JP2006292647A - ボンディングワイヤ検査装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 半導体チップにおけるループ頂点位置のワイヤ高さを高速かつ正確に測定することができるボンディングワイヤ検査装置を提供すること。
【解決手段】 ワイヤ部分を垂直上方から落射照明する同軸照明装置６と、ワイヤ部分を垂直上方から撮像する第１のＣＣＤカメラ４と、ワイヤ部分を斜め上方から照明する斜め照明装置１１と、ワイヤ部分を斜め上方から撮像する第２のＣＣＤカメラ１０と、第１および第２のＣＣＤカメラによって撮像された画像を用いてワイヤ３のループ頂点位置のワイヤ高さを画像処理により算出する画像処理部１５とを備え、第２のＣＣＤカメラ１０の画像上でループ頂点位置とボールの位置とが同時に認識できる場合は、第２のＣＣＤカメラの画像のみを用いてワイヤ高さを算出し、第２のＣＣＤカメラの画像上でループ頂点位置が認識できない場合は、第１および第２のＣＣＤカメラの両方の画像を用いてワイヤ高さを算出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体チップとリードの間をつなぐボンディングワイヤのループ頂点位置のワイヤ高さを測定するボンディングワイヤ検査装置に関するものである。
従来、半導体チップとリードの間をつなぐボンディングワイヤ（以下、「ワイヤ」と略称）の高さを検査する方法としては、作業者が顕微鏡などを用いて目視検査で行なうのが一般的であった。
これに対し、ワイヤの高さを自動的に検査する方法として、垂直上方からの落射照明によって半導体チップを真上から照らし、この状態で撮像装置をＺ軸（上下）方向に移動させながら、各高さ位置においてワイヤ頂点の画像を撮像し、各高さにおけるワイヤ頂点からの反射光の変化から最も焦点の合った高さ位置をワイヤの高さとして算出する方法が提案されている（特許文献１参照）。
また、ワイヤと半導体チップの間隔をチェックするための検査方法として、ミラーを使用してワイヤを斜め横から撮像する方法が提案されている（特許文献２参照）。
特開平６−１７４４３７号公報（全頁、全図） 特開平９−６８４０５号公報（全頁、全図）
しかしながら、特許文献１に記載の方法の場合、算出の基点となる半導体チップ面の高さを検出することができず、ある決められた点からの高さを測定するものであるため、チップ高さやマウント高さのバラツキに対応できなかった。また、撮像装置をＺ軸（上下）方向に移動させながら、各高さ位置でその都度画像を取り込んで合焦点度を求めるため、測定に時間がかかっていた。
また、特許文献２に記載の方法の場合、ワイヤの配線方向と平行にミラーを位置させる必要があり、各ワイヤの配線状態に合わせてその都度ミラーを回転させる必要があった。さらに、チップ面を算出するための処理をワイヤの高さ測定処理とは別に行なっているため、測定に時間がかかっていた。
本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、ループ頂点位置のワイヤ高さを高速かつ正確に測定することができるボンディングワイヤ検査装置を提供することを目的とするものである。
上記目的を達成するため、請求項１記載のボンディングワイヤ検査装置は、検査対象とする半導体チップの検査すべきワイヤ部分を垂直上方から落射照明する第１の照明手段と、該第１の照明手段によって照明されたワイヤ部分を垂直上方から撮像して画像信号を得る第１の撮像手段と、検査すべき前記ワイヤ部分を斜め上方から照明する第２の照明手段と、該第２の照明手段によって照明されたワイヤ部分を斜め上方から撮像して画像信号を得る第２の撮像手段と、前記第１の撮像手段によって撮像された垂直上方からの画像信号と前記第２の撮像手段によって撮像された斜め上方からの画像信号を用いてワイヤのループ頂点位置のワイヤ高