JP3848007B2 - はんだバンプの測定方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はＬＳＩ等の半導体モジュールやＴＡＢ（Ｔａｐｅ Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｂｏｎｄｉｎｇ）等に形成されるはんだバンプの測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１は多数のはんだバンプを有する半導体モジュール１の構造を示す説明図である。
半導体モジュール１の裏面には、はんだバンプ１０が多数形成され、各バンプは半導体モジュール１が搭載される配線基板との間を接続する。半導体モジュール１は例えば１０ｍｍ角の正方形の平面形状を有し、その表面８上に４５０μｍのピッチ間隔で２３×２３のはんだバンプ１０が形成される。
各はんだバンプ１０の寸法と形状は拡大図で示すように、ほぼ球状の形状を有する。
従来このような球状の多数のバンプの高さ測定を自動で行う装置はなく、焦点深度顕微鏡等による目視測定しか方法がなかった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
多数のバンプが形成された半導体モジュール等のワーク（被測定物）は、次工程で配線基板上に位置決めされ、加熱炉中ではんだバンプを加熱、溶融して結線を行なう。
この結線を確実にするためには、各バンプの頂部の高さ寸法が正確に形成される必要がある。
また、各バンプの大きさも、一定の値に制御することによって、隣接するバンプや配線とのショートを防止する必要がある。
しかしながら、多数のバンプの高さ寸法を短時間で、しかも正確に測定することは非常に困難なことである。
本発明は、本出願人が先に提案した特開平２−８０９０５号公報に示す光ビームを用いてワークの高さ寸法を測定する技術を発展させて、ワーク上のバンプを高速かつ正確に測定する方法を提供するものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の測定方法は、被測定物に形成されたはんだバンプの測定方法において、前記被測定物をテーブル上に取り付ける工程と、前記被測定物上の複数のはんだバンプのうちの所定のはんだバンプに光ビームを照射し、前記所定のはんだバンプからの反射光を受光して前記所定のはんだバンプの位置を検出する工程と、前記所定のはんだバンプを含むはんだバンプ列に前記光ビームを照射し、前記はんだバンプ列からの反射光を受光して前記はんだバンプ列中の各はんだバンプの頂点位置を求め、前記求めた結果から前記被測定物の姿勢のズレ量を算出する工程と、前記テーブルの姿勢を調整して前記被測定物の姿勢のズレを補正する工程と、前記被測定物上の各はんだバンプに前記光ビームを照射し、各はんだバンプからの反射光を受光して各はんだバンプの頂点の高さを測定する工程とを備える。
【０００５】
【発明の実施の形態】
図２は、本発明のはんだバンプの測定方法に使用する装置の外観を示す説明図である。
全体を符号１００で示す測定装置は、ワークを載置して測定を行なう操作ステージ１１０と制御部１２０と、操作盤１３０と、結果を出力するプリンタ１４０と、操作ステージ１１０の測定部をモニタするモニタＴＶ１５０等を備える。
図３は、２の装置１００の制御系の構成を示すブロック図であって、ワーク１を搭載するテーブル側は防振台２１０上に配設されて、ワークの垂直軸線（Ｚ軸）まわりの角度を制御するθステージ２１２と、垂直軸線に直交する平面内の一方の案内軸（Ｘ軸）方向の移動を制御するＸステージと、Ｘ軸に直交する案内軸（Ｙ軸）方向の移動を制御するＹステージと、ワーク位置決め機構の表面の傾斜を制御するβ傾斜ステージ２１８及びα傾斜ステージ２２０と、ワーク１を保持するワーク位置決め機構（ワークテーブル）２３０を備える。
【０００６】
各制御軸は、軸の制御駆動装置２４０からの出力によって制御される。
