JP2009135179A - はんだボールの半導体製品基板への接合状態検査方法及びその検査システム - Google Patents

Abstract

【課題】 対象製品のはんだボール部の接合状態を迅速かつ高精度に検査するはんだボールの半導体製品基板への接合状態検査方法及びその検査システムを提供する。
【解決手段】
はんだボールの半導体製品基板への接合状態検査システムは、はんだボール搭載基板面を加熱する加熱手段と、加熱されたはんだボール搭載基板面を冷却する冷却手段と、冷却中のはんだボール及びはんだボール近傍の基板上の赤外線を検出する検出手段と、検出した赤外線量に基づく熱エネルギー分布データによりはんだボールの基板への接合状態の良否を判定する良否判定手段と、を有する。さらに、加熱工程においてはんだボール搭載基板面を加熱後、冷却させる前に、はんだボール搭載基板面に着脱自在に被覆される耐熱性薄膜を含む着脱式赤外線高放射生成手段と、を備える。耐熱性薄膜を着脱自在に加熱したボール搭載基板面に被覆することで、検査効率と検査精度を向上させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、はんだボールの半導体製品基板への接合状態検査方法及びその検査システムに係り、特に、ＢＧＡ型パッケージやＣＳＰ型パッケージ等の集積回路パッケージの基板へのはんだボールの接合状態を非接触により検査するはんだボールの半導体製品基板への接合状態検査方法及びその検査システムに関する。

ＢＧＡ型パッケージやＣＳＰ型パッケージ等のはんだボール搭載半導体製品の基板電極部と、はんだボールと、の接合状態は、この半導体製品が実装された電子機器の寿命へ影響を及ぼす大きな要因となる。上記の集積回路パッケージの基板電極部へのはんだボールの接合状態試験方法として、従来、はんだボール搭載半導体製品をはんだボール搭載面の逆側から加熱し、加熱中の各はんだボール上の温度変化により良否判定を行う検査方法（特許文献１）、はんだボール搭載半導体製品全体を一定温度まで加熱した後、はんだボール搭載面と逆側を冷却し、冷却中のはんだボール上の温度変化で良否を判定する方法（特許文献２）のような、非破壊による検査方法が知られている。これらの方法によれば、引っ張りやせん断破壊を伴う破壊試験による時間とコストを短縮あるいは削減できる。一方、これらの特許文献の特許文献１の方法では、はんだボール搭載面と逆面から加熱を行うので良否判定に必要なハンダボール表面温度までの到達時間が、はんだボール搭載半導体製品の厚さ、材料、形状に依存することとなり、良否判定の精度低下、検査の長時間化をきたす問題があった。また、特許文献２の方法では、冷却用に常時冷却装置を稼働させる必要があり、また冷水や液体窒素などの冷媒を用いるので使用環境によっては冷却装置の結露防止の対策が必要となって検査に要するコストを増大させる問題があった。これに対し、出願人は、製品のはんだボール搭載面を加熱し、かつ冷却させつつその際の赤外線検出手段による赤外線データを基礎にして良否判定を行なうことで、これらの欠点を解消し、はんだボールの半導体製品基板への接合状態を高効率かつ良好な精度により低コストで検査し得る方法を先に提案した（特許文献３）。ところで、製品のはんだボール搭載面からの赤外線を検出してそれらの接合状態の良否を検査する場合には赤外線の放射率を向上させることによりそれらをデータとして判定する場合により精度の高い判定結果を期待できる。一般にはんだボール搭載半導体製品のはんだボール接合状態の良否を、放射される赤外線の検出に基づくデータにより行う場合に、直接被検体を測定するだけでは正確な温度が測定できず、検査精度が低下する問題がある。そこで、被検体への処理として高放射率塗料を被検査対象に塗布するもの（特許文献４，５）や高放射率の網状体を使用して測定精度を向上させるもの（特許文献６）等の提案がなされている。

特開２０００−２６０８００ 特許第３３７２９２４ 特開２００７−９５９９２ 特開２００３−２２６８２６ 特開２０００−２５８３７１ 特開平９−１１３４７３

上記の特許文献４では、被検査物に顔料、溶媒及び分散剤を含有する塗料であって、分散剤として無機白色粉末、特に有機ベントナイトを含有する塗料を塗布する点、特許文献５では、被検査対象物に光エネルギーに対する吸収率が高いグラファイト系の離型材を塗布する点が開示されている。しかしながら、上記の特許文献の方法ではいずれも、塗料を製品から剥がす工程が別途に必要となり、作業が煩雑で効率が悪く、検査作業時間、検査コスト上昇をきたす。さらに、特許文献６では、例えば８０メッシュ程度のステンレス金網を被検査対象に合わせ圧接させる作業が必要であり、複雑な形状の対象の場合には外形形状に合わせて保持させることは困難であるばかりでなく、金網自体により赤外線放射率を低下させるものであり、はんだボールの半導体製品基板への接合状態について良好な精度による検査を行い難いという問題があった。

本発明は、上記従来の課題に鑑みてなされたものであり、その１つの目的は、簡単な構成でありながら、多量の対象製品を迅速に検査処理し、かつ高精度にはんだボールの半導体製品基板への接合状態検査を実現できるはんだボールの半導体製品基板への接合状態検査方法及びその検査システムを提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明は、半導体製品基板に形成されたはんだボールの製品基板への接合状態検査方法であり、はんだボール搭載基板面を加熱する加熱工程と、加熱されたはんだボール搭載基板面を冷却する冷却工程と、冷却中のはんだボール及びはんだボール近傍の基板上の赤外線を検出する検出工程と、検出した赤外線量に基づく熱エネルギー分布データによりはんだボールの基板への接合状態の良否を判定する良否判定工程と、を含み、加熱工程においてはんだボール搭載基板面を加熱後、冷却工程に移行する前に、耐熱性の薄膜からなる赤外線高放射率媒体をはんだボール搭載基板面に着脱自在に被覆し負圧圧着させる工程を備えたことを特徴とするはんだボールの半導体製品基板への接合状態検査方法から構成される。

