홈   >   Special Report 이 기사의 입력시간 : 2013-11-09 (토) 12:25:44
보이지 않는 부분에 IC칩의 범프의 높이 더 정확하게 측정
광삼각법을 이용한 3차원 형상 측정기를 사용하여 PCB 범프 높이 측정 방법
2013-11  자료출처 : 특허청
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흡착 상태 검사 장치는 부품을 흡착하는 노즐이 복수 배치된 노즐군의 내부에 배치되어 입사되는 광을 확산하면서 투과시키는 확산 부재와, 상기 노즐군의 측방이고 또한 상기 확산 부재로부터 제 1 방향으로 이간해서 배치되고 상기 노즐군을 구성하는 복수의 노즐 중 상기 확산 부재에 대해서 상기 제 1 방향에 위치하는 하나의 노즐에 흡착되는 부품을 상기 확산 부재를 배경으로 촬상해서 상기 부품의 상을 얻는 촬상부와, 상기 촬상부에 대해서 상기 확산 부재를 사이에 두고 대향해서 배치되고 상기 노즐군에 대해서 광을 조사하는 조명부와, 상기 촬상부에 의해 촬상되는 상기 부품의 상에 의거하여 상기 하나의 노즐에 의한 상기 부품의 흡착 상태를 검사하는 검사부를 포함한다.

요 약
본 발명은 광삼각법을 이용한 3차원 형상 측정기를 이용한 PCB범프 높이 측정 방법에 관한 것으로, (a) BGA, FC, CSP 등의 반도체 검사 장비 및 광학센서 제어기와 연결된 컴퓨터 비전 시스템에서 상호 대칭적으로 구성된 좌측(L) 또는 우측(R) 레이저 광학계로부터 각각 일정 각도로 기울어진 렌즈를 통해 선택적으로 하나의 레이저 광학계 또는 동시에 IC칩의 범프의 Ball로 레이저빔을 주사하고, 듀얼 스캐닝 하는 단계; (b) 좌측(L) 또는 우측(R) 레이저광학계로부터 어느 하나의 레이저빔이 IC칩에 주사된 경우, CCD 카메라 및 광학센서로 반사광을 검출하여 맺히는 상의 길이 변화에 따라 광삼각법을 사용하여 IC칩의 범프의 볼의 곡면의 높이 변화에 따라 IC칩의 범프(bump)의 높이를 각각 측정하는 단계 및 (c) 우측(R)과 좌측(L) 레이저빔으로 동시 측정시, 측정된 2개의 IC칩의 범프의 볼의 높이 값을 산술 평균으로 IC칩의 각각의 범프의 볼의 높이를 산출하는 단계를 포함한다. 본 발명은 반도체검사 장비의 광학 측정 센서 및 2방향의 레이저 광학계를 사용함으로써 측정하고자하는 BGA 또는 FC, CSP Ball이 CCD 카메라와 상대 위치에 따라 레이저빔을 선택적으로 또는 동시에 주사하여 IC칩의 각각의 범프의 볼에 대한 R, L레이저 동시 측정시 산술평균값으로 IC칩의 범프의 볼들의 높이를 결정함으로써 보이지 않는 부분에 IC칩의 범프의 높이를 더 정확하게 측정하게 되었다.

기술 분야
본 발명은 3차원 형상 측정기를 이용한 PCB 범프 높이 측정 방법에 관한 것으로, 특히 BGA(Ball Grid Array), FC(Flip Chip), CSP(Chip Scale Package) 검사 장비를 사용하여 상호 대칭적인 2 방향의 레이저를 일정 각도의 렌즈를 통해 동시에 IC칩의 범프(bump)의 ball로 레이저를 주사하고, IC칩의 범프(bump) 높이를 측정하기 위해 듀얼 스캐닝하면서, CCD 카메라 및 광학센서로 IC칩의 범프의 볼의 높이 측정의 정확도를 향상시키는, 광삼각 법을 이용한 3차원 형상 측정기를 이용한 PCB 범프 높이 측정 방법에 관한 것이다.

배경 기술
반도체 검사 장비, 컴퓨터 그래픽스를 이용한 영화 특수효과, 3D 스캐너 기술 등에 사용하는 3차원 형상 측정 방법은 (1) 포인트(Point) 광을 이용한 3차원 형상측정 (Point Beam Projection)법, (2) 슬릿(Slit) 광을 이용한 3차원 형상측정(Slit Beam Projection)법, (3) 공간부호화를 이용한 3차원 형상측정법, (4) 모아레(Moire)를 이용한 3차원 형상 측정법 등을 사용한다.
3D 스캐너 기술은 광삼각법에 기초한 포인트(Point) 광 투영법, 슬릿(Slit) 광 투영법, 그리고 공간부호화법이 사용하며, 많은 격자를 동시에 투영하고 이를 위상천이시켜 측정분해능을 향상시키는 방법으로 영사식 모아레(Moire) 법과 PMP(Phase Measuring Profilometry) 법을 사용한다.

