KR20010108632A - 반도체소자의 솔더 볼 검사 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체소자의 솔더 볼 검사장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 반도체소자의 솔더 볼 검사장치는 전후좌우로 이동이 가능한 테이블에 피검사체인 솔더 볼이 형성되어 있는 보드를 탑재하고, 상기 테이블의 상부는 정해진 입사각으로 광을 조사하는 링 형상의 광원들이 설치되어 있어 상기 광원들이 조절기의 신호에 따라 순차적으로 광을 조사하면, 원형 솔더 볼의 표면에 링무늬가 형성되며, 이렇게 형성된 링무늬들을 테이블 직상부에 설치되어 있는 카메라로 두 프레임 이상 촬영하여 이미지 처리부에서 광조사각과 무늬간격등의 기초 정보로부터 솔더 볼의 표면 정보를 얻고, 이를 기초로 솔더 볼의 삼차원 표면을 재현하여 솔더 볼의 3차원 정보를 효과적으로 얻을 수 있어 솔더 볼의 균일성이나 이상 유무를 간단하게 알 수 있다.

Description

반도체소자의 솔더 볼 검사 장치 및 방법{Apparatus and Method for Inspecting Solder Ball of Semiconductor Device}

본 발명은 반도체 소자의 솔더 볼 검사 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 특히 다양한 각도로 배치된 광원에서 조사되는 광에 의해 형성되는 솔더 볼의 줄무늬를 상부의 카메라로 인식하여 솔더 볼의 삼차원 정보를 인식할 수 있는 반도체소자의 솔더 볼 검사 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

일반적으로 반도체 칩의 포장체인 반도체패키지는 칩이 마운트되는 다이패드와, 상기 다이패드의 주변에 일정 간격으로 배치되어있는 리이드들과, 상기 칩의 본딩패드와 리드들의 일측을 연결하는 와이어들과, 상기 칩과 다이패드를 감싸 보호하는 EMC로 된 패키지 몸체로 구성된다. 여기서 상기 리이드들은 몸체의 내부에 위치하는 내부리이드와 몸체의 외부에서 외부단자와 연결되는 외부 리이드로 나눌 수 있으며, 외부 리이드의 형상은 실장 방법에 따라 여러 가지 형태를 가진다.

고집적의 다핀 소자는 주로 솔더 볼을 이용한 일괄 융착 방법이 사용되는데, 이는 반도체 패키지의 외부 리이드가 접착될 보드의 패드 부분에 미리 솔더 볼을 형성하고 그 상부에 패키지의 외부 리이드들을 정렬시킨 후, 열을 가하여 반도체 패키지의 외부리이드가 보드의 패드들과 접착되도록 하는 방법이다.

이러한 일괄 융착 방법은 다수개의 핀이 일괄적으로 패드에 접착된다는 점에서 공정의 수율이 높고, 균일도가 증가된다는 이점이 있으나, 패드 상에 일차로 형성되는 솔더 볼의 상태에 따라 솔더링 공정의 불량 발생여부가 결정되므로, 이들의 상태를 검사하는 공정이 필요하게 된다.

도 1은 종래 기술에 따른 솔더 볼 검사 장치의 개략도로서, 전체적으로는 광원(15)과, 카메라(13)와, 테이블(11) 및 이미지 처리부(19)로 구성된다.

즉, 상기 테이블(11)은 솔더 볼(3)이 형성되어있는 보드(1)를 탑재하고 좌우로 이동 가능하며, 상기 광원(15)은 보드(1)에 라인 라이트를 조사하되, 좌우로 회전하면서 조사하고, 상기 카메라(13)는 상기 광원(15)에서 조사되어 솔더 볼(3)에서 반사된 광 이미지를 촬영하여 이미지 처리부(19)에 전달하면, 상기 이미지 처리부(19)가 반사광 정보를 분석하여 솔더 볼(3)의 2차원 정보, 예를 들어 볼의 유무, 볼 위치, 볼 피치, 볼 크기 등을 분석하여 솔더 볼(3)의 균일성과 상태를 파악하게 된다.

도 2는 도 1의 종래 기술에 따른 솔더 볼 검사장치에 의한 솔더 볼 검사항목들을 설명하기 위한 개략도로서, 스캔된 영상을 검사하여 볼의 유무(도 2a), 볼 오프셋(도 2b), 그리드-패키지 오프셋(도 2c), 볼 피치(도 2d), 전체크기(도 2e) 및 볼 크기(도 2f) 등을 알 수 있으나, 3차원 정보인 볼평편도(도 2g)나 다른 평면에서의 볼 품질(도 2h) 등은 알 수 없다.

