JP3851787B2 - 半導体素子の検査方法 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体チップ(以下、チップ)と透明な封止体を有する半導体素子のための検査方法に関し、より詳しくは、上記封止体の欠陥の有無を検査するための方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
図7に示すように、チップ14表面に光学センサ(光電センサ)16が実装されている場合、この光学センサが外界の光信号を受光可能とするために、チップは一般にモールドと呼ばれる透明樹脂製封止体18で封止される。従来、このようなモールドの表面欠陥及び内部欠陥は、半導体素子全部について、専任の検査員が顕微鏡を用いて目視で個々に行っていた。具体的には、図9に示すように、単品位置決めジグ24に単品状態の被検査体をセットし、専任の検査員がモールド表面欠陥、モールド内部欠陥を顕微鏡23を用いて検査ステーション22にて1個ずつ検査し、欠陥が発見された場合は、検査員が自ら取り除いていた。
【0003】
光学センサ16上面及び光学センサ16付近に欠陥が存在すると、外界からの光信号を正常に受光することができなくなるため、このようなモールドの欠陥検査は必要不可欠な検査である。
【0004】
モールド表面の欠陥とは、モールド表面のキズ・モールド表面に付着した異物等のことである。一方、モールド内部欠陥とは、モールド内部の気泡・異物等のことである。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
従来の目視による半導体素子のモールド欠陥検査には主として次のような欠点がある。
【0006】
(1)目視検査では、見落としなどの検査ミスが生じる。
【0007】
(2)検査基準がばらつき、品質が安定しない。
【0008】
(3)人間の能力には限界がある。
【0009】
(4)欠陥の大きさ・形状及び場所が不安定であるため、目視検査が非常に困難。
【0010】
(5)検査に長時間を要する。
【0011】
このような目視によるモールド(封止体)欠陥検査の欠点を解消するために、本出願人は特願2000−215808号(出願日:平成12年7月17日)において、モールド欠陥検査の自動化を可能にする検査方法を提案した。この方法は、半導体素子を下側から照射して半導体素子からの光を検出し、その検出結果に基づいてモールド欠陥を判定するものである。しかしながら、この検査方法は、チップが基板に搭載された半導体素子には適用できないことが判明した。光線が基板に遮られて、モールドに入射できないためである。
【0012】
そこで、本発明は、半導体素子の透明なモールド(封止体)の検査を自動化して、検査の信頼性を向上することのできる検査方法であって、半導体チップが基板に搭載された半導体素子も検査対象とできる検査方法を提供することを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の検査方法は、半導体チップと、この半導体チップを封止している透明な封止体とを有する半導体素子のための検査方法であって、
被検査体である上記半導体素子を上記半導体チップの上面が上記封止体を介して光検出手段に対向するように設置し、
封止体に欠陥がない場合には半導体素子からの光が上記光検出手段に入射せず、かつ、封止体に欠陥がある場合にはその欠陥によって生じる散乱光が上記光検出手段に入射するように、光源からの光線を上記半導体チップの上面に対して斜め方向から半導体素子に入射させ、
上記光検出手段による検出結果に基づいて、半導体素子の封止体の欠陥の有無を判定するようにしており、
また、上記半導体素子の検査には、上記封止体の内部欠陥の有無を検査する内部欠陥検査と上記封止体の表面欠陥の有無を検査する表面欠陥検査とがあり、
チップ表面と検出すべき封止体の欠陥とのコントラストが得られるように、上記表面欠陥検査では上記半導体チップの上面に対して10°〜30°の角度で半導体素子に光源からの光線を入射させ、上記内部欠陥検査では上記半導体チップの上面に対して0°〜20°の角度で半導体素子に光源からの光線を入射させ、