(1) Point 광을 이용한 3차원 형상측정(Point Beam Projection)
Point 광을 이용한 3차원 형상측정(Point Beam Projection)법은 3D 측정의 가장 기본적인 형태로써, 표면 위 측정 대상체의 3차원 형상을 기존 접촉식 프로브를 광학식 변위센서를 사용하여 측정한다. 광학식 변위센서는 표면에 일정한 각도로 레이저 다이오드(Laser Diode)로부터 발사된 레이저빔을 초점거리가 5㎜ 안팎의 발광렌즈(집광렌즈)로 집광하여 통과한 레이저 광원을 표면상의 측정 대상체에 조사한다. 측정 대상체로부터 반사된 레이저 광원은 다시 결상렌즈(수광렌즈)로 수신 받아 CCD(Charge Coupled Device) 센서 또는 광 PSD(Position Sensing Detector, 위치 감지 검출기) 센서 위에 결상된다. PSD 센서는 결상 위치에 따른 전기신호를 출력하게 된다. 여기서, PSD 센서는 측정 대상체의 높이 변화에 따라 PSD 센서 위에 결상되는 위치가 변하기 때문에 한 점의 높이 값을 측정하게 된다. 이러한 광학식 변위 센서는 한 번에 표면상의 측정 대상체의 한 점의 높이 값만 측정하기 때문에 표면상의 측정 대상체의 곡면형상을 측정할 경우, 광학식 변위센서를 이송시키면서, 동시에 광학식 변위센서의 3차원 위치좌표 값을 읽어야 하기 때문에 고정도의 이동이 가능한 기구부가 필요하게 된다. 광학식 변위센서는 많은 제품이 출시되고 있지만 보편적으로 사용되고 있는 센서의 측정 정도는 약 2~5㎛의 것들이 사용되고 있다.

(2) 슬릿(Slit) 광을 이용한 3차원 형상측정(Slit Beam Projection)
슬릿(Slit) 광을 이용한 3차원 형상측정법은 광삼각법의 원리에 기초를 두고 있는 측정법으로 슬릿광은 레이저 다이오드(Laser Diode)에서 집광렌즈로 레이저광을 집광시키고, 로드렌즈 또는 실리더 리컬 렌즈로 슬릿광을 만들어 내고 있다.
슬릿(Slit) 광을 이용한 3차원 형상 측정법은 슬릿광을 측정 대상체에 입사시켜 측정 대상체의 형상에 따라 변형된 슬릿광을 얻고, CCD 카메라로 변형된 슬릿광을 획득하여 기하학적 관계로부터 측정 대상체의 형상의 삼차원 좌표를 산출하는 방법이다. 이 방법은 측정 대상체의 전체 형상을 측정하기 위해 기계구동시스템을 사용해 측정 단면을 이동시키며 측정하는데 크게 2가지 방법이 사용된다.
첫 번째 방법은 레이저 슬릿광이 거울에 반사되게 하고, 갈바노미터 등을 이용하여 거울의 각도를 변화시켜 슬릿광이 측정면을 스캐닝하는 방식이다. 이 방식의 측정 광학계는 공간부호화법, 모아레(Moire)법, 및 PMP(Phase Measuring Profilometry) 법에 비해 매우 단순한 광학 구성을 가지고 있는데, 슬릿광이 진행하는 방향에 대한 평면방정식과 CCD 카메라 이미지 픽셀의 직선방정식의 교점을 구하여 높이 형상을 측정한다. 슬릿광의 측정분해능과 정밀도는 슬릿광의 두께와 슬릿광 및 카메라보정 정도에 크게 좌우된다.
두 번째 방법은 고정도의 이동이 가능한 기구부에 카메라와 슬릿광을 일체화하여 이동시키는 데, 대부분의 제품이 이 방식을 이용하고 있다.

