JP3848007B2 - Solder bump measurement method - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はLSI等の半導体モジュールやTAB(Tape Automated Bonding)等に形成されるはんだバンプの測定方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
図1は多数のはんだバンプを有する半導体モジュール1の構造を示す説明図である。
半導体モジュール1の裏面には、はんだバンプ10が多数形成され、各バンプは半導体モジュール1が搭載される配線基板との間を接続する。半導体モジュール1は例えば10mm角の正方形の平面形状を有し、その表面8上に450μmのピッチ間隔で23×23のはんだバンプ10が形成される。
各はんだバンプ10の寸法と形状は拡大図で示すように、ほぼ球状の形状を有する。
従来このような球状の多数のバンプの高さ測定を自動で行う装置はなく、焦点深度顕微鏡等による目視測定しか方法がなかった。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
多数のバンプが形成された半導体モジュール等のワーク(被測定物)は、次工程で配線基板上に位置決めされ、加熱炉中ではんだバンプを加熱、溶融して結線を行なう。
この結線を確実にするためには、各バンプの頂部の高さ寸法が正確に形成される必要がある。
また、各バンプの大きさも、一定の値に制御することによって、隣接するバンプや配線とのショートを防止する必要がある。
しかしながら、多数のバンプの高さ寸法を短時間で、しかも正確に測定することは非常に困難なことである。
本発明は、本出願人が先に提案した特開平2−80905号公報に示す光ビームを用いてワークの高さ寸法を測定する技術を発展させて、ワーク上のバンプを高速かつ正確に測定する方法を提供するものである。
【0004】
【課題を解決するための手段】
本発明の測定方法は、被測定物に形成されたはんだバンプの測定方法において、前記被測定物をテーブル上に取り付ける工程と、前記被測定物上の複数のはんだバンプのうちの所定のはんだバンプに光ビームを照射し、前記所定のはんだバンプからの反射光を受光して前記所定のはんだバンプの位置を検出する工程と、前記所定のはんだバンプを含むはんだバンプ列に前記光ビームを照射し、前記はんだバンプ列からの反射光を受光して前記はんだバンプ列中の各はんだバンプの頂点位置を求め、前記求めた結果から前記被測定物の姿勢のズレ量を算出する工程と、前記テーブルの姿勢を調整して前記被測定物の姿勢のズレを補正する工程と、前記被測定物上の各はんだバンプに前記光ビームを照射し、各はんだバンプからの反射光を受光して各はんだバンプの頂点の高さを測定する工程とを備える。
【0005】
【発明の実施の形態】
図2は、本発明のはんだバンプの測定方法に使用する装置の外観を示す説明図である。
全体を符号100で示す測定装置は、ワークを載置して測定を行なう操作ステージ110と制御部120と、操作盤130と、結果を出力するプリンタ140と、操作ステージ110の測定部をモニタするモニタTV150等を備える。
図3は、2の装置100の制御系の構成を示すブロック図であって、ワーク1を搭載するテーブル側は防振台210上に配設されて、ワークの垂直軸線(Z軸)まわりの角度を制御するθステージ212と、垂直軸線に直交する平面内の一方の案内軸(X軸)方向の移動を制御するXステージと、X軸に直交する案内軸(Y軸)方向の移動を制御するYステージと、ワーク位置決め機構の表面の傾斜を制御するβ傾斜ステージ218及びα傾斜ステージ220と、ワーク1を保持するワーク位置決め機構(ワークテーブル)230を備える。
【0006】
各制御軸は、軸の制御駆動装置240からの出力によって制御される。
光マイクロセンサ250は、Z軸駆動機構270にとりつけられて、ワークテーブル230に対してZ軸方向に制御される。この光マイクロセンサ250は、ワークテーブル230に対して、ワーク1の取付けと取出しを容易にするために待避機構272により測定位置から待避する構成となっている。Z軸方向の移動量はデジタルマイクロ274で管理される。
光マイクロセンサ250に隣接して光学カメラ252が装備されており、測定部の状況をモニタ用のCRT150で視認することができる。
