마이크로 BGA 패키지의 볼 형상 시각검사를 위한 모아레 간섭계 기반 3차원 머신 비젼 시스템 Three-dimensional Machine Vision System based on moire Interferometry for the Ball Shape Inspection of Micro BGA Packages원문보기
본 논문에서는 마이크로 BGA 패키지 내외부의 마이크로 볼의 3차원 형상을 측정하는 광학 측정 시스템을 제안하고 이를 구현한다. 대부분의 시각 검사 시스템은 마이크로 볼의 복잡한 반사 특성 때문에 검사에 어려움을 겪고 있다. 정확한 형상의 측정을 위해서, 특별히 설계된 시각 센서 시스템을 제안하고, 위상이송 모아레 간섭계의 측정원리에 기반한 형상측정 알고리즘을 제안한다. 센서 시스템은 4개의 서브시스템을 보유한 패턴 투사 시스템과 영상획득 시스템으로 구성된다. 패턴 투사용 서브시스템은 공간상으로 서로 상이한 투사 방향을 가지며, 이는 측정 물체에 각기 다른 입사 방향을 가지는 패턴 조명이 투사될 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다. 위상이송 모아레 간섭계의 구현을 위한 정밀 위상이송을 위해서, 각 서브시스템의 패턴 격자는 PZT 구동기를 이용하여 일정 간격으로 이송한다. 최종적으로 측정되는 마이크로 볼의 경면반사와 그림자 영역을 효과적으로 제거하기 위해서, 다중 패턴 투사 시스템과 영상획득 시스템을 구현하고, 이를 테스트한다. 특히, 다중 프로젝션을 이용하여 획득되는 다중 높이 정보를 효과적으로 융합하기 위하여, 베이지안 센서 융합 이론을 기반으로한 센서 융합 알고리즘이 제안된다. 제안되는 시스템의 원리검증과 성능확인을 위해, 마이크로 BGA볼과 기판 범프의 측정대상물에 대해서, 측정 반복성을 중심으로 실험이 수행되었으며, 획득된 실험 결과를 분석하고 논의한다.
본 논문에서는 마이크로 BGA 패키지 내외부의 마이크로 볼의 3차원 형상을 측정하는 광학 측정 시스템을 제안하고 이를 구현한다. 대부분의 시각 검사 시스템은 마이크로 볼의 복잡한 반사 특성 때문에 검사에 어려움을 겪고 있다. 정확한 형상의 측정을 위해서, 특별히 설계된 시각 센서 시스템을 제안하고, 위상이송 모아레 간섭계의 측정원리에 기반한 형상측정 알고리즘을 제안한다. 센서 시스템은 4개의 서브시스템을 보유한 패턴 투사 시스템과 영상획득 시스템으로 구성된다. 패턴 투사용 서브시스템은 공간상으로 서로 상이한 투사 방향을 가지며, 이는 측정 물체에 각기 다른 입사 방향을 가지는 패턴 조명이 투사될 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다. 위상이송 모아레 간섭계의 구현을 위한 정밀 위상이송을 위해서, 각 서브시스템의 패턴 격자는 PZT 구동기를 이용하여 일정 간격으로 이송한다. 최종적으로 측정되는 마이크로 볼의 경면반사와 그림자 영역을 효과적으로 제거하기 위해서, 다중 패턴 투사 시스템과 영상획득 시스템을 구현하고, 이를 테스트한다. 특히, 다중 프로젝션을 이용하여 획득되는 다중 높이 정보를 효과적으로 융합하기 위하여, 베이지안 센서 융합 이론을 기반으로한 센서 융합 알고리즘이 제안된다. 제안되는 시스템의 원리검증과 성능확인을 위해, 마이크로 BGA볼과 기판 범프의 측정대상물에 대해서, 측정 반복성을 중심으로 실험이 수행되었으며, 획득된 실험 결과를 분석하고 논의한다.
This paper focuses on three-dimensional measurement system of micro balls on micro Ball-Grid-Array(BGA) packages in-line. Most of visual inspection system still suffers from sophisticate reflection characteristics of micro balls. For accurate shape measurement of them, a specially designed visual se...
This paper focuses on three-dimensional measurement system of micro balls on micro Ball-Grid-Array(BGA) packages in-line. Most of visual inspection system still suffers from sophisticate reflection characteristics of micro balls. For accurate shape measurement of them, a specially designed visual sensor system is proposed under the sensing principle of phase shifting moire interferometry. The system consists of a pattern projection system with four projection subsystems and an imaging system. In the projection system, four subsystems have spatially different projection directions to make target objects experience the pattern illuminations with different incident directions. For the phase shifting, each grating pattern of subsystem is regularly moved by PZT actuator. To remove specular noise and shadow area of BGA balls efficiently, a compact multiple-pattern projection and imaging system is implemented and tested. Especially, a sensor fusion algorithm to integrate four information sets, acquired from multiple projections, into one is proposed with the basis of Bayesian sensor fusion theory. To see how the proposed system works, a series of experiments is performed and the results are analyzed in detail.
