JP2024007290A - 外観検査装置および外観検査方法 - Google Patents

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Abstract

Figure 2024007290000001
【課題】リッド変形が検査可能な技術を提供することにある。
【解決手段】外観検査装置は、リッドを有する半導体装置が載置されるステージと、前記ステージの上方に設けられるカメラと、前記カメラと前記ステージとの間に設けられる同軸照明装置と、前記カメラと前記ステージとの間に設けられる斜光照明装置と、制御装置と、を備える。前記制御装置は、前記同軸照明装置および前記斜光照明装置により前記半導体装置に照明光を照射すると共に、前記カメラにより前記半導体装置を撮影して画像を取得し、当該画像の二値化処理により所定画素値の画素数を積算して判定値を取得し、前記判定値を所定値と比較して良品または不良品を判定するよう構成される。
【選択図】図３

Description

本開示は外観検査装置に関し、例えば、リッドを有する半導体パッケージの外観検査装置に適用可能である。
ＦＣＢＧＡ（Flip Chip Ball Grid Array）タイプの半導体パッケージでは、配線基板上に搭載された半導体チップをリッド（Lid：蓋材）と呼ばれるカバーで覆い、半導体チップとリッドとを放熱ペースト等を介して接触させることにより放熱板として機能させるものがある（例えば、特開２０１１－１４６４１５号公報）。
特開２０１１－１４６４１５号公報
例えば、半導体パッケージの完成後、検査工程において、半導体パッケージを押さえることがある。このとき、リッド変形が発生することがある。
その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付の図面から明らかになるであろう。
本開示のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば下記の通りである。すなわち、外観検査装置は、リッドを有する半導体装置が載置されるステージと、前記ステージの上方に設けられるカメラと、前記カメラと前記ステージとの間に設けられる同軸照明装置と、前記カメラと前記ステージとの間に設けられる斜光照明装置と、制御装置と、を備える。前記制御装置は、前記同軸照明装置および前記斜光照明装置により前記半導体装置に照明光を照射すると共に、前記カメラにより前記半導体装置を撮影して画像を取得し、当該画像の二値化処理により所定画素値の画素数を積算して判定値を取得し、前記判定値を所定値と比較して良品または不良品を判定するよう構成される。
本開示によれば、リッド変形を検査することが可能になる。
図１はＦＣＢＧＡタイプの半導体パッケージの構造の概略を示す断面図である。 図２は図1に示すリッドの変形を示す図である。 図３は実施形態における外観検査装置の概略構成を示す図である。 図４はリッド変形を有する半導体パッケージの撮影画像のイメージ図である。 図５は図４に示す画像のヒストグラムのイメージ図である。 図６は図４に示す画像を二値化処理した画像のイメージ図である。
以下、実施形態について、図面を用いて説明する。ただし、以下の説明において、同一構成要素には同一符号を付し繰り返しの説明を省略することがある。なお、図面は説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合がある。また、複数の図面の相互間においても、各要素の寸法の関係、各要素の比率等は必ずしも一致していない。
まず、リッドを有するＦＣＢＧＡタイプの半導体パッケージの構造について図１を用いて説明する。図１はＦＣＢＧＡタイプの半導体パッケージの構造の概略を示す断面図である。
ＦＣＢＧＡタイプの半導体パッケージ（半導体装置）１では、半導体チップ２０はリッド３０と呼ばれるカバーにより覆われている。リッド３０は、例えば銅等の熱伝導性の高い金属材料により形成されている。リッド３０は天井部３０ｂで半導体チップと接着している。また、リッド３０は縁３０ａのみで配線基板１０と接着している。リッドの縁３０ａは配線基板１０と接する外枠部分（フランジ）である。リッド３０を放熱板として機能させるため、例えば、アンダーフィル（ＵＦ）樹脂２１の硬化後、半導体チップ２０の裏面に放熱ペースト２２を塗布する。リッド３０は、例えば、次のようにして配線基板１０に接着される。配線基板１０上に線状に接着剤（リッド接着樹脂）２３を塗布し、接着剤２３を塗布した部分にリッド３０の縁３０ａを接着させ、リッド３０を貼り付け、接着剤２３を硬化（キュア）する。
