[논문]5층 링 조명에 의한 BGA 볼의 검사 방법

김종형

doi:10.5302/j.icros.2015.15.0162

5층 링 조명에 의한 BGA 볼의 검사 방법
Inspection method of BGA Ball Using 5-step Ring Illumination 원문보기

제어·로봇·시스템학회 논문지 = Journal of institute of control, robotics and systems, v.21 no.12, 2015년, pp.1115 - 1121

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Fast inspection of solder ball bumps in ball grid array (BGA) is an important issue in the flip chip bonding technology. Particularly, semiconductor industry has required faster and more accurate inspection of micron-size solder bumps in flip chip bonding, as the density of balls increase dramatically. In this paper, we describe an inspection approach of BGA balls by using 5-step ring illumination device and normalized cross-correlation (NCC) method. The images of BGA ball by the illumination device show unique and distinguishable characteristic contours by their 3-D shapes, which are called as "iso-slope contours". Template images of reference ball samples can be produced artificially by the hybrid reflectance model and 3D data of balls. NCC values between test and template samples are very robust and reliable under well-structured condition. The 200 samples on real wafer are tested and show good practical feasibility of the proposed method.

주제어

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문제 정의

본 논문에서는 BGA의 금속 볼의 3차원 검사를 위한 5층링을 이용한 구조적 조명과 정규상관도(NCC: Normalized Cross-Correlation)를 기준으로 한 검사알고리즘을 제안하였다. BGA 볼은 비교적 형상이 단순하므로 5층 링 조명에서 얻은 특징 영상은 하이라이트 부분이 매우 독특하여, 정규상관도를 이용한 비교에서도 매우 신뢰성 있는 결과를 얻을 본 논문에서는 BGA의 금속 볼의 검사를 위한, 5층 조명링의 설계와 이를 기반으로 한 검사 알고리즘의 제안한다. 일반적으로 BGA 볼의 검사를 위해서는 양품과 불량의 모델과 검사 기준이 필요하게 된다.
불량의 분류를 위해서는정규상관도 (Normalized cross correlation) 를 사용하여, 양품 모델과의 유사성 수치를 계산하여 검사 작업을 수행하였다. 본연구에서는 실제 BGA 볼을 가지고 검사 작업을 수행하여실제 산업체에서 바로 적용될 수 있음을 보이고자 한다.

가설 설정

미리 2 단계에서 위치 오차에 의한 불량은 걸러지므로 위치 변화에의한 NCC 값의 변화는 거의 없다. 둘째, 스케일에 대한 영향은 거의 없다. 스케일이란, 화면의 확대 축소에 따른 영향이다.
대상물을 원점으로 할 때, (% K 2) 직교 좌표가 정의되며, 카메라는 Z축 상에 위치하게 된다. 링 조명은 작은 점 광원이 링을 이룬다고 가정을 하면, 대상물의 표면법선 벡터는 N로, 한 개의 점 광원이 대상물에 투사되는 백터는 S로 표시된다. 이전 연구에서 Kime BGA 볼에 대한 하이브리드 반사 모델을 식 (1)과 같이 제시하였다.
정해진 확대 배율로 영상을 받으므로 스케일에 대한 영향은 거의 무시할 수준이다. 셋째, 회전 방향에 대한 영향은거의 없다. 볼의 형상은 원형이므로 회전 방향에 따라서 거의 변함이 없다.

