JP4984332B2 - Ｉｃパッケージ基板検査装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＩＣパッケージ基板の検査装置に関するものである。

ＩＣ（集積回路）のチップは、劣化や熱対策のために樹脂でパッケージングする必要がある。パッケージングは多層配線基板（以下ではＩＣパッケージ基板と称する）上にチップをマウントし、基板上の電極とチップ上の電極とを接続し、その後樹脂で封入する。電極間の接続は従来ワイヤーで接続するワイヤー実装方式が一般的であったが、近年ボール状の電極（以下バンプと称する）を用いて接続するフリップチップ実装方式が普及してきている。フリップチップ実装は電極どうしを直接重ね合わせるためバンプの高さが揃っていることが重要になる。高さにバラツキがあると、接続不良が発生するためである。そのため接続する前に、バンプの高さを正確に計測しておく必要がある（たとえば特許文献１参照）。また、同時にバンプの位置、バンプの径、その他バンプの形状異常、さらには基板上の異物などの不良も検出することが求められる。

接続された電極は、ＩＣパッケージ基板の多層配線によって基板裏面の外部電極に導通することになるが、この外部電極もボール形状のいわゆるＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）型のパッケージが主流になってきており、この外部電極もバンプと同様の形状計測が必要とされる。

内部電極であるバンプ計測も外部電極の計測も、製造工程中のインライン検査の一環として実施される場合が多く、最近は全数検査が一般的になってきていることから、非常に計測速度が重要視される。たとえば、1パッケージのバンプ数は多いものでは５０００個に達するが、５０００個のバンプ全ての計測を１、２秒といったレベルで計測することが求められる。そのため、表面形状計測機としては特殊で高速なものが使用される。計測時間をできるだけ短くかつできるだけ高精度にするために、高さの計測範囲は狭く設計されている。

ＩＣパッケージ基板は図３に示すように通常トレーに2次元的に並べられてハンドリングされる。計測には、トレーの中に入ったままの状態で行うイントレー方式と、図９に示すようにロボットハンド９０１によりトレーから一つ一つ取り出してから検査ユニット５により計測を行うピックアンドプレイス方式がある。イントレー方式は必要計測精度レベルが相対的に低い外部電極の計測で使用されることが多く、バンプの計測においてはピックアンドプレイス方式が一般的である。
特開２００７−２４９１２号公報

イントレー方式は、一般にピックアンドプレイス方式に比べ装置構造がシンプルになり、低コストで高速な計測が可能であるため、可能ならばイントレー方式の装置とすべきである。

しかし、トレーは大量に使用されることから安価である必要があるため、樹脂製であり寸法精度が低く、ひどく歪みがある場合が多い。そのため、高い計測精度が必要でそのために計測範囲も狭いバンプ計測用表面形状計測機においては、トレーの中にワークを置いたままで計測するイントレー方式では、トレーの寸法誤差やトレーの歪みにより簡単に計測範囲を外れてしまい、安定した計測ができないという問題が発生し、バンプ計測においてはイントレー方式が採用されていないのが実情である。

本発明が解決しようとする課題は、計測範囲の狭い表面形状計測機を使用しても、計測範囲から外れることが無い、効率的で安定した計測を可能とするイントレー方式の検査装置の実現である。

この課題を解決するために、少なくとも１台のコンベアと、このコンベアの移動平面と平行に移動可能な１軸以上の水平移動ステージとコンベア移動平面に垂直に移動可能な垂直移動機構とを有する移動ステージと、その移動ステージに搭載されＩＣパッケージ基板の検査を行う検査ユニットと、同じく前記移動ステージに搭載されＩＣパッケージ基板の高さ情報を取得する変位計とにより構成され、前記コンベア上に等間隔で並べられて移動するＩＣパッケージ基板個片が複数個搭載されたトレーあるいはＩＣパッケージ基板が複数個存在する切断前のＩＣパッケージ基板シートを、前記間隔と同一の間隔で前記コンベアの進行に対し先に前記変位計、後に前記検査ユニットの順で配置され、連続する２枚の前記トレーあるいはシート内のＩＣパッケージ基板を前記変位計と前記検査ユニットとで同時に計測・検査し、このとき移動ステージの垂直移動機構は前回に計測した前記変位計の計測結果を利用して、各ＩＣパッケージ基板毎に前記検査ユニットの検査に適した位置に移動させるように装置を構成する。

