JP3323152B2 - はんだボールの接合検査方法及び検査装置 - Google Patents

はんだボールの接合検査方法及び検査装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置の接続ラ
ンドに接合するはんだボールの接合状態を検査するため
の技術に関し、特にはんだボールと接続ランドとの接合
面を検出することで両者の接合状態を検出する方法と装
置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】ＢＧＡ（ボール・グリッド・アレイ）型
半導体装置の製造工程では、半導体装置に設けられてい
る金属製の接続ランドに、当該半導体装置を実装基板に
実装する際に利用する接続バンプとしてのはんだボール
を接合する工程が行われている。このはんだボールを接
合する方法として、例えば、接続ランドの表面上にはん
だを塗布し、その後にリフローを行ってはんだを溶融
し、表面張力を利用してはんだをボール（球）状に形成
する技術がある。いずれにしても、接続ランドに接合さ
れるはんだボールは、接続ランドのほぼ全面に密着した
状態で接合されていることがこのましく、密着しない部
分が存在すると、実装時にはんだボールが接続ランドか
ら脱落し、半導体装置と実装基板との間の電気接続不良
が発生する要因となる。そのため、はんだボールを形成
した後、はんだボールの接合状態を検査することが必要
とされている
【０００３】従来、このようなはんだボールの接合検査
としては、破壊検査法が利用されている。例えば、図５
はその一例であり、形成された複数の半導体装置１から
一部の半導体装置をサンプリングし、その半導体装置に
対して同図（ａ）のプッシュゲージＧ１や同図（ｂ）の
プルゲージＧ２を用いて半導体装置１の接続ランド５か
らはんだボール６を強制的に接合破壊し、その接合破壊
されるときの強度データによりはんだボールの接合状態
を検査し、不良率の推定を行っていた。しかしながら、
この検査方法では、サンプリングされた半導体装置から
得られるデータに基づいて全半導体装置の接合状態を推
測するものであるため、一部の半導体装置に生じる特異
な接合不良を検査することは困難であるとともに、サン
プリングされて破壊された半導体装置が製造歩留りを低
下させる要因となっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】このような破壊検査法
に対し、近年では非破壊検査法が提案されており、例え
ば、特開平６−２６５５２９号公報には超音波による検
査方法が、また特開平１０−３１１８０７号公報ではＸ
線による検査方法がそれぞれ提案されており、これらの
技術をはんだボールの接合状態の検査に利用することが
考えられる。しかしながら、前者の公報では、被検査体
に対して超音波を照射し、被検査体からの一の方向に反
射される反射波を検出して検査を行うものであるため、
被検査体は平面状のものしか適用できず、本発明のよう
な球状のはんだボールでの接合状態の検査に適用するこ
とは困難である。また、後者の公報ではＸ線を利用して
はんだボールの接合状態を検出しているが、この技術は
はんだボールを用いて半導体装置を実装したときのはん
だボールの形状変化を検出してその接合状態を検査する
技術であるため、実装前のはんだボール、すなわち形状
変化が生じていないはんだボールの、しかも接続ランド
に対する半田ボールの接合状態を検査する技術に適用す
ることは困難である。
【０００５】本発明の目的は、半導体装置に設けられて
いる実装前のはんだボールと接続ランドとの接合状態
を、非破壊法によって高信頼度に検査することが可能な
検査方法と検査装置を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明の検査方法は、半
導体装置の接続ランドに接合されたはんだボールの前記
接合状態を検査するに際し、前記半導体装置を液体槽内
に浸漬した状態で前記はんだボールに対して超音波を投
射し、前記はんだボールと前記接続ランドとの接合面で
反射した超音波を前記はんだボールを囲む円周上の複数
箇所において受信し、前記受信した超音波の反射量に基
づいて前記接合状態の良否を判定することを特徴として
いる。
【０００７】また、本発明の検査装置は、接続ランドに
はんだボールが接合された被検査体としての半導体装置
