[논문]대시야 백색광 간섭계를 이용한 Flip Chip Bump 3차원 검사 장치

구영모; 이규호

doi:10.5391/jkiis.2013.23.4.286

대시야 백색광 간섭계를 이용한 Flip Chip Bump 3차원 검사 장치
Flip Chip Bump 3D Inspection Equipment using White Light Interferometer with Large F.O.V. 원문보기

한국지능시스템학회 논문지 = Journal of Korean institute of intelligent systems, v.23 no.4, 2013년, pp.286 - 291

초록
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대시야 백색광간섭계(WSI ; White Light Scanning Interferometer)를 이용하여, Flip Chip Bump 검사 공정에 적용하는 것을 목적으로 한 인라인 형태의 플립칩 범프 3차원 검사 장치를 개발한다. 여러 서브스트레이트에 있는 플립칩 범프 높이 측정 결과와 이에 의한 동일한 여러 범프에 대한 반복성 측정 실험 결과를 제시한다. 테스트 벤치에서의 실험 결과와 개발된 플립칩 범프 3차원 검사 장치에서의 실험 결과를 비교하였으며 진동의 영향이 감소되어 개선된 반복성 실험 결과를 얻을 수 있었다. 플립칩 범프 3차원 검사 장치의 검사성능을 평가할 수 있는 기준을 제시한다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, in-line type flip chip bump 3D inspection equipment, using white light interferometer with large F.O.V., which is aimed to be used in flip chip bump test process is developed. Results of flip chip bump height measurement in many substrates and repeatability test results for the bumps in fixed location of each substrate are shown. Test results from test bench and those from developed flip chip bump 3D inspection equipment are compared and as a result repeatability is improved by reducing the impact of system vibration. A valuation basis for the testing quality of flip chip bump 3D inspection equipment is proposed.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 제조현장에서 인라인으로 사용할 수 있도록 실제 제작된 인라인 형태의 플립칩 범프 3차원 검사 장치를 사용한 플립칩 서브스트레이트의 범프 높이 반복 측정 실험 결과를 제시하였다. 통계분석기법을 도입하여 동일한 대시야 백색광간섭계를 사용한 테스트벤치 에서의 플립칩 서브스트레이트의 범프 높이 반복 측정 실험 결과와 비교하여 실제 제작된 검사 장치가 테스트벤치보다 외부 진동 영향 차단 등에 효과적임을 알 수 있다.
본 논문에서는 테스트벤치에서 구한 반복성 실험 결과에서 출발하여 테스트벤치가 가지는 고유진동의 영향을 최소화하고 이동 유닛들의 각종 변수를 최적화하여 검사 시스템의 동작효율을 개선한 실제의 플립칩 범프 3차원 검사 장치를 제작하여 이를 사용한 플립칩 범프 3차원 검사 실험 결과를 제시한다. 이전에 제시된 테스트벤치를 사용한 플립칩 범프 3차원 검사 실험 결과[9]의 통계적 분석과 본 논문에서 제시한 실험 결과의 통계적 분석을 통해 실제의 플립칩 범프 3차원 검사 장치가 가지는 상대적 장점을 직관적으로 제시할 수 있도록 하였다.
하나의 플립칩 서브스트레이트에 수천 개의 범프가 존재하므로 이들 모든 범프의 높이 반복 측정 성능을 대표하는 별도의 지표 개발이 필요하다. 이를 위해 본 논문에서는 통계분석기법과의 접목방법을 제안하였다. 또한 대시야 백색광간섭계를 사용하여 기존 3D측정 알고리즘이 가지는 측정시간 단축의 어려움을 극복할 수 있는 가능성을 확인하였다.

