JP4234661B2 - ワイヤボンディングにおけるボールの検査方法 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体チップのパッドと外部電極間をボールボンディングによって配線するようにしたワイヤボンディングにおいて、半導体チップのパッドに接合されたボールの接合状態を画像処理によって検査するための方法に関するものである。
まず、図２を参照してワイヤボンディングにおける半導体チップのパッドとボールの接合状態について説明する。
図２において、１はリードフレーム、２はリードフレーム１上に搭載された半導体チップ、３は半導体チップ２上に形成されたパッド（第１ボンディング点）、４は金線などのボンディングワイヤ、５はボンディングワイヤ４の先端に形成されたボールである。
ボンディングワイヤ４の先端に形成されたボール５は、接合前においてはほぼ球形をしており、ワイヤボンディング時にキャピラリ６によって押圧されながら超音波振動を与えられることにより、図示するように平たく押し潰された状態でパッド３に圧着接合される。
パッド３に圧着接合された上記ボール５の上面中央位置には、キャピラリ６の先端内部に入り込んだインサイドチャンファ部７によって円錐形状をしたコーン部８が形成されるとともに、コーン部８の周囲にはほぼ平坦なボール圧着面９が形成されている。
従来、上記パッド３に接合されたボール５の圧着厚ｔや圧着径Ｄ、圧着点（中心位置）Ｏなどの接合状態を検出してボンディングの良否を判定するには、上下左右の移動量を計測可能な金属顕微鏡などを用い、測定者が目的とする個所に顕微鏡の焦点を合わせ、そのときに得られた上下左右の移動量からそれぞれの値を算出していた。しかしながら、このような人手による方法の場合、目的とする個所に焦点が正確に合っているか否かは測定者によってバラツキがあり、十分な測定精度を得ることが困難であった。
そこで、このような問題をなくすために、カメラのレンズを通して取り込まれたボール５のコーン部８の平面画像と、予め用意した基準となるコーン部のパターン画像とを比較照合し、最も画像が一致する撮像高さ位置を合焦点高さとすることによってボール５の圧着厚ｔを検出する方法（特許文献１参照）などが提案されている。
しかしながら、上記特許文献１に記載の検査方法を初めとして、従来における画像処理を利用したパッドとボール部分の検査方法の場合、検査対象とするボールとパッド部分は白色光などの単一の照明光で照らすだけであり、測定条件によってはコントラストのはっきりした明確な画像を得ることが難しい場合があった。
一方、特許文献２には、バッドとリード（外部電極）の間を結ぶボンディングワイヤ部分をカラーカメラで撮影し、該得られたカラー画像を色相Ｈ、彩度Ｓ、輝度Ｉの各データに変換した後、これらＨＩＳデータを用いてワイヤ部分の良否を判定するようにした検査方法が提案され、特許文献３には、ワイヤ部分をＲ，Ｇ，Ｂのリング照明あるいはレーザースリット光で照らしてＲＧＢの各画像を求め、得られたＲＧＢ各画像を２値化処理することによってワイヤの良否を判定するようにした検査方法が提案されている。
しかしながら、これら特許文献２や３に示された検査方法は、いずれもパッドとリードの間を結ぶワイヤの良否を検査するものであり、本発明が対象とするパッドとボール部分の検査にはそのまま適用することができない。
特開平６−２２４２６７号公報（全頁、全図） 特開平１０−３１１７１３号公報（全文、全図） 特開平７−３７９５５号公報）（全文、全図）
本発明は、パッドとボール部分を照らす照明光として撮像手段のレンズ光軸と平行な同軸光を用い、この同軸光の色をパッドとボールの測定個所に応じて最適な色に切り替えることにより、画像処理を利用してボールの接合状態を正確に検出できるようにしたワイヤボンディングにおけるボールの検査方法を提供することを目的とするものである。
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、半導体チップのパッドと外部電極との間をボールボンディングによって配線するワイヤボンディングのパッドとボール部分を撮像手段で撮影し、該撮像手段で撮影した平面画像から画像処理によってボールの接合状態を検出するようにしたワイヤボンディングにおけるボールの検査方法において、前記接合状態の検査内容は、少なくとも、パッドの合焦点高さ、ボール圧着面の合焦点高さ、ボールの外径寸法、ボールの圧着点の検出であって、前記パッドとボール部分を照らす照明光として撮像手段のレンズ光軸と平行な同軸光を用い、該同軸光の色を前記検査内容に応じて切り替えるようにしたものである。
請求項２記載の発明は、上記請求項１記載の発明において、前記パッドの合焦点高さの検出処理に際しては前記同軸照明光の色を青色とし、前記ボール圧着面の合焦点高さの検出処理に際しては前記同軸照明光の色を黄色または赤色とし、前記ボールの外径寸法の検出処理に際しては前記同軸照明光の色を青色とし、前記ボールの圧着点の検出処理に際しては前記同軸照明光の色を赤色または黄色とすることを特徴とするものである。
請求項３記載の発明は、前記請求項２記載の発明において、前記パッドの合焦点高さの検出処理に際して、撮像手段を所定のステップ間隔で上下方向に移動しながら、各ステップ位置において前記青色の同軸照明光で照らされるパッドとボールの接合部分の平面画像を撮影し、各撮像画像におけるパッドのエッジ部分の輝度変化を求め、該輝度変化が最大となる撮影画像の撮像高さ位置を当該パッドの合焦点高さとすることを特徴とするものである。
請求項４記載の発明は、前記請求項２記載の発明において、前記ボール圧着面の合焦点高さの検出処理に際して、所定のステップ間隔で撮像手段を上下方向に移動しながら、各ステップ位置において前記黄色または赤色の同軸照明光で照らされるパッドとボールの接合部分の平面画像を撮影し、各撮影画像におけるボール圧着面の輝度変化を求め、該輝度変化が最大となる撮影画像の撮像高さ位置を当該ボール圧着面の合焦点高さとすることを特徴とするものである。
