JP3862152B2 - 球状体の形状測定方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、球状体の形状測定を行う方法に係わり、特に基板又は半導体チップのバンプ形成に用いられる半田ボールの形状を測定するのに好適な測定方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
球状体(以降ボールと称する)の形状測定においては、ボールが動き易いため任意の位置に固定することが難しく、固定方法は測定方法とともに重要な技術である。例えば、ベアリング用ボールは、測定治具のV状凹みにセットして固定し、測定子を接触させて測定している(公知例1)。また、非接触測定方法としては、平板状の測定治具に粘着テープなどでボールを固定し、顕微鏡や投影機を用いて、作業者が目視で測定したり、カメラで撮像して画像処理で測定を行う方法が知られている(公知例2)。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
例えば半田ボールのように、直径が数百μm以下と微小でかつ多量に製造されるボールの製造条件管理或いは品質管理を行うため、数十〜数百個程度のサンプルボールの形状を測定するような場合、公知例1、2のように1個づつ測定治具にセットするのでは、ハンドリングも測定も時間がかかり効率的ではない。さらに、公知例1のような接触式測定方法では、測定子の接触圧でボールが吹っ飛んでしまい対応できないし、また公知例2のような非接触式測定方法であっても、散乱光を用いた撮像画像では、フォーカスのずれや光源の劣化などによりボールのエッジが明瞭に顕われ難く、サブミクロンの精度での測定には問題がある。
従って本発明は、多数のボールの形状を、効率的にかつ精度よく測定する方法を提供することを目的としている。
【0004】
【課題を解決するための手段】
本発明は、球状体を投影面内に収まる範囲の糊剤を介して測定板に位置決めするマウント工程と、測定板を透過する平行光で球状体を撮像し画像処理で球状体の形状を算出する測定工程とを有する球状体の形状測定方法において、前記マウント工程は、吸着板の所定位置に球状体を保持し、球状体の反吸着板側頂点部に糊剤を付着し、前記頂点部と光透過性の測定板とを当接して球状体を測定板に貼り付けて移し替えるものであり、前記測定工程は、測定板に平行光を透過させ、球状体の投影像を撮像し、投影面を画像処理して球状体の形状を算出することを特徴としている。なおここで言う糊剤とは、付着力を有する液体接着剤や粘着剤で、数分〜数十分は硬化しないようなものが望ましい。
さらに、マウント工程において、吸着板の複数の所定位置に設けた吸引穴で球状体を保持し、測定板の前記所定位置に対応した位置に球状体を移し替え、測定工程において、球状体を前記所定位置のデータに基づき自動的に撮像位置に移動するようにすると良い。
【0005】
【発明の実施の形態】
以下、測定対象のボールとして、基板又は半導体チップのバンプ形成に用いられる半田ボールを例にして説明する。
(実施の形態1)
図1に示すように、本形態は、多数のボールの中から数十〜数百個程度の所定数のボールを整列した状態で取出し、接着剤を付け、測定板上に整列した状態で固定するマウント工程と、測定板上のボールの形状を自動的に測定する測定工程とに大別することができる。
【0006】
まず、マウント工程を図2に示す模式図をもとに説明する。
図2(a)に示すように、測定対象のボール1は、底部から圧縮空気を噴き上げるようになっている試料容器2に収納されており、この中から所定数のボール1を吸着ヘッド3で捕捉する。吸着ヘッド3は箱状体で、加減圧装置(図示せず)と配管で連なり、内部を減圧又は加圧状態にすることができる。下面は、ボールを吸着保持する吸引穴6が所定寸法で形成された吸着板5で構成されており、測定対象のボールの大きさや測定個数に合せて形成された吸引穴6を有するものと適宜交換することができる。
【0007】
ボール1の捕捉は、吸着ヘッド3を試料容器2内の所定位置まで挿入し、試料容器2底部から圧縮空気を供給するとともに、吸着ヘッド3内を減圧吸引することにより行う。この間に、圧縮空気で噴き上げられたボール1は、吸着板5の吸引穴6に吸引保持されていく。所定時間経過後、貯蔵容器2への圧縮空気供給を停止し、吸着ヘッド3はボール1を吸引保持した状態で上昇し、接着剤転写ステーションへと移動する。