제안 방법

검사 실험을 수행하였다. 200개의 볼에 대해서는 그 판정 여부를 정하기 위해서 백색광 광간섭계를 원리의 3차원즉정기 (ANI 사 model 명 : nano3D)를 사용하여 나온 즉정치를근거로 양 불량을 판정하였다. 3차원 측정기 nanoYD의 높이분해능은 0.
단, 웨이퍼를 올려놓은 x-y 로봇의 이동 시간은 제외한시간이다. 3차원 측정기를 사용한 구체적인 검사 방법은, 높이가 정상과 차이가 없으면 정상, 높이가 현저히 낮으면 무납, 높이가 좀 낮거나 프로파일이 정상과 틀리면 형상 이상, 그리고 볼과 볼 사이에 납이 존재하여 높이가 검출되면 다리불량으로 판정하였다. 이는 현장에서 사용하는 기준과 동일하게 적용하였다.
알 수 있다. 5층 링 조명을 이용함으로써 BGA 볼의 매우특징적인 경면반사 하이라이트 패턴을 이용하여 NCC에 의한 유사도를 정량적으로 평가하여 검사함으로써 매우 간단하면서도 신뢰성있는 검사 결과를 얻었다.
구분한다. 5층 링 조명을 한 개씩 켜고 끄면서 5장의영상을 얻고, 각각의 해당되는 템플릿 영상과 비교한다.
Kime BGA의 금속 볼의 3차원 검사에 한정한 5층 링 조명과, 금속 볼의 반사 특성을 고려한 실용적 하이브리드 반사 모델을 제안하였다. 그리고 전산모사를 통하여 제안한 본방법의 타당성을 검증하고 실제 BGA 금속 볼을 대상으로정량적 평가를 시도하였다.
그림 2와 같이 전체 검사시스템은 5단 링 조명으로 구성되어 있으며, 제일 하단의 1번 링의 크기는 금속 볼에 비해 충분히 큰 154mm의지름을 가지고 있으며, 120개의 LED가 심어져 있다. 각 링조명에는 LED 발광 소자를 최대한 많이 심어서, 가능한 연속된 링 조명의 효과를 내도록 하였다.
검사의 순서는 우선 BGA 볼의 위치가 맞는지를 먼저 검사하고, 다음 정해진 위치에서 볼의 정상 및 불량 템플릿과비교하여 정상 여부를 판정한다. 불량 볼에 대해서는 몇 개의 시료에 대해서 상세히 분석하도록 한다.
모델을 제안하였다. 그리고 전산모사를 통하여 제안한 본방법의 타당성을 검증하고 실제 BGA 금속 볼을 대상으로정량적 평가를 시도하였다. Kim의 실험 결과, 표면의 기울기값의 계산 정밀도는 매우 정확하여 BGA 금속 볼의 3차원형상 검사하기 위한 양 .
검사하였다. 두 장의 영상에 대해서 서로의 상관도를 검사하는 방법으로본 단계에서는 2개의 템플릿을 가지고 그 상관도를 검사하였다.
또한, 금속 볼의 반사 특성을 고려한 실용적 하이브리드반사 모델을 기반으로 BGA 볼의 검사 기준 템플릿을 전산모사 실험을 통하여 만듦으로써, 현장에서 얻기 어려운 불량시료의 문제를 해결하였다.
카메라의 촬영 범위(Field of View) 내에서는 링조명에서 오는 빛의 양은 거의 균일하도록 구성되어 있는데, 그" 면적은 4mm (H)x3mm (V)정도이다. 또한, 카메라의 초점거리 및 링 조명의 계획된 입사각의 나올 수 있도록 카메라및 조명이 상하로 조절이 가능하도록 하였다.
그리고 불량 시료가 실제 현장 공정에서 얼마나 자주 나오는지에 대한 정보를 얻기에는매우 어렵다. 본 연구에서는 BGA 볼에 대한 양품의 CAD 데이터 및 측정된 높이를 기반으로 식 (1) 하이브리드 반사모델을 이용하여, 그림 5에서와 같이 검사를 위한 3차원 높이기준과 영상을 만들었다. BGA 볼의 지름 및 높이는 이전 Kim의 연구에서 측정된 값을 사용하였다[16].
그러나 실제로 다양한 불량샘플을 실제로 만드는 것은 매우 어려운 일이다. 본 연구에서는 구조화된 5층 조명과 BGA 볼에 맞추어진 실용적 하이브리드 반사 모델을 이용하여 양품과 불량의 다양한 인공 영상 및 검사의 기준을 만들었다. 양 .
또한, 반면에 BGA 볼의 3차원 형상 정보를 알고있으면 즉 각 볼 표면의 기울기 9„ 을 구할 수 있고, 따라서 5층 조명 조건하에서의 영상을 만들 수 있다. 본 연구에서는이를 활용하여 BGA 볼의 양 . 불량의 검사를 위한 기준 템플릿을 만들었다.
본 연구에서는이를 활용하여 BGA 볼의 양 . 불량의 검사를 위한 기준 템플릿을 만들었다.
양 . 불량의 분류를 위해서는정규상관도 (Normalized cross correlation) 를 사용하여, 양품 모델과의 유사성 수치를 계산하여 검사 작업을 수행하였다. 본연구에서는 실제 BGA 볼을 가지고 검사 작업을 수행하여실제 산업체에서 바로 적용될 수 있음을 보이고자 한다.
BGA 볼의 지름 및 높이는 이전 Kim의 연구에서 측정된 값을 사용하였다[16]. 우선은 양품에대한 평균 데이터를 기준으로 양품 형상 모델을 만들고, 불량 형상은 인위적으로 형상의 변화를 주어서 만들었다.