次に、半導体パッケージ１の問題点について図２を用いて説明する。図２は図1に示すリッドの変形を示す図である。
図１に示すような半導体パッケージ１が完成した後の検査工程、例えば、良品／不良品の選別試験において、図２に示すように、リッド変形が発生することがある。具体的には、選別試験装置の半導体パッケージ１が載置されるソケット等の測定部において製品ずれが発生する場合、半導体パッケージ１を搬送する測定ハンドラ等によって半導体パッケージ１の上面側のリッド３０を押さえることがある。このとき、リッド変形が発生することがある。このリッド変形により、リッド３０の縁３０ａが配線基板１０から所定の高さ以上に変位することがある。このときのリッド３０の縁３０ａが正常に固定されている底面と、変形によりリッド３０の縁３０ａが浮き上がっている下面端部との距離を変形量（ｄ）とする。
次に、上述したリッド変形が検査可能な外観検査装置について図３を用いて説明する。図３は実施形態における外観検査装置の概略構成を示す図である。
外観検査装置１００は、カメラ１１０、第一の照明装置１２０、第二の照明装置１３０、ステージ１４０および制御装置１５０を備える。カメラ１１０は、例えば、ステージ１４０の直上に設置され、垂直下方に視野角を向けて設置される。カメラ１１０は、半導体パッケージ１が視野内に位置するように設置される。照明装置１２０，１３０は、ステージ１４０に載置される半導体パッケージ１をカメラ１１０が撮影可能な明るさにするため、光を照射する。この構成によって、カメラ１１０は、半導体パッケージ１の上面が撮影することができる。カメラ１１０は撮像装置１１１とレンズ１１２とを備える。カメラ１１０は明るさ（光強度）を数値化する。
照明装置１２０はカメラ１１０とステージ１４０との間に配置されている。照明装置１２０は、面発光照明（光源）１２１、ハーフミラー（半透過鏡）１２２と、を備えている。面発光照明１２１からの照射光は、ハーフミラー１２２によってカメラ１１０と同じ光軸で反射され、ステージ１４０の上の半導体パッケージ１に照射される。カメラ１１０と同じ光軸で撮像対象物に照射されたその散乱光は、半導体パッケージ１で反射し、そのうちの正反射光がハーフミラー１２２を透過してカメラ１１０に達し、半導体パッケージ１の映像を形成する。照明装置１２０は同軸落射照明（同軸照明）装置である。
なお、面発光照明１２１の光源色は単色、例えば、青色を用いる。また、光源は出力調整を調整可能なものを用いるのが好ましく、例えば、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）のパルス調光デューティにて光量調節するシステムなどが挙げられる。光源の輝度は、例えば、２５６（０～２５５）階調に調整可能である。
照明装置１３０はカメラ１１０とステージ１４０との間に配置されている。照明装置１３０は斜光バー照明であり、カメラ１１０の光軸に対して所定の角度でステージ１４０の上の半導体パッケージ１に照射される。斜光バー照明は半導体パッケージ１の四辺に対向するよう四つ設けられる。所定の角度は、例えば、４５度±１０度である。
なお、照明装置１３０の光源色は単色、例えば、面発光照明１２１の照明光よりも波長の長い赤色を用いる。また、光源は出力調整を調整可能なものを用いるのが好ましく、例えば、ＬＥＤのパルス調光デューティにて光量調節するシステムなどが挙げられる。光源の輝度は、例えば、２５６（０～２５５）階調に調整可能である。
制御装置１５０は、中央処理装置（ＣＰＵ）と、記憶装置と、入出力装置と、を備える。カメラ１１０で撮像された画像データは、画像取込装置（キャプチャーボード）を介して記憶装置に保存される。記憶装置は、主記憶装置のＲＡＭ（Random Access Memory）やＨＤＤ（Hard Disc Drive）などの補助記憶装置から構成される。記憶装置は外観検査装置１００の上述した各部の動作を制御するプログラム（ソフトウェア）や後述する検査閾値等のデータを格納する。ＣＰＵは主記憶装置に格納されたプログラムを実行する。入出力装置は、タッチパネル、マウス、画像取込装置（キャプチャーボード）、モニタ、モータ制御装置およびＩ／Ｏ信号制御装置等から構成される。