請求項５記載の発明は、前記請求項２記載の発明において、前記ボールの外径寸法の検出処理に際して、撮像手段によって前記青色の同軸照明光で照らされるパッドとボールの接合部分の平面画像を撮影し、該撮影画像におけるボール外周のエッジ部分の輝度変化を求め、該輝度変化が最大となる左右の画素位置間の距離を当該ボールの外径寸法とすることを特徴とするものである。
請求項６記載の発明は、前記請求項２記載の発明において、前記ボールの圧着点の検出処理に際して、撮像手段によって前記赤色または黄色の同軸照明光で照らされるパッドとボールの接合部分の平面画像を撮影し、該撮影画像におけるインサイドチャンファ部外周のエッジ部分の輝度変化を求め、該輝度変化が最大となる左右の画素位置間の中間点を当該ボールの圧着点とすることを特徴とするものである。
請求項７記載の発明は、前記請求項１乃至請求項６記載の発明において、前記同軸照明光に加え、補助光としてリング照明光を用いることを特徴とするものである。
本発明によれば、ボールの接合状態の検出内容に応じて同軸照明光の色を最適な色に変えるようにしたので、検出内容に応じた正確な検出を行うことができ、従来問題となっていたコントラスト不足などに基づく誤検出を可能な限り防止することができる。
特に、パッドの合焦点高さの検出処理に際して同軸照明光の色を青色とし、ボール圧着面の合焦点高さの検出処理に際して同軸照明光の色を黄色または赤色とし、ボールの外径寸法の検出処理に際して同軸照明光の色を青色とし、ボールの圧着点の検出に際して同軸照明光の色を赤色または黄色とすれば、上記効果をより確実に達成することができる。
また、補助光としてリング照明光を用いれば、撮影画像のコントラストを微調整することが可能となり、より確実な検査を実現できる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明方法を適用して構成したワイヤボンディング検査装置の一実施の形態を示すブロック図である。
図において、１１は水平面内で移動自在とされたＸ−Ｙテーブル、１２は半導体チップ２のパッド３とボール５の接合部分を上方から撮影するためのＺ軸方向（上下方向）移動自在なモノクロ式のカメラ（以下、単に「カメラ」という）、１３はカメラのレンズ、１４はＸ−Ｙテーブル１１とカメラ１２を任意の位置に移動するためのＸＹＺ軸駆動機構、１５はＸＹＺ軸駆動機構１４の移動制御を行なうＸＹＺ位置制御部、１６はカメラ１２で撮影し輝度画像を取り込んでボール５の圧着径Ｄ，圧着厚ｔ，圧着点Ｏを画像処理によって検出する画像処理部、１７は撮影画像や処理データなどを表示するためのモニタ、１８は装置全体の処理動作を制御する制御回路、１９は同軸照明用ＲＧＢ光源、２０は同軸照明手段、２１はリング照明用ＲＧＢ光源、２２はリング照明手段である。
前記同軸照明用ＲＧＢ光源１９とリング照明用ＲＧＢ光源２１は、それぞれ赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の三原色からなる発光ダイオード（ＬＥＤ）とその点灯制御回路から構成され、制御回路１８の制御の下、ＲＧＢの各発光ダイオードを駆動制御することにより任意の色の照明光を作り出し、光ファイバー２３，２４などを通じてそれぞれ同軸照明手段２０，リング照明手段２２に供給するものである。
同軸照明手段２０は、例えばレンズ１３の鏡胴内に４５度に傾斜配置したハーフミラーなどから構成され、同軸照明用ＲＧＢ光源１９から光ファイバー２３を通じて送られてくる照明光をレンズ１３の光軸と平行な同軸光としてボール５，パッド３に向けて照射するものである。
リング照明手段２２は、例えば多数本で構成された光ファイバー２３の各ファイバー先端をレンズ１３の鏡胴まわりにリング状に配置したもので、リング照明用ＲＧＢ光源２１から送られてくる照明光をレンズ１３の外周３６０°の方向からボール５，パッド３に向けて照射するものである。
半導体チップ２を搭載したリードフレーム１は、Ｘ−Ｙテーブル１１上に載置されており、半導体チップ２のパッド３にはボンディングワイヤ４の先端に形成されたボール５がキャピラリ６（図２参照）によって圧着接合されている。
本発明の検査方法では、ボール検出に必要なボール５の水平な面の画像を明確に得るために、同軸照明を採用している。上記したように、同軸照明光はカメラ１２のレンズ１３の光軸と平行に照射される光線であり、パッド３やボール５の水平な面に垂直上方から当たった同軸照明光はそのまま垂直上方に向かって反射されるので、カメラ１２に戻る率が高くなり、輝度が高くなる。一方、コーン部８の傾斜面やボール５の外周縁の円弧面などに当たった同軸照明光は反射の法則に従って斜め外方に反射されるので、カメラ１２に戻る率が低くなり、輝度が低くなる。このため、同軸照明光を用いた場合には、ボール検出に必要なボール５の水平面からコントラストの高い画像を得ることができる。
一方、リング照明光は、レンズ１３の鏡胴外周にリング状に配置した光ファイバーなどから斜めに照射される光であり、パッド３やボール５の水平な面からの反射光が少なく、コーン部８の傾斜面やボール５の外縁の円弧面に当たった反射光が強くなる可能性がある。そのため、リング照明光によるときは、本来、画像処理のために得たい画像と異なったものになる可能性が高い。そこで、本発明ではボール検出に必要なボール５の水平な面の画像を明確に得ることができる同軸照明を採用し、リング照明については、ボールの外径検出時などにおいて同軸照明だけでは検査に支障を来すような場合などに、コントラスト調整用の補助光として用いるようにしている。したがって、リング照明はＲＧＢ光源でなくてもかまわない。
