(57)【要約】【課題】表面状態の影響を受けにくいバンプ電極およびバンプ電極用ボール検査方法を提供すること。【解決手段】検査に先立って、予め関数を用いてテンプレート画像を作成しておく。検査を実行する際には、まず飽和特性を有する関数を用いて撮影画像の階調補正を行う。次に一つのボールに相当する画像を切り出す。切り出し画像に対して、テンプレート画像を用いて正規化相関係数に基づくパターンマッチングを行い、良否判定を行う。【選択図】        図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子のバンプ電極またはバンプ電極として用いられるボールを基板上に整列したものを検査対象とし、リング状照明装置により対象の斜め上方から照明するとともに、対象の上方から撮像し、得られた円環状の撮影画像を利用して、電極又はボールの良否を検査するバンプ電極およびバンプ電極用ボールの検査方法において、撮影画像の階調を飽和特性を有する関数を用いて補正する補正ステップと、前記補正ステップで補正された画像から一つのボールに相当する切り出し画像を得る切り出しステップと、前記切り出し画像と予め用意したテンプレート画像を用いて正規化相関係数に基づくパターンマッチングを行いボールの良否判定を行う判定ステップと、を具備することを特徴とするバンプ電極およびバンプ電極用ボール検査方法。
【請求項２】
前記判定ステップにおいて、パターンマッチングに用いるテンプレート画像を輝度分布を表す数式モデルを用いて生成可能としたことを特徴とする請求項１記載のバンプ電極およびバンプ電極用ボール検査方法。
【請求項３】
前記判定ステップにおいて、バンプ電極またはボールの大小に応じた複数枚のテンプレート画像を用いてパターンマッチングを行い、得られた複数の正規化相関係数の組み合わせによりバンプ電極またはボールの大小を判定することを特徴とする請求項１または２記載のバンプ電極およびバンプ電極用ボール検査方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＬＳＩ等の半導体素子のバンプ電極およびバンプ電極として用いられる微小なはんだボール（以後ボールと称する）の検査方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、当該分野における検査方法としては、良品のみで構成されたマスタ画像を多数枚の良品サンプル画像の平均値から作成し、検査対象画像との差を求めて欠陥部位を特定する方法や、検査対象画像を２値化しラベリング等の２値画像処理を行う方法、あるいは検査対象画像から個々のボールを切り出し正規化相関係数に基づくパターンマッチングを行う方法が採用されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−１１１７４号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来技術は、良品の画像の輝度分布は大きく変化しないことを前提としているが、本発明の検査対象であるバンプ電極またはボールの表面には変色や粗度変化があるため、良品であっても画像の輝度分布が大きく変化する。従って、従来の技術では良品を不良として判定してしまう場合があった。
【０００５】
また、検出すべき不良の種類には、ボール自体の変形やボールが有るべき位置に無い欠落、径の異なるボールの混入などがあるが、特に小さなボールの混入は実装時の接続不良を引き起こすため、ボールの大小判定は他の良否判定と同様に重要である。単一のテンプレート画像に基づくパターンマッチングで小さなボールを判定しようとした場合、良品と小さなボールでは輝度分布パターンが良く似ているため、欠落判定の場合に比べて判定が難しいという問題がある。さらにテンプレート画像は多数の良品画像の平均値から作成していたため、テンプレート画像作成の手間がかかるという問題もあった。
【０００６】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものでその目的は、検査対象の表面状態の影響を受けにくいバンプ電極およびバンプ電極用ボール検査方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための本発明の検査方法は、半導体素子のバンプ電極またはバンプ電極として用いられるボールを基板上に整列したものを検査対象とし、リング状照明装置により対象の斜め上方から照明するとともに、対象の上方から撮像し、得られた円環状の撮影画像を利用して、電極又はボールの良否を検査するバンプ電極およびバンプ電極用ボールの検査方法において、撮影画像の階調を飽和特性を有する関数を用いて補正する補正ステップと、前記補正ステップで補正された画像から一つのボールに相当する切り出し画像を得る切り出しステップと、前記切り出し画像と予め用意したテンプレート画像を用いて正規化相関係数に基づくパターンマッチングを行い良否判定を行う判定ステップと、を具備することを特徴とする。