が浸漬される液体槽と、前記はんだボールに対して超音
波を投射し、かつ前記半導体装置から反射される超音波
を受信する検査ヘッド部と、前記検査ヘッド部で受信し
た超音波信号のレベルを検出し、検出したレベルに基づ
いて前記はんだボールの接合の良否を判定する検査装置
本体部とを備え、前記検査ヘッド部は、前記はんだボー
ルに対して超音波を投射するための超音波発信端子と、
前記はんだボールと接続ランドとの接合面で反射された
超音波を前記超音波発信端子の周囲の円周上の複数箇所
で受信する複数の超音波受信端子とで構成されているこ
とを特徴とする。
【０００８】ここで、本発明の検査装置においては、例
えば、前記複数の超音波受信端子は、前記超音波発信端
子を挟んだ対称位置に配置された２つの超音波受信端子
で構成される。また、前記検査ヘッド部は、上下移動と
平面移動を所定のシーケンスによって行い、半導体装置
のはんだボールに対して、１つずつ、もしくは複数個ず
つに超音波を投射し、かつ反射した超音波を受信する構
成とされる。さらに、本発明では、前記検査装置の液体
槽及び検査ヘッド部は、前記半導体装置の接続ランドに
はんだボールを形成するためのリフロー炉と、前記半導
体装置を洗浄するための洗浄機との間にインラインとし
て設置されることが好ましい。
【０００９】本発明によるはんだボールの検査方法及び
検査装置では、複数個の超音波受信端子は、はんだボー
ルと接続ランドとの接合面で反射された超音波を、超音
波発信端子の周囲の円周上の複数箇所で受信し、この受
信した超音波に基づいてはんだボールと接続ランドとの
接合状態を検出し、かつその検出結果により接合状態の
良否を判定する。このため、非破壊での検査が実現でき
るとともに、超音波信号の反射方向が特定されることも
なく、はんだボールの形状にかかわらず超音波の受信が
可能となり、接合状態を高い信頼度で検査することが可
能になる。
【００１０】
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施形態を図面を
参照して説明する。図１は本発明の検査装置１００の全
体構成を示す概略図である。被検査体としてのＢＧＡ型
半導体装置１を浸漬可能な水２１を満たした水槽２０を
有しており、また、前記水槽１０上にまで移動されて前
記水槽２０内の前記半導体装置１に対して超音波信号を
投射することが可能は超音波発信端子３１と、前記半導
体装置１から反射される超音波信号を受信する超音波受
信端子３２とからなる検査ヘッド部３０を有している。
さらに、前記超音波発信端子３１と超音波受信端子３２
が接続されて所定の信号処理を行う検査装置本体部１０
とを有している。前記半導体装置１は後述する搬送部４
００のハンドリング装置４０１によって前記水槽２０内
に搬入、搬出可能とされる。また、前記検査ヘッド部３
０において、前記超音波発信端子３１は１つであるが、
前記超音波受信端子３２は複数個、ここでは２つ設けら
れており、これらの超音波発信端子３１と２つの超音波
受信端子３２はそれぞれの相対位置関係と、超音波信号
の発信方向及び受信方向は特性の状態を保った状態でＸ
ＹＺステージ３３に搭載されている。すなわち、２つの
超音波受信端子３２は、超音波発信端子３１の周囲の円
周上の位置で、かつ径方向に対向する位置に配置されて
いる。また、前記ＸＹＺステージ３３は、図外の駆動機
構によって所定のシーケンスで前記水槽２０に対して移
動可能とされている。
【００１１】また、前記検査装置本体部１０は、超音波
信号を発生する超音波信号発信器１１と、前記超音波発
信器１１で発信された超音波信号を前記超音波発信端子
３１に送出する一方で、前記超音波受信端子３２で受信
した超音波信号を入力する分波器１２と、前記分波器１
２で分波された受信した超音波信号を受信して電気信号
を出力する超音波受信器１３を備えている。さらに、前
記超音波受信器１３から出力される電気信号を所定のア
ルゴリズムで処理するデータ処理器１４と、処理された
データに基づいてはんだボールの接合状態の良否を判定
する良否判定器１５とを備えている。なお、前記分波器
１２と前記各端子３１，３２は超音波伝送ケーブル１６
により相互に接続されている。
【００１２】ここで、図２は前記検査ヘッド部３０の前
記超音波発信端子３１と超音波受信端子３２を模式的に
示す図であり、前記超音波発信端子３１は、前記超音波
信号発信器１１から入力される超音波信号に基づいて超
