JP2006041167A - 半導体装置の検査方法および検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＢＧＡパッケージの多ピン化に伴い、はんだボール接合部の検査回数が増加することを抑え、はんだボール接合部の状態の認識が良く、検査時間を短縮する。
【解決手段】 基板１の電極２と接続されるＢＧＡパッケージ５のはんだボール６の接合部を検査するに際して、ＢＧＡパッケージ５の一方の側面側に配置されＢＧＡパッケージのはんだボール６の接合部の間隙に光線１６を照射する光源部１２と、一方の側面に相対する他方の側面側に配置された光線１６を受光する受光素子１３とを備えた。はんだボール６の接合部の間隙にレーザ等の光線１６を照射し、間隙を通過した光線１６を受光素子１３で検出することで、光線１６の透過状態によりはんだボール６の接合部のショートや位置ずれ等の接合状態を認識することができる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、ＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）パッケージを基板に実装した際のＢＧＡパッケージのはんだボールと基板の電極との接合状態の検査に関するもので、特に光源部を用いてはんだボールの接続異常を判別する半導体装置の検査方法および検査装置に関するものである。

近年、半導体装置の小型・高機能化に伴い、半導体パッケージの小型化および外部接続端子数の多ピン化が進んでいる。このため、リードフレームタイプのパッケージと比較してパッケージサイズが小さくかつ外部接続端子数の多ピン化に対応できる、はんだボールを用いて基板と電気的に接続するＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）あるいはＣＳＰ（Ｃｈｉｐ Ｓｉｚｅ Ｐａｃｋａｇｅ）タイプのパッケージが増加し、これに伴うパッケージの基板への実装技術の開発が進んでいる。

以下、従来のＧＢＡタイプのパッケージの実装方法について図面を参照しながら説明する。

従来のＢＧＡパッケージの実装方法を図９に示した。

ＢＧＡパッケージを実装する場合は他の実装部品と同様に、まず図９（ａ）に示すように、ＢＧＡパッケージのはんだボールと実装基板の電極材料とのはんだ濡れ性を向上させるために実装基板１上のパッケージを接続する電極２にスクリーンマスク３を用いてクリームはんだ４を印刷する。

そして図９（ｂ）に示すように、ＢＧＡパッケージ５のはんだボール６と基板１の電極２との位置合せを行ない、クリームはんだ４とはんだボール６を接触させる。

図９（ｃ）に示すように、電極２上にＢＧＡパッケージ５を載せた基板１をリフロー炉に入れてヒーター８によりはんだの溶融温度まで加熱して基板１の電極２上のクリームはんだ４とＢＧＡパッケージ５のはんだボール６を溶融結合させる。

最後に図９（ｄ）に示すように、Ｘ線検査装置９によって、Ｘ線発生機１０より発生させたＸ線がＢＧＡパッケージ６を搭載した基板１を透過して検出器１１で検出することではんだボール６同士のショートの検出を行い接続状態の検査を行う。

以上のようにＢＧＡパッケージは基板に実装されている。このように、ＢＧＡタイプのパッケージの実装検査は接合部がパッケージと基板に挟まれた部分で、目視による検査が困難であるためＸ線検査装置が多用されている（例えば特許文献１，２）。
特開平１０−１７０４４５号公報 特開平１１−４４５２４号公報

しかし、上述した接合部の検査方法においては下記に示すような課題があった。

課題は、Ｘ線検査装置を用いた検査においてはＸ線画像の画像認識によりはんだバンプのショート部の検出を行うため、パッケージのピン数が増加するにつれて画像認識の領域が増加する。また、パッケージの高機能化に伴いパッケージのはんだボールを有する反対の面に金属製の放熱板を有するパッケージにおいては、金属性の放熱基板によりＸ線の透過状態が悪くなりはんだボールの接続状態の認識が悪くなり、検査時間が増大してしまう。

したがって、この発明の目的は、ＢＧＡパッケージの多ピン化に伴い、はんだボール接合部の検査回数が増加することを抑え、はんだボール接合部の状態の認識が良く、検査時間を短縮することができる半導体装置の検査方法および検査装置を提供することである。

