JP2002236008A - 球状体の形状測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 多数の球状体の形状を、効率的にかつ精度よ
く測定する方法を提供する。 【解決手段】 球状体を測定板の所定位置に保持し、測
定板の透過光で球状体を撮像し画像処理で球状体の形状
を算出する。所定位置に保持する手段として、測定板に
設けた凹部に吸引したり、糊剤を付け測定板に貼り付け
たりする方法を用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、球状体の形状測定
を行う方法に係わり、特に基板又は半導体チップのバン
プ形成に用いられる半田ボールの形状を測定するのに好
適な測定方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】球状体（以降ボールと称する）の形状測
定においては、ボールが動き易いため任意の位置に固定
することが難しく、固定方法は測定方法とともに重要な
技術である。例えば、ベアリング用ボールは、測定治具
のＶ状凹みにセットして固定し、測定子を接触させて測
定している（公知例１）。また、非接触測定方法として
は、平板状の測定治具に粘着テープなどでボールを固定
し、顕微鏡や投影機を用いて、作業者が目視で測定した
り、カメラで撮像して画像処理で測定を行う方法が知ら
れている（公知例２）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】例えば半田ボールのよ
うに、直径が数百μｍ以下と微小でかつ多量に製造され
るボールの製造条件管理或いは品質管理を行うため、数
十〜数百個程度のサンプルボールの形状を測定するよう
な場合、公知例１、２のように１個づつ測定治具にセッ
トするのでは、ハンドリングも測定も時間がかかり効率
的ではない。さらに、公知例１のような接触式測定方法
では、測定子の接触圧でボールが吹っ飛んでしまい対応
できないし、また公知例２のような非接触式測定方法で
あっても、散乱光を用いた撮像画像では、フォーカスの
ずれや光源の劣化などによりボールのエッジが明瞭に顕
われ難く、サブミクロンの精度での測定には問題があ
る。従って本発明は、多数のボールの形状を、効率的に
かつ精度よく測定する方法を提供することを目的として
いる。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、球状体を測定
板の所定位置に保持し、測定板の透過光で球状体を撮像
し画像処理で球状体の形状を算出することを特徴として
いる。本発明においては、球状体を測定板に設けた凹部
に吸引して位置決め保持してもよい。また、本発明は球
状体を投影面内に収まる範囲の糊剤を介して測定板に位
置決めするマウント工程と、測定板を透過する平行光で
球状体を撮像し画像処理で球状体の形状を算出する測定
工程とを有することを特徴としている。また本発明にお
いて、マウント工程は、吸着板の所定位置に球状体を保
持し、球状体の反吸着板側頂点部に糊剤を付着し、前記
頂点部と光透過性の測定板とを当接して球状体を測定板
に貼り付けて移し替えるものであり、測定工程は、測定
板に平行光を透過させ、球状体の投影像を撮像し、投影
面を画像処理して球状体の形状を算出することが好まし
い。なおここで言う糊剤とは、付着力を有する液体接着
剤や粘着剤で、数分〜数十分は硬化しないようなものが
望ましい。さらに、マウント工程において、吸着板の複
数の所定位置に設けた吸引穴で球状体を保持し、測定板
の前記所定位置に対応した位置に球状体を移し替え、測
定工程において、球状体を前記所定位置のデータに基づ
き自動的に撮像位置に移動するようにすると良い。

【０００５】

【発明の実施の形態】以下、測定対象のボールとして、
基板又は半導体チップのバンプ形成に用いられる半田ボ
ールを例にして説明する。 （実施の形態１）図１に示すように、本形態は、多数の
ボールの中から数十〜数百個程度の所定数のボールを整
列した状態で取出し、接着剤を付け、測定板上に整列し
た状態で固定するマウント工程と、測定板上のボールの
形状を自動的に測定する測定工程とに大別することがで
きる。

【０００６】まず、マウント工程を図２に示す模式図を
もとに説明する。図２（ａ）に示すように、測定対象の
ボール１は、底部から圧縮空気を噴き上げるようになっ
ている試料容器２に収納されており、この中から所定数
のボール１を吸着ヘッド３で捕捉する。吸着ヘッド３は
箱状体で、加減圧装置（図示せず）と配管で連なり、内
部を減圧又は加圧状態にすることができる。下面は、ボ
ールを吸着保持する吸引穴６が所定寸法で形成された吸
着板５で構成されており、測定対象のボールの大きさや
測定個数に合せて形成された吸引穴６を有するものと適
宜交換することができる。

