JP2929961B2

JP2929961B2 - コプラナリティの測定方法

Info

Publication number: JP2929961B2
Application number: JP4305495A
Authority: JP
Inventors: 明三城
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1995-03-02
Filing date: 1995-03-02
Publication date: 1999-08-03
Anticipated expiration: 2014-08-03
Also published as: JPH08240422A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＬＳＩ（高集積回路）
チップ及びこれを実装する基板等、実装部材又は被実装
部材に形成されたバンプ等の被測定点の同一平面性を示
すコプラナリティを測定する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＬＳＩの高速化・高集積化に伴い、ＬＳ
Ｉチップを基板に実装する方法が、ワイヤボンディング
法から半田バンプ法へ移行している。図８は半田バンプ
法によるチップの実装方法を説明する説明図である。図
８（ａ）の如く、平面視が正方形であるチップ20の下面
には複数のチップ側パッド21，21，…が所定の間隔を隔
ててマトリックス状に形成してあり、各チップ側パッド
21，21，…の下端には略半球状の半田ボール30，30，…
が設けてある。一方、チップ20が実装される基板10には
前述したチップ側パッド21，21，…に対応して複数のパ
ッド11，11，…が形成してある。

【０００３】このような基板10にチップ20を実装するに
は、図８（ａ）の如く、チップ20をそのチップ側パッド
21，21，…が基板10のパッド11，11，…にそれぞれ当接
するように配置し、予熱時間，昇温速度及び冷却速度
等，予め定めたスケジュールに従って所要温度まで加熱
して半田ボール30，30，…を溶融する。そして、図８
（ｂ）の如く、重力の作用によってパッド11，11，…に
溶融した半田ボール30，30，…をそれぞれ溶着させた
後、冷却することによってパッド11，11，…とチップ側
パッド21，21，…とを接合する。

【０００４】この半田バンプ法には次のような問題があ
る。図９はそりが生じている基板にチップを半田バンプ
法により実装した結果を示す模式的部分側断面図であ
る。図９の如く、基板10には下に凸のそりが発生してお
り、基板10の表面とチップ20の下面との間の距離はチッ
プ20の縁部より中央部の方が大きい。そのため、このよ
うな基板10に前同様にチップ20を実装すると、基板10の
表面とチップ20の下面との間の距離が大きくなるに従っ
て、パッド11とチップ側パッド21との半田付けが十分で
なく、接合強度が低い低接合強度部Ｊ_L、または溶融し
た半田ボール30がパッド11に溶着していない未接合部Ｊ
_Nが生じて不良品となる。

【０００５】そこで、次のような方法により基板に形成
されたパッド，配線等のバンプの同一平面性を示すコプ
ラナリティを測定し、その結果に基づいて半田ボールの
大きさを調整して低接合強度部及び未接合部の発生を防
止していた。

【０００６】図10は従来のコプラナリティの測定方法を
適用する装置の要部を示す模式図であり、図中35はレー
ザ光の出射装置である。出射装置35はステージ31に対向
して斜めに配置してあり、出射装置35から出射されたレ
ーザ光の反射光はセンサ36に入射されるようになってい
る。出射装置35及びセンサ36はステージ31のｘ軸及びｙ
軸方向に走査されるようになっている。このとき、出射
装置35から出射されたレーザ光の走査領域が平坦である
場合、その反射光はセンサ36の同一位置に入射され、平
坦でない場合、反射光は凹凸の高さに応じた距離だけ隔
てた位置に入射される。従って、両位置の差に基づいて
凹凸の高さが算出される。

【０００７】ステージ31上には、パッド又は配線等のバ
ンプ13が予め形成してある基板10が載置してあり、出射
装置35から出射されたレーザ光はバンプ13上を走査され
る。バンプ13からの反射光はセンサ36に入射され、ステ
ージ31の表面からの入射位置を基準にバンプ13の高さが
算出される。