【0007】
光マイクロセンサ250は、コントローラ260で制御され、測定データはA/D変換されて、デジタル入出力インターフェース264を介してパソコン266に記録される。
測定結果は、マスターパソコン110のデジタル入出力インターフェース280側へ送られ、パソコン110上の画面に表示されるとともに、プリンタ140にも出力される。
はんだバンプの測定結果の判定には、各バンプの位置の座標データや各制御軸の補正量のデータも利用され操作スイッチ284によって操作される。
【0008】
図4は、光マイクロヘッド250の構造を示し、半導体レーザー252と受光素子255を有する。半導体レーザー252から出力されたレーザーは、レンズ253を通ってビームLBとしてバンプ10上に照射され、バンプ10の表面で反射したビームはレンズ254を通って受光素子255に受光される。受光素子255は、反射光の受光位置によって、バンプの表面の高さ位置を三角測量の原理により測定する。同時に反射受光量も検出される。
テーブルのX軸は、このレーザービームLBの光軸方向に設定される。
【0009】
図5は、レーザービームLBによってバンプ10を走査するパスを示し、バンプ10の頂点を含めてその付近を3回のパスによって測定する。
【0010】
図6は、測定結果のデータの一例を示し、横軸にX軸座標を、たて軸に検出レベルをとっている。第1のカーブC1は反射受光のレベルを示し、第2のカーブC2はバンプの高さの変位を示す。
反射受光C1の基準値TLを予め定めておき、受光がこの基準値TLを超えたX座標位置と基準値より下がったX座標位置を検出し、この中間の座標位置X10での変位信号C2の値をそのバンプの頂点の高さ位置として採用する。
【0011】
図7は、基板2の表面8とバンプ10の高さ位置の関係を示す。
レーザービームLBは、基板2の表面8とバンプ10上を走査し、表面8の高さ位置とバンプ10の高さ位置を検出する。
基板2は、必ずしも絶対平面を形成せず、うねり等を発生させる。そこで図8に示すように、基板2の表面8の回帰平面P1と各バンプの頂部により形成される回帰平面P2を算出する。
そして、バンプ10の回帰平面P1からの絶対高さH1と回帰平面P2からの相対高さH2を得る。
測定対象のワークの基板の形状、寸法と、基板上に形成されるはんだバンプの位置とは常に一定の関係になるとは限らない。そこで、ワークをテーブル上に取りつけた後に、測定開始前にワークの取付姿勢を調整(アライメント)を行なう。
【0012】
図9は、ワークであるLSIキャリヤ1をX、Y方向に移動するワークテーブル230上に位置決めする手段を示す。
ワーク1は平面形状が正方形であって、このワーク1に対応する直角ブロック232がテーブル230上にとりつけてある。このブロック232は基準となるストッパ233が突出し、このストッパ233に向かって前進する押し当てピン234によってワーク1をストッパ233に押し当てて、ワーク1を位置決めする。
テーブル230には負圧を用いた吸着装置235が設けてあり、ワーク1の裏面を吸着保持する。
とりつけられたワーク1は、その基板の外形の切断誤差、基板材料の収縮等により、LSI基板の外形とバンプ位置の間に誤差が発生する。
【0013】
そこで、図10に示す、ワーク1の第1のバンプ10−1の位置を検出する工程を実行する。
ワーク1の基板に対する第1のバンプ10−1の設計上の位置は、コントローラが認識しているので、まず、テーブルのX軸の座標を第1のバンプ10−1の設計座標に位置決めして、テーブルをY方向に移動しつつ第1のスキャンS−1により測定を行なう。
【0014】
この走査S−1によって、図6のカーブC1に示すような第1のバンプ10−1の反射受光量の変化のカーブが得られる。そこで、このカーブから得られる光量の中心位置を求めて、第1のバンプ10−1の中心点(原点)と仮定する。受光量が基準値に達しないときには、X軸座標を距離D1だけシフトして第2の走査S−2を実行し、仮の原点を検出し、Y軸座標を決定する。
次にこのY軸座標を固定し、X軸方向の走査S−3を行ない、受光量中心から第1のバンプ10−1の位置を検出する。X軸座標上の受光量が基準値に達しないときには、Y軸を距離D2だけシフトして走査S−4を行ない、同様の処理を行なう。
【0015】
