JP5018182B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、電極上に半田膜を形成し、この半田膜について不良の有無を判定する半導体装置の製造方法に関するものである。
半導体チップと配線基板とを接続する場合にフリップチップボンディングが用いられる。フリップチップボンディングは、予め配線基板の電極上に半田膜を形成し、この半田膜を介して半導体チップの外部端子を配線基板の電極に接続するものである(例えば、特許文献1参照)。
図48,図49は、電極上に形成した半田膜を上方から撮影した図である。図48に示すように電極の途中に半田が無い部分があるDC(Dewet Center)不良や、図49に示すように電極の端に半田が無い部分があるDE(Dewet Edge)不良が発生する場合がある。
特開2006−324642号公報
従来は、DC不良やDE不良の有無を下記のように判定していた。まず、半田膜に斜めから光を当て反射光を測定して原画像を得る。そして、この原画像を輝度が閾値より上か下かで2値化したものを見て不良の有無を判定していた。しかし、電極の狭ピッチ化などにより、従来の方法では、不良品の見逃しや、良品を不良と判断する虚報が多いという問題があった。
また、半田膜の半田量が不足する不良が発生する場合がある。しかし、従来は、レーザ変位計による高さ測定により半田量不足の有無を判定していたため、測定に時間がかかるという問題があった。
また、異物の存在などによりリード間のギャップが狭くなり過ぎる不良が発生する場合がある。しかし、異物はDC不良やDE不良に比べて配線基板の絶縁膜表面との輝度の差が小さいため、識別が困難であった。
また、フラックス残渣などに起因して半田が腐食して黒くなる黒色不良が発生する場合がある。図50は、黒色不良が発生した半田膜を示すレーザ顕微鏡画像である。従来は、半田膜に斜めから光を当て反射光を測定して得た原画像を見ることで、黒色不良の有無を判定していた。しかし、従来の方法により得た原画像では、図51に示すように、半田膜の傾斜面は白く映るが、平面が黒く映る。従って、軽微な黒色不良については検出が困難であった。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その第1の目的は、不良の有無を正確に判定することができる半導体装置の製造方法を得るものである。
本発明の第2の目的は、半田膜の半田量不足の有無を迅速に判定することができる半導体装置の製造方法を得るものである。
本発明の第3の目的は、異物の存在などによりリード間のギャップが狭くなり過ぎる不良の有無を判定することができる半導体装置の製造方法を得るものである。
本発明の第4の目的は、軽微な黒色不良についても検出することができる半導体装置の製造方法を得るものである。
本発明の一実施例に係る半導体装置の製造方法では、まず、電極上に半田膜を形成する。次に、半田膜に斜めから光を当て反射光を測定して原画像を得る。次に、原画像の輝度を長辺方向に微分して微分データを得る。次に、微分データを短辺方向に積算して積算値を求める。次に、積算値の最大値と最小値の差が所定の値以上であり、積算値が最大となる位置と最小となる位置の幅が所定の幅以下である場合に不良と判定する。
この実施例によれば、不良の有無を正確に判定することができる。
以下、本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法について図面を参照しながら詳細に説明する。
まず、図1に示すように、配線基板11上にCu電極12(電極)を形成する。このCu電極12は40μmピッチで並んでおり、その平面形状は長辺と短辺を有する。
次に、図2に示すように、Cu電極12上に、半田粒子と液状有機物を混合した半田ペースト13を印刷する。ここで、半田粒子として鉛フリー半田を用いる。鉛フリー半田とは、鉛が含まれていないか、又は環境負荷が少ない程度(1wt%未満)の鉛しか含まれていない半田である。ここでは、鉛フリー半田として、SnにAgが1〜3%含有したものを用いる。
次に、図3に示すように、リフローを行ってCu電極12上に半田膜14を形成する。ただし、この際に、半田膜14上に半田ボール15も形成される。次に、図4に示すように、半田ペースト13を洗浄により除去する。そして、図5に示すように、再びリフローを行って半田ボール15を消滅させる。この後に、半田膜14について不良の有無を判定するが、これについては後で詳細に説明する。
