KR20090103152A

KR20090103152A - 반도체 패키지의 외관 검사를 위한 광학 시스템

Info

Publication number: KR20090103152A
Application number: KR1020080028559A
Authority: KR
Inventors: 주효남; 권오민; 김준식; 류근호
Original assignee: 호서대학교 산학협력단
Priority date: 2008-03-27
Filing date: 2008-03-27
Publication date: 2009-10-01
Also published as: KR100941878B1

Abstract

본 발명은 반도체 패키지의 외관 검사를 위한 광학 시스템에 관한 것으로서, 카메라의 광축과 일치하는 광 경로로 피 검사체에 광을 조사하는 동축 조명 광원과, 피 검사체의 측면에서 일정 각도를 가지고 광을 조사하는 측사 사각 조명 광원과, 동축 조명 광원에서 출사하는 광을 피 검사체로 반사하는 빔 스플리터와, 동축 조명 광원 및 측사 사각 조명 광원에서 출사되고 피 검사체에서 반사된 광을 카메라에 집광시키는 광학 렌즈를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 측사 사각 조명을 통해 VFLGA 패키지의 외관 검사 항목 중 Dimension(Width, Height), Diameter, Offset, Chamber Width, X-Mark 유무에 필요한 정보를 얻을 수 있고, 동축 조명을 통해 Align(dX, dY, dRx, dRy) 검사에 필요한 정보를 얻을 수 있으므로, VFLGA 패키지에 요구되는 검사를 성공적으로 수행할 수 있다.

Description

반도체 패키지의 외관 검사를 위한 광학 시스템{ Optical system for inspecting appearance of semiconductor package }

본 발명은 광학 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 반도체 패키지의 외관 검사를 위한 광학 시스템에 관한 것이다.

비전 기술은 카메라를 통해 획득한 반도체 소자의 영상 데이터를 영상 처리 및 영상 분석함으로써, 반도체 제조 공정을 제어할 수 있도록 처리하는 기술을 말한다.

반도체 제조 공정에서, 비전 검사 분야는 제조되는 반도체 소자의 신뢰성을 높여주고, 제품에 대한 품질의 일관성을 보증해주는 중요한 수단이다.

초기에는 간단한 센서만을 이용하여 반도체 소자를 검사하였으나, 반도체 소자의 집적화 및 소형화가 진행됨에 따라 센서만으로 여러 검사 항목들을 검사하기에는 한계가 있었다.

한편, 반도체 제조 기술이 발달함에 따라 부품의 집적도가 높아져서 QFP(Quad Flat Package)나 PLCC(Plastic Leaded Chip Carrier)와 같은 방법으로는 필요한 리드를 제공할 수 없게 되었다.

이러한 문제를 해결하기 위해 BGA(Ball Grid Array)나 CSP(Chip Size Package)와 같이 작은 크기로 많은 리드를 제공할 수 있는 패키지 방식이 제안되었으며, 이러한 방식은 2차원적인 리드 배열이 가능하기 때문에 많은 반도체 칩들이 이러한 방식을 사용하고 있다.

그러나 빠른 속도가 요구되는 반도체 칩의 경우, 상기 BGA 방식으로는 한계가 있으며, 이를 보완하기 위해 LGA(Land Grid Array) 방식을 사용한다.

상기 LGA 방식은 기판의 하부 면에 어레이 형태의 다수 입출력 전극을 수용하기 때문에 고속 반도체 칩에 적합한 패키지 방식이다. 예를 들어, LGA 방식은 CPU나 RAM 등 고속 처리가 필요한 부분에서 많이 사용된다.

기존의 LGA 패키지의 외관 검사 방식은 전방 조명 방식을 사용하였는데, 전방 조명 방식은 물체의 표면상에서 나타나는 결함을 검출할 때 용이하고, 난반사 광에 의해 피 검사체의 특징을 추출할 때 사용된다.

상기 전방 조명 방식의 경우, 단순히 원형 패드 부분만을 검사하며, 원형 패드 부분의 중심점과 원주를 계산하여 미리 정해진 오차 범위 밖에 있으면 에러로 간주한다.

그러나, LGA 패키지의 한 종류인 VFLGA(Very Fine Land Grid Array) 패키지의 경우, 단순히 원형 패드 부분만 검사하는 것이 아니라 여러 검사 항목이 존재하므로, 다양한 검사 항목을 검사할 수 있는 광학 시스템의 개발이 필요하다.

