論論

文

半導体パッケージの熱変形検査技術

文

半導体パッケージの熱変形検査技術■ 石原満宏Mitsuhiro Ishihara1■ 井上征利Masatoshi Inoue

や部品の除去は手作業で行われ基板変形計測値に少なかはじめにらぬ影響を与えることは必定である。

これまで半導体製品の性能向上を牽引してきた LSI 製

東光高岳は，共焦点法を用いたインラインバンプ高さ

造プロセスルールの微細化は限界が近づいてきており，検査装置で多くの実績を重ねてきた（2）。バンプ高さ検査

今後は複数の LSI チップを一つのパッケージにまとめ装置ではバンプの高さ・コプラナリティ検査に加え，基る，MCM（Multi Chip Module）技術がその役を担う板の変形も同時に検査しており，塗装もバンプの除去もことになる。TSV（Through Silicon Via）を用いて複必要がない。この技術を用いることで他手法のもつ上記数の LSI チップを垂直に積層する 3D 実装や，水平に統のような課題を免れた新しい熱変形検査装置を製品化（3）合する 2.5D 実装などの新しい MCM がすでに実用化さしたので報告する。

れてきており，パッケージ構造の複雑化が進んでいる。

以下では，装置全体の構造・動作について概説し，そパッケージ構造が複雑になると構成材料それぞれの熱の後本装置の大きな特長である加熱炉と計測機構につい膨張率の違いから変形や残留応力が発生し，機械的信頼て詳説する。

性不良の問題を引き起こす可能性が高くなってくる。このような背景から，半導体パッケージの熱に対する変形特性を正しく評価できる装置（以下，熱変形検査装置）の需要は年々高まっている。
このような需要に応えて JEDEC

注 1）

では，熱による2

装置概要

2.1

装置仕様・構造

図 2 に装置の外観を，表 1 に装置の主な仕様を示す。

（1）

パッケージの変形評価のための規格 JESD22-B112A

図 3 は装置の構造を示す模式図である。主要な構成要をまとめている。そこには変形を評価するための四つの素は，サンプルの表面形状を計測する計測機構部分とサ計測手法が列挙されている。図 1 に各手法の計測原理の模式図を示す。
共焦点法以外の手法はいわゆる三角法（三角測量法）とよばれる計測手法である。サンプル表面が拡散反射面である必要があり，さらに DIC 法においては表面に模様が必要となる。そのため拡散反射や模様が不十分であるパッケージ基板においては通常サンプルへの塗装を必要とする。また，これらの手法を用いた市販装置は 1 回の計測（1 視野計測）でサンプル全体を計測することを前提としているため分解能が低く，バンプ 注 2）などの基板上の微小な部品を適切に処理できない。そのため通常これらの部品は物理的に取り除いておく必要がある。塗装

図16

東光高岳技報 Vol.4 2017

各種の変形計測法

図2

装置（HVI-8000-RC）外観半導体パッケージの熱変形検査技術論

文

ンプルを加熱する加熱炉であり，これらについては次章

筐体で覆われており加熱中は扉がロックされている。そ以降で詳述する。加熱中は，サンプルだけでなく加熱炉

れによる筐体内部の温度上昇を防ぐためにエアコンディ自体も高温になることから，安全に配慮して装置全体がショナを備えている。

表1

HVI-8000-RC 仕様

装置型式

HVI-8000-RC

測定原理

非走査共焦点方式

視野サイズ

13 × 13 mm

XY 分解能8 μm

Z 計測範囲最大 4 mm

Z 軸計測分解能

0.1 μm

加熱方式

対流加熱

加熱温度

R.T. ～300℃

加熱速度

最大 2.0℃ / 秒

計測時間＜ 約 1.0 秒 / 視野2.2

動作概要

加熱炉にサンプルをセットしスタートボタンを押すと，事前に設定された温度プロファイルにもとづきサンプルが加熱される。温度プロファイルには最大 32 点の計測温度を設定できる。計測温度まで加熱されると，そこで温度が一定に維持され計測動作が開始される。計測が完了すると次の設定温度まで加熱され，また計測が実施される。後は同様にすべての設定温度で加熱・計測がなされ，最後に室温（安全温度）に戻って一回の計測シーケンスが完了する。温度プロファイルとその計測結果の例を図 4 に示す。
2.3