あるいは、図１に示すように互いに距離を空けて配置され同期して動く少なくとも2つのキャリアから構成されるコンベアと、前記２つのキャリアの間に配置され、該コンベアの移動平面に対し垂直方向に移動可能な垂直移動機構を有する検査ステージと、前記移動平面と平行に移動可能な１軸以上の移動軸を有する水平移動ステージと、その水平移動ステージに搭載され水平移動ステージにより前記検査ステージ面上部を移動可能な、
ＩＣパッケージ基板の検査を行う検査ユニットと、同じく前記水平移動ステージに搭載されＩＣパッケージ基板の高さ情報を取得する変位計とにより構成され、ＩＣパッケージ基板個片が複数個搭載されたトレーあるいはＩＣパッケージ基板が複数個存在する切断前のＩＣパッケージ基板シートが前記コンベア上に等間隔で並べられて前記検査ステージ上に移動し、前記検査ステージは前記トレーあるいはシートが１枚以上載った状態で前記検査ユニットがＩＣパッケージ基板を検査するのに適した位置に前記垂直移動機構により移動し、前記検査ユニットと前記変位計とは前記トレーあるいはシートのコンベア上での間隔と同一の間隔で配置され、前記水平移動ステージにより間欠移動あるいは連続移動し、前記トレーあるいはシート内の一つ以上のＩＣパッケージ基板を前記検査ユニットと前記変位計とが同時計測・検査し、このとき検査ステージの垂直移動機構は前回に計測した前記変位計の計測結果を利用して、各ＩＣパッケージ基板毎に前記検査ユニットの検査に適した位置に移動させるように装置を構成する。

前記検査ユニットは、物体の表面立体形状を計測する表面形状計測機であるか、

あるいは、前記検査ユニットは、物体の水平方向寸法を計測する画像計測機であるか、

あるいは、前記検査ユニットは、物体の水平方向寸法を計測する画像計測機と、物体の表面立体形状を計測する表面形状計測機との両機能を具備するものとする。

また、前記検査ステージは、前記トレーあるいはシートの反りを抑えるトレー押さえ機構を有し、このトレー押さえ機構は該検査ステージの移動に追従して移動するようにする。

さらに、前記検査ステージは、前記トレーあるいはシートあるいはトレー中のＩＣパッケージ基板の反りを抑える吸着機構を有し、この吸着機構は検査ステージの移動に追従して移動するようにする。

また、前記検査ステージは、前記トレーあるいはシートの姿勢を３点支持で保持する。

以上のように構成することで、計測範囲の狭い表面形状計測機を使用しても、計測範囲から外れることが無い、効率的で安定した計測を可能とするイントレー方式の検査装置が実現できる。

以下では、本発明を具体的に実施するにあたり最良と思われる実施形態について述べる。

まず、本発明を具現化した実施形態の１例を、図１、図2を参照して説明する。

本発明のＩＣパッケージ基板検査装置は、複数のＩＣパッケージ基板８を搭載したトレー７をハンドリングする搬送部１０と、トレー７上のＩＣパッケージ基板８を検査する検査用センサ部９より構成される。

搬送部は、コンベア１と検査ステージ３とにより構成される。図2を参照して以下説明する。コンベア１はトレー７を検査ステージ３まで搬送し、検査ステージ３で計測が完了した後、検査ステージより後段へトレー７を排出する。コンベア１はキャリア（ベルトあるいはプラスチックチェーンなどが一般的）を両側に分け、検査ステージ３がキャリアの中間部に配置される構造となっている。検査ステージ３はコンベア１の移動面に対して垂直方向（以下この方向を垂直方向と称す）に移動できる垂直移動機構２を有し、コンベア１で検査ステージ３位置までトレー７が移動した後、検査ステージ３が垂直移動機構２により上昇してトレー７に接触しそのまま押し上げることでコンベア１からトレー７が離れ、検査ステージ３へトレー７がスムースに受け渡しできる。こうすることで搬送部１０の構造を簡素化することができる。

