JP4955949B2

JP4955949B2 - 検査方法及び検査装置

Info

Publication number: JP4955949B2
Application number: JP2005203525A
Authority: JP
Inventors: 一功葛原; 孝典明田; 茂成高見; 良二横谷; 則和下田
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-07-12
Filing date: 2005-07-12
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2025-07-12
Also published as: JP2007024542A

Description

本発明は、電極上に設けたバンプを接合して半導体素子を基板にフリップチップ実装して成る半導体装置の接合部を検査する検査方法及び検査装置に関する。

近年、電子機器においては、軽薄短小化傾向を強め、高機能集積化及び信号処理の高速化が進んできており、このような電子機器の軽薄短小化を実現するための半導体素子の高密度実装技術の１つとしてフリップチップ実装がある。このフリップチップ実装においては、半導体素子の回路面に設けられた複数のパッド上にバンプを形成した後、この半導体素子の回路面と基板の一面とを対向させ、各バンプと基板の一面に設けられたそれぞれ対応する複数の電極とを接続することにより行われる。

ところで、フリップチップ実装のような半導体素子の実装において、半導体素子と基板との接合部が正確に接合されているかどうかを検査し、接合不良による不良品の発生を防ぐ必要がある。従来の半導体素子の検査装置として図５に示すような検査装置が提供されている（特許文献１参照）。この検査装置は、半導体素子１０の導通を検査する電気検査を行う際に、半導体素子１０の電極と基板１１のランドパターンとの接合部に電流を流し、電流を流している間に、接合部において微小の抵抗値により発熱する熱量を半導体素子１０の上部に取付けられた赤外線カメラ１２で撮像し、画像処理装置１３において、撮像された画像データから接合部分を抽出し、接合部の画像データと予め記憶された良品接合部の画像データとを比較することにより半導体素子１０が実装された後の接合部の接合状態の良否を判定するものである。
特開平１０−３３５９００号公報

しかしながら、上記従来例では接合部の微小な抵抗値による発熱を赤外線カメラ１２で撮像するため、半導体素子１０として発光ダイオード（以下、ＬＥＤと呼ぶ）等の電流を流すことによってそれ自身が発熱する素子を用いた場合、半導体素子１０の発熱量が大きいために接合部の発熱との区別ができず、したがって正確に接合部の温度分布を測定することができないという問題があった。

本発明は上記の点に鑑みて為されたもので、電極上に設けたバンプを接合して半導体素子を基板にフリップチップ実装して成る半導体装置の接合部を正確に検査することができる検査方法及び検査装置を提供することを目的とする。

請求項１の発明は、上記目的を達成するために、電極上に設けたバンプを接合して半導体素子を基板にフリップチップ実装して成る半導体装置の接合部を検査する検査方法であって、半導体素子に電流を流して半導体素子の自己発熱によって半導体素子を加熱するステップと、加熱された半導体素子のバンプ接合面の裏面（以下、裏面と呼ぶ）から放射される赤外線を赤外線撮像素子を介して取り込み、半導体素子の前記裏面の温度分布を測定するステップと、半導体素子で発生した熱がバンプを介して基板へと放熱されることを利用して、測定された温度分布に基づいてバンプの接合状態の良否を判定するステップとを有している。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、半導体素子に電流を流して半導体素子の自己発熱によって半導体素子を加熱するステップの前に、半導体装置の基板の温度を一定に維持するステップを有している。

請求項３の発明は、上記目的を達成するために、電極上に設けたバンプを接合して半導体素子を基板にフリップチップ実装して成る半導体装置の接合部を検査する検査装置であって、半導体装置の基板を固定するステージと、半導体素子に電流を流して半導体素子の自己発熱によって半導体素子を加熱する加熱手段と、加熱された半導体素子のバンプ接合面の裏面から放射される赤外線を赤外線撮像素子を介して取り込み、半導体素子の前記裏面の温度分布を測定する測定手段と、半導体素子で発生した熱がバンプを介して基板へと放熱されることを利用して、測定された温度分布に基づいてバンプの接合状態の良否を判定する判定手段とを備えている。

