JP4557471B2 - 半導体装置実装体の平坦度検査方法及び装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＢＧＡ（ボールグリットアレイ）やＣＳＰ（チップサイズパッケージ）などのパッケージのように、一平面に複数個のボール端子が配列された半導体装置実装体（本明細書では、「半導体パッケージ」又は単に「パッケージ」ともいう）のボール端子の平坦度を検査する方法と装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＢＧＡやＣＳＰなど、一平面に複数個のボール端子が配列された半導体パッケージでは、形成されたボール端子の先端が半導体パッケージの一平面に平行な平面内に規定の精度で収まるようになっていなければならない。
しかし、ＢＧＡやＣＳＰのボール端子の頂点位置が一平面内になるように平坦度を保って均一に製造することは現状技術では困難であり、仮に平坦度を均一に保ってボール端子を形成することができたとしても、その後の工程で熱ストレスや外部からの応力が作用することによりボール端子頂点位置の平坦度が劣化することがある。
【０００３】
そのため、ＢＧＡやＣＳＰについては、実装工程前にレーザ変位計測装置や画像処理計測装置などの検査装置を用いて、ボール端子頂点位置の平坦度が計測される。その平坦度が低い場合は、半導体パッケージを基板に実装する際に実装不良を起こす可能性があるので、その平坦度が規定値以下のものは破棄されている。
【０００４】
平坦度の計測はリードスキャナを用いた仮想平面方式が一般的である。そこでは、全てのボール端子についてそれぞれの先端の高さを求め、それらの高さの座標から三角測量法や最小自乗法を用いて仮想平面を求めている。しかし、測定対象である半導体パッケージ自体の樹脂の位置ずれや変形（反り）は考慮されていない。そのため、ボール端子の高さのみから求められた仮想平面は、実際にその半導体パッケージを搭載する平面と対応したものにならないことが起こりうる。
【０００５】
測定対象が理想的な半導体パッケージであれば、従来の仮想平面と実際の搭載面とが対応するために、正確な平坦度を測定することができる。しかし、現状のアセンブリ技術で理想的な半導体パッケージばかりを生産することは不可能であるため、仮想平面方式による平坦度の計測はなお改良の余地がある。平坦度の計測が不正確である場合には、不良品が良品として誤って市場に出回る虞があり、品質保証が十分にできないという問題が生じる。
【０００６】
仮想平面方式による平坦度検査方法として、ボール端子を備えた半導体パッケージではないが、リードを持つフラットパッケージのリードの平坦度を検査する方法として、全リードの高さを計測し、半導体パッケージの重心とそれらのリードの高さに基づいて、半導体パッケージを仮想平面上に自然落下させたと仮定したときの仮想平面上で半導体パッケージが自立するまでのリードの位置をシミュレーションし、リードの平坦度を検査する方法が提案されている（特許第６９０６７５号公報参照）。
【０００７】
しかし、その提案された方法では、半導体パッケージの樹脂の位置ずれや変形などは考慮されておらず、重心は理想的な半導体パッケージを前提にして決められているため、シミュレーション結果と現実の半導体パッケージが水平面上に置かれた状態とでは差異が生じ、やはり平坦度の測定に誤差を生じる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
パッケージの変形などにかかわらず、正確な平坦度の測定を行おうとすれば、半導体パッケージを実平面上に置いた状態で端子の平坦度を測定すればよいが、ボール端子は半導体パッケージの下面に配列されているため、ボール端子が下向きになるように実平面上に置いた状態ではボール端子の高さを測定することはできない。
そこで、本発明は仮想平面方式と、半導体パッケージを実平面上に置いたときの姿勢を加味する事によって正確な平坦度の測定を行えるようにすることを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の平坦度検査方法は、１つの面に複数のボール端子をもつ半導体パッケージのボール端子平坦度を検査する方法であり、以下の工程（Ａ）から（Ｅ）を含む。