上記構成のワイヤボンディング検査装置において、本発明方法による具体的な処理例を図３のフローチャートの流れに従って説明する。
［１］ パッド合焦点高さの検出処理（図３のステップＳ１〜Ｓ３）
まず最初に、パッド３の合焦点高さ、すなわちパッド３の表面のＺ軸（上下）方向の位置検出について、図４の撮影画像を参照して説明する。
処理が開始されると、ＸＹＺ位置制御部１５は、制御回路１８の制御の下、ＸＹＺ軸駆動機構１４を駆動制御し、カメラ１２を予め設定されたパッド合焦点高さの測定範囲の最大高さ位置（あるいは最低高さ位置）に移動する（図３のステップＳ１）。
これと同時に、制御回路１８は同軸照明用ＲＧＢ光源１９内の発光ダイオードを駆動制御して青色（Ｂ）光を作り、この青色光を光ファイバー２３を通じて同軸照明手段２０に送ることにより、ボール５とバッド３の部分を青色同軸光によって照明する（図３のステップＳ２）。なお、パッド３の合焦点高さを求める際に、照明光として青色光を用いる理由は次の通りである。
本発明者らは、これまでの実験や研究ならびに実機製造に基づく経験から、表面の細かい凹凸を画像化したい場合は赤色光または黄色光を用い、表面の細かい凹凸を画像化したくない場合は青色光を用いればよいという知見を得た。パッド３の合焦点高さを求める場合、パッド３の表面の細かい凹凸は不要であり、パッド３に輝度のバラツキがないほうが検出に有利である。そこで、照明光として青色光を採用した。
また、いま検出対象としているパッド３の合焦点高さは、図４に示す撮影画像において、パッド３のエッジ３ａ部分を検出することで求めているが、このときパッド３のエッジ付近に半導体チップ２の内部パターンなどが存在すると、赤色光や黄色光を用いた場合、その内部パターンの輝度レベルが高くなってしまい、パッド３と内部パターンとの間にコントラストがつかず、パッド３のエッジの検出に悪影響を及ぼすおそれがある。したがって、このような内部パターンの輝度レベルを抑えることも青色の照明光を採用した理由の１つである。
カメラ１２は、上記青色同軸光によって照明されたパッド３とボール５の接合部分の平面画像を撮影し、図４に示すような輝度画像として画像処理部１６に送る。そして、画像処理部１６は、この青色同軸光によって撮影された輝度画像を基に以下に述べるような画像処理を実行し、パッド３の合焦点高さ、すなわちパッド３の表面のＺ軸（上下）方向の位置を検出する（図３のステップＳ３）。
まず最初に、画像処理部１６は、送られてきた図４の撮影画像を取り込み、該撮影画像中のパッド３の縦横の幅を検出し、該パッド幅が基準サイズ範囲内に入っているか否かを判定する。
もし、基準のサイズ範囲内に入っていない場合には、正常な測定ができないと判定し、予め定めた所定のステップ間隔（例えば１μｍ間隔）でカメラ１２を次の高さ位置へ移動させ、上記の動作を繰り返す。
一方、基準サイズ範囲内に入っている場合には、正常な測定が可能であると判定し、当該撮影画像中のパッド３のエッジ付近の輝度レベルを算出する。このパッド３のエッジ付近の輝度レベルの算出は、図４に示すような方法で行なわれる。
すなわち、撮影画像中のパッド３のエッジ３ａを検出し、このエッジ３ａの例えばコーナー付近の８個所に、エッジ３ａをまたぐようにして所定の大きさからなる８個の輝度検出窓Ｗ１〜Ｗ８をそれぞれ設定する。
図示例の場合、この輝度検出窓Ｗ１〜Ｗ８の大きさは、図４中の右側最上段位置に輝度検出窓Ｗ１について例示したように、エッジ３ａと平行な向きに４画素幅、エッジ３ａと直交する向きに８画素幅の４行×８列（計３２画素）からなる輝度検出窓とした。
上記８個の輝度検出窓Ｗ１〜Ｗ８を設定したら、各輝度検出窓Ｗ１〜Ｗ８のそれぞれについて、エッジ３ａと平行な列方向にその輝度値を加算して平均化し、得られた各平均輝度値について隣り合う輝度値同士の差分を求め、得られた差分値中から最も値の大きな最大差分輝度値を抽出する。
そして、各輝度検出窓Ｗ１〜Ｗ８においてそれぞれ得られた８個の最大差分輝度値を加算し、この加算値を当該撮影画像におけるパッド３の輝度レベルとする。なお、輝度検出窓を１個しか設定しなかった場合には、当該輝度検出窓内の最大差分輝度値をそのまま当該撮影画像におけるパッド３の輝度レベルとすればよい。
理解を容易とするため、図４中の輝度検出窓Ｗ１について具体的に説明する。
いま、４行×８列（計３２画素）からなる輝度検出窓Ｗ１の各画素の輝度値が図４中の右側最上段の表中に示すような値だったとすると、まず最初に、エッジ３ａと平行な方向に各列の輝度値を加算した後、各列毎にその平均値を求める。
次いで、この得られた８個の平均輝度値について、隣り合う平均輝度値同士の差分を算出する。このようにして得られた差分輝度値中において、値が最大となる差分輝度値（図４では、３５．３）を当該輝度検出窓Ｗ１の最大差分輝度値として決定する。
ところで、実際の測定においては、エッジ３ａが輝度検出窓ｗ１中の画素と画素の境目ではなく画素の真上を通る場合もある。このような場合には、エッジ３ａと重なる画素部分の輝度値は実際よりも小さくなり、その差分値も実際よりも小さくなる可能性がある。
したがって、上記のようにして得られた最大差分輝度値３５．３をそのまま当該輝度検出窓Ｗ１の最大差分輝度値として採用してもよいが、より好ましくは、その左右の差分輝度値２．３と２１．８を用いて２次関数近似によりピーク値補正を行ない、この補正後のピーク値を当該輝度検出窓の最大差分輝度値として採用することが望ましい。参考のため、図４中に左右の差分輝度値２．３と２１．８を用いて２次関数近似によりピーク値補正した値（３７．２９）も示した。
同様に８個所の輝度検出窓Ｗ１〜Ｗ８のそれぞれについて最大差分輝度値が得られたら、該得られた８個の最大差分輝度値を加算し、この加算値を当該撮影画像におけるパッド３の輝度レベルとして決定する。