音波振動して超音波を波動して出力する圧電素子３４
と、出力する超音波波動を水槽内に設置されている半導
体装置１上の一点に対して集束させる音響レンズ３５と
で構成されている。また、前記超音波受信端子３２は、
前記半導体装置１で反射された超音波波動を集つめる音
響レンズ３６と、集束された超音波波動に基づいて超音
波振動し、超音波信号を出力する圧電素子３７とで構成
されている。すなわち、超音波発信端子３１と超音波受
信端子３２はほぼ同様な構成であり、また前記圧電素子
３４，３７は、セラミック、金属、樹脂もしくはそれら
を組み合わせた構成である。また、図２に示されるよう
に、前記半導体装置１は搭載基板２に半導体チップ３を
搭載して樹脂４で封止しており、前記搭載基板２の裏面
に設けられた接続ランド５にはんだボール６が接合され
た構成である。
【００１３】ここで、前記検査装置１００は、図３に示
すように、半導体装置の製造装置の一部に、インライン
として構成されている。図３（ａ）はその平面図、図３
（ｂ）はその正面図であり、前記検査装置１００は同図
の左側にリフロー炉２００が、右側に洗浄機３００がそ
れぞれ配置されており、前記リフロー炉２００から搬出
される半導体装置が前記検査装置１００においてはんだ
ボールの検査が行われ、その後洗浄機３００において洗
浄されるようになっている。また、前記リフロー炉２０
０、検査装置１００、洗浄機３００の間にはそれぞれ搬
送部４００，５００が設けられ、前記半導体装置１を順
序的に搬送することが可能とされている。
【００１４】以上の構成の検査装置による本発明の検査
方法を説明する。前記半導体装置１は、図３のリフロー
炉２００よりも前段の装置において、接続ランド５には
んだが塗布されており、前記リフロー炉２００にまで搬
送される。そして、リフロー炉２００においてランプ加
熱されることで、前記はんだが溶融され、自身の表面張
力によって接続ランド５上でボール状に形成され、はん
だボール６が形成される。次いで、前記半導体装置１は
搬送部４００により検査装置１００の水槽２０の水２１
内に浸漬される。ここでは半導体装置１ははんだボール
６を上にした状態で前記搬送部４００のハンドリング装
置４０１によって水槽２０内に固定状態に保持される。
また、これと同時に検査ヘッド部３０はＸＹＺステージ
３３の平面移動および上下移動により前記水槽２０の直
上に位置され、超音波発信端子３１と超音波受信端子３
２はそれぞれの先端部が水２１内に浸漬され、図１の状
態となる。
【００１５】しかる上で、検査装置本体部１０の超音波
発信器１１から２０ＭＨｚ程度以上の超音波信号を発信
し超音波発信端子３１に入力する。超音波発信端子３１
は、図２に示したように、圧電素子３４が超音波信号に
よって振動し、これにより超音波波動を水槽２０内に伝
搬させ、半導体装置１の最初の１つのはんだボール６へ
超音波を印加する。そして、はんだボール６に投射され
た超音波ははんだボール６内を透過され、接続ランド５
との接合面で反射される。そして、この反射した超音波
は前記超音波発信端子３１の周囲の円周位置に配置され
ている２つの超音波受信端子３２でそれぞれ受信され、
検査装置本体部１０内の超音波受信器１３においてこれ
ら２つの超音波受信端子３２の受信信号をそれぞれ合成
した状態で受信する。次いで、受信された超音波に基づ
いて、データ処理部１４では超音波の反射強度のデータ
を電気信号、例えば電圧レベルとして出力し、さらに良
否判定器１５は、この反射強度のデータに基づいてはん
だボールの接合の良否を判定する。
【００１６】図４はその具体例を示す図である。図４
（ａ）に正面状態と接合面の状態を示すように、はんだ
ボール６と接続ランド５との接合面積が十分であれば、
はんだボール内を透過する超音波は殆どが接続ランドと
の接合面によって反射されるため、超音波受信端子で受
信する超音波の反射量は多くなり、図５（ｄ）の左側の
（ａ）の信号のように高レベルの超音波反射信号に基づ
く反射強度データが得られる。これに対し、図４（ｂ）
のように、はんだボール６と接続ランド５との間に未接
合の部分Ｘ１が存在する場合には、はんだボール６を透
過した超音波は、未接合の部分に介在する水によって減
衰され、あるいは方向が変化されるため、接続ランド５
との接合面での反射量が低下される。これは、図４
（ｃ）のように、はんだボール６と接続ランドとの間に