以上により求められた座標位置を仮の原点K1とする。
仮の原点K1を含むバンプの第1行を走査(S−10)し、受光量が基準以上のバンプについて頂点位置を求める。この頂点位置のX軸座標位置と、設計上のX軸座標位置とのズレ量の平均値を算出する(図11)。
次に基板の反対端に最も近いバンプの行に対しても同様の走査(S−11)を行ないX軸座標のズレ量の平均値を算出する。
このズレ量をもって、このワークの基板端面から第1のバンプまでのX軸方向の補正値として、原点のX軸座標を補正する。
同様の走査をY軸方向に実行して、Y軸座標のズレ量を算出して、原点のY軸座標を補正する。
【0016】
ワークが中心軸まわりに回転してとりつけられていると、設計上の値に走査間隔を移動して走査を行なうと、走査線上に出現する受光量のピーク値が一定方向に変化し、またピーク位置と設計位置にズレが生じる(図12)。
この変化によって、ワークの回転角θの補正量を算出して、θステージを回動して補正する。
【0017】
このθ補正のX軸方向の走査時には、図13に示すように、ワークの基板上の位置8−1、8−2、8−3……の高さ位置も検出される。この高さ位置の変化により、回帰直線L−1を算出し、X軸方向の基準線(水平線)からの傾斜角の補正値αを算出し、α傾斜ステージ218を補正する。
同様にY軸方向の傾斜の補正値βを算出し、β傾斜ステージ216を補正する。
以上のアライメント工程を完了した後に、全てのバンプを走査して頂点高さを測定する。
【0018】
図14は、測定結果に基づいて、バンプ10の頂点位置が形成する回帰平面PL−1を示す。そして、この回帰平面PL−1からの各バンプの頂点位置の偏位を演算し、判定結果をディスプレイ112上に表示する。
【0019】
図15は、画面上に表示される測定結果のグラフである。
横軸に回帰平面からの各バンプ頂点の高さの差を、たて軸にバンプの個数をとったものである。
このワークの場合には、バンプ個数が5200個であって、標準偏差が0.65μmであり、3δが±1.95μmである。
目標仕様を例えば±2μmに設定するとこのワークの標準偏差での判定は良品となり、次工程へ送付される。
【0020】
図16は、測定装置の画面112上に表示される各種の画面の例を示す。
運転画面300は、現在の運転モード等の表示エリア302、相対高さ頻度分布グラフを表示するエリア304、判定結果を表示するエリア306、ワークであるLSI1毎の詳細結果を表示するエリア308を有する。
エリア302は、
a.現在の動作モード(アライメント、頂点計測、ベース計測、判定演算、個別再計測)
b.現在の検査位置(行、列)を数値とグラフィックで表示
c.1LSI検査終了後、不良バンプの座標を数値とグラフィックで表示
を表示する。
不良バンプの位置の表示は、ワーク1の不良バンプ10−Nの位置をエリア302上に画像として表示する。
【0021】
相対高さ頻度分布グラフ304は、図15に示したものである。判定結果はOK又はNGとしてエリア306に表示される。エリア308に表示されるLSI毎の詳細結果は、アライメントの結果をX,Y,Z,θ,α,βの数値で表示するとともに、バンプの平均高さ、相対高さの標準偏差、平均受光量、X,Y方向のベース収縮率を表示する。
【0022】
位置ずれグラフの画面310は、バンプ毎の設計値からの頂点位置のずれ量の分布を示すグラフである。
高さ立体分布グラフの画面320は、バンプ毎の相対高さの3Dグラフおよび色分けによる平面分布グラフを示す。
不良LSIの情報画面330は、全自動運転終了後(マガジン単位)の不良LSIの判定モードを示す。
検査条件設定画面340は、判定閾値等、検査のパラメータを設定するための画面である。
【0023】
【発明の効果】
本発明は以上のように、多数のはんだバンプを有するLSI等のワークの全てのバンプの高さを測定してワークの良否を短時間で判定する方法を提供するものであって、増々高密度化するバンプに対しても対応することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の測定対象(ワーク)となるLSIを示す説明図。
【図2】本発明の測定装置の斜視図。
【図3】本発明の測定装置の構成を示すブロック図。
【図4】光マイクロヘッドの構成を示す斜視図。
【図5】光マイクロヘッドの走査を示す平面図。
【図6】測定結果の一例を示すグラフ図。