また、本発明は、半導体製品基板に形成されたはんだボールの製品基板への接合状態検査システムであり、はんだボール搭載基板面Ｈを加熱する加熱手段（１２）と、加熱されたはんだボール搭載基板面を冷却する冷却手段（１４）と、冷却中のはんだボール２４及びはんだボール近傍の基板上の赤外線を検出する検出手段（１６）と、検出した赤外線量に基づく熱エネルギー分布データによりはんだボールの基板への接合状態の良否を判定する良否判定手段（１８）と、を含み、加熱工程においてはんだボール搭載基板面Ｈを加熱後、冷却させる前に、はんだボール搭載基板面に着脱自在に被覆される耐熱性薄膜３８を含む着脱式赤外線高放射生成手段３６と、を備えたことを特徴とするはんだボールの半導体製品基板への接合状態検査システム１０から構成される。はんだボール搭載基板面を加熱工程で加熱し、加熱されたはんだボール搭載基板面を冷却工程で冷却する前にはんだボール搭載基板面に着脱自在に被覆される耐熱性薄膜を含む着脱式赤外線高放射生成手段により耐熱性薄膜を着脱自在に被覆し、その後、冷却、赤外線検出を行うので、基板からの赤外線放射率を高くした状態で検出でき、高分解能のエネルギー分布データを基礎にはんだボール接合状態の良否を精度良く行う。そして、検査終了製品は耐熱性薄膜を表面から離脱させてそのまま実機組み込みに利用できる。耐熱性薄膜は、はんだボールに比べて非鏡面の表面粗さを有する高分子フィルム素材であり、耐熱性、厚さ、伸縮性、熱伝導特性などについてある程度適正な範囲のものであることが求められる。耐熱性薄膜は加熱された直後にはんだボール搭載基板面上に密着被覆されるので、例えば９０℃以上の耐熱性が要求されるとともに、膜厚は０．１ｍｍ以下が望ましい。これは、例えば伸縮性や熱伝導性にすぐれても膜厚が厚すぎると熱拡散を生じ、それが顕著になると外部に放射される赤外線エネルギーレベルを低下させるからである。耐熱性薄膜の素材としては例えばシリコンゴム、ポリウレタンゴム、ゴム系有機フィルム等が挙げられる。耐熱性薄膜３８は、加熱装置により加熱されて検査対象の温度が例えば８０℃以下程度となるように設定されるので、少なくとも９０℃に耐え得る耐熱特性を有する素材であるとよい。より詳しくは、８０℃程度の温度に耐え得る素材であるとよい。また、伸縮性として引っ張り強さが９．８（ＭＰａ）程度あるとよい。はんだボール搭載基板面への耐熱性薄膜の着脱被覆についてはその機能を具備する限り具体的な機械構成や移動方式について任意に設定できる。例えば耐熱性薄膜の端部側を着脱自在に把持する着脱把持機構を用意し、それを横方向あるいは縦方向等に移動させながら、ボール搭載基板面全体を被覆するようにするとよい。

その際、はんだボール搭載基板２２Ａを基台本体４６に保持した状態でその上から耐熱性薄膜３８を被覆し、その状態で、はんだボール搭載基板面Ｈの凹凸部分全体について負圧吸引手段４２により耐熱性薄膜３８を密着状に負圧圧着させる基台装置４０を有するとよい。

また、基台装置４０は、はんだボール搭載基板面Ｈ全体を覆うように耐熱性薄膜３８を載置させた状態で基台本体４６とはんだボール搭載基板２２Ａとの間の隙間Ｇを介して負圧駆動源４２によりはんだボール搭載基板面Ｈの凹凸部分全体について耐熱性薄膜３８を密着状に負圧圧着させる基台内吸引経路５２を有するとよい。

さらに、基台内吸引経路５２は、耐熱性薄膜３８をはんだボール搭載基板面Ｈに載置させた状態で、該耐熱性薄膜３８とはんだボール搭載基板面との隙間５４に連通するように設けられているとよい。また、基台本体４６に半導体製品基板２２Ａを保持させた状態ではんだボール搭載基板全体をその内側に収容させるように環状の気密部材５０を基台本体４６から上方に突設させるとなおよい。

また、耐熱性薄膜３８の膜厚が０．０２ｍｍ〜０．１ｍｍであるとよく、熱拡散による放射エネルギー損失を伴うことなく、赤外線エネルギー放射効率を向上させ得る。

また、耐熱性薄膜が少なくとも９０℃に耐えうる耐熱特性を有するとよい。

本発明のはんだボールの半導体製品基板への接合状態検査方法によれば、半導体製品基板に形成されたはんだボールの製品基板への接合状態検査方法であり、はんだボール搭載基板面を加熱する加熱工程と、加熱されたはんだボール搭載基板面を冷却する冷却工程と、冷却中のはんだボール及びはんだボール近傍の基板上の赤外線を検出する検出工程と、検出した赤外線量に基づく熱エネルギー分布データによりはんだボールの基板への接合状態の良否を判定する良否判定工程と、を含み、加熱工程においてはんだボール搭載基板面を加熱後、冷却工程に移行する前に、耐熱性の薄膜からなる赤外線高放射率媒体をはんだボール搭載基板面に着脱自在に被覆し負圧圧着させる工程を備えた構成であるから、はんだボールの赤外線エネルギー量によるエネルギー分布画像によるはんだボールの接合部の良否判定を高精度に行えるとともに、塗料の塗布の際の検査終了後の剥離作業等を伴うことなく、検査効率を向上させることができる。

また、本発明のはんだボールの半導体製品基板への接合状態検査システムによれば、半導体製品基板に形成されたはんだボールの製品基板への接合状態検査システムであり、はんだボール搭載基板面を加熱する加熱手段と、加熱されたはんだボール搭載基板面を冷却する冷却手段と、冷却中のはんだボール及びはんだボール近傍の基板上の赤外線を検出する検出手段と、検出した赤外線量に基づく熱エネルギー分布データによりはんだボールの基板への接合状態の良否を判定する良否判定手段と、を含み、加熱工程においてはんだボール搭載基板面を加熱後、冷却させる前に、はんだボール搭載基板面に着脱自在に被覆される耐熱性薄膜を含む着脱式赤外線高放射生成手段と、を備えた構成であるから、簡単な構成でありながら、多量の対象製品を迅速に検査処理し、かつ高精度にはんだボールの半導体製品基板への接合状態検査を非接触で行うことができ、同時に検査済みの対象製品について特殊の処理を施すことなく実機に利用でき、最終的な検査効率を向上させることができる。

