JP4433419B2 - 球状体の形状測定方法 - Google Patents

Description

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。

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）。

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。
特開平１１−２６４６７号 特開２０００−２９２１３８号

本発明は、透光性を有する測定板の上面に開口するとともに当該上面の所定の領域に縦横方向に所定の配列で設けられた貫通穴の上部開口に複数の球状体を減圧吸引力で保持した後余剰球を測定板から刷き出し、貫通穴に保持された複数の球状体を含むように測定板を透過させた平行光をテレセントリックレンズを介して撮像し、その画像を画像処理して球状体の形状を算出する球状体の形状測定方法であって、要求される球状体の測定精度に基づいて撮像倍率を設定し、その撮像倍率から測定視野の大きさを求め、測定視野の大きさに応じ測定板を送りながら球状体を撮像することを特徴としている。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

本発明の全体フローの概要を表す図 マウント工程の概要を表す図 測定工程で用いられる測定装置概略を表す図 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 (1)

1. 透光性を有する測定板の上面に開口するとともに当該上面の所定の領域に縦横方向に所定の配列で設けられた貫通穴の上部開口に複数の球状体を減圧吸引力で保持した後余剰球を測定板から刷き出し、貫通穴に保持された複数の球状体を含むように測定板を透過させた平行光をテレセントリックレンズを介して撮像し、その画像を画像処理して球状体の形状を算出する球状体の形状測定方法であって、要求される球状体の測定精度に基づいて撮像倍率を設定し、その撮像倍率から測定視野の大きさを求め、測定視野の大きさに応じ測定板を送りながら球状体を撮像することを特徴とする球状体の形状測定方法。

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