가설 설정

임의의 탭 내부에 있는 약 2,640개의 범프 각각에 대한 높이 반복측정 결과, 범프 각각의 반복측정 오차 표준편차 값을 분석 대상으로 한다. 본 논문에서는 식(1)과 같이 범프 각각의 반복측정 오차 분포를 정규분포로 가정하여 이의 표준편차 값을 구하여 이를 분석 대상으로 하였다. 식(2)와 같이 분석 대상 표준편차 값의 평균값을 검사 장치의 높이 반복측정 성능 지표로 하였다.

제안 방법

1초에 200㎛ 이동하므로 500fps의 Frame Rate를 사용하면 0.4㎛마다 1frame을 촬영하여 총 500frame×1.2 Mega Pixel의 데이터를 보유/처리하여 높이데이터를 구하도록 하였다.
고속측정을 위해 Z축 방향으로 이동하는 렌즈의 속도에 대응할 수 있는 카메라의 Frame Rate는 500 fps이며 외부 트리거 기능을 보유한 고속 카메라를 사용하였다. 또한, 렌즈의 Z축 방향 이동거리를 200㎛로 하였다. 조명광의 평균파장이 640㎚ 이므로 프레임간의 위상간격 α_Δ를 450°로 유지하기 위해서 스캔 간격은 #의 관계에서 매 400nm마다 한 프레임의 데이터가 필요하다.
본 논문에서는 대시야 백색광간섭계 (WSI)를 사용한 그림 3의 플립칩 범프 3차원 검사 장치를 사용하여 그림 4에 보이는 것과 같은 플립칩 서브스트레이트에 형성된 모든 플립칩 범프의 높이를 동시에 측정하는 과정을 10회 반복하여 반복성(Repeatability)실험 결과를 제시한다. 그림 2의 패키지 서브스트레이트 어레이 형태로 제작된 어레이 내부 각각의 서브스트레이트 어레이를 탭1, 탭2 등으로 부른다.
본 논문에서는 범프의 불량발생 유무를 검사하는 방식에 3차원 검사 방법을 도입하였다[3]. 백색광 간섭계 기술은 측정대상영역의 수평방향 길이가 수십 밀리미터이고 정밀도는 수백 나노미터에서 수 마이크로미터를 갖는 범위를 측정 대상으로 할 때 사용하기에 적합한 기술이다[4].
그러나, 표 2의 결과를 어느 정도의 반복측정 성능 지표를 나타내는지 판단하는 기준으로 사용하기에는 부족한 점이 있다. 이 문제점을 해소하기 위해 표 2에 있는 5개의 탭 가운데 임의의 한개의 탭에 존재하는 2,640개 전체 범프 들의 높이값 표준편차의 분포를 나타내는 히스토그램을 구하였다. 임의의 탭으로 탭1을 선정하여 범프 전체의 수가 2,640개이므로 범프 높이값 표준편차도 2,640개 나타난다.
하나의 서브스트레이트에 여러 개의 범프가 존재할 때 모든 범프를 동시에 검사하는 경우의 검사 성능 판정 기준을 통계적인 접근방법을 통하여 제시하였다. 이를 서로 다른 두 시스템에서 구한 검사 실험 데이터 분석에 적용하여 두 플립칩 범프 3차원 검사 시스템의 검사 성능 판정에 사용 하였으며 이 결과를 근거로 플립칩 범프 3차원 검사 장치의 검사 성능 평가 기준을 제시하도록 한다.