光マイクロセンサ２５０は、Ｚ軸駆動機構２７０にとりつけられて、ワークテーブル２３０に対してＺ軸方向に制御される。この光マイクロセンサ２５０は、ワークテーブル２３０に対して、ワーク１の取付けと取出しを容易にするために待避機構２７２により測定位置から待避する構成となっている。Ｚ軸方向の移動量はデジタルマイクロ２７４で管理される。
光マイクロセンサ２５０に隣接して光学カメラ２５２が装備されており、測定部の状況をモニタ用のＣＲＴ１５０で視認することができる。
【０００７】
光マイクロセンサ２５０は、コントローラ２６０で制御され、測定データはＡ／Ｄ変換されて、デジタル入出力インターフェース２６４を介してパソコン２６６に記録される。
測定結果は、マスターパソコン１１０のデジタル入出力インターフェース２８０側へ送られ、パソコン１１０上の画面に表示されるとともに、プリンタ１４０にも出力される。
はんだバンプの測定結果の判定には、各バンプの位置の座標データや各制御軸の補正量のデータも利用され操作スイッチ２８４によって操作される。
【０００８】
図４は、光マイクロヘッド２５０の構造を示し、半導体レーザー２５２と受光素子２５５を有する。半導体レーザー２５２から出力されたレーザーは、レンズ２５３を通ってビームＬＢとしてバンプ１０上に照射され、バンプ１０の表面で反射したビームはレンズ２５４を通って受光素子２５５に受光される。受光素子２５５は、反射光の受光位置によって、バンプの表面の高さ位置を三角測量の原理により測定する。同時に反射受光量も検出される。
テーブルのＸ軸は、このレーザービームＬＢの光軸方向に設定される。
【０００９】
図５は、レーザービームＬＢによってバンプ１０を走査するパスを示し、バンプ１０の頂点を含めてその付近を３回のパスによって測定する。
【００１０】
図６は、測定結果のデータの一例を示し、横軸にＸ軸座標を、たて軸に検出レベルをとっている。第１のカーブＣ１は反射受光のレベルを示し、第２のカーブＣ２はバンプの高さの変位を示す。
反射受光Ｃ１の基準値ＴＬを予め定めておき、受光がこの基準値ＴＬを超えたＸ座標位置と基準値より下がったＸ座標位置を検出し、この中間の座標位置Ｘ１０での変位信号Ｃ２の値をそのバンプの頂点の高さ位置として採用する。
【００１１】
図７は、基板２の表面８とバンプ１０の高さ位置の関係を示す。
レーザービームＬＢは、基板２の表面８とバンプ１０上を走査し、表面８の高さ位置とバンプ１０の高さ位置を検出する。
基板２は、必ずしも絶対平面を形成せず、うねり等を発生させる。そこで図８に示すように、基板２の表面８の回帰平面Ｐ１と各バンプの頂部により形成される回帰平面Ｐ２を算出する。
そして、バンプ１０の回帰平面Ｐ１からの絶対高さＨ１と回帰平面Ｐ２からの相対高さＨ２を得る。
測定対象のワークの基板の形状、寸法と、基板上に形成されるはんだバンプの位置とは常に一定の関係になるとは限らない。そこで、ワークをテーブル上に取りつけた後に、測定開始前にワークの取付姿勢を調整（アライメント）を行なう。
【００１２】
図９は、ワークであるＬＳＩキャリヤ１をＸ、Ｙ方向に移動するワークテーブル２３０上に位置決めする手段を示す。
ワーク１は平面形状が正方形であって、このワーク１に対応する直角ブロック２３２がテーブル２３０上にとりつけてある。このブロック２３２は基準となるストッパ２３３が突出し、このストッパ２３３に向かって前進する押し当てピン２３４によってワーク１をストッパ２３３に押し当てて、ワーク１を位置決めする。
テーブル２３０には負圧を用いた吸着装置２３５が設けてあり、ワーク１の裏面を吸着保持する。
とりつけられたワーク１は、その基板の外形の切断誤差、基板材料の収縮等により、ＬＳＩ基板の外形とバンプ位置の間に誤差が発生する。
【００１３】
そこで、図１０に示す、ワーク１の第１のバンプ１０−１の位置を検出する工程を実行する。
ワーク１の基板に対する第１のバンプ１０−１の設計上の位置は、コントローラが認識しているので、まず、テーブルのＸ軸の座標を第１のバンプ１０−１の設計座標に位置決めして、テーブルをＹ方向に移動しつつ第１のスキャンＳ−１により測定を行なう。
【００１４】
