JP5342526B2

JP5342526B2 - Ｔｄｒ式検査装置

Info

Publication number: JP5342526B2
Application number: JP2010197919A
Authority: JP
Inventors: 雅夫金谷; 一機中野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-09-03
Filing date: 2010-09-03
Publication date: 2013-11-13
Anticipated expiration: 2030-09-03
Also published as: JP2012053010A

Description

この発明は、検査装置に関し、特にＴＤＲ信号を利用して半導体集積回路を計測する検査装置に関するものである。

半導体装置のパッケージの一形態に、ＢＧＡ（Ball Grid Array）パッケージおよびＳＯＪ（Small Outline J-leaded）パッケージがある。ＢＧＡでは、パッケージの底面にはんだボールがグリッド状に配設されており、このはんだボールを介してプリント基板等との接続が行われる。ＳＯＪでは、パッケージの両側の長辺から出たリードの先端が、パッケージ本体を抱え込むように内側に曲がっている。

近年のＬＳＩ（Large Scale Integration）は構造が複雑化し、かつ多ピン構造になっている。その為ＢＧＡパッケージ等の基板集積密度を向上させたパッケージが利用されるようになった。それらのパッケージは、シリコンチップに代表される半導体チップを利用している。半導体チップは、はんだボールがはんだ付けされた樹脂基板上に接着固定される。電気的には半導体チップのパッドと樹脂基板パッドはワイヤーボンドやフリップチップ等の手法で接続されている。

パッケージの接続部の構成も小型化と高密度化が進んでいるため、断線・短絡等の不具合が発生する場合も多い。それらの検出は困難で、容易に検査する手法が必要となっている。近年ではＬＳＩにおいても模倣品が横行している。模倣品の多くは、外見と電気特性は本物と同じに作られており、電気特性試験や目視検査で見分けるのは困難である。

ＬＳＩを検査する手法として半導体テスター等がある。これは、電気特性のみを検査するものであり詳細な故障原因を特定する事は難しい。また不良原因の調査を非破壊で実施する手法としてＸ線による検査が行われている。しかしながらＸ線では、画像の分解能が荒く、実際に検出したいＬＳＩ内部の微小な配線亀裂等による接続不良箇所を見つけるのは極めて困難である。

一方、ＴＤＲ（Time Domain Reflectmetry：時間領域反射測定装置）を利用したはんだ付け検査装置が提案されている。この検査装置によれば、測定用の専用パッドをプリント基板に設けてこれに電気パルスを入力し、その反射特性によってはんだボールの接続信頼性が検査される。その他には、バウンダリスキャンを用いた検査手法が存在する。

ＴＤＲでは高周波プローブを通じ基板に高速立ち上がりパルスを入力しその反射特性で基板の良否を判定する。基板上の多数のＢＧＡや回路を測定するため、百ピン以上の多ピンプローブを用い、一括でプローブする事で測定時間の短縮を図っている。ＴＤＲによる検査では、ＬＳＩ内部の配線の長さや太さの違い、パッケージの材質の違い、シリコンチップの構造の違い等が検出され、目視や電気特性だけでは検出不可能な模造品検出が可能になる。

ＴＤＲにて、ＢＧＡパッケージのＬＳＩを検査する上ではＴＤＲ信号の入力方法が問題となる。ＢＧＡやＬＧＡ（Land Grid Array）では、はんだボールはグリッド形状に配置され、その間隔は１ｍｍから０．６ｍｍ程度である。しかしその信号、ＧＮＤ、電源などのピンアサインはＬＳＩの種類によって違う。実際に測定したいＢＧＡのピンはＬＳＩによりまちまちである。既存のＢＧＡソケットはＢＧＡが脱着可能な構成であるが、測定時の信号、ＧＮＤ、電源等の配線はプリント基板に施され固定であった。量産時の測定には便利であるが、ＬＳＩ毎にプリント基板を準備する必要がある。準備にはコストと時間がかかり多品種のＢＧＡパッケージＬＳＩを測定するのは困難である。

特開平９−６１４８６号公報特開平８−８３６５６号公報

本願は以上のような課題を解決するために成されたもので、はんだボールのピッチや形状は同じであるが、ピンアサインの異なる多品種のＬＳＩに対し、容易にＴＤＲ検査を実施することを可能にすることを目的にする。