이들의 값이 분포하는 히스토그램과 이들 값의 평균값 σ_M을 동시에 사용하는 것이 반복측정 성능 지표로 사용될 수 있음을 알 수 있다. 이를 위해 범프 높이 표준편차 값들을 구간을 나누어 구간에 속하는 데이터 수를 조사하여 도수 분포표를 구한 후 히스토그램을 구하였다. 그림 6에 3차원 검사 장치에서 구한 탭1에 대한 히스토그램 결과와 범프 높이 표준편차 평균값을 동시에 표시하였다.
이들의 값이 분포하는 히스토그램과 이들 값의 평균값 σ_M을 동시에 사용하는 것이 반복측정 성능 지표로 사용될 수 있음을 알 수 있다. 이를 위해 범프 높이값 표준편차 값들을 구간을 나누어 구간에 속하는 데이터 수를 조사하여 도수 분포표를 구한 후 히스토그램을 구하였다. 그림 8에 테스트벤치에서 구한 탭 1에 대한 히스토그램 결과와 범프 높이 표준편차 평균값을 동시에 표시하였다.
본 논문에서는 테스트벤치에서 구한 반복성 실험 결과에서 출발하여 테스트벤치가 가지는 고유진동의 영향을 최소화하고 이동 유닛들의 각종 변수를 최적화하여 검사 시스템의 동작효율을 개선한 실제의 플립칩 범프 3차원 검사 장치를 제작하여 이를 사용한 플립칩 범프 3차원 검사 실험 결과를 제시한다. 이전에 제시된 테스트벤치를 사용한 플립칩 범프 3차원 검사 실험 결과[9]의 통계적 분석과 본 논문에서 제시한 실험 결과의 통계적 분석을 통해 실제의 플립칩 범프 3차원 검사 장치가 가지는 상대적 장점을 직관적으로 제시할 수 있도록 하였다. 하나의 서브스트레이트에 여러 개의 범프가 존재할 때 모든 범프를 동시에 검사하는 경우의 검사 성능 판정 기준을 통계적인 접근방법을 통하여 제시하였다.
테스트벤치가 가지는 고유진동의 영향을 최소화하고 이동 유닛들의 각종 변수를 최적화하여 그림 3의 플립칩 범프 3차원 검사 장치를 제작하였다. 그림 3에서 사용한 화상데이터 입력 센서로는 기본픽셀 크기가 12㎛×12㎛이고 픽셀 수가 1280×1024 로 한 화면이 약 1.
이전에 제시된 테스트벤치를 사용한 플립칩 범프 3차원 검사 실험 결과[9]의 통계적 분석과 본 논문에서 제시한 실험 결과의 통계적 분석을 통해 실제의 플립칩 범프 3차원 검사 장치가 가지는 상대적 장점을 직관적으로 제시할 수 있도록 하였다. 하나의 서브스트레이트에 여러 개의 범프가 존재할 때 모든 범프를 동시에 검사하는 경우의 검사 성능 판정 기준을 통계적인 접근방법을 통하여 제시하였다. 이를 서로 다른 두 시스템에서 구한 검사 실험 데이터 분석에 적용하여 두 플립칩 범프 3차원 검사 시스템의 검사 성능 판정에 사용 하였으며 이 결과를 근거로 플립칩 범프 3차원 검사 장치의 검사 성능 평가 기준을 제시하도록 한다.