上記のようにして当該撮影画像におけるパッド３の輝度レベルが得られたら、予め定めた所定のステップ間隔（例えば１μｍ間隔）でカメラ１２を次の位置へ移動させて撮影を繰り返し、各撮影画像におけるパッド３の輝度レベルの測定を繰り返す。
予め定めた全測定範囲について所定ステップ間隔（例えば１μｍ間隔）毎に上記パッド３の輝度レベルの測定が完了したら、すべての撮影画像中から前記パッド３の輝度レベルが最も大きな撮影画像を選択し、この選択した撮影画像の撮像高さ位置をカメラ１２の焦点が最も合っている位置、すなわちパッド３の合焦点高さとして決定する。
ところで、上記各撮影画像は予め定められたステップ間隔（例えば１μｍ間隔）で順次撮影されるため、パッド３の正確な合焦点高さがカメラ１２で実際に撮影していないステップとステップの中間位置に存在する場合もあり得る。また、上記のようにして算出された各撮影画像におけるパッド３の輝度レベルには測定誤差も含まれている。
したがって、パッド３の輝度レベルが最も大きな撮影画像の撮像高さ位置を当該パッド３の合焦点高さとしてそのまま採用してもよいが、より好ましくは、測定された各撮影画像におけるパッド３の輝度レベルデータを用いて合焦点高さの２次関数近似を行ない、得られた近似曲線中のピーク位置をパッド３についてのより正確な合焦点高さとして採用することが望ましい。
図５に、上記２次関数近似によるピーク位置の算出例を示す。
この図５は、基準面を中心として上下方向±３０μｍの高さ範囲をピッチ１μｍ間隔で順次撮影した６１枚の撮影画像についてのパッド３の輝度レベルデータをプロットしたものである。
図示するように、算出されたパッド３の輝度レベルデータには測定誤差などによる凹凸があり、単純に最大の輝度レベル位置をパッド３の合焦点高さとすることは難しいことが分かる。そこで、測定された輝度レベルデータ中から連続したｎ点のデータを用いて２次曲線近似を行ない、得られた近似曲線のピーク位置をパッド３の本当の合焦点高さとして決定すれば、より合理的であることが分かる。
例えば、図５において、−３０〜−１０μｍの範囲のｎ＝２１点のデータを用いて２次曲線近似を行なうと、図中の近似曲線Ａのようになり、−１０〜＋１０μｍの範囲のｎ＝２１点のデータを用いて２次曲線近似を行なうと、図中の近似曲線Ｂのようになり、＋１０〜＋３０μｍの範囲のｎ＝２１点のデータを用いて２次曲線近似を行なうと、図中の近似曲線Ｃのようになる。
この３つの近似曲線Ａ、Ｂ、Ｃを見れば明らかなように、２次曲線近似に用いるデータによってその結果が大きく変わり、ピーク点が含まれると予測される範囲の輝度レベルデータ、すなわち−１０〜＋１０μｍの範囲の輝度レベルデータを用いて２次曲線近似すれば、合焦点高さを正確に近似できることが分かる。
そこで、本発明では、上記最適な２次曲線近似を実現するために、２次曲線近似に用いるデータ範囲を順次シフトさせながらそれぞれのデータ範囲において２次近似曲線を算出し、得られた各２次近似曲線ｙ＝ａｘ２＋ｂｘ＋ｃ中においてその２次係数ａが最小となる近似曲線をパッド３の合焦点高さを算出するための近似曲線として採用するようにした。図５の例の場合、近似曲線Ａの２次係数ａ＝０．１８０６、近似曲線Ｂの２次係数ａ＝−１．０８８５、近似曲線Ｃの２次係数ａ＝０．０４６であるから、合焦点高さを算出するための２次近似曲線としては２次係数ａが最も小さな値（ａ＝−１．０８８５）となる近似曲線Ｂを選択する。
上記のようにして選択された近似曲線Ｂからピーク点位置を求めるには、ピーク位置の存在する近似曲線ｙは常に上に凸の２次曲線となることに着目し、この上に凸の近似曲線Ｂ上の傾き（いわゆる１次微分）が０となる位置、すなわちｘ＝−ｂ／２ａの位置をピーク点位置とすればよい。図５の例の場合、得られた近似曲線Ｂは、ｙ＝−1.0885ｘ２＋0.5114ｘ＋249.89であるから、ｘ＝−ｂ／２ａ≒０．２３５となり、パッド３の基準面からの合焦点高さは０．２３５μｍとして求まる。
上記のようにして、パッド３の合焦点高さが得られたら、当該得られた合焦点高さが本当に正しいものと認められるか否かのチェックを行なう。すなわち、ピーク値を有する２次曲線は上に凸の２次曲線であるため、得られた近似曲線ｙ＝ａｘ２＋ｂｘ＋ｃにおける２次係数ａは負の値となり、正の値となることはない。また、パッド３の合焦点高さも設計上許容される範囲があり、得られた合焦点高さはこの許容範囲内に入っている必要がある。
正しいものと認められた場合には、一連の処理を終了する。一方、正しいものと認められない場合には、合焦点高さの測定範囲を新たに設定し直した後、上述したパッド３の合焦点高さの測定処理を再度行なう。このようにして、パッド３の合焦点高さを画像処理によって自動的に求めることができる。
なお、パッド３の合焦点高さの測定に際し、輝度検出窓Ｗ１〜Ｗ８をパッド３のエッジ３ａをまたぐように設定し、この輝度検出窓内における隣合う画素同士の輝度差を利用したのは、以下のような理由によるものである。
一般的に、パッド３のエッジ付近はエッジ３ａを境にしてその左右で輝度が急激に変化するが、この輝度変化の大小は撮影画像のピントが合っているか否かによって大きく変わる。すなわち、ピントが合っていれば、撮影画像が鮮明になるのでエッジ３ａを境にして左右の輝度差は大きくなり、ピントが合っていなければ、撮影画像がぼやけるのでエッジ３ａの左右の輝度差は小さくなる。
このため、エッジ３ａをまたぐようにして設定した輝度検出窓内における隣り合う画素同士の輝度値の差分をとれば、その差の大きさによって撮影画像のピントがどの程度合っているか否かを客観的に知ることができる。
したがって、上下方向に所定のステップ間隔（例えば１μｍ間隔）で順次撮影した各撮影画像について、前記パッド３の輝度レベルを算出して比較すれば、その輝度レベルの大小からピントの合っている撮影画像がどれであるかを客観的かつ正確に決定できるものである。
