製品紹介
高温環境下での高精度基板反り計測を可能とする

温度可変基板反り検査装置
井上 征利

石原 満宏

日名子 達也

Masatoshi Inoue

Mitsuhiro Ishihara

Tatsuya Hinago

たセンサ用断熱機構と加熱機構を組み合わせて加熱中に1．はじめにおけるパッケージ基板の反り計測を可能とする温度可変

近年スマートフォンやタブレット PC あるいはウルト

基板反り検査装置（図 3 を参照）を実用化した。
以下に，その概要を紹介する。

ラブックなどの可搬コンピュータの急速な普及に伴い半導体パッケージの小型化・薄型化が加速している。
この半導体パッケージの高機能化は，図 1 に示すよ

バンプ

うに，パッケージ基板実装にボンディングワイヤを使用

LSI チップ

実装不良発生せず，パッケージ基板表面にバンプ注1）を形成して直接電パッケージ基板気的に接続できるフリップチップ実装にすることで実現される。フリップチップ実装ではパッケージ基板全面に図2電極であるバンプを形成できるため，従来のワイヤボンリフロー加熱

パッケージ基板の反りによる実装不良

ディング実装と比べて，微細配線であっても LSI チップを小型化・薄型化することができる。
ボンディング
LSIチップ
ワイヤ封止樹脂
パッケージ基板

ワイヤボンディング実装
バンプ（径 数十μm レベル）フリップチップ実装

図1

BGA ボール（径 数百μm レベル）パッケージ基板実装方法

一方，バンプの接続はリフロー注2）工程においてバンプを融解させ接続するが，その際，図 2 のようにバンプ

図3

温度可変基板反り検査装置の外観が載ったパッケージ基板に反りが発生すると，一部のバンプ部で実装不良となってしまう。この反り量はバンプ

2．計測原理が微小であるほど実装への影響が大きい。近年ではバンプの微細化に加え，環境に配慮した鉛フリーはんだが使共焦点光学系による三次元計測では，対物レンズの焦用されるようになったことで，はんだの融点が高く，従点位置と共役な位置にピンホールを配置し，計測対象物来より数十度リフロー温度を上げるため，パッケージ基とピンホールとの位置関係を微動させることで，ピンホ板への熱ストレスが大きく，反りも起こりやすくなってールを通過する反射光量が最大となる位置を求めることいる。

により，計測対象物の高さを算出している。

このような背景から，製品の品質や歩留まりを改善す

本装置では図 4 に示すように，このピンホールを必るためパッケージ基板加熱中の反り状態を詳細に計測で要画素分二次元配列することで XY 走査を必要としないきる装置のニーズが高まっており，東光高岳ではこの要共焦点撮像光学系（以下，非走査型共焦点という）と求に応えるべく，業界トップシェアを持つ当社の三次元し，さらに，三次元センサ（以下，3D センサという）検査装置で培ってきた共焦点計測技術に，独自に開発し部に Z 軸ステージを用いて Z 走査を行う手法を用いて― 71 ―