【０００８】図11は従来のコプラナリティの測定方法を
説明する説明図である。図11（ａ）の如く、基板に形成
された複数のバンプ13，13，…のステージ31の表面から
の高さ及びその位置を全て求め、図11（ｂ）の如く、求
めた結果に基づいて最小自乗法を用いて平均的な平面Ｐ
を求める。そして、図11（ｃ）の如く、平面Ｐを最も高
いバンプ13の頂点まで平行移動して基準面Ｐ_Sとし、該
基準面Ｐ_Sから各々のバンプ13，13，…頂点までの距離
を算出してコプラナリティとしていた。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら従来のコ
プラナリティの測定方法にあっては、最小自乗法によっ
て単に平均化した平面Ｐに基づいて基準面Ｐ_Sを求めて
いるため、実際に基板にチップを実装した場合、多くの
場合、該基準面Ｐ_Sではチップは安定し得ない。つまり
基準面Ｐ_Sは実装の実際に則しておらず、該基準面Ｐ_S
から測定したコプラナリティに基づいて半田ボールの大
きさを調整しても、低接合強度部及び未接合部の発生の
防止効果は低い。本発明はかかる事情に基づいてなされ
たものであって、その目的とするところは高さに基づい
て選択された３つの被測定点を頂点とする三角形の領域
における実装領域の重心の有無を判断して基準面を定め
ることによって、低接合強度部及び未接合部の発生の防
止効果が高いコプラナリティの測定方法を提供すること
にある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】第１発明に係るコプラナ
リティの測定方法は、平板状の被実装部材又は該被実装
部材に実装される実装部材の実装領域における複数の被
測定点の位置及び任意基準から被測定点までの高さを検
出した結果に基づいて基準面を算出し、該基準面と被測
定点との間の距離に基づいてコプラナリティを測定する
方法において、実装領域の重心を算出する重心算出ステ
ップと、高い方から３つの被測定点を選択する選択ステ
ップと、選択した被測定点の内、より高い２つの被測定
点を通る直線を決定する直線決定ステップと、残りの被
測定点が前記直線の重心側に存在するか否かを判断する
第１判断ステップと、重心側に存在する場合、それらの
被測定点を頂点とする三角形の領域内に前記重心が存在
するか否かを判断する第２判断ステップと、重心が存在
すると判断した場合、その３つの被測定点によって定ま
る面を基準面とする基準面決定ステップと、第１判断ス
テップ又は第２判断ステップで存在しないと判断した場
合、選択した測定対象点の内、より低い１被測定点と、
選択しなかった被測定点の内、より高い１被測定点とを
入れ替える入替ステップとを包含し、直線決定ステップ
から入替ステップまでの各ステップを、基準面が決定さ
れるまで行うことを特徴とする。

【００１１】第２発明に係るコプラナリティの測定方法
は、第１発明に加えて、更に、決定された基準面と平行
であり、基準面からの距離が等しい被測定点に接するコ
プラナリティ平面を形成することを特徴とする。

【００１２】

【作用】第１発明に係るコプラナリティの測定方法は、
基準面と被測定点との間の距離に基づいてコプラナリテ
ィ測定するに当たり、前記基準面を次のように求める。
図２はチップが実装される基板の実装領域を示す拡大平
面図であり、図２（ａ）はパッドは形成してある場合
を、また図２（ｂ）は配線が形成してある場合をそれぞ
れ示している。図２（ａ）の如く、基板10の実装領域Ｒ
には複数のパッド11，11，…が（ｘ₁，ｙ₁）〜
（ｘ_n，ｙ_m）まで所定の間隔でマトリックス状に形成
してある。このような基板10に対しては、基板10のパッ
ド11，11，…に対応してその裏面にパッドが形成たチッ
プが実装され、パッド11，11，…の領域がチップが当接
して実装される実装領域Ｒである。

【００１３】実装領域Ｒにおける重心Ｇは、図２（ａ）
にあっては、次の（１）式によって求める。Ｇ（ｘ_G，ｙ_G）＝｛（ｘ_n−ｘ₁）／２，（ｙ_m−ｙ₁）／２｝…（１）

【００１４】一方、図２（ｂ）にあっては、基板10に所
定のパターンとなるように形成された複数の配線12，1
2，…における実装領域Ｒは、設計により予め定められ
ており、該実装領域Ｒと各配線12，12，…との交点（Ｘ
₁，Ｙ₁）〜（Ｘ_n，Ｙ_m）を算出し、次の（２）式に
よって重心Ｇを求める。Ｇ（Ｘ_G，Ｙ_G）＝｛（Ｘ_n−Ｘ₁）／２，（Ｙ_m−Ｙ₁）／２｝…（２）