【図7】基板表面とはんだバンプ頂点の測定方法を示す説明図。
【図8】基板のうねりの影響を示す説明図。
【図9】ワークテーブルに対するワークの取り付けを示す平面図。
【図10】はんだバンプの頂点位置の検出方法を示す平面図。
【図11】基板の取り付け誤差により生ずる測定結果の説明図。
【図12】基板の取り付け誤差により生ずる測定結果の説明図。
【図13】基板の取り付け誤差により生ずる測定結果の説明図。
【図14】はんだバンプの頂点が形成する回帰平面の説明図。
【図15】測定結果の標準偏差のグラフ図。
【図16】モニター装置の表示画面を示す説明図。
【符号の説明】
1 半導体モジュール
8 正方形の平面形状を有する半導体モジュール1の表面
10 はんだバンプ
100 測定装置
110 操作ステージ(マスターパソコン)
112 ディスプレイ
120 制御部
130 操作盤
140 出力プリンタ
150 モニタTV(CRT)
210 防振台
212 ワークの垂直軸線(Z軸)まわりの角度を制御するθステージ
218 ワーク位置決め機構の表面の傾斜を制御するβ傾斜ステージ
(β傾斜ステージ216)
220 α傾斜ステージ
(α傾斜ステージ218)
230 ワーク位置決め機構(ワークテーブル)
232 直角ブロック
233 ストッパ
234 押し当てピン
235 吸着装置
240 軸の制御駆動装置
250 光マイクロセンサ
252 光学カメラ(半導体レーザー)
253,254 レンズ
255 受光素子
260 コントローラ
264 デジタル入出力インターフェース
266 パソコン
270 Z軸駆動機構
272 待避機構
274 デジタルマイクロ
280 マスターパソコン110のデジタル入出力インターフェース
284 操作スイッチ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for measuring solder bumps formed on a semiconductor module such as an LSI or TAB (Tape Automated Bonding).
[0002]
[Prior art]
FIG. 1 is an explanatory view showing the structure of a
A large number of
Each
Conventionally, there is no apparatus for automatically measuring the height of such a large number of spherical bumps, and there has been only a visual measurement method using a depth of focus microscope or the like.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
A work (object to be measured) such as a semiconductor module on which a large number of bumps are formed is positioned on the wiring board in the next step, and the solder bumps are heated and melted in a heating furnace to be connected.
In order to ensure this connection, the height of the top of each bump needs to be accurately formed.
In addition, it is necessary to prevent a short circuit with an adjacent bump or wiring by controlling the size of each bump to a constant value.
However, it is very difficult to accurately measure the height dimensions of many bumps in a short time.