【0008】
接着剤転写ステーションでは、図2(b)に示すように、接着剤7或いは粘着材の薄い層を上面に有する転写板8が準備されている。吸着ヘッド3は、ボール1を接着剤7を介して転写板8に軽く押付けた後上昇する。吸着ヘッド3が上昇すると、図2(c)に示すように、保持されているボール1の下部頂点部周辺に接着剤7が転写されて付着する。接着剤層は、転写板8上に接着剤7を滴下し、スキージ板で引き伸ばしたり遠心力を作用させたりすることにより、例えば数μm〜数十μmの所定の厚さとすることができる。その厚さは、ボール1に作用する接着剤7の付着力が吸着ヘッド3からの吸引力より小さくなるような使用する接着剤7の付着力に合せた厚さであって、かつボール1の下部頂点部周辺に付着した接着剤7がボールの投影面積からはみ出さないような厚さにする。接着剤7は、硬化後も水などで容易に除去できるようなものとすると、後述する測定板9が繰返し使用できる上、接着剤7が付いた装置を掃除するのが容易で動作信頼性を高めることができ好ましい。
【0009】
次に、吸着ヘッド3はボールマウントステーションへ移動する。ボールマウントステーションでは、所定位置に測定板9が位置決めされて準備されている。測定板9は、測定装置4でボール形状を測定する時に使用するボール保持具であるが、本実施の形態では後述するようにボールの投影像を撮像するので、光を透過する平滑板とし、例えば透明なガラス板やプラスチック板を使用する。吸着ヘッド3は、ボール1を測定板9に軽く押し付けるように下降し、減圧吸着を解除した後、逆に加圧して上昇する。この時、ボール1の投影面から接着剤がはみ出さないようにする。これにより、図2(d)に示すように、測定板9上の吸引穴6に対応した所定位置には、ボール1が接着剤で保持されて残り、測定板9にマウントされる。
【0010】
次に、測定工程を図3に示す測定装置4を参照しながら説明する。
測定装置4は、平面的に移動できるXYステージ11と、コリメータやミラーを備えて、XYステージ11にセットされた測定板9を下方から垂直方向上方に透過する平行光13を照射する投光手段12と、セットされた測定板9の上方に配置し、測定板9を透過した平行光13による像をテレセントリックレンズ15を介してCCDカメラなどで撮像する撮像手段14と、撮像手段14と電気的に接続された演算処理手段17と、XYステージ11の位置制御や撮像手段14の合焦制御を行うためのモータ制御手段16とを有している。
【0011】
測定は、前記マウント工程で準備された測定用のボール1が固着された測定板9をXYステージ11上の所定位置にセットし、投光手段12からの平行光13を測定板9に照射し、ボール1の投影像をXYステージ11を移動して順次撮像手段14で撮像し、演算処理手段17で画像処理などをもとに真円度、円相当径などの形状を算出して行う。
【0012】
ボール1は、頂点部周辺のみで測定板9と接着剤7を介して固着されているので、ボール1の投影像に接着剤7が写ることはなく、ボール1のエッジ部だけを正確に取込むことができる。また、テレセントリックレンズ15を用いているため、ボール1のエッジ部を鮮鋭に画像化できるだけでなく、焦点ずれに対しても、上方からの散乱光を使った画像に比べエッジ位置の変動は少なく、画像処理におけるエッジの特定精度ははるかに良好で、測定精度は高くなる。
【0013】
また、ボール1は測定板9上の所定の位置にくるように固着されているので、予め固着されるボールの全座標位置を演算処理手段17にデータとして記憶させておくことで、全固着ボールを自動的に撮像位置に移動させて効率的に測定を行うことができる。この時、撮像したボール中心位置と画像中心とを一致さて、レンズ収差などの影響を受けない歪みのない画像を取込んで測定精度を高めているが、固着されたボールの中心位置は大きく変わることはないため、中心間ズレ量の算出と、中心合せのためのXYステージの移動は極めて短時間で行える。
【0014】