(3) 공간부호화를 이용한 3차원 형상측정법
공간부호화를 이용한 3차원 형상측정법은 슬릿(Slit)광과 함께광삼각법의 원리에 기초를 두고 있는 측정법으로 공간부호화법이있다. 공간부호화를 이용한 3차원 형상측정법은 빔 프로젝터를 사용한 세미나 시간에 사용되는 영사광학계에 액정소자 또는 필름 등을 장착하고 이를 측정대상체에 주사한다.
공간부호화를 이용한 3차원 형상측정법은 처음에는 큰 폭의 격자를 사용하고, 다음에는 폭을 1/2씩 줄여가면서 여러 차례에 걸쳐 주사하게 된다. 이렇게 주사된 여러 장의 이미지에서 빛이 맞았는지(ON), 차단되었는지(OFF)를 순차적으로 확인하여 몇 번째 슬릿광인지를 파악하고, 그것에 해당하는 평면 방정식과 이미지센서의 직선 방정식의 교점으로부터 높이 값을 구하는 방식이다. 예를 들면, 슬릿광을 이용한 3차원 형상측정법은 256개의 슬릿광을 영사할 경우에 256장의 이미지를 포착하고 해석해야 하는 반면에, 공간부호화법을 이용한 3차원 형상 측정법의 경우, 8번(28=256)의 이미지를 포착하기 때문에 슬릿광에 비해 효과적이다.

(4) 모아레(Moire)를 이용한 3차원 형상 측정 방법
그림자식 모아레(Moire)법은 측정대상물 바로 앞에 규칙적인 줄무늬격자를 두고 한 쪽에서 빛을 비추면 격자의 그림자가 측정물위에 생기게 된다. 이 그림자는 측정물의 형상에 따라 휘어지게 된다. 이런 상태에서 또 다른 한 쪽에서 측정물을 바라보면, 변형되지 않은 직선줄무늬 격자와 이 격자의 그림자가 겹쳐져 보이면서, 물결모양의 등고선 무늬를 나타내는 모아레(Moire) 무늬를 사용하여 물체의 형상정보를 분석하여 높이 값을 얻게 된다. 이러한 모아레(Moire) 무늬는 사용하는 격자의 피치를 줄일수록 조밀한 모아레를 얻을 수 있기 때문에 매우 정밀한 형상측정이 가능하게 된다. 하지만, 형성된 모아레 무늬에서 높낮이 방향을 알기 위해 격자를 위상이송시켜야 하고, 측정물의 크기 만한 정밀한 격자가 필요하기 때문에 영사식 모아레법이 사용되고 있다.
영사식 모아레법은 모아레 무늬의 정밀한 분석을 위해 격자를 위상천이 시킬 수 있기 때문에 다른 측정법에 비해 매우 정밀한 측정정도를 얻을 수 있지만, 광학계가 매우 복잡해지는 단점이 있으므로 아직 보편화되지 못하고 있다.
그림 1은 종래의 광삼각법의 원리를 설명하기 위한 도면이다.

BGA 검사 장비 또는 FC(Flip Chip), CSP(Chip Scale Package)반도체 검사 장비에서 3차원 형상 측정장치는 그림 2에 도시된 바와 같이, 레이저 다이오드(laser diode)로부터 발광 렌즈로 집광한 레이저빔(선형 광원)을 측정 대상체 표면에 입사하고, 측정 대상체 곡면의 높이 변화에 따라 그로부터 반사된 레이저광을 결상렌즈(수광렌즈)로 CCD의 촬상면에 하나의 광점으로 결상되면, 광삼각법(Optical Triangulation)을 사용하여 측정 대상체의 높이를 측정한다. 이때, 측정 대상체의 높이 변화에 따라 CCD 촬상면에 결상되는 광점의 위치가 변하게 되는데, 이러한 광점의 위치 변화로부터 광점에 대응하는 측정 대상체의 한 점의 높이를 구하게 된다.
반도체 검사 장비의 3차원 형상 측정 장치는 IC칩의 범프(bump)의 볼(ball)들의 표면 결함을 측정하기 위해 측정 대상체(bump의 ball) 레이저 광이 조사된 후, 범프의 볼의 그 위치에서의 높이 정보에 의해 기준면의 수직방향으로 변형된다. 3차원의 표면 형상의 변화에 따라 변형된 이 선 모양을 한 광영상은 기준면에 대하여 일정한 각도에 위치한 CCD 카메라에 의해 획득된다.
시간에 따른 이송 장치에 의해 측정 대상체(IC칩의 bump의 ball)를 이동시키면서, IC 칩의 범프의 볼(bump의 ball)의 획득된 영상으로부터 광삼각법에 기초하여 각 위치의 높이 정보를 추출하고, IC칩 범프의 볼의 높이 변화에 따라 IC칩 범프의 표면 결함을 판단한다.
그림 1에 도시된 바와 같이, 광 삼각법의 변위 측정법의 원리는 측정 대상체의 면에 조사된 작은 레이저 광점은 입사 레이저빔 축과 기울어진 렌즈 F에 의해 광 위치 측정 센서 PSD(Position Sensing Detector) 면에 상이 맺히고, 측정 대상체의 위치가 h 방향으로 바뀌면, 레이저 광점의 PSD 상 위치가 d만큼 바뀌게 된다.
반도체 검사 장비의 3차원 측정 장치는 이러한 d 값을 측정하여, 광학계 변수를 대입하여 환산함으로써 측정 대상체(IC칩의 bump의 ball)의 높이 h를 측정한다.