【０００７】ボール１の捕捉は、吸着ヘッド３を試料容
器２内の所定位置まで挿入し、試料容器２底部から圧縮
空気を供給するとともに、吸着ヘッド３内を減圧吸引す
ることにより行う。この間に、圧縮空気で噴き上げられ
たボール１は、吸着板５の吸引穴６に吸引保持されてい
く。所定時間経過後、貯蔵容器２への圧縮空気供給を停
止し、吸着ヘッド３はボール１を吸引保持した状態で上
昇し、接着剤転写ステーションへと移動する。

【０００８】接着剤転写ステーションでは、図２（ｂ）
に示すように、接着剤７或いは粘着材の薄い層を上面に
有する転写板８が準備されている。吸着ヘッド３は、ボ
ール１を接着剤７を介して転写板８に軽く押付けた後上
昇する。吸着ヘッド３が上昇すると、図２（ｃ）に示す
ように、保持されているボール１の下部頂点部周辺に接
着剤７が転写されて付着する。接着剤層は、転写板８上
に接着剤７を滴下し、スキージ板で引き伸ばしたり遠心
力を作用させたりすることにより、例えば数μｍ〜数十
μｍの所定の厚さとすることができる。その厚さは、ボ
ール１に作用する接着剤７の付着力が吸着ヘッド３から
の吸引力より小さくなるような使用する接着剤７の付着
力に合せた厚さであって、かつボール１の下部頂点部周
辺に付着した接着剤７がボールの投影面積からはみ出さ
ないような厚さにする。接着剤７は、硬化後も水などで
容易に除去できるようなものとすると、後述する測定板
９が繰返し使用できる上、接着剤７が付いた装置を掃除
するのが容易で動作信頼性を高めることができ好まし
い。

【０００９】次に、吸着ヘッド３はボールマウントステ
ーションへ移動する。ボールマウントステーションで
は、所定位置に測定板９が位置決めされて準備されてい
る。測定板９は、測定装置４でボール形状を測定する時
に使用するボール保持具であるが、本実施の形態では後
述するようにボールの投影像を撮像するので、光を透過
する平滑板とし、例えば透明なガラス板やプラスチック
板を使用する。吸着ヘッド３は、ボール１を測定板９に
軽く押し付けるように下降し、減圧吸着を解除した後、
逆に加圧して上昇する。この時、ボール１の投影面から
接着剤がはみ出さないようにする。これにより、図２
（ｄ）に示すように、測定板９上の吸引穴６に対応した
所定位置には、ボール１が接着剤で保持されて残り、測
定板９にマウントされる。

【００１０】次に、測定工程を図３に示す測定装置４を
参照しながら説明する。測定装置４は、平面的に移動で
きるＸＹステージ１１と、コリメータやミラーを備え
て、ＸＹステージ１１にセットされた測定板９を下方か
ら垂直方向上方に透過する平行光１３を照射する投光手
段１２と、セットされた測定板９の上方に配置し、測定
板９を透過した平行光１３による像をテレセントリック
レンズ１５を介してＣＣＤカメラなどで撮像する撮像手
段１４と、撮像手段１４と電気的に接続された演算処理
手段１７と、ＸＹステージ１１の位置制御や撮像手段１
４の合焦制御を行うためのモータ制御手段１６とを有し
ている。

【００１１】測定は、前記マウント工程で準備された測
定用のボール１が固着された測定板９をＸＹステージ１
１上の所定位置にセットし、投光手段１２からの平行光
１３を測定板９に照射し、ボール１の投影像をＸＹステ
ージ１１を移動して順次撮像手段１４で撮像し、演算処
理手段１７で画像処理などをもとに真円度、円相当径な
どの形状を算出して行う。

【００１２】ボール１は、頂点部周辺のみで測定板９と
接着剤７を介して固着されているので、ボール１の投影
像に接着剤７が写ることはなく、ボール１のエッジ部だ
けを正確に取込むことができる。また、テレセントリッ
クレンズ１５を用いているため、ボール１のエッジ部を
鮮鋭に画像化できるだけでなく、焦点ずれに対しても、
上方からの散乱光を使った画像に比べエッジ位置の変動
は少なく、画像処理におけるエッジの特定精度ははるか
に良好で、測定精度は高くなる。

【００１３】また、ボール１は測定板９上の所定の位置
にくるように固着されているので、予め固着されるボー
ルの全座標位置を演算処理手段１７にデータとして記憶
させておくことで、全固着ボールを自動的に撮像位置に
移動させて効率的に測定を行うことができる。この時、
撮像したボール中心位置と画像中心とを一致さて、レン
ズ収差などの影響を受けない歪みのない画像を取込んで
測定精度を高めているが、固着されたボールの中心位置
は大きく変わることはないため、中心間ズレ量の算出
と、中心合せのためのＸＹステージの移動は極めて短時
間で行える。