前記課題を解決するためにこの発明の請求項１記載の半導体装置の検査方法は、ＢＧＡパッケージを基板に実装した際に、前記基板の電極と接続されるＢＧＡパッケージのはんだボールの接合部の間隙に光線を照射する工程と、前記光線を受光素子により受光する工程と、前記光線を前記受光素子により受光することによって前記はんだボールの接合部のショートや位置ずれを判断する工程とを含む。

請求項２記載の半導体装置の検査装置は、基板の電極と接続されるＢＧＡパッケージのはんだボールの接合部を検査する半導体装置の検査装置であって、前記ＢＧＡパッケージの一方の側面側に配置され前記ＢＧＡパッケージのはんだボールの接合部の間隙に光線を照射する光源部と、前記一方の側面に相対する他方の側面側に配置された前記光線を受光する受光素子とを備えた。

請求項３記載の半導体装置の検査装置は、基板の電極と接続されるＢＧＡパッケージのはんだボールの接合部を検査する半導体装置の検査装置であって、前記ＢＧＡパッケージの一方の側面側に配置され前記ＢＧＡパッケージのはんだボールの接合部の間隙に光線を照射する光源部と、前記一方の側面に相対する他方の側面側に配置された前記光線を投影するスクリーンと、前記スクリーンの映像を撮影するカメラおよび撮影した画像を検出する画像認識装置とを備えた。

請求項４記載の半導体装置の検査装置は、請求項２または３記載の半導体装置の検査装置において、前記光源部が光ファイバよりなる。

請求項５記載の半導体装置の検査装置は、請求項２記載の半導体装置の検査装置において、前記光源部と前記ＢＧＡパッケージの間あるいは前記ＢＧＡパッケージと前記受光素子との間の少なくとも一方にプリズムが装着されている。

請求項６記載の半導体装置の検査装置は、請求項３記載の半導体装置の検査装置において、前記光源部と前記ＢＧＡパッケージの間あるいは前記ＢＧＡパッケージと前記スクリーンとの間の少なくとも一方にプリズムが装着されている。

請求項７記載の半導体装置の検査方法は、ＢＧＡパッケージを基板に実装した際に、前記基板の電極と接続されるＢＧＡパッケージのはんだボールの接合部の間隙に光線を照射する工程と、前記光線をスクリーンに投影し、投影された映像をカメラにより撮影する工程と、前記映像を画像認識装置により処理して前記はんだボールの接合部のショートや位置ずれを判断する工程とを含む。

この発明の請求項１記載の半導体装置の検査方法によれば、ＢＧＡパッケージを基板に実装した際に、基板の電極と接続されるＢＧＡパッケージのはんだボールの接合部の間隙に光線を照射する工程と、光線を受光素子により受光する工程と、光線を受光素子により受光することによってはんだボールの接合部のショートや位置ずれを判断する工程とを含むので、パッケージのピン数の増加においては、はんだボール接合部の間隙や位置ずれを光線の透過状態で判定するため、Ｘ線検査のようにはんだボールを有する領域を面状で検査する（面に対して直交方向に検査する）のではなく線状で検査する（面に沿った方向に検査する）ため検査時間が短縮できる。また、Ｘ線が透過しにくい金属製の放熱板を有するパッケージにおいても、はんだボールの接合部を直接検査するため、金属製の放熱板の影響を受けずに検査が可能となり検査時間が増加しない。

この発明の請求項２記載の半導体装置の検査装置によれば、ＢＧＡパッケージの一方の側面側に配置されＢＧＡパッケージのはんだボールの接合部の間隙に光線を照射する光源部と、一方の側面に相対する他方の側面側に配置された光線を受光する受光素子とを備えているので、はんだボールの接合部の間隙にレーザ等の光線を照射し、間隙を通過した光線を受光素子で検出することで、光線の透過状態によりはんだボールの接合部のショートや位置ずれ等の接合状態を認識することができる。また、請求項１と同様にパッケージのピン数の増加においては、Ｘ線検査のようにはんだボールを有する領域を面状で検査するのではなく線状で検査するため検査時間が短縮できる。また、Ｘ線が透過しにくい金属製の放熱板を有するパッケージにおいても、金属製の放熱板の影響を受けずに検査が可能となり検査時間が増加しない。