また、上記のはんだボールの半導体製品基板への接合状態検査システムは、はんだボール搭載基板を基台本体に保持した状態でその上から耐熱性薄膜を被覆し、その状態で、はんだボール搭載基板面の凹凸部分全体について負圧吸引手段により耐熱性薄膜を密着状に負圧圧着させる基台装置を有する構成であるから、単に耐熱性薄膜を台本体上に載置させ、負圧吸引させるだけで基板上の各はんだボールと耐熱性薄膜との間の隙間をなくすように薄膜を基板及び各はんだボール表面全体にわたって密着させることができ、熱伝導性確保とともに熱拡散を防止して赤外線エネルギー放射効率を向上させることができる。

また、基台装置は、はんだボール搭載基板面全体を覆うように耐熱性薄膜を載置させた状態で基台本体４６とはんだボール搭載基板との間の隙間を介して負圧駆動源によりはんだボール搭載基板面の凹凸部分全体について耐熱性薄膜を密着状に負圧圧着させる基台内吸引経路を有する構成とすることにより、単に耐熱性薄膜を台本体上に載置させ、負圧吸引させるだけで基板上の各はんだボールと耐熱性薄膜との間の隙間をなくすように薄膜を基板及び各はんだボール表面全体にわたって実効的に密着させることができる。

また、基台内吸引経路は、耐熱性薄膜をはんだボール搭載基板面に載置させた状態で、該耐熱性薄膜とはんだボール搭載基板面との隙間に連通するように設けられた構成であるから、単に耐熱性薄膜を台本体上に載置させ、負圧吸引させるだけで基板上の各はんだボールと耐熱性薄膜との間の隙間をなくすように薄膜を基板及び各はんだボール表面全体にわたって実効的に密着させることができる。

また、基台本体に半導体製品基板を保持させた状態ではんだボール搭載基板全体をその内側に収容させるように環状の気密部材を基台本体から上方に突設させた構成であるから、単に耐熱性薄膜を台本体上に載置させ、負圧吸引させるだけで基板上の各はんだボールと耐熱性薄膜との間の隙間をなくすように薄膜を基板及び各はんだボール表面全体にわたって実効的に密着させることができる。

また、耐熱性薄膜の膜厚が０．０２ｍｍ〜０．１ｍｍであるとすることにより、薄膜内でのはんだボールや基板からの熱拡散を防止しつつ良好な熱伝導性、伸縮性を確保しうる。

また、耐熱性薄膜が少なくとも９０℃に耐えうる耐熱特性を有する構成とすることにより、至近距離での急速加熱を前提とした赤外線エネルギー放射特性向上のための処理を連続続行できる。

以下、添付図面を参照しつつ本発明を実施するための最良の形態について説明する。図１ないし図６は、本発明の実施形態を示しており、図１は、本発明の実施形態に係るはんだボールの半導体製品基板への接合状態検査システム１０の構成図である。なお、はんだボールの半導体製品基板への接合状態検査方法についても合わせて説明する。

実施形態のはんだボールの半導体製品基板への接合状態検査システム（以下、「接合状態検査システム」という。）１０は、加熱装置１２と、冷却装置１４と、検出装置１６と、制御判定装置１８と、着脱式赤外線高放射生成装置１３と、を含む。

はんだボールは、ＢＧＡ型パッケージやＣＳＰ型パッケージ等のはんだボール搭載半導体製品の基板電極部とのはんだ接合工程において生じる例えば０．６ｍｍ程度の径のボール状の合金接合部である。図１では、図示しないＸ−Ｙテーブルにより移動されるトレイ２０上に位置決めされた状態ではんだボール搭載面Ｈを上にしてＢＧＡ型パッケージやＣＳＰ型パッケージ等の検査対象製品２２（以下、「製品」という。）が配置されている。製品２２のはんだボール搭載面Ｈ側には多数のはんだボール２４が形成されて存在する。

実施形態において、加熱装置１２は、はんだボール搭載半導体製品のはんだボール搭載面を加熱する、検査対象の集積回路装置基板の第１の温度場形成手段である加熱手段であり、本実施形態において、例えば検査対象の基板のボール搭載面へ熱風を吹き付ける熱風送風機から構成されている。熱風送風機は図示しない空気を供給するファンと検査対象の基板のボール搭載面に対して熱風を吹き付けるように案内する吹出口２６と、吹出口から吹出す前に空気を加熱するヒータ２８と、を備えている。吹出口と製品基板はんだボール搭載面とは例えば７ｃｍ程度の至近距離であり、直接にはんだボール搭載面のみを加熱して加熱機能を効果的に生じさせる。また、熱応答速度が速く、各はんだボールと基板電極部分の接合状態の検査を短時間で行える。製品利用の関係から、加熱装置による加熱はんだボールが融解しない程度の温度、例えば６０℃〜１５０℃の範囲で検査対象を加熱するのが好ましい。より好適には、７０℃〜８０℃の範囲に加熱するとよい。加熱装置１２による加熱時間は１．０秒以上、６０秒以下の範囲で行うのが望ましい。加熱時間が１．０秒以下の場合は、はんだボールの加熱が不十分となり６０秒以上の場合は、はんだボール近傍の基板を熱しすぎ、検査時間を要するために好ましくない。その加熱時間は制御装置３２により０．１〜５秒以内に制御されている。この加熱手段としては、熱風送風の他、例えば赤外線ランプその他の熱線照射ランプなどを用いることができる。