대상 데이터

2 Mega Pixel로 구성된 Progressive Scan CMOS 카메라를 사용하였다. 고속측정을 위해 Z축 방향으로 이동하는 렌즈의 속도에 대응할 수 있는 카메라의 Frame Rate는 500 fps이며 외부 트리거 기능을 보유한 고속 카메라를 사용하였다. 또한, 렌즈의 Z축 방향 이동거리를 200㎛로 하였다.
그림 3에서 사용한 화상데이터 입력 센서로는 기본픽셀 크기가 12㎛×12㎛이고 픽셀 수가 1280×1024 로 한 화면이 약 1.2 Mega Pixel로 구성된 Progressive Scan CMOS 카메라를 사용하였다.
이 중 극히 일부인 15개의 작은 범프가 포함된 부분을 3차원으로 측정하여 3D로 표시한 플립칩 범프를 그림 5에 보인다. 임의의 탭 내부에 있는 약 2,640개의 범프 각각에 대한 높이 반복측정 결과, 범프 각각의 반복측정 오차 표준편차 값을 분석 대상으로 한다. 본 논문에서는 식(1)과 같이 범프 각각의 반복측정 오차 분포를 정규분포로 가정하여 이의 표준편차 값을 구하여 이를 분석 대상으로 하였다.

데이터처리

이와 같은 결과를 표 3의 테스트벤치 에서의 측정 결과와 비교하기 위하여 표 3에 있는 5개의 탭 가운데 임의의 한 개의 탭에 존재하는 약 3,300개 전체 범프 들의 높이값 표준편차의 분포를 나타내는 히스토그램을 구하였다. 임의의 탭으로 탭 1을 선정하여 범프 전체의 개수가 약 3,300개 이므로 범프 높이값 표준편차도 약 3,300개가 나타난다.
표 2에 플립칩 범프 3차원 검사 장치에서 측정한 5개의 탭에 대한 범프 높이값 표준편차의 평균값을 나타내었다. 표 3에 테스트벤치에서 측정한 5개의 탭에 대한 범프 높이값 표준편차의 평균값을 표시하였다.

성능/효과

이를 위해 본 논문에서는 통계분석기법과의 접목방법을 제안하였다. 또한 대시야 백색광간섭계를 사용하여 기존 3D측정 알고리즘이 가지는 측정시간 단축의 어려움을 극복할 수 있는 가능성을 확인하였다. 측정시간 반복 측정 실험 결과를 얻기 위한 추가 실험 및 분석이 추가된다면 개발된 시스템의 성능을 판단하기 위한 좋은 지표로 사용될 수 있다.
본 논문에서는 제조현장에서 인라인으로 사용할 수 있도록 실제 제작된 인라인 형태의 플립칩 범프 3차원 검사 장치를 사용한 플립칩 서브스트레이트의 범프 높이 반복 측정 실험 결과를 제시하였다. 통계분석기법을 도입하여 동일한 대시야 백색광간섭계를 사용한 테스트벤치 에서의 플립칩 서브스트레이트의 범프 높이 반복 측정 실험 결과와 비교하여 실제 제작된 검사 장치가 테스트벤치보다 외부 진동 영향 차단 등에 효과적임을 알 수 있다. 하나의 플립칩 서브스트레이트에 수천 개의 범프가 존재하므로 이들 모든 범프의 높이 반복 측정 성능을 대표하는 별도의 지표 개발이 필요하다.
표 2를 표 3의 테스트벤치에서 측정한 5개의 탭에 대한 범프 높이값 표준편차 평균값과 비교하면 약 30% 개선된 것을 알 수 있다. 그러나, 표 2의 결과를 어느 정도의 반복측정 성능 지표를 나타내는지 판단하는 기준으로 사용하기에는 부족한 점이 있다.

