displacement x
傷抽出画像
3.差分法による90度配線モデルの傷の抽出
200mm
200mm
ECT probe
z
Output Voltage[V]
PCB
conductor
傷信号
Output Voltage[V]
傷部分
x
Displacement z
z軸-出力画像
傷抽出画像
x,zの2方向にフィルタリングを行うこ
とによって，傷部分を抽出
Displacement z
Displacement z
断線のある90度配線モデル
Displacement z
Displacement x
計測結果
差分法
Displacement x
1次差分画像
3.差分法を用いた0度配線の断線傷の検出
x方向フィ
ルタリング
Displacement x
計測結果
z方向フィ
ルタリング
Displacement z
画像整形
Displacement x
Displacement x
探傷画像
1次差分画像
x方向のフィルタリングだけではオフセット電圧
の変動が除去できない
新たにz方向にフィルタリングを行うことで，傷
部分のみが出力された探傷画像が得られる
探傷画像を2値化し，出力の有無によって判定
2値化
45
40
Displacement
z
distance(z)
画像整形
差分法
Displacement xz
Displacement z
配線幅200mm 計測点幅100mm
35
30
25
20
15
10
5
自動的に傷の有無を判定可能
5
10
15
20
25
30
35
40
distance(x)
Displacement
x
2値探傷画像
45
3.差分法を用いた90度配線の断線傷の検出
差分法
Displacement x
計測結果
x方向フィ
ルタリング
z方向フィ
ルタリング
Displacement z
画像整形
Displacement x
Displacement x
探傷画像
1次差分画像
90度配線はx方向フィルタリングによって配線
部分が出力された画像が得られる
新たにz方向にフィルタリングを行うことで，傷
部分のみが出力された探傷画像が得られる
探傷画像を2値化し，出力の有無によって判定
2値化
45
40
Displacement
z
distance(z)
画像整形
Displacement z
Displacement z
配線幅200mm 計測点幅100mm
35
30
25
20
15
10
5
自動的に傷の有無を判定可能
5
10
15
20
25
30
35
40
distance(x)
Displacement
x
2値探傷画像
45
3.差分法を用いた135度配線の断線傷の検出
x方向フィ
ルタリング
Displacement x
計測結果
画像整形
z方向フィ
ルタリング
Displacement z
Displacement z
画像整形
Displacement z
配線幅200mm 計測点幅100mm
Displacement x
Displacement x
1次差分画像
2次差分画像
配線出力の成分がx,zの両方向であるので，
フィルタリングでは配線出力を除去できない
2値化された傷部分を抽出できない
自動化が可能な新たな検出方法
3.特徴点抽出法による配線傷の抽出
細線化
10
5
5
10
15
distance(x)
20
25
Displacement x
2値画像
20
15
特徴点抽出
10
5
5
10
15
distance(x)
20
25
Displacement x
細線化画像
特徴点＝傷部分の両端の点＝線の終端点
画像内に傷があれば，傷の数×2点の特徴点が抽出
2点の特徴点＝1ヶ所の傷
distance(z)
15
25
25
Displacement z
20
distance(z)
25
Displacement z
distance(z)
Displacement z
特徴点抽出法とは，画像内の特徴点を抽出し，その数を比較することによってその画
像内のエラーを判定
20
15
10
5
5
10
15
distance(x)
20
25
Displacement x
特徴点抽出画像
3.特徴点抽出法を用いた135度配線の断線傷の検出
配線幅200mm 計測点幅100mm
45
x,z方向フィ
ルタリング
2値化
Displacement
z
distance(z)
Displacement z
画像整形
Displacement z
40
35
30
25
20
15
10
5
5
計測結果
20
25
30
35
2次差分画像
2値画像
45
40
40
35
35
30
25
20
15
特徴抽出
5
distance(z)
Displacement
z
45
10
特徴点抽出法
15
Displacement
x
distance(x)
特徴点抽出法
Displacement
z
distance(z)
画像内に傷があれば
傷の数×2点
の端点(特徴点)が検出される
判定画像にて特徴点の有無を
調べ，傷の有無を判断
10
Displacement x
Displacement x
40
45
細線化
30
25
20
15
10
5
5
10
15
20
25
30
35
40
45
distance(x)
Displacement
x
特徴点抽出画像
5
10
15
20
25
30
35
distance(x)
Displacement
x
細線化画像
40
45
3.90度配線の欠け傷の検出
差分法
断線していないため，導通性の検査では判別不可
120
欠け傷モデル
distance(z)
Displacement z
電流あり
Displacement z
電流なし
100
80
60
40
20
0
0
20
Displacement x
x方向フィ
ルタリング
探傷画像
Displacement z
計測
40
60
80
100
120
distance(x)
Displacement
x
2値探傷画像
探傷
特徴点抽出法
120
Displacement x
特徴点抽出法
24点の特徴点＝12ヶ所の傷を抽出
Displacement z
80
distance(z)
差分法
12ヶ所の傷を抽出
distance(z)
1次差分画像
100
100
Displacement z
配線モデル
60
40
20
0
0
20
40
60
distance(x)
80
100
Displacement x
2値画像
120
80
60
40
20
0
0
20
40
60
80
100
distance(x)
Displacement
x
特徴点抽出画像
4.まとめ
(1)自動化のための画像処理手法として，差分法と特徴点抽出法
を考案した
(2)差分法を用いた0，90度配線の断線傷の検出
ソーベルフィルタを用いたx,z方向のフィルタリングにより，オフセット電圧やノイ
ズによる影響を良好に軽減することができ，安定的に傷を抽出することができ
た
(3)特徴点抽出法を用いた135度配線の断線傷の抽出
特徴点抽出法は，特徴点さえ比較できればよいので、基板全体の特徴点数が
判明していれば，検査の際に基板が傾いていても傷の抽出が可能である
(4)差分法と特徴点抽出法による90度配線の欠け傷の抽出
電気的導通検査では検出が不可能な欠け傷の抽出に成功した