JP5018384B2 - ボイド検査方法 - Google Patents

Description

本発明は，半田接合部を検査する方法に関する。さらに詳細には，半田接合部の接合欠陥である空孔（以下，ボイドという）の有無の，Ｘ線を用いた検査方法に関するものである。

半導体素子は使用時の発熱が大きく，誤動作や破損を防止するために基板を介して放熱している。半導体素子と基板とは半田接合されており，この半田接合部ではボイドが発生することがある。しかし，半田接合部にボイドが発生した場合，半導体素子から基板への放熱効果が減少する。また，半導体素子の発熱によりボイド内の空気が膨張し，接合部の剥離や半導体素子の破損が生ずることがある。

このような半田接合部におけるボイドの発生を検査するため，半田接合部のＸ線による検査方法が用いられることがある。Ｘ線源から放射されたＸ線は同じ物質を同じ距離だけ透過した場合に，同じ強度で検出されるはずである。このため，平坦で同じ厚みを持つような形状をもった検査対象物に適している。同じ材質であれば，Ｘ線の吸収がどこにおいても一様であるため，ボイドのある場所で検出されるＸ線の強度が異なり，ボイドの識別が容易であるからである。

しかし，検査対象物の厚みが一様でない場合，または内部に空隙を有しているような場合には，Ｘ線の透過距離が検査対象物の箇所によって異なるため，ボイドの識別が困難となる。このため，特許文献１では球状の半田バンプにおけるボイドの画像処理による検査方法が開示されている。
特開２００２−２８０７２７

しかし，検査対象物には半導体素子を図１〜３のような放熱構造を持つ冷却部材に半田接合したものがある。この冷却部材は，全体としては板状であるが，放熱のため内側に空隙を設けて外気等の冷却媒体との接触面積を大きくしている。このような検査対象物をＸ線の透過により検査する場合，検査対象物の箇所によってＸ線の透過距離が大きく異なる。

このため，冷却部材の放熱構造がＸ線画像に反映し，大きな明暗差となって現れる。冷却部材の厚いところはＸ線の吸収が大きく，空隙のため薄いところはＸ線の吸収が小さいからである。ゆえに，この大きな明暗差の中にボイドの像が埋没し，識別が困難となるのである。また，冷却部材の冷却フィン又はリブ部では，Ｘ線の透過距離が大きいため，Ｘ線の吸収量が大きい。つまり，Ｘ線画像に非常に暗く表示される。このため，その場所にボイドがあったとしても，そのことによる差がほとんど現れない。ゆえに，ボイドの識別がより困難となっている。

このような，バックグラウンドのコントラストの下では，検出すべきボイドの情報がバックグラウンドに埋もれてしまう。このため，ボイドを識別するための閾値を設定できない。したがって，特許文献１のような画像処理方法で解決するのは困難である。

本発明は，前記した従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは，冷却部材を透過するＸ線の透過距離の差により生じる，Ｘ線画像の明暗のコントラストを小さくし，ボイドの有無を識別できるようにしたボイド検査方法を提供することである。

この課題の解決を目的としてなされた本発明のボイド検査方法は，Ｘ線源から発生したＸ線を，板状の検査対象物に照射し，前記検査対象物を透過したＸ線を前記Ｘ線源から見て検査対象物の向こう側に配置したＸ線検出装置で検出し，検出したＸ線の強度分布により前記検査対象物におけるボイドの有無を検査するボイド検査方法であって，前記検査対象物はＸ線が板面に対して垂直方向に透過する場合に吸収が大きい場所と小さい場所を含む構造のものであり，前記Ｘ線の照射方向を板面に対する垂直方向から傾斜した方向とすることを特徴とするものである。

上記において，前記検査対象物は，Ｘ線が板面に対して垂直方向に透過する場合に吸収が大きい場所と小さい場所を含む周期的構造を有する冷却部材と，半導体素子とを半田により接合したものであり，前記検査対象物を透過したＸ線の強度における前記周期的構造による最大値より大きい値に設定した閾値により前記半田の内部のボイドの有無を検査する。冷却部材のリブ部によるＸ線画像の明暗差がより少ない状態で，半田接合部内のボイドの検査を行えるからである。

