JP2002213929A - 半導体パッケージの３次元視覚検査方法及び装置 - Google Patents

半導体パッケージの３次元視覚検査方法及び装置

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JP2002213929A JP2001331388A JP2001331388A JP2002213929A JP 2002213929 A JP2002213929 A JP 2002213929A JP 2001331388 A JP2001331388 A JP 2001331388A JP 2001331388 A JP2001331388 A JP 2001331388A JP 2002213929 A JP2002213929 A JP 2002213929A
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Bum Jae You
凡材 劉
Sang-Rok Oh
尚録 呉
In So Kweon
仁▲召▼ 權
Doo Hyun Lee
斗鉉 李
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、集積度が高度化し、素子が小型化
する高密度半導体パッケージの３次元検査に使用するこ
とが出来る半導体パッケージの３次元視覚検査方法及び
装置に関する。 【解決手段】 LED照明１６と１台のカメラ１２と、距
離情報を計算するためのステレオ映像を得られる光学系
１４を使用し、検査対象のパッケージ１８の目標点から
カメラ１２までの距離を計算し、それに近似された３次
元空間上で平面の方程式を計算した後、各目標点の３次
元情報の平面との距離の分布を分析してパッケージ１８
全体の平面図検査を行なう。レーザ光源のような特別な
光源無しで、１台のカメラ１２のみを使用するので、従
来に比して価格を５０％以下にすることが出来る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体パッケージの
３次元視覚検査方法及び装置に関し、より詳細には、集
積度が益々高まり、素子の大きさが小さくなりつつある
高密度半導体パッケージの３次元検査を、１台のカメラ
のみを使用して行なうことが出来る半導体パッケージの
３次元視覚検査方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、半導体素子の集積度が高まり、素
子のサイズが急激に小さくなることに伴って、高密度素
子に適合するボールグリッドアレイ(BGA: Ball Grid Ar
ray)パッケージ、PQFP（Plastic Quad Flat Package)及
びスモールアウトラインパッケージ(SOP:Small Outline
Package) タイプのパッケージを使用した素子の生産が
増加している。
【０００３】ここで、 BGAパッケージは素子の底面に丸
いボール形状の鉛を貼り付け、電子回路基板のスルーホ
ールに直接加熱して貼り付ける方式である。また、 SOP
パッケージはパッケージと素子の四方に最も細いアウト
ライン（Out Line）等を粗密に貼り付ける方式である。
【０００４】前記PQFP及びSOP タイプのパッケージの場
合、従来は隣接するアウトラインの間隔が１. ０ｍｍ以
上であるモデルが多かったが、近年は人間の目では識別
し難い水準である０. ２ｍｍ以下のモデルも多く生産さ
れるようになっており、３次元検査の必要性が認識され
ている。即ち、上述したパッケージ等は電子回路基板の
上端及び下端で熱を加えつつ、圧力を加えて組み立てる
ため、素子の底面に貼り付けたボールの高さが一定でな
ければ接触不良が生じて基板全体が使用不可能になる。
このような問題点を解決するために、素子のアウトライ
ン等、またはボール等の高さが一定であるか否かを予め
検査する技術が必要になる。
【０００５】そのような従来の技術の内、３次元検査方
法は２台のカメラを用いた接近方式、または相互関係を
