JP4863103B2 - はんだボール接合状態の検査方法 - Google Patents

Description

本発明は、はんだボール搭載半導体製品の中でもBGA（Ball Grid Array）またはLGA（Land Grid Array）の各ランドとはんだボールとの接合状態の評価を非接触かつ短時間で行う検査方法に関する。

はんだボール搭載半導体製品の各ランドとはんだボールの接合状態は、この半導体製品が実装された電子機器の寿命へ影響を及ぼす大きな要因となる。

従来、はんだボール搭載半導体製品の各ランドとはんだボールとの接合評価としては、はんだボール搭載面の水平面からはんだボールをせん断破壊で評価するシェア試験、又はんだボール搭載面から垂直方向へ引っ張りはんだボールを破断強度で評価するプル試験などで、その時の強度や剥離面で評価を行い、その製品の各ランドとはんだボールとの接合状態良否を判定する破壊試験が行われていた。

しかしながら、これらの試験方法は良品であっても行う必要があり、これら試験済みはんだボール搭載半導体製品を修復する事は可能だが、時間とコストを要する欠点を有している。

これら破壊検査の代替検査方法として、特開２０００‐２６０８００号では、はんだボール搭載半導体製品のはんだボール搭載面の逆側から加熱し、加熱中の各はんだボール上の温度を赤外線カメラで撮影して得られるはんだボール上の温度変化データのみで良否判定を行う非破壊検査方法が開示されている。

また特許第３３７２９２４号では、はんだボール搭載半導体製品全体を一定温度まで加熱した後、はんだボール搭載面と逆側を冷媒として低温気体または低温液体を用いた平坦な冷却装置上に半導体製品を裁置し、冷却中に赤外線カメラで各はんだボールを撮影して得られるはんだボール上の温度変化のみから良否を判定する検査装置を開示している。

特開２０００‐２６０８００号 特許第３３７２９２４号

特開２０００‐２６０８００号は、はんだボール搭載面と逆面から加熱を行っており、良否判定に必要とするはんだボール表面温度まで到達する時間が、はんだボール搭載半導体製品の厚さ、材料、及び形状に依存するため、良否判定の精度低下、長時間化の問題点を有する。

特許第３３７２９２４号において、冷却方法では常に冷却装置を稼動させなければならず、更に冷水、液体窒素などの冷媒を用いる為、使用環境によっては冷却装置自体が結露するため、結露に対する策が別に必要となる。

これら開示されている良否判定方法では、はんだボール上の温度変化のみを用いた良否判定を行っているが、はんだボール搭載半導体製品のはんだボール搭載面と逆面が常に平坦という訳ではなく、はんだボール搭載半導体製品によっては、はんだボール搭載面とは逆面に穴が開いてる場合もあるため、良否判定に必要とする加熱または冷却が出来ず、良否判定が困難となる場合がある。

また開示されている加熱または冷却手段では、はんだボール搭載半導体製品の四方は何にも覆われていない為、端の部分から熱が大気中へ発散し良否判定に影響を与えるため、良否判定が不正確になる。

そこで上記課題を解決するために本発明は、はんだボール搭載半導体製品のはんだボール搭載面のみを加熱する加熱工程（５）と、加熱されたはんだボール搭載半導体製品のはんだボール搭載面のみを冷却する冷却工程（７）と、冷却手段（７）による冷却中の各はんだボールおよび各はんだボール近辺の基板上の赤外線を検出する赤外線検出工程（１０）と、赤外線検出工程（１０）で得られるはんだボール上の温度を各はんだボールの周囲基板上の温度で除した値と予め設定した基準値とを比較することにより、はんだボール搭載半導体製品の良品、不良品判定を行なう良否判定工程（１２）と、を含むことを特徴とするはんだボール接合状態検査方法から構成される。検査方法は、はんだボール搭載半導体製品のはんだボール搭載面へ加熱を行い、続けてはんだボール搭載面上を圧縮空気で強制冷却し、強制冷却中の各はんだボールと各はんだボール近辺の基板上温度を赤外線検出手段で測定し、得られた各はんだボール上の表面温度と各はんだボール近辺の基板上温度から算出される無次元化温度を予め設定した閾値と比較し、各はんだボール接合状態の良否判定をするものである。