［２］ ボール圧着面の合焦点高さの検出処理（図３のステップＳ４〜Ｓ６）
次に、ボール圧着面９の合焦点高さ、すなわちボール圧着面９の表面のＺ軸（上下）方向の高さ位置を求める処理について、図６の撮影画像を参照して説明する。
処理が開始されると、ＸＹＺ位置制御部１５は、制御回路１８の制御の下、ＸＹＺ軸駆動機構１４を駆動制御し、カメラ１２を予め設定されたボール圧着面９の合焦点高さの測定範囲の最大高さ位置（あるいは最低高さ位置）に移動する（図３のステップＳ４）。
これと同時に、制御回路１８は同軸照明用ＲＧＢ光源１９内の発光ダイオードを駆動制御して黄色光（または赤色光）を作り、この黄色光（または赤色光）を光ファイバー２３を通じて同軸照明手段２０に送ることにより、ボール５とバッド３の部分を黄色同軸光（または赤色同軸光）によって照明する（図３のステップＳ５）。
なお、ボール圧着面９の合焦点高さを求める際に、照明光として黄色光または赤色光を用いる理由は次の通りである。ボール圧着面９の合焦点高さは、図６に示す撮影画像において、ボール圧着面９の表面の凹凸模様を検出することにより行なっている。一般に、カメラ１２のピントがボール圧着面９の表面に合えば合うほど、表面の凹凸模様がはっきりと表れる。したがって、できるだけボール圧着面の輝度レベルを上げて画像にコントラストを付けるほうがボール圧着面９の表面の凹凸模様を検出しやすくなる。そこで、照明光としては、コントラストが付いて表面の凹凸模様を浮き上がらせやすい黄色光または赤色光を採用したものである。
カメラ１２は、上記黄色同軸光（または赤色同軸光）によって照明されたパッド３とボール５の接合部分の平面画像を撮影し、図６に示すような輝度画像として画像処理部１６に送る。そして、画像処理部１６は、この黄色同軸光（または赤色同軸光）で撮影された輝度画像を基に以下に述べるような画像処理を実行し、ボール圧着面９の合焦点高さ、すなわちボール圧着面９のＺ軸（上下）方向の位置を検出する（図３のステップＳ６）。このボール圧着面９の輝度レベルの算出は、図６に示すような方法で行なわれる。
まず最初に、取り込んだ撮影画像中のボール圧着面９に位置して、ボール５の半径方向に沿わせて所定大きさからなる輝度検出窓Ｗを設定する。
図示例の場合、図６中の右側最上段位置に輝度検出窓Ｗとして例示したように、ボール５の半径方向と直交する向きに４画素幅、半径方向に沿う向きに８画素幅の４行×８列（計３２画素）からなる輝度検出窓とした。
上記輝度検出窓Ｗを所定の回転ステップ角θで順次回転させながら、各回転ステップ位置において、そのときの輝度検出窓Ｗ内の隣り合う画素同士の差分輝度値を算出する。そして、輝度検出窓内の差分輝度値を列方向に加算し、得られた加算値を当該回転ステップ位置におけるボール圧着面９の差分輝度値とする。
上記ボール圧着面９の差分輝度値を各回転ステップ位置についてそれぞれ求め、各回転ステップ位置で得られたボール圧着面９の差分輝度値を加算し、得られた加算値を当該撮影画像におけるボール圧着面９の輝度レベルとする。
理解を容易とするため、図６を参照して上記処理を具体的に説明する。
いま、図中の右水平位置における輝度検出窓Ｗの各画素の輝度値が図７中の右側最上段の表に示すような値だったとすると、ボール５の半径方向（行方向）に沿って隣り合う画素同士の差分演算を行ない、その差分輝度値（絶対値）を求める。
次いで、上記得られた２８個の差分輝度値を加算し、その加算値３５０を図示の右側水平な回転ステップ位置におけるボール圧着面９の差分輝度値とする。
上記したボール圧着面９の差分輝度値を各回転ステップ位置毎にそれぞれ求め、各回転ステップ位置についてボール圧着面９の差分輝度値がそれぞれ得られたら、該得られた各回転ステップ位置におけるボール圧着面９の差分輝度値を加算し、この加算された差分輝度値を当該撮影画像におけるボール圧着面９の輝度レベルとする。
上記のようにして１つの撮影画像についてボール圧着面９の輝度レベルが得られたら、予め定めた所定のステップ間隔（例えば１μｍ間隔）でカメラ１２を次の測定位置へ移動させ、該位置において上記ボール圧着面９の輝度レベルの算出処理を繰り返す。
そして、測定範囲内のすべてのステップ位置における撮影画像について上記ボール圧着面９の輝度レベルの測定が完了したら、当該半導体チップ２におけるボール圧着面９の合焦点高さを決定する。
ボール圧着面９の合焦点高さは、所定のステップ間隔で撮影したすべての撮影画像中から前記算出したボール圧着面９の輝度レベルが最も大きな撮影画像を抽出し、この抽出した撮影画像の撮像高さ位置をカメラ１２の焦点が最も合っている位置、すなわちボール圧着面９の合焦点高さとして決定すればよい。
しかしながら、このボール圧着面９の合焦点高さについても、前述したパッド３の合焦点高さの場合と同じように、各撮影画像は予め定められたステップ間隔（例えば１μｍ間隔）で順次撮影されるため、ボール圧着面９の正確な合焦点高さがカメラ１２で実際に撮影していないステップとステップの中間位置に存在する場合もあり得る。
したがって、上記ボール圧着面９の合焦点高さの決定に際し、上記した輝度レベルが最も大きな撮影画像の撮像高さ位置をボール圧着面９の合焦点高さとしてそのまま採用してもよいが、より好ましくは、前述したパッド３の合焦面高さの決定時と同じように、測定された各撮影画像のボール圧着面９の輝度レベルデータを用いて２次関数近似を行ない、得られた２次近似曲線を用いて合焦点高さのピーク位置を算出し、このピーク位置をボール圧着面９の合焦点高さとして採用することが望ましい。
このようにして、カメラ１２で撮影した撮影画像を基にボール圧着面９の合焦点高さを画像処理によって自動的に求めることができる。
なお、ボール圧着面９の合焦点高さの測定に際し、輝度検出窓Ｗをボール圧着面９の内部側に設定し、ボール５のエッジ部分（外径線５ａ）に設定しなかったのは、以下のような理由によるものである。