認識しているカメラとレーザ光源とを用いた接近方式等
を使用して、カメラでボールまたはアウトラインまでの
距離を計算し、これによって構成される平面を決定する
ことによって、高さが均一であるか否かを判断してい
た。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、２台の
カメラを使用する方式は素子の大きさが小さくなるに伴
ってカメラを設けることが非常に困難になり、このため
に測定精度が低下するという問題があった。
【０００７】また、カメラとレーザ光源とを用いる方式
では、レーザ光源のみならず、０.１mm以下の薄い厚さ
のレーザ光を発生させるための装置を必要とするため、
設備全体のコストが高騰し、またカメラとレーザ光源と
の間の相互関係の抽出が難しいという問題があった。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は上述した問題点
を解決するためになされたものであって、レーザ光源の
ような特殊な光源を別途必要とはせず、１台のカメラの
みを使用して３次元視覚検査を行なうことによって、既
存の３次元検査設備と比較してもシステム価格を５０％
以下に抑えることが可能な半導体パッケージの３次元視
覚検査方法及び装置を提供することを目的とする。
【０００９】前述した目的を達成するために、本発明は
近年の半導体集積度の高度化、素子自体の小型化に伴っ
て要望されている半導体パッケージの３次元検査を行な
うことが出来る１台のカメラのみを使用した視覚検査方
法及びそのための装置を提案する。
【００１０】具体的には、本発明は素子の底面に丸いボ
ール形状の鉛を貼り付けて電子回路基板のスルーホール
に直接加熱して組み付けるボールアレイグリッド(BGA:B
allGrid Array)パッケージのボール高さ、または素子の
四方に極めて細いアウトライン等を粗密に貼り付けるス
モールアウトラインパッケージ(SOP:SmallOutline Pack
age 、TSOPまたはTTSOP)のアウトライン高さ等を一台の
カメラのみで測定することが可能な３次元視覚検査方法
及びそのための装置の提供を目的とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下、本発明を図１乃至図８を参
照してその実施の形態について具体的に説明する。図１
は本発明に係る半導体パッケージの３次元視覚検査方法
に使用する装置（本発明装置）の構成例を示す模式図で
ある。
【００１２】検査対象になるパッケージ素子１８の上部
に照明手段１６が配置されており、この照明手段１６に
よってパッケージ素子１８を照明し、その上部のカメラ
１２とパッケージ素子１８との間に光学系１４、具体的
にはたとえばプリズムが介在させてある。
【００１３】なお、照明手段１６は必ずしも必要ではな
く、自然光を利用することも勿論可能である。更に、図
１に示す実施の形態においては、パッケージ素子１８の
上部に照明手段１６が、その上部にカメラ１２が、パッ
ケージ素子１８とカメラ１２との間に光学系１４が配置
されているが、パッケージ素子１８が固定されていれ
ば、装置全体が上下逆であっても、また横向きであって
もよい。
【００１４】光学系１４を介して得られたステレオ映像
は１台のカメラ１２に読み込まれ、この映像信号は映像
処理システム１０へ入力されて映像処理され、３次元視
覚検査が行なわれる。即ち、カメラ１２から目的とする
点までの距離を測定することによって、主要な特徴点の
共面性(coplanarity）が測定され、平面性が検査され
る。
【００１５】なお、 映像処理システム１０はPC基板、
または内蔵システム(Embedded System）でもよい。ま
た、光学系１４はガラス、水晶等の透明物質で構成さ
れ、三角柱体の形状に形成されている。
【００１６】なお、照明手段１６を使用する場合は、 L
ED照明を使用することが望ましい。その理由は、 LED照
明はそれ自体で難反射特性を有しており、反射率が高い
金属の表面のような対象物体の表面で部分的に反射され