この発明の請求項３記載の半導体装置の検査装置によれば、ＢＧＡパッケージの一方の側面側に配置されＢＧＡパッケージのはんだボールの接合部の間隙に光線を照射する光源部と、一方の側面に相対する他方の側面側に配置された光線を投影するスクリーンと、スクリーンの映像を撮影するカメラおよび撮影した画像を検出する画像認識装置とを備えているので、はんだボールの接合部の間隙にレーザ等の光線を照射し、間隙を通過した光線をカメラおよび画像認識装置で検出することで、光線の透過状態によりはんだボールの接合部のショートや位置ずれ等の接合状態を認識することができる。また、請求項１と同様にパッケージのピン数の増加においては、Ｘ線検査のようにはんだボールを有する領域を面状で検査するのではなく線状で検査するため検査時間が短縮できる。また、Ｘ線が透過しにくい金属製の放熱板を有するパッケージにおいても、金属製の放熱板の影響を受けずに検査が可能となり検査時間が増加しない。

請求項４では、請求項２または３記載の半導体装置の検査装置において、光源部が光ファイバよりなること望ましい。光ファイバにより光線の照射方向を屈曲させることで、所定のはんだボールの接合部の間隙に照射することが可能となる。

請求項５では、請求項２記載の半導体装置の検査装置において、光源部とＢＧＡパッケージの間あるいはＢＧＡパッケージと受光素子との間の少なくとも一方にプリズムが装着されていることが望ましい。プリズムにより光線の照射方向を屈曲させることで、所定のはんだボールの接合部の間隙に照射することが可能となり、また間隙を通過した光線を所定位置に配置された受光素子に照射することが可能となる。

請求項６では、請求項３記載の半導体装置の検査装置において、光源部とＢＧＡパッケージの間あるいはＢＧＡパッケージとスクリーンとの間の少なくとも一方にプリズムが装着されていることが望ましい。プリズムにより光線の照射方向を屈曲させることで、所定のはんだボールの接合部の間隙に照射することが可能となり、また間隙を通過した光線を所定位置に配置されたスクリーンに照射することが可能となる。

この発明の請求項７記載の半導体装置の検査方法によれば、ＢＧＡパッケージを基板に実装した際に、基板の電極と接続されるＢＧＡパッケージのはんだボールの接合部の間隙に光線を照射する工程と、光線をスクリーンに投影し、投影された映像をカメラにより撮影する工程と、映像を画像認識装置により処理してはんだボールの接合部のショートや位置ずれを判断する工程とを含むので、請求項１と同様の効果が得られる。

この発明の第１の実施の形態の半導体装置の検査装置および検査方法を図１〜図５に基づいて説明する。

図１および図２は、本発明の第１の実施形態の検査装置の基本構成の例である。なお、従来例と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。

図１および図２において、１２は光源部、１３は受光素子、１４は光ファイバ、１５はプリズムである。この検査装置は、基板１の電極２と接続されるＢＧＡパッケージ５のはんだボール６の接合部を検査するに際して、ＢＧＡパッケージ５の一方の側面側に配置されＢＧＡパッケージ５のはんだボール６の接合部の間隙に光線１６を照射する光源部１２と、一方の側面に相対する他方の側面側に配置された光線１６を受光する受光素子１３とを備えている。光線１６は点状の範囲に光源部１２より照射される。

図１（ａ）は、第１の実施形態における光源部と受光素子より構成された検査装置の側面図、（ａ１）は平面図である。ＢＧＡパッケージ５をはんだボール６により接続した基板１を光源部１２と受光素子１３との間でかつ、はんだボール６の間隙に光源部１２の光線１６が通過する位置に設置されている。

図１（ｂ）は、第１の実施形態における光ファイバを接続した光源部と受光素子より構成された検査装置の側面図、（ｂ１）は平面図である。光源部１２からの光線が光ファイバ１４を介して照射され、照射された光線１６を受光素子１３で検出する検査装置になっている。

図１（ｃ）は、第１の実施形態における光ファイバを接続した光源部と光ファイバを接続した受光素子より構成された検査装置の側面図、（ｃ１）は平面図である。光源部１２から光線１６が光ファイバ１４を介して照射され、さらに照射された光線が光ファイバ１４を通って受光素子１３で検出する検査装置になっている。