상기와 같은 종래 기술에 따른 반도체패키지의 솔더 볼 검사장치는 라인 라이트를 한쪽에서 다른 쪽으로 회전시키면서, 전체면을 스캔하여 솔더 볼에서 반사되는 반사광을 측정하기 때문에 솔더 볼 검사에 많은 시간이 걸려 공정 수율이 떨어지고, 솔더 볼의 2차원 정보만을 알게 되므로 측정의 신뢰성도 떨어지는 문제점이 있다.

또한 반도체장치의 고집적화 및 경박단소화 추세에 따라 반도체패키지가 작아져 패키지 몸체의 하부면에 실장용 볼이 형성되거나 칩의 본딩패드가 직접 노출되어 보드상의 솔더 볼과 접촉되는 비.지.에이(ball grid array; 이하, BGA라 칭함)나 씨.에스.피(chip size package; 이하, CSP라 칭함)등의 패키지 사용이 증가되면서 정밀한 솔더링이 요구되고 있으나, 솔더 볼의 2차원 정보만으로는 솔더 볼 전체 크기 불량에 의한 솔더링 공정시의 단락이나 단선 등을 방지하기 어려워 3차원 정보인 솔더 볼의 평편도(coplanarity)나 볼 품질도 검사하여야 하나 종래의 기술로는 솔더 볼의 평편도를 검사할 수 없는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서 본 발명의 목적은 다양한 입사각도로 광을 조사하여 솔더 볼에서 반사되는 반사광으로부터 솔더 볼의 3차원 정보를 얻되, 임의로 선택된 솔더 볼을 검사하여 솔더 볼의 3차원 정보인 평편도와 같은 균일성을 신속하게 조사할 수 있어 공정수율을 향상시키고, 조사의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 솔더 볼 검사장치를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 솔더 볼의 삼차원 정보를 용이하게 얻을 수 있는 반도체소자의 솔더 볼 검사방법을 제공함에 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 솔더 볼 검사 장치의 개략도,

도 2는 솔더 볼 검사항목들을 설명하기 위한 개략도,

도 3은 본 발명에 따른 솔더 볼 검사 장치의 개략도,

도 4는 도3의 링형 광원의 사시도,

도 5는 도 3의 장치로 촬영한 이미지의 평면도,

도 6은 본 발명에 따른 솔더 볼 검사방법을 설명하기 위한 개략도,

도 7은 도 6에서 검사된 솔더 볼의 표면정보로 재현된 솔더 볼 형상,

도 8은 솔더 볼의 표면 정보 검사원리를 설명하기 위한 개략도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 보드 3 : 솔더 볼

11 : 테이블 12 : 위치정보 입력부

13 : 카메라 15 : 광원

17 : 광원 조절기 19 : 이미지 처리부

20 : 디스플레이부 θ1,θ2,θ3 : 광원의 입사각

#1,#2,#3 : 카메라에 촬영된 줄무늬

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체소자의 솔더 볼 검사장치의 특징은,

솔더 볼들이 형성되어있는 보드가 탑재되며, 상기 보드를 전후좌우로 이동시킬 수 있는 테이블과,

상기 테이블의 상부에서 일정한 입사각으로 상기 테이블의 보드에 광을 조사할 수 있는 적어도 두 개의 링형 광원들과,

상기 광원들과 연결되어 광조사 시기를 조절하는 광원조절기와,

상기 테이블의 상부에서 상기 광원에서 조사되어 솔더 볼에서 반사된 무늬를 촬영하는 카메라와,

상기 카메라에서 촬영한 이미지와 광원의 빛 조사각을 기초로 솔더 볼의 표면정보를 얻고 이를 기초로 솔더 볼의 삼차원 형상을 재현시키는 이미지 처리부를 구비하여 솔더 볼의 삼차원 정보를 파악 할 수 있다.

또한 상기 이미지 처리부에 연결되어 솔더 볼의 재현된 화상을 확인할 수 있는 화상 처리부를 구비한다.