ここで，Ｘ線の照射方向は照射するＸ線の中心の方向のことである。かかるボイド検査方法は，検査対象物の空隙によるＸ線の透過距離の差を小さくすることができる。このため，画像の明暗差を抑えることができる。

上記において，前記Ｘ線の照射方向と前記検査対象物とがなす角を変化させて，前記検査対象物の構造によるＸ線の明暗差が極小となる角度を選び，その角度で検査を行うとよい。画像の明暗差をより抑えることができるからである。

本発明によれば，冷却部材を透過するＸ線の透過距離の差により生じる，Ｘ線画像の明暗のコントラストを小さくし，ボイドの有無を識別できるようにしたボイド検査方法が提供されている。

［第１の形態］
以下，本発明を具体化した最良の形態について，添付図面を参照しつつ詳細に説明する。本形態は，半田接合部のボイドに対するＸ線を用いた検査方法について，本発明を具体化したものである。

本形態に係るボイド検査方法は，図４のような構成の下で行われる。ボイド検査装置１００は，Ｘ線源２０と，Ｘ線カメラ３０と，画像処理部４０と，ディスプレイ４１とを有している。Ｘ線源２０はＸ線１０を発生するものである。Ｘ線カメラ３０はＸ線源２０より照射され，検査対象物を透過した後のＸ線１０を検出し撮像するものである。画像処理部４０はＸ線カメラ３０により検出された各位置でのＸ線１０の強度を，画像の濃淡として出力するものである。この出力により，ディスプレイ４１は画像を表示するものである。

ここで，Ｘ線カメラ３０は，Ｘ線源２０と対向している。また，Ｘ線源２０からＸ線カメラ３０に向けて照射されるＸ線１０は，Ｘ線１０の中心の照射方向１１（図４中では一点鎖線）から角度φだけ広がりをもって照射される。また，Ｘ線源２０及びＸ線カメラ３０は，鉛直方向１２と照射方向１１とが撮像角θをなすように傾斜して配置してある。ここで，撮像角θが広がりφより大きくなるように傾ける（θ−φ＞０）。

次に，検査方法の手順を図５により説明する。ここで用いる検査対象物は，冷却部材５０と半導体素子６０とが半田接合部７０により接合されたものである。冷却部材５０は図１のような構造をもつものである。

まず，Ｘ線源２０によりＸ線１０を発生させる。このＸ線１０は，検査対象物に照射され，検査対象物を透過した後Ｘ線カメラ３０に入射する。これにより，検査対象物が撮像される。

Ｘ線１０が検査対象物を透過する際，Ｘ線１０は透過した検査対象物に吸収される。この吸収量は，透過した物質の種類とその物質内を透過した距離に依存する。このように物質に吸収された後のＸ線１０がＸ線カメラ３０により検出される。この後，Ｘ線カメラ３０により検出されたＸ線の強度が画像処理部４０に出力される。

この後，画像処理部４０により種々の画像処理が行われる。その際にボイド８０の有無を判断するのである。この画像は，ディスプレイ４１により見ることができる。ディスプレイ４１では，検査対象物におけるＸ線１０の吸収が少ないところは輝度が明るく，吸収が多いところは暗く表示される。

次に，本形態に係るボイド８０の識別方法について説明する。Ｘ線１０は冷却部材５０と半導体素子６０と半田接合部７０とに吸収される。ただし，半導体素子６０の主要部はウェハーであり薄いためＸ線１０をほとんど吸収しない。このため，Ｘ線カメラ３０で検出されるＸ線１０は，主に冷却部材５０と半田接合部７０に吸収されることになる。