なお、マウントや測定に係わる機械装置、例えば吸着板5、測定板9、XYステージ11などの加工精度や組立精度、及び接着剤厚さ精度や対象のボールの直径バラツキが、要求される形状測定精度で定まる所定許容範囲内にある場合は、測定板9上の最初のボール撮像時にボール中心位置合せと、焦点合せをしておけば、残りのボールに対しての補正動作は必要ではないことが多い。しかし、測定精度の一層の向上と信頼性を高めるためには、個々のボールの撮像毎に、ボールの中心位置合せと焦点合せを行うようにするとよく、これらは容易に自動的に行うことができる。
なお、測定板の測定装置へのセットは、自動装置で行うこともできるし、作業者による手操作で行ってもよい。
【0015】
(実施の形態2)
前記実施の形態1においては、接着剤がボールの投影像からはみ出さないようにマウントしなければ測定の信頼性がなくなってしまうが、ボールが小径になるほど技術的に難しくなり、ボールの大きさによっては適用が難しくなる。
本形態は、接着剤を使用せずにボールを測定板に位置決め保持するものであり、測定板に載置されたボールを測定することは実施の形態1と同様であるので、位置決め保持に係わる技術について以下説明する。
本形態における測定板19は、光を透過する平滑板をベース材とするが、所定整列位置にボール1が求心的に保持されるような凹部20が形成されたものを用いる。凹部としては、図4に示すように外形部が対象ボールの投影面内に収まりかつ内接円を描くことができる、例えば円柱状穴や球状穴や正方形状穴形状の有低穴や貫通穴とすることができ、その形状と大きさに合わせて機械加工やレーザ加工などで形成することができるが、円柱状の貫通穴21とすると、加工も容易であり、かつ後述するようにボール保持の信頼性を高めることができるので好ましい。
【0016】
測定板19上にボール1を供給するには、実施の形態1における吸着ヘッド3を用い、所定量のボールを自動的に移載することで行ってもよいが、手作業で、適量のボールを供給し、ボールを凹部20に入れ込み、余剰ボール取り除くようにしてもよい。
凹部20へのボール1の入れ込みは、測定板19に振動を与えたり、傾けたり、表面を刷毛などで掃くなどで行うことができるが、貫通穴21で凹部を形成した測定板19aを用い、測定板19aの裏面側を減圧できるようにセットすると、貫通穴21を通じて表面に減圧吸引力が作用し、ボール1の凹部へのはまり込みが短時間で確実に行え、余剰ボールの刷き出しも容易になり作業性が向上するので好ましい。凹部20を円状の貫通穴21で形成した場合、貫通穴直径に対して約7倍の直径のボールを吸引保持できることを確認しており、例えば直径80μmの貫通穴を有する測定板を用意すれば、直径が約90μm〜500μmのボールについて対応することができる。これより、測定対象のボール1が直径90μm〜900μmであれば、少なくとも2種類の測定板19を用意するだけで全サイズのボールの測定が可能となり、汎用的に適用することができる。
【0017】
測定は、実施の形態1と同様、ボール1が保持された測定板19を測定装置4のXYステージ11にセットすることで行う。この場合、ボール1は凹部20にはまり込んでいるだけで、実施の形態1の場合とは違い測定板19に接合されていないため、ボール1が途中で転落しないようにセットすることが重要である。ボール転落の問題を解決するためには、測定板19をXYステージ11にセットし、その状態でボール1を供給し、凹部20に入れ込むようにするとよい。
【0018】
測定工程において、XYステージ11の起動停止時に測定板19上のボール1が移動、脱落しないことも重要である。この点でも、凹部20を貫通穴21で形成した測定板19aを用いるとよい。この場合、XYステージ11は、測定板19aがセットされると、その裏面側とで密閉空間が形成され、この密閉空間が減圧されるように構成された吸引治具を備えるようにする。密閉空間を減圧すると、測定板19aの貫通穴21を介してボール1が凹部に吸引されるので、測定時にボール1を強固に保持することができる。また、ボール1をXYステージ11上で凹部20に入れ込む場合も、上述したと同様にボール1を吸引して引寄せることができるので好適である。
【0019】