또한 본 발명에 따른 반도체소자의 솔더 볼 검사방법의 특징은,

솔더 볼들이 형성되어있는 보드를 탑재하고 전후좌우로 이동 가능한 테이블과, 상기 테이블의 상부에서 일정한 입사각으로 상기 테이블의 보드에 광을 조사할 수 있는 적어도 두 개의 링형 광원들과, 상기 테이블의 상부에서 상기 광원에서 조사되어 솔더 볼에서 반사된 무늬를 촬영하는 카메라와, 상기 카메라에서 촬영한 이미지와 광원의 빛 입사각을 기초로 솔더 볼의 표면정보를 얻는 이미지 처리부를 구비하는 반도체소자의 솔더 볼 검사장치를 이용한 검사방법에 있어서,

a: 상기 솔더 볼들이 형성되어있는 보드를 테이블에 탑재하는 단계와,

b: 상기 테이블의 측상부에 위치하는 제1 입사각의 링형 광원으로부터 상기 보드로 광을 조사하는 단계와,

c: 상기 조사된 광의 솔더 볼에서의 반사광을 솔더 볼의 직상부에 위치하는 카메라로 촬영하는 단계와,

d: 상기 b 및 c 단계를 제2입사각의 광원으로 반복하여 촬영하는 단계와,

e: 상기 c 및 d 단계에서 촬영된 사진 영상과 광원의 솔더 볼에 대한 입사각으로부터 솔더 볼의 표면 상태를 파악하는 단계를 구비함에 있다.

또한 상기 e 단계 후에 파악된 솔더 볼의 표면 정보로부터 삼차원 형상을 재현시키는 f 단계를 구비한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 반도체소자의 솔더 볼 검사장치 및 그 방법에 대하여 상세히 설명을 하기로 한다.

본 발명에 따른 반도체소자의 솔더 볼 검사방법은 솔더 볼의 일측에서 일정한 각도로 광을 조사하면 솔더 볼의 표면에서 반사되는 광이 솔더 볼의 표면 정보를 포함하고 있다는 점에 착안한 것이다.

즉, 솔더 볼의 일측 상부에서 다양한 입사각으로 광을 조사하고, 그 반사광을 솔더 볼의 수직 상부에서 촬영하면, 광의 입사각과 측정되는 무늬로부터 솔더 볼의 표면 정보를 얻을 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 솔더 볼 검사장치의 개략도이다.

먼저, 솔더 볼 검사장치는 다수개의 솔더 볼(3)이 형성되어 있는 보드(1)가 탑재되어 x-y축 방향 이동이 가능하고 탑재된 보드(1)내 각 솔더 볼들의 위치정보를 파악할 수 있는 위치정보 입력부(12)를 구비하는 테이블(11)과, 상기 테이블(11)의 상측에서 일정한 각도로 솔더 볼(3)에 광을 조사하는 다수개의 링형 광원(15-1,15-2,15-3,...)들과, 상기 테이블(11)의 직상부에서 반사광을 촬영하여 그 이미지를 이미지 처리부에 전달하는 카메라(13)와, 상기 광원(15)들의 발광 시간을 조절하는 광원 조절기(17)와, 상기 카메라(13)에서 촬영한 이미지 정보를 전달받아 솔더 볼(3)의 삼차원 상태를 재구성하는 이미지 처리부(19)를 구비하며, 상기 이미지 처리부(19)에서 재구성한 솔더 볼의 형상이나 카메라(13)에서 촬영된 영상을 나타내는 디스플레이부(20)로 구성된다. 상기 광원(15)은 도 4의 링형 광원들을 사용하여 한번의 촬영 프레임으로 하나의 입사각에서의 반사광의 링 형상을 촬영할 수 있다.

상기 솔더 볼 검사장치의 검사 공정을 살펴보면 다음과 같다.

먼저, BGA나 CSP등의 고집적 반도체패키지나 소자들이 탑재될 보드(1)의 정해진 위치에 솔더 볼(3)들을 일정 피치(P)와 지름(R)에 맞게 형성하고, 상기 보드(1)를 검사장치의 테이블(11)상에 탑재시킨 후, 고정시킨다. 여기서 상기 테이블(11)은 X-Y축 방향으로 이동이 가능하며, 이러한 위치정보는 테이블조절부(도시되지 않음)에서 조절하도록 한다.