次に、図6に示すように、ディスペンサ16を用いて、Cu電極12を覆うようにNCP(Non Conductive Paste)17を塗布する。そして、図7に示すように、半導体チップ18の実装面を下に向けて、半導体チップ18を配線基板11上に仮搭載する。この際、半導体チップ18の実装面に形成されたAuスタッドバンプ19(外部端子)を、配線基板11のCu電極12に形成された半田膜14に接触させる。
次に、図8に示すように、ツール21を用いてテフロン(登録商標)シート22を介して半導体チップ18を上から加圧する。この際、ツール21により半導体チップ18を150℃程度に加熱する。これにより、NCP17を硬化させるとともに、半田膜14を溶融させて半導体チップ18のAuスタッドバンプ19を配線基板11のCu電極12に半田付けする。以上の工程により、図9に示すように、配線基板11上に半導体チップ18がフリップチップボンディングされた半導体装置が製造される。
次に、半田膜14について不良の有無を判定する工程について、図10のフローチャートを参照しながら詳細に説明する。
図11は、半田膜を照明及び撮影するための光学系を示す図である。この光学系は、CCDエリアカメラ31と、XYZテーブル32と、ガラス校正基板33と、X,Y軸のガルバノミラー34,35と、X,Y軸のラインセンサ36,37と、レンズ38と、対物レンズ23と、同軸照明手段24と、リング照明手段25とを有する。CCDエリアカメラ31は測定対象を撮影する撮影手段である。XYZテーブル32は、測定対象をX軸、Y軸、Z軸方向にそれぞれ移動させる。
照明系について更に詳細に説明する。図12は、半田膜を照明するための光学系を示す図である。対物レンズ23は反射光を入力する光入力手段である。同軸照明手段24は、例えば青色LEDからなり、対物レンズ23と同軸で半田膜14を照明する。リング照明手段25は、半田膜14の上に円心が位置するリング状に構成され、13°,21°,32°の3段階の角度で半田膜14を照明する。リング照明手段25により半田膜14に斜めから光を当てると、図13に示すように半田膜14の斜面からの反射光が得られる。また、同軸照明手段24により半田膜14を照明すると、図14に示すように半田膜14の平面からの反射光が得られる。
まず、リング照明手段25を用いて半田膜14に斜めから光を当て反射光を測定して図15に示すような原画像を得る。この原画像において、半田膜14の斜面は白く写り、半田膜14の平面は黒く写る。なお、図面の横方向がCu電極の短辺方向であり、図面の縦方向がCu電極の長辺方向である。
次に、原画像の輝度を長辺方向に微分して図16に示すような微分データを得る。そして、この微分データを短辺方向に積算して図17に示すように積算値を求める。この積算値の最大値と最小値の差が所定の値以上であり、積算値が最大となる位置と最小となる位置の幅が所定の幅以下である場合に不良と判定する(ステップS1)。
次に、ステップS1で閾値を大きく外れて不良と判定された場合は、不良であると確定して判定を終了する。一方、ステップS1で良否判定の閾値ぎりぎりで不良と判定された場合は、次の検出を行う(ステップS2)。
図18に示すようにDC不良があると、Cu電極上において輝度が閾値より低い黒い領域が2個以上に分かれる。従って、黒い領域が2個以上に分かれている場合は不良と判定し、黒い領域が1個以下の場合は良好と判断する(ステップS3)。白い領域から黒い領域への変化が明確で無い場合には、ステップS1の検査ではDC不良の有無を判定することはできないが、ステップS3の検査ならば判定することができる。
ステップS1で良好と判定した場合やS3で黒い領域が1個以下と判定した場合には、下記のようにDE不良の有無を検査する。まず、ステップS1と同様に、図19に示す原画像の輝度を長辺方向に微分して微分データを得て、この微分データの輝度を短辺方向に積算して図20に示すように積算値を求める。Cu電極上において、この積算値の最大値が所定の値以上である場合に不良と判定する(ステップS4)。
なお、Cu電極が細い場合は半田膜の斜面の割合が多くなる。そこで、微分データを得る際に、図21に示すようにCu電極の短辺方向の真中部分だけについて原画像の輝度を長辺方向に微分するのが好ましい。これにより、Cu電極が細い場合でもDE不良の特徴を捉えることができる。