本願に関わる検査装置は、ＴＤＲ信号を発生するＴＤＲ装置と、ＴＤＲ装置で発生したＴＤＲ信号の接続先を選定する分岐路が形成されている信号分岐基板と、第１の太さを有する第１のプローブと、第１の太さよりも細い第２の太さを有する第２のプローブと、第１の太さに対応する貫通穴がグリッド状に複数個開口しているプローブソケットと、第２の太さに対応する係止穴がグリッド状に複数個開口していて信号分岐基板で接続先を分岐されたＴＤＲ信号が入力する係止ソケット基板とを備えていて、係止ソケット基板は表層にＧＮＤ配線が形成され、係止穴の側面部分に形成された電極と信号分岐基板の分岐路は対応つけて繋がっているものである。

ＢＧＡやＬＧＡＩＣには、ピッチが同一であるがピンアサインの異なるパッケージが多品種存在する。本願によれば、これらのパッケージを簡易にＴＤＲによる非破壊検査することが可能になる。

この発明に関わる半導体装置の検査装置の概略図である。この発明の実施の形態１に関わるプローブとソケットの関係を示す分解断面図である。この発明の実施の形態１に関わるプリント基板の構成を説明する図である。この発明の実施の形態１に関わるプローブソケットを説明する図である。この発明の実施の形態１に関わる固定ソケットを説明する図である。この発明の実施の形態１に関わるプローブとソケットの関係を示す組み立て断面図である。この発明の実施の形態１に関わる分岐路を説明する図である。この発明の実施の形態２に関わる係止ソケット基板の構成を説明する図である。この発明の実施の形態２に関わる分岐路を説明する図である。

実施の形態１．
本発明の実施の形態を、図に基づいて説明する。図１はこの発明に関わるＴＤＲ式検査装置の全体構成を示している。半導体装置の検査装置１００は、固定治具６０、ソケット基板１、高周波コネクタ２０と４２、信号分岐部プリント基板４０およびＴＤＲ装置５０から構成されている。ＢＧＡパッケージＬＳＩ３０は被測定物である。ＢＧＡパッケージＬＳＩ３０にはソケット基板１が対向配置されている。ＴＤＲ装置５０は測定時に高周波パルス（ＴＤＲ信号）を発生する。

ＴＤＲ装置５０は信号分岐部プリント基板４０に接続されている。信号分岐部プリント基板（信号分岐基板）４０には、高周波リレー４１が複数個配設されていて、ＴＤＲ装置５０で発生したＴＤＲ信号の接続先を選定する分岐路が形成されている。ソケット基板１は信号分岐部の高周波コネクタ４２とソケット基板用の高周波コネクタ２０を経由して、信号分岐部プリント基板４０と連絡している。ＢＧＡパッケージＬＳＩ３０には固定治具６０が搭載される。固定治具６０でＢＧＡパッケージＬＳＩ３０を上から押さえる事で、ソケット基板１とＢＧＡパッケージＬＳＩ３０の接続が確保できる。

図２はＢＧＡパッケージＬＳＩと組み立て前のソケット基板の構成を説明している。被測定物であるＢＧＡパッケージＬＳＩ３０には、複数個のはんだボール３１が実装されている。ソケット基板１は、プローブ３と４、プローブソケット５および係止ソケット基板１４に分離できる。係止ソケット基板１４はプリント基板２と固定ソケット６からなり、組み立て後には一体物として扱われる。プローブには、太いプローブ（第１のプローブ）３と細いプローブ（第２のプローブ）４の２種類が存在する。

太いプローブ３はＧＮＤ用で、細いプローブ４はＴＤＲ信号用である。樹脂製のプローブソケット５は太いプローブ３を支える。プローブソケット５を貫通するピン穴５ａは、プローブ３の大きさに対応していて、プローブ３を抜き差しできるようになっている。樹脂製の固定ソケット６は細いプローブ４を支える。固定ソケット６に設けられている係止穴６ａは、プローブ４の大きさに対応していて、プローブ４を抜き差しできるようになっている。プリント基板２を貫通するピン穴２ａはプローブ４の大きさに対応していて、プローブ４を抜き差しできるようになっている。係止穴６ａは片側は開口されているが、途中から塞がれている。