그림 3은 광삼각법을 이용한 3차원 형상 측정 장치의 기능을 설명한 도면이다. 종래의 광삼각법을 이용한 반도체 검사 장비로 사용되는 3차원 형상 측정 장치는 컴퓨터 비전 시스템(computer vision system)과 광학센서 제어기(controller)가 랜 카드와 TCP/IP 또는 RS232C 직렬 통신 방식으로 연결되고, 제어기와 연결된 CCD 카메라로부터 수직선 바로 밑에 놓인 측정 대상체(IC칩의 bump의 ball)를 한 쪽 방향에서만 레이저를 주사하는 경우, 기존의 구조화된 레이저 빔을 측정 대상체에 주사하여 3각 측정의 원리(광삼각법, optical triangulation method)를 사용하여 측정 대상체(IC칩의 bump의 ball)의 곡면 3차원 형상의 변화를 측정한다.
그림 4는 반도체 검사 장비의 BGA(Ball Grid Array), FC(Flip Chip), CSP(Chip Scale Package) IC 칩의 범프(bump)의 볼의 높이를 측정하기 위해 광삼각법에 따라 일측 레이저 빔을 이용한 3차원 영상 측정 장치의 시스템 구성도이다. 반도체 검사 장비는 IC칩의 범프의 볼을 고기능, 고속도, 고정밀도(㎛, nm)로 측정하는 직접 고기능의 레이저 및 광학 현상을 제어하여, 일정 각도로 기울어진 렌즈를 통해 레이저빔을 IC칩의 범프(bump)의 볼(ball)로 주사하며, CCD 카메라로 슬릿광을 획득하여 기하학적 관계로부터 측정대상체(IC칩의 bump의 ball)의 높이를 측정한다. 그러나 광학 신호를 분석하는 컴퓨터 비전 시스템과 제어기에 연결된 반도체 검사 장비(PCB 검사장비)는 그림 3 및 그림 4에 도시된 바와 같이, CCD 카메라로부터 구조화된 레이저빔을 이용한 3차원 측정 장치(광삼각법, 3각 측정 원리)는 레이저가 한쪽 방향으로 주사되는 경우, IC칩의 범프(bump)의 보이지 않는 부분의 범프(bump)의 볼(ball)의 높이 측정이 어려운 문제점이 있었다.

발명의 내용

해결하려는 과제
본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 반도체 검사 장비(3차원 측정검사 장비) 및 광학센서 제어기와 연결된 컴퓨터 비전 시스템에서 CCD 카메라로 부터 레이저 빔을 이용한 광삼각법(Optical Triangulation)을 이용하여 BGA(Ball Grid Array), FC(Flip Chip), CSP(Chip Scale Package) 등 반도체 검사 장비를 사용하여 이송 장치에 의해 IC칩을 이동시키면서 IC칩의 범프(bump)의 ball이 2방향의 레이저 광학계로부터 각각 동시에 일정 각도의 렌즈를 통해 레이저를 주사하고, IC칩의 범프의 볼의 곡면의 높이 변화에 따라 CCD 카메라로 IC칩의 범프(bump) 높이를 측정하기 위해 좌측 및 우측 레이저로 듀얼 스캐닝(dual scanning) 하면서, IC 칩의 범프의 높이를 더 정확하게 측정하는, 광삼각법을 이용한 3차원 형상 측정기를 이용한 PCB 범프 높이 측정 방법을 제공하는 것이다.

과제의 해결 수단
상기 본 발명의 목적을 달성하기 위해, 광삼각법을 이용한 3차원 형상 측정기를 이용한 PCB 범프 높이 측정 방법은, (a) BGA(Ball Grid Array), FC(Flip Chip), CSP(Chip Scale Package) 등의 반도체 PCB 검사 장비 및 광학센서 제어기와 연결된 컴퓨터 비전 시스템에서 상호 대칭적으로 구성된 좌측(L) 또는 우측(R) 레이저 광학계로부터 각각 일정 각도로 기울어진 렌즈를 통해 선택적으로 하나의 레이저 광학계 또는 동시에 IC칩의 범프(bump)의 ball들로 순차적으로 레이저빔을 주사하고, IC칩의 범프의 볼들을 듀얼 스캐닝 하는 단계; (b) 좌측(L) 또는 우측(R) 레이저로부터 어느 하나의 레이저빔으로부터 IC칩에 주사된 경우, CCD 카메라 및 광학센서로 반사광을 검출하여 맺히는 상의 길이 변화에 따라 광삼각법을 사용하여 상기 IC칩의 범프의 볼의 곡면의 높이 변화에 따라 IC칩의 범프(bump) 높이를 각각 측정하는 단계 및 (c) 우측(R)과 좌측(L) 레이저빔으로 동시에 측정하는 경우, 측정된 2개의 IC칩의 범프의 볼의 높이값을 산술 평균을 내어 IC칩의 각 볼의 범프의 높이를 산출하는 단계를 포함한다.