さを画像処理により算出する画像処理部とを備え、前記第２の撮像手段で撮像した斜め上方からの画像上においてワイヤのループ頂点位置とボールの位置とが同時に認識できる場合は、第２の撮像手段で撮像した斜め上方からの画像のみを用いてループ頂点位置のワイヤ高さを算出し、第２の撮像手段で撮像した斜め上方からの画像上においてワイヤのループ頂点位置が認識できない場合は、前記第１の撮像手段で撮像した垂直上方からの画像と、前記第２の撮像手段で撮像した斜め上方からの画像の両方を用いてループ頂点位置のワイヤ高さを算出するようにしたものである。
また、請求項２記載のボンディングワイヤ検査装置は、前記請求項１記載のボンディングワイヤ検査装置において、前記第２の撮像手段と第２の照明手段を前記第１の撮像手段のレンズ光軸を中心として１８０度反対側の位置に対向配置し、該第２の撮像手段と第２の照明手段をその位置関係を保ったままで前記第１の撮像手段のレンズ光軸まわりに回動自在に配置したこと特徴とするものである。
また、請求項３記載のボンディングワイヤ検査装置は、前記請求項２記載のボンディングワイヤ検査装置において、前記第１，第２の撮像手段と前記第１，第２の照明手段を水平面内で移動自在とされたＸＹテーブル上に載置し、垂直上方から撮像する第１の撮像手段のレンズ光軸が検査対象とする半導体チップの検査すべきワイヤの直上に位置するように移動制御することを特徴とするものである。
請求項１記載のボンディングワイヤ検査装置によれば、撮像手段をＺ軸（上下）方向に移動させることなしにただ１つの高さ位置で撮像した画像を用いてループ頂点位置のワイヤ高さを画像処理によって算出しており、従来装置のように撮像手段をＺ軸方向に移動しながら各高さ位置でその都度画像を取得し、各高さ位置毎に画像処理を行なう必要がないので、処理の高速化を図ることができ、測定時間を短縮することができる。また、斜め上方から撮像した画像を用いているので、ボールベース面（すなわちチップ面）の高さを画像上から算出することができ、この位置を基準としてワイヤ高さを測定することができるのため、チップ高さやマウント高さのバラツキにも対応することができ、ワイヤ高さの測定精度も向上する。
また、請求項２記載のボンディングワイヤ検査装置によれば、半導体チップ上におけるワイヤの配線方向に合わせて第２の撮像手段と第２の照明手段の位置を最適位置に回動設定できるので、半導体チップ上のワイヤの配線方向がどのような向きであってもワイヤ高さを測定することができる。
また、請求項３記載のボンディングワイヤ検査装置によれば、第１および第２の撮像手段の位置を任意のワイヤの直上位置に自在に設定できるので、多数のワイヤを配線された半導体チップであってもそれぞれのワイヤについてそのワイヤ高さを確実に測定することができる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１に、本発明に係るボンディングワイヤ検査装置の一実施の形態を示す。
図において、１は水平面（Ｘ−Ｙ面）内において任意の位置に移動自在とされたＸＹステージである。このＸＹステージ１上に、以下に述べるような種々の機構が載置され、ＸＹステージ１を移動制御することよってその位置を自在に変えることができるように構成されている。
すなわち、水平面内で移動自在とされたＸＹステージ１上には、定位置に固定された検査台（図示略）上にセットされた検査対象とする半導体チップ２を垂直上方から撮像するための第１のＣＣＤカメラ（第１の撮像手段）４が垂直下向きに設けられている。この第１のＣＣＤカメラ４のレンズ４ａの鏡胴部分には、半導体チップ２を垂直上方から同軸に落射照明するための同軸照明装置（第１の照明手段）６が一体に組み付けられているとともに、レンズ４ａの先端部には補助照明用のリング照明装置７がレンズ４ａのまわりをドーナツ状に囲んで下向きに取り付けられている。