る不均一な反射光を除くことによって、安定的な映像を
得ることが出来るためである。また、 BGAパッケージの
ボールは球形状であるので、リング形状の照明を低い高
さで使用することにより、ボールの周辺が明るく光り、
中心部分が暗くなるため、ドーナッツ形状の映像を得る
ことができる。このため、ボール頂点の抽出のための映
像処理が容易に可能になるので、リング形状の LED照明
を使用することが望ましい。
【００１７】図１に示すパッケージ素子１８からの反射
光の光路は光学系１４を通過することにより二分され、
空間上の一つの点が映像平面２０（図３参照）に二つの
点として現われる。これにより、１台のカメラ１２によ
りステレオ映像を得ることが出来るため、３次元検査を
行なうことが可能である。
【００１８】２台のカメラを使用してステレオ映像を得
る従来の方式の場合、２台のカメラに取り付けられたレ
ンズの特性（焦点距離、露出、ズーム、即ち光学系の倍
率等）が同一ではなく、２台のカメラの光軸が相互に平
行になるように２台のカメラを機械的に固定することが
極めて困難、現実的には不可能であるため、映像処理の
際にこれらの問題を考慮した複雑なアルゴリズムが必要
になる。
【００１９】反面、本発明のように１台のカメラ１２と
光学系１４とを使用する場合、一つのカメラレンズ２２
を通じて映像を取り込むので、前述したような種々の問
題点は解消される。特に、ステレオ映像で相互に一致す
る点を探すためにエピポーラライン（EpipolarLine）を
計算して使用する過程を除いて、同一水平ラインに存在
する映像のみを分析すればよい。これによって、映像処
理が容易になるのみならず、映像処理速度を高速化する
ことによって、システム全体の性能を向上させることが
可能になる。
【００２０】図２は本発明に係る半導体パッケージの３
次元視覚検査方法及び装置に使用される光学系１４の外
観斜視図である。図３は本発明に係る半導体パッケージ
の３次元視覚検査方法及び装置に使用される光学系によ
る映像原理を示す概念図であり、具体的には空間上の一
つの点がいかにして映像平面に二つの点としてマッピン
グされるかを示している。
【００２１】図３に示すように、空間上の一点ＸP が光
学系１４によってＸR とＸL との二つの点に変換された
後、カメラレンズ２２によって映像平面２０上にｍR と
ｍLとの二つの点としてマッピングされる。但し、空間
上のあらゆる点がこれらの変換過程を経ることはなく、
光学系１４であるプリズムの内角αによって決定される
狭い領域内に存在する映像のみが上述のような変換過程
を経ることになる。但し、αは光学系１４の機械的内角
であり、実際には後述する光学的な意味での有効内角は
図４及び図５に示されているδになる。
【００２２】上述の光学系１４であるプリズムの内角α
（実際には光学的な有効内角δ）によって決定される領
域をより詳細に具体的に示すと図４及び図５に示されて
いるようになる。
【００２３】図４は光学系１４の可視領域内における光
学系１４による視野（FOV:Field ofView)を示し、図５
は仮想のステレオカメラシステムに変換される場合のFO
V を示す。なお、図４及び図５において、δは上述の如
く光学系１４の有効内角を示している。
【００２４】図４及び図５にそれぞれ示すFOV は大別し
て三つの領域に区分される。具体的には、（１）２台の
カメラで同時に見える領域、（２）左側のカメラでのみ
観測出来る領域、（３）右側のカメラでのみ観測出来る
領域に区分される。これらの内、上述したように空間上
の一つの点が映像平面２０において二つの点として現れ
る点は前述の（１）の領域である。従って、３次元検査
が要求される物体を上述の領域（１）内に位置させれば
映像処理を行なうことが出来るため、図３の原理によっ
て二枚の映像を得ることができる。
【００２５】このように構成された３次元視覚検査装置
を使用して得られたマイクロBGA パッケージ素子から得
られた映像の例を模式的に図６及び図７に示す。図６は
光学系１４を使用せずに得られた一枚の映像を模式的に