上記被検査体である半導体素子が半導体チップ表面に光学センサを有、封止体の上面を、受光領域は鏡面にし、受光領域以外の領域をナシ地にしたことを特徴としている。
【0014】
【0015】
【0016】
記検査方法では、光源からの光線を半導体チップの上面に対して斜め方向から(たとえば、半導体素子を水平方向に設置した場合つまり半導体チップの上面が水平方向に延びるように設置した場合には、水平方向に対して斜め上方向から)被検査体である半導体素子に入射させるので、チップが基板に搭載されていても、光源からの光線は基板に遮られることなく半導体素子の封止体に入射できる。そして、封止体に欠陥がない場合には、光源から半導体素子の封止体に入射した光は、封止体の上面とこれに対向するチップ表面によって全反射を繰り返しながら前進した後、封止体の外にでる。この光は光検出手段には入射しない。一方、封止体の表面あるいは内部に欠陥がある場合には、光源から半導体素子に入射した光はこの欠陥によって乱反射し、封止体の上面から散乱光が出て、光検出手段に入射する。つまり、光検出手段が封止体からの光を検出したか否かによって、封止体に欠陥があるかないかを判定できる。したがって、この発明の検査方法を用いれば、封止体の欠陥検査を自動化できる。しかも、この検査方法は、チップが透明な封止体で封止された半導体素子であれば、チップの基板への搭載・非搭載を問わず、適用することができる。
【0017】
上記10°〜30°の角度は、チップ表面と表面欠陥とのコントラストを最も良好に得られる角度である。角度が10°より小さいと、封止体に入射した光源からの光線は欠陥で乱反射せず、検出できない。また、角度が30°より大きいと、光源からの光線はチップ表面で乱反射してしまう。したがって、いずれの場合も、チップ表面と欠陥とのコントラストがなくなり欠陥を検出できない。
【0018】
【0019】
上記0°〜20°の角度は、チップ表面と内部欠陥とのコントラストを最も良好に得られる角度である。角度が0°より小さいと、基板によって遮光され、封止体に入射することができない。また、角度が20°より大きいと、光源からの光線はチップ表面で乱反射してしまう。したがって、いずれの場合も、チップ表面と欠陥とのコントラストがなくなり欠陥を検出できない。
【0020】
なお、封止体内部欠陥の検査時に光線を入射させる角度の上限が封止体表面欠陥の検査時に光線を入射させる角度の上限よりも小さいのは、封止体内部欠陥を検査する場合の方がチップ表面の乱反射の程度をより厳しく抑える必要があるためである。
【0021】
上述した角度で光源から光線を半導体素子に入射させるために、上記検査装置は、上記光源からの光線が上記半導体チップの上面に対して0°〜30°の角度をなして半導体素子に入射できるように、光源の光線の出射方向を調整可能としてもよい。0°〜30°の範囲で調整可能であれば、封止体の表面欠陥を検査するときに使用する角度(10°〜30°)にも、封止体の内部欠陥を検査するときに使用する角度(0°〜20°)にも対応できる。
【0022】
一実施形態では、高い検出精度を確保するために、上記光源として600nm〜670nmの波長を有するLED光源が用いられる。
【0023】
一実施形態において、上記検査装置における光検出手段は、半導体素子から来る光を取り込んで半導体素子の画像を形成する撮像手段からなる。この場合、検査装置は撮像手段によって得られた画像を処理して所定の検査領域内の画像データを得る画像処理手段をさらに備え、上記判定手段は上記画像処理手段によって得られた画像データを欠陥判定基準と比較して封止体の欠陥の有無を判定する。
【0024】
一実施形態では、上記撮像手段はテレセントリックレンズとCCDカメラを備えている。テレセントリックレンズは特定方向の光成分のみを取り込むことができるので、欠陥に起因する散乱先のみを取り込んで撮像することができる。
【0025】
より高精度の欠陥検出を行うために、外部からの光線が上記光検出手段によって検出されないよう、外部からの光線を遮断する遮光板を設けてもよい。
【0026】