본 발명의 목적은 VFLGA(Very Fine Land Grid Array) 패키지의 여러 검사 항목을 성공적으로 수행할 수 있는 광학 시스템을 제공하는 데 있다.

상기의 문제점을 해결하기 위해 고안된 본 발명의 광학 시스템의 바람직한 실시예는, 카메라의 광축과 일치하는 광 경로로 피 검사체에 광을 조사하는 동축 조명 광원과, 상기 피 검사체의 측면에서 일정 각도를 가지고 광을 조사하는 측사 사각 조명 광원과, 상기 동축 조명 광원에서 출사하는 광을 상기 피 검사체로 반사하는 빔 스플리터와, 상기 동축 조명 광원 및 측사 사각 조명 광원에서 출사되고 상기 피 검사체에서 반사된 광을 상기 카메라에 집광시키는 광학 렌즈를 포함하여 이루어진다.

이때, 상기 피 검사체는 VFLGA(Very Fine Land Grid Array) 반도체 패키지인 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 동축 조명 광원 및 측사 사각 조명 광원은 복수 개의 발광 다이오드(Light Emitting Diode : LED)로 이루어지는 백색 광원 또는 메탈 할라이드 램프(Metal Halide Lamp) 인 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 측사 조명 광원은 평면에서 10°~ 45°의 각도를 가지고 상기 피 검사체의 측면에서 광을 조사하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 측사 조명 광원은 상기 피 검사체의 좌, 우, 앞, 뒤 측면에서 광을 조사하는 것을 특징으로 한다.

도 1은 VFLGA(Very Fine Land Grid Array) 패키지의 패턴 설계도.

도 2는 본 발명의 반도체 패키지의 외관 검사를 위한 광학 시스템을 개략적으로 나타낸 도면.

도 3은 본 발명의 반도체 패키지의 외관 검사를 위한 광학 시스템을 이용하여 획득한 VFLGA 패키지 영상을 나타낸 도면.

도 4는 본 발명을 통해 획득한 영상을 히스토그램으로 나타낸 그래프.

도 5는 본 발명을 통해 획득한 영상을 Otsu's 알고리즘을 이용하여 영상 처리한 도면.

도 6은 사각형 패드 부분의 A-B(X 축 방향) 라인 프로 파일을 나타낸 그래프.

도 7은 본 발명을 통해 획득한 영상의 원형 패드 부분의 콘트라스트 값의 평균 및 표준 편차를 나타낸 그래프.

도 8a 및 도 8b는 X-Mark 영역만 추출하여 히스토그램으로 나타낸 그래프.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

100 : 광학 시스템 110 : 동축 조명 광원

120 : 빔 스플리터 130 : 측사 사각 조명 광원

140 : 광학 렌즈 150 : 카메라

200 : 피 검사체

이하, 도 1 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 반도체 패키지의 외관 검사를 위한 광학 시스템에 대해 상세히 설명한다.

본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 VFLGA(Very Fine Land Grid Array) 패키지의 패턴 설계도이다. 이에 도시된 바와 같이, VFLGA 패키지의 전체 크기 정보와, 사각형 패드 및 원형 패드의 크기 및 위치 정보와, X-Mark 정보 등이 표시되어 있다.

도 1을 참조하여 VFLGA 패키지의 외관 검사 항목을 살펴보면 표 1과 같다.

검사 항목	설 명
Dimension(width, height)	패키지의 전체 크기 검사
Diameter	원형 패드의 크기 검사
Offset	인접한 원형 패드 간의 중심점 사이의 거리
Chamber Width(dC)	챔버의 기울어진 부분의 너비
Align(dX, dY, dRx, dRy)	정렬 검사
X-Mark 유무	정상/불량 검사

반도체 패키지의 외관 검사를 위한 광학 시스템은 상기 검사 항목에 대한 특징 정보를 최대한 나타내는 영상을 취득해야 하는데, 카메라에 의해 획득한 영상은 광원의 주파수 및 반도체 소자의 재료 특성에 의해 영향을 받으므로, 상기 검사 항목에 대한 광학 특성을 정확히 파악하여야 한다.