발명의 효과
이와 같이 본 발명에 따르면, 광삼각법을 이용한 3차원 형상 측정기를 이용한 PCB 범프 높이 측정 방법은, 반도체 검사 장비(3차원 측정 검사 장비) 및 광학센서 제어기와 연결된 컴퓨터 비전시스템에서 레이저 빔을 이용한 광삼각법을 이용하여 BGA(Ball Grid Array), FC(Flip Chip), CSP(Chip Scale Package) 반도체 검사 장비를 사용하여 이송 장치에 의해 IC칩을 이동시키면서 CCD 카메라 및 2방향의 레이저 광학계로부터 일정 각도의 렌즈를 통해 동시에 IC칩의 범프(bump)의 Ball로 레이저를 주사하고, IC칩의 범프의 곡면의 높이 변화에 따라 CCD 카메라로 IC칩의 범프(bump) 높이를 측정하기 위해 3차원 공간의 측정 대상체의 특징 정보(범프의 ball의 높이)를 듀얼 스캐닝(Dual Scanning) 하면서, IC 칩의 범프의 볼의 보이지 않는 부분의 높이를 측정하는 효과가 있다.
본 발명에 따른 반도체 검사 장비의 2개의 레이저를 이용한 광삼각법을 이용한 3차원 형상 측정기 기술은 동시에 양방향 측정이 가능하게 됨으로써, 기존 반도체 검사 정비의 고기능, 고정밀도를 가진 광학센서의 문제점인 보이지 않는 부분을 보다 정확하게 측정하게 되었다.
본 발명은 BGA(Ball Grid Array), FC(Flip Chip), CSP(Chip Scale Package) 등의 반도체 검사 장비의 광학 측정 센서를 사용하여 IC칩의 품질 검사 과정에서, 2방향의 레이저 광학계를 사용함으로써 양방향 측정으로 보이지 않는 부분의 IC칩의 범프의 높이를 측정하고, 측정하고자하는 BGA 또는 FC, CSP Ball이 CCD카메라와 상대 위치에 따라 좌측(L) 또는 우측(R) 레이저빔을 선택적으로 또는 동시에 주사하여, 동시 주사시 IC칩의 각각의 범프의 볼에 대한 높이 산술 평균값으로 IC칩의 범프의 볼들의 높이를 산출함으로써 IC칩의 범프의 볼의 보이지 않는 부분에 높이(height)를 측정하고, IC칩의 범프 높이의 측정 오차를 줄이고 결함을 분석하여 더 정확한 IC 칩의 제품 불량을 판단이 가능하게 되었다.