冷却装置１４は、加熱装置により加熱されたはんだボール搭載基板面を冷却するところの検査対象の集積回路装置基板の第２の温度場形成手段である冷却手段であり、例えば検査対象の基板のボール搭載面へ圧縮空気または低温空気を吹き付ける冷風吹き付け装置から構成されている。冷風吹き付け装置は図示しないポンプやファンなどの冷風空気の供給駆動源と、検査対象の基板のボール搭載面に対して冷却用空気を吹き付けるように案内する冷却用空気吹出口３０と、を備えている。吹出口３０と製品基板はんだボール搭載面Ｈとは例えば７ｃｍ程度の至近距離であり、直接にはんだボール搭載面のみを冷却して冷却機能を効果的に生じさせる。冷却装置１４による冷却時間は０．１秒〜２秒の範囲で行うのが望ましい。冷却時間が０．１秒以下の場合は、はんだボールおよびはんだボール近傍の基板の冷却が不十分となり、２秒以上でははんだボール及びはんだボール近傍の基板を冷却し過ぎ、良否判定が困難となるため好ましくない。

加熱時間および冷却時間は後述の良否判定工程における正確さや精度を左右し得る要素であり、例えば上記の範囲以外に設定すると、それらを低下させる原因となる。なお、本実施形態では、冷却装置１４を冷風吹き付け装置から構成しているので、冷却手段に水または低温媒体のような冷媒を必要とせず、したがって、広範囲の設置面積を必要とすることなく廉価なはんだボール接合状態検査システムを提供し得る。

検出装置１６は、加熱装置による加熱に引き続いて冷却装置により冷却中のはんだボール及びはんだボール近傍の基板上の赤外線を検出する赤外線検出手段であり、例えば赤外線センサが用いられる。赤外線検出装置１６は、測定対象物から放射される赤外線エネルギーを検出し、その熱エネルギー分布を基に温度分布を計測する手段であり、画像処理による赤外線エネルギー分布をディスプレイ上に表示させて観測可能としてもよい。本実施形態において、検出装置１６は、赤外線サーモグラフィのように赤外線エネルギーを定量的に温度分布に変換して温度分布を計測する装置から構成されている。検出装置１６は、冷却装置１４に機構的に一体に組み込まれている。しかしながら、別体により独立して移動可能としても良い。

制御判定装置１８は、赤外線検出手段１６により検出した赤外線量に基づくエネルギー分布データを基に温度分布を計測し、その温度分布状態からはんだボールの基板への接合状態の良否を判定する良否判定手段であり、本実施形態において、コンピュータからなる制御装置３２と、判定結果表示用のディスプレイ装置３４と、を含む。ディスプレイ装置３４は、検査対象製品の識別管理、その他の検査管理画面表示用にも用いられる。制御装置３２は、加熱装置１２、冷却装置１４、赤外線センサ１６、ディスプレイ装置３４、さらには後述する着脱式赤外線高放射生成装置１３等の機器に対して有線あるいは無線を介してこれらを制御可能に接続されておりそれらの機能を達成する上で必要な物理量を演算処理して動きや機能全体を司る。特に、赤外線センサ１６で取得されたエネルギーデータを処理して温度データを計測生成し、それを用いた判定結果をディスプレイ装置３４に表示させる。

本発明において、特徴的なことは加熱工程においてはんだボール搭載基板面Ｈを加熱後、冷却装置１４により冷却させる前にはんだボール搭載基板面Ｈからの赤外線放射率特性を向上させる着脱式赤外線高放射生成装置１３を配置させたことである。着脱式赤外線高放射生成装置１３は、はんだボール搭載基板面Ｈに着脱自在に被覆される耐熱性薄膜３８を含む。

図において、着脱式赤外線高放射生成装置１３は、はんだボール搭載基板面Ｈからの赤外線放射量を高いレベルにさせ、得られる赤外線データによる最終的な温度分布データがはんだボールの接合状態の良否を高精度に反映させるようにする。すなわち、一般にはんだボール搭載半導体製品のはんだボール接合状態の良否を、放射される赤外線の検出に基づくデータにより行う場合に、赤外線センサで被検体を測定するだけでは接合状態の高精度の判定に充分な分布画像を生成させることは困難である。一般には、次式（１）のように、黒体放射の赤外線エネルギーに各々の物体のエネルギー放射率を加味した赤外線エネルギーがそれぞれの物体から放射されると考えられている。

■ただし、Ｗ＝赤外線エネルギー、ε＝放射率、δ＝定数、Ｔ＝絶対温度。放射率（ε）は、（物体放射エネルギー）÷（黒体放射エネルギー）で定義される。

そして、この放射率特性のうちで、物体の表面が粗いほど放射率は大きく、鏡面では小さいとされている。このため、鏡面状態の表面を有するはんだボールを多数含むはんだボール搭載基板面Ｈからの赤外線エネルギーレベルは低く、したがって、得られる温度分布データから良好な精度で良否判定を行うことが困難である。

本実施形態においては、加熱工程においてはんだボール搭載基板面を加熱後、冷却させる前に、着脱式赤外線高放射生成装置１３によりはんだボール搭載基板面Ｈからの赤外線エネルギーの放射率特性を向上させた状態として冷却し、その状態で赤外線エネルギーデータを取得するようにしているので、はんだボール接合部のクラックや空洞部の存在を高精度に検出することが可能となる。

図２において、着脱式赤外線高放射生成装置１３は、耐熱性薄膜３８と、基台装置４０と、負圧吸引装置４２と、を含む。基台装置４０は加熱装置の加熱工程ではんだボール搭載基板面を加熱された製品基板２２Ａを受け取り、Ｘ−Ｙテーブル４４上に載置されて縦横に移動可能とされている。