도 2는 본 발명의 반도체 패키지의 외관 검사를 위한 광학 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.

이에 도시된 바와 같이 본 발명의 반도체 패키지의 외관 검사를 위한 광학 시스템(100)은 동축 조명 광원(110), 빔 스플리터(120), 측사 사각 조명 광원(130), 광학 렌즈(140) 및 카메라(150)를 포함하여 이루어진다.

상기 동축 조명 광원(110)으로는 복수 개의 발광 다이오드(Light Emitting Diode : LED)로 이루어지는 백색 광원 또는 메탈 할라이드 램프(Metal Halide Lamp) 등 가시 범위 전역에 걸쳐 발광하는 고휘도 조명을 사용한다.

상기 빔 스플리터(120)는 상기 동축 조명 광원(110)으로부터 출사된 광을 빔 스플리터(120) 하부에 위치한 피 검사체(200)로 반사한다.

상기 측사 사각 조명 광원(130)은 동축 조명 광원(110)과 마찬가지로 복수 개의 발광 다이오드 또는 메탈 할라이드 램프 등으로 이루어지며, 피 검사체(200)의 측면에서 광을 조사한다.

상기 측사 사각 조명 광원(130)은 평면에 대하여 10°~ 45°의 각도를 가지도록 회전 가능하게 설치된다. 상기 측사 사각 조명 광원(130)이 평면에 대하여 10°~ 45°의 각도를 벗어나게 되면, 피 검사체(200)의 외관을 검사할 때 섀도우(Shadow)와 같은 현상이 나타나는 단점이 있다.

상기 측사 사각 조명 광원(130)은 2개의 광원을 사용하여 피 검사체(200)의 좌,우 측면에서 광을 조사하는 것으로 도시하였지만, 바람직하게는 4개의 광원을 사용하여 좌, 우, 앞, 뒤의 4 측면에서 광을 조사하도록 형성한다.

상기 광학 렌즈(140)는 상기 동축 조명 광원(110)에서 출사되어 피 검사체(200)에서 반사된 광과, 상기 측사 사각 조명 광원(130)에서 출사되어 피 검사체(200)에서 반사된 광을 집광시켜 카메라(150)로 전달한다.

상기 카메라(150)는 피 검사체(200)에 대한 영상을 촬상하기 위한 것으로, CCD(Charge Coupled Device) 또는 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 등의 촬상 소자로 이루어진다.

상기 카메라(150)에서 촬상된 영상은 영상 처리 장치(250)로 제공되어, 피 검사체(200)의 외관을 검사하게 된다.

본 발명은 측사 사각 조명에 의해, 피 검사체(200)의 외곽을 그림자 없이 추출할 수 있을 뿐만 아니라, 측사 사각 조명의 각도를 조절하여 피 검사체(200)의 원하는 부분의 콘트라스트(Contrast)가 높게 나타나도록 할 수 있으며, 그로 인해 피 검사체(200) 내의 각 경계선을 명확히 추출해낼 수 있다.

측사 사각 조명을 이용하면 경계 부분에서 반사된 빛이 많기 때문에 카메라(150)를 통해 취득한 영상에서 윤곽선의 콘트라스트가 윤곽선 외의 콘트라스트 보다 높게 나타나, VFLGA 패키지의 외관 검사 항목 중 Dimension(Width, Height), Diameter, Offset, Chamber Width, X-Mark 유무에 필요한 정보를 얻을 수 있다.

특히, 측사 사각 조명을 사용하지 않으면 PCB와 Chamber와의 콘트라스트 값의 차이가 없어 Chamber Width를 구하기가 어려우나, Chamber가 약간의 기울기(경사)를 가지고 있으므로 측사 사각 조명을 이용하여 측사광을 주면, PCB와 Chamber와의 콘트라스트 값 차이가 확연한 영상을 취득할 수 있다.

한편, VFLGA 패키지의 사각형 패드 부분은 금속으로 이루어져 있어 측사 사각 조명에 의하면, 난반사되어 콘트라스트가 낮게 나오게 된다.

그러나, 동축 조명은 피 검사체(200)의 수직한 방향으로 광이 입사되기 때문에 난반사 없이 사각형 패드 부분의 외곽선도 쉽게 추출할 수 있으며, 그로 인해 VFLGA 패키지의 외관 검사 항목 중 Align(dX, dY, dRx, dRy) 검사에 필요한 정보를 얻을 수 있다.