후속연구

임의의 탭으로 탭 1을 선정하여 범프 전체의 개수가 약 3,300개 이므로 범프 높이값 표준편차도 약 3,300개가 나타난다. 이들의 값이 분포하는 히스토그램과 이들 값의 평균값 σ_M을 동시에 사용하는 것이 반복측정 성능 지표로 사용될 수 있음을 알 수 있다. 이를 위해 범프 높이값 표준편차 값들을 구간을 나누어 구간에 속하는 데이터 수를 조사하여 도수 분포표를 구한 후 히스토그램을 구하였다.
또한 대시야 백색광간섭계를 사용하여 기존 3D측정 알고리즘이 가지는 측정시간 단축의 어려움을 극복할 수 있는 가능성을 확인하였다. 측정시간 반복 측정 실험 결과를 얻기 위한 추가 실험 및 분석이 추가된다면 개발된 시스템의 성능을 판단하기 위한 좋은 지표로 사용될 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	플립칩 범프 검사 공정에서 검사해야 할 내용은 무엇인가?	플립칩 패키징은 그림 1과 같이 웨이퍼 칩의 패드와 패키지의 외부 리드를 도선을 사용하여 연결하는 것이 아니고 패키지의 외부 리드와 웨이퍼 칩 사이에 패키지 서브스트레이트가 존재하며 웨이퍼 상태의 칩에 존재하는 패드의 범프와 패키지 서브스트레이트의 범프를 직접 연결하는 패키징 방식이다. 이러한 반도체 패키징 방식에서 웨이퍼 상태의 칩에 존재하는 범프와 서브스트레이트의 범프에 불량이 발생하였는지를 패키징 이전에 플립칩 범프 검사 공정에서 검사하는 것이 필요하다. 그림 2에 검사대상 범프의 형태를 나타내었다.
	백색광 간섭계 기술의 측정 시간이 다른 기술에 비해 상대적으로 길다는 단점을 극복하기 위해 발표된 방법은 무엇인가?	백색광 간섭계 기술은 간섭현상을 이용하는 3차원 측정 방법 고유의 특성에 의해 측정 시간이 다른 기술에 비해 상대적으로 길다는 단점을 가진다. 이를 극복하기 위한 방법으로 대면적 미세형상의 측정 시간 단축을 위한 간섭계 및 측정 알고리즘 검토가 발표되었다[6][7]. 이러한 결과들을 바탕으로 직접 플립칩 범프 3차원 검사 결과를 구할 수 있는 테스트벤치를 만들어 15㎜×12㎜ 의 시야 크기에 대한 플립칩 범프 3차원 검사 결과가 제시된 바 있다[8][9].
	플립칩 패키징은 무엇인가?	최근 널리 사용되기 시작한 방식이 와이어 본딩을 대신하는 플립칩 기술이다[1]. 플립칩 패키징은 그림 1과 같이 웨이퍼 칩의 패드와 패키지의 외부 리드를 도선을 사용하여 연결하는 것이 아니고 패키지의 외부 리드와 웨이퍼 칩 사이에 패키지 서브스트레이트가 존재하며 웨이퍼 상태의 칩에 존재하는 패드의 범프와 패키지 서브스트레이트의 범프를 직접 연결하는 패키징 방식이다. 이러한 반도체 패키징 방식에서 웨이퍼 상태의 칩에 존재하는 범프와 서브스트레이트의 범프에 불량이 발생하였는지를 패키징 이전에 플립칩 범프 검사 공정에서 검사하는 것이 필요하다.

참고문헌 (9)

Sally Cole Johnson, "'Insatiable demand' drives flip chip package growth," 3D Packaging, Issue no. 19, pp. 6-9, May, 2011.
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Y. M. Koo, K. H. Lee, "Semiconductor Package Inspection using White Light Interferometer with Large F.O.V.," Proceedings of KIEE Summer Conference 2012, pp. 1437-1438, 2012.
J. H. You, S. W. Kim, "Meso-scale surface meaurement using the low-coherence interferometry," Proceedings of the Korean Society of Precision Engineering Conference, pp. 43-44, Nov. 2007.
Kuk Won Ko, Soo-Yong Cho, and Min Young Kim, "Development of Elimination Method of Measurement noise to Improve accuracy for White Light Interferometry," Journal of Institute of Control, Robotics and Systems, vol. 14, no. 6, pp. 519-522, June 2008.

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J. You, S. W. Kim, "Fast and large-area measurement for a microscopic surface," Proceedings of the Korean Society of Precision Engineering Conference, pp. 735-736, Nov. 2008.
Jae-Hwan Sim, Kuk-Won Ko, "Development of High Speed 3D height Measurement for White light Scanning Interferometer," Proceedings of the KAIS Fall Conference, Part2, pp. 761-764, May 2011.
Y. M. Koo, K. H. Lee, "A Study on the Performance Improvement of 3D Inspection Equipment," Proceedings of The 6th International Conference on Soft Computing and Intelligent Systems, pp.1867-1870, Kobe, Japan, Nov. 20-24, 2012.
Y. M. Koo, K. H. Lee, "Development of 3D Inspection Equipment using White Light Interferometer with Large F.O.V.," Journal of Korean Institute of Intelligent Systems, vol. 22, no. 6, pp. 694-699, 2012.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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