より高精度の欠陥検出を行うため、光源からの光線が上記封止体の上面に入射するのを防止するための遮光フードを設けてもよい。このような遮光フードを設けることにより、光源からの光線が半導体チップの表面で乱反射し、その光が上記光検出手段によって検出されてしまうという不都合を防止できる。また、遮光フードを設ける場合、遮光フードの先端が半導体素子の上面から0.5mm以下の距離にあるようにするのが、その目的に関して効果的である。遮光フードは、この遮光フードの先端と半導体素子の上面との距離を(例えば、0mm〜0.6mmの範囲で)調整可能としておけば、便利である。
【0027】
また、本発明の検査方法では、上記被検査体である半導体素子が半導体チップ上に光学センサを有する場合には、封止体の上面を、受光領域は鏡面にし、受光領域以外の領域をナシ地にしている。封止体上面の表面状態をこのようにすれば、受光領域以外の領域に入射した光は、ナシ地表面のお陰で、光検出手段に殆ど検出されない。したがって、このような表面を有する半導体素子に対して遮光フードを用いる場合には、遮光フードの先端部分は封止体上面の全体ではなく、実質的に受光領域のみを覆うようにしてもよい。封止体の上面全体が鏡面の場合には、遮光フードの先端部分は実質的に封止体の上面全体を覆うような寸法にするのがよい。
【0028】
封止体の表面欠陥を検査する場合と、封止体の内部欠陥を検査する場合とで、被検査体における検査領域と欠陥判定基準を変えることにより、高精度に欠陥を検査することができる。
【0029】
【0030】
【0031】
【発明の実施の形態】
図1は本発明の一実施形態に係る半導体素子の検査方法を実施するための検査装置の機構図である。この図に示すように、検査装置は、光源2、遮光板4、テレセントリックレンズ5、CCDカメラ6、遮光フード13、画像メモリ7、画像処理部8、画像判定部9、そして装置駆動部19を有する。
【0032】
光源2は、水平方向に設置された被検査体である半導体素子1を取り巻くように配置されており、この光源2からの光線3によって半導体素子1を照明する。半導体素子1は、例えば図7に示すように、チップ14と、基板17と、チップ14表面に搭載された光電センサ16と、透明樹脂からなる封止体(以下、モールドという)18とからなる。テレセントリックレンズ5とCCDカメラ6は半導体素子1の上方に位置するよう設置されて、半導体素子1を撮像する。テレセントリックレンズ5とCCDカメラ6は撮像手段であり光検出手段である。CCDカメラ6からの画像信号は画像メモリ7に格納される。そして、画像処理部8は画像メモリ7から読み出された画像信号を処理して所定の検査領域内の画像データを得る。画像データは画像判定部9に送られる。画像判定部9は、画像データと欠陥判定基準を比較して、半導体素子の良否、より詳しくは、モールド(封止体)の欠陥の有無を判定し、判定結果信号10を出力する。装置駆動部19はこの判定結果信号10を受け、判定結果に応じて半導体素子1を分類収納するように、そのための装置を駆動する。なお、画像処理や画像判定は公知の手法を利用して行うことができる。
【0033】
被検査体である半導体素子1に対して外乱光が入ると、半導体素子1の上面つまりモールド18の上面からの外乱光によって、チップ14表面が乱反射を起こし、その結果、チップ14表面と欠陥とのコントラストがなくなり、検査ができなくなる。このような事態を回避するために、遮光板4が、光源2および被検査体1を覆うようにテレセントリックレンズ5の回りに設けられている。
【0034】
また、被検査体である半導体素子1に対して、半導体素子1の上面つまりモールド18の上面から光線3が直接入射すると、チップ14表面が乱反射を起こし、その結果、チップ14表面と欠陥とのコントラストがなくなり、検査ができなくなる。このような事態を回避するために、モールド18上面への光線3の入射を遮断すべく、遮光フード13が、モールド18の上面全体を覆うようにテレセントリックレンズ5の回りに設けられている。
【0035】
欠陥の検出精度は、遮光フード13の先端とモールド18の上面との距離が0.5mm以下のとき良く、0.5mmを超えると、モールド18の上面から光線3が入射して、そのチップ14表面で乱反射を起こして、欠陥とのコントラストがなくなり、欠陥を検出することができない。また、半導体素子の表面を傷つけないようにするため、遮光フード13の先端をモールド18の上面から最低0.1mmは離した方が望ましい。より高精度の検査を行うには、遮光フード13の先端とモールド18の上面との距離は0.25mm〜0.35mmにするのが好ましい。本実施の形態では、遮光フード13は、その先端が半導体素子の上面から適切な距離に位置するよう、上下方向の位置が0mm〜0.6mmの範囲内で調整可能となっている。ただし、調整範囲はこの例に限らない。