データ解析

データ解析として，三次元計測器で計測された表面形状点群データをサンプルの変形量（反り量）に変換する（特徴抽出する）作業が必要である。本装置では上記の計測シーケンス中にリアルタイムで解析が実施され，計測シーケンスが完了した時点で解析もすべて完了する。図 5 にデータ解析のようすを示す。2,000 万点を超える表面形状点群データから不要なバンプ部分を除去
図3

し，バンプ周辺の基板高さを抽出して変形を評価してい装置構造る。 これを実現するためには，評価ウインドウ位置座標群を事前に設定しておく必要がある（図 5 ではバンプ座標に相当）。評価ウインドウ位置座標群は，サンプルの特徴的な形状（例えば基板姿勢認識用マーク）を基準にして設定され，計測時にはその形状をリアルタイムで画像探索し，その位置を基準に評価ウインドウ位置座標群がアライメントされ特徴抽出処理が実行される。

3


図4

加熱炉

本装置は，JEDEC 規格サイズのトレイを収めること

温度プロファイルと計測結果の例

図5

データ解析処理
東光高岳技報 Vol.4 20177

論文

半導体パッケージの熱変形検査技術への熱電対貼付は必須である。サンプルへの熱電対貼付は手間がかかり，ダミーサンプルが必要であり，小さいサンプルなどでは貼付が困難であったりする。対流加熱では，事前のテスト加熱により炉内の気温からサンプル温度を推測できるので制御のための熱電対貼付は不要である。


図6

加熱炉構造

（4）同一方式で冷却が可能
車載半導体においては信頼性試験のために氷点下の温ができる大型の対流方式加熱炉を備えている。加熱炉の度が必要とされる。対流方式においては加熱だけでなく構造を図 6 に示す。伝熱工学によれば，熱が伝わる形冷却も同一方式で可能でありシームレスな制御が可能で態として以下の三態がある。

ある。熱放射方式での冷却は不可能である。

①熱伝導（Conduction）②対流熱伝達（Convection）③熱放射（Radiation）

4

計測機構

熱伝導による加熱は，ホットプレートの上にサンプル計測機構部分は，共焦点方式の三次元計測器およびそを載せる方式が代表的なものである。対流（熱伝達）方れを移動させる XY ステージ，加えて加熱炉から三次元式による加熱はサンプルに熱風を吹き付けるもので，は計測器への熱の伝達を遮る断熱機構より構成される。

んだのリフロー炉 注 3）はこの方式である。熱放射による加熱は，赤外線ランプを使った電磁波（光線）加熱である。

4.1

三次元計測器

市販の熱変形検査装置のほとんどは近赤外線ランプに本装置の最大の特長は共焦点方式の三次元計測器による熱放射加熱であり，東光高岳においても従来は近赤ある。東光高岳の三次元計測器は，計測原理に共焦点外線ランプを使用していた。しかし光線は指向性が強方式を採用し共焦点方式の欠点である計測速度を独自く，さまざまな形状・サイズのサンプルを全周から均一の光学系により大幅に向上させている。以下に原理をに加熱することは困難で，表裏を含むサンプル内部の温解説する。

度差あるいはトレイ上の場所による温度差の発生を避け

図 7（a）は共焦点方式三次元計測の原理図である。

ることは難しかった。一方，対流方式の加熱は，サンプ

ピンホールを照明し対物レンズによりピンホールの像をルの周囲温度を上げて全周から加熱することになるので物体に投影する。物体上で反射した光を同じピンホール高い均一性を実現できる。また半導体パッケージは，実で受け，ピンホールを通過した光量を検出する光学系と装時に対流方式のリフロー炉で加熱されるので，リフなっている。物体表面がピンホールの結像位置にある場

ロー炉と同一条件での加熱がユーザより強く望まれてい合，対物レンズにより反射光は再びピンホール上で結像た。そのほかにも対流加熱方式の実用上のメリットとししほとんどの光がピンホールを通過して強い検出器出力て以下が挙げられる。