상기 동축 조명은 측사 사각 조명의 상단에 위치하며, 동축 조명에 의한 빛은 항상 피 검사체(200)에 수직으로 입사하고 반사하므로 측사 사각 조명과 간섭을 일으키지 않는다.

도 3은 본 발명의 반도체 패키지의 외관 검사를 위한 광학 시스템을 이용하여 획득한 VFLGA 패키지 영상을 나타낸 도면이다. 이하에서는, 상기 획득한 영상을 이용한 각 검사 항목별 결과를 살펴보기로 한다.

(1) VFLGA 패키지의 외곽선 추출

VFLGA 패키지의 외곽선을 추출하는 경우, 전경(Foreground)과 배경(Background)의 콘트라스트(Contrast) 값이 얼마나 차이가 나는지가 중요한 포인트가 된다.

도 4는 본 발명을 통해 획득한 영상의 히스토그램을 나타낸 그래프이다. 여기서, 그래프에 나타난 골을 중심으로 왼쪽의 값이 배경(Background)을 나타내고, 오른쪽의 값이 전경(Foreground)을 나타낸다.

본 발명을 통해 획득한 영상의 경우, 도 4에서 보는 바와 같이 전경과 배경의 콘트라스트 값의 차이가 많이 나기 때문에 VFLGA 패키지의 외곽선을 명확히 추출할 수 있다.

도 5는 본 발명을 통해 획득한 영상을 Otsu's 알고리즘을 이용하여 영상 처리한 도면으로서, VFLGA 패키지의 외곽선이 명확히 추출되는 것을 볼 수 있다. 이로써, VFLGA 패키지의 전체 크기(WIDTH, HEIGHT)를 알 수 있다.

표 2는 링(Ring) 조명, 둠(Dome) 조명, 본 발명의 제안한(Suggested) 조명을 이용하였을 때의 Otsu's 알고리즘의 최적 조건에서의 계수를 나타낸 것이다.

조명의 종류	Parameter
조명의 종류	Sw	Sb	Sw/Sb
Ring	161.75	2106.77	0.0767
Dome	123.55	1762.88	0.0700
Suggested	348.03	6018.52	0.0578

여기서, Sw(within - class scatter)는 히스토그램의 가로 폭을 나타내는 값이고, Sb(between - class scatter)는 히스토그램 간의 간격을 나타내는 값이다.

이와 같이, Sw/Sb의 값이 0.0578로, 다른 조명을 사용하였을 때보다 월등히 낮은 것을 볼 수 있다. 이로 인하여 영상 처리에서 별도의 전처리 과정을 거치지 않고 이진화 과정만으로도 쉽게 특징점을 추출할 수 있게 된다.

(2) 사각형 패드 부분의 라인 프로 파일

사각형 패드 간의 간격 및 각 사각형 패드의 넓이(Width)가 동일하므로, 카메라를 통해 획득한 영상에서도 동일한 간격과 넓이를 가지는 것이 중요한 포인트가 된다.

도 6은 사각형 패드 부분의 A-B(X 축 방향) 라인 프로 파일을 나타낸 그래프이다. 이에 도시된 바와 같이, 피크와 피크 사이에 4 픽셀(Pixel)의 간격이 존재하는데, 이를 통해 사각형 패드 간의 간격이 4 픽셀임을 알 수 있으며, 이는 본 발명을 통해 획득한 영상으로부터 분석한 결과와 동일하다.

이러한 사실을 기반으로 Y 축 방향으로의 라인 프로 파일을 그리면 사각형 패드의 길이를 알 수 있게 된다. 이와 같이, X 축 방향 및 Y 축 방향으로의 라인 프로 파일을 통해 사각형 패드의 넒이 및 길이와 각 사각형 패드 간의 간격을 알 수 있다.

또한, 사각형 패드 부분과 배경의 콘트라스트 값의 차가 큰 것이 사각형 패드 부분의 정보를 추출하기가 쉽다.