The present invention has developed a technique for measuring the height of a workpiece using the light beam disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2-80905 previously proposed by the present applicant, and measures bumps on the workpiece at high speed and accurately. It provides a way to do this.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
The measuring method of the present invention is a method for measuring a solder bump formed on a measured object, the step of attaching the measured object on a table, and a predetermined solder bump among a plurality of solder bumps on the measured object Irradiating a light beam to the predetermined solder bump and detecting the position of the predetermined solder bump by irradiating the reflected light from the predetermined solder bump; and irradiating the solder bump row including the predetermined solder bump with the light beam. Receiving the reflected light from the solder bump array, determining the vertex position of each solder bump in the solder bump array, calculating the amount of deviation of the posture of the object to be measured from the determined result, and the table Adjusting the posture of the object to be measured and correcting the deviation of the position of the object to be measured, irradiating each solder bump on the object to be measured with the light beam, and receiving the reflected light from each solder bump. And a step of measuring the height of the apex of the solder bumps.
[0005]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 2 is an explanatory view showing the appearance of the apparatus used in the method for measuring solder bumps of the present invention.
A measuring apparatus denoted as a whole by
FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of the control system of the
[0006]
Each control shaft is controlled by an output from the
The
An
[0007]
The
The measurement result is sent to the digital input /
The determination result of the solder bump measurement is operated by the
[0008]
FIG. 4 shows the structure of the
The X axis of the table is set in the optical axis direction of the laser beam LB.
[0009]
FIG. 5 shows a path in which the
[0010]
FIG. 6 shows an example of measurement result data, where the horizontal axis represents the X-axis coordinate and the vertical axis represents the detection level. The first curve C1 indicates the level of reflected light, and the second curve C2 indicates the displacement of the bump height.
The reference value TL of the reflected light C1 is determined in advance, the X coordinate position where the received light exceeds the reference value TL and the X coordinate position where the received light falls below the reference value are detected, and the displacement signal C2 at the intermediate coordinate position X10 is detected. The value is adopted as the height position of the bump apex.
[0011]
FIG. 7 shows the relationship between the
The laser beam LB scans the
The
Then, the absolute height H1 of the
The shape and size of the substrate of the workpiece to be measured and the position of the solder bump formed on the substrate do not always have a fixed relationship. Therefore, after the work is mounted on the table, the mounting posture of the work is adjusted (alignment) before the measurement is started.
[0012]
FIG. 9 shows a means for positioning the
The
The table 230 is provided with a
The
[0013]
Therefore, a step of detecting the position of the first bump 10-1 of the
Since the controller recognizes the design position of the first bump 10-1 with respect to the substrate of the
[0014]
By this scanning S-1, a curve of change in the amount of reflected light received by the first bump 10-1 as shown by a curve C1 in FIG. 6 is obtained. Therefore, the center position of the light quantity obtained from this curve is obtained and assumed to be the center point (origin) of the first bump 10-1. When the amount of received light does not reach the reference value, the X-axis coordinate is shifted by the distance D1, the second scan S-2 is executed, the temporary origin is detected, and the Y-axis coordinate is determined.
Next, this Y-axis coordinate is fixed, scanning X-3 in the X-axis direction is performed, and the position of the first bump 10-1 is detected from the center of the amount of received light. When the amount of received light on the X-axis coordinates does not reach the reference value, the Y-axis is shifted by the distance D2 and scanning S-4 is performed, and the same processing is performed.
[0015]
The coordinate position obtained as described above is set as a temporary origin K1.
The first row of bumps including the temporary origin K1 is scanned (S-10), and the vertex position is obtained for the bumps whose received light amount is greater than or equal to the reference. An average value of deviation amounts between the X-axis coordinate position of the vertex position and the designed X-axis coordinate position is calculated (FIG. 11).
Next, the same scanning (S-11) is performed on the bump row closest to the opposite end of the substrate, and the average value of the deviation amounts of the X-axis coordinates is calculated.
With this amount of deviation, the X-axis coordinate of the origin is corrected as a correction value in the X-axis direction from the substrate end surface of the workpiece to the first bump.