が得られる。一方，物体表面がピンホール結像位置以外（1）材料の違いによる影響が少ないにある場合は反射光がピンホール上に結像することなく熱放射加熱は，サンプル表層材料の赤外線吸収率によ広がり，ピンホールを抜ける光は少なく弱い検出器出力

り加熱の容易さが大きく変わる。例えば金属は表層で光しか得られない。物体を光軸方向（Z 方向）に移動させ線を反射してしまうので表面処理なしでは加熱できなて検出器出力が最大値となる Z 位置を探索すれば物体い。対流加熱は空気分子を衝突させることによる直接的表面の Z 位置が同定される。光学系を XY 方向に動かな加熱なので材料の違いによる影響が少ない。

して同様の計測をすることで物体表面の三次元形状を得（2）サンプル放出ガスによる汚損が少ないることができる。これが共焦点方式の計測原理である。

半導体パッケージは高温になるとはんだフラックスの図 7 からわかるように共焦点方式は物体からの正反射気化などによるガスが発生し，炉の窓ガラスが汚損され光を利用しており，一般的な三角測量方式のように物体計測に影響する。対流加熱においては発生したガスが加面上での散乱反射を前提としていないため平滑面であっ熱の対流とともに外部に排出されることから汚損の発生ても塗装をする必要がない。

はきわめて少ない。
（3）サンプルへの熱電対貼付が不要

共焦点方式の問題は計測速度である。XYZ 三軸の走査が必要であり著しく時間を消費してしまう。そこでサンプルの正確な温度制御のためにはサンプルの温度

図 7（b）に示すようにピンホールを二次元方向に多数モニタリングが必要となるが，熱放射加熱においてはサ配列しかつ二次元検出器（すなわちカメラ）を用いて，ンプルそのもの，もしくは同じ材質のものでサンプル温度XY 走査することなく計測が可能な非走査三次元計測方をモニタリングしなければならない。そのためサンプル式を実現した。Z 方向の走査は Z 移動ステージにより

8

東光高岳技報 Vol.4 2017

半導体パッケージの熱変形検査技術（a）共焦点法の原理

論文（b）非走査共焦点方式

図7

三次元計測器の計測原理

図8 計
 測例（左からピングリッドアレイ，1 セントコイン，スクリュー）（a）固定視野 & XY ステージ方式   行う必要があるが，非走査共焦点方式では停止すること視野計測ができるようになっている。一方，市販のほかなく連続的に Z 移動をしながらカメラのシャッタ機能の熱変形検査装置ではサンプルが視野サイズを超える場を使ってデータ取得することができるため高速である。

合にはレンズの倍率を変更して対応するのが一般的であZ ステージに設けられたナノ分解能のリニアスケールにる。図 9 に模式図を示す。

よりシャッタのタイミングが制御されるので高速でありながらも正確な Z 位置でデータが取得される。

図9    （b）倍率変更方式

視野サイズを超えるサンプルへの対応

レンズの倍率を変える方式は計測速度がサンプルのサイズに関わらず一定であるメリットはあるが，XY 分解

これにより共焦点計測の高い精度を維持しながらも，能が変化するため計測に影響を与える。例えば，バンプバンプの全数検査が可能なレベルの高速性が実現されてのような微細な凹凸をもつサンプルをトレイに並べて計いる。
図 8 に非走査共焦点方式三次元計測器の計測例を示す。汎用性の高い計測が可能である。

測する場合，トレイ全体を 1 視野に収めてしまうと解像度が落ちてバンプが認識できず，サンプルの変形とバンプによる凹凸の区別ができなくなってしまう。そのため事前にバンプの除去が必要とされる。しかし本装置では

4.2

XY ステージによる複数視野計測

非 走 査 共 焦点方式では対 物レンズの視 野内（13 ×解像度が一定であるためサンプルサイズに関わりなく，本稿の 2 章「2.3データ解析」で示したようにデジタ13 mm）の XY 走査は不要である。しかし視野サイズをル画像処理によりバンプ除去が可能であり，物理的な除超える大きさのサンプル，あるいはトレイ上に多数のサ去の必要がない。