【００１５】図３は基板の実装領域の拡大平面図であ
り、基準面の算出方法を説明するためのものである。基
板10には複数のパッド11，11，…がマトリックス状に形
成してあり、各パッド11，11，…の位置及び高さをレー
ザ光を利用して，または表面粗さ計等により測定する。
いま、各パッド11，11，…の高さはｔ₁＞ｔ₂＞ｔ₃＞
ｔ₄＞…であったとすると、その高さが高い順から３つ
のパッド11，11，11（ｔ ₁〜ｔ₃）を選択し、その中で
その高さが高い２つのパッド11，11（ｔ₁，ｔ₂）を通
る直線Ｋを決定する。平板状のチップをパッド11，11，
…に実装する場合、高いパッド11，11，…に当接するの
で、パッド11，11（ｔ₁，ｔ₂）は実装の実際に則して
選択されたことになる。一方、前述した如く、実装領域
Ｒにおける重心Ｇを求めておく。

【００１６】そして、残りのパッド11（ｔ₃）が直線Ｋ
より重心Ｇ側であるか否かを判断し、重心Ｇ側である場
合、パッド11，11，11（ｔ₁〜ｔ₃）を頂点とする三角
形Ｔ ₁の領域内に重心Ｇがあるか否かを判断する。これ
によって、パッド11，11，11（ｔ₁〜ｔ₃）によって平
板状のチップが安定して支持されるか否かが判断され
る。図３にあっては、パッド11（ｔ₃）は直線Ｋより重
心Ｇ側にあるものの、重心Ｇは三角形Ｔ₁の領域内には
ない。従って、パッド11（ｔ₃）は条件を満足せず、パ
ッド11，11，11（ｔ₁，ｔ₂，ｔ₃）ではチップを安定
して支持できないので、パッド11（ｔ₃）の次に高いパ
ッド11（ｔ₄）について前同様に両条件を満足するか否
かを判断する。

【００１７】一方、パッド11（ｔ₃）が直線Ｋより重心
Ｇ側になかった場合、パッド11（ｔ ₃）と直線Ｋに係る
パッド11，11（ｔ₁，ｔ₂）とによって平板状のチップ
が安定して支持されることはないので、三角形Ｔ₁内の
領域内に重心Ｇがあるか否かを判断することなく、パッ
ド11（ｔ₄）についてそれが直線Ｋより重心Ｇ側である
か否かの判断に移る。

【００１８】図３にあっては、パッド11（ｔ₄）は両条
件を満足し、パッド11，11，11（ｔ ₁，ｔ₂，ｔ₄）に
よってチップが安定して支持されため、パッド11，11，
11（ｔ₁，ｔ₂，ｔ₄）で定まる平面を基準面とする。
そして、この基準面と各パッド11，11，…との間の距離
をそれぞれ求め、求めた距離に基づいてコプイラナリテ
ィを測定する。即ち、パッド11，11，…についての前記
距離が同じであれば同じコプラナリティであるとする。

【００１９】一方、パッド11，11，11（ｔ₁，ｔ₂，ｔ
₄）を頂点とする三角形Ｔ₂内の領域内に重心Ｇがなか
った場合、パッド11（ｔ₄）に代えて、パッド11
（ｔ₅；ｔ ₅＜ｔ₄）を選択し、前同様、パッド11（ｔ
₅）が直線Ｋより重心Ｇ側にあるか否か、重心Ｇ側にあ
ればパッド11，11，11（ｔ₁，ｔ₂，ｔ₅）を頂点とす
る三角形Ｔ₃の領域内に重心Ｇがあるか否かを順次判断
し、基準面が決定されるまでこれを繰り返す。

【００２０】第２発明のコプラナリティの測定方法にあ
っては、前述した如く決定した基準面を平行移動して、
基準面からの距離が同じである被測定点に接するコプラ
ナリティ平面を形成する。これによって、実装領域にお
けるコプラナリティの範囲及び形状が認識され、各コプ
ラナリティ平面毎に各半田ボールの直径を調整する等の
対応がなされる。

【００２１】

【実施例】以下本発明をその実施例を示す図面に基づい
て具体的に説明する。図１は本発明に係る方法を適用す
る装置の要部を示す模式図及びその制御系を示すブロッ
ク図であり、共焦点法を利用した場合について示してあ
る。出射装置５から出射されたレーザ光はレンズ４によ
って所定幅の平行光になされてビームスプリッタ３に入
射され、ビームスプリッタ３は入射光を垂直下方へ出射
する。ビームスプリッタ３の下方には収束レンズ２が配
置してあり、収束レンズ２はビームスプリッタ３からの
光を収束してステージ１に照射する。