請求項４の発明は、請求項３の発明において、基板を固定するステージに基板の温度を一定にする恒温手段を備えている。

請求項５の発明は、請求項３又は４の発明において、測定手段として赤外線サーモグラフィと、赤外線サーモグラフィの赤外線の入力部に設けられて半導体素子及びバンプの接合部から放射される赤外線の波長のみを通過させるフィルタとを備えている。

請求項１の発明によれば、半導体素子に電流を流して半導体素子の自己発熱によって半導体素子を加熱するステップと、加熱された半導体素子のバンプ接合面の裏面から放射される赤外線を赤外線撮像素子を介して取り込み、半導体素子の前記裏面の温度分布を測定するステップと、半導体素子で発生した熱がバンプを介して基板へと放熱されることを利用して、測定された温度分布に基づいてバンプの接合状態の良否を判定するステップとを備えたため、半導体素子で発熱した熱がバンプを通じて放熱されることを利用して、半導体素子の裏面の温度分布を測定することにより、ＬＥＤ等の素子自体が発熱する半導体素子を用いる場合にも、バンプの接合状態の良否を正確に判定し得る検査方法を提供することができる。

請求項２の発明によれば、半導体装置の基板を固定するステージの温度を一定に維持することで基板の温度を一定に維持することができ、基板の温度分布のばらつきを抑えてより正確に測定することができる。

請求項３の発明によれば、半導体装置の基板を固定するステージと、半導体素子に電流を流して半導体素子の自己発熱によって半導体素子を加熱する加熱手段と、加熱された半導体素子のバンプ接合面の裏面から放射される赤外線を赤外線撮像素子を介して取り込み、半導体素子の前記裏面の温度分布を測定する測定手段と、半導体素子で発生した熱がバンプを介して基板へと放熱されることを利用して、測定された温度分布に基づいてバンプの接合状態の良否を判定する判定手段とを備えたため、半導体素子で発熱した熱がバンプを通じて放熱されることを利用して、半導体素子のバンプ接合面の裏面の温度分布を測定することによりバンプの接合状態の良否を正確に判定し得る検査装置を提供することができる。

請求項４の発明によれば、半導体の基板を固定するステージの温度を一定に維持することで基板の温度を一定に維持することができ、基板の温度分布のばらつきを抑えてより正確に測定することができる。

請求項５の発明によれば、測定手段として赤外線サーモグラフィを用い、さらに赤外線サーモグラフィの赤外線の入力部に、半導体素子及びバンプ接合部から放射される赤外線の波長のみを通過させるようにフィルタを設けたために、半導体素子の裏面の温度分布をより正確に測定することができる。

以下、本発明の実施形態として、半導体素子にＬＥＤを用いた場合について説明する。図１に示すように、本実施形態で用いられる半導体装置４は、半導体素子１と回路パターンが形成された基板２とを、基板２の回路パターン上に形成された複数のバンプ３を介してフリップチップ実装して構成され、検査装置は、該半導体装置４を固定するステージ５と、外部の電源を用いて半導体素子１に電流を流して半導体素子１の自己発熱によって半導体素子１を加熱する加熱手段６と、半導体素子１の裏面の温度分布を測定する測定手段７と、測定された温度分布に基づいてバンプ３の接合状態の良否を判定する判定手段８とで構成されている。

半導体素子１は固体発光素子等が用いられ、本実施形態ではＬＥＤ１００を用いている。ただし、半導体素子１は固体発光素子に限るものではない。本実施形態で用いるＬＥＤ１００の構造を図２を用いて説明する。図２（ａ）において、ＬＥＤ１００はサファイア基板１０１の上にバッファ層１０２、ｎ型半導体層１０３、発光層１０４、ｐ型半導体層１０５を順に積層して形成される。このＬＥＤ１００のｎ型半導体層１０３の表面にｎ型電極１０８を形成し、ｐ型半導体層１０５の表面に電流拡散膜１０６とｐ型電極１０７とを形成する。この電流拡散膜１０６は導電性でしかも光の反射率の高い金属で形成されている。ＬＥＤ１００はｐ型電極１０７とｎ型電極１０８とを電源に接続して電流を流すことで発光し、発光の際には発熱を伴う。