不純物が介在して両者間に未接合部分Ｘ２が存在する場
合も同様である。このため、これらの場合に得られる超
音波反射信号の反射強度データは、図４（ｄ）の右側の
（ｂ），（ｃ）の各信号のように低レベルのものとな
る。したがって、図示の基準レベルＶｔｈをしきい値と
して、各反射強度データを比較することで、しきい値レ
ベル以上のものを良品とし、それより低いものを不良品
として、はんだボールの接合の良否を判定することが可
能となる。
【００１７】なお、検査後の半導体装置１は、図３のよ
うに、検査装置２００の水槽から取り出された上で、搬
送部５００により洗浄機３００にまで搬送され、ここで
フラックス等を除去するための洗浄、乾燥される。この
洗浄、乾燥工程は従来からリフロー工程の後に行われて
いるものであり、ここではリフロー炉２００での工程の
後に検査装置１００の水槽に半導体装置を浸漬して前記
したような検査を行い、その上で洗浄機での洗浄を行っ
ているので、従来のリフロー後の洗浄を、本発明の検査
後の洗浄、乾燥と兼用して１つの工程で行うことが可能
である。したがって、本発明の検査装置１００を設けた
ことによっても、検査後の洗浄工程が増加することはな
い。
【００１８】このように、本発明の検査方法では、はん
だボールと接続ランドとの接合面が密接状態であるか否
かを、接続ランドの接合面における超音波信号の反射量
の違いに基づいて検出しているため、はんだボールの形
状にかかわらず接合状態を検査することが可能となる。
また、はんだボールに対して非接触でかつ非破壊状態で
検査することが可能であるため、製造歩留りを低下する
ことはなく、しかも全数に対して検査することが可能で
あるために検査漏れのない、高い信頼度の検査が実現で
きることになる。
【００１９】ここで、前記実施形態は１つの超音波発信
端子に対し、２つの超音波受信端子を設け、これら超音
波受信端子で受信した超音波信号を合一的に用いて１つ
のはんだボールの検査を行っているが、複数の超音波発
信端子とこれに対応する複数の超音波受信端子を設け、
かつ検査装置本体部では各超音波受信端子で受信した超
音波信号を個別に信号処理するように構成することで、
同時に複数のはんだボールの検査を行うことも可能であ
る。また、水槽内には水以外の他の液体を入れ、その液
体槽内で検査を行うことも可能である。
【００２０】
【発明の効果】以上説明したように本発明の検査方法及
び検査装置では、複数個の超音波受信端子は、はんだボ
ールと接続ランドとの接合面で反射された超音波を、超
音波発信端子の周囲の円周上の複数箇所で受信し、この
受信した超音波に基づいてはんだボールと接続ランドと
の接合状態を検出し、かつその検出結果により接合状態
の良否を判定しているので、非破壊での検査が実現でき
るとともに、超音波信号の反射方向が特定されることも
なく、はんだボールの形状にかかわらず超音波の受信が
可能となり、接合状態を高い信頼度で検査することが可
能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の検査装置の実施形態の概略構成図であ
る。
【図２】本発明の検査装置の検査ヘッド部の構成を示す
模式的な構成図である。
【図３】本発明の検査装置を半導体装置の製造装置にイ
ンライン配置した状態を示す平面図と正面図である。
【図４】本発明の検査方法を説明するための模式図であ
る。
【図５】従来の破壊法による検査方法を説明するための
模式図である。
【符号の説明】
１ 半導体装置 ５ 接続ランド ６ はんだボール １０ 検査装置本体部 １１ 超音波信号発信器 １２ 分波器 １３ 超音波信号受信器 １４ データ処理器 １５ 良否判定器 ２０ 水槽 ２１ 水 ３０ 検査ヘッド部 ３１ 超音波発信端子 ３２ 超音波受信端子 ３３ ＸＹＺステージ １００ はんだボール検査装置 ２００ リフロー炉 ３００ 洗浄機 ４００，５００ 搬送部