【００２２】ステージ１は水平方向に移動自在なｘ軸ス
テージ1xと、これと直交する方向に移動自在なｙ軸ステ
ージ1yと、鉛直方向に移動自在なｚ軸ステージ1zとを備
えている。各ステージ1x，1y，1zはそれぞれステージコ
ントローラ８に接続してあり、ステージコントローラ８
はコンピュータ９からの指令信号によって各ステージ1
x，1y，1zの移動を各別に制御するようになっている。

【００２３】ステージ１上には複数のバンプが形成され
た基板10が載置してあり、ｘ軸ステージ1x及びｙ軸ステ
ージ1yの移動によって、予め定められたピッチで基板10
を水平移動し、移動地点においてｚ軸ステージ1zによっ
て基板10を鉛直方向に移動しながら、ステージ１上に照
射されたレーザ光の反射光を得る。

【００２４】ステージ１又は基板10からの反射光は収束
レンズ２及びビームスプリッタ３を介してＣＣＤ（固体
撮像装置）６に受光され、そこで光電変換された電気信
号が信号検出器７に連続的に与えられる。信号検出器７
は与えられた電気信号に基づいて、照射されたレーザ光
の焦点が合ってその反射光の強度が最も強いタイミング
をコンピュータ９に与える。

【００２５】コンピュータ９にはステージコントローラ
８から水平及び垂直方向の位置信号が与えられるように
なっており、コンピュータ９はｚ軸ステージ1zが移動し
て基準位置から前述したタイミング信号が得られるまで
の距離を算出し、ステージ１表面からバンプ頂点までの
高さを得ると共に、当該バンプの水平方向の位置を算出
する。そして、ｘ軸ステージ1x及びｙ軸ステージ1yの移
動に伴って、コンピュータ９は基板10に形成された全て
のバンプの高さ及び位置を前同様に算出する。一方、コ
ンピュータ９には基板10に形成されたバンプ領域におけ
る、実装領域に係る情報が与えられており、コンピュー
タ９は算出したバンプの位置情報及び前記情報に基づい
て当該基板10における実装領域の重心の位置を演算す
る。そして、コンピュータ９はそれらの結果に基づいて
次のようにしてコプラナリティを求める。

【００２６】図４及び図５はコプラナリティの算出手順
を示すフローチャートである。前述した如く、コンピュ
ータ９は実装領域における重心の位置を演算する（ステ
ップＳ１）。そして、基板10に形成された全てのバンプ
の高さ及び位置を算出すると、コンピュータ９は各バン
プに係る情報をその高さ順に並べ換え（ステップＳ
２）、高い方から３つバンプを選択する（ステップＳ
３）。選択したバンプの内、高い方２つを通る直線を決
定し（ステップＳ４）、残りのバンプが前記直線に対し
て重心が存在する側にあるのか、重心が存在しない側に
あるのかを判断する（ステップＳ５）。

【００２７】重心が存在する側にあると判断すると、そ
れら３つのバンプを頂点とする三角形を決定し（ステッ
プＳ６）、決定した三角形の領域内に前記重心が存在す
るか否かを判断する（ステップＳ７）。そして、三角形
の領域内に重心が存在すると判断した場合、それら３つ
のバンプで定まる平面を基準面とする（ステップＳ
８）。

【００２８】一方、ステップＳ５又はステップＳ７にお
いて、重心が存在しないと判断すると、コンピュータ９
は選択した３つのバンプの内、より低いバンプから１つ
選ぶ（ステップＳ11）と共に、選択されなかった被測定
点の内、より高いバンプを選択し（ステップＳ12）、前
記バンプと入れ替え（ステップＳ13）てステップＳ４に
戻り、基準面が決定されるまでそれを繰り返す。そし
て、決定された基準面と各々のバンプとの間の距離を算
出し（ステップＳ９）、同じ距離の複数のバンプで定ま
る平面，つまり基準面と平行であり、基準面からの距離
が同じである被測定点に接するコプラナリティ平面を形
成する（ステップＳ10）。このコプラナリティ平面に基
づいて半田ボールの直径を調整して基板10にチップを実
装する。これによって、低接合強度部及び未接合部の発
生が確実に防止される。