また、吸引治具は、測定板19aの下方から垂直方向上方に平行光13を照射することができるように、密閉空間部には光照射手段の少なくとも先端部、例えば投光手段12のミラーが収納されるような構造とする。なお、上述した構成のXYステージ11と撮像手段14の位置を、上下逆にするように配設し、測定板19aを吸引治具に取外し自在に固定できるようにすると、測定板19aは実施の形態1で用いた吸着ヘッド3の吸着板5と同様な作用を呈するので、多数のボールから直接貫通穴21の位置にボールを保持し、速やかに個々のボールを下方から撮像して測定することができ、効率的である。
【0020】
以上、二つの実施形態を説明したが、同じ吸引板5又は測定板19を用いた場合、測定時に測定板9又は19に保持されているボール1の配列は、保持できるボールの大小に係わらず一定であり、視野内のボール数も一定となる。ところで、一般に測定対象のボールの大きさが違うと要求精度は異なり、大きいボールの方が許容値は大きく、測定分解能が大きくてもよい場合が多い。従って、小さいボールの測定分解能から設定した測定視野で、そのまま大きなボールを撮像したのでは、測定精度としては過剰となる。大きなボールを撮像する場合、必要な測定分解能から測定視野を設定すると、小さいボールの場合より広げることができることが多い。即ち、1視野で撮像できるボール数を増やすことができる。このため、撮像手段14にズームレンズまたは複数の倍率のレンズを装着しておき、ボールの測定精度で決まる倍率に容易に調整できるようにすると、1視野で撮像できるボール数を適宜増やすことができ、その分XYステージの送り回数を減らすことができるので、測定時間を短縮することが可能となる。
【0021】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、1個のボールを何箇所も測定して評価するものではなく、ボールの任意の一投影面の形状を測定するものであるが、多数のサンプルボールを短時間で、高精度で測定することができ、統計的に処理することで製造される全ボールを評価することができる。
また、微小なボールを対象とした場合、測定板は数mm角程度の小さなガラス板でよく、測定済みのボールを接着剤で固着したままで保存しても大きなスペースを要しないため、検査記録の現品資料として残しておくことができる。
また、接着剤を用いない場合には、ボールが小さくなっても信頼性高く測定できる。また、測定板は同一測定板で広いサイズ範囲のボールにも適用でき、かつ繰り返し使用できるため製作数は少なくてよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の全体フローの概要を表す図
【図2】マウント工程の概要を表す図
【図3】測定工程で用いられる測定装置概略を表す図
【図4】ボール保持用凹部が形成された測定板の例を示す断面図
【符号の説明】
1…ボール、 2…試料容器、 3…吸着ヘッド、 4…測定装置、
5…吸着板、 6…吸引穴、 7…接着剤、 8…転写板、 9…測定板、
11…XYステージ、 12…投光手段、 13…平行光、 14…撮像手段、
15…テレセントリックレンズ、 16…モータ制御手段、
17…演算処理手段、 19…測定板、 20…凹部、 21…貫通穴、
Claims (2)
- 球状体を投影面内に収まる範囲の糊剤を介して測定板に位置決めするマウント工程と、測定板を透過する平行光で球状体を撮像し画像処理で球状体の形状を算出する測定工程とを有する球状体の形状測定方法において、前記マウント工程は、吸着板の所定位置に球状体を保持し、球状体の反吸着板側頂点部に糊剤を付着し、前記頂点部と光透過性の測定板とを当接して球状体を測定板に貼り付けて移し替えるものであり、前記測定工程は、測定板に平行光を透過させ、球状体の投影像を撮像し、投影面を画像処理して球状体の形状を算出することを特徴とする球状体の形状測定方法。
- 前記マウント工程において、吸着板の複数の所定位置に設けた吸引穴で球状体を保持し、測定板の前記所定位置に対応した位置に球状体を移し替え、測定工程において、球状体を前記所定位置のデータに基づき自動的に撮像位置に移動する請求項1に記載の球状体の形状測定方法。
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