ステップS4で不良と判定した場合には、 図19に示すような原画像の輝度を短辺方向に積算して図22に示すように積算値を求める。Cu電極上において、この積算値が、その最大値の60%以下となる部分があると不良と判定する(ステップS5)。
ステップS4又はS5で良好と判定した場合、図23に示すように原画像において半田膜の外周部の近似曲線を最小二乗法により求める(ステップS6)。近似曲線を求めることができない場合は、判定値を厳しくしてステップS4と同様の検査を行う(ステップS7)。一方、近似曲線が求められた場合は、原画像を輝度が閾値より上か下かで2値化し、白い領域の近似曲線からのはみ出し面積が所定の値以上の場合は不良と判定する(ステップS8)。これによりCu電極上における異物の有無を検査することができる。
次に、DE不良の有無について2値検査を行う。図24はDE不良を有する半田膜のレーザ顕微鏡画像であり、図25はDE不良を有する半田膜に斜めから光を当て反射光を測定して得た原画像であり、図26は図25の原画像を輝度が閾値より上か下かで2値化した画像である。この2値化した画像において、白色領域の長辺方向のエッジと電極の中心との幅が所定の幅以下の場合は不良と判定する(ステップS9)。
ステップS9で不良と判定した場合は、DE不良の有無について多値検査を行う。即ち、図27に示すように原画像にエッジ強調処理を行う。この処理後の画像において、白色領域の長辺方向のエッジと電極の中心との幅が所定の幅以下の場合は不良と判定する(ステップS10)。このようにエッジ強調処理を行うことにより、半田膜の表面のシワの影響を排除することができる。
ステップS10で不良と判断した場合は、図28に示すように原画像において半田膜の外周部の近似曲線を最小二乗法により求める(ステップS11)。近似曲線が求められた場合は、近似曲線同士の短辺方向の幅が所定の幅以下の場合は不良と判定する(ステップS12)。これにより、Cu電極上に半田が殆ど載っていないディウェットの有無を検査することができる。
次に、DE不良の有無について2値面積検査を行う。即ち、図29に示すように、原画像の所定の測定領域内において輝度が閾値以上の白い領域の面積が所定の値以下の場合に不良と判定する(ステップS13)。これにより、半田の斜面が少ない不良を検出することができる。
ステップS13で不良と判定した半田膜に限り、図30に示すようにレーザ変位計により高さを測定する(ステップS14)。これにより、測定時間の長いレーザ高さ測定の回数を減らして生産効率を上げることができる。
レーザ高さ測定は、図31,図32に示すようにA点、B点、C点について行う。A点はCu電極12から引き出されたCuリード26上の領域であり、B点はCu電極12からA点とは反対方向に引き出されたCuリード26上の領域であり、C点はCu電極12の中心を含む16μm四方の領域である。各点においてそれぞれ長辺方向及び短辺方向に複数箇所の高さを測定し、最高点を各点の測定値とする。
A点とB点の低い方の高さをHABとし、C点の高さをHとして、5<H−HAB+2<20(μm)の関係を満たせば、良好と判定する。即ち、Cu電極12上の半田膜14の高さとCu電極12から引き出されたCuリード26の高さとの差が3μm以下又は18μm以上の場合は不良と判定する。
ここで、2μmを足しているのは、A点,B点においても2μm程度は半田が載っているからである。また、A点とB点の低い方を基準にC点との差を求めたのは、Cuリード26が傾いている場合があるからである。
次に、以下の第1,第2の画像処理を施した原画像において、輝度が閾値以上の領域同士の最も近い位置の間隔が所定の長さ以下の場合に不良と判定する狭ギャップ検査を行う(ステップS15)。これにより、図33に示すように、異物27の存在などによりギャップが狭くなり過ぎる不良の有無を判定することができる。
第1の画像処理として、原画像について、図34に示すように、Cu電極12から引き出されたCuリード26に相当する部分の輝度を閾値以上に上げる処理(白く塗りつぶす)を行う。Cuリード26上には薄く半田が載っているだけなので、原画像において黒と白が混ざったように写る。従って、この部分を白く塗りつぶすことで、狭ギャップ検査において誤判定を防ぐことができる。
Figure 0005018182