【００２９】次に本発明に係る方法を実施した結果につ
いて説明する。１辺が３５ｍｍの正方形のアルミナ基板
の中央の一辺が２０ｍｍの実装領域に、タングステン製
のパッドを、後付け印刷法により直径が１５０μｍ，５
００μｍのピッチで１６００個となるように形成し、各
パッドの高さを求めた後、そのコプラナリティを測定し
た。

【００３０】図６は実装領域に形成されたパッドの高さ
を求めた結果を示す３次元等高線図であり、図７はその
コプラナリティを測定した結果を示す３次元等高線図で
ある。図６に示した如く得られたパッドの高さに基づい
て、前述した如き手順によりコプラナリティを測定した
ところ、１６００個のパッドに対応する基準面を高効率
に求めることができ、実装操作の実際に則したコプラナ
リティが短時間で測定された。

【００３１】なお、本実施例では基板にチップを実装す
る場合について説明したが、本発明はこれに限らず、例
えば、チップを内装したパッケージを対応する基板に実
装する場合にも適用し得ることはいうまでもない。ま
た、本実施例では基板側のコプラナリティの測定に適用
しているが、本発明はこれに限らず、チップ側のコプラ
ナリティの測定にも適用し得ることはいうまでもない。

【００３２】

【発明の効果】以上詳述した如く本発明に係るコプラナ
リティの測定方法にあっては、実装領域における重心及
び被測定点の高さに基づいて基準面を求めるため、実装
の現実に則したコプラナリティが測定され、前記基準面
を用いて求めたコプラナリティ平面に基づいて半田ボー
ルを調整することによって低接合強度部及び未接合部の
発生が確実に防止される。更に、被測定点の数が多くて
も、基準面を高効率に算出することができ、測定時間が
短い等、優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る方法を適用する装置の要部を示す
模式図及びその制御系を示すブロック図である。

【図２】チップが実装される基板の実装領域を示す拡大
平面図である。

【図３】基板の実装領域の拡大平面図である。

【図４】コプラナリティの算出手順を示すフローチャー
トである。

【図５】コプラナリティの算出手順を示すフローチャー
トである。

【図６】実装領域に形成されたパッドの高さを求めた結
果を示す３次元等高線図である。

【図７】コプラナリティを測定した結果を示す３次元等
高線図である。

【図８】半田バンプ法によるチップの実装方法を説明す
る説明図である。

【図９】そりが生じている基板にチップを半田バンプ法
により実装した結果を示す模式的部分側断面図である。

【図１０】従来のコプラナリティの測定方法を適用する
装置の要部を示す模式図である。

【図１１】従来のコプラナリティの測定方法を説明する
説明図である。

【符号の説明】

１ステージ５出射装置６ＣＣＤ７信号検出器８ステージコントローラ９コンピュータ

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】平板状の被実装部材又は該被実装部材に
実装される実装部材の実装領域における複数の被測定点
の位置及び任意基準から被測定点までの高さを検出した
結果に基づいて基準面を算出し、該基準面と被測定点と
の間の距離に基づいてコプラナリティを測定する方法に
おいて、実装領域の重心を算出する重心算出ステップと、高い方から３つの被測定点を選択する選択ステップと、選択した被測定点の内、より高い２つの被測定点を通る
直線を決定する直線決定ステップと、残りの被測定点が前記直線の重心側に存在するか否かを
判断する第１判断ステップと、重心側に存在する場合、それらの被測定点を頂点とする
三角形の領域内に前記重心が存在するか否かを判断する
第２判断ステップと、重心が存在すると判断した場合、その３つの被測定点に
よって定まる面を基準面とする基準面決定ステップと、第１判断ステップ又は第２判断ステップで存在しないと
判断した場合、選択した測定対象点の内、より低い１被
測定点と、選択しなかった被測定点の内、より高い１被
測定点とを入れ替える入替ステップとを包含し、直線決定ステップから入替ステップまでの各ステップ
を、基準面が決定されるまで行うことを特徴とするコプ
ラナリティの測定方法。
【請求項２】更に、決定された基準面と平行であり、
基準面からの距離が等しい被測定点に接するコプラナリ
ティ平面を形成する請求項１記載のコプラナリティの測
定方法。