プリント基板２の構造を図３に基づいて説明する。プリント基板２は最上層に太いプローブ３が接触するＧＮＤ（Ground）配線層７が配設されている。ＧＮＤ配線層７にはプローブとの接触部に金メッキを施し、接触抵抗を下げる事が望ましい。プリント基板２の２層目から最下層までの構造はビア構造である。ビアにはプローブ４に接触するビアホール電極８が形成されている。ビアホール電極８は信号配線１０と導通している。絶縁パターン９はプリント基板２の最上層に設けられていて、ＧＮＤ配線層７とビアホール電極８を絶縁する。２層目から最下層にはコプレナーライン、或いはマイクロストリップライン等の高周波特性を考慮した信号配線１０が配置されていて、信号配線１０は高周波コネクタ２０に接続されている。ビア構造はＢＧＡの配置に合わせた形状（グリッド状）になっていて、数百ピン分が配置されている。

図４はプローブソケットの形態を表している。プローブソケット５にはプローブ３の太さに対応している貫通穴が複数個開口されている。貫通穴の配置はＢＧＡの配置に合わせた形（グリッド状）になっている。貫通穴にＢＧＡのはんだボール３１を入れる事でＢＧＡとプローブ３、４の位置合わせが完了する。例えばＢＧＡパッケージＬＳＩ３０のボールピッチが１ｍｍピッチであれば、直径０．６ｍｍのはんだボール３１が使用されている。このとき望ましいプローブソケット５の穴径は０．７ｍｍである。

図５は固定ソケットの形態を表している。固定ソケット６もプローブソケット５と同様にＢＧＡの配置に合わせた形にグリッド状に係止穴が開いている。係止穴の直径はプローブ４の太さに対応している。細いプローブ４を支える事が目的になる。プローブ３、４は、両端または方端稼動のスプリングピンを用いる。例えば１ｍｍピッチのＢＧＡパッケージＬＳＩ３０を測定する場合であれば、プローブ３は直径０．７ｍｍ、長さ５ｍｍ程度で、稼動範囲は０．５ｍｍ程度が望ましい。プローブ４は直径０．３ｍｍ、長さ１０ｍｍ程度で、稼動範囲は１．５ｍｍ程度が望ましい。プローブ３、４の先端構造はＢＧＡに対応するクラウン型が好ましい。

実際の測定時には、ソケット基板１は組み立てられた状態で使用する。図６は、測定時のソケット基板１と、ＢＧＡパッケージＬＳＩ３０の関係を示している。図１に示したように、固定治具６０でＢＧＡパッケージＬＳＩ３０を上からソケット基板１に押えつけると、はんだボール３１はプローブ３、或いはプローブ４の上端に機械的に接触する。

太いプローブ３の下端はプリント基板２の最上層のＧＮＤ配線層７に接触している。細いプローブ４は信号配線１０に電気的に接続されている。本発明の目的でもあるようにプローブ３、４は脱着可能で、どちらか一方を選択する事ができる。太いプローブ３を選択すれば、そのピンはＧＮＤとなり、細いプローブ４を選択すればＴＤＲ信号入力ピンとなる。

ＢＧＡのピン数は数百ピン以上である。それらのピンを全て測定するためにはＴＤＲ信号を切り替える信号分岐部が必要である。図７に測定系統の電気的な接続関係を示す。信号分岐部プリント基板４０には信号分岐部の高周波リレー４１が高周波ラインを使って４段にわたって配設されている。高周波リレー４１はＴＤＲ装置からの信号を分岐する。高周波リレー４１の最終段は高周波コネクタ４２に接続されている。プリント基板２には高周波コネクタ２０が設けられている。

プリント基板２の高周波コネクタ２０は信号分岐部の高周波コネクタ４２と結合されていて、信号分岐部プリント基板４０で切り替え分岐されたＴＤＲ信号を電気的に中継する。高周波コネクタ２０はプリント基板２の内装に形成された信号配線１０を経由して、細いプローブ４に繋がっている。プリント基板２の信号配線１０は高周波特性を考慮して、マイクロストリップライン構造やコプレナーライン構造になっている。信号分岐部プリント基板４０の配線も高周波特性を考慮して、マイクロストリップライン構造やコプレナーライン構造になっている。

信号分岐部プリント基板４０はＴＤＲ装置５０から入力されたＴＤＲ信号を分岐し、その接続先を任意のプローブ４に切り替える。上記構成では、プローブ３、４を除く全ての配線、リレー、コネクタは任意の特性インピーダンスに整合され、高周波特性が保たれている。任意の特性インピーダンスは一般的には５０Ωであるが、特に５０Ωに限定するものでは無い。