検査用センサ部９は、検査ユニット５と変位計６および水平移動ステージ４から構成される。図１を参照して以下説明する。検査ユニット５と変位計６は、連続する２枚のトレー７の間隔とほぼ同一の間隔で配置され、ともに水平移動ステージ４に搭載されて、水平移動ステージ４の動作によりコンベア１の移動平面に平行する面内（以下この面を水平方向と称す）を２次元的に移動できるようになっている。

検査ユニット５はＩＣパッケージ基板検査装置の心臓部であり、ＩＣパッケージ基板上の各種寸法を計測あるいは異物などを検出する計測・検査機である。具体的には表面形状計測機あるいは画像計測機あるいは両方の機能を備えた計測・検査機である。表面形状計測機は物体表面の凸凹情報を計測することができ、三次元計測機とも呼ばれる。半導体製造工程でのインライン計測では、非常に高速な計測が必要となるため、非接触、並列計測が可能な光を利用したいわゆる光応用計測機が用いられる。画像計測機は、垂直方向の寸法は計測できないが水平方向の寸法を高精度に計測したり、異物等の不具合を検出するもので、表面形状計測機と同様に光応用計測機の一種である。

表面形状計測機は高速化・高精度化のために垂直方向計測範囲が狭く設計されている。画像計測機においても高精度の寸法計測をするために光学系の倍率・開口数を高くする場合が多く、その場合被写界深度が著しく狭くなる。つまり、検査ユニット５はいずれにせよ垂直方向の計測可能範囲が狭いのが一般的である。

一方、トレー７は反りや歪みがあり、また、ＩＣパッケージ基板８も厚みバラツキや歪みがある。そのため、検査ユニット５の垂直方向計測範囲にＩＣパッケージ基板８の計測・検査対象部位が確実に入る保証はない。

そのため変位計６によって前もって概略のＩＣパッケージ基板８の表面位置を計測しておき、検査ユニット５で計測するときはその変位計６の計測結果に基づき検査ステージ３の垂直方向位置を垂直移動機構２により変化させる。これにより確実に検査ユニット５の計測範囲にＩＣパッケージ基板８の計測・検査対象部位が入るようにすることができる。

連続する２枚のトレー７間の間隔が正確であるならば、検査ユニット５が後段のトレー７上のＩＣパッケージ基板８それぞれを計測する時、トレー７間隔と同じ距離で配置された変位計６は、現在検査ユニット５が計測しているＩＣパッケージ基板８と同一位置の前段のトレー７のＩＣパッケージ基板８上に存在することになる。そのため検査ユニット５と変位計６は同時計測が可能である。

同時に計測ができるために、変位計６による事前計測をしても全体のスループットが落ちることはなく、かつ変位計６専用の水平移動ステージも必要ないことから装置が簡素にできる。

搬送部１０の検査ステージ３は、上記の検査ユニット５と変位計６の同時計測が可能なように、連続する２枚のトレー７が載る大きさを持たせる。また、２枚のトレー７間の間隔および水平面内の位置をより正確なものとするために図２に示すようなアライメント機構があるとよい。

コンベア１の両側から、トレー７間隔で爪部２０１が作り込まれた板２０２を、シリンダ２０３によりトレー７の対角方向両側から押しつけ２つのトレー７を位置決めする。

このアライメント機構は、検査ユニット５と変位計６の位置関係が固定であることから、2枚のトレー７をそれに合わせてできるだけ正確に配置できればよく、図２のような構造である必要は必ずしも無い。２つのトレー７それぞれに駆動する構造でもよいし、変位計６の計測は概略の位置がわかればよいことから、アライメント機構は必ずしも必要はない。