もし、前述したパッド３の合焦点高さの測定のときと同じように、輝度検出窓Ｗをボール５のエッジ部分（外径線５ａ）をまたぐように設定すると、ボールエッジ部分とパッド３との間の輝度差が最大となる高さを求めることになる。このような検出を行なうと、図２からも明らかなように、ボール５のエッジ部分は円弧状の曲面を呈しているために、実際に求めようとするボール圧着面９の平らな部分の高さよりも低い位置がボール圧着面９の合焦点高さとして求められる可能性が高い。また、ボール５のエッジ部分の曲面形状の違いにより検出される高さにバラツキを生じるおそれもある。実際に、ボール５のエッジ部分に輝度検出窓Ｗを設定して測定したところ、ボール圧着面９の平らな部分の高さよりも２μｍ程度低い値となることが確認された。
そこで、輝度検出窓Ｗをボール圧着面９の内部側に設定し、この輝度検出窓Ｗ内の隣り合う画素同士の輝度差からボール圧着面９の合焦点高さを求めるようにしたものである。一般的に、ボール圧着面９にピントが合っていればいるほど、ボール圧着面９の表面の細かい凹凸模様が明確に見えるようになり、輝度検出窓Ｗ内における隣り合う画素同士の輝度差も大きくなる。したがって、隣り合う画素同士の輝度差を求めてこれを加算し、その加算値を比較すれば、加算値の最も大きな撮影画像の撮像高さ位置が最もピントが合っている位置、すなわちボール圧着面９の合焦点位置であるとして決定することができる。
［３］ボール圧着厚ｔの算出（図３のステップＳ７）
上記のようにしてパッド３の合焦点高さとボール圧着面９の合焦点高さが得られたら、得られたパッド３の合焦点高さとボール圧着面９の合焦点高さとの差分演算（引き算）を行なう。このようにして得られた差分値がボール５の圧着厚ｔ（図２参照）となる。以上のようにして、ボール５の圧着厚ｔを画像処理によって自動的に測定することができる。
［４］ボール外径の検出処理（図３のステップＳ８〜Ｓ１０）
次に、ボール外径Ｄの検出処理について、図７の撮影画像を参照して説明する。
処理が開始されると、ＸＹＺ位置制御部１５は、制御回路１８の制御の下、ＸＹＺ軸駆動機構１４を駆動制御し、カメラ１２を予め設定されたボール外径Ｄの測定位置に移動する（図３のステップＳ８）。
これと同時に、制御回路１８は同軸照明用ＲＧＢ光源１９内の発光ダイオードを駆動制御して青色光を作り、この青色光を光ファイバー２３を通じて同軸照明手段２０に送ることにより、ボール５とバッド３の部分を青色同軸光によって照明する（図３のステップＳ９）。
なお、ボール外径Ｄを求める際に、照明光として青色光を用いる理由は次の通りである。ボール外径Ｄは、図７に示す撮影画像において、ボール圧着面９とパッド３の境界のエッジ部分を検出することで求めている。そこで、ボール圧着面９とパッド３の輝度レベル差を明確にするため、青色光を採用した。赤色光や黄色光の場合、ボール圧着面９とバッド３の両方の輝度が大きくなってしまい、ボール圧着面９とパッド３との間に大きなコントラストがつかず、エッジの検出が難しくなる。
カメラ１２は、青色同軸光によって照明されたパッド３とボール５の接合部分の平面画像を撮影し、図７に示すような輝度画像として画像処理部１６に送る。そして、画像処理部１６は、この青色同軸光で撮影された輝度画像を基に以下に述べるような画像処理を実行し、ボール外径Ｄを検出する（図３のステップＳ１０）。このボール外径Ｄの算出は、図７に示すような方法で行なわれる。
まず最初に、取り込んだ撮影画像中のボール５の外径線（エッジ）５ａの両端間をまたぐ長さと幅からなる輝度検出窓Ｗをボール５の半径方向に沿わせて設定する。
そして、上記輝度検出窓Ｗを所定の回転ステップ角θで順次回転させながら、各回転ステップ位置において、輝度検出窓Ｗ内の全画素の輝度値を取り込み、半径方向と直交する向き（列方向）にその輝度値を加算して平均化した後、この平均輝度値について隣り合う輝度値同士の差分を求める。一例として、図７中に、右側水平位置の輝度検出窓Ｗの右端Ａ部分の各画素についての輝度値、平均値、差分値を示した。
次いで、該得られた差分値中において、輝度検出窓Ｗの右端側Ａ部分について、右端から数えて最初の差分ピーク値となる画素（図７では、差分値−３５．３となる画素）を抽出する。同様に、輝度検出窓Ｗの左端側Ｂ部分についても左端から数えて最初の差分ピーク値となる画素（図示せず）を抽出する。この左右一対のピーク値を与える画素は、それぞれボール５の外径線５ａの左右のエッジ位置を示している。
したがって、上記のようにして抽出された左右一対のピーク値画素間の距離を算出すれば、ボール５の外径線５ａの直径、すなわちボール外径Ｄを求めることができる。このピーク値画素間の距離は、それぞれの画素の位置座標（Ｘ，Ｙ）から簡単に算出することができる。
ところで、実際の測定においては、前記図４のパッド３の合焦点高さの検出処理の際にも述べたように、ボール５の外径線（エッジ）５ａが画素と画素の境目ではなく画素の真上を通る場合もある。このような場合には、外径線５ａと重なる画素の輝度値は実際よりも小さくなり、その差分値も実際よりも小さくなる可能性がある。
したがって、上記のようにして得られた最大差分輝度値−３５．３の座標位置をそのまま外径線５ａの座標位置として採用してもよいが、より好ましくは、図４の場合と同じように、その左右の差分輝度値−２１．８と−２．３を用いて２次関数近似によりピーク値補正を行ない、この補正後のピーク値を与える位置を外径線５ａの実際の座標位置として採用することが望ましい。
参考のため、図７中に、左右の差分輝度値−２１．８と−２．３を用いて２次関数近似により補正した後のピーク値−３５．７と、この補正ピーク値−３５．７の位置を与えるピーク位置の補正値−０．１０５も示した。実際の外径線５ａの位置は、最大差分輝度値−３５．３となる画素位置から０．０１５だけ左（−）へ寄った位置となる。輝度検出窓Ｗの左端側Ｂ部分についても同様に補正を行ない、これら補正後のピーク位置の位置座標からボール外径Ｄを算出すればよい。