この走査Ｓ−１によって、図６のカーブＣ１に示すような第１のバンプ１０−１の反射受光量の変化のカーブが得られる。そこで、このカーブから得られる光量の中心位置を求めて、第１のバンプ１０−１の中心点（原点）と仮定する。受光量が基準値に達しないときには、Ｘ軸座標を距離Ｄ１だけシフトして第２の走査Ｓ−２を実行し、仮の原点を検出し、Ｙ軸座標を決定する。
次にこのＹ軸座標を固定し、Ｘ軸方向の走査Ｓ−３を行ない、受光量中心から第１のバンプ１０−１の位置を検出する。Ｘ軸座標上の受光量が基準値に達しないときには、Ｙ軸を距離Ｄ２だけシフトして走査Ｓ−４を行ない、同様の処理を行なう。
【００１５】
以上により求められた座標位置を仮の原点Ｋ１とする。
仮の原点Ｋ１を含むバンプの第１行を走査（Ｓ−１０）し、受光量が基準以上のバンプについて頂点位置を求める。この頂点位置のＸ軸座標位置と、設計上のＸ軸座標位置とのズレ量の平均値を算出する（図１１）。
次に基板の反対端に最も近いバンプの行に対しても同様の走査（Ｓ−１１）を行ないＸ軸座標のズレ量の平均値を算出する。
このズレ量をもって、このワークの基板端面から第１のバンプまでのＸ軸方向の補正値として、原点のＸ軸座標を補正する。
同様の走査をＹ軸方向に実行して、Ｙ軸座標のズレ量を算出して、原点のＹ軸座標を補正する。
【００１６】
ワークが中心軸まわりに回転してとりつけられていると、設計上の値に走査間隔を移動して走査を行なうと、走査線上に出現する受光量のピーク値が一定方向に変化し、またピーク位置と設計位置にズレが生じる（図１２）。
この変化によって、ワークの回転角θの補正量を算出して、θステージを回動して補正する。
【００１７】
このθ補正のＸ軸方向の走査時には、図１３に示すように、ワークの基板上の位置８−１、８−２、８−３……の高さ位置も検出される。この高さ位置の変化により、回帰直線Ｌ−１を算出し、Ｘ軸方向の基準線（水平線）からの傾斜角の補正値αを算出し、α傾斜ステージ２１８を補正する。
同様にＹ軸方向の傾斜の補正値βを算出し、β傾斜ステージ２１６を補正する。
以上のアライメント工程を完了した後に、全てのバンプを走査して頂点高さを測定する。
【００１８】
図１４は、測定結果に基づいて、バンプ１０の頂点位置が形成する回帰平面ＰＬ−１を示す。そして、この回帰平面ＰＬ−１からの各バンプの頂点位置の偏位を演算し、判定結果をディスプレイ１１２上に表示する。
【００１９】
図１５は、画面上に表示される測定結果のグラフである。
横軸に回帰平面からの各バンプ頂点の高さの差を、たて軸にバンプの個数をとったものである。
このワークの場合には、バンプ個数が５２００個であって、標準偏差が０．６５μｍであり、３δが±１．９５μｍである。
目標仕様を例えば±２μｍに設定するとこのワークの標準偏差での判定は良品となり、次工程へ送付される。
【００２０】
図１６は、測定装置の画面１１２上に表示される各種の画面の例を示す。
運転画面３００は、現在の運転モード等の表示エリア３０２、相対高さ頻度分布グラフを表示するエリア３０４、判定結果を表示するエリア３０６、ワークであるＬＳＩ１毎の詳細結果を表示するエリア３０８を有する。
エリア３０２は、
ａ．現在の動作モード（アライメント、頂点計測、ベース計測、判定演算、個別再計測）
ｂ．現在の検査位置（行、列）を数値とグラフィックで表示
ｃ．１ＬＳＩ検査終了後、不良バンプの座標を数値とグラフィックで表示
を表示する。
不良バンプの位置の表示は、ワーク１の不良バンプ１０−Ｎの位置をエリア３０２上に画像として表示する。
【００２１】
相対高さ頻度分布グラフ３０４は、図１５に示したものである。判定結果はＯＫ又はＮＧとしてエリア３０６に表示される。エリア３０８に表示されるＬＳＩ毎の詳細結果は、アライメントの結果をＸ，Ｙ，Ｚ，θ，α，βの数値で表示するとともに、バンプの平均高さ、相対高さの標準偏差、平均受光量、Ｘ，Ｙ方向のベース収縮率を表示する。
【００２２】
位置ずれグラフの画面３１０は、バンプ毎の設計値からの頂点位置のずれ量の分布を示すグラフである。
高さ立体分布グラフの画面３２０は、バンプ毎の相対高さの３Ｄグラフおよび色分けによる平面分布グラフを示す。
不良ＬＳＩの情報画面３３０は、全自動運転終了後（マガジン単位）の不良ＬＳＩの判定モードを示す。