トレー７は反り、歪みがあるため変位計６により事前に計測するわけであるが、それでも、反りが著しくひどく、ＩＣパッケージ基板８が垂直方向に傾きを持ち、検査ユニット５の計測範囲を超えてしまう可能性も考えられる。そのような状況にも対応できるようにトレー７を押さえて反りを減らすトレー押さえ機構があるとよい。

トレー押さえ機構について図４を参照して説明する。トレー押さえ機構は、検査ステージ３上にあるトレー７を押さえ、押さえた状態のまま計測できなくてはならない。そのためには、トレー押さえ機構そのものが検査ステージ３に連動して動かなければならない。なぜならば計測中は、前もって変位計６で計測された結果に基づいてＩＣパッケージ基板８毎に検査ステージ３の垂直方向位置を変化させるからである。

たとえば、図４に示すようにコンベア１の外側からコンベア１内側に向かって張り出したトレー押さえ４０１（ａ）、４０１（ｂ）、あるいは両側のトレー押さえ４０１（ａ）、４０１（ｂ）が一体化してトレー７の長手方向を押さえる形のトレー押さえ４０１が、コンベア１の外側を回って検査ステージ３に固定されたシリンダ４０２により上下動する構造とすれば、垂直移動機構２の移動によっても、トレー７を押さえた状態が変化することはない。また、構造的にも簡素である。

トレー押さえ機構は、トレー７の歪み・反りを少しでも除去するものであれば良く、必ずしも上記のような構造である必要はないし、トレー７の反りがひどくないあるいは検査ユニット５と変位計６とによる計測で十分トレー７の反り・歪みをカバーできるであればトレー押さえ機構は必要ない。

トレー７の反りを減らす手段は、上記のように上から押さえつけるだけではない。他の手段を、図５を参照して説明する。もしトレー７の底面が平面であるならば、検査ステージ３上部に吸引穴５０１を設け、吸着により反りを減らすことも可能である。さらに、トレー７自体を独自に設計できるのであれば、つまり、専用トレー７を使用できる場合は、図５に示すようにトレー７自体に、検査ステージ３からの吸引を各ＩＣパッケージ基板８に持って行くような構造とすることができるため、個々のＩＣパッケージ基板８を吸着することも可能である。

ＩＣパッケージ基板８の中には、非常に薄型でフィルムのようなものも存在する。そのようなＩＣパッケージ基板８であれば、吸着は必須となる。本発明においては、検査ステージ３がトレー７に接触する構造であるため、前記のように専用トレー７であれば、個々のＩＣパッケージ基板８を吸着することも可能である。

変位計６による計測結果が、後段の検査ユニット５による計測に有効に働く条件は、変位計６で計測した時のトレー７の姿勢が、検査ユニット５で計測するときも変化しない事である。トレー押さえ機構により強制的にトレー７の姿勢を整える場合は問題ないが、トレー押さえ機構が無い場合、変位計６での計測位置と検査ユニット５での計測位置は異なるため、トレー７の姿勢が変化してしまうことは十分に考えられる。そのため、検査ステージ３上面の平面度は高い必要があるが、たとえ完全な平面であったとしても、トレー７の姿勢は変わりうる。

微視的に見れば、トレー７と検査ステージ３上面とは、ある３点で接触しているわけであり、トレー７の重心が、接触している2点を結ぶ直線上にあるような場合、３点目は前記直線の両側のどちらにもなりうる。変位計６計測位置と検査ユニット５の計測位置とで３点目の接触位置が直線の別々の側に変化してしまうこともあり、その場合大きな姿勢差が出る可能性がある。

これを防ぐ対策を、図６を参照して説明する。検査ステージ３上面の変位計６計測位置と検査ユニット５の計測位置のそれぞれに３カ所づつ突起物を設けて、強制的にその突起物の頂点３点でトレー７に接触するようにする。突起物の水平方向位置および高さが正確であるならば、トレー７は、変位計６計測位置と検査ユニット５の計測位置とで確実に同じ姿勢とすることができる。