This paper focuses on three-dimensional measurement system of micro balls on micro Ball-Grid-Array(BGA) packages in-line. Most of visual inspection system still suffers from sophisticate reflection characteristics of micro balls. For accurate shape measurement of them, a specially designed visual sensor system is proposed under the sensing principle of phase shifting moire interferometry. The system consists of a pattern projection system with four projection subsystems and an imaging system. In the projection system, four subsystems have spatially different projection directions to make target objects experience the pattern illuminations with different incident directions. For the phase shifting, each grating pattern of subsystem is regularly moved by PZT actuator. To remove specular noise and shadow area of BGA balls efficiently, a compact multiple-pattern projection and imaging system is implemented and tested. Especially, a sensor fusion algorithm to integrate four information sets, acquired from multiple projections, into one is proposed with the basis of Bayesian sensor fusion theory. To see how the proposed system works, a series of experiments is performed and the results are analyzed in detail.
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문제 정의
10) 특히, 반도체 패키지의 볼형상 측정 대상물체와 투사되는 패턴의 기하학적 요인과 광학적 요인에 의해 생기는 그림자 효과 및 측정 물체의 경면 반사를 제거하기 위해서, 이 논문에서는 4개 이상의 다중 패턴 투사 시스템이 제안된다.
이 논문에서는, 엔지니어링적 개념을 활용하여, 간섭계에 기반한 센서 시스템이 제안되며, 제안되는 시스템의 특징은 다중 입사각을 갖는 패턴 투사 시스템을 구비한다는 것이다. 본 논문에서는 제안하는 센서 시스템에 대하여 기술하고자 하며, 또한 이를 이용한 3차원 형상 측정 방법에 대해서 제안하고 기술한다. 최종적으로, 제안된 시스템과 측정 알고리즘을 이용한 실제 시스템 구현과 실험 및 결과에 대해서 논한다.
본 논문에서는, 플립칩 패키징 및 웨이퍼레벨 패키징의 반도체 패키징에 사용되는 범프와 BGA의 구형상 솔더볼을 측정 검사하기 위한 3차원 시각 센서 시스템을 제안하였다.
본 논문에서는 제안하는 센서 시스템에 대하여 기술하고자 하며, 또한 이를 이용한 3차원 형상 측정 방법에 대해서 제안하고 기술한다. 최종적으로, 제안된 시스템과 측정 알고리즘을 이용한 실제 시스템 구현과 실험 및 결과에 대해서 논한다.
제안 방법
본 논문에서는 이를 위해, 베이지안 기법 기반 정보 융합 방법을 이용한다.12) 기법에 사용되는 가중치는 각 신호에서 관측되는 신호 대 잡음비 (signal-to-noise ratio)에 의해서 평가가 가능하며, 제안하는 방법에서는 위상 천이 동안 관측되는 신호의 가시도(visibility)를 지표로 이용한다.13)
5-8) 이는 측정대상이 갖고 있는 복잡한 반사효과와 그림자 영향으로 대변되는 재료의 광학적 특징 그리고 형상의 기하학적 특징에 기인한다. 이 논문에서는, 엔지니어링적 개념을 활용하여, 간섭계에 기반한 센서 시스템이 제안되며, 제안되는 시스템의 특징은 다중 입사각을 갖는 패턴 투사 시스템을 구비한다는 것이다. 본 논문에서는 제안하는 센서 시스템에 대하여 기술하고자 하며, 또한 이를 이용한 3차원 형상 측정 방법에 대해서 제안하고 기술한다.
(x,y) 의 데이터 신뢰도를 나타내는 지수이다. 제안되는 방법은 베이지안 센서 융합 기법에 기반하여, 위상 천이 동안 관측되는 신호의 가시도를 이용하여 Wi(x,y)가 결정된다. 식(3)에서 ROI 는 영상 FOV내에서 측정 관심영역을 의미한다.
제안하는 센서 시스템의 동작 성능을 보기 위해서, 첫번째로 Fig. 5에 보여지는 바와 같이, 배열 형태의 범프를 가지고 있는 기판 범프 스트립(substrate bump stripe)에 형성되어 있는 범프에 대한 형상 측정을 테스트한다. 각 범프의 크기는 약 125 µm이며, 해당하는 범프의 높이 규정은 약 50 µm 이다.