その際、赤外線検出工程は、冷却と同時に各はんだボールおよびはんだボール近辺の基板上の温度分布測定を行うとよい。

また、加熱工程は、赤外線または熱風を用いることができる。

また、冷却工程は、常温または低温気体を用いるとよい。

また、加熱工程並びに冷却工程では、はんだボール搭載面のみを所定時間加熱した後に所定時間冷却するとよい。

また、はんだボール接合状態の良否判定工程では、所定時間冷却による冷却終了時の各はんだボール上温度を各はんだボール近辺の基板上の温度で除した値を利用し、予め設定された数値基準よりも高い場合ははんだボール接合状態良好とし、低い場合ははんだボール接合状態不良とするとよい。

また、上記のはんだボール接合状態の良否判定で、冷却開始時と冷却終了時の各はんだボール上温度を各はんだボール近辺の基板上の温度で除した値を算出し、更に冷却開始時と冷却終了時の差の値を利用し、予め設定された数値基準よりも低い場合ははんだボール接合状態良好とし、高い場合ははんだボール接合状態不良とするとよい。

また、はんだボール搭載半導体製品が接触する部分は、断熱材で構成している検査台上面であるのがよい。

本発明は、はんだボール搭載半導体製品のはんだボール搭載面へ熱風を吹付ける機構または赤外線を照射する機構を有する加熱手段５を備えるとよく、これによって、直接はんだボール搭載面上のみを加熱する。

加熱手段５の加熱時間は１．０秒以上、６０秒以下に、また冷却手段７の冷却時間は０．１秒以上、２秒以下で設定される時間が好ましい。

加熱手段５の加熱時間が１．０秒以下の場合は、はんだボールの加熱が不十分となり、６０秒以上の場合は、はんだボール近辺の基板を熱しすぎ、検査時間を要する為に好ましくない。また冷却工程における冷却手段７の冷却時間が０．１秒以下の場合は、はんだボールおよびはんだボール近辺の基板の冷却が不十分となり、２秒以上でははんだボールおよびはんだボール近辺の基板を冷却しすぎ、良否判定が困難となる為好ましくない。これらは、良否判定する際に正確さ、精度の低下原因となる。

冷却手段７では、はんだボール搭載面へ圧縮空気または低温空気を吹付ける機構を備えているので、特開２０００‐２６０８００号、特許第３３７２９２４号へ開示されている冷却方法のように、常に稼動させておく必要性がない。

本発明では、所定時間冷却中に各はんだボールと各はんだボール近辺の基板上温度を赤外線検出手段１０で測定し、得られた温度データのうち冷却終了時の各はんだボールと各はんだボール近辺の基板上温度データを無次元化温度計算することで算出される値が、予め設定された基準数値よりも高い場合は良品、低い場合は不良品と判定する事を特徴としている。

本発明では、もう1つの良否判定方法として冷却開始時および冷却終了時の各はんだボールと各はんだボール近辺の基板温度データを無次元化温度計算することで算出される値が、予め設定された基準数値よりも低い場合は良品、高い場合は不良品と判定する。

本発明によれば、はんだボールを搭載した半導体製品をはんだボール搭載面のみを加熱、冷却することで、はんだボール接合面までの距離が短くなり、開示されている方法よりも熱応答速度が速く、各はんだボールとランドとの接合状態の良否判定を短時間で行う。

また、冷却手段に関して水または低温媒体のような冷媒を必要としないので、広範囲の設置面積を必要とせず、廉価なはんだボール接合状態検査装置が提供できる。

本発明では、はんだボール搭載半導体製品を断熱材で構成された検査台へ載置するので、はんだボール搭載面以外への熱の拡散が最小限に抑えられ、はんだボール搭載半導体製品の熱の出入りが、はんだボール搭載面のみとなり精度の良い良否判定ができる。

更に、はんだボール搭載半導体装置のはんだボール搭載面全面を均一に加熱、冷却することは困難であるため、はんだボールのみの温度分布を利用した良否判定では加熱、冷却時の温度分布の不均一性が良否判定精度へ影響を与える。この温度分布の不均一性による良否判定精度への影響を改善する為には、加熱手段および冷却手段が大掛かりとなり、コスト面、装置の大きさから見ても適切ではない。しかし、各はんだボールと各はんだボール近辺の半導体基板１上温度を利用することで、加熱および冷却時の温度分布の不均一性の影響を考慮した信頼性の高い良否判定ができる。