上記のように構成されるＩＣパッケージ基板検査装置の一連の計測動作を再び図１、図2図4を参照して以下に説明する。

トレー７がコンベア上に等間隔で並べられて流され、検査ステージ３上に到達するとコンベア１が停止される。検査ステージ３の位置への到達は、近接スイッチ等のセンサにより感知される。

コンベア１停止後、コンベア１から数ミリ程度離れた位置まで検査ステージ３を垂直移動機構２により上昇移動させる。

検査ステージ３が上昇移動した後、トレー７を図2に示すアライメント機構で位置決めする。

位置決めされたトレー７に対し、計測に影響のないトレー７周辺部を図４に示す押さえ機構で上から押さえ、トレー７の反りを抑える。

押さえ機構でトレー７を押さえて固定した後、位置決めしていたアライメント機構を元の位置まで戻し、計測が開始される。

検査ステージ３は、事前に変位計６で計測した結果に基づき、各ＩＣパッケージ基板８毎に、計測するのに適した位置に垂直移動し、ＩＣパッケージ基板３は常に最適な位置で検査ユニット５により計測される。このとき同じ検査ステージ３に載っている次のトレー７も同様に垂直移動し、そのトレー７は変位計６により同時計測しているから計測値が変化してしまう。しかし、それはソフト的に補正することができる。

検査ユニット５により１つのトレー７内の全てのＩＣパッケージ基板８の計測・検査が終了すると、その時点で次のトレー７の概略垂直方向位置も計測が終了していることになる。

トレー押さえ４０１をはずして検査ステージ３をコンベア１以下まで下降させると、トレー７はコンベア１に再び載った状態になる。コンベア１をトレー間隔分移動させると、概略垂直方向位置の計測が終了している次のトレー７が検査ユニット５の計測位置に来る事になり、変位計６の計測位置にはさらに次のトレー７が配置される。以下同様に計測が進んでいく。

上記が本発明の典型的な実施例であるが、必ずしも上記形態だけに限られるものではない。たとえば、図７に示すように、コンベア１が検査ステージを兼ねる形として、垂直移動機構２は検査用センサ部９側に持たせる形が考えられる。垂直移動機構２は、水平移動ステージ４と検査ユニット５の間に取り付けられる形もあろうし、水平移動ステージ４ごと垂直移動させる構造も考えられる。このような場合も本発明の範疇である。

ここまでの説明では、トレー搬送を前提として説明しているが、多面取りのＩＣパッケージ基板（ＩＣパッケージ基板が複数個存在する切断前のＩＣパッケージ基板シート）もトレーと同様の扱いで考えることができるので、本発明の範疇である。

また、本発明は、検査装置に対するものであるが、計測装置と検査装置の違いは計測結果に対する何かしらの判断があるか無いかの違いであり、本発明にとっての本質的な問題ではない。たとえ計測装置であっても本発明と同等と思われるものであれば本発明の範疇である。

本発明により、計測範囲の狭い表面形状計測装置を使用しても、計測範囲から外れることが無い、効率的で安定した計測を可能とするイントレー方式のＩＣパッケージ基板電極計測装置が実現できる。半導体製造工程におけるインライン計測・検査において大きな需要があると考えられる。

本発明の第一の実施例を示した図である。 本発明の搬送部を説明するための図である。 トレーを説明するための図である。 トレー押さえ機構を説明するための図である。 吸着機構を説明するための図である。 ３点支持を説明するための図である。 本発明の第二の実施例を示した図である。 イントレー方式を説明するための図である。 ピックアンドプレイス方式を説明するための図である。

符号の説明

１…コンベア
２…垂直移動機構
３…検査ステージ
４…水平移動ステージ
５…検査ユニット
６…変位計
７…トレー
８…ＩＣパッケージ基板
９…検査用センサ部
１０…搬送部
２０１…（アライメント）爪部
２０２…（アライメント）板
２０３…シリンダ
４０１…トレー押さえ
４０２…シリンダ
５０１…吸着穴
９０１…ロボットハンド

Claims (8)