（Ａ）前記半導体パッケージをそのボール端子をもつ面を下にして平面ステージ上に置き、その半導体パッケージの姿勢を求める姿勢計測ステップ、
（Ｂ）前記半導体パッケージを空中に浮かした状態で各ボール端子先端の座標位置を求めるボール計測ステップ、
（Ｃ）姿勢計測ステップで求めた半導体パッケージの姿勢とボール計測ステップで求めた各ボール端子先端の座標位置とから前記ボール端子先端のいくつかと接する仮想平面を求めるステップ、
（Ｄ）求めた仮想平面と前記ボール計測ステップで求めた各ボール端子先端の座標位置とからボール端子の平坦度を求めるステップ、
（Ｅ）求めた平坦度を規格値と比較して良否を判定するステップ。
【００１０】
本発明の平坦度検査装置は、１つの面に複数のボール端子をもつ半導体パッケージのボール端子平坦度を検査する装置であり、図１に示されるように、平面ステージ上にボール端子をもつ面を下にして置かれた半導体パッケージの姿勢を光学的に計測する姿勢計測部２と、姿勢計測部２で求められた半導体パッケージの姿勢を記憶する記憶装置４と、半導体パッケージを空中に浮かした状態で各ボール端子先端の座標位置を求めるボール計測部６と、記憶装置４に記憶された半導体パッケージの姿勢とボール計測部６で求めたその半導体パッケージの各ボール端子先端の座標位置とからボール端子先端のいくつかと接する仮想平面を求め、その仮想平面とその半導体パッケージの各ボール端子先端の座標位置とからボール端子の平坦度を求め、その平坦度を規格値と比較して良否を判定するデータ処理装置８と、半導体パッケージを収納容器から取り出して姿勢計測部２及びボール計測部６へ位置決めするとともに、検査修了後の半導体パッケージを所定の場所へ収納する搬送機構とを備えたものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の平坦度検査方法において、姿勢計測ステップは、一例として、前後左右の横４方向からの撮像を行ない、半導体パッケージの姿勢として全体的な傾き又は部分的な傾きを求めるものである。
【００１２】
本発明の平坦度検査装置において、姿勢計測部２は、例えば、半導体パッケージが置かれた平面ステージの前後左右４方向の側方に撮像機構を備え、その撮像機構により撮像された画像データから半導体パッケージの全体的な傾きと部分的な傾きの一方又は両方をその半導体パッケージの姿勢として抽出するものである。
【００１３】
その撮像機構の一例は、その平面ステージの前後左右４方向の側方に配置され、その平面ステージ上に載せられた半導体パッケージに向けられた４台の電子カメラである。
【００１４】
その撮像機構の他の例は、その平面ステージの前後左右４方向の側方で、平面ステージ上に載せられた半導体パッケージに対して傾斜して配置された４個の反射鏡と、各反射鏡を介して平面ステージ上の半導体パッケージを撮像するように移動可能に取りつけられた１台の電子カメラとを備えているものである。
【００１５】
【実施例】
図２は第１の実施例を示す概略平面図、図３はその概略正面図である。１０は搬送機構のＰ＆Ｐ（ピック・アンド・プレース）ユニットであり、ハンド１２を案内するレール１１と、レール１１に沿って移動可能なハンド１２と、トレイを移送する搬送レーン（図示略）を備えている。ハンド１２は上下動可能であり、その先端には吸着又はチャッキングにより半導体パッケージ１４を保持したり離したりできるようになっている。ハンド１２は説明上、各停止位置にそれぞれ示されているが、その数は1個であってもよく、複数個であってもよい。
【００１６】
半導体パッケージは複数個がトレイに収納された状態で移送され、トレイから姿勢計測部２やボール計測部６へ移送され、それら各部での計測終了後、再びトレイに戻される。
Ｐ＆Ｐユニット１０の一端部にはローダー（図示略）が設けられ、ローダーはストッカー１６にあるトレイを1枚ずつ切り出して搬送レーン上の位置１８に配置する。
【００１７】
Ｐ＆Ｐユニット１０に沿って、一端部から順に姿勢計測部２と、ボール計測部６が配置されている。姿勢計測部２は平面ステージ２０と電子カメラ２２−１〜２２−４及び照明装置（図示略）を備えている。