ンプルが並べられている場合にも対応するために XY 方XY ステージを使った本装置の方式は，常に高解像度向の移動手段が必要である。本三次元計測器は大型のの計測ができるメリットがある，一方で，大きいサイズ

XY ステージに搭載されステップアンドリピートでの複数あるいは多数のサンプルの計測では点群データの量が膨
東光高岳技報 Vol.4 2017

9論文

半導体パッケージの熱変形検査技術

図 10断熱機構構造図 11

大となり，データの保存容量，解析にかかる時間が問題となってくる。しかしこれも 2 章「2.3 データ解析」で示したように本装置では計測中にリアルタイムに解析・

5

断熱性能試験結果

おわりに特長抽出を行い結果のみを残すことが可能であり，点群

塗装やバンプ除去などのサンプル前処理が不要で，リデータを残す必要がない。そのため，例えば大量のサンフロー炉と同じ対流型の加熱炉を有する新しい熱変形検プルを試験するような場合でも，データの保存容量を気査装置を紹介した。われわれと同様に，サンプルの前処にする必要もなく，大量の計測データを後で解析するこ理や熱放射加熱に疑問をおもちの方にご検討いただきたとも不要であり効率的である。バンプ高さ検査機で培っいと考えている。

た自動検査機能の応用である。

今回紹介した装置は加熱のみの対応であるが，現在開発中の加熱炉は氷点下への冷却も可能である。氷点下を4.3

断熱機構

本装置の三次元計測器の光学系は顕微鏡レベルの分解能を有する精密光学系である。そのため大きなワーキングディスタンスをもつことができず，加熱炉と非常に近接した状態にならざるを得ない。300℃レベルの高温加含む幅広い温度範囲での信頼性試験が必要な車載半導体分野でご利用いただくことを想定している。ご興味がある方はご連絡いただければ幸いである。
今後も，業界の発展に貢献できるような装置の開発を鋭意進めていきたい。

熱をする場合，加熱炉は内部だけでなく外部も 100℃レベルの高温になり得る。高精度計測器の光学系に熱が伝■参考文献

わると熱膨張により光学系の特性に変化が生じ計測に影（1）JEDEC：High Temperature Package Warpage
Measurement Methodology, JESD22-B112A（2009）（2）石原：「バンプ高さ計測技術」，JIEP 官能検査システ
ム化研究会 第 6 回公開研究会予稿集（2016）（3）井上，石原，日名子：「温度可変基板反り検査装置」，
東光高岳技報，No.1，pp.71-74（2014）

響するため，断熱は必須である。
先に述べた伝熱の三態において，非接触計測である光計測では熱伝導を考慮する必要は通常なく，対流熱伝達と熱放射について検討が必要である。図 10 に開発した断熱機構の構造を示す。高温の加熱炉により加熱された空気は上昇し直接的に対物レンズを加熱する。それを防■語句説明ぐために遮蔽物を設けている。遮蔽物は時間を経るとい

注 1）JEDEC：Joint Electron Device EngineeringCouncil の略称で，半導体技術の標準化を行う団体。

ずれ高温になることから，遮蔽物の内部に水路を設けチラーで水冷し，遮蔽物上部に伝導する熱を途中で奪い外部に排熱している。光路部分には不透明な遮蔽物を用いることができないため平行平面ガラスで熱対流を遮断する。ここでもガラスの上部に伝熱することを防ぐ必要があるため，ガラスを上下 2 枚に分け，ガラス間にエアを流して強制対流を作り熱が上部ガラスに届かないようにしている。図 11 に断熱性能試験結果の一例を示す。
約 250℃に加熱されたサンプルに断熱機構付の対物レンズを 15 mm まで接近させ対物レンズの温度を測定している。温度変化は 1℃以下であり，十分な断熱性能を有していることがわかる。

10

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注 2）バンプ：基板上に形成された突起状の微小電極。
注 3）リフロー：対流加熱によりはんだを融解させ基板と部品とを接合する方法。

石原満宏

井上征利

光応用検査機器事業本部
検査機器製造部 所属
三次元計測センサの開発に従事
博士（工学），精密工学会会員

光応用検査機器事業本部
検査機器製造部 開発グループ
三次元計測センサの開発に従事
エレクトロニクス実装学会会員

所属