基台装置４０は、半導体製品基板２２Ａを保持し、その上から耐熱性薄膜３８を被覆して該耐熱性薄膜３８をそのはんだボール搭載基板面Ｈへ負圧圧着させ、その状態で冷却装置１４によるはんだボール搭載基板面Ｈの冷却、ならびにその後のはんだボール搭載基板面Ｈからの耐熱性薄膜３８の離脱を行わせる手段である。本実施形態において、該基台装置４０は、上端部に平面を有する直方体状の台本体４６と、その上面中央位置に凹設した検査対象の製品基板２２Ａを位置決めして配置させるための凹部４８と、を備えている。台本体４６の凹部の底壁の材質は断熱材で構成されており、はんだボール搭載基板からの熱拡散を防止している。なお、台本体４６の凹部は製品基板２２Ａの固定用に粘着または吸着面を有している。また、図５に示すように、台本体４６の上面であって、凹部４８内に配置された製品基板２２Ａを内側にして囲むように気密部材５０としてのゴム製の環状パッキンが基台本体４６の上面から一部を上方に突設させて埋め込み状に配置されている。気密部材５０は、製品基板２２Ａ全体を覆うように上面に耐熱性薄膜３８を被覆させた状態で製品基板２２Ａの下面側から負圧吸引すると大きな摩擦係数の耐熱性薄膜３８が気密部材５０との接触位置で密着し、各はんだボール間の間隙を含む空隙全体を気密部材でその外部から仕切って、負圧化させるための負圧手段である。なお気密部材の上に耐熱性薄膜を載せ、さらにその上から押さえ部材を用いて挟みつけるようにして気密を保持させるようにしてもよい。

さらに、基台装置４０は、基台内吸引経路５２を有する。基台内吸引経路５２は、はんだボール搭載基板面Ｈ全体を覆うように耐熱性薄膜を載置させた状態ではんだボール搭載基板面Ｈの上に耐熱性薄膜を密着状に負圧圧着させる基台の負圧吸引経路であり、図３において、凹部４８内に製品基板２２Ａを配置させた状態で該凹部４８の壁面４８Ａと製品基板２２Ａの外形輪郭との間に設けられた１個または複数の隙間５４と、隙間５４に連通して製品基板２２Ａの下面側すなわち凹部４８の底壁に４個凹設形成された中間通路５６と、凹部４８の底壁の中心に穿孔された凹部孔５８から外部の吸引ホース６０に連通するよう台本体内に形成された台通路６２と、を含む。環状パッキン５０より大きな耐熱性薄膜３８を上から被せて、外部吸引ホース６０に接続した吸引駆動手段としての例えば真空ポンプからなる負圧吸引装置４２を駆動させると、基台内吸引経路５２の隙間５４は真空ポンプによる負圧吸引ルートに連通するとともに、図６に示す耐熱性薄膜３８と各はんだボール２４との間の空隙Ｇにも連通しているので、負圧吸引力で空隙内の空気を吸引することにより耐熱性薄膜３８と各はんだボール２４との密着性を向上させる。すなわち、基台内吸引経路５２は、はんだボール搭載基板面Ｈ全体を覆うように耐熱性薄膜３８を載置させた状態で基台本体４６とはんだボール搭載基板２２Ａとの間の隙間５４を介して負圧駆動源４２によりはんだボール搭載基板面Ｈの凹凸部分全体について耐熱性薄膜３８を密着状に負圧圧着させる。これによって、はんだボール表面からの赤外線エネルギーを耐熱性薄膜３８により効率よく伝導させ、外部へ放射させることができる。

耐熱性薄膜３８は、はんだボール搭載基板面Ｈを着脱自在に被覆し、加熱後に赤外線高放射率状態を生成させる際にははんだボール搭載基板面Ｈを被覆して負圧密着するとともに、その状態で冷却装置により冷却し、同時に赤外線センサ等の赤外線検出装置１６により赤外線エネルギーデータを取得後は、基板面Ｈから離脱して検査後の検査対象製品２２に何らの処理を加えることなく製品として使用可能とさせる着脱式赤外線高放射生成装置の一要素である。耐熱性薄膜３８は、耐熱性とともにある程度の伸縮性を有する合成樹脂、合成繊維、合成ゴム製薄膜の極薄フィルム状素材で形成される。耐熱性薄膜３８は、所定の厚みを有する高分子薄膜であり、耐熱性のほかに柔軟性、ゴム弾性を有するのがこのましい。耐熱性薄膜３８の素材としての例えば合成樹脂としては、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂のいずれについても選択できる。熱硬化性樹脂としては、例えばフェノール樹脂、メラミン樹脂、エポキシ樹脂、シリコン樹脂、アルキド樹脂、ポリウレタン樹脂などが挙げられる。また、熱可塑性樹脂としては、ポリエチレン樹脂、ポリスチレン樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリプロピレン、塩化ビニル樹脂、メタクリル樹脂、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリイミド、ポリアクリロニトリル、フッ素樹脂、熱可塑性エラストマー、その他がある。また、合成ゴムとして、ブタジエンゴム、クロロプレンゴム、スチレンーブタジエンゴム、アクリロニトリルーブタジエンゴム、フッ素ゴム、シリコーンゴムなどがある。また、これらのゴムからなる有機高分子を主成分とする耐熱弾性フィルムで構成するとよい。より好ましくは、例えばシリコンゴム、ポリウレタンゴム、ゴム系有機フィルム等を用いると良い。耐熱性薄膜３８は、加熱装置により加熱されて検査対象の温度が例えば８０℃以下程度となるように設定されるので、少なくとも９０℃に耐え得る耐熱特性を有する素材であるとよい。より詳しくは、８０℃程度の温度に耐え得る素材であるとよい。また、伸縮性として引っ張り強さが９．８（ＭＰａ）程度であればよい。また、薄膜の厚さは、伸縮性並びに熱成分の伝導性に関わり、例えば薄膜の厚さは０．０２ｍｍ〜０．１ｍｍの範囲が望ましく、より好ましくは０．０２ｍｍ〜０．０５ｍｍの範囲であるとよい。また、熱伝導性は、０．１Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上が望ましい。