東光高岳技報 Vol. 1 No. 1 2014

温度可変基板反り検査装置
いる。この光学系は全画素同時計測型であることから，3.2 装置構成

Z 軸ステージを連続移動させ，所定の高さ位置で高速シ

図 5 に本装置の構成ブロック図を，図 6 に装置本体ャッタ露光できることから，通常の走査型共焦点と比較

加熱計測部の構成図を，表 2 に基本仕様を示す。

して高速に計測することが特長である。

XYZ 軸ステージ上のテーブル上に赤外線ヒータを 6

表 1 に今回開発した 3D センサ部の主な仕様を示す。

本配列した加熱ケースを設置し，加熱ケースの上部に多3D センサはお客さまの計測対象物によって，視野サイ数の加熱対象物を載せたメタルトレイを配置する。3D

ズおよび XY 分解能の異なる 2 種類のセンサから選択でセンサとメタルトレイとの間にはプレートヒータを設置きる。

し，メタルトレイ上の加熱対象物を上方からはプレートヒータによる対流熱伝達で，下方からは赤外線ヒータの
表1

センサ型式

3D センサ部の主な仕様

NCS-5020EX―KN

測定原理

非走査型共焦点Z 計測範囲

最大Z 分解能熱輻射で加熱する。このように両面加熱により加熱対象物表裏での温度差の発生を抑制している。

NCS-5220EX―KN

加熱対象物には熱電対を貼り付け，最大 5 箇所の温度データを基に赤外線ヒータおよびプレートヒータの温度3.0 mm

0.1 μｍ制御を行っている。

Z 走査速度

最大1.0 mm/sec

視野サイズ

6.0×6.0 mm

9.0×9.0 mm

135.9 mm と規定されているが，搭載する加熱対象物のXY 分解能

6.2 μm

9.3 μm

サイズや個数，固定方法などはお客さまが任意に設計し

メ タ ル ト レ イ の 外 形 は JEDEC 規 格 で 322.6 mm×たメタルトレイを使用しての計測も可能である。
3D センサ部の下方で XYZ 軸ステージが移動するこ

非走査型共焦点走査型共焦点とで，加熱しながらメタルトレイ全面の領域で計測がで照明きるようになっている。計測動作は加熱対象物が温度プ照明用レンズ

ロファイルに基づき目標温度に達し，任意に設定した時ビームスピリッタ間経過後に行われる。
また，3D センサ周囲温度の上昇および結露の発生を検出器
検出器
ピンホール

再結像
レンズ防ぐために装置用エアコンを装備している。さらに，計測時間を速めるため加熱対象物を加熱した後に加熱対象絞り物を高速で冷却する冷却用クーラおよび排熱用ブロアを二次元配列
ピンホール

対物レンズ装備している。断熱機構部には常時エアーと冷却水が供給され，図 7 に示すように，高温な加熱対象物を計測
中でも 3D センサ部の温度を一定に保ち，3D センサ部

加熱対象物

図4の保護および安定した計測を実現している。

共焦点光学系

3．装置構成と仕様

制御部
モニタ

タッチパネル

検査 PC

PLC

3.1 装置の特長
本装置の特長は次のとおりである。
（1）独自に開発したセンサ用断熱機構により，加熱対象物から 3D センサへの伝熱を遮断し，熱の影響を冷却付帯装置受けない高精度で安定した計測を実現している。
（2）加熱後の加熱対象物をクーラで冷却して，計測時間の短縮を図っている。
（3）16 ステップまでの温度制御プロファイル（室温〜 最 大 260 ℃） が 作 成 可 能 で， 専 用 の 金 属 性装置本体

エアコン

Z 軸ステージチラー

断熱機構

3D センサエアー

加熱ケース

赤外線ヒータXYZ 軸ステージ

プレートヒータJEDEC 注3）トレイ（以下，メタルトレイという）にクーラ載せられた加熱対象物を多様な温度下で計測できブロアる。
（4）ヒータによる両面同時加熱により，加熱対象物表裏面の温度差が少ない均一な加熱ができる。
（5）専用のアプリケーションにより，計測結果の解析や鳥瞰図表示が容易に行える。
東光高岳技報 Vol. 1 No. 1 2014

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図5

装置構成ブロック図

温度可変基板反り検査装置
た。
加熱対象物

3D センサ

面精度λ/4（0.158 μm）の 50×50 mm 合成石英（熱エアコン

膨張率 5.5×10 −7/℃）平行平面ガラスを用い，その中心断熱機構
Z 軸ステージ

エア ＋ 水平面度（最小二乗平面からの偏差の最大最小値差）を評価したところ，常温 25℃で 0.63 μm，加熱時 236℃でプレートヒータ
加熱ケース

メタルトレイ

赤外線ヒータ部 25×25 mm 領域の反り計測し（9 視野繋ぎ合わせ）断熱板1.01 μm の結果が得られた。これにより本装置の 3D セ
ンサは熱の影響をほとんど受けずに，サブマイクロメー

XYZ-stage

クーラ

ブロア

タレベルの誤差で平面度計測ができ，パッケージ基板の計測には十分な性能を有していることが確認できた。

図6

装置本体加熱計測部の構成

4.3 実サンプル計測例
図 9 に実際のバンプ付パッケージ基板の計測結果例を示す。バンプの高さも同時計測しているが，各温度帯300275のパッケージ基板反りのみを表示している。本装置は各加熱対象物温度