그 다음 상기 테이블(11)의 일측 상부에 일정 입사각(θ1,θ2,θ3...)을 가지고 광을 조사할 수 있는 링형 광원들(15-1.15-2,15-3...)이 광원조절기(17)의 신호를 받아 조사 대상 솔더 볼(3)에 순차적으로 광을 조사하면, 각 광원(15-1.15-2,15-3...)들의 광조사 각도에 따라 반사광이 카메라(13)에 찍히게 되는데, 광원들이 링형 광원이므로 솔더 볼(3)의 모든 방향의 반사광을 찍게된다.

여기서 상기 광원(15), 예를 들어 θ3 조사각의 광원(15-3)에 의해 도 5와 같은 줄무늬가 촬영된다.

도 6은 본 발명에 따른 솔더 볼 검사방법을 설명하기 위한 개략도로서, 하나의 솔더 볼에 여러 입사각의 광이 조사될 때의 이미지를 합한 가상도이다.

즉, θ1, θ2...θn의 여러 입사각으로 링형 광원이 빛을 조사하면 도 6과 같은 줄무늬들(#1,#2,#3...)을 형성하게 된다.

이러한 줄무늬들(#1,#2,#3...)은 그 직상방에 위치한 카메라(13)로 촬영되어 이미지처리부(19)로 보내지고, 상기 이미지처리부(19)에서 솔더 볼(3)의 표면 정보를 추출하여 도 7과 같은 재현된 3차원의 솔더 볼(3) 형상을 얻을 수 있게 된다.

여기서 상기 보드(1)의 솔더 볼(3)들은 위치에 따라 입사각이 달라지므로 솔더 볼의 위치 정보는 테이블(11)의 위치정보 입력부(12)에서 이미지 처리부로 입력되어 촬영된 이미지에서 각 솔더 볼에 대한 정확한 표면 정보를 얻을 수 있다.

상기의 이미지 처리에 의해 얻어지는 3차원 정보로부터 솔더 볼들의 평편도와 균일성 및 입체적인 형상 등을 알 수 있다.

또한 상기 이미지처리부(19)에 화상 표시부를 연결하여 검사원이 직접 솔더 볼(3)의 재현된 형상을 육안으로 확인할 수도 있다.

상기에서 솔더 볼(3)의 표면 정보를 파악하는 원리를 살펴보면 다음과 같다.

즉, 도 8에 도시되어있는 바와 같이,

호의 평면길이 P, 변위각 Δθ, 호의 길이 L, 호의 반지름 R의 사이에는

P ≒ L·sinθ

L = R·Δθ 의 관계가 있으므로,

L₂- L₁= Δθ·(R₂- R₁) 에서

ΔP ≒ sinθ·Δθ·ΔR 의 관계식을 얻을 수 있다.

예를 들어보면,

θ=π/3, Δθ = π/6 이면,

ΔP ≒ sinθ·Δθ·ΔR 에서

ΔP ≒ 0.45345·ΔR 이 된다.

또 다른 예로서 θ=π/3, Δθ = π/6 이면,

ΔP ≒ 0.2618·ΔR 이 된다.

즉 솔더 볼의 표면 상태뿐만 아니라 지름 변위에 따른 무늬의 크기 변화를 알 수 있다.

이러한 측정값을 기초로 도 6과 같은 표면 정보를 얻어, 도 7과 같은 솔더 볼의 형상을 재현할 수 있으며, 이를 기초로 솔더 볼의 균일성이나 표면 상태를 알 수 있다.

또한 위와 같은 수식이 아니라도, 단지 촬영된 이미지만을 입사각에 따라 비교하여도 솔더 볼의 2차원 정보와 평편도 등을 비교할 수 있어 검사의 효율이 증가된다.

상기에서 광원(15)의 수와 조사각을 조절하면 측정 정밀도를 조절할 수 있으며, 상기 광원(15)은 R.G.B의 LED나 할로겐램프, 단색 레이저 등이 사용 가능하다.

따라서 광원(15)으로 입사각에 따라 두차례 정도 조사하고 두 프레임 정도의 정보로 솔더 볼의 삼차원 정보를 얻을 수 있으며, 상기 광원의 수를 증가시키면, 측정의 정밀도가 증가된다.

본 발명에 따른 링형 광원을 이용한 다양한 입사각의 광조사 방법은 한번의 촬영으로 볼의 유무, 볼 오프셋, 그리드-패키지 오프셋, 볼 피치, 보드 전체크기 및 볼 크기 및 다른 평면에서의 볼 품질 등의 2차원 정보를 알 수 있고, 두프레임 이상의 촬영 정보로부터 3차원 정보인 볼평편도 등을 알 수 있다.