그림자 문제와 경면반사 문제를 풀기 위해서, 다중 패턴 투사부를 가지는 센서 시스템이 제안되었다. 제안하는 시스템은 각기 다른 입사방향을 가지는 4개의 패턴 투사부를 사용하여 검증하였으며, 시스템은 카메라, 4개의 패턴 투사용 서브시스템, 격자 이송 메커니즘 그리고, PZT 구동기로 구성된다.
8에 보여지는 300 µm 크기의 볼을 가지는 BGA가 테스트되었다. 첫째로, 두 개의 패턴 투사부를 이용하였을 때를 테스트하였고, 측정 결과는 4개의 패턴 투사부를 이용하였을 때와 비교 검사하였다. Fig.
대상 데이터
두 번째 응용사례를 위하여, Fig. 8에 보여지는 300 µm 크기의 볼을 가지는 BGA가 테스트되었다.
각 방향의 패턴 투사에 대해서, 4장의 영상이 3번의 PZT 이송에 의해 획득된다. 즉, 패턴 투사부가 모두 4방향의 입사각을 가지므로, 카메라가 획득하는 전체 16장의 영상이 획득되며, 시야범위(FOV)내의 위상 정보 추출, 즉 높이 정보 추출을 위해서 모든 영상이 사용된다. 추후 영상의 각 화소별로 획득되는 위상 정보는 해당 화소가 나타내는 측정물체 영역의 높이 정보 계산을 위해 사용된다.
측정을 위한 기본원리는 위상천이 모아레 간섭법이다.10) 특히, 반도체 패키지의 볼형상 측정 대상물체와 투사되는 패턴의 기하학적 요인과 광학적 요인에 의해 생기는 그림자 효과 및 측정 물체의 경면 반사를 제거하기 위해서, 이 논문에서는 4개 이상의 다중 패턴 투사 시스템이 제안된다.
이론/모형
추후 영상의 각 화소별로 획득되는 위상 정보는 해당 화소가 나타내는 측정물체 영역의 높이 정보 계산을 위해 사용된다. 4장의 영상 밝기 정보를 이용하여, 위상 정보를 추출하는 것은 4 bucketing 방법11)을 사용하며, 식(1)에 정의된 위상 추출방법에 의해서 카메라 시야범위내의 해당 화소마다 위상 정보가 결정된다.
다양한 3차원 측정 방법이 반도체 패키징의 검사를 위해 연구되어 왔으나, 본 논문의 응용사례를 위해서는, 세밀한 높이 분해능과 외부 노이즈 강인성 때문에 모아레 간섭 방법을 사용한다.
획득되는 서로 다른 높이 정보로부터, 앞서 언급한 가림영역과 경면반사 영역을 효과적으로 제거할 수 있는 정보 융합방법이 필요하다. 본 논문에서는 이를 위해, 베이지안 기법 기반 정보 융합 방법을 이용한다.12) 기법에 사용되는 가중치는 각 신호에서 관측되는 신호 대 잡음비 (signal-to-noise ratio)에 의해서 평가가 가능하며, 제안하는 방법에서는 위상 천이 동안 관측되는 신호의 가시도(visibility)를 지표로 이용한다.
제안하는 시스템을 이용하여, 측정된 높이값은 본 논문에서 제안하는 베이지안 기법을 이용하여 정보 융합되었다. 정보융합을 위한 가중치는 관측된 신호의 신호 대 잡음비를 기준으로 정의된다.
성능/효과
만약 하나의 패턴 투사부가 사용된다면, 결과는 그림자 영역과 경면 반사 영역에 의해 관측되는 정보가 거의 소실될 것임을 쉽게 예측할 수 있다. 결과적으로 두 개의 패턴 투사부를 이용한다고 하더라도, 볼 형상의 복원을 위해서 경면반사 영역과 그림자 영역이 효율적으로 제거되지 않음을 알 수 있다.
결과적으로, 수행된 실험결과를 통하여, 제안된 센서 시스템과 센서 융합 알고리즘을 이용하여, 측정된 대상물의 반복성과 측정 형상면에서 신뢰할 수 있는 측정 결과를 확보할 수 있었다.
1%내의 3σ 반복성을 얻을 수 있었다. 그리고, BGA의 형상측정을 검증한 결과 2개의 프로젝션에 비교하여, 4개의 프로젝션 측정결과가 보다 실물에 가까운 형상 복원이 가능함을 보였다. 크기 300 µm의 BGA에 대해 부피, 높이, 넓이의 검사항목에 대해 각각 2.