250

温度での基板反り表示だけでなく，計測した結果の反り225200の差分の表示もできることから，加熱・冷却によってど温度（℃）

175150のような反り変化が起きたかを詳細，かつ，容易に把握125することができる。

10075500250

3D センサ先端部温度25赤外線ヒータによる片面加熱

22560120

図7

加熱計測中の 3D センサ部温度変化

0180

240

300
360
時間
（秒）

420

480

540

600

200175

加熱対象物‒裏面

温度（℃）

150
温度差 25℃

125

表2

加熱対象物‒表面

100

基本仕様

75

項目

仕様

50

温度可変範囲

室温〜 260℃

25

加熱 / 冷却速度

最大 1.0℃/sec ／−0.35℃/sec

0

平面計測精度<2.0 μｍ

計測速度<2.0 sec（※）

計測項目

基板反り，バンプ高さ・平坦度 etc

225

装置本体サイズ1,200（W）×1,960（D）× 1,800（H）mm200

質量2,500 kg

175※ Z 計測範囲 1 mm 時の 1 視野あたりの計測時間

150

060

120

180

240

300
360
時間（秒）

420

480

540

600

540

600

250

赤外線ヒータとプレートヒータによる両面加熱

温度（℃）

加熱対象物‒裏面4．測定結果

加熱対象物‒表面

温度差 5℃

125
10075504.1 表裏温度差の例

25

図 8 に両面加熱と赤外線ヒータのみの片面加熱した00場合の加熱対象物の表裏温度差を比較したグラフの一例を示す。厚みや材質，内部の配線パターンなど加熱対象

60120

図8180

240

300
360
時間（秒）

420

480

加熱方式による表裏温度差比較

物の条件によって伝熱特性は異なるが，樹脂材を使用した 1.5 mm 厚の積層基板で測定した結果，片面加熱で 25℃の温度差があったものが，両面加熱により温度差が 5℃まで低減した。これにより本装置の両面加熱が表裏面温度差を抑制するのに有用な加熱方法であることを確認できた。
4.2 計測結果
高温加熱時の反り計測精度を評価するために，低膨張材質である合成石英ガラスを用いて平面度計測を行っ― 73 ―

東光高岳技報 Vol. 1 No. 1 2014

温度可変基板反り検査装置

温度（℃）

温度設定プロファイル

時間
各温度帯での反り量

反りの差分表示図9

パッケージ基板の計測例

注 3）JEDEC： Joint Electron Device Engineering Coun-

5．おわりにcil の略称で，半導体技術の標準化を行う団体。JEDEC

以上，開発した温度可変基板反り検査装置の概要を説明した。今後は，計測速度の向上と加熱性能の改良を進

トレイはその規格（外周サイズ）に準拠した電子部品を載せるトレイのことを指す。

める。また，パッケージ基板に限らず幅広い分野での加熱計測を可能とするより汎用性の高い装置を開発してい井上 征利
光応用検査機器事業本部
技術開発部 開発グループ 所属
三次元検査装置の開発に従事く所存である。
■参考文献（1）JEDEC：High Temperature Package Warpage
Measurement Methodology, JESD22B112, 2005
（2）石原満宏：「昇温機能付半導体パッケージ基板反り計測装置の開発」，2012 年度精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集，p.627―628■語句説明注 1）バンプ： 基板上に形成された突起状の微小電極部。リフロー工程時に融解しはんだ付けされる。
注 2）リフロー：基板上にはんだペーストを印刷し，その上に部品を載せてから熱を加えてはんだを溶かして接合する方法。

東光高岳技報 Vol. 1 No. 1 2014

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石原 満宏
光応用検査機器事業本部
技術開発部 所属
三次元検査装置の開発に従事
博士（工学），精密工学会，OSA，SPIE 各会会員

日名子 達也
光応用検査機器事業本部
技術開発部 開発グループ 所属
三次元検査装置の開発に従事