基板２はセラミックで形成され、基板２上には銅、ニッケル、金等を用いて回路パターンが形成されており、回路パターン上にバンプ３が複数個形成される。なお基板２はセラミックの他に樹脂、フィルム、金属、リードフレーム、シリコン、窒化アルミニウムで形成されてもよい。また回路パターンはタングステン、アルミニウム、銀、ロジウムで形成されてもよい。

ステージ５は半導体装置４の基板２を固定するもので、基板２の温度を所定の温度に維持するための恒温手段として、たとえば図示していないが、ヒータやペルチェ素子を備えている。

加熱手段６は外部の電源を用いて半導体素子１に電流を流すことにより、半導体素子１の自己発熱を利用して半導体素子１全体を加熱する。ここで他の加熱する手法として、外部からレーザー光を半導体素子１の中央に照射することで加熱することが考えられるが、半導体素子１のアスペクト比が非常に大きいために、半導体素子１内部での水平方向の伝熱が小さく、またＬＥＤ１００の主要な基板となっているサファイア基板１０１の熱伝導率がそれほど大きくないために、一般の半導体に比べて水平方向の伝熱は更に小さいものとなっている。このため、半導体素子１の中央部を加熱して接合状態の判定に必要な量の熱を半導体素子１の周辺部まで伝熱するためには、半導体素子１の中央部に過大な熱負荷がかかる事となり、半導体素子１の寿命を劣化させる要因となってしまう。また半導体素子１の周辺部の温度は中央部の温度と比べて低いものとなり、周辺部のバンプ３の接合状態は中央部のバンプ３の接合状態と比較して判定しにくくなる。さらにレーザー光の半導体素子１への照射位置がずれると、半導体素子１の温度分布が容易に変化してしまう問題もある。

これに対して、本発明の加熱手段６のように半導体素子１の自己発熱を利用すると、半導体素子１のｐｎ接合面全体に万遍なく熱負荷を与えることができ、したがって半導体素子１の周辺部においても中央部と同等の量の熱が供給されるため、バンプ３の接合状態の判定が容易となる。また中央部に過大な熱負荷を与える必要がないため、熱負荷の量を半導体素子１の寿命を損なわない程度に制御することができる。さらに自己発熱を利用しているため、レーザー光のように半導体素子１がずれても半導体素子１の温度分布が変化することもない。また自己発熱を利用しているため、レーザー光を供給する装置等の特別な加熱手段を別途設ける必要が無く、コストの削減にも貢献できる。

測定手段７は赤外線サーモグラフィで構成され、半導体素子１の裏面から放射される赤外線を赤外線撮像素子を介して取り込むと共に、該赤外線をその光強度に応じた電気信号に変換して判定手段８に送る。ここで赤外線サーモグラフィの赤外線撮像素子に、半導体素子１及びバンプ３接合部から放射される赤外線の波長のみを通過させるようなフィルタを設けてもよい。このようなフィルタを設けることによって、半導体素子１及びバンプ３接合部以外から放射される測定の妨げとなり得る赤外線を除去することができ、したがって半導体素子１の裏面のより正確な温度分布を測定することができる。

判定手段８は汎用のマイコン等から構成されるものであって、測定手段７から送られてくる電気信号を温度に換算することにより半導体素子１の裏面の温度分布を表すデータを生成し、該データと判定手段８に予め記憶されているバンプ３の接合状態が正常である場合の半導体素子１の裏面の温度分布を表すデータ（以下、基準データと呼ぶ）とを比較することで、バンプ３の接合状態の良否判定を行う。