検査条件設定画面３４０は、判定閾値等、検査のパラメータを設定するための画面である。
【００２３】
【発明の効果】
本発明は以上のように、多数のはんだバンプを有するＬＳＩ等のワークの全てのバンプの高さを測定してワークの良否を短時間で判定する方法を提供するものであって、増々高密度化するバンプに対しても対応することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の測定対象（ワーク）となるＬＳＩを示す説明図。
【図２】本発明の測定装置の斜視図。
【図３】本発明の測定装置の構成を示すブロック図。
【図４】光マイクロヘッドの構成を示す斜視図。
【図５】光マイクロヘッドの走査を示す平面図。
【図６】測定結果の一例を示すグラフ図。
【図７】基板表面とはんだバンプ頂点の測定方法を示す説明図。
【図８】基板のうねりの影響を示す説明図。
【図９】ワークテーブルに対するワークの取り付けを示す平面図。
【図１０】はんだバンプの頂点位置の検出方法を示す平面図。
【図１１】基板の取り付け誤差により生ずる測定結果の説明図。
【図１２】基板の取り付け誤差により生ずる測定結果の説明図。
【図１３】基板の取り付け誤差により生ずる測定結果の説明図。
【図１４】はんだバンプの頂点が形成する回帰平面の説明図。
【図１５】測定結果の標準偏差のグラフ図。
【図１６】モニター装置の表示画面を示す説明図。
【符号の説明】
１ 半導体モジュール
８ 正方形の平面形状を有する半導体モジュール１の表面
１０ はんだバンプ
１００ 測定装置
１１０ 操作ステージ（マスターパソコン）
１１２ ディスプレイ
１２０ 制御部
１３０ 操作盤
１４０ 出力プリンタ
１５０ モニタＴＶ（ＣＲＴ）
２１０ 防振台
２１２ ワークの垂直軸線（Ｚ軸）まわりの角度を制御するθステージ
２１８ ワーク位置決め機構の表面の傾斜を制御するβ傾斜ステージ
（β傾斜ステージ２１６）
２２０ α傾斜ステージ
（α傾斜ステージ２１８）
２３０ ワーク位置決め機構（ワークテーブル）
２３２ 直角ブロック
２３３ ストッパ
２３４ 押し当てピン
２３５ 吸着装置
２４０ 軸の制御駆動装置
２５０ 光マイクロセンサ
２５２ 光学カメラ（半導体レーザー）
２５３，２５４ レンズ
２５５ 受光素子
２６０ コントローラ
２６４ デジタル入出力インターフェース
２６６ パソコン
２７０ Ｚ軸駆動機構
２７２ 待避機構
２７４ デジタルマイクロ
２８０ マスターパソコン１１０のデジタル入出力インターフェース
２８４ 操作スイッチ

Claims (3)

1. 被測定物に形成されたはんだバンプの測定方法において、前記被測定物をテーブル上に取り付ける工程と、前記被測定物上の複数のはんだバンプのうちの所定のはんだバンプに光ビームを照射し、前記所定のはんだバンプからの反射光を受光して前記所定のはんだバンプの位置を検出する工程と、前記所定のはんだバンプを含むはんだバンプ列に前記光ビームを照射し、前記はんだバンプ列からの反射光を受光して前記はんだバンプ列中の各はんだバンプの頂点位置を求め、前記求めた結果から前記被測定物の姿勢のズレ量を算出する工程と、前記テーブルの姿勢を調整して前記被測定物の姿勢のズレを補正する工程と、前記被測定物上の各はんだバンプに前記光ビームを照射し、各はんだバンプからの反射光を受光して各はんだバンプの頂点の高さを測定する工程とを有することを特徴とするはんだバンプの測定方法。
2. 請求項１記載の測定方法において、前記複数のはんだバンプの頂点の高さを測定した後、各はんだバンプの頂点が形成する回帰平面を算出する工程と、前記回帰平面に対する前記各はんだバンプの相対的な頂点の高さを求める工程と、前記各はんだバンプの相対的な頂点の高さが所定の範囲内か否かを判定する工程とを有することを特徴とする測定方法。
3. 請求項２記載の測定方法において、前記各はんだバンプの相対的な頂点の高さの標準偏差を算出する工程と、前記標準偏差の良否を判定する工程とを有することを特徴とする測定方法。

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