平面ステージ２０はＰ＆Ｐユニット１０のレールの下方に配置され、その表面が梨地処理されて完全な水平状態に保たれている。ＣＣＤカメラなどの電子カメラ２２−１〜２２−４は平面ステージ２０の前後左右４方向の側方に配置されて、平面ステージ２０上にボール端子を下向きにして置かれた検査対象の半導体パッケージ１４を側方から撮像できる方向に向けられている。照明装置は平面ステージ２０の前後左右の４方向で、電子カメラ２２−１〜２２−４それぞれの近くに設置され平面ステージ２０上に置かれた半導体パッケージ１４を側方から照明できるようになっている。
【００１８】
ボール計測部６には、Ｐ＆Ｐユニット１０のハンド１４に保持された状態の半導体パッケージ１４の下面にあるボール端子の高さを計測するために、検査カメラ３０が配置されている。検査カメラ３０はレーザ変位計測方式による計測部であってもよく、ＣＣＤカメラなどの撮像機構を備えた画像処理計測装置であってもよい。レーザ変位計測方式による計測部の場合には、検査カメラ３０として半導体レーザ照射部とレーザ変位計で構成されたレーザーヘッドを備えている。この実施例では、ボール計測部６としてレーザ変位計測方式による計測部を備えているものとする。
【００１９】
Ｐ＆Ｐユニット１０の他端側にはアンローダー部が設けらけれている。アンローダー部では、検査結果によって良品と不良品の何れかに判定された半導体パッケージがＰ＆Ｐユニット１０によってそれぞれのトレイに収納される。３４は良品用のトレイ、３６は不良品用のトレイである。所定数の半導体パッケージを収納したトレイはアンローダー部によりそれぞれのストッカー４０，４２に移送される。
【００２０】
次にこの実施例の動作について、図４及び図５も参照して説明する。図４は一連の動作を示すフローチャート図、図５は姿勢計測部２で取り込まれる画像データを表わしている。
【００２１】
ローダー部は未測定半導体パッケージの入ったトレイをストッカー１６から１枚ずつ自動的に切り出す。切り出されたトレイ１８は搬送レーンを通って姿勢計測部２の平面ステージ２０の方向に送られる。トレイ１８が平面ステージ２０の横に搬送されてきたら、Ｐ＆Ｐユニット１０のハンド１２がトレイ１８から半導体パッケージ（図４ではＩＣと略記している）１４を１個取り出して平面ステージ２０上に置く。このとき、半導体パッケージ１４はボール端子のある面が下向きになるようにして、かつ半導体パッケージ１４の中心が平面ステージ２０の中心にくるように置く。
【００２２】
平面ステージ２０上に半導体パッケージ１４が置かれたら、ステージ横の前後左右の４方向に設置された照明装置（図示略）が点灯し、平面ステージ２０上の半導体パッケージ１４の真横４方向から照明が当たる。照明が当たると同時に電子カメラ２２−１〜２２−４が平面ステージ２０上の半導体パッケージ１４の像を画像データとして取り込む。
【００２３】
その撮像データは、例えば図５に示されるように４方向からの画像データとして取り込まれる。取り込まれた画像は、各辺ごとにＡ辺画像、Ｂ辺画像、Ｃ辺画像、Ｄ辺画像として、それぞれ２値化変換され、パッケージ部分の上部の複数箇所をサーチして取り込み、これからＺ軸座標値を割り出す。例えば、パッケージ部分上部の両端の高さの差として傾きが求められる。これを四辺について行ない、４つの傾きデータを繋ぎあわせて、傾きを持った平面を導き出すことができる。また、中心点と両端との高さから変形量を求めたり、更に短い区間での高さの差を変形量として求めたりすることもできる。ここで算出された平面データはその半導体パッケージ固有のデータとしてトレイのアドレスデータと共に一時的に記憶装置４に格納される。
【００２４】
姿勢計測部２での計測が終了すると、ハンド１２により半導体パッケージ１４は平面ステージ２０からトレイ１８に戻され、ハンド１２はトレイ１８内の次の半導体パッケージ１２を平面ステージ２０上に置く。これを繰り返してトレイ１８内の全ての半導体パッケージ１４の姿勢計測を終えたら、トレイ１８は搬送レーンによってボール計測部６の横に搬送される。ボール計測部６では、半導体パッケージ１４はＰ＆Ｐユニット１０のハンド１２によってレーザーヘッドの真上に静止させられる。レーザーヘッドは予め入力された半導体パッケージ情報を基に、半導体パッケージ１４の真下から全ボールのＸ／Ｙ／Ｚ軸座標及び半導体パッケージ１４上でのＸ／Ｙ座標を取り込むように半導体パッケージ１４を走査する。レーザ走査によって得られた各座標位置は一時記憶装置４に格納される。