ＣＰＵは、保存された画像データを画像処理する。ＣＰＵは、モータ制御装置、センサやスイッチ制御などからなるＩ／Ｏ信号制御装置を介してステージ１４０のＸＹテーブル等の駆動部および照明装置１２０，１３０を制御する。
リッド変形は半導体パッケージ１の上方からカメラで撮影することにより直接観測することは難しい。そこで、本実施形態では、照明装置１２０，１３０からの照明光によりリッド変形箇所に影を付ける。カメラ１１０により半導体パッケージ１を上方から撮影し、半導体パッケージ１の画像の明暗に基づいてリッド変形を間接的に観測する。
リッド３０の表面は、例えばニッケルメッキされており、照明装置の輝度が大きい（リッド３０の表面の照度が大きい）場合、リッド３０の縁３０ａに変形があっても、縁３０ａの変形箇所とその他の箇所との明暗差が小さくなる。そこで、上記明暗差が大きくなるよう照明装置１２０，１３０の輝度を調整する。半導体パッケージ１に照明光を真上から照射する照明装置１２０の輝度は比較的小さくすることが好ましい。この照明だけでは、照度が不足するので、半導体パッケージ１に照明光を斜めに照射する照明装置１３０の輝度を照明装置１２０の輝度よりも少し大きくするのが好ましい。
照明装置１２０，１３０の設定例を下記に示す。
照明装置１２０の輝度：５～１０（２５６階調）
照明装置１３０の輝度：１５～２０（２５６階調）
半導体パッケージ１の表面の照度：７０～８５（ｌｘ）
ここで、「５～１０」とは「５以上１０以下」を意味する。他の数値範囲についても同様である。
リッド変形の検出方法について図４から図６を用いて説明する。図４はリッド変形を有する半導体パッケージの撮影画像のイメージ図である。図５は図４に示す画像のヒストグラムのイメージ図である。図６は図４に示す画像を二値化処理した画像のイメージ図である。
（画像取得：ステップＳ１０）
制御装置１５０は照明装置１２０，１３０を所定の条件に設定し、照明装置１２０，１３０により照明を照射してカメラ１１０により半導体パッケージ１を上方から撮影して画像を取得する。撮影された画像は、例えば、８ビットのグレースケールデータ（２５６階調））である。撮影された画像は、図４に示すように、変形しているリッド３０の縁３０ａの箇所ＤＦの上面は、変形していない箇所に比べて暗くなる。
（二値化処理：ステップＳ２０）
制御装置１５０はカメラ１１０により撮影した画像を所定の閾値範囲で二値化処理を行う。二値化処理は、ヒストグラム作成（ステップＳ２１）、閾値設定（ステップＳ２２）および二値化（ステップＳ２３）により行われる。
（ステップＳ２１）
制御装置１５０はこの閾値を設定するため、図５に示すヒストグラムを作成する。横軸は画素値（明るさを示す階調であり、大きいほど明るい）、縦軸は出現画素数である。出現画素数が多い領域（Ａ）は、リッド３０のうちリッド変形がない箇所である。Ａより画素値が小さい側に、若干出現画素数が多い領域（Ｂ）がある。Ｂはリッド３０のうち変形がある箇所である。Ｂより画素値が小さい側に出現画素数が小さい領域（Ｃ）がある。また、Ａより画素値が大きい側に出現画素数が小さい領域（Ｄ）がある。
（ステップＳ２２）
制御装置１５０は領域（Ａ）と領域（Ｂ）との境界に第一の閾値（Ｔｈ１）を設定し、領域（Ｂ）と領域（Ｃ）との境界に第二の閾値（Ｔｈ２）を設定する。なお、照明装置１２０，１３０の設定を適切にすることにより、領域（Ａ）と領域（Ｂ）との境界、領域（Ｂ）と領域（Ｃ）との境界が明確になり、第一の閾値（Ｔｈ１）および第二の閾値（Ｔｈ２）の設定が可能になる。
（ステップＳ２３）
制御装置１５０は、第一の閾値（Ｔｈ１）および第二の閾値（Ｔｈ２）の間（領域（Ｂ））の画素値を有する画素を「１」（白）にし、それ以外の画素値を有する領域（領域（Ｃ）、領域（Ａ）および領域（Ｄ））の画素を「０」（黒）にする二値化を行う。すなわち、制御装置１５０は、画素値が所定範囲の内の画素を抽出する。この二値化処理を行うことにより、図６に示すような画像が得られ、リッドの変形箇所が白になる。