次に、図７〜図１１を加えて参照しつつ、実施形態の装置の作用とともに、本発明のはんだボールの半導体製品基板への接合状態検査方法を説明する。基板２２Ａにはんだボール２４が搭載された検査対象半導体製品２２が、はんだボール搭載面Ｈを上面にし断熱材で構成された台本体４６の凹部４８に設置された状態で加熱装置箇所まで搬送される。図１において、加熱装置から吹出口温度１８０℃以上で検査対象の製品基板２２Ａまでの距離を７ｃｍ程度に設定して熱風を基板のはんだボール搭載面Ｈに向けて吹き付け加熱する。はんだボール基板が８０℃程度に上昇したら、着脱式赤外線高放射生成装置１３の基台本体４６の凹部４８の所定位置決め部位に該製品２２を載置し、その状態から図１の薄膜上下動機構６４を介して耐熱性薄膜３８を上下に面を向けるように把持した状態で下降させ、台本体４６の上面に載置させる（図３参照）。薄膜上下動機構６４では、例えば、耐熱性薄膜３８を把持して水平上に展開した状態で上下駆動させる。このとき、耐熱性薄膜３８は、環状パッキン５０よりも広い面積で環状パッキンの外形より大きな外形輪郭で覆っている。この状態で負圧吸引装置４２としての真空ポンプを駆動し、負圧吸引すると、凹部に載置された基板２２Ａの上面は台本体４６の上面と略同一面となっているので、負圧力は、空隙Ｐの空気を吸引して耐熱性薄膜３８を台本体上面に密着させる。このとき、図４の破線示のように、基板の隅部と凹部の隅部との隙間５４からＰおよび空隙Ｇの空気は流入し、中間通路５６、凹部孔５８、台通路６２の経路で吸引駆動源側に吸引される。さらにこの負圧力は、図６の耐熱性薄膜３８と各はんだボール２４との間の空隙Ｇにも加わって、図６（ｂ）のように各はんだボール２４の表面の略全体にわたって耐熱性薄膜３８が密着する。この状態のままではんだボール搭載半導体製品は冷却装置箇所まで搬送される。そして、冷却装置１４により、例えば吹出口温度を１０℃以下に設定した低温空気を加熱面と同じ面に吹き出すと、瞬間的な温度変化が起こり、この温度変化に対応する赤外線エネルギー量を赤外線センサで検出する。はんだボール搭載半導体製品は、はんだボール搭載面Ｈを冷却装置１４による冷却直前から冷却終了まで、赤外線検出装置としての赤外線センサがはんだボール搭載面のはんだボール２４上およびその周囲の製品基板２２Ａ上の赤外線エネルギーに対応する温度を測定する。冷却装置１４は制御判定装置１８により冷却時間として０．１〜１．０秒以内に測定時間が制御されている。また赤外線検出装置１６は制御判定装置１８により冷却装置１４による冷却開始直前から冷却終了までの間はんだボール２４と製品基板２２Ａ上の温度を検出するように測定時間が制御されている。冷却開始直前から冷却終了までのはんだボール２４およびはんだボール近辺の製品基板２２Ａ上の温度は、赤外線検出装置１６から制御判定装置１８へ転送される。また、この時のはんだボール近辺の製品基板２２Ａ上の温度は、隣り合うはんだボール間の中央を測定する。そして、赤外線検出装置１６から転送されるデータは制御判定装置１８の制御装置３２においてエネルギー分布データから温度分布データに変換され、それに基づく判定結果信号をディスプレイ装置３４に送信し、はんだボールを含む各製品基板２２Ａの赤外線エネルギーの分布によるはんだボール接合部の高精度の良否判定を短時間で実現させる。はんだボール接合部にクラックや空洞部が存在する場合には、その部分の熱伝導率は低く、周囲の温度に比べて局部的にそれらの欠陥部の表面温度は高く現れるが、加熱に引き続き、加熱直後に冷却すると、接合不良部を有するボールでは、温度は低く現れる。

詳細には、図１において、赤外線検出装置１６により検出された冷却開始直前から冷却終了までのはんだボール搭載面のはんだボール２４近傍の製品基板２２Ａ上の温度の赤外線情報は、検出と同時に赤外線検出装置１６から制御判定装置１８に自動転送される。良否判定は、図７、８に示すように、加熱手段により加熱されたはんだボール搭載製品基板の接合良好なはんだボール２４１は、はんだボールから基板への大きな熱移動８２が起こる。一方、接合不良はんだボール２４３では、はんだボールから製品基板２２Ａへの小さな熱移動８４が起こり、さらに欠陥部分（はんだボールと基板電極間の接合不良部）８３で製品基板２２Ａへ伝わらなかった熱移動８６が起こるため、はんだボール自身に熱が溜まる。さらに、冷却では図８に示すように、はんだボール２４の場合、その電極部２５を介して下層からはんだボールへの大きな熱移動８８があるため、接合良好ハンダボール２４１上の温度は冷却による熱の移動９０があっても接合良好はんだボール２４１上の温度はある一定以上の温度を保持する。しかし、接合不良はんだボール２４３の場合、電極部２５を介して下層から接合不良はんだボール２４３への小さな熱移動９２しか起こらないため、接合不良はんだボール２４３上の温度は冷却による熱移動９０が起こった後、はんだボール２４上の温度はある一定以下の温度まで下がる。また、各はんだボール近辺の半導体基板２２Ａ上の温度は、各はんだボール上の温度と異なるが同程度の加熱及び冷却が行われており、各はんだボール近傍の半導体基板２２Ａ上の温度で各はんだボール上の温度を除した値（無次元化温度）を利用することで、サンプル内の温度偏りの影響を排除できる。なお、図７、８中、８０は加熱手段により与えられたはんだボールへの熱移動、８１は加熱手段により与えられた基板への熱移動、８３ははんだボールと基板電極間の接合不良部、８５は冷却手段により奪われた基板からの熱移動である。

以下に、良否判定手順を示す。図９に示すように、処理１で冷却終了時、または冷却直前と冷却終了時の各はんだボール上と各はんだボール近辺の製品基板２２Ａ上温度を抽出する。次に、処理２では各はんだボール上の温度を各はんだボール近辺の製品基板２２Ａ上の温度で除し、無次元化温度を算出する。最後に処理３では、処理２で得られた無次元化温度を予め設定した基準値と比較し良否判定を行う。図１０、図１１は、ボールの番号を横軸に、冷却開始と冷却終了時の各はんだボールと各はんだボール近辺の製品基板２２Ａ上の温度比または温度比の差を縦軸にしたグラフである。