【０００８】
また、前記判定ステップは、パターンマッチングに用いるテンプレート画像を輝度分布を表す数式モデルを用いて生成することを特徴とする。
また、前記判定ステップは、バンプ電極またはボールの大小に応じた複数枚のテンプレート画像を用いてパターンマッチングを行い、得られた複数の正規化相関係数の組み合わせによりバンプ電極またはボールの大小を判定することを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の１実施の形態を示すバンプ電極用ボールの検査を行う装置の構成図である。
照明装置１は被検査対象であるボール２１が整列配置された基板２を斜め方向から照明するリング状の照明装置である。撮像装置３は基板をＣＣＤカメラ等により真上方向から撮影するものである。記憶装置４は撮像した画像を取り込むフレームメモリであり、補助記憶装置４１はテンプレート画像を格納しておくハードディスク等の補助記憶装置である。画像処理装置５は入力画像について処理と判定を行い、表示装置６は処理結果及び入力画像を表示するものである。
【００１０】
照明装置１によって照明されたボール２１は、斜め方向から光を受けるため、主に正反射光が撮像装置３に入射し、図２に示すように円環状の像として撮影され、記憶装置４にデジタル画像として取り込まれる。通常、画像の輝度値は０から２５５の範囲を取る８ビットの整数値としてデジタル化されるため、以下の説明においても画像の輝度値は０から２５５の範囲を取るものとして説明する。
【００１１】
本発明の実施においては、検査開始に先立って、まずテンプレート画像を予め作成する。テンプレート画像は式（１）に基づき、円環の半径ｒ及び円環の太さｄをパラメータとして生成される。
Ｉ（Ｒ，ｒ，ｄ）＝２５５×ｅｘｐ｛−（Ｒ−ｒ／ｄ）２｝      ・・・（１）
Ｉ：テンプレート画像の輝度値（０−２５５）
Ｒ：テンプレート画像中心から画素までの距離
ｒ：円環の半径を決めるパラメータ
ｄ：円環の太さを決めるパラメータ
【００１２】
式（１）はテンプレート画像中心からの距離Ｒのみの関数となっているため、生成される画像は円環状のものとなり、輝度最大値を取る円環の半径はパラメータｒに等しい。式（１）により生成されたテンプレート画像の例を図３に示す。図３には上段にテンプレート画像、下段にテンプレート画像中心からの距離に対する輝度値の変化を示した。テンプレート画像の大きさは撮影される円環の大きさよりも大きくなければならないが、あまり大きいとパターンマッチングの計算量が大きくなるため、円環の大きさの１．２ないし１．５倍程度が望ましい。
なお、テンプレート画像の生成には必ずしも式（１）を用いる必要は無く、例えば円環の半径ｒの近傍で一定値を取り他はゼロとなるような関数を用いても良い。
【００１３】
ボールの変形および／または欠落判定を行う場合にはテンプレート画像は良品に対応する１つだけ作成すれば良いが、大小判定を行う場合は、半径ｒ及び円環の太さｄを決めるパラメータを変えて大・良品・小に対応する３つのテンプレート画像を作成しておく。これらのテンプレート画像は補助記憶装置４１に格納しておき、検査時に用いるものとする。
【００１４】
検査時には撮像部３にて撮像された画像は記憶装置４に格納され、画像処理装置５にて判定処理が行われる。画像処理装置５の処理フローを図４に示す。以下このフローに沿って説明する。
画像処理装置５では、まず式（２）に示すような入出力特性を持つ関数を用いて画像の階調補正を行う。式（２）の関数の入出力関係を図５に示す。
Ｉｏｕｔ＝２５５×（Ｉｉｎ／２５５）γ      ・・・（２）
Ｉｉｎ：撮影画像の画素値（０−２５５）
Ｉｏｕｔ：階調補正後の画素値（０−２５５）
γ：飽和特性を調節するパラメータ（０＜γ＜１）
【００１５】
式（２）において、γは飽和特性を調節するパラメータであり、本発明の実施においては１と０の間の値を取るが典型的にはγ＝０．５とすれば良い。ボールははんだを主成分とするものであるため、表面は鏡面に近く、表面状態の変化は主に円環の明るさの低下となって現れるが、この階調補正により暗い部分が明るく補正される。ボールの表面が部分的に暗く、撮影画像の円環が一部欠けたようになった場合には、飽和特性により欠けた部分がもともと明るい部分より大きく補正されるため、この階調補正は撮影画像のパターンを円環に近づける効果を有する。すなわち、後述する判定ステップにおける正規化相関係数を大きくする効果を有する。撮影画像の輝度値に一定値を加えたり一定係数を掛けてコントラストを強調した場合では、このような効果は得られないため、本発明における飽和特性を有する関数の使用は本質的なものである。なお、飽和特性を有する関数としては式（２）に限定されるものではなく、例えば折れ線関数などが適用可能である。
【００１６】