尚、はんだボールの温度分布と各はんだボール近辺の基板上温度とは、はんだボール上の最低温度１画素、および最近接しているはんだボール同士の中心を結び、その中央の部分の基板上の１画素を指している。良否判定の際には半導体基板１上の温度は少なくとも1画素以上を抽出する。

はんだボール搭載半導体製品からの熱拡散に関しては、検査台の四辺とはんだボール搭載面半導体製品の載置面の材質を断熱材とすることで、はんだボール搭載半導体製品からの熱拡散を抑制する。

本発明によれば、加熱および冷却を同一面であるはんだボール搭載半導体製品のはんだボール搭載面へ行うことで瞬間的な温度変化が起こり、短時間での良否判定ができる。

また、はんだボール搭載面上の温度分布の不均一性を考慮し、各はんだボールと各はんだボール近辺の基板上温度を用いた無次元化温度を算出することで、信頼性の高いはんだボール接合状態判定方法が提供できる。

加熱手段では光または風、冷却手段では風を使用するため、液体使用と比較するとコストを抑えることができると共に液体、固体を使用しないので、製造のインライン検査および検査装置の省スペース化ができる。

本発明の実施形態を示す検査装置図である。 本発明の欠陥検出原理の加熱方法を示した図である。 本発明の欠陥検出原理の冷却方法を示した図である。 良否判定の手順を例示した図である。 冷却終了時の無次元化温度を例示した図である。 冷却直前と冷却終了時の無次元化温度差を例示した図である。

以下、本発明の実施をするための最良の形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明のはんだボール接合状態方法の概要である。

半導体基板１上へはんだボール３が搭載された半導体製品が、はんだボール搭載面を上面にし断熱材で構成された検査台４に設置された状態で加熱手段５の箇所まで搬送される。

検査台４により加熱手段箇所まで搬送されたはんだボール搭載半導体製品のはんだボール搭載面は、加熱手段５によりはんだボールが融解しない程度(６０℃以上、１４０℃以下)の温度まで加熱され、その加熱時間が制御手段１１により制御される。

加熱手段５は、赤外線ランプの場合は３００Ｗ以上、また熱風発生器の場合は吹き出し口温度が１８０℃以上の条件ではんだボール搭載面を加熱するのが好ましい。

次にはんだボール搭載半導体製品は、加熱終了直後に検査台４へ載置された状態で加熱手段５の箇所から冷却手段７の箇所まで搬送される。

検査台４により冷却手段７の箇所まで搬送されたはんだボール搭載半導体製品は、冷却手段７によりはんだボール搭載面全体を冷却する。この時、冷却直前から冷却終了までの間は赤外線検出手段１０が、はんだボール搭載面の全面の温度を測定する。

冷却手段７は、冷却時間が制御手段１１により制御されており、また赤外線検出手段１０は冷却手段７による冷却開始直前から冷却終了までの間は制御手段１１により赤外線検出時間が０．３秒以上２．５秒以下で制御されている。赤外線検出時間は冷却時間へ０．２秒を加算した時間が好ましく、これ以外では必要としないデータとなり、良否判定処理時間の長時間化に繋がるので好ましくない。

冷却手段７は、低温空気または常温の圧縮空気で、はんだボール搭載面を冷却し、低温空気の場合は吹き出し口温度が１０℃以下、また圧縮空気の場合、噴出し口のノズル形状は円形とし、かつその半径は５ｍｍ以下とする。更に元圧力が０．５Ｍｐａ以上の条件ではんだボール搭載面を冷却するのが好ましい。

赤外線検出手段１０により検出された冷却開始直前から冷却終了までのはんだボール搭載面のはんだボール３およびはんだボール近辺の半導体基板１上の温度の赤外線情報は、検出と同時に赤外線検出手段１０から良否判定手段１２へ自動転送される。

良否判定は以下に示す理論に基づいている。図２に示すように、加熱手段により加熱されたはんだボール搭載半導体製品中の接合良好はんだボール３４は、はんだボールから基板への大きな熱移動１８が起こる。一方、接合不良はんだボール１５では、はんだボールから半導体基板１への小さな熱移動２０がおこり、更に欠陥部分で半導体基板１へ伝わらなかった熱移動２１が起こる為はんだボール自身に熱が溜まる。