上記のようにして各回転ステップ位置毎にそれぞれボール外径Ｄを求めたら、得られたすべてのボール外径Ｄについての平均値を求め、該平均値を当該ボール５のボール外径Ｄとして決定すればよい。以上のようにして、ボール外径Ｄを画像処理によって自動的に測定することができる。
［５］ボールの圧着点の検出処理（図３のステップＳ１１〜Ｓ１３）
次に、ボール５の圧着点Ｏ、すなわちボール５の中心位置の検出処理について、図８の撮影画像を参照して説明する。
処理が開始されると、ＸＹＺ位置制御部１５は、制御回路１８の制御の下、ＸＹＺ軸駆動機構１４を駆動制御し、カメラ１２を予め設定された測定位置に移動する（図３のステップＳ１１）。
これと同時に、制御回路１８は同軸照明用ＲＧＢ光源１９内の発光ダイオードを駆動制御して赤色光（または黄色光）を作り、この赤色光（または黄色光）を光ファイバー２３を通じて同軸照明手段２０に送ることにより、ボール５とパッド３の部分を赤色同軸光（または黄色同軸光）によって照明する（図３のステップＳ１２）。
なお、ボール５の圧着点Ｏを求める際に照明光として赤色光または黄色光を用いる理由は次の通りである。図示例の場合、ボール５の圧着点Ｏの検出は、図８に示す撮影画像において、コーン部８の外径線８ａを検出することにより行なっている。したがって、外径線８ａを検出するにはコーン部８とボール圧着面９との輝度差が大きいことが望ましい。したがって、輝度差が大きくなる赤色光または黄色光を採用ものである。青色光の場合、コーン部８とボール圧着面９との輝度差が小さいので、外径線８ａの検出が難しくなる。
カメラ１２は、赤色同軸光（または黄色同軸光）によって照明されたパッド３とボール５の接合部分の平面画像を撮影し、図８に示すような輝度画像として画像処理部１６に送る。そして、画像処理部１６は、この赤色同軸光（または黄色同軸光）で撮影された輝度画像を基に以下に述べるような画像処理を実行し、ボール５の圧着点Ｏを検出する（図３のステップＳ１３）。このボール５の圧着点Ｏの検出は、図８に示すような方法で行なわれる。
まず最初に、取り込んだ撮影画像中のコーン部８の外径線８ａの両端間をまたぐ長さと幅からなる輝度検出窓Ｗをボール５の半径方向に沿わせて設定する。
そして、上記輝度検出窓Ｗを所定の回転ステップ角θで順次回転させながら、各回転ステップ位置において、輝度検出窓Ｗ内の全画素の輝度値を取り込み、半径方向と直交する向き（列方向）にその輝度値を加算して平均化した後、この平均輝度値について隣り合う輝度値同士の差分を求める。一例として、図８の右側部分に、この輝度検出窓Ｗの右端側Ａ部分の画素について、輝度値、平均値、差分値を示した。
次いで、該得られた差分値中において、輝度検出窓Ｗの右端側Ａ部分について、右端から数えて最初の差分ピーク値となる画素（図８では、差分値１２．３となる画素）を抽出する。同様に、輝度検出窓Ｗの左端側Ｂ部分についても左端から数えて最初の差分ピーク値となる画素（図示せず）を抽出する。この左右一対のピーク値を与える画素は、それぞれコーン部８の外径線８ａの左右のエッジ位置を示している。
したがって、上記のようにして抽出された左右一対のピーク値画素間の中間点を求めれば、ボール５の圧着点Ｏを求めることができる。このピーク値画素間の中間点は、それぞれの画素の位置座標（Ｘ，Ｙ）から簡単に算出することができる。
ところで、実際の測定においては、前記図７の場合と同じく、コーン部８の外径線８ａが画素と画素の境目ではなく画素の真上を通る場合もある。このような場合には、外径線８ａと重なる画素の輝度値は実際よりも小さくなり、その差分値も実際よりも小さくなる可能性がある。
したがって、上記のようにして得られた最大差分輝度値の座標位置をそのまま外径線８ａの座標位置として採用してもよいが、より好ましくは、前記図７の場合と同様に、その左右の差分輝度値（図８の例では、９．５と６．０）を用いて２次関数近似によりピーク値補正を行ない、この補正後のピーク値を与える位置を外径線８ａの実際の座標位置として採用することが望ましい。
参考のため、図７中に、左右の差分輝度値９．５と６．０を用いて２次関数近似により補正した後のピーク値１２．３３５と、この補正ピーク値１２．３３５の位置を与えるピーク位置の補正値−０．０９７も示した。実際の外径線８ａの位置は、最大差分輝度値１２．３となる画素位置から０．０１５だけ左（−）へ寄った位置となる。輝度検出窓Ｗの左端側Ｂ部分についても同様に補正を行ない、これら補正後のピーク位置の位置座標からボール５の圧着点Ｏを算出すればよい。
上記のようにして各回転ステップ位置毎にそれぞれボール５の圧着点Ｏを求めたら、得られたすべての圧着点Ｏについての平均値を求め、該平均値を当該ボール５の圧着点Ｏとして決定すればよい。以上のようにして、ボール５の圧着点Ｏを画像処理によって自動的に測定することができる。
なお、図８の例では、インサイドチャンファ部７によって形成されるコーン部８の外径線８ａを使ってボール５の圧着点Ｏを求めたが、ボール５の外径線５ａを使って圧着点Ｏを求めることもできる。インサイドチャンファ部７によって形成されるコーン部８の外径線８ａを用いる場合は、キャピラリ６の中心点を求めることに等しく、ボール５の外径線５ａを用いる場合は、ボンディングされた実際のボール５の中心点を求めることに等しい。どちらを採用するかは、必要に応じて設定すればよい。ちなみに、ワイヤボンディング装置の製造メーカーでは、キャピラリ６が設計通りの位置に動いているかどうかその軌跡を知るためにインサイドチャンファ部７によって形成されるコーン部８の外径線８ａを用いることが多く、半導体チップの製造メーカーでは、実際のボンディング精度を確認するためにボール５の外径線５ａを用いることが多い。