발명을 실시하기 위한 구체적인 내용
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
그림 5는 반도체 검사 장비의 3차원 측정 장치를 사용하여 BGA 또는 FC, CSP 볼의 IC 칩의 범프 높이를 측정하는 개념도이다. BGA(Ball Grid Array), FC(Flip Chip), CSP(Chip Scale Package) 등의 반도체 검사 장비의 3차원 레이저 광학 측정 센서 및 좌우 대칭적인 2개의 레이저 광학계를 이용하여 측정 장차 표면에 이송 장치에 의해 IC칩을 이동시키면서 우측(R) 또는 좌측(L) 레이저를 선택적으로 또는 동시에 각각 한 방향의 레이저를 일정 각도로 기울어진 렌즈를 통해 표면의 IC칩의 범프(bump)의 볼(ball)로 주사하여, IC칩의 범프의 볼(ball)로부터 반사된 레이저 광원을 CCD(Charge Coupled Device) 카메라 및 광학 센서로 수신받아, IC칩의 범프의 볼의 높이를 측정하며, 상호 대칭적인 좌측(L) 또는 우측(R) 레이저 광학계 시스템(21a, 21b)으로부터 한 방향으로 레이저를 IC칩의 범프의 볼로 주사하면, CCD카메라로 그 반사광을 검출하더라도 레이저가 주사되지 않는 측정 불가능 부분이 존재하고, IC칩의 범프의 볼의 높이의 측정 오차가 발생하였다.
본 발명에 따른 반도체 검사 장비의 좌측(L) 과 우측(R) 2개의 레이저 광학계 시스템을 이용한 광삼각법(optical triangulation)을 이용한 3차원 형상 측정기 기술은 동시에 2방향에서 레이저로 동시에 측정하게 됨으로써, 기존 반도체 검사 정비의 고기능, 고정밀도를 가진 광학센서의 문제점인 IC칩의 범프의 볼의 보이지 않는 부분의 IC칩의 범프의 볼의 높이를 측정하는 방법을 제안한다.
본 발명은 반도체 검사 장비의 좌측과 우측 3차원 레이저 광학 센서로부터 일정한 각도로 기울어진 렌즈를 통해 레이저 빔을 반도체 검사 장치의 표면에 놓인 IC칩의 범프(bump)의 볼(ball)로 주사하여, 이송 장치에 의해 IC 칩을 이동시키며 듀얼 스캐닝(dual scanning)하면서 CCD 카메라로 반사광을 검출하여 광삼각법에 의해 IC칩의 범프의 볼의 높이를 측정하고, IC칩의 표면 결함을 검사한다. 3차원 광학 측정 장치는 우측(R) 레이저만 IC칩의 범프로 레이저빔을 주사시 IC칩의 범프의 볼에 대하여 산술 평균구간, 우측 레이저 측정 구간에서 IC칩의 범프의 볼의 높이를 측정한다.
3차원 광학 측정 장치는 좌측(L) 레이저만 IC칩의 범프로 레이저빔을 주사시 IC칩의 범프의 볼에 대하여 산술 평균 구간, 좌측 레이저 측정 구간에서 IC칩의 범프의 볼의 높이를 측정한다. 우측(R) 레이저 및 좌측(L) 레이저를 동시에 IC칩의 범프로 레이저빔을 주사시 IC칩의 범프의 볼의 이동하여 측정하는데 IC칩의 범프의 볼의 높이 변화에 따라 산술평균 구간의 존재하고 좌측 또는 우측 레이저로 측정된 2개의 IC칩의 범프의 볼의 높이 측정값을 산술 평균으로 계산하여 IC칩의 범프의 볼의 높이를 산출한다.



그림 6은 광삼각법의 IC칩의 범프의 볼의 높이를 측정하는 원리를 설명하는 도면이다. 좌측(L) 레이저 광학계로부터 레이저빔을 주사할 경우, 기 설정된 카메라의 관측 각도 θ 및 배율 m = ( )(f는 렌즈의 초점 거리, f`은 렌즈의 환산 초점 거리), 카메라 렌즈로부터 CCD 센서까지의 거리가 r일 때, CCD 센서의 일측점으로 부터 광 수신점까지의 거리(삼각형의 길이) y`는 광삼각법에 의해 CCD 카메라를 통해 획득된 영상에서 추출한 높이 정보가 된다.
그러므로 영상 삼각형의 높이 정보 y`와 측정 대상체 삼각형의 기준선에 대한 상대적이 높이 정보 z는 y`=( )식이 설립한다. 3차원 형상 측정 장치는 측정 대상체(IC칩의 bump의 ball)의 높이 변위(z)가 렌즈로부터 측정 대상체까지 거리(f)에 비해 아주 작으면 z/f값이 아주 작으므로 무시할 정도로 작으며, 다음과 같은 근사식으로 실제 측정값인 높이 정보 y`를 구한다.
y = ( ) 여기서, m은 CCD 카메라의 수직선과 레이저 빔의 각도, m은 렌즈의 배율, θ는 CCD 카메라의 수직선에 대한 CCD 센서의 카메라의 관측 각도를 의미한다.

CCD 카메라의 픽셀 간격을 △y`라 하면, △z= (식-4) 식과 같이 CCD 카메라의 픽셀 간격에 대응하는 측정 대상체의 높이 값(측정 분해능)이 결정된다.
반도체 검사 장비의 3차원 형상 측정 장치는 측정 대상체(IC칩의 bump의 ball) 표면의 곡면 형상의 변화를 측정한 레이저빔의 영상을 CCD 카메라로 획득하여 3차원 형상 정보를 추출하게 된다.
최근, 반도체 검사 장비, SMT(Surface Mount Technology, 표면실장 기술) 검사 장비 중에 AOI(Automated Optical Inspection, 자동 광학 검사) 2차원 검사 장비가 보편화되어 있지만, 전자 제품에 들어가는 PCB(Printed Circuit Board, 인쇄회로기판), IC칩의 집적회로화, 소형화로 BGA(Ball Grid Array), FC(Flip Chip), CSP(Chip Scale Package) 등의 반도체 칩의 검사 장비를 사용한다.