ただし、図36に示すように、下記の3方向について第2の画像処理を行って得た第1〜第3処理画像を合成し、この合成した画像を2値化して狭ギャップ検査を行う。まず、処理方向を短辺方向に平行な第1方向(図面右方向)として第2の画像処理を行って第1処理画像を得る。これにより、半田膜と異物の左側を際立たせることができる。次に、処理方向を長辺方向に平行な第2方向(図面下方向)として画像処理工程を行って第2処理画像を得る。これにより、異物の上側を際立たせることができる。次に、処理方向を第2方向とは反対の第3方向(図面上方向)として画像処理工程を行って第3処理画像を得る。これにより、異物の下側を際立たせることができる。
ここで、原画像を単純に2値化すると全体が膨張し、正確な狭ギャップ検査を行うことができない。これに対し、第1〜第3処理画像を合成することで異物を際立たせることができるため、正確な狭ギャップ検査を行うことができる。
次に、下記の方法により半田膜について原画像を撮影し、この原画像内で判定領域を決め、判定領域内において輝度が閾値以下の領域の面積が所定の値以上の場合に不良と判定する(ステップS16)。これにより黒色不良の有無を判定することができる。
図37は、黒色不良検査において半田膜を照明及び撮影するための光学系を示す図である。この光学系は、図12の光学系と同様に対物レンズ23,同軸照明手段24及びリング照明手段25を有するだけでなく、無影リング照明手段28を有する。無影リング照明手段28は、半田膜14の上に円心が位置するリング状の導光材を有する。発光ダイオードなどの光源から導光材に投入された光は、導光材内部で様々な方向に拡散される。即ち、無影リング照明手段28は、影が出にくい拡散均一照射型の無影照明である。この無影リング照明手段28を用いて、図38に示すように半田膜14を複数の方向から照明する。
まず、同軸照明手段24,リング照明手段25及び無影リング照明手段28を用いて、半田膜14に上方及び斜めから光を当て反射光を測定して図39に示すような原画像を得る。このように半田膜14に対して、斜めからだけでなく上方からも光を当てることにより、半田膜14の全体を均一に光らせることができる。これにより、軽微な黒色不良についても検出することができる。特に、無影リング照明手段28を用いることにより、半田膜14に多方向から光を当てることができるため、黒色不良の検出が容易になる。また、直接照明を用いて半田膜14を複数の方向から照明すると、照明が対物レンズ23の中央に寄ってきて視野が狭くなる。これに対し、無影リング照明手段28を用いれば広い視野を確保することができる。
ここで、図40に示すように、ワーク29の周辺領域からの反射光は無影リング照明手段28により遮られて対物レンズ23に入射されない。このため、図41に示すように、原画像の周辺領域では、中央領域に比べて輝度が低くなり、そのままでは黒色不良の判定を行うことができない。そこで、図42に示すように、原画像の周辺領域の輝度を上げた後に不良判定を行う。これにより、画像の中央領域だけでなく周辺領域でも黒色不良の判定を行うことができるため、判定時間を短縮することができる。
次に、上記のように撮影した原画像において、図43に示すように、半田膜の外周部の近似曲線(点線)を最小二乗法により求める。そして、Cu電極の中心から長辺の1/2までの範囲と近似曲線とで囲まれる領域を黒色不良の判定領域とする。ただし、最小二乗法では外側の暗い部分を近似曲線の内側に含んでしまうため、近似曲線から所定の幅(例えば3μm)だけ内側の領域(実線)を判定領域とするのが好ましい。
また、上記の黒色不良の判定工程において不良と判定した場合に、原画像のコントラストを強調して再び不良判定工程を行う。これにより、半田膜14の表面の荒れを黒色不良と誤判定するのを防ぐことができる。原画像のコントラストの強調は以下のように行う。
まず、図44は、撮影した原画像、その輝度の度数分布グラフ及び輝度の累積度数分布グラフである。この原画像に対して、図45に示すように階調イコライゼーションを行う。次に、図46に示すようにγ補正を行う。最後に、図47に示すようにコントラストを改善することで最終画像を得る。