ここで，Ｘ線１０の照射方向１１は鉛直方向１２と撮像角θをなしている。ゆえに，Ｘ線１０は板面の垂直方向とθに近い角度で入射する。この入射角の最大値はθ＋φで最小値はθ−φである。このとき，Ｘ線１０が板面に垂直（θ−φ＝０）に入射する箇所はない。このときのＸ線１０の冷却部材５０内での透過距離を図６に示す。ａはリブ部５１がない箇所の冷却部材５０の厚さ，ｂはリブ部５１がある箇所の冷却部材５０の厚さである。

ｃ１，ｃ２，ｃ３はＸ線１０が透過経路Ｃを透過した場合に，Ｘ線１０が冷却部材５０を透過する部分の距離である。ｄ１，ｄ２はＸ線１０が透過経路Ｄを透過した場合に，Ｘ線１０が冷却部材５０を透過する部分の距離である。ｅ１，ｅ２はＸ線１０が透過経路Ｅを透過した場合に，Ｘ線１０が冷却部材５０を透過する部分の距離である。

このとき，Ｘ線１０の透過経路Ｃの透過距離ｃ１＋ｃ２＋ｃ３は，ａ＋ａより大きく，ｂより小さい。同様に，Ｘ線１０の透過経路Ｄの透過距離ｄ１＋ｄ２，及びＸ線１０の透過経路Ｅの透過距離ｅ１＋ｅ２もａ＋ａより大きく，ｂより小さい。つまり，傾斜のない場合に比べて透過経路による透過距離の最大値と最小値の差が小さいのである。このため，冷却部材５０によるＸ線画像における明度差は大きくない。

このときディスプレイ４１に表示される画像の一部を図７の上側に示す。この画像にかすかに表れている濃淡の繰り返しは，冷却部材５０におけるリブ部が繰り返し存在していることによる。図７の下側は，上側の一点鎖線上におけるＸ線の強度を示している。

ここで，半田接合部７０にボイド８０がある場合，該当箇所におけるＸ線１０の吸収がボイド８０のないところに比べて減少する。これがＸ線画像に顕著な明度の差となって現れるのである。ゆえに，閾値を設定してボイド８０を識別することができるのである。

ここで，ボイド８０の識別方法について説明する。図７中のＦはボイド８０がある場所におけるＸ線強度である。Ｇ１はボイド８０がない場所におけるＸ線強度の最大値であり，Ｇ２はボイド８０がない場所におけるＸ線強度の最小値である。冷却部材５０が周期的構造を有するものであるため，Ｘ線強度がＧ１及びＧ２の値をとる箇所が周期的に現れている。ゆえに，Ｇ１を特定することができる。このため，Ｇ１より上側でＦより下側に閾値を設定することにより，ボイド８０の有無を判別することができるのである。

このように，冷却部材５０の画像への影響が小さい条件で検査しているので，半田接合部７０の半田の状態の検査ができる。

ここで，本形態との比較のために撮像角θが０である場合を図８および図９により説明する。このとき，Ｘ線１０は図８のように検査対象物の板面にほぼ垂直に入射する。冷却部材５０を透過する透過経路Ａの透過距離はａ＋ａであり，透過経路Ｂの透過距離はｂである。

図８から明らかなように，Ｘ線１０の透過距離はａ＋ａ又はｂのどちらかにほぼ等しい。これが交互にあらわれるため，Ｘ線画像は図９の上側のように図７に比べてコントラストの強い縞模様となる。透過距離がｂである箇所ではＸ線の吸収が強いため，ディスプレイ４１上で暗くなる。このように透過距離ｂを透過する箇所では，Ｘ線の吸収が強すぎるため，ボイド８０が存在していても検出されないことがある。

一方，バックグラウンドのコントラストも強いため，図９下側のようにバックグラウンドに埋もれてしまうことがある。このため，閾値を設定することができなくなり，ボイド８０の有無を判定することが困難となる。