また、図１（ｂ）、（ｃ）における光ファイバの代わりにプリズムを用いてもよい。すなわち図２（ａ）は、第１の実施形態におけるプリズムを用いた光源部と受光素子より構成された検査装置の側面図、（ａ１）は平面図である。光源部１２から光線１６がプリズム１５を介して照射され、さらに照射された光線がプリズム１５を通って受光素子１３で検出する検査装置になっている。

図２（ｂ）は、第１の実施形態における複数個の光源部と複数個の受光素子より構成された検査装置の側面図、（ｂ１）は平面図である。２個以上の平行に並べられた光源部１２から光線１６が照射され、光源部１２と幅が同等の受光素子１３で検出する検査装置になっている。

図３は、第１の実施形態における光源部より線状の範囲に光線が照射される検査装置である。図３（ａ）は線状光源部と受光素子より構成された検査装置の側面図、（ａ１）は平面図である。ＢＧＡパッケージ５をはんだボール６により接続した基板１の一側縁に配置された線状光源部１２と、線状光源部１２と同等以上の幅をもつ受光素子１３を備えた検査装置になっている。

図３（ｂ）は複数の光ファイバを用いた光源部と受光素子より構成された検査装置の側面図、（ｂ１）は平面図である。線状光源部の代わりに光源部１２に接続した複数の光ファイバ１４が線状の範囲に並べられたものである。この場合、受光素子１３に接続される複数の光ファイバ１４を線状の範囲に並べ、光源部１２の光ファイバ１４と同等以上の幅をもつようにしている。この検査装置では、線状光源部１２または複数の光ファイバ１４より、ＢＧＡパッケージ５と基板１の間の線状の範囲に光線１６が照射される。

次に上記検査装置を用いた検査方法について説明する。

図４および図５に、図１に示した検査装置を用いた検査方法を示す。図４（ａ）は四角形のＢＧＡパッケージ５の第１の角部１７から第２の角部１８へ光源部１２を移動させる検査工程である。光源部１２の移動速度に合わせて受光素子１３を第４の角部２０から第３の角部１９へ移動させて光源部１２からの光線１６を受光する。このとき、ＢＧＡパッケージ５のＸ軸方向のはんだボール６の接続状態の検査を行う。

図４（ｂ）は図４（ａ）に示した動作の後に、四角形のＢＧＡパッケージ５の第２の角部１８から第３の角部１９へ光源部１２を移動させる検査工程である。光源部１２の移動速度に合わせて受光素子１３を第４の角部２０から第１の角部１８へ移動させて光源部１２からの光線１６を受光する。このとき、ＢＧＡパッケージ５のＹ軸方向のはんだボール６の接続状態の検査を行う。

図５（ａ）にはんだボールの接続部にショートが発生した場合を示した。はんだボール６のショート発生部２１においては光源部１２からの光線１６が通過しないため、受光素子１３で光線１６が検出されない。このため、はんだボール６にショートが発生したと判定される。

図５（ｂ）にはんだボールの接続部に位置ずれが発生した場合を示した。光源部１２を移動させる際に、基板１上の基準位置２２と基板１上のＢＧＡパッケージ５のはんだボール６と接続するための電極２の位置と光源部１２から照射された光線の受光素子１３で受光した位置との位置関係によりはんだボール６のずれ量を検出し、ずれ判定を行う。図５（ｂ）において、３０は正常位置、３１はずれ位置、３２は位置ずれ量である。

また、光源部１２より線状の範囲に光線を照射した場合の検査方法においても、光源部１２より、パッケージ５の１辺よりも幅が広い線状の範囲に照射された光線がはんだボール６の間隙を透過して受光素子１３で検出された状態ではんだボール６の接合状態を判定する。

この発明の第２の実施の形態の半導体装置の検査装置および検査方法を図６〜図８に基づいて説明する。

図６は、本発明の第２の実施形態の検査装置の基本構成の例である。なお、従来例と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。