以上、本発明方法の一実施の形態について説明したが、上記実施の形態では理解を容易とするために図４、図６、図７に示した各処理をそれぞれ別々に分けて独立に説明したが、実際の検査装置では、これらの処理はカメラを上下移動させながら必要な位置で必要な処理を同時並行に行なわせるようにしている。
また、カメラ１２の上下方向の送りステップ間隔、輝度検出窓ｗ、Ｗ１〜Ｗ８の大きさや設定数、回転ステップ角θなどは、処理装置１６の処理能力や必要とする測定精度に応じて最適な値に設定されるものである。
また、リング照明用ＲＧＢ光源２１とリング照明手段２２によるリング照明は、上記同軸照明による各測定処理に際し、撮影画像に最適なコントラストを与えるための補助光として、必要なときに使用されるものである。
また、上記実施の形態では、パッドの合焦点高さの検出処理、ボール圧着面の合焦点高さの検出処理、ボールの外径寸法の検出処理、ボールの圧着点の検出処理の順に各処理を実行したが、この実行順序は要求に応じて前後入れ替えてもよいものであり、固定的に処理されるものではない。
本発明方法を適用して構成したワイヤボンディングおけるボールの検査装置の一例を示すブロック図である。 ワイヤボンディングにおけるパッドとボールの接合状態の説明図である。 本発明方法の処理フローの一例を示す図である。 パッドの合焦点高さの測定原理の説明説明図である。 パッドの合焦点高さの２次曲線近似による決定方法の例を示す図である。 ボール圧着面の合焦点高さの検出処理の説明図である。 ボール外径の検出処理の説明図である。 ボール圧着点の検出処理の説明図である
符号の説明
１ リードフレーム
２ 半導体チップ
３ パッド
３ａ パッドのエッジ
４ ボンディングワイヤ
５ ボール
５ａ ボールの外径線（エッジ）
６ キャピラリ
７ インサイドチャンファ部
８ コーン部
８ａ コーン部の外径線
９ ボール圧着面
１１ Ｘ−Ｙテーブル
１２ カメラ（撮像手段）
１３ レンズ
１４ ＸＹＺ軸駆動機構
１５ ＸＹＺ位置制御部
１６ 画像処理部
１７ モニタ
１８ 制御回路
１９ 同軸照明用ＲＧＢ光源
２０ 同軸照明手段
２１ リング照明用ＲＧＢ光源
２２ リング照明手段
２３，２４ 光ファイバー
Ｗ、Ｗ１〜Ｗ８ 輝度検出窓
ｔ ボールの圧着厚
Ｄ ボール外径
Ｏ ボール圧着点（ボールの中心位置）

Claims (7)

  1. 半導体チップのパッドと外部電極との間をボールボンディングによって配線するワイヤボンディングのパッドとボール部分を撮像手段で撮影し、該撮像手段で撮影した平面画像から画像処理によってボールの接合状態を検出するようにしたワイヤボンディングにおけるボールの検査方法において、
    前記接合状態の検査内容は、少なくとも、パッドの合焦点高さ、ボール圧着面の合焦点高さ、ボールの外径寸法、ボールの圧着点の検出であって、
    前記パッドとボール部分を照らす照明光として撮像手段のレンズ光軸と平行な同軸光を用い、該同軸光の色を前記検査内容に応じて切り替えるようにしたことを特徴とするワイヤボンディングにおけるボールの検査方法。
  2. 前記パッドの合焦点高さの検出処理に際しては前記同軸照明光の色を青色とし、前記ボール圧着面の合焦点高さの検出処理に際しては前記同軸照明光の色を黄色または赤色とし、前記ボールの外径寸法の検出処理に際しては前記同軸照明光の色を青色とし、前記ボールの圧着点の検出処理に際しては前記同軸照明光の色を赤色または黄色とすることを特徴とする請求項１記載のワイヤボンディングにおけるボールの検査方法。
  3. 前記パッドの合焦点高さの検出処理に際して、撮像手段を所定のステップ間隔で上下方向に移動しながら、各ステップ位置において前記青色の同軸照明光で照らされるパッドとボールの接合部分の平面画像を撮影し、各撮像画像におけるパッドのエッジ部分の輝度変化を求め、該輝度変化が最大となる撮影画像の撮像高さ位置を当該パッドの合焦点高さとすることを特徴とする請求項２記載のワイヤボンディングにおけるボールの検査方法。
  4. 前記ボール圧着面の合焦点高さの検出処理に際して、所定のステップ間隔で撮像手段を上下方向に移動しながら、各ステップ位置において前記黄色または赤色の同軸照明光で照らされるパッドとボールの接合部分の平面画像を撮影し、各撮影画像におけるボール圧着面の輝度変化を求め、該輝度変化が最大となる撮影画像の撮像高さ位置を当該ボール圧着面の合焦点高さとすることを特徴とする請求項２記載のワイヤボンディングにおけるボールの検査方法。
  5. 前記ボールの外径寸法の検出処理に際して、撮像手段によって前記青色の同軸照明光で照らされるパッドとボールの接合部分の平面画像を撮影し、該撮影画像におけるボール外周のエッジ部分の輝度変化を求め、該輝度変化が最大となる左右の画素位置間の距離を当該ボールの外径寸法とすることを特徴とする請求項２記載のワイヤボンディングにおけるボールの検査方法。
  6. 前記ボールの圧着点の検出処理に際して、撮像手段によって前記赤色または黄色の同軸照明光で照らされるパッドとボールの接合部分の平面画像を撮影し、該撮影画像におけるインサイドチャンファ部外周のエッジ部分の輝度変化を求め、該輝度変化が最大となる左右の画素位置間の中間点を当該ボールの圧着点とすることを特徴とする請求項２記載のワイヤボンディングにおけるボールの検査方法。
  7. 前記同軸照明光に加え、補助光としてリング照明光を用いることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載のワイヤボンディングにおけるボールの検査方法。
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