【００２５】
ここで、先に測定した半導体パッケージ１４の姿勢データ（傾きデータ又は変形データ）を記憶装置４から呼び出してきて、そのデータとボール計測部６でのボール位置データとからこの半導体パッケージ１４を平面上に置いたときにボール端子と接する仮想平面を算出する。
【００２６】
仮想平面の算出方法は、例えば次のように行なう。仮想平面を求めようとする半導体パッケージ１４についてのボール位置データから従来のように三角測量法や最小自乗法を用いて仮想平面を求める。その仮想平面と姿勢データとの間での座標の引き算を行ない、姿勢データに基づく仮想平面の修正を行なう。
【００２７】
その後、その算出され修正された仮想平面からボール端子頂上部の座標データとの距離をコプラナリティデーターとして平坦度を算出する。算出されたデータは利用者が予め設定した規格値と比較して規格内か規格外れかの判定が行なわれ、良品／不良品を判定する。算出された各座標データ及び良品／不良品データは記憶装置４に格納される。
この作業を繰り返してトレイ内全ての半導体パッケージ１４の検査を行う。
【００２８】
全ての半導体パッケージ１４の検査を終えたら、トレイはアンローダー部に送られ、良品半導体パッケージは良品専用のトレイに、不良品半導体パッケージは不良品専用トレイにＰ＆Ｐユニット１０のハンド１２で搬送され、これを複数トレイについて繰り返すことにより多数の半導体パッケージ１４の連続検査を行なう。
【００２９】
図６と図７は第２の実施例を示したものである。図６、図７は第１の実施例の図２、図３に対応しており、同一の部分には同一の符号を付して詳しい説明は省略する。
この実施例では姿勢計測部２の構成が第１の実施例のものとは異なる。姿勢計測部２では、平面ステージ２０の左右前後の側方には中心に対して１３５度の角度で下向きのミラー５０−１〜５０−４が取りつけられており、ミラー５０−１〜５０−４の直下は空洞になっている。平面ステージ２０の下方には１台のＣＣＤカメラ５２と照明装置５４が取りつけられている。ＣＣＤカメラ５２は各ミラー５０−１〜５０−４の下方の位置に順次移動して位置決めされるように移動可能に取りつけられており、各ミラー５０−１〜５０−４を介してそれぞれの位置で半導体パッケージ１４の画像を取り込むことができるようになっている。
【００３０】
この姿勢計測部２では、平面ステージ２０に半導体パッケージ１４が置かれたら、照明装置５４が点灯し、ミラー５０−１〜５０−４に反射して半導体パッケージ１４を真横４方向から照明する。そして、ＣＣＤカメラ５２はミラー５０−１〜５０−４に写し出された半導体パッケージ１４の４方向の画像をミラー５０−１〜５０−４を通して順次画像データとして取り込む。取り込まれた画像は、第１の実施例と同様に処理される。
【００３１】
姿勢計測部２で半導体パッケージ１４の姿勢として全体的な傾きを求めたときは、仮想平面は傾きをもった平面となる。また、半導体パッケージ１４の姿勢として部分的な傾き、すなわち変形量を求めたときは、仮想平面は傾きの異なる部分平面を組み合わせたものとなる。
【００３２】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、半導体パッケージを実際に平面ステージ上に置いたとの姿勢と各ボール端子先端の座標位置に基づいて仮想平面を求め、その仮想平面と各ボール端子先端の座標位置とからボール端子の平坦度を求めるようにしたので、平坦度をより正確に求めることができるようになる。
請求項２の発明によれば、半導体パッケージの姿勢として全体的な傾き又は部分的な傾きを求めるようにしたので、仮想平面に反映させるのが容易である。
請求項３の発明によれば、このような正確な平坦度測定を自動的に行なうことができるようになる。
請求項４の発明では、平面ステージの前後左右４方向の側方に撮像機構を備えているので、半導体パッケージの画像データを４方向から取り込むことができ、半導体パッケージの姿勢を正しく読みとることができる。