그림 7은 반도체 검사 장비의 BGA 또는 FC, CSP 볼의 IC 칩의 pin의 범프 높이를 측정하기 위해 광삼각법에 따라 듀얼 스캔(dual scan)으로 레이저 빔을 이용한 3차원 영상 측정 장치의 시스템 구성도이다.
광삼각법을 이용한 3차원 형상 측정기를 이용한 PCB 범프높이 측정 방법은 (a) BGA(Ball Grid Array), FC(Flip Chip), CSP(Chip Scale Package) 등의 반도체 PCB 검사 장비 및 광학센서 제어기와 연결된 컴퓨터 비전 시스템에서 상호 대칭적으로 구성된 좌측(L) 또는 우측(R) 레이저 광학계로부터 각각 일정 각도로 기울어진 렌즈를 통해 좌측 또는 우측 레이저 빔을 선택적으로 또는 동시에 IC칩의 범프(bump)의 ball들로 순차적으로 레이저빔을 주사하고, 측정 표면의 이송장치에 의해 IC칩을 이동시키면서 IC칩의 범프의 볼들을 듀얼 스캐닝하고, (b) 좌측(L) 또는 우측(R) 레이저 광학계로부터 어느 하나의 레이저빔이 IC칩의 범프에 주사된 경우, CCD 카메라 및 광학센서로 반사광을 검출하여 맺히는 상의 길이 변화에 따라 광삼각법을 사용하여 상기 IC칩의 범프의 볼의 곡면의 높이 변화에 따라 IC칩의 범프(bump)의 높이를 각각 측정하며, (c) 우측(R) 또는 좌측(L) 레이저 광학계의 어느 하나의 레이저빔으로 측정하는 경우, IC칩의 범프의 볼의 높이값을 제공하고, 우측(R)과 좌측(L) 레이저빔으로 동시에 측정하는 경우, 측정된 2개의 IC칩의 범프의 볼의 높이값을 산술 평균을 내어 IC칩의 각 볼의 범프의 높이를 산출한다.
BGA(Ball Grid Array), FC(Flip Chip), CSP(Chip Scale Package) 등 반도체 PCB 검사 장비(3차원 측정 검사 장비) 및 광학센서 제어기(controller)(11)와 연결된 컴퓨터 비전 시스템(computer vision system)(10)에서 상호 대칭적으로 구성된 좌측(L) 또는 우측(R) 레이저 광학계(21a, 21b)로부터 각각 일정 각도로 기울어진 렌즈(22a, 22b)를 통해 선택적으로 하나의 레이저 광학계 또는 동시에 IC칩의 범프(bump)의 ball로 레이저빔을 주사하고, IC칩의 범프(bump)의 볼(ball)들을 듀얼 스캐닝(Dual Scanning) 하면서, CCD 카메라 및 광학센서로 반사광을 검출하여 맺히는 상의 길이 변화에 따라 광삼각법을 사용하여 IC칩의 범프들의 볼의 곡면의 높이 변화에 따라 좌측 또는 우측 레이저를 IC칩의 범프의 볼로 주사하여 IC칩의 범프(bump) 높이를 각각 측정하고, 좌측(L) 레이저 및 우측(R) 레이저의 공통 측정 구간에서는 L,R 레이저 광학계로 측정된 2개의 IC칩의 범프의 볼의 높이 값을 산술 평균을 내어 IC칩의 각각 범프의 볼의 높이를 산출한다.
3차원 광학 측정 장치인 반도체 검사 장비는 광삼각법 및 3차원 bump height 측정 알고리즘을 사용하여 2개의 레이저 광학계로 부터 주사된 IC칩의 범프의 곡면 영상 획득을 위한 고속 CCD 카메라, 3차원 레이저 광학계 센서 및 광학센서 제어기로 구성된다.
좌측 레이저 광학계 시스템(21a)과 좌측 렌즈(22a)과 우측 레이저 광학계 시스템(21b)과 우측 렌즈(22b)는 상호 대칭적으로 구성되며, 컴퓨터 비전 시스템(10)과 광학센서 제어기(11)의 제어에 따라 좌측 레이저 및/또는 우측 레이저빔을 선택적으로 또는 동시에 IC칩의 범프의 볼로 주사하고, 각각 CCD 카메라로 레이저 빔의 반사광을 검출하여 IC칩의 범프의 볼의 높이를 측정한다.