【0036】
また、遮光フード13先端の開口量は、2.0〜2.4mmのサイズを有する半導体素子に対しては、φ1.8〜φ3.0mmのときに欠陥の検出精度が良く、この範囲以外のときには、半導体素子1の上面から光線3が入射して、チップ14表面で乱反射を起こして、欠陥とのコントラストがなくなり、欠陥を検出することができなかった。なお、遮光フード13先端の最適な開口量は、半導体素子の寸法に応じて適宜設定すればよい。
【0037】
遮光フード13の先端部分の傾斜角β(先端面から水平方向に延長した線と傾斜部とのなす角度)は本実施の形態では60°〜80°であった。この角度も、遮光フードの上部(レンズ5に取りつけられる円筒部分)の直径と先端部分の直径との関係に応じて、適宜変更すればよい。
【0038】
欠陥検査精度をさらに上げるために、封止体の上面を、受光領域(図7(a)において中央の丸で囲まれた領域)のみを鏡面にし、受光領域以外の領域をナシ地にするのが望ましい。封止体上面をこのような表面状態にすることにより、受光領域以外の封止体表面領域で発生した散乱光を光検出手段に検出されないように遮断することが可能となる。なお、このような表面状態を有する半導体素子に対しては、遮光フード13の先端部分は封止体上面の全体ではなく、実質的に受光領域のみを覆うようにしてもよい。図2、3等は、遮光フード13の先端部分が実質的に封止体の上面全体を覆う場合を示している。
【0039】
光源2には単一/ピーク波長のLED光源を用いる。この理由は、複数のピーク波長を含んだ光源では、チップ表面で乱反射を起こして、チップ表面と欠陥とのコントラストがなくなり、検査ができなくなるからである。また、テレセントリックレンズ5を用いることによって、特定方向のみの光成分を取り込むことができ、欠陥で乱反射した散乱光のみを撮像することができる。
【0040】
LED光源としては、600nm〜670nmのピーク波長を有するInGaA1P系の黄色LED及びGaA1As系の赤色LEDが望ましい。GaN系の青色LED、緑色LED、InGaA1P系の黄色LED、GaA1As系の赤色LEDについて検討したが、ピーク波長600nm〜670nmのInGaA1P系及びGaA1As系LEDが特に欠陥検出精度がよかった。
【0041】
また、この実施形態では、光源2はモールド表面欠陥検査とモールド内部欠陥検査の両方に共通に使用されるため、水平方向に対して0°〜30°の角度をなして上斜め方向から光線3が半導体素子1に入射できるように、光線の出射方向を調整可能にしている。ただし、モールド表面欠陥検査時には、図2に示すように、水平方向に対して上側に10°〜30°の角度θをなして光線3が半導体素子1に入射できるように出射方向が調整され、モールド内部欠陥検査時には、図3に示すように、水平方向に対して上側に0°〜20°の角度θをなして光線3が半導体素子1に入射できるように出射方向が調整される。図2、3において、11はモールド表面の欠陥を表し、12はモールド内部の欠陥を表している。また、15はこれらの欠陥によって生じる散乱光を表している。
【0042】
図5はモールド表面欠陥検査時の光源(光軸)配置角度比較図である。この図に示すように、モールド表面欠陥検査では、半導体素子1に対する光源2の配置角度(つまり、半導体素子1に対する光線3の出射方向)として、水平方向に対して上側の角度θ=10°〜30°が最もチップ表面と欠陥とのコントラストを得られる角度であり、この範囲の角度で光線3を半導体素子1に入射させれば、(b)に示すように、光源2からの入射光3が欠陥で乱反射して、半導体素子1の上面つまりモールド18の上面に散乱光15として現れ、この光15を良好に検出することができる。この角度では、モールド18に欠陥がない場合には、(a)に示すように、入射光3はモールド上面とチップ14表面との間を全反射しながら前進して、モールド18の外に出た光はテレセントリックレンズ5に取り込まれない。一方、(c)に示すように、角度θが10°より小さいと光源2からの入射光3が欠陥で乱反射せず、検出できない。また、(d)に示すように、角度θが30°より大きいと光線3がチップ14表面で乱反射するため、この場合も欠陥とのコントラストがなくなり欠陥を検出できない。