本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態に係る不良判定方法を示すフローチャートである。 半田膜を照明及び撮影するための光学系を示す図である。 半田膜を照明するための光学系を示す図である。 リング照明手段により半田膜を照明する様子を示す断面図である。 同軸照明手段により半田膜を照明する様子を示す断面図である。 DC不良を有する半田膜の原画像である。 原画像の輝度を長辺方向に微分した微分データである。 微分データを短辺方向に積算した積算値を示す図である。 DC不良を有する半田膜の原画像である。 DE不良を有する半田膜の原画像である。 微分データを短辺方向に積算した積算値を示す図である。 Cu電極の真中部分だけについて輝度を微分することを説明するための図である。 図19の原画像の輝度を短辺方向に積算した積算値を示す図である。 半田膜の外周部の近似曲線を描いた原画像である。 DE不良を有する半田膜のレーザ顕微鏡画像である。 DE不良を有する半田膜に斜めから光を当て反射光を測定して得た原画像である。 図25の原画像を2値化した画像である。 DE不良の多値検査を説明するための図である。 ディウェットの検査を説明するための図である。 DE不良の2値面積検査を説明するための図である。 レーザ変位計による高さ測定の結果を示す図である。 レーザ高さ測定を行う位置を示す断面図である。 レーザ高さ測定を行う位置を示す上面図である。 リード間のギャップを示す上面図である。 第1の画像処理を説明するための図である。 第2の画像処理を説明するための図である。 第1〜第3処理画像の合成を説明するための図である。 黒色不良検査において半田膜を照明及び撮影するための光学系を示す図である。 無影リング照明手段により半田膜を照明する様子を示す断面図である。 半田膜に上方及び斜めから光を当て反射光を測定して得た原画像である。 無影リング照明手段を用いた場合の反射光の経路を説明するための拡大断面図である。 複数のCu配線上に形成された半田膜を撮影した原画像である。 図41の原画像の周辺領域の輝度を上げた画像である。 黒色不良の判定領域を決めた原画像である。 撮影した原画像、その輝度の度数分布グラフ及び輝度の累積度数分布グラフである。 階調イコライゼーションを行った画像、その輝度の度数分布グラフ及び輝度の累積度数分布グラフである。 γ補正を行った画像、その輝度の度数分布グラフ及び輝度の累積度数分布グラフである。 コントラストを改善した画像、その輝度の度数分布グラフ及び輝度の累積度数分布グラフである。 DC不良を有する半田膜を撮影した画像である。 DE不良を有する半田膜を撮影した画像である。 黒色不良が発生した半田膜を示すレーザ顕微鏡画像である。 従来の方法により得た原画像である。
符号の説明
11 配線基板
12 Cu電極(電極)
14 半田膜
24 同軸照明手段
25 リング照明手段
26 Cuリード(リード)
28 無影リング照明手段

Claims (13)

  1. 長辺と短辺を有する電極上に半田膜を有する配線基板を準備する工程と、
    前記半田膜に斜めから光を当て反射光を測定して原画像を得る工程と、
    前記原画像の輝度を長辺方向に微分して微分データを得る工程と、
    前記微分データを短辺方向に積算して積算値を求める工程と、
    前記積算値の最大値と最小値の差が所定の値以上であり、前記積算値が最大となる位置と最小となる位置の幅が所定の幅以下である場合に不良と判定する第1検査工程とを備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 前記第1検査工程において不良と判定した場合に、前記原画像において前記電極上に輝度が閾値より低い領域が2個以上に分かれている場合は不良と判定し、1個以下の場合は良好と判断する第2検査工程を更に備えることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
  3. 長辺と短辺を有する電極上に半田膜を有する配線基板を準備する工程と、
    前記半田膜に斜めから光を当て反射光を測定して原画像を得る工程と、
    前記原画像の輝度を長辺方向に微分して微分データを得る工程と、
    前記微分データの輝度を短辺方向に積算して積算値を求める工程と、
    前記積算値の最大値が所定の値以上である場合に不良と判定する工程とを備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  4. 前記微分データを得る工程において、前記電極の真中部分だけについて輝度を微分することを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の半導体装置の製造方法。