図６において、１２は光源部、１３は受光素子、１４は光ファイバ、１５はプリズム、２３はスクリーン、２４はカメラ、２５は画像認識装置である。この検査装置は、基板１の電極２と接続されるＢＧＡパッケージ５のはんだボール６の接合部を検査するに際して、ＢＧＡパッケージ５の一方の側面側に配置されＢＧＡパッケージ５のはんだボール６の接合部の間隙に光線１６を照射する光源部１２と、一方の側面に相対する他方の側面側に配置された光線１６を投影するスクリーン２３と、スクリーン２３の映像を撮影するカメラ２４および撮影した画像を検出する画像認識装置２５とを備えている。スクリーン２３に投影された光源部１２により照射された光線１６をカメラ２４で撮影して、撮影した画像を画像認識装置２５で解析を行う。

図６（ａ）は、第２の実施形態における光源部とスクリーンおよびカメラが設置された検査装置の側面図である。この検査装置は、光源部１２と、光源部１２より照射され、はんだボール６の間隙を通過した光線１６を投影させるためのスクリーン２３とがあり、また投影した映像を撮影するカメラ２４と、カメラ２４が撮影した映像を解析するための画像認識装置２５とからなる。光源部１２、スクリーン２３およびカメラ２４は同一直線状に設置されている。

図６（ｂ）は、第２の実施形態における光源部とスクリーンおよびカメラが設置されるとともにプリズムを介在させた検査装置の側面図である。この検査装置は、ＢＧＡパッケージ５のはんだボール６の間隙部を通過した光源部１２より照射された光線１６を屈折するためのプリズム１５があり、さらに光線１６を投影するスクリーン２３があり、スクリーン２３に投影された光線１６を撮影するカメラ２３と、カメラ２４で撮影した映像を解析するための画像認識装置２５とからなる。

図６（ｃ）は、第２の実施形態における光源部とスクリーンおよびカメラが設置されるとともに光ファイバを介在させた検査装置の側面図である。この検査装置は、ＢＧＡパッケージ５のはんだボール６の間隙部を通過した光源部１２より照射された光線１６の光路を変更する光ファイバ１４と、光ファイバ１４を通過した光線１６を投影するためのスクリーン２３、さらに投影された光線１６を撮影するためのカメラ２３と、カメラ２３が撮影した画像を解析する画像認識装置２５とからなる。

図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）における光源部１２においては、点状の範囲に光線を照射するものでも、線状の範囲に光線を照射するものでもどちらでも良い。

次に上記検査装置を用いた検査方法について説明する。

図７（ａ）は四角形のＢＧＡパッケージ５の第１の角部１７から第２の角部１８の間に光源部１２より光線１６を照射させる検査工程である。光源部１２から照射した光線１６がはんだボール６の間隙を通過してスクリーン２３に投影される。この投影された光線１６をカメラ２４が撮影して、カメラ２４の画像を画像認識装置２５により、ＢＧＡパッケージ５のＸ軸方向のはんだボール６の接続状態の検査を行う。

図７（ｂ）は図７（ａ）に示した動作の後に、四角形のＢＧＡパッケージ５の第２の角部１８から第３の角部１９の間に光源部１２より光線１６を照射する検査工程である。光源部１２のから照射した光線１６がはんだボール６の間隙を通過してスクリーン２３に投影される。この投影された光線１６をカメラ２４が撮影して、カメラ２４の画像を画像認識装置２５により、ＢＧＡパッケージ５のＹ軸方向のはんだボール６の接続状態の検査を行う。

図８（ａ）にはんだボールの接続部にショートが発生した場合を示した。はんだボール６のショート発生部２１においては光源部１２からの光線１６が通過しないためにスクリーン２３上のはんだボール６による影領域２６で幅が広い影領域２７が発生する。画像認識装置２５は幅が広い影領域２７の状態を識別してはんだボール６のショートの判定を行う。

図８（ｂ）にはんだボールの接続部に位置ずれが発生した場合を示した。スクリーン２３上のはんだボール６の影領域の基準位置２８と実際の影領域の位置２９との位置のずれを画像認識装置２５により認識してはんだボール６のずれ量の判定を行う。

本発明にかかる半導体装置の検査装置および検査方法は、多ピン化や放熱性を要求した金属板による放熱構造が求められるため、高機能化により多ピン化や金属性の放熱板を有するＢＧＡパッケージにおいてはんだボール接合の検査を迅速かつ低コストで行う検査技術として有用である。