【００１４】なお、マウントや測定に係わる機械装置、
例えば吸着板５、測定板９、ＸＹステージ１１などの加
工精度や組立精度、及び接着剤厚さ精度や対象のボール
の直径バラツキが、要求される形状測定精度で定まる所
定許容範囲内にある場合は、測定板９上の最初のボール
撮像時にボール中心位置合せと、焦点合せをしておけ
ば、残りのボールに対しての補正動作は必要ではないこ
とが多い。しかし、測定精度の一層の向上と信頼性を高
めるためには、個々のボールの撮像毎に、ボールの中心
位置合せと焦点合せを行うようにするとよく、これらは
容易に自動的に行うことができる。なお、測定板の測定
装置へのセットは、自動装置で行うこともできるし、作
業者による手操作で行ってもよい。

【００１５】（実施の形態２）前記実施の形態１におい
ては、接着剤がボールの投影像からはみ出さないように
マウントしなければ測定の信頼性がなくなってしまう
が、ボールが小径になるほど技術的に難しくなり、ボー
ルの大きさによっては適用が難しくなる。本形態は、接
着剤を使用せずにボールを測定板に位置決め保持するも
のであり、測定板に載置されたボールを測定することは
実施の形態１と同様であるので、位置決め保持に係わる
技術について以下説明する。本形態における測定板１９
は、光を透過する平滑板をベース材とするが、所定整列
位置にボール１が求心的に保持されるような凹部２０が
形成されたものを用いる。凹部としては、図４に示すよ
うに外形部が対象ボールの投影面内に収まりかつ内接円
を描くことができる、例えば円柱状穴や球状穴や正方形
状穴形状の有低穴や貫通穴とすることができ、その形状
と大きさに合わせて機械加工やレーザ加工などで形成す
ることができるが、円柱状の貫通穴２１とすると、加工
も容易であり、かつ後述するようにボール保持の信頼性
を高めることができるので好ましい。

【００１６】測定板１９上にボール１を供給するには、
実施の形態１における吸着ヘッド３を用い、所定量のボ
ールを自動的に移載することで行ってもよいが、手作業
で、適量のボールを供給し、ボールを凹部２０に入れ込
み、余剰ボール取り除くようにしてもよい。凹部２０へ
のボール１の入れ込みは、測定板１９に振動を与えた
り、傾けたり、表面を刷毛などで掃くなどで行うことが
できるが、貫通穴２１で凹部を形成した測定板１９ａを
用い、測定板１９ａの裏面側を減圧できるようにセット
すると、貫通穴２１を通じて表面に減圧吸引力が作用
し、ボール１の凹部へのはまり込みが短時間で確実に行
え、余剰ボールの刷き出しも容易になり作業性が向上す
るので好ましい。凹部２０を円状の貫通穴２１で形成し
た場合、貫通穴直径に対して約７倍の直径のボールを吸
引保持できることを確認しており、例えば直径８０μｍ
の貫通穴を有する測定板を用意すれば、直径が約９０μ
ｍ〜５００μｍのボールについて対応することができ
る。これより、測定対象のボール１が直径９０μｍ〜９
００μｍであれば、少なくとも２種類の測定板１９を用
意するだけで全サイズのボールの測定が可能となり、汎
用的に適用することができる。

【００１７】測定は、実施の形態１と同様、ボール１が
保持された測定板１９を測定装置４のＸＹステージ１１
にセットすることで行う。この場合、ボール１は凹部２
０にはまり込んでいるだけで、実施の形態１の場合とは
違い測定板１９に接合されていないため、ボール１が途
中で転落しないようにセットすることが重要である。ボ
ール転落の問題を解決するためには、測定板１９をＸＹ
ステージ１１にセットし、その状態でボール１を供給
し、凹部２０に入れ込むようにするとよい。

【００１８】測定工程において、ＸＹステージ１１の起
動停止時に測定板１９上のボール１が移動、脱落しない
ことも重要である。この点でも、凹部２０を貫通穴２１
で形成した測定板１９ａを用いるとよい。この場合、Ｘ
Ｙステージ１１は、測定板１９ａがセットされると、そ
の裏面側とで密閉空間が形成され、この密閉空間が減圧
されるように構成された吸引治具を備えるようにする。
密閉空間を減圧すると、測定板１９ａの貫通穴２１を介
してボール１が凹部に吸引されるので、測定時にボール
１を強固に保持することができる。また、ボール１をＸ
Ｙステージ１１上で凹部２０に入れ込む場合も、上述し
たと同様にボール１を吸引して引寄せることができるの
で好適である。