階調補正された画像中にはボールが多数配列しているが、切り出しステップではこの画像からボールを１つ含む大きさの切り出し画像を作成し、切り出し画像に対して次に述べる判定ステップを適用する。なお、切り出し画像の大きさはテンプレート画像の大きさと等しいか大きいものとする。
【００１７】
判定ステップでは、切り出し画像に対してテンプレート画像をずらしながら正規化相関係数を計算し、その最大値を求める。正規化相関係数は画像処理において標準的なパターンマッチング手法として用いられているもので、例えば、文献（２）（「画像解析ハンドブック」、東京大学出版会、ｐ．７０９）に詳しい。ボールがある切り出し画像については、テンプレート画像の円環と切り出し画像の円環が重なった場合に正規化相関係数は最大値を取り、その値は１に近くなる。一方、ボールが変形あるいは欠落した切り出し画像においては、輝度分布パターンがテンプレート画像と著しく異なるため、正規化相関係数は明瞭なピークを持たず、最大値も０に近い値となる。従って、ボールの変形および／または欠落を判定する場合には、良品を表す単一のテンプレート画像を用いて、正規化相関係数の最大値が閾値以上ならば良品と判断すればよい。
【００１８】
切り出し画像が大きい場合は、正規化相関係数の計算回数が増大するが、ボールの位置ずれに対する許容量は大きくなる。切り出し画像が小さくテンプレート画像の大きさと一致する場合は、正規化相関係数の計算が１回で済むが、位置ずれの許容量が非常に小さくなるため、必要な位置ずれ許容量に応じて切り出し画像の大きさを決定すると良い。
【００１９】
ボールの大小を判定したい場合は、大・良品・小の３つのテンプレート画像に対してそれぞれの正規化相関係数の最大値を計算し、それらの値に基づき判定を行う。例えば、図６のようなフローチャートを用いることができる。図６では、まず良品のテンプレートを用いて求められた正規化相関係数の最大値Ｃａが閾値Ｔｈ以下の場合はボールの変形または欠落と判定する。それ以外の場合には、小ボールのテンプレートを用いて求められた正規化相関係数の最大値ＣｂとＣａを比較する。ＣｂがＣａ以上の場合には小ボールと判定する。それ以外の場合には、大ボールのテンプレートを用いて求められた正規化相関係数の最大値ＣｃとＣａを比較し、ＣｃがＣａ以上の場合には大ボールと判定、それ以外の場合には良品と判定する。このように複数のテンプレート画像を用いることで、単一のテンプレートでは排除できない僅かな大きさの違いを判定することが可能である。
【００２０】
本発明の実施例において、テンプレート画像の生成パラメータｒ及びｄは可調整パラメータであり、トレーニング画像を用いて最も高い判定性能を得るように調整することが可能である。また、検査対象のボールの大きさが変わった場合でも迅速にテンプレート画像を用意できるという特徴がある。
【００２１】
【発明の効果】
以上に述べたように、本発明では飽和特性を有する関数を用いて階調補正を行っているため、正規化相関係数を用いたパターンマッチングにおいて、対象が部分的に暗くなった場合でも良品を不良と判定すること無く、正確な検査をすることができる。また、テンプレート画像を数式モデルにより生成するため、テンプレート画像の作成が迅速に行える。また、ボールの大小を判定する場合にも複数のテンプレート画像を用いることで、高精度の大小判定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態であるバンプ電極用ボール検査装置の概略ブロック図である。
【図２】円環状の撮影画像が得られることを説明するための図である。
【図３】テンプレート画像の生成方法を説明するための図である。
【図４】本発明の実施例を表す処理フロー図である。
【図５】階調補正のための飽和特性を有する関数を説明するための図である。
【図６】ボールの大小判定を行う実施例の場合の判定フロー図である。
【図１】
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【図２】
2004170329.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【手続補正書】
【提出日】平成15年10月21日(2003.10.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
検査時には撮像部３にて撮像された画像は記憶装置４に格納され、画像処理装置５にて判定処理が行われる。画像処理装置５の処理フローを図４に示す。以下このフローに沿って説明する。
画像処理装置５では、まず式（２）に示すような入出力特性を持つ関数を用いて画像の階調補正を行う。式（２）の関数の入出力関係を図５に示す。
Ｉｏｕｔ＝２５５×（Ｉｉｎ／２５５）γ        ・・・（２）
Ｉｉｎ：撮像画像の画素値（０−２５５）
Ｉｏｕｔ：階調補正後の画素値（０−２５５）
γ：飽和特性を調節するパラメータ（０＜γ＜１）