  5. 電極上に半田膜を有する配線基板を準備する工程と、
    前記半田膜に斜めから光を当て反射光を測定して原画像を得る工程と、
    前記原画像において輝度が閾値以上の領域の面積が所定の値以下の場合に不良と判定する第1検査工程と、
    前記第1検査工程において不良と判定した前記半田膜についてレーザ変位計により高さを測定する第2検査工程とを備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  6. 前記第2検査工程において、前記電極上の前記半田膜の高さと前記電極から引き出されたリードの高さとの差が所定の値の範囲内から外れる場合は不良と判定することを特徴とする請求項5に記載の半導体装置の製造方法。
  7. 電極上に半田膜を有する配線基板を準備する工程と、
    前記半田膜に斜めから光を当て反射光を測定して原画像を得る工程と、
    前記原画像について、前記電極から引き出されたリードに相当する部分の輝度を閾値以上に上げる処理を行う工程と、
    処理後の画像において、輝度が閾値以上の領域同士の間隔が所定の長さ以下の場合に不良と判定する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  8. 電極上に半田膜を有する配線基板を準備する工程と、
    前記半田膜に斜めから光を当て反射光を測定して原画像を得る工程と、
    前記原画像の各画素について、その画素から所定の処理方向に所定の個数分の画素の輝度を積算したものから、その画素から前記処理方向とは反対の方向に前記所定の個数分の画素の輝度を積算したものを差し引いた値をその画素の輝度とする処理を行う画像処理工程と、
    処理後の画像において、輝度が閾値以上の領域同士の間隔が所定の長さ以下の場合に不良と判定する検査工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  9. 前記処理方向を短辺方向に平行な第1方向として前記画像処理工程を行って第1処理画像を得る工程と、
    前記処理方向を長辺方向に平行な第2方向として前記画像処理工程を行って第2処理画像を得る工程と、
    前記処理方向を前記第2方向とは反対の第3方向として前記画像処理工程を行って第3処理画像を得る工程と、
    前記第1処理画像、前記第2処理画像及び前記第3処理画像を合成し、この合成した画像について前記検査工程を行うことを特徴とする請求項8に記載の半導体装置の製造方法。
  10. 電極上に半田膜を有する配線基板を準備する工程と、
    前記半田膜に上方及び斜めから光を当て反射光を測定して原画像を得る工程と、
    前記原画像内で判定領域を決め、前記判定領域内において輝度が閾値以下の領域の面積が所定の値以上の場合に不良と判定する不良判定工程とを備え、
    前記原画像を得る工程において、前記反射光を入力する光入力手段と、前記光入力手段と同軸で前記半田膜を照明する同軸照明手段と、前記半田膜の上に円心が位置するリング状のリング照明手段とを用い、
    前記原画像を得る工程において、光源からの光を拡散して前記半田膜を複数の方向から照明する無影リング照明手段を更に用い、
    前記原画像の周辺領域の輝度を上げた後に前記不良判定工程を行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  11. 前記原画像において前記半田膜の外周部の近似曲線を最小二乗法により求める工程を更に有し、
    前記近似曲線で囲まれる領域を前記判定領域とすることを特徴とする請求項10に記載の半導体装置の製造方法。
  12. 前記近似曲線から所定の幅だけ内側の領域を前記判定領域とすることを特徴とする請求項11に記載の半導体装置の製造方法。
  13. 前記不良判定工程において不良と判定した場合に、前記原画像のコントラストを強調して再び前記不良判定工程を行うことを特徴とする請求項10〜12の何れか1項に記載の半導体装置の製造方法。
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