このように，本発明において設けた撮像角θにより，最大透過距離を小さくすることができる。このため，Ｘ線画像におけるボイド８０の像が消失することがない。さらに，撮像角θにより，透過箇所間の透過距離の差を小さくすることができる。このため，ボイド８０の像がバックグラウンドの強いコントラストにより埋没することを防ぐことができるのである。

［第２の形態］
第２の形態を図１０により説明する。本形態に係る検査装置は，第１の形態と同様，Ｘ線源２０と，Ｘ線カメラ３０と，画像処理部４０と，ディスプレイ４１とを有している。また，Ｘ線カメラ３０とＸ線源２０が対向していることも第１の形態と同様である。検査対象物も第１の形態と同様，冷却部材５０と半導体素子６０とが半田接合部７０により接合されたものである。

第１の形態と異なる点は，Ｘ線源２０及びＸ線カメラ３０をＸ線１０が垂直方向に照射されるように固定して配置した点である。その代わりに，検査対象物を撮像角θで傾斜させるのである。これにより，第１の形態と同様の効果が得られる。

［第３の形態］
第３の形態を図１１により説明する。本形態に係る検査装置は，Ｘ線源２０と，Ｘ線カメラ３０と，画像処理部４０と，ディスプレイ４１とを有する。これらの各部の働きは第１の形態と同様である。また，Ｘ線カメラ３０とＸ線源２０が対向していることも第１の形態と同様である。検査対象物も第１の形態および第２の形態と同様，冷却部材５０と半導体素子６０とが半田接合部７０により接合されたものである。

第１の形態および第２の形態と異なる点は，本形態に係る検査装置が上記に加えてモータ９０と，モータ制御部９１とを有していることである。モータ９０は撮像角θを変化させるものである。モータ制御部９１はモータ９０を制御し，撮像角θを調整するものである。これにより，任意の撮像角θの下で検査を行うことができる。

ここで，θを回転させる場合に，検査対象物を中心に，Ｘ線源２０とＸ線カメラ３０とをセットで回転させてもよい。また，Ｘ線源２０とＸ線カメラ３０を固定したまま，検査対象物のほうを回転させても構わない。撮像角θを設定することに変わりはないからである。

図１２は傾斜角度と，Ｘ線１０が透過する検査対象物の透過距離の最大値と最小値の差との関係を例示したものである。このとき，傾斜角度が２２°近傍で透過距離の差が極小となっている。ゆえに，この撮像角θ＝２２°を採用することにより，冷却部材５０のコントラストによる影響を限りなく小さくしてボイド８０の識別を行うことができる。これにより，ボイド８０の有無をより確実に判別することができる。

また，撮像角θの変化に対するＸ線画像の明暗差をモータ制御部９１にフィードバックすることにより，撮像角θを自動調整することもできる。これにより，ボイド８０の有無をさらに確実に判別することができる。

本形態は第１の形態および第２の形態と同様の効果を得ることができる。さらに，最適傾斜角度の採用により，ボイド８０の有無をより確実に判断することができる。また，撮像角θの自動補正により，検査対象物の個体差にも応じた最適な撮像角θを選択することができる。

以上，詳細に説明したように，本実施の形態に係るボイド検査方法は，検査対象物の板面とＸ線とを垂直方向から傾斜するようにしたので，冷却部材の箇所の違いによるＸ線の透過距離の差が小さくなった。このため，Ｘ線画像における冷却部材の影響を小さくし，ボイドを識別するための閾値を設定できるようになった。これにより，ボイドの有無をより確実に判断できるボイド検査方法が実現されている。

ここで，検査対象物は冷却部材に半導体素子を半田接合したものに限らない。図１〜３のような形状によるバックグラウンドの影響を小さくできるものであれば，本発明による効果は得られるからである。また，冷却部材の半導体素子との半田接合面側に一様な厚さの絶縁基板等の部材がある場合にも，同様である。

なお，本実施の形態は単なる例示にすぎず，本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に，その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良，変形が可能である。例えば，Ｘ線検出装置として，２次元でＸ線を検出するＸ線カメラでなく，ポイントで検出するものや，ラインカウンタでも構わない。