更に冷却では図３のはんだボール３の場合、ランド２を介して下層からはんだボールへの大きな熱移動２４があるので、接合良好はんだボール３４上の温度は冷却による熱の移動２５があっても、接合良好はんだボール３４上の温度はある一定以上の温度を保持する。

しかし接合不良はんだボール１５の場合、ランド２を介して下層から接合不良はんだボール１５への小さな熱移動２６しか起こらない為、接合不良はんだボール１５上の温度は冷却による熱移動２５が起こった後、ある一定以下の温度まで下がる。

また、各はんだボール近辺の半導体基板１上の温度は、各はんだボール上の温度と異なるが同程度の加熱および冷却が行われており、各はんだボール近辺の半導体基板１上の温度で各はんだボール上の温度を除した値（無次元化温度）を利用することで、サンプル内の温度偏りの影響を排除できる。

良否判定手順を以下に示す。図４に示すように、処理１で冷却終了時、または冷却直前と冷却終了時の各はんだボール上と各はんだボール近辺の半導体基板１上温度を抽出する。

次に、処理２では各はんだボール上の温度を各はんだボール近辺の半導体基板１上の温度で除し、無次元化温度を算出する。最後に処理３では、処理２で得られた無次元化温度を予め設定した基準値と比較し良否判定を行う。

図５、図６は、ボールの番号を横軸に、冷却開始と冷却終了時の各はんだボールと各はんだボール近辺の半導体基板１上の温度比または温度比の差を縦軸にしたグラフである。

良否判定方法としては、図５に示すように冷却終了時の無次元化温度を使用する場合は、接合状態良好のはんだボールの無次元化温度２８は予め設定した値３０より高い値を示し、接合状態不良のはんだボールの無次元化温度２９は予め設定した値３０より低い値を示す。

また図６に示すように冷却開始時と冷却終了時の無次元化温度差を使用する場合は、接合状態良好のはんだボールの無次元化温度３１は予め設定した値３３より低い値を示し、接合状態不良のはんだボールの無次元化温度３２は予め設定した値３３より高い値を示す。

従って温度の偏りによる影響を受けることなく接合状態の良否判定ができ、さらに事前にはんだボールへ番号をつけていれば、どの箇所のはんだボールが不良状態であるかの確認が容易に検出できる。

本発明の実施例１を説明する。

半導体基板１上へはんだボール３が搭載された半導体製品が、はんだボール搭載面を上面にし断熱材で構成された検査台４に設置された状態で加熱手段箇所まで搬送される。

断熱材で構成された検査台４は、はんだボール搭載半導体製品を固定する為に粘着または吸着面を有している。

はんだボール搭載半導体製品のはんだボール搭載面は、加熱手段５によりはんだボールが融解しない程度(１５０℃以下）の温度まで加熱され、その加熱時間は制御手段１１により０．１〜５秒以内に制御されている。

次にはんだボール搭載半導体製品は、検査台４へ載置状態で加熱手段箇所から冷却手段箇所まで搬送される。

冷却手段箇所まで搬送されたはんだボール搭載半導体製品は、はんだボール搭載面を冷却手段７により冷却直前から冷却終了まで赤外線検出手段１０がはんだボール搭載面のはんだボール３上およびその周囲の半導体基板１上の温度を測定する。冷却手段７は制御手段１１により冷却時間により０．１〜１．０秒以内に、また赤外線検出手段１０は冷却手段７による冷却開始直前から冷却終了までの間はんだボール３と半導体基板１上の温度を検出する為、制御手段１１により測定時間が制御されている。

冷却開始直前から冷却終了までのはんだボール３およびはんだボール近辺の半導体基板１上の温度は、赤外線検出手段１０から良否判定手段１２へ転送される。また、この時のはんだボール近辺の半導体基板１上の温度は、隣り合うはんだボール間の中央を測定する。

冷却終了時の無次元化温度を使用する場合は、接合状態良好はんだボールの無次元化温度２８は１．０に近い値を示し、接合状態不良はんだボールの無次元化温度２９は０．９５以下の値を示す。従って、予め設定した値を１．０〜０．９５の間で決定し、予め設定した値より大きい場合は接合良好はんだボール、小さい場合は接合不良はんだボールと判定する。