최종적으로 적용된 4개의 패턴 투사부를 가지는 센서 시스템은 Fig. 10에 보여지듯이 효과적으로 볼 형상을 복원할 수 있다는 것을 보여준다. 구의 아래면에 해당하는 부분은 카메라에서 관측이 물리적으로 불가능하므로, 높이 방향으로의 정보는 두 개의 패턴 투사부를 사용한 경우와 비교하여 이상 형상의 오류 없이 복원됨을 볼 수 있다.
9 µm 의반복성을 보인다. 측정결과, 어레이 타입으로 배열되어 있는 경우의 범프는 상호 반사에 의한 효과가 관측됨을 알 수 있었고, 범프의 외곽에 불확실한 낮은 높이의 노이즈를 만드는 것을 확인할 수 있었다. 상호반사에 의한 효과를 감쇄하기 위해, 다양한 정보 융합 방법을 이용하여, 해당 노이즈를 줄이기 위한 방법의 고안이 필요함을 알 수 있다.
크기 300 µm의 BGA에 대해 부피, 높이, 넓이의 검사항목에 대해 각각 2.5%, 2.1 µm, 2.7% 내의 3σ 반복성을 얻을 수 있었다.
해당 시스템을 구현하여 테스트한 결과, 크기 125 µm 높이 50 µm의 범프에 대해 부피, 높이, 넓이의 검사항목에 대해 각각 2.1%, 1.8 µm, 2.1%내의 3σ 반복성을 얻을 수 있었다.
후속연구
10) 특히, 반도체 패키지의 볼형상 측정 대상물체와 투사되는 패턴의 기하학적 요인과 광학적 요인에 의해 생기는 그림자 효과 및 측정 물체의 경면 반사를 제거하기 위해서, 이 논문에서는 4개 이상의 다중 패턴 투사 시스템이 제안된다. 4개 이상의 다중 패턴 투사 시스템을 사용함으로써, 일반적인 패턴 투사 기반 측정 시스템이 측정할 수 없는, 볼형상 측정 대상물의 가림영역 및 경면반사 영역에 대해서, 이 영역을 효과적으로 제거한 3차원 형상 측정이 가능해 진다.
즉, 패턴 투사부가 모두 4방향의 입사각을 가지므로, 카메라가 획득하는 전체 16장의 영상이 획득되며, 시야범위(FOV)내의 위상 정보 추출, 즉 높이 정보 추출을 위해서 모든 영상이 사용된다. 추후 영상의 각 화소별로 획득되는 위상 정보는 해당 화소가 나타내는 측정물체 영역의 높이 정보 계산을 위해 사용된다. 4장의 영상 밝기 정보를 이용하여, 위상 정보를 추출하는 것은 4 bucketing 방법11)을 사용하며, 식(1)에 정의된 위상 추출방법에 의해서 카메라 시야범위내의 해당 화소마다 위상 정보가 결정된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
반도체 패키지의 생산 품질을 제어를 위해 매우 중요한 공정은?
이러한 반도체 패키지의 생산 품질을 제어하기 위해서, 패키지의 앞면 혹은 뒷면에 정렬되는 Ball-Grid-Array (BGA) 혹은 범프의 형상을 측정하고 검사하는 것은 매우 중요한 반도체 패키지 공정 중 하나이다.
상용 플립칩 BGA의 내부 구조는 어떠한가?
1은 상용 플립칩 BGA의 내부 구조 예를 보여준다.4) 웨이퍼 다이 아래에 장착된 범프 배열이 전체 BGA 패키 징으로 접점을 만들고, BGA 패키지의 최종 하단에는 다시 BGA가 전체 패키지의 접점을 형성한다. 이러한 접점 배열의 형성에 있어서, 범프 배열 및 BGA의 개별 높이 및 체적의 균일도, 그리고 옵셋의 정확도가 중요한 공정 검사항목이 된다.
논문에서 제안하는 엔지니어링적 개념을 활용하여, 간섭계에 기반한 센서 시스템의 특징은?
5-8) 이는 측정대상이 갖고 있는 복잡한 반사효과와 그림자 영향으로 대변되는 재료의 광학적 특징 그리고 형상의 기하학적 특징에 기인한다. 이 논문에서는, 엔지니어링적 개념을 활용하여, 간섭계에 기반한 센서 시스템이 제안되며, 제안 되는 시스템의 특징은 다중 입사각을 갖는 패턴 투사 시스템을 구비한다는 것이다. 본 논문에서는 제안하는 센서 시스템에 대하여 기술하고자 하며, 또한 이를 이용한 3차원 형상 측정 방법에 대해서 제안하고 기술한다.
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