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−119026（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−287644（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−93950（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−58747（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−138456（ＪＰ，Ａ) Ｐ．Ａ．ＢＵＲＤＥＴＴ，ＴＥＣＨＮ ＩＱＵＥＳ ＦＯＲ ＴＨＥ ＩＮＳＰ ＥＣＴＩＯＮ ＯＦ ＦＬＩＰ ＣＨＩ Ｐ ＳＯＬＤＥＲ ＢＯＮＤＥＤ ＤＥ ＶＩＣＥＳ，ＨＹＢＲＩＤ ＣＩＲＣＵ ＩＴＳ ＮＯ．19Ｍａｙ1989，ＰＡＧ Ｅ．44−48 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01N 29/00 - 29/28 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 半導体装置の接続ランドに接合されたは
    んだボールの前記接合状態を検査するための検査方法で
    あって、前記半導体装置を液体槽内に浸漬した状態で前
    記はんだボールに対して超音波を投射し、前記はんだボ
    ールと前記接続ランドとの接合面で反射した超音波を前
    記はんだボールを囲む円周上の複数箇所において受信
    し、前記受信した超音波の反射量に基づいて前記接合状
    態の良否を判定することを特徴とするはんだボールの接
    合検査方法。
  2. 【請求項２】 接続ランドにはんだボールが接合された
    被検査体としての半導体装置が浸漬される液体槽と、前
    記はんだボールに対して超音波を投射し、かつ前記半導
    体装置から反射される超音波を受信する検査ヘッド部
    と、前記検査ヘッド部で受信した超音波信号のレベルを
    検出し、検出したレベルに基づいて前記はんだボールの
    接合の良否を判定する検査装置本体部とを備え、前記検
    査ヘッド部は、前記はんだボールに対して超音波を投射
    するための超音波発信端子と、前記はんだボールと接続
    ランドとの接合面で反射された超音波を前記超音波発信
    端子の周囲の円周上の複数箇所で受信する複数の超音波
    受信端子とで構成されていることを特徴とするはんだボ
    ールの接合検査装置。
  3. 【請求項３】 前記検査装置本体部は、超音波信号を発
    生する超音波発生器と、前記検査ヘッド部で受信した超
    音波信号を電気信号に変換する超音波受信器と、前記超
    音波受信器で受信して得られた電気信号をデータ処理し
    て前記超音波信号の反射レベルのデータを得るデータ処
    理器と、前記反射レベルを所定のしきい値と比較し、反
    射レベルの高いはんだボールを良品として判定する良否
    判定器とを備えることを特徴とする請求項２に記載のは
    んだボールの接合検査装置。
  4. 【請求項４】 前記複数の超音波受信端子は、前記超音
    波発信端子を挟んだ対称位置に配置された２つの超音波
    受信端子で構成されていることを特徴とする請求項２ま
    たは３に記載のはんだボールの接合検査装置。
  5. 【請求項５】 前記超音波発信端子及び前記超音波受信
    端子は、超音波信号を超音波波動に変換し、あるいはそ
    の逆に変換するセラミック、金属、樹脂もしくはそれら
    を組み合わせた圧電素子を含んで構成されていることを
    特徴とする請求項２ないし４のいずれかに記載のはんだ
    ボールの接合検査装置。
  6. 【請求項６】 前記検査ヘッド部は、上下移動と平面移
    動を所定のシーケンスによって行い、半導体装置のはん
    だボールに対して、１つずつ、もしくは複数個ずつに超
    音波を投射し、かつ反射した超音波を受信する構成であ
    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
    接合検査装置。
  7. 【請求項７】 前記検査装置の前記液体槽及び検査ヘッ
    ド部は、前記半導体装置の接続ランドにはんだボールを
    形成するためのリフロー炉と、前記半導体装置を洗浄す
    るための洗浄機との間にインラインとして設置されるこ
    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
    んだボールの接合検査装置。
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