前記の良否判定から接合良好製品と判定された製品は接合良好製品箇所へ、また接合不良製品と判定された製品は接合不良製品箇所へ排出される。

本発明によれば、現在ＢＧＡ検査方法で主流であるＸ線透過やレーザー光を用いた検査方法よりも安全で検査時間が短いＢＧＡ検査方法の提供ができる。

また、赤外線検出方法を組み込んだ検査方法は少なく、本発明を導入することで新たな検査技術、また検出技術の創出ができる。

１ 半導体基板
２ ランド
３ はんだボール
４ 断熱材を用いた検査台
５ 加熱手段
６ 赤外線または熱風
７ 冷却手段
８ 圧縮空気または低温空気
９ はんだボールまたは半導体基板が発する赤外線
１０ 赤外線検出手段
１１ 制御手段
１２ 良否判定手段
１３ 接合不良はんだボール搭載半導体製品
１４ 接合良好はんだボール搭載半導体製品
１５ 接合不良はんだボール
１６ 制御信号
１７ 熱分布画像信号
１８ 接合良好はんだボールから基板への大きな熱移動
１９ 加熱手段により与えられたハンダボールへの熱移動
２０ 接合不良ハンダボールから基板への小さな熱移動
２１ ハンダボール内で欠陥部を通過できない熱移動
２２ ハンダボールとランド間の接合不良部
２３ 加熱手段により与えられた基板への熱移動
２４ 接合良好はんだボールの基板からはんだボールへの大きな熱移動
２５ 冷却手段により奪われた接合良好はんだボールからの熱移動
２６ 基板から接合不良はんだボールへの小さな熱移動
２７ 冷却手段により奪われた基板からの熱移動
２８ 冷却終了時の接合良好はんだボールの無次元化温度
２９ 冷却終了時の接合不良はんだボールの無次元化温度
３０ 冷却終了時の無次元化温度を利用した場合の予め設定した基準値
３１ 冷却直前と冷却終了時の接合良好はんだボールの無次元化温度差
３２ 冷却直前と冷却終了時の接合不良はんだボールの無次元化温度差
３３ 冷却直前と冷却終了時の無次元化温度を利用した場合の予め設定した基準値
３４ 接合良好はんだボール

Claims (8)

1. はんだボール搭載半導体製品のはんだボール搭載面のみを加熱する加熱工程と、
   加熱されたはんだボール搭載半導体製品のはんだボール搭載面のみを冷却する冷却工程と、
   冷却手段による冷却中の各はんだボールおよび各はんだボール近辺の基板上の赤外線を検出する赤外線検出工程と、
   赤外線検出工程で得られるはんだボール上の温度を各はんだボールの周囲基板上の温度で除した値と予め設定した基準値とを比較することにより、はんだボール搭載半導体製品の良品、不良品判定を行なう良否判定工程と、を含むことを特徴とするはんだボール接合状態検査方法。
2. 赤外線検出工程は、冷却と同時に各はんだボールおよびはんだボール近辺の基板上の温度分布測定を行うことを特徴とする請求項１記載のはんだボール接合状態検査方法。
3. 加熱工程は、赤外線または熱風を用いることを特徴とする請求項１又は２記載のはんだボール接合状態検査方法。
4. 冷却工程は、常温または低温気体を用いることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のはんだボール接合状態検査方法。
5. 加熱工程並びに冷却工程では、はんだボール搭載面のみを所定時間加熱した後に所定時間冷却することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のはんだボール接合状態検査方法。
6. はんだボール接合状態の良否判定工程では、所定時間冷却による冷却終了時の各はんだボール上温度を各はんだボール近辺の基板上の温度で除した値を利用し、予め設定された数値基準よりも高い場合ははんだボール接合状態良好とし、低い場合ははんだボール接合状態不良とすることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のはんだボール接合状態検査方法。
7. 請求項６記載のはんだボール接合状態の良否判定で、冷却開始時と冷却終了時の各はんだボール上温度を各はんだボール近辺の基板上の温度で除した値を算出し、更に冷却開始時と冷却終了時の差の値を利用し、予め設定された数値基準よりも低い場合ははんだボール接合状態良好とし、高い場合ははんだボール接合状態不良とすることを特徴とするはんだボール接合状態検査方法。
8. はんだボール搭載半導体製品が接触する部分は、断熱材で構成している検査台上面であることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載のはんだボール接合状態検査方法。
   
   

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