【００１９】また、吸引治具は、測定板１９ａの下方か
ら垂直方向上方に平行光１３を照射することができるよ
うに、密閉空間部には光照射手段の少なくとも先端部、
例えば投光手段１２のミラーが収納されるような構造と
する。なお、上述した構成のＸＹステージ１１と撮像手
段１４の位置を、上下逆にするように配設し、測定板１
９ａを吸引治具に取外し自在に固定できるようにする
と、測定板１９ａは実施の形態１で用いた吸着ヘッド３
の吸着板５と同様な作用を呈するので、多数のボールか
ら直接貫通穴２１の位置にボールを保持し、速やかに個
々のボールを下方から撮像して測定することができ、効
率的である。

【００２０】以上、二つの実施形態を説明したが、同じ
吸引板５又は測定板１９を用いた場合、測定時に測定板
９又は１９に保持されているボール１の配列は、保持で
きるボールの大小に係わらず一定であり、視野内のボー
ル数も一定となる。ところで、一般に測定対象のボール
の大きさが違うと要求精度は異なり、大きいボールの方
が許容値は大きく、測定分解能が大きくてもよい場合が
多い。従って、小さいボールの測定分解能から設定した
測定視野で、そのまま大きなボールを撮像したのでは、
測定精度としては過剰となる。大きなボールを撮像する
場合、必要な測定分解能から測定視野を設定すると、小
さいボールの場合より広げることができることが多い。
即ち、１視野で撮像できるボール数を増やすことができ
る。このため、撮像手段１４にズームレンズまたは複数
の倍率のレンズを装着しておき、ボールの測定精度で決
まる倍率に容易に調整できるようにすると、１視野で撮
像できるボール数を適宜増やすことができ、その分ＸＹ
ステージの送り回数を減らすことができるので、測定時
間を短縮することが可能となる。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、１個の
ボールを何箇所も測定して評価するものではなく、ボー
ルの任意の一投影面の形状を測定するものであるが、多
数のサンプルボールを短時間で、高精度で測定すること
ができ、統計的に処理することで製造される全ボールを
評価することができる。また、微小なボールを対象とし
た場合、測定板は数ｍｍ角程度の小さなガラス板でよ
く、測定済みのボールを接着剤で固着したままで保存し
ても大きなスペースを要しないため、検査記録の現品資
料として残しておくことができる。また、接着剤を用い
ない場合には、ボールが小さくなっても信頼性高く測定
できる。また、測定板は同一測定板で広いサイズ範囲の
ボールにも適用でき、かつ繰り返し使用できるため製作
数は少なくてよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の全体フローの概要を表す図

【図２】マウント工程の概要を表す図

【図３】測定工程で用いられる測定装置概略を表す図

【図４】ボール保持用凹部が形成された測定板の例を示
す断面図

【符号の説明】

１…ボール、 ２…試料容器、 ３…吸着ヘッド、 ４
…測定装置、５…吸着板、 ６…吸引穴、 ７…接着
剤、 ８…転写板、 ９…測定板、１１…ＸＹステー
ジ、 １２…投光手段、 １３…平行光、 １４…撮像
手段、１５…テレセントリックレンズ、 １６…モータ
制御手段、１７…演算処理手段、 １９…測定板、 ２
０…凹部、 ２１…貫通穴、

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 倉田 直人 埼玉県熊谷市三ケ尻6010番地 日立金属株 式会社生産システム研究所内 Ｆターム(参考） 2F065 AA48 BB07 CC26 DD06 FF02 FF04 HH03 HH15 JJ03 JJ26 LL59 PP12 QQ31 UU04

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 球状体を測定板の所定位置に保持し、測
   定板の透過光で球状体を撮像し画像処理で球状体の形状
   を算出することを特徴とする球状体の形状測定方法。
2. 【請求項２】 球状体を投影面内に収まる範囲の糊剤を
   介して測定板に位置決めするマウント工程と、測定板を
   透過する平行光で球状体を撮像し画像処理で球状体の形
   状を算出する測定工程とを有することを特徴とする球状
   体の形状測定方法。
3. 【請求項３】 マウント工程は、吸着板の所定位置に球
   状体を保持し、球状体の反吸着板側頂点部に糊剤を付着
   し、前記頂点部と光透過性の測定板とを当接して球状体
   を測定板に貼り付けて移し替えるものであり、測定工程
   は、測定板に平行光を透過させ、球状体の投影像を撮像
   し、投影面を画像処理して球状体の形状を算出するもの
   である請求項２記載の球状体の形状測定方法。
4. 【請求項４】 マウント工程において、吸着板の複数の
   所定位置に設けた吸引穴で球状体を保持し、測定板の前
   記所定位置に対応した位置に球状体を移し替え、測定工
   程において、球状体を前記所定位置のデータに基づき自
   動的に撮像位置に移動する請求項２又は３記載の球状体
   の形状測定方法。
5. 【請求項５】 球状体を測定板に設けた凹部に吸引して
   位置決め保持する請求項１記載の球状体の形状測定方
   法。