一方、前記第１のＣＣＤカメラ４の下方部には、中心部を開口部８ａとされた円板状の回動支持体８が第１のＣＣＤカメラ４のレンズ光軸を軸心として回動自在に水平配置されており、その周縁に配置された回転駆動機構９によってレンズ光軸のまわりで自在に回動できるように構成されている。そして、この回動支持体８上には、第１のＣＣＤカメラ４のレンズ光軸を中心に１８０°反対側の対向する位置に、第２のＣＣＤカメラ（第２の撮像手段）１０と斜め照明装置（第２の照明手段）１１がそれぞれ下向きに取り付けられている。
斜め照明装置１１の先端部には反射ミラー（またはプリズム）１２が取り付けられており、この反射ミラー１２によって斜め照明装置１１から下向きに放射された照明光を斜め下方に向けて反射させ、半導体チップ２をチップ面に対して角度θの斜め上方から照明するように構成されている。
また、第２のＣＣＤカメラ１０のレンズ１０ａの先端部にも反射ミラー（またはプリズム）１３が取り付けられ、この反射ミラー１３によって半導体チップ２を斜め照明装置１１の照射角と同じ角度θの斜め上方から撮像するように構成されている。
画像処理部１４は、第１のＣＣＤカメラ４と第２のＣＣＤカメラ１０で撮像した画像信号を基に後述する図７のフローチャートで示すような処理を実行し、ワイヤ３のループ頂点位置Ｔのワイヤ高さＨ（図３（ａ）参照）を画像処理によって自動的に算出するものである。また、制御部１５は、ＸＹステージ１や回転駆動機構９を駆動制御するとともに、装置全体の処理動作を統括的に制御する回路である。
なお、リング照明装置７は、同軸照明装置６や斜め照明装置１１によっては撮像画像に十分なコントラストや輝度が得られない場合に補助的に用いられる照明手段であって、同軸照明装置６や斜め照明装置１１によって十分なコントラストや輝度が得られる場合には省略してもよい。
次に、上記実施の形態に係るボンディングワイヤ検査装置の処理動作について、図７のフローチャートおよび図２〜図６を参照して説明する。
なお、検査台上の定位置にセットされた半導体チップ２の位置座標やボンディングされている各ワイヤ３のボンディング点の位置座標は、予め検査装置単体でティーチングされているか、あるいは図示しないワイヤボンディング装置から信号線を介してまたは記憶媒体などを利用して検査装置に入力され、予め内部メモリに記憶されているものとする。
処理が開始されると、制御部１５の制御の下、同軸照明装置６と斜め照明装置１１が点灯されるとともに、さらに必要ならばリング照明装置７も点灯され、半導体チップ２を照明する。
まず最初に、定位置にセットされた半導体チップ２やリード２０（図３参照）のボンディング位置が予め記憶しておいた基準のボンディング位置とどの程度ずれているかを算出する（ステップＳ１）。
この位置ずれ量の算出には、予め記憶しておいた基準位置における半導体チップの画像データを基準パターンとして用い、そのパターンがセットされた半導体チップ２やリード２０上のどの位置に存在するかを算出するパターンマッチング法を利用すればよい。この位置ずれ量の算出は、パターンマッチング法だけに限らず、公知のどのような方法であっても構わない。また、発生する位置ずれ量が常に画像処理可能な誤差範囲内に収まることが分かっている場合には、この位置ずれ量の検出処理は省略することもできる。
検出された半導体チップ２およびリード２０の位置ずれ量から、第１ボンディング点（半導体チップ２側のボンディング点）と第２ボンディング点（リード側のボンディング点）の位置座標を算出し、制御部１５によってＸＹステージ１を移動制御することにより、第１のＣＣＤカメラ４が検査対象とする半導体チップ２の検査すべきワイヤ３の直上に位置するように移動させる（ステップＳ２）。