【0043】
図6はモールド内部欠陥検査時の光源(光軸)配置角度比較図である.この図に示すように、モールド内部欠陥検査では、半導体素子1に対する光源2の配置角度(つまり、半導体素子1に対する光線3の出射方向)として、水平方向に対して上側の角度θ=0°〜20°が最もチップ表面と欠陥とのコントラストを得られる角度であり、この範囲の角度で光線3を半導体素子1に入射させれば、(b)に示すように、光源2からの入射光3が欠陥で乱反射して、半導体素子1の上面つまりモールド18の上面に散乱光15として現れ、この光15を良好に検出することができる。この角度では、モールド18に欠陥がない場合には、(a)に示すように、入射光3はモールド18の上面とチップ14表面との間を全反射しながら前進して、モールド18の外に出た光はテレセントリックレンズ5に取り込まれない。一方、(c)に示すように、角度θが0°より小さいと、光線3は基板に遮断され、モールド18に入射することができない。また、(d)に示すように、角度θが20°より大きいと光線3がチップ14表面で乱反射するため、いずれの場合も欠陥とのコントラストがなくなり欠陥を検出できない。
【0044】
図4はモールド表面欠陥検査およびモールド内部欠陥検査でそれぞれ得られる半導体素子1(図7参照)の画像の一例である。11は表面欠陥、12は内部欠陥である。
【0045】
画像処理部8では、画像メモリ7から画像を読み出して画像処理を行い、モールド表面欠陥検査とモールド内部欠陥検査それぞれに応じて設定された検査領域の画像データを抽出する。そして、画像判定部9では、この画像データと検査に応じた検査判定基準とを比較して欠陥の有無の判定を行い、その結果を判定結果信号10として出力する。出力された結果信号10は装置駆動部19に伝えられる。
【0046】
なお、図1に示した検査装置は、モールド表面欠陥検査とモールド内部欠陥検査とを1つの検査ステーション(図9の22を参照のこと)で行うようにしたものである。被検査品は、従来から使用されている単品位置決めジグ(図9の24を参照のこと)にセットすればよい。この単品位置決めジグを公知の送り機構によって所定量づつ検査ステーションの方向に移動させることによって、被検査品を1つずつ検査ステーションの所定位置に送ることができる。
【0047】
図8は本発明の別の実施形態による検査方法を実施するための検査装置のブロック図である。図1に示した検査装置がモールド表面欠陥検査とモールド内部欠陥検査とを1つの検査ステーションで行うのに対して、図8の検査装置は、モールド表面欠陥検査とモールド内部欠陥検査とをそれぞれ別の検査ステーションで行うようにしたものである。そのため、この検査装置は、図8にブロック図で示すように、モールド表面欠陥検査部20とモールド内部欠陥検査部21を別々に備えると共に、それぞれに対する画像判定部9を別々に備える。モールド表面欠陥検査部20とモールド内部欠陥検査部21の各々は、図1に示した構成部材2、4、5、6、7、8、13と同様の構成を備えている。この検査装置は、さらに、被検査品をセットした位置決めジグを検査ステーションに送るための供給部26と、検査済品のための分類収納部25と、装置駆動部19を有する。
【0048】
この検査装置では、モールド表面検査とモールド内部検査を2つの検査ステーションで同時に行い、画像判定部9、9で判定されたモールド表面検査・モールド内部検査の2つの検査結果を装置駆動部19にメモリし、その結果を基に、分類収納部25にて、自動的に良品・不良品の分類収納を行う。モールド表面検査とモールド内部検査はそれぞれ同時に別々の被検査体に対して行い、検査装置の処理時間の短縮を図っている。
【0049】
なお、上述した実施の形態の説明では、チップを半導体基板に搭載した半導体素子を検査対象としているが、リードフレームにチップが搭載された状態の半導体素子やリードがフレームから切り離されて単品状態になった半導体素子も当然本発明の検査方法の対象となり得ることは、当業者には容易に理解できるであろう。