示し、図７は光学系１４を使用して得られた二枚の映像
を模式的に示す。
【００２６】以下に、図８のフローチャートを参照し
て、図７に示すような二枚の映像を使用して３次元情報
を得るための映像処理手順（本発明方法の手順）を示
す。
【００２７】視覚検査を始める前に、カメラ１２及び光
学系１４の内部パラメーター（焦点距離、スケールファ
クター、映像平面２０と光学系１４との間隔、カメラ定
数等）を決定するために正確な３次元情報が既知である
目標物を使用してカメラキャリブレーション（較正）を
行なう（ステップＳ１００）。
【００２８】次に、光学系１４を使用して得られた二枚
の映像をカメラ１２で読み込み（ステップＳ１０２）、
映像処理システム１０が二枚の映像上で相互に一致する
特徴点を探して抽出し（ステップＳ１０４）、抽出され
た二つの点の間のディスパリティを計算し（ステップＳ
１０６）、この結果から一致点までの距離及び３次元座
標を計算する（ステップＳ１０８）。
【００２９】上述のステップＳ１０４において抽出され
るべき映像特徴点は応用分野によって異なるが、 BGAパ
ッケージの場合は図６及び図７に示したように、ボール
の映像がドーナッツ形状に現われるので、球形状のボー
ルの頂点を映像特徴点として使用し、 SOP素子の場合は
アウトラインの端部が長方形であるので、端部の角を映
像特徴点として使用する。
【００３０】次に、上述のステップＳ１０８において計
算された３次元情報を使用して空間上の表面を推定し
（ステップＳ１１０）、その平面に対する各特徴点等の
相対的な分布を分析して３次元検査としての平面性検査
を行なう（ステップＳ１１２）。即ち、推定された平面
上に特徴点が位置していれば大部分の特徴点が同一平面
上にあると判断して判定結果は良好であると判断し、平
面からの距離が設定した値以上に大きい場合は判定結果
は不良と判断する。
【００３１】例えば、 BGAパッケージのボールの高さ、
SOP素子のアウトラインの高さが一定の誤差範囲内に収
まっている場合は平面の基板、たとえばＰＣＢ（Printe
d Circuit Board)への組み付けを順調に行なえるので、
良好であるとの判定を行ない、その他の場合は基板のへ
の組み付けを行なった場合にはある部分は密着するが他
の部分は接触が不良になるので、不良と判定する。
【００３２】半導体パッケージの場合、一定のパターン
が反復するので、前述のステップＳ１０４及びＳ１０６
での映像特徴点の抽出は応用目的に合わせて特化された
映像処理アルゴルリズムによって抽出可能である。
【００３３】なお、ディスパリティ（disparity)からの
３次元距離の算出は下記式によって行なわれる。
【００３４】１／ｄ＝（ｋ1 ／ＺP ）＋ｋ2 但し、ｋ1 ＝ｋ2 ・ｔZ ｋ2 ＝１／（２・αu ・ tanδ） αu ＝ｆ／ｃx
【００３５】ここで、ｄは映像上で計算されたディスパ
リティ、ＺP は特徴点までの３次元距離（ｍｍ）、
ｋ1 、ｋ2 はカメラ１２の内部パラメーター、ｔZ は映
像平面２０と光学系１４との距離（ｍｍ）、δは光学系
１４の有効内角（Radian）、ｆはカメラレンズ２２の焦
点距離（ｍｍ）、ｃx はカメラ１２の一つの映像センサ
セルのＸ軸方向の長さ（ｍｍ）である。これらの内、ｋ
1 、ｋ2 、ｔZ 、ｆは前述のステップＳ１００でのカメ
ラ１２の較正の際に決定される。δは対象物体の大きさ
によってFOV と関連して決定され、ｃx はカメラ１２が
選定されるとその映像アレイの大きさ及び解像度によっ
て決定される。
【００３６】このようにして、主要な特徴点までの３次
元距離が計算されると、それに基づいて三角法によって
該当点の３次元座標が計算可能である。即ち、カメラレ
ンズ２２の中心を原点とする３次元座標系において３次
元情報がすべて決定され、下記のようにｎ個の特徴点に
関する情報が得られる。 （Ｘi ，Ｙi ，Ｚi ）、i ＝１，２，…，ｎ、但し、ｎ
≧４
【００３７】この際、隣接する画素間の光度変化を直線
補間することにより必要なデータ数に量子化すれば、得