請求項５の発明によれば、撮像機構としては平面ステージの前後左右４方向の側方に４台の電子カメラを配置しているので、４方向から同時に画像データを取り込むことができ、高速処理が可能になる。
請求項６の発明によれば、撮像機構として移動可能な１台の電子カメラを用いるので、装置を安価に製造することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の平坦度検査装置を概略的に示すブロック図である。
【図２】平坦度検査装置の第１の実施例を示す概略平面図である。
【図３】同実施例の概略正面図である。
【図４】同実施例の動作を示すフローチャート図である。
【図５】同実施例において姿勢計測部で取り込まれる画像データを示す図である。
【図６】平坦度検査装置の第２の実施例を示す概略平面図である。
【図７】同実施例の概略正面図である。
【符号の説明】
２ 姿勢計測部
４ 記憶装置
６ ボール計測部
８ データ処理装置
１０ Ｐ＆Ｐユニット
１２ ハンド１２
１４ 半導体パッケージ
２０ 平面ステージ
２２−１〜２２−４，５２ 電子カメラ
３０ 検査カメラ

Claims (4)

1. １つの面に複数のボール端子をもつ半導体装置実装体のボール端子平坦度を検査する方法において、以下の工程（Ａ）から（Ｅ）を含むことを特徴とする平坦度検査方法。
   （Ａ）前記半導体装置実装体をそのボール端子をもつ面を下にして平面ステージ上に置き、その半導体装置実装体の姿勢を求めるために、前後左右の横４方向からの撮像を行ない、半導体装置実装体の姿勢として全体的な傾き又は部分的な傾きを求める姿勢計測ステップ、
   （Ｂ）前記半導体装置実装体を空中に浮かした状態で各ボール端子先端の座標位置を求めるボール計測ステップ、
   （Ｃ）姿勢計測ステップで求めた半導体装置実装体の姿勢とボール計測ステップで求めた各ボール端子先端の座標位置とから前記ボール端子先端のいくつかと接する仮想平面を求めるステップ、
   （Ｄ）求めた仮想平面と前記ボール計測ステップで求めた各ボール端子先端の座標位置とからボール端子の平坦度を求めるステップ、
   （Ｅ）求めた平坦度を規格値と比較して良否を判定するステップ。
2. １つの面に複数のボール端子をもつ半導体装置実装体のボール端子平坦度を検査する平坦度検査装置において、
   平面ステージ上にボール端子をもつ面を下にして置かれた前記半導体装置実装体の姿勢を光学的に計測する姿勢計測部であって、前記平面ステージの前後左右４方向の側方に撮像機構を備え、その撮像機構により撮像された画像データから半導体装置実装体の全体的な傾きと部分的な傾きの一方又は両方をその半導体装置実装体の姿勢として抽出する姿勢計測部と、
   前記姿勢計測部で求められた半導体装置実装体の姿勢を記憶する記憶装置と、
   前記半導体装置実装体を空中に浮かした状態で各ボール端子先端の座標位置を求めるボール計測部と、
   前記メモリに記憶された半導体装置実装体の姿勢と前記ボール計測部で求めたその半導体装置実装体の各ボール端子先端の座標位置とから前記ボール端子先端のいくつかと接する仮想平面を求め、その仮想平面とその半導体装置実装体の各ボール端子先端の座標位置とからボール端子の平坦度を求め、その平坦度を規格値と比較して良否を判定するデータ処理装置と、
   半導体装置実装体を収納容器から取り出して前記姿勢計測部及び前記ボール計測部へ位置決めするとともに、検査修了後の半導体装置実装体を所定の場所へ収納する搬送機構とを備えたことを特徴とする平坦度検査装置。
3. 前記撮像機構は前記平面ステージの前後左右４方向の側方に配置され、前記平面ステージ上に載せられた半導体装置実装体に向けられた４台の電子カメラである請求項２に記載の平坦度検査装置。
4. 前記撮像機構は前記平面ステージの前後左右４方向の側方で、前記平面ステージ上に載せられた半導体装置実装体に対して傾斜して配置された４個の反射鏡と、
   前記各反射鏡を介して前記平面ステージ上の半導体装置実装体を撮像するように移動可能に取りつけられた１台の電子カメラとを備えている請求項２に記載の平坦度検査装置。

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