また、上述した実施の形態では、最も実施しやすい形態として被検査体を水平方向に設置する場合を取り上げたが、本発明は被検査体の半導体素子を水平方向に設置しない場合(たとえば、半導体素子を垂直方向に設置する場合)にも適用可能である。要は、チップの上面に対して斜め方向から(つまり、基板とは反対の斜め方向から)光源からの光線を半導体素子に入射させればよいのである。
【0050】
【発明の効果】
以上のことから、本発明の検査方法を用いれば、半導体チップが基板に搭載されていようといまいと、透明樹脂で封止された半導体素子の外観検査を精度良く行うことができる。また、信頼性の向上及び検査の自動化が可能になるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施形態に係る半導体素子の検査方法を実施するための検査装置の機構図。
【図2】 本発明のモールド表面の欠陥を検査する方法を説明する図。
【図3】 本発明のモールド内部の欠陥を検査する方法を説明する図。
【図4】 図1の検査装置のモールド表面欠陥検査用およびモールド内部欠陥検査用の光源を点灯したときにそれぞれ得られる画像の一例を示した図。
【図5】 モールド表面欠陥検査光源(光軸)配置角度比較図。
【図6】 モールド内部欠陥検査光源(光軸)配置角度比較図。
【図7】 (a)(b)はそれぞれ被検査体である半導体素子の一例を示す平面図および正面図で、(a)にはチップ表面に実装されている光電センサの一例を示している。
【図8】 本発明の別の実施形態に係る検査方法を実施するための検査装置の機構図。
【図9】 従来技術の目視検査方法の一例を示した図。
【符号の説明】
1.半導体素子
2.光源
3.光線
4.遮光板
5.テレセントリックレンズ
6.CCDカメラ
7.画像メモリ
8.画像処理部
9.画像判定部
10.判定結果信号
11.表面欠陥
12.内部欠陥
13.遮光フード
14.チップ
15.散乱光
16.光電センサ
17.基板
18.透明な封止体
19.装置駆動部
20.モールド表面欠陥検査部
21.モールド内部欠陥検査部
22.検査ステーション
23.顕微鏡
24.単品位置決めジグ
25.分類収納部
26.供給部

Claims (3)

  1. 半導体チップと、この半導体チップを封止している透明な封止体とを有する半導体素子のための検査方法であって、
    被検査体である上記半導体素子を、上記半導体チップの上面が上記封止体を介して光検出手段に対向するように設置し、
    封止体に欠陥がない場合には半導体素子からの光が上記光検出手段に入射せず、かつ、封止体に欠陥がある場合にはその欠陥によって生じる散乱光が上記光検出手段に入射するように、光源からの光線を上記半導体チップの上面に対して斜め方向から半導体素子に入射させ、
    上記光検出手段による検出結果に基づいて、半導体素子の封止体の欠陥の有無を判定するようにしており、
    また、上記半導体素子の検査には、上記封止体の内部欠陥の有無を検査する内部欠陥検査と上記封止体の表面欠陥の有無を検査する表面欠陥検査とがあり、
    チップ表面と検出すべき封止体の欠陥とのコントラストが得られるように、上記表面欠陥検査では上記半導体チップの上面に対して10°〜30°の角度で半導体素子に光源からの光線を入射させ、上記内部欠陥検査では上記半導体チップの上面に対して0°〜20°の角度で半導体素子に光源からの光線を入射させ、
    上記被検査体である半導体素子が半導体チップ表面に光学センサを有、封止体の上面を、受光領域は鏡面にし、受光領域以外の領域をナシ地にしたことを特徴とする半導体の検査方法。
  2. 請求項1の検査方法において、
    上記光源として600nm〜670nmの波長を有するLED光源を用いることを特徴とする検査方法。
  3. 請求項1又は2の検査方法において、
    上記封止体の表面欠陥を検査する場合と上記封止体の内部欠陥を検査する場合とで、被検査体における検査領域と欠陥判定基準を変えることを特徴とする検査方法。
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