（ａ）は本発明の第１の実施形態における検査装置の側面図、（ａ１）は平面図、（ｂ）は第１の実施形態における他の検査装置の側面図、（ｂ１）は平面図、（ｃ）は第１の実施形態における他の検査装置の側面図、（ｃ１）は平面図である。 （ａ）は本発明の第１の実施形態における他の検査装置の側面図、（ａ１）は平面図、（ｂ）は第１の実施形態における他の検査装置の側面図、（ｂ１）は平面図である。 （ａ）は本発明の第１の実施形態における他の検査装置の側面図、（ａ１）は平面図、（ｂ）は第１の実施形態における他の検査装置の側面図、（ｂ１）は平面図である。 本発明の第１の実施形態における検査装置を用いた検査方法を示す説明図である。 本発明の第１の実施形態における検査装置を用いた検査方法を示す説明図である。 （ａ）は本発明の第２の実施形態における検査装置の側面図、（ｂ）は第２の実施形態における他の検査装置の側面図、（ｃ）は第２の実施形態における他の検査装置の側面図である。 本発明の第２の実施形態における検査装置を用いた検査方法を示す説明図である。 本発明の第２の実施形態における検査装置を用いた検査方法を示す説明図である。 従来例の検査装置および検査方法の工程図である。

符号の説明

１ 基板
２ 電極
３ スクリーンマスク
４ クリームはんだ
５ ＢＧＡパッケージ
６ ボールはんだ
７ リフロー炉
８ ヒーター
９ Ｘ線検査装置
１０ Ｘ線発生機
１１ 検出器
１２ 光源部
１３ 受光素子
１４ 光ファイバ
１５ プリズム
１６ 光線
１７ 第１の角部
１８ 第２の角部
１９ 第３の角部
２０ 第４の角部
２１ ショート発生部
２２ 基準位置
２３ スクリーン
２４ カメラ
２５ 画像認識装置

Claims (7)

1. ＢＧＡパッケージを基板に実装した際に、前記基板の電極と接続されるＢＧＡパッケージのはんだボールの接合部の間隙に光線を照射する工程と、前記光線を受光素子により受光する工程と、前記光線を前記受光素子により受光することによって前記はんだボールの接合部のショートや位置ずれを判断する工程とを含む半導体装置の検査方法。
2. 基板の電極と接続されるＢＧＡパッケージのはんだボールの接合部を検査する半導体装置の検査装置であって、前記ＢＧＡパッケージの一方の側面側に配置され前記ＢＧＡパッケージのはんだボールの接合部の間隙に光線を照射する光源部と、前記一方の側面に相対する他方の側面側に配置された前記光線を受光する受光素子とを備えた半導体装置の検査装置。
3. 基板の電極と接続されるＢＧＡパッケージのはんだボールの接合部を検査する半導体装置の検査装置であって、前記ＢＧＡパッケージの一方の側面側に配置され前記ＢＧＡパッケージのはんだボールの接合部の間隙に光線を照射する光源部と、前記一方の側面に相対する他方の側面側に配置された前記光線を投影するスクリーンと、前記スクリーンの映像を撮影するカメラおよび撮影した画像を検出する画像認識装置とを備えた半導体装置の検査装置。
4. 前記光源部が光ファイバよりなる請求項２または３記載の半導体装置の検査装置。
5. 前記光源部と前記ＢＧＡパッケージの間あるいは前記ＢＧＡパッケージと前記受光素子との間の少なくとも一方にプリズムが装着されている請求項２記載の半導体装置の検査装置。
6. 前記光源部と前記ＢＧＡパッケージの間あるいは前記ＢＧＡパッケージと前記スクリーンとの間の少なくとも一方にプリズムが装着されている請求項３記載の半導体装置の検査装置。
7. ＢＧＡパッケージを基板に実装した際に、前記基板の電極と接続されるＢＧＡパッケージのはんだボールの接合部の間隙に光線を照射する工程と、前記光線をスクリーンに投影し、投影された映像をカメラにより撮影する工程と、前記映像を画像認識装置により処理して前記はんだボールの接合部のショートや位置ずれを判断する工程とを含む半導体装置の製造方法。

Images