본 발명에 따른 반도체소자의 솔더 볼 검사장치는 검사 정밀도가 낮은 검사장치는 물론이고 정밀한 측정이 요구되는 측정 장치로도 사용할 수 있으며, 솔더 볼들의 불규칙한 부분에 일정한 공차를 부여하고 측정된 값들에 대한 상대적 보간을 주어 측정하게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 반도체소자의 솔더 볼 검사장치는 전후좌우로 이동이 가능한 테이블에 피검사체인 솔더 볼이 형성되어 있는 보드를 탑재하고, 상기 테이블의 상부는 정해진 입사각으로 광을 조사하는 링 형상의 광원들이 설치되어 있어 상기 광원들이 조절기의 신호에 따라 순차적으로 광을 조사하면, 원형 솔더 볼의 표면에 링무늬가 형성되며, 이렇게 형성된 링무늬들을 테이블 직상부에 설치되어 있는 카메라로 두프레임 이상 촬영하여 이미지 처리부에서 광조사각과 무늬간격등의 기초 정보로부터 솔더 볼의 표면 정보를 얻고, 이를 기초로 솔더 볼의 삼차원 표면을 재현하여 솔더 볼의 3차원 정보를 효과적으로 얻을 수있어 솔더 볼의 균일성이나 이상 유무를 간단하게 알 수 있고, 솔더 볼 검사 단계가 간단해져 공정 수율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

Claims (4)

1. 솔더 볼들이 형성되어있는 보드가 탑재되며, 상기 보드를 전후좌우로 이동시킬 수 있는 테이블과,

   상기 테이블의 상부에서 일정한 입사각으로 상기 테이블의 보드에 광을 조사할 수 있는 적어도 두 개의 링형 광원들과,

   상기 광원들과 연결되어 광조사 시기를 조절하는 광원조절기와,

   상기 테이블의 상부에서 상기 광원에서 조사되어 솔더 볼에서 반사된 무늬를 촬영하는 카메라와,

   상기 카메라에서 촬영한 이미지와 광원의 빛 조사각을 기초로 솔더 볼의 표면정보를 얻고 이를 기초로 솔더 볼의 삼차원 형상을 재현시키는 이미지 처리부를 구비하여 솔더 볼의 삼차원 정보를 파악 할 수 있는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 솔더 볼 검사장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 이미지 처리부에 연결되어 솔더 볼의 재현된 화상을 확인할 수 있는 화상 처리부를 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 솔더 볼 검사장치.
3. 솔더 볼들이 형성되어있는 보드를 탑재하고 전후좌우로 이동 가능한 테이블과,

   상기 테이블의 상부에서 일정한 입사각으로 상기 테이블의 보드에 광을 조사할 수 있는 적어도 두 개의 링형 광원들과,

   상기 테이블의 상부에서 상기 광원에서 조사되어 솔더 볼에서 반사된 무늬를 촬영하는 카메라와,

   상기 카메라에서 촬영한 이미지와 광원의 빛 입사각을 기초로 솔더 볼의 표면정보를 얻는 이미지 처리부를 구비하는 반도체소자의 솔더 볼 검사장치를 이용한 검사방법에 있어서,

   a: 상기 솔더 볼들이 형성되어있는 보드를 테이블에 탑재하는 단계와,

   b: 상기 테이블의 측상부에 위치하는 제1 입사각의 링형 광원으로부터 상기 보드로 광을 조사하는 단계와,

   c: 상기 조사된 광의 솔더 볼에서의 반사광을 솔더 볼의 직상부에 위치하는 카메라로 촬영하는 단계와,

   d: 상기 b 및 c 단계를 제2입사각의 광원으로 반복하여 촬영하는 단계와,

   e: 상기 c 및 d 단계에서 촬영된 사진 영상과 광원의 솔더 볼에 대한 입사각으로부터 솔더 볼의 표면 상태를 파악하는 단계를 구비하는 반도체소자의 솔더 볼 검사방법.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 e 단계 후에 파악된 솔더 볼의 표면 정보로부터 삼차원 형상을 재현시키는 f 단계를 구비하는 반도체소자의 솔더 볼 검사방법.