1. ＩＣパッケージ基板を検査する装置において、少なくとも１台のコンベアと、このコンベアの移動平面と平行に移動可能な１軸以上の水平移動ステージとコンベア移動平面に垂直に移動可能な垂直移動機構とを有する移動ステージと、その移動ステージに搭載されＩＣパッケージ基板の検査を行う検査ユニットと、同じく前記移動ステージに搭載されＩＣパッケージ基板の高さ情報を取得する変位計とにより構成され、前記コンベア上に等間隔で並べられて移動するＩＣパッケージ基板個片が複数個搭載されたトレーあるいはＩＣパッケージ基板が複数個存在する切断前のＩＣパッケージ基板シートを、前記間隔と同一の間隔で前記コンベアの進行に対し先に前記変位計、後に前記検査ユニットの順で配置され、連続する２枚の前記トレーあるいはシート内のＩＣパッケージ基板を前記変位計と前記検査ユニットとで同時に計測・検査し、このとき移動ステージの垂直移動機構は前回に計測した前記変位計の計測結果を利用して、各ＩＣパッケージ基板毎に前記検査ユニットの検査に適した位置に移動させることを特徴とするＩＣパッケージ基板検査装置。
2. ＩＣパッケージ基板を検査する装置において、互いに距離を空けて配置され同期して動く少なくとも２つのキャリアから構成されるコンベアと、前記２つのキャリアの間に配置され、該コンベアの移動平面に対し垂直方向に移動可能な垂直移動機構を有する検査ステージと、前記移動平面と平行に移動可能な１軸以上の移動軸を有する水平移動ステージと、その水平移動ステージに搭載され水平移動ステージにより前記検査ステージ面上部を移動可能な、ＩＣパッケージ基板の検査を行う検査ユニットと、同じく前記水平移動ステージに搭載されＩＣパッケージ基板の高さ情報を取得する変位計とにより構成され、ＩＣパッケージ基板個片が複数個搭載されたトレーあるいはＩＣパッケージ基板が複数個存在する切断前のＩＣパッケージ基板シートが前記コンベア上に等間隔で並べられて前記検査ステージ上に移動し、前記検査ステージは前記トレーあるいはシートが１枚以上載った状態で前記検査ユニットがＩＣパッケージ基板を検査するのに適した位置に前記垂直移動機構により移動し、前記検査ユニットと前記変位計とは前記トレーあるいはシートのコンベア上での間隔と同一の間隔で配置され、前記水平移動ステージにより間欠移動あるいは連続移動し、前記トレーあるいはシート内の一つ以上のＩＣパッケージ基板を前記検査ユニットと前記変位計とが同時計測・検査し、このとき検査ステージの垂直移動機構は前回に計測した前記変位計の計測結果を利用して、各ＩＣパッケージ基板毎に前記検査ユニットの検査に適した位置に移動させることを特徴とするＩＣパッケージ基板検査装置。
3. 前記検査ユニットは、物体の表面立体形状を計測する表面形状計測機であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＩＣパッケージ基板検査装置。
4. 前記検査ユニットは、物体の水平方向寸法を計測する画像計測機であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＩＣパッケージ基板検査装置。
5. 前記検査ユニットは、物体の水平方向寸法を計測する画像計測機と、物体の表面立体形状を計測する表面形状計測機との両機能を具備することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＩＣパッケージ基板検査装置。
6. 前記検査ステージは、前記トレーあるいはシートの反りを抑えるトレー押さえ機構を有し、このトレー押さえ機構は該検査ステージの移動に追従して移動することを特徴とする請求項２〜請求項５のいずれか一項に記載のＩＣパッケージ基板検査装置。
7. 前記検査ステージは、前記トレーあるいはシートあるいはトレー中のＩＣパッケージ基板の反りを抑える吸着機構を有し、この吸着機構は検査ステージの移動に追従して移動することを特徴とする請求項２〜請求項５のいずれか一項に記載のＩＣパッケージ基板検査装置。
8. 前記検査ステージは、前記トレーあるいはシートの姿勢を３点支持で保持することを特徴とする請求項２〜請求項５のいずれか一項に記載のＩＣパッケージ基板検査装置。