良否判定方法としては、図１０に示すように冷却終了時の無次元化温度を使用する場合は、接合状態良好のはんだボールの無次元化温度９４は予め設定した値９６より高い値を示し、接合状態不良のはんだボールの無次元化温度９８は予め設定した値１００より低い値を示す。また図１１に示すように冷却開始時と冷却終了時の無次元化温度差を使用する場合は、接合状態良好のはんだボールの無次元化温度１０２は予め設定した値１０４より低い値を示し、接合状態不良のはんだボールの無次元化温度１０６は予め設定した値１０８より高い値を示す。従って温度の偏りによる影響を受けることなく接合状態の良否判定ができ、さらに事前にはんだボールへ番号をつけていれば、どの箇所のはんだボールが不良状態であるかの確認が容易に検出できる。

冷却終了時の無次元化温度を使用する場合は、接合状態良好はんだボールの無次元化温度９４は１．０に近い値を示し、接合状態不良はんだボールの無次元化温度９８は０．９５以下の値を示す。従って、予め設定した値を１．０〜０．９５の間で決定し、予め設定した値より大きい場合は接合良好はんだボール、小さい場合は接合不良はんだボールと判定する。

前記の良否判定から接合良好製品と判定された製品は接合良好製品箇所へ、また接合不良製品と判定された製品は接合不良製品箇所へ排出される。

以上説明したように、本発明のはんだボールの半導体製品基板への接合状態検査方法及びその検査システムにおいては、はんだボール搭載基板面を加熱手段で加熱し、加熱されたはんだボール搭載基板面を冷却手段で冷却する前にはんだボール搭載基板面に着脱自在に被覆される耐熱性薄膜を含む着脱式赤外線高放射生成手段による操作を行うので、はんだボールの赤外線エネルギー量によるエネルギー分布画像によるはんだボールの接合部の良否判定を高精度におこなえるとともに、塗料の塗布の際の検査終了後の剥離作業等を伴うことなく、検査効率を向上させることができる。

はんだボール搭載面においてボールのはんだ部の接合状態が良好なものと不良のものとを隣接位置に１対配置したものを３組形成した試料製品を用意し、これを上記の基台装置４０の凹部４８にセットし、熱風を当てて加熱後、圧縮空気を当てて冷却しながら、赤外線カメラにより耐熱性薄膜を被覆しない鏡面状態の場合と、耐熱性薄膜を被覆密着させた状態の場合のそれぞれについて、良品、不良品それぞれの３組の試料はんだボール上温度と、基板上の温度を冷却開始から冷却後について温度変化を計測した。図１２〜図１４は試料製品について耐熱性薄膜を使用しない鏡面状の表面を有する状態で行った比較例計測値グラフ、並びに図１５〜図１７は、耐熱性薄膜をはんだボール搭載面に被覆し、負圧吸着によりはんだボール搭載面上全体に耐熱性薄膜を被着させた状態で行った実施例計測値グラフを示す。

［計測機器］
加熱時の熱風発生器の仕様
加熱温度：吹出口から１２０℃以上の熱風を発生させ加熱させることができる機能を有し、被検体表面を５秒以内で８０℃以上に熱することができる機能を有する。定格流量：１００Ｌ／分。口径・距離：被検体全体を偏りなく加熱できる口径・距離を有する。吹出口から被検体までの距離は４ｃｍ程度に設定した。
冷却時の冷却機器の仕様
圧力：０．５ＭＰａ以上の圧力を維持することができるコンプレッサで、外気をそのまま圧縮した空気を冷却に使用した。吹出口：赤外線カメラ視野範囲を一度に冷却できる形状のもので、赤外線カメラ視野内で冷却の偏りができない程度まで離した位置に設定して行った。被検体からの距離は１ｃｍ程度に設定した。
赤外線カメラ
検出波長：８〜１４μｍ
検出温度範囲：少なくとも２０〜１５０℃を検出可能なものを用いた。
設置条件：被検体からレンズまで５．６ｃｍ（固定）、視野範囲、２５６（縦）×３２４（横）、空間分解能が少なくとも０．１ｍｍ（１画素あたり）のものを用いた。
被検体試料製品は、ボール数４００個程度の製品を用い、赤外線カメラの１視野に収まるものを対象としている。
［計測手順］
吹出口温度１２０℃で５秒間、被検体表面から熱風吹き付け加熱を行い、耐熱性薄膜を被覆させて冷却、計測位置まで搬送し、減圧ポンプを駆動させて耐熱性薄膜を吸引密着させた状態で圧力が一定値以下になったら、吸引をし続けたままの状態で温度計測を行った。比較例は０．６秒間、実施例は０．４秒間冷却し、冷却終了後所要時間にわたって冷却開始からの時間帯で３個のボールと、基板全体についてそれぞれの温度計測を行った。
［グラフによる評価］
この実施例で接合良品ボールの検出温度が概して不良品ボールのそれより高く現れている。図１２〜図１４の比較例計測値では、検出による温度領域が３２℃〜３６℃程度であるのに対し、実施例計測値では、６８℃〜７８℃程度の領域で検出しており、赤外線エネルギーレベルと表面温度との相関より、耐熱性薄膜使用による場合に大きな赤外線放射率向上があったことが分かる。図１２〜図１４の比較例試料製品では、良品ボールと不良品ボールの検出温度差の変化が大きく、大きなバラツキがあったり、誤測定と想定される温度の反転状態が見られる部分が存在するのに対し、図１５〜図１７の実施例試料製品では良品ボールと不良品ボールの検出温度差は極めて緩やかな変化となって、ほぼ一定差で推移している。これによって、検出温度領域が高くなることも相まって、接合良、不良検出分解能が向上し、高精度に良否判定を行えることが理解される。すなわち、はんだボール搭載製品のボール搭載面を加熱直後に冷却する際に、加熱後に実施例のように、耐熱性薄膜を被着させた状態で冷却しその際のボール搭載面側の温度変化を検出することにより、その検出データを基にして所要の基準値を設定し、それとの比較によりボール接合部分の良否を高精度に判定する。複数のはんだボール搭載製品の判定処理を行う場合には、上記の実施形態の加熱工程、耐熱性薄膜の着脱工程、冷却工程、検出工程について各装置を並列配置させて、工程を進めるように同時に移動させるようにすることができる。