Similar scanning is performed in the Y-axis direction, the amount of deviation of the Y-axis coordinates is calculated, and the Y-axis coordinates of the origin are corrected.
[0016]
If the workpiece is mounted around the central axis, the peak value of the amount of received light that appears on the scanning line changes in a certain direction when the scanning interval is moved to the designed value and scanning is performed. There is a difference between the position and the design position (FIG. 12).
With this change, the correction amount of the rotation angle θ of the workpiece is calculated, and the θ stage is rotated to correct it.
[0017]
At the time of this θ correction scanning in the X-axis direction, as shown in FIG. 13, the height positions of the positions 8-1, 8-2, 8-3,. Based on the change in the height position, the regression line L-1 is calculated, the correction value α of the tilt angle from the reference line (horizontal line) in the X-axis direction is calculated, and the α tilt stage 218 is corrected.
Similarly, a tilt correction value β in the Y-axis direction is calculated, and the
After completing the above alignment process, all bumps are scanned to measure the apex height.
[0018]
FIG. 14 shows a regression plane PL-1 formed by the vertex positions of the
[0019]
FIG. 15 is a graph of measurement results displayed on the screen.
The horizontal axis represents the difference in height of each bump apex from the regression plane, and the vertical axis represents the number of bumps.
In the case of this work, the number of bumps is 5200, the standard deviation is 0.65 μm, and 3δ is ± 1.95 μm.
For example, if the target specification is set to ± 2 μm, the determination based on the standard deviation of the workpiece becomes a non-defective product and is sent to the next process.
[0020]
FIG. 16 shows examples of various screens displayed on the
The
a. Current operation mode (alignment, vertex measurement, base measurement, judgment calculation, individual remeasurement)
b. Display current inspection position (row, column) numerically and graphically c. After 1 LSI inspection, the coordinates of the defective bump are displayed as numerical values and graphics.
The position of the defective bump is displayed as an image of the position of the defective bump 10 -N of the
[0021]
The relative height
[0022]
The positional
The height solid
The defective
The inspection
[0023]
【The invention's effect】
As described above, the present invention provides a method for determining the quality of a work in a short time by measuring the height of all the bumps of an LSI or the like having a large number of solder bumps. It is also possible to cope with bumps to be changed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram showing an LSI that is a measurement object (work) according to the present invention.
FIG. 2 is a perspective view of a measuring apparatus according to the present invention.
FIG. 3 is a block diagram showing a configuration of a measuring apparatus according to the present invention.
FIG. 4 is a perspective view showing a configuration of an optical microhead.
FIG. 5 is a plan view showing scanning of an optical microhead.
FIG. 6 is a graph showing an example of measurement results.
FIG. 7 is an explanatory view showing a method for measuring a substrate surface and a solder bump apex.
FIG. 8 is an explanatory diagram showing the influence of substrate waviness.
FIG. 9 is a plan view showing attachment of a work to a work table.
FIG. 10 is a plan view showing a method for detecting a vertex position of a solder bump.
FIG. 11 is an explanatory view of a measurement result caused by a mounting error of a substrate.
FIG. 12 is an explanatory diagram of a measurement result caused by a mounting error of a substrate.
FIG. 13 is an explanatory diagram of a measurement result caused by a mounting error of a substrate.
FIG. 14 is an explanatory diagram of a regression plane formed by the vertices of solder bumps.
FIG. 15 is a graph of standard deviation of measurement results.
FIG. 16 is an explanatory diagram showing a display screen of the monitor device.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
112
210 Anti-vibration table 212 θ stage 218 for controlling the angle around the vertical axis (Z axis) of the workpiece β tilt stage for controlling the tilt of the surface of the workpiece positioning mechanism (β tilt stage 216)
220 α tilt stage (α tilt stage 218)
230 Work positioning mechanism (work table)
232
253, 254
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