また，撮像角θの回転に用いるものはモータ９０に限らない。例えば，手動でも構わない。撮像角θを連続的に変化させることができるものであれば，その効果は同じだからである。

また，ディスプレイ４１に表示される画像は，Ｘ線カメラ３０で検出されるＸ線の強度が大きいところを明，小さいところを暗としたが，明暗を逆にしても構わない。閾値の設定によりボイド８０を検出できることに変わりはないからである。

また，冷却部材５０におけるリブ部５１は周期的に配置していなくてもよい。閾値の設定によりボイド８０を検出できることに変わりはないからである。

また，撮像角θについて複数の角度を採用して撮像し，ボイド８０の識別を行ってもよい。特に，図１２のように撮像角θを変化させたときの透過距離の差が複数の極小値をもつ場合に有効である。さらに，ボイド８０の有無の判断を再度確認することにもなり，検査の精度をより高めることができる。

また，得られたＸ線画像に種々の画像処理を施すことができる。例えば以下のようなものである。まず，冷却部材５０のみをボイド検査装置１００に搬入する。次に，モータ９０により撮像角θを回転させながら，撮像角θにおけるＸ線の透過距離のデータを取得する。このとき，Ｘ線画像の明暗差が最も小さくなる角度を選択する。次に，選択した傾斜角θにおけるＸ線強度のＸ線画像を記憶させ，記憶したパターンを差し引くことによって半導体素子６０と半田接合部７０のみからなるＸ線画像を形成することもできる。これにより，ボイド８０を識別するための閾値の設定が容易になり，ボイド８０の大きさ，範囲の特定が容易になる。

冷却部材の構造例を示す図（その１）である。 冷却部材の構造例を示す図（その２）である。 冷却部材の構造例を示す図（その３）である。 第１の形態に係る検査方法を実施するためのブロック図（その１）である。 第１の形態に係る検査方法を実施するためのブロック図（その２）である。 傾斜がある場合に冷却部材を透過するＸ線の透過距離を説明する図である。 傾斜がある場合に検査対象物を透過したＸ線のＸ線画像とＸ線強度を説明する図である。 傾斜がない場合に冷却部材を透過するＸ線の透過距離を説明する図である。 傾斜がない場合に検査対象物を透過したＸ線のＸ線画像とＸ線強度を説明する図である。 第２の形態に係る検査方法を実施するためのブロック図である。 第３の形態に係る検査方法を実施するためのブロック図である。 傾斜角度とＸ線の透過距離との関係を例示する図である。

符号の説明

１０…Ｘ線
２０…Ｘ線源
３０…Ｘ線カメラ
５０…冷却部材
６０…半導体素子
７０…半田接合部
８０…ボイド
１００…ボイド検査装置
θ…撮像角

Claims (2)

1. Ｘ線源から発生したＸ線を，板状の検査対象物に照射し，
   前記検査対象物を透過したＸ線を前記Ｘ線源から見て検査対象物の向こう側に配置したＸ線検出装置で検出し，
   検出したＸ線の強度分布により前記検査対象物におけるボイドの有無を検査するボイド検査方法であって，
   前記検査対象物は，Ｘ線が板面に対して垂直方向に透過する場合にＸ線の吸収が大きい場所とＸ線の吸収が小さい場所とを含む周期的構造を有する冷却部材と，半導体素子とを半田により接合したものであり，
   前記Ｘ線の照射方向を板面に対する垂直方向から傾斜した方向とし，
   前記検査対象物を透過したＸ線の強度における前記周期的構造による最大値より大きい値に設定した閾値により前記半田の内部のボイドの有無を判別することを特徴とするボイド検査方法。
2. 請求項１に記載のボイド検査方法であって，
   前記Ｘ線の照射方向と前記検査対象物とがなす角を変化させて，前記検査対象物の構造によるＸ線強度の明暗差が極小となる角度を選び，その角度で検査を行うことを特徴とするボイド検査方法。

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