実際の測定手順について説明する。ＴＤＲ装置５０より出力される高周波パルスは信号分岐部プリント基板４０により分岐され、高周波コネクタ４２、２０を通じ、ソケット基板１に入力する。ソケット基板１から細いプローブ４に伝送された高周波パルスは、ＢＧＡパッケージＬＳＩ３０に入力され反射波を発生する。良品である基準品で反射波測定し、不具合品との反射波の波形比較をする事で良否判定及び模倣品の検出を行う。

実施の形態２．
本願に関わる実施の形態２を図８、９に基づいて説明する。実施の形態１のうち係止ソケット基板１４の配線方法を変更し、太いプローブ３と細いプローブ４の役割を反対にする事でピン数の少ないＢＧＡに対応することが可能となる。多層基板を利用する必要が無くなるので、構成が容易で安価に製作可能となる。ＢＧＡのピン数が少ない場合（目安として５０ピン以下）には図８に示すように、係止ソケット基板１４の最上層に信号配線１１を設け、２層目にＧＮＤパターン１２を設ける。その場合太いプローブ３を選択すればＴＤＲ信号線に、細いプローブ４を選択すればＧＮＤになる。基板の構造が簡素化しコスト的にも有利である。また基板最下層をＧＮＤパターン１２にし、固定ソケット部１３を金属製にする事でＧＮＤの強化が図れる。

図９に測定系統の電気的な接続関係を示す。信号分岐部プリント基板４０には信号分岐部の高周波リレー４１が高周波ラインを使って４段にわたって配設されている。高周波リレー４１はＴＤＲからの信号を分岐する。高周波リレー４１の最終段は信号分岐部の高周波コネクタ４２に接続されている。係止ソケット基板１４には高周波コネクタ２０が設けられている。信号分岐部プリント基板４０はＴＤＲ装置５０から入力されたＴＤＲ信号を分岐し、その接続先を任意のプローブ３に切り替える。

１ソケット基板、２プリント基板、３プローブ、４プローブ、５プローブソケット、６固定ソケット、７ＧＮＤ配線層、８ビアホール電極、１４係止ソケット基板、２０高周波コネクタ、３０ＢＧＡパッケージＬＳＩ、３１はんだボール、４０信号分岐部プリント基板、４１高周波リレー、４２高周波コネクタ、５０ＴＤＲ装置、６０固定治具、１００検査装置

Claims

ＴＤＲ信号を発生するＴＤＲ装置と、
前記ＴＤＲ装置で発生したＴＤＲ信号の接続先を選定する分岐路が形成されている信号分岐基板と、
第１の太さを有する第１のプローブと、
前記第１の太さよりも細い第２の太さを有する第２のプローブと、
前記第１の太さに対応する貫通穴がグリッド状に複数個開口しているプローブソケットと、前記第２の太さに対応する係止穴がグリッド状に複数個開口していて前記信号分岐基板で接続先を分岐されたＴＤＲ信号が入力する係止ソケット基板とを備えていて、
前記係止ソケット基板は表層にＧＮＤ配線が形成され、前記係止穴の側面部分に形成された電極と前記信号分岐基板の分岐路は対応つけて繋がっていることを特徴とするＴＤＲ式検査装置。
前記係止ソケット基板は、前記プローブソケットに対向配置され、前記第２の太さに対応する貫通穴がグリッド状に開口していて多層配線されたプリント基板と、前記プリント基板と対向配置され、前記第２の太さに対応する係止穴がグリッド状に開口されている固定ソケットからなることを特徴とする請求項１に記載のＴＤＲ式検査装置。
ＴＤＲ信号を発生するＴＤＲ装置と、
前記ＴＤＲ装置で発生したＴＤＲ信号の接続先を選定する分岐路が形成されている信号分岐基板と、
第１の太さを有する第１のプローブと、
前記第１の太さよりも細い第２の太さを有する第２のプローブと、
前記第１の太さに対応する貫通穴がグリッド状に複数個開口しているプローブソケットと、前記第２の太さに対応する係止穴がグリッド状に複数個開口していて前記信号分岐基板で接続先を分岐されたＴＤＲ信号が入力する係止ソケット基板とを備えていて、
前記係止ソケット基板は２層目にＧＮＤパターンが形成され、最上層に形成された信号配線と前記信号分岐基板の分岐路は対応つけて繋がっていることを特徴とするＴＤＲ式検査装置。