IC칩은 납땝을 하기 위해 많은 범프(bump)의 볼로 구성된다. 반도체 검사 장비의 3차원 영상 측정 장치는 연결된 컴퓨터비전 시스템(10)과 광학센서 제어기(11)의 제어 따라 광삼각법(3차원 측정 원리)를 사용하여 측정하고자하는 BGA 또는 FC, CSP Ball이 CCD 카메라(20)와 상대 위치에 따라 레이저빔을 선택적으로 또는 동시에 주사가 가능하며, 상호 대칭적인 2 레이저 광학계로부터 2방향으로 레이저 빔을 IC칩의 각각의 범프의 볼로 주사하면, IC 칩의 범프의 볼의 보이지 않는 부분의 IC칩의 범프의 볼의 높이를 더 정확하게 측정하게 된다.
그림 8은 반도체 검사 장비의 BGA 또는 FC, CSP 볼의 IC 칩의 범프 높이를 좌우 두 방향에서 선택적으로 또는 동시에 측정하는 것을 나타낸 도면이다. 반도체 검사장비에서 측정 표면의 이송장치에 의해 IC칩을 이동시킬 경우, 좌측(L) 레이저 광학계로부터레이저 빔을 측정 표면의 IC칩의 범프(bump)의 볼로 주사할 경우, CCD 카메라의 광학센서에 맺히는 상은 그림(좌(L))에 도시된 바와 같이 L4, L5, L6 궤적이 나타난다.
반도체 검사 장비의 측정 표면의 이송장치에 의해 IC칩을 이동시킬 경우, 우측(R) 레이저 광학계로부터 레이저 빔을 측정 표면의 IC칩의 범프(bump)의 볼로 주사할 경우, CCD 카메라의 광학센서에 맺히는 상은 그림(우(R))에 도시된 바와 같이 R2, R3, R4 궤적이 나타난다.
3차원 레이저 광학 측정 장치의 이송 장치에 의해 IC칩을 이동시킬 경우, 우측(R) 레이저빔은 중심선을 기준으로 기 설정된 일정 거리 간격을 가진 ②, ③, ④에서 IC칩의 범프의 볼의 높이를 측정하고, 좌측(L) 레이저 빔은 중심선을 기준으로 기 설정된 일정 거리 간격을 가진 ④, ⑤, ⑥에서 IC칩의 범프의 볼의 높이를 측정하게 된다. 일실시예로, 3차원 광학 검사 장치는 우측 레이저 측정 구간(②, ③)에는 우측(R) 레이저광학계를 ON시키고, 좌측(L) 레이저 광학계를 OFF시키며 우측(R) 레이저빔을 선택적으로 IC칩의 범프의 볼에 주사하여 IC칩의 범프의 볼의 높이를 측정하고, L,R 레이저 동시 측정 구간(④)에는 상기 우측(R) 및 상기 좌측(L) 레이저 동시 측정시 상기 우측(R) 레이저 광학계 및 상기 좌측(L) 레이저 광학계를 둘다 ON시키고, 우측(R) 레이저 및 좌측(L) 레이저 빔을 동시에 IC칩의 범프의 볼로 주사하여 IC칩의 범프의 볼의 높이를 측정하여 2개의 IC칩의 범프의 높이 측정값의 산술평균으로 범프의 볼의 높이를 산출하고, 좌측 레이저 측정 구간(⑤,⑥)에서는 우측(R) 레이저 광학계를 OFF시키고, 좌측(L) 레이저 광학계를 ON시켜 좌측(L) 레이저빔을 선택적으로 IC칩의 볼에 주사하여 IC칩의 범프의 볼의 높이를 측정한다. 따라서 BGA(Ball Grid Array), FC(Flip Chip), CSP(Chip Scale Package) 등의 반도체 검사 장비의 3차원 광학 측정 센서를 사용하여 IC칩의 범프의 볼의 높이 측정시, 좌측(L) 레이저 또는 우측(R) 레이저 광학계를 사용함으로써 양방향 측정이 가능하여 보이지 않던 부분의 IC칩의 범프의 높이를 보다 정확하게 측정하고, 측정하고자 하는 BGA 또는 FC, CSP Ball이 CCD 카메라(20)와 상대 위치에 따라 레이저빔을 선택적으로 또는 동시에 주사하며, 동시 측정시 2방향으로 측정된 2개의 IC칩의 범프의 볼의 높이 측정값의 산술 평균값으로 각각의 IC칩의 범프의 볼들의 높이를 산출함으로써 IC칩의 범프의 볼의 보이지 않는 부분의 IC칩의 범프의 높이(height)를 보다 정확하게 측정하며, 미세한 측정 오차를 줄이고, IC칩의 제품 불량을 더 정확하게 검사가 가능하게 되었다.
이상에서 설명한 바와 같이, 바람직한 실시예를 통하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변경, 응용이 당업자에게 자명하다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 다음의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

 


 

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