以下、本実施形態の動作を図３のフローチャートを用いて説明する。まず半導体装置４の基板２をステージ５上に固定し（Ｓ００１）、ステージ５に備えられたヒータ又はペルチェ素子を用いてステージ５を所定の温度に維持し、したがって基板２も所定の温度に維持される（Ｓ００２）。次に基板２に設けられた端子に加熱手段６によって電流を流すと（Ｓ００３）、電流を流すことによりＬＥＤ１００が発光すると共に発熱する（Ｓ００４）。この発熱により半導体素子１が万遍無く加熱されるが、バンプ３の接合部においてはバンプ３を介して基板２へと放熱される。このため、バンプ３の接合部は他の部分と比べて温度が低くなる。ここで図４（ａ）に示すように、接続不良のバンプ３’がある場合、該バンプ３’を介して基板２へと放熱されない。そこで半導体素子１の裏面の温度分布を観察すると、同図（ｂ）の該バンプ３’に対応するイに示すように、該バンプ３’の接合部の温度が他の正常なバンプ３の接合部と比べて高く観察される。

そこで、半導体素子１の裏面を赤外線サーモグラフィによって測定し、測定されたデータを判定手段８に送り（Ｓ００５）、判定手段８において送られてきた電気信号を温度分布のデータに変換して判定手段８に予め記憶されている基準データと比較する（Ｓ００６）。基準データの温度分布よりも高い温度を持つ箇所があると判断された場合、バンプ３の接続不良があると判定されて、この半導体装置４をステージ５から取外して、不良品トレイ（図示せず）へと移動させる（Ｓ００７）。基準データの温度分布と同じ温度分布又はそれ以下の温度を持つ箇所があると判断された場合は、バンプ３の接合状態が正常であると判定され、この半導体装置４をステージ５から取外して、良品トレイ（図示せず）へと移動させる（Ｓ００８）。

本実施形態によれば、半導体素子１の自己発熱により半導体素子１を加熱し、バンプ３を介して基板２へと放熱することを利用して半導体素子１の裏面の温度分布を測定することで、ＬＥＤ１００等の素子自体が発熱する半導体素子１を用いる場合にも正確にバンプ３の接合状態の良否を判定することができる。

本発明の実施形態である検査装置の断面図である。本発明の実施形態で用いるＬＥＤの構造図で、（ａ）は断面図で、（ｂ）は上面図である。本発明の実施形態の動作のフローチャートである。本発明の実施形態におけるバンプの接合状態の良否判定を示す概略図で、（ａ）は断面図で、（ｂ）は上面図である。従来の半導体素子の実装検査装置の構成図である。

符号の説明

１半導体素子
２基板
３バンプ
４半導体装置
５ステージ
６加熱手段
７測定手段
８判定手段

Claims

電極上に設けたバンプを接合して半導体素子を基板にフリップチップ実装して成る半導体装置の接合部を検査する検査方法であって、半導体素子に電流を流して半導体素子の自己発熱によって半導体素子を加熱するステップと、加熱された半導体素子のバンプ接合面の裏面から放射される赤外線を赤外線撮像素子を介して取り込み、半導体素子の前記裏面の温度分布を測定するステップと、半導体素子で発生した熱がバンプを介して基板へと放熱されることを利用して、測定された温度分布に基づいてバンプの接合状態の良否を判定するステップとを有することを特徴とする検査方法。
前記半導体素子に電流を流して半導体素子の自己発熱によって半導体素子を加熱するステップの前に、半導体装置の基板の温度を一定に維持するステップを有することを特徴とする請求項１記載の検査方法。
電極上に設けたバンプを接合して半導体素子を基板にフリップチップ実装して成る半導体装置の接合部を検査する検査装置であって、半導体装置の基板を固定するステージと、半導体素子に電流を流して半導体素子の自己発熱によって半導体素子を加熱する加熱手段と、加熱された半導体素子のバンプ接合面の裏面から放射される赤外線を赤外線撮像素子を介して取り込み、半導体素子の前記裏面の温度分布を測定する測定手段と、半導体素子で発生した熱がバンプを介して基板へと放熱されることを利用して、測定された温度分布に基づいてバンプの接合状態の良否を判定する判定手段とを備えたことを特徴とする検査装置。
前記ステージに固定された基板の温度を一定にする恒温手段を備えたことを特徴とする請求項３記載の検査装置。
前記測定手段は、赤外線サーモグラフィと、赤外線サーモグラフィの赤外線の入力部に設けられて半導体素子及びバンプの接合部から放射される赤外線の波長のみを通過させるフィルタとを備えたことを特徴とする請求項３又は４記載の検査装置。