（ブロブ解析：ステップＳ３０）
制御装置１５０は、図６に示す画像の白の画素数を積算して白の面積を算出する。算出した白の面積（画素数）を判定値とする。
（判定処理：ステップＳ４０）
制御装置１５０は、判定値が予め設定された検査閾値を超えた場合、不良と判定する。ここで、判定値および検査閾値は画素数であり、リッド変形の変形量が大きいほど判定値は大きい。
検査閾値の設定方法について説明する。検査閾値は検査前に予め求める。変形量が異なる多数の同一製品のサンプルを製品ごとに準備する。ここで、各サンプルの変形量は測定されて既知である。例えば、実施形態における外観検査装置のステージにサンプルを搭載して、配線基板１０の上面とリッジ３０の縁３０ａの上面との距離差を測定するようにしてもよい。
制御装置１５０は、サンプルごとに、上述したステップＳ１０～Ｓ３０の処理を行いそれぞれの判定値およびその変形量を取得する。制御装置１５０は、取得した変形量と判定値との関係に基づいて、変形量が所定値以上になる判定値を検査閾値として制御装置１５０の記憶装置に格納する。これらの処理を製品ごとに行う。
本実施形態によれば、レーザー測長機能、位相シフト測長用プロジェクタ等の三次元検査機能を用いなくても、リッジ変形の検査が可能になる。また、リッジ変形の検査を行うことにより、リッド変形の不良品の出荷を低減することが可能になる。
以上、本開示者らによってなされた開示を実施形態に基づき具体的に説明したが、本開示は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々変更可能であることはいうまでもない。
１００・・・外観検査装置
１１０・・・カメラ
１２０・・・第一の照明装置
１３０・・・第二の照明装置
１４０・・・ステージ
１５０・・・制御装置

Claims (5)

  1. リッドを有する半導体装置が載置されるステージと、
    前記ステージの上方に設けられるカメラと、
    前記カメラと前記ステージとの間に設けられる同軸照明装置と、
    前記カメラと前記ステージとの間に設けられる斜光照明装置と、
    制御装置と、
    を備え、
    前記制御装置は、
    前記同軸照明装置および前記斜光照明装置により前記半導体装置に照明光を照射すると共に、前記カメラにより前記半導体装置を撮影して画像を取得し、
    当該画像の二値化処理により所定画素値の画素数を積算して判定値を取得し、
    前記判定値を所定値と比較して良品または不良品を判定するよう構成される外観検査装置。
  2. 請求項１の外観検査装置において、
    前記制御装置は、
    前記ステージにリッドが変形しその変形量が既知の第二の半導体装置を載置し、
    前記同軸照明装置および前記斜光照明装置により前記第二の半導体装置に照明光を照射すると共に、前記カメラにより前記第二の半導体装置を撮影して画像を取得し、
    当該画像の二値化処理により所定画素値の画素数を積算して測定値を取得し、
    前記第二の半導体装置のリッドの変形量および前記測定値に基づいて前記所定値を取得するよう構成される外観検査装置。
  3. 請求項２の外観検査装置において、
    前記同軸照明装置の照明光は青色であり、
    前記斜光照明装置の照明光は赤色であり、
    前記制御装置は、前記リッドの変形が検出可能なように前記同軸照明装置および前記斜光照明装置の輝度を設定するよう構成される外観検査装置。
  4. 請求項３の外観検査装置において、
    前記制御装置は、前記同軸照明装置の輝度を前記斜光照明装置の輝度よりも小さく設定するよう構成される外観検査装置。
  5. 同軸照明装置および斜光照明装置によりリッドを有する半導体装置の上面に照明光を照射すると共に、カメラにより前記半導体装置の上面を撮影して画像を取得し、
    当該画像の二値化処理により所定画素値の画素数を積算して判定値を取得し、
    前記判定値を所定値と比較して良品または不良品を判定する外観検査方法。
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