られる３次元距離情報の精度が向上する。換言すれば、
映像の解像度を一画素以下にまで分解することによっ
て、特徴点付近の映像の解像度を向上させれば、映像を
分析する接近方式によって３次元距離情報の精度が向上
する。
【００３８】次に、最小自乗法またはハフ変換（Hough
Transform)を使用して下記式で表現される平面の方程式
を抽出し（ステップＳ１１０）、該当平面に対する各特
徴点の分布特性の分析、即ち共面性（Coplanarity)を検
査する（ステップＳ１１２）。
【００３９】ａ・ｘ＋ｂ・ｙ＋ｃ・ｚ＝ｄ 但し、ａ、ｂ、ｃ、ｄは抽出された平面方程式の係数
【００４０】以上のようにして最終的に抽出された平面
と特徴点との間の垂直距離が基準値以上である場合には
そのパッケージを不良と判定し、一定の誤差範囲内であ
る場合は良好であると判定する。
【００４１】
【発明の効果】以上に詳述したように、本発明によれば
１台のカメラのみを使用して半導体パッケージの３次元
検査を行なうことが出来るという優れた効果を奏する。
【００４２】例えば、パッケージ素子の底面に丸いボー
ル形状の鉛を貼り付けて電子回路基板のスルーホールに
直接加熱して貼り付けるＢＧＡ（Ball Grid Array)パッ
ケージ、パッケージ素子の四方に極めて細いアウトライ
ンを粗密に貼り付けるＳＯＰ（Small Outline Package
、TSOPまたはTTSOP)等のボール高さ、アウトライン高
さ等を１台のカメラのみを使用して測定することが出来
る。
【００４３】また、本発明によれば、レーザ光源のよう
な特別な光源装置を別途使用する必要無しに、１台のカ
メラのみを使用して３次元視覚検査を行なえるので、従
来の３次元検査装置と比較して、製造コストを大幅に安
価にすることが出来るという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る半導体パッケージの３次元視覚検
査方法に使用する装置の構成例を示す模式図である。
【図２】本発明に係る半導体パッケージの３次元視覚検
査方法及び装置に使用される光学系の外観斜視図であ
る。
【図３】本発明に係る半導体パッケージの３次元視覚検
査方法及び装置に使用される光学系による映像原理を示
す概念図である。
【図４】本発明に係る光学系の可視領域内における１台
のカメラの可視領域図面である。
【図５】本発明に係る光学系を用いた仮想ステレオカメ
ラの可視領域図面である。
【図６】本発明に係る光学系を使用せずに得られたマイ
クロＢＧＡパッケージ素子の映像例の模式図である。
【図７】本発明の半導体パッケージの３次元視覚検査方
法及び装置により得られたマイクロＢＧＡパッケージ素
子の映像例の模式図である。
【図８】本発明の半導体パッケージの３次元視覚検査方
法の３次元情報を得るための映像処理手順を示すフロー
チャートである。
【符号の説明】
１０ 映像処理システム １２ カメラ １４ 光学系 １６ 照明手段 １８ パッケージ素子 ２０ 映像平面 ２２ カメラレンズ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 權 仁▲召▼ 大韓民国大田廣域市儒城区漁隱洞99 ハン ビッアパート105棟903号 (72)発明者 李 斗鉉 大韓民国京畿道城南市盆唐区野塔洞201番 地 メハ公務員アパート102棟105号 Ｆターム(参考） 2F065 AA53 BB05 CC17 FF05 JJ03 JJ09 JJ26 LL12 QQ31 2F112 AC03 AC06 BA06 BA10 CA08 CA12 DA10 FA03 FA35 FA45 5B047 AA07 AA12 AB02 BA02 BB04 BC04 BC14 CB22 DC09 5B057 AA03 BA02 BA15 DA04 DB03 DB09 DC05

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 検査対象であるパッケージ素子からの反
    射光を二分する光学系と、 該光学系が二分した反射光をステレオ映像として読み込