これと同時に、回転駆動機構９によって回動支持体８を回動し、第２のＣＣＤカメラ１０で撮像したときに検査すべきワイヤ３の先端のボール１６が隣接する他のワイヤのボールによって隠れてしまうことがないように、その回動位置を調節する。この回動位置は、ボンディングされるボールの大きさやボール間隔などによっても異なるが、ワイヤ３の配線方向を中心に左右方向に±４５°の範囲内となることが多い。
上記の状態で検査すべきワイヤ３のボール１６とループ頂点位置Ｔとを第２のＣＣＤカメラ１０で明確に撮像できれば、この画像を用いてワイヤ高さＨを算出することができるので、第２のＣＣＤカメラ１０の画像のみを用いてその後の処理を行なうことができる。
ところで、図２に示すように、第２のＣＣＤカメラ１０の位置がワイヤ３の配線方向に対して±９０°の位置（ワイヤループを真横から見る位置）の場合には、ループ頂点位置Ｔは明確であるが、角度が小さくなるに従って、ループ頂点位置Ｔがワイヤ３の他の部分と重なってしまい、どの位置がループ頂点位置Ｔであるかを画像から明確に判断できなくなってしまう。
したがって、斜め上方に配置した第２のＣＣＤカメラ１０によってワイヤ３のボール１６が明確に撮像される角度であっても、このときにループ頂点位置Ｔが明確に判断できないような場合には、第２のＣＣＤカメラ１０の画像のみではワイヤ高さＨを求めることができず、垂直上方に配置した第１のＣＣＤカメラ４で撮像した画像（図３（ｂ）参照）を用いてループ頂点位置Ｔを算出する必要がある。
すなわち、斜め上方の第２のＣＣＤカメラ１０で撮像された画像からループ頂点位置Ｔとボール１６が明確に識別可能な場合（ステップＳ３のＹｅｓ側）には、処理はステップＳ１１へ移行する。一方、斜め上方の第２のＣＣＤカメラ１０で撮像された画像からはループ頂点位置Ｔが明確に識別できない場合（ステップＳ３のＮｏ側）には、処理はステップＳ４へ移行する。
上記ステップＳ３の判断は、ボール１６が明確に撮像される回動位置でループ頂点位置Ｔが明確に撮像できるか否かを予めティーチングしておき、内部メモリに記憶させておけばよい。
上記したように斜め上方の第２のＣＣＤカメラ１０の画像からループ頂点位置Ｔを明確に識別できない場合には、処理はステップＳ４へ進み、垂直上方の第１のＣＣＤカメラ４で撮像された画像（図３（ｂ）参照）を取り込む（ステップＳ４）。
同軸照明装置６によってワイヤ３を垂直上方から照明すると、ワイヤの表面は鏡面状態に近いことから、図３（ａ）に示すように、照明光とワイヤ３の角度に応じて照明光は入射角＝反射角となるように反射する。一方、ループ頂点は傾き０の水平状態を呈している。したがって、図３（ｂ）に示すように、第１のＣＣＤカメラ４のレンズ光軸方向に最も強い反射を示す位置Ｔがループ頂点位置となる。
この第１のＣＣＤカメラ４で撮像された図３（ｂ）の画像から、パッド１７にボンディングされたボール１６のボールセンターＢ１とループ頂点位置Ｔを求め（ステップＳ５，Ｓ６）、これからボールセンターＢ１とループ頂点位置Ｔとの距離、すなわちボールセンターからのループ頂点のシフト量Ｌを算出する（ステップＳ７）。
次に、斜め上方の第２のＣＣＤカメラ１０で撮像された画像を取り込み（ステップＳ８）、この斜め上方から撮像した画像に基づいて、図４に示すように、ボール１６のボール径Ｗとボール厚さｔを算出し、これらからボールベース面（＝チップ面）Ｃ−Ｃの位置を求める（ステップＳ９）。
ボールベース面Ｃ−Ｃの位置を求めるには、図４のように斜め上方から見たボール１６の輪郭を検出する。ボール１６を撮像している第２のＣＣＤカメラ１０の撮像角度θがわかっているので、その輪郭からボール径Ｗとボール厚さｔを算出できる。
すなわち、図４において、ボール１６の最大外径部分がボール径Ｗであり、これは撮像した画像から直接求めることができる。