本発明の１実施形態に係るはんだボールの半導体製品基板への接合状態検査システムの全体構成説明図である。 図１の基台装置の縦断面説明図である。 図２の基台装置の要部の拡大縦断面説明図である。 図３の基台装置の凹部の拡大斜視説明図である。 図３の基台装置の台本体の平面説明図である。 （ａ）、（ｂ）は、凹部に載置した製品基板上に耐熱性薄膜を被覆して負圧吸引する際の作用説明図である。 熱エネルギーの移動を示す作用説明図である。 熱エネルギーの移動を示す作用説明図である。 良否判定の手順を示したフローチャート図である。 冷却終了時の無次元化温度を例示した図である。 冷却直前と冷却終了時の無次元化温度差を例示した図である。 耐熱性薄膜を使用しない鏡面状の表面を有する状態で行った比較例計測値グラフ図である。 耐熱性薄膜を使用しない鏡面状の表面を有する状態で行った比較例計測値グラフ図である。 耐熱性薄膜を使用しない鏡面状の表面を有する状態で行った比較例計測値グラフ図である。 耐熱性薄膜をはんだボール搭載面に被覆し、負圧吸着によりはんだボール搭載面上全体に耐熱性薄膜を被着させた状態で行った実施例計測値グラフ図である。 耐熱性薄膜をはんだボール搭載面に被覆し、負圧吸着によりはんだボール搭載面上全体に耐熱性薄膜を被着させた状態で行った実施例計測値グラフ図である。 耐熱性薄膜をはんだボール搭載面に被覆し、負圧吸着によりはんだボール搭載面上全体に耐熱性薄膜を被着させた状態で行った実施例計測値グラフ図である。

符号の説明

１０ はんだボールの半導体製品基板への接合状態検査システム
１２ 加熱装置
１３ 着脱式赤外線高放射生成装置
１４ 冷却装置
１６ 検出装置
１８ 制御判定装置
２２ 検査対象製品
２２Ａ 製品基板
２４ はんだボール
２４１ 接合良好はんだボール
２４３ 接合不良はんだボール
３２ 制御装置
３４ ディスプレイ装置
３６ 着脱式赤外線高放射生成装置
３８ 耐熱性薄膜
４０ 基台装置
４２ 負圧吸引装置
４６ 台本体
４８ 凹部
５０ 環状パッキン
５２ 基台内吸引経路
５４ 隙間
Ｈ はんだボール搭載面
Ｇ 耐熱性薄膜と各はんだボールとの間の空隙

Claims (8)

1. 半導体製品基板に形成されたはんだボールの製品基板への接合状態検査方法であり、
   はんだボール搭載基板面を加熱する加熱工程と、
   加熱されたはんだボール搭載基板面を冷却する冷却工程と、
   冷却中のはんだボール及びはんだボール近傍の基板上の赤外線を検出する検出工程と、
   検出した赤外線量に基づく熱エネルギー分布データによりはんだボールの基板への接合状態の良否を判定する良否判定工程と、を含み、
   加熱工程においてはんだボール搭載基板面を加熱後、冷却工程に移行する前に、耐熱性の薄膜からなる赤外線高放射率媒体をはんだボール搭載基板面に着脱自在に被覆し負圧圧着させる工程を備えたことを特徴とするはんだボールの半導体製品基板への接合状態検査方法。
2. 半導体製品基板に形成されたはんだボールの製品基板への接合状態検査システムであり、
   はんだボール搭載基板面を加熱する加熱手段と、
   加熱されたはんだボール搭載基板面を冷却する冷却手段と、
   冷却中のはんだボール及びはんだボール近傍の基板上の赤外線を検出する検出手段と、
   検出した赤外線量に基づく熱エネルギー分布データによりはんだボールの基板への接合状態の良否を判定する良否判定手段と、を含み、
   加熱工程においてはんだボール搭載基板面を加熱後、冷却させる前に、はんだボール搭載基板面に着脱自在に被覆される耐熱性薄膜を含む着脱式赤外線高放射生成手段と、を備えたことを特徴とするはんだボールの半導体製品基板への接合状態検査システム。
3. はんだボール搭載基板を基台本体に保持した状態でその上から耐熱性薄膜を被覆し、その状態で、はんだボール搭載基板面の凹凸部分全体について負圧吸引手段により耐熱性薄膜を密着状に負圧圧着させる基台装置を有することを特徴とする請求項２記載のはんだボールの半導体製品基板への接合状態検査システム。
4. 基台装置は、はんだボール搭載基板面全体を覆うように耐熱性薄膜を載置させた状態で基台本体４６とはんだボール搭載基板との間の隙間を介して負圧駆動源によりはんだボール搭載基板面の凹凸部分全体について耐熱性薄膜を密着状に負圧圧着させる基台内吸引経路を有することを特徴とする請求項２または３記載のはんだボールの半導体製品基板への接合状態検査システム。
5. 基台内吸引経路は、耐熱性薄膜をはんだボール搭載基板面に載置させた状態で、該耐熱性薄膜とはんだボール搭載基板面との隙間に連通するように設けられていることを特徴とする請求項４記載のはんだボールの半導体製品基板への接合状態検査システム。
6. 基台本体に半導体製品基板を保持させた状態ではんだボール搭載基板全体をその内側に収容させるように環状の気密部材を基台本体から上方に突設させたことを特徴とする請求項２ないし５のいずれかに記載のはんだボールの半導体製品基板への接合状態検査システム。
7. 耐熱性薄膜の膜厚が０．０２ｍｍ〜０．１ｍｍであることを特徴とする請求項２ないし６のいずれかに記載のはんだボールの半導体製品基板への接合状態検査システム。
8. 耐熱性薄膜が少なくとも９０℃に耐えうる耐熱特性を有することを特徴とする請求項２ないし７のいずれかに記載のはんだボールの半導体製品基板への接合状態検査システム。
   

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