    む１台のカメラと、 該カメラが読み込んだステレオ映像信号を映像処理して
    ３次元視覚検査を行なう映像処理システムとを備えたこ
    とを特徴とする半導体パッケージの３次元視覚検査装
    置。
  2. 【請求項２】 前記光学系は、ガラス及び／又は水晶を
    含む透明物質を三角柱体の形状に形成してあることを特
    徴とする請求項１に記載の半導体パッケージの３次元視
    覚検査装置。
  3. 【請求項３】 照明手段としてＬＥＤ照明を更に備える
    ことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体パッ
    ケージの３次元視覚検査装置。
  4. 【請求項４】 前記パッケージ素子がボールグリッドア
    レイ（ＢＧＡ）パッケージである場合、前記照明手段は
    リング形状のＬＥＤ照明であることを特徴とする請求項
    ３に記載の半導体パッケージの３次元視覚検査装置。
  5. 【請求項５】 カメラ及び光学系の内部パラメーターを
    決定するために３次元情報が既知である目標物を使用し
    てカメラの較正を行なう第１ステップと、検査対象であ
    るパッケージ素子からの反射光を前記光学系を通過させ
    て二分することによって空間上の一つの点が映像平面に
    二つの点として現われるステレオ映像を読み込む第２ス
    テップと、 前記ステレオ映像中の相互に一致する特徴点を抽出する
    第３ステップと、前記抽出した二つの特徴点の間のディ
    スパリティを計算する第４ステップと、該第４ステップ
    で計算されたディスパリティから一致点までの距離及び
    ３次元座標を計算する第５ステップと、該第５ステップ
    で計算された３次元情報を使用して、空間上の平面を推
    定する第６ステップと、前記空間上の平面に対する各特
    徴点の相対的な分布を分析して平面性検査を行なう第７
    ステップとを含むことを特徴とする半導体パッケージの
    ３次元視覚検査方法。
  6. 【請求項６】 前記第３ステップにおいて、検査対象が
    ボールグリッドアレイパッケージ素子である場合、映像
    特徴点は球形状のボールの頂点であることを特徴とする
    請求項５に記載の半導体パッケージの３次元視覚検査方
    法。
  7. 【請求項７】 前記第３ステップにおいて、検査対象が
    スモールアウトラインパッケージ（ＳＯＰ）素子の場
    合、映像特徴点はアウトライン端部の角であることを特
    徴とする請求項５に記載の半導体パッケージの３次元視
    覚検査方法。
  8. 【請求項８】 前記第５ステップにおいて、３次元距離
    Ｚp は ｋ1 ＝ｋ2 ・ｔZ ，ｋ2 ＝１／（２・αu ・ tanδ），
    αu ＝ｆ／ｃx である場合において、 １／ｄ＝（ｋ1 ／ＺP ）＋ｋ2 但し、ｄは映像上で計算されたディスパリティ Ｚp は特徴点までの距離（３次元距離） ｋ1 、ｋ2 はカメラ内部のパラメーター ｔZ は映像平面と光学系までの距離（ｍｍ） δは光学系の有効内角（Ｒａｄｉａｎ） ｆはカメラレンズ２２の焦点距離（ｍｍ） ｃX はカメラの映像センサセルの一つのＸ軸方向の長さ
    （ｍｍ） で表わされることを特徴とする請求項５に記載の半導体
    パッケージの３次元視覚検査方法。
  9. 【請求項９】 前記第６ステップにおいて、平面方程式
    は、ａ、ｂ、ｃ、ｄが抽出された平面方程式の係数であ
    る場合において、 ａ・ｘ＋ｂ・ｙ＋ｃ・ｚ＝ｄ であることを特徴とする請求項５に記載の半導体パッケ
    ージの３次元視覚検査方法。
JP2001331388A 2000-10-27 2001-10-29 半導体パッケージの３次元視覚検査方法及び装置 Pending JP2002213929A (ja)

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