また、このボール径Ｗの中点付近で最も下部の点をＰ１とし、ボンディングされたボール１６の平面視形状がほぼ円形であるとすると、ボールベース面Ｃ−Ｃは、中点Ｐ１から（Ｗ/２）sinθだけ上方に位置することになる。また、キャピラリのチャンファー痕１８は画像処理により容易に検出できるので、このチャンファー痕１８の最大外径位置Ｐ２とボールベース面Ｃ−Ｃとの間のＺ軸（上下）方向の距離を算出することにより、ボール厚さｔを得ることができる。
ところで、ワイヤ３をチップ面に対してθ°斜め上方から撮像した場合において、ループ頂点位置Ｔの高さは、チップ面との角度θだけでなく、ＣＣＤカメラ１０の撮像面１９とワイヤ３の配線方向との角度（＝ワイヤリング角度）αの違いによっても見かけ上変化する。
例えば、図５に示すように、ワイヤ３をループの真横（α＝０°または１８０°）から見た場合には、ループ頂点位置Ｔの見かけ上の高さＨ’は、Ｈ’＝Ｈcosθとなり、図５の左斜め上方（α＝９０°）から見た場合には、Ｈ’＝Ｈcosθ＋Ｌsinθとなり、図５の右斜め上方（α−９０°）から見た場合には、Ｈ’＝Ｈcosθ−Ｌsinθとなる。
いま、図６に示すように、第２のＣＣＤカメラ１０によって撮像された斜め上方からの画像上に、ボールベース面Ｃ−Ｃ（図４参照）をＸ軸とするＸ−Ｙ座標を設定し、ワイヤリング角度αの方向からチップ面との角度θで撮像したときのループ頂点位置Ｔの位置座標（Ｘ，Ｙ）を一般式で表すと、
Ｘ＝Ｌcosα （１）
Ｙ＝Ｈsinθ＋(Ｌsinθ)sinα （２）
となる。
したがって、ＸとＹの値が分かれば（1）（２）式からループ頂点位置Ｔの真のワイヤ高さＨを算出することができる。
そこで、第２のＣＣＤカメラ１０で撮像した斜め上方からの画像上でループ頂点位置Ｔが特定できない場合には（ステップＳ３のＮｏ側）、第１のＣＣＤカメラ４で撮像した垂直上方からの画像（図３（ｂ）参照）からボールセンターＢ１とループ頂点位置Ｔの位置を求め（ステップＳ５，Ｓ６）、ボールセンターＢ１からループ頂点位置Ｔまでの距離、すなわち頂点シフト量Ｌを算出する（ステップＳ７）。
次いで、第２のＣＣＤカメラ１０で撮像した斜め上方からの画像を取り込み（ステップＳ８）、この画像から図４に示したボール径Ｗ、ボール厚さｔ、ボールベース面Ｃ−Ｃを算出する（ステップＳ９）。
上記のようにして算出された各値に基づいて、第２のＣＣＤカメラ１０で撮像した斜め上方からの画像上に図６に示すようなボールベース面Ｃ−ＣをＸ軸とするＸ−Ｙ座標系を設定し、このＸ−Ｙ座標系上においてＸ＝Ｌcosαの線と交わるワイヤ３の位置をループ頂点位置Ｔとして決定し、その位置のＹ値を求める（ステップＳ１０）。
そして、上記のようにして得られたＸ値とＹ値を用いて前記（１）（２）式からＨを算出すれば、目的とするループ頂点位置Ｔの真のワイヤ高さＨを得ることができる（ステップＳ１２）。
一方、第２のＣＣＤカメラ１０で撮像した斜め上方からの画像上でループ頂点位置Ｔが特定できる場合には（ステップＳ３のＹｅｓ側）、第２のＣＣＤカメラ１０で撮像した斜め上方からの画像上に図６に示したようなＸ−Ｙ座標系を設定し、ループ頂点位置Ｔの見かけ上の座標値（Ｘ，Ｙ）を読み取り（ステップＳ１１）、得られたＸ，Ｙ値を用いて上記（１）（２）式からＨを算出することにより、目的とするループ頂点位置Ｔの真のワイヤ高さＨを得ることができる（ステップＳ１２）。
上記の処理を指定された全ワイヤについて実行し（ステップＳ１３のＮｏ側）、すべてのワイヤについてループ高さＨの測定が完了したら処理を終了する（ステップＳ１３のＹｅｓ側）。
なお、第２のＣＣＤカメラで撮像された画像からワイヤ３のループ頂点位置Ｔを検出する場合、ワイヤ３はチップ面に対してθ°斜め上方から撮像されているため、ワイヤ３の直径をＤとするとき、画像上で検出したワイヤ最上部位置から(Ｄ/２)sinθだけ下方の位置が真のループ頂点位置であるとして補正することが望ましい。これにより、より正確な測定を行なうことができる。