따라서, 표 3에서 사각형 패드 부분의 경계 상태를 보기 위해, 라인 프로파일을 그린 후 그 값을 미분하여 가우시안(Gaussian) 형태 부분의 표준 편차값을 나타내었다. 그리고 콘트라스트의 차이를 알기 위해, 사각형 패드 영역의 그레이 스케일(Gray Scale)값 평균과 배경 부분의 그레이 스케일값 평균의 차이를 나타내었다.

조명 종류	배경과 사각형 패드 부분의 콘트라스트 차이	표준 편차	피크 값
Ring	118.225	19.3434	159
Dome	108.704	15.2152	155
Suggested	180.836	20.9555	255

이와 같이, 본 발명의 제안된 광학 시스템을 이용하였을 경우, 배경과 사각형 패드 부분의 콘트라스트 차가 가장 크게 나는 것을 확인할 수 있다.

(3) 원형 패드 부분의 콘트라스 값의 평균과 표준 편차

원형 패드 부분의 중심점과 직경(Diameter)을 구하기 위해서는 원형 패드 부분의 콘트라스(Contrast) 값이 고르게 분포해야 한다.

도 7은 본 발명을 통해 획득한 영상의 원형 패드 부분의 콘트라스트 값의 평균 및 표준 편차를 나타낸 그래프이다. 이에 도시된 바와 같이, 각 원형 패드들의 콘트라스 평균값이 220 ~ 230 사이의 값을 가지고 고르게 분포하고 있음을 볼 수 있다.

따라서, 본 발명을 통해 획득한 영상에서 원형 패드의 직경 및 각 원형 패드의 중심점 간의 거리를 추출할 수 있다.

또한, 원형 패드 부분과 배경의 콘트라스트 값의 차가 큰 것이 원형 패드 부분의 정보를 추출하기가 쉽다.

표 4에서 원형 패드 부분과 배경의 콘트라스트 값과 표준 편차값을 나타내었다.

조명 종류	배경과 원형 패드 부분의 콘트라스트 차이	표준 편차
Ring	120.961	16.5727
Dome	112.237	17.2492
Suggested	189.87	27.5384

이와 같이, 본 발명의 광학 시스템을 이용하였을 경우, 원형 패드 부분과 배경의 콘트라스트 값이 가장 큰 차이가 나는 것을 볼 수 있다.

(4) X-Mark 유무 검출

본 발명의 광학 시스템을 이용하여 X-Mark 유무를 검사하기 위해, X-Mark 영역만 추출하여 히스토그램으로 나타낸 그래프를 도 8에 도시하였다.

도 8a에 도시된 바와 같이, X-Mark 부분이 존재하지 않으면 히스토그램은 낮은 그레이 레벨(Gray Level)부분에 집중되고, 높은 그레이 레벨 값은 갖지 않는다.하지만, X-Mark 부분이 존재하면 높은 그레이 부분에도 히스토그램 분포를 가지게 된다. 이와 같이, 본 발명에 의하면 X-Mark 유무를 쉽게 검출할 수 있다.

이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다.

그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims

카메라의 광축과 일치하는 광 경로로 피 검사체에 광을 조사하는 동축 조명 광원;

상기 피 검사체의 측면에서 일정 각도를 가지고 광을 조사하는 측사 사각 조명 광원;

상기 동축 조명 광원에서 출사하는 광을 상기 피 검사체로 반사하는 빔 스플리터; 및

상기 동축 조명 광원 및 측사 사각 조명 광원에서 출사되고 상기 피 검사체에서 반사된 광을 상기 카메라에 집광시키는 광학 렌즈를 포함하여 이루어지는 광학 시스템.
제1항에 있어서,

상기 피 검사체는 VFLGA(Very Fine Land Grid Array) 반도체 패키지인 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 동축 조명 광원은 복수 개의 발광 다이오드(Light Emitting Diode : LED)로 이루어지는 백색 광원 또는 메탈 할라이드 램프(Metal Halide Lamp) 인 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 측사 조명 광원은 복수 개의 발광 다이오드(Light Emitting Diode : LED)로 이루어지는 백색 광원 또는 메탈 할라이드 램프(Metal Halide Lamp) 인 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 측사 조명 광원은 평면에서 10°~ 45°의 각도를 가지고 상기 피 검사체의 측면에서 광을 조사하는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
제5항에 있어서,

상기 측사 조명 광원은 상기 피 검사체의 좌, 우, 앞, 뒤 측면에서 광을 조사하는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.