以上説明したように、上記実施の形態に係るボンディングワイヤ検査装置の場合、第２のＣＣＤカメラ１０の撮像画像のみを用いて、あるいは第１と第２のＣＣＤカメラ４，１０の両方の撮像画像を用いて、画像処理によりワイヤ高さＨを自動的に算出することができる。
また、２台のＣＣＤカメラ４，１０をＺ軸方向に移動させながらその都度画像を取り込んで処理する必要がないので、処理時間を短縮することができ、ワイヤ高さを高速に求めることができる。
また、第２のＣＣＤカメラ１０で撮像した画像から実際のボールベース面Ｃ−Ｃを算出し、この面を基準位置として各処理を行なっているため、チップ高さやマウント高さのバラツキにも対応することができ、測定精度も向上する。
本発明に係るボンディングワイヤ検査装置の一実施の形態を示す図である。 処理画像におけるループ頂点位置の説明図である。 （ａ）は真横から見たループ形状の説明図、（ｂ）は垂直上方から撮像された画像におけるループ頂点位置の説明図である。 斜め上方から撮像されたボールの説明図である。 斜め上方から撮像されたワイヤの説明図である。 斜め上方から撮像された画像におけるループ頂点位置の算出説明図である。 実施の形態における処理動作のフローチャートである。
符号の説明
１ ＸＹテーブル
２ 半導体チップ
３ ボンディングワイヤ
４ 第１のＣＣＤカメラ（第１の撮像手段）
４ａ 第１のＣＣＤカメラのレンズ
６ 同軸照明装置（第１の照明手段）
７ リング照明装置
８ 回転支持体
８ａ 開口部
９ 回転駆動機構
１０ 第２のＣＣＤカメラ（第２の撮像手段）
１０ａ 第２のＣＣＤカメラのレンズ
１１ 斜め照明装置（第２の照明手段）
１２，１３ 反射ミラー（プリズム）
１４ 画像処理部
１５ 制御部
１６ ボール
１７ パッド
１８ チャンファ痕
１９ 第２のＣＣＤカメラの撮像面
２０ リード

Claims (3)

  1. 検査対象とする半導体チップの検査すべきワイヤ部分を垂直上方から落射照明する第１の照明手段と、
    該第１の照明手段によって照明されたワイヤ部分を垂直上方から撮像して画像信号を得る第１の撮像手段と、
    検査すべき前記ワイヤ部分を斜め上方から照明する第２の照明手段と、
    該第２の照明手段によって照明されたワイヤ部分を斜め上方から撮像して画像信号を得る第２の撮像手段と、
    前記第１の撮像手段によって撮像された垂直上方からの画像信号と前記第２の撮像手段によって撮像された斜め上方からの画像信号を用いてワイヤのループ頂点位置のワイヤ高さを画像処理により算出する画像処理部とを備え、
    前記第２の撮像手段で撮像した斜め上方からの画像上においてワイヤのループ頂点位置とボールの位置とが同時に認識できる場合は、第２の撮像手段で撮像した斜め上方からの画像のみを用いてループ頂点位置のワイヤ高さを算出し、
    第２の撮像手段で撮像した斜め上方からの画像上においてワイヤのループ頂点位置が認識できない場合は、前記第１の撮像手段で撮像した垂直上方からの画像と、前記第２の撮像手段で撮像した斜め上方からの画像の両方を用いてループ頂点位置のワイヤ高さを算出するようにしたこと
    を特徴とするボンディングワイヤ検査装置。
  2. 前記第２の撮像手段と第２の照明手段を前記第１の撮像手段のレンズ光軸を中心として１８０度反対側の位置に対向配置し、該第２の撮像手段と第２の照明手段をその位置関係を保ったままで前記第１の撮像手段のレンズ光軸まわりに回動自在に配置したこと特徴とする請求項１記載のボンディングワイヤ検査装置。
  3. 前記第１，第２の撮像手段と前記第１，第２の照明手段を水平面内で移動自在とされたＸＹテーブル上に載置し、垂直上方から撮像する第１の撮像手段のレンズ光軸が検査対象とする半導体チップの検査すべきボンディングワイヤの直上に位置するように移動制御することを特徴とする請求項２記載のボンディングワイヤ検査装置。
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