대상 데이터

그림 6. 5층 링 패턴의 인공 시료 영상.
그림 7. 검사를 위한 5개의 템플릿 영상.
조명 방식은 링 조명의 형태이다. 그림 2와 같이 전체 검사시스템은 5단 링 조명으로 구성되어 있으며, 제일 하단의 1번 링의 크기는 금속 볼에 비해 충분히 큰 154mm의지름을 가지고 있으며, 120개의 LED가 심어져 있다. 각 링조명에는 LED 발광 소자를 최대한 많이 심어서, 가능한 연속된 링 조명의 효과를 내도록 하였다.
실험을 위한 실제 시료는 웨이퍼 상의 200개 BGA 볼에대한 검사 실험을 수행하였다. 200개의 볼에 대해서는 그 판정 여부를 정하기 위해서 백색광 광간섭계를 원리의 3차원즉정기 (ANI 사 model 명 : nano3D)를 사용하여 나온 즉정치를근거로 양 불량을 판정하였다.
장치의 시야 면적(F.O.V)은 4mmx3mm이나, 검사영역은 2mmxl.5mm로 하였다. 본 시료는 검사 1단계 및 2단계를 거쳐, 무납(absent), 과납(over) 및 다리(bridge) 불량이 없는 상태이다.

이론/모형

2단계를 거친 시료들에 대해서는 정규상관도(NCC: Normalized Cross Correlation)를 사용하여 불량을 검사하였다. 두 장의 영상에 대해서 서로의 상관도를 검사하는 방법으로본 단계에서는 2개의 템플릿을 가지고 그 상관도를 검사하였다.
본 연구에서는 BGA 볼에 대한 양품의 CAD 데이터 및 측정된 높이를 기반으로 식 (1) 하이브리드 반사모델을 이용하여, 그림 5에서와 같이 검사를 위한 3차원 높이기준과 영상을 만들었다. BGA 볼의 지름 및 높이는 이전 Kim의 연구에서 측정된 값을 사용하였다[16]. 우선은 양품에대한 평균 데이터를 기준으로 양품 형상 모델을 만들고, 불량 형상은 인위적으로 형상의 변화를 주어서 만들었다.
금속 볼의 반사 특성에 따라 & 과 長 의 값이 달라 지는데, 이는 볼에 따라 다르므로 미리 알고 있어야 하는데, 보통은 Ks 값이크다. 여기서 최소자승법 (least- square method)를 이용하여 미지수인 & 와 虬 를 구할 수 있다μ6].

성능/효과

제안하였다. BGA 볼은 비교적 형상이 단순하므로 5층 링 조명에서 얻은 특징 영상은 하이라이트 부분이 매우 독특하여, 정규상관도를 이용한 비교에서도 매우 신뢰성 있는 결과를 얻을 수 있었다. 이는 5층 링 조명하에서의 불량 영상이 매우 뚜렷이구분되므로 가능하였다.
볼의 형상은 원형이므로 회전 방향에 따라서 거의 변함이 없다. 본 연구에서는 패턴 매칭에 있어서 오차의원인이 되는 위치 변화(shiR), 스케일(scale) 변화 그리고 회전방향(Orientation) 변화에 영향 없이 검사할 수 있어 신뢰성있는 검사가 가능하다.
전체 측정 시간은 428초가 소요되었다. 본 제안한 장치에 대하서는 4초 소요되어 충분히 전수 검사가 가능한 수준이다. 단, 웨이퍼를 올려놓은 x-y 로봇의 이동 시간은 제외한시간이다.
이러한 결과를 통해서 링 조명에 의해서 나타난 명함 값의분포를 가지고 BGA 금속 볼의 고속의 in-line 검사가 가능함을 알 수 있다. 5층 링 조명을 이용함으로써 BGA 볼의 매우특징적인 경면반사 하이라이트 패턴을 이용하여 NCC에 의한 유사도를 정량적으로 평가하여 검사함으로써 매우 간단하면서도 신뢰성있는 검사 결과를 얻었다.
제안한 방법에서 시료의 표면이 시간의 경과에 따라 산화되어 표면의 반사 계수가 변화됨이 문제였다. 본 연구에서는사전에 프라즈마 세척을 통하여 항상 균일한 초기 상태를 만들려고 하였는데, 이는 실제 적용상에서 꼭 고려해야 할 사항이다.

후속연구

본 연구는 향후 300mm 웨이퍼 상에 있는 백만 개 정도의많은 BGA 금속 볼을 빠른 시간에 3차원적 패턴 기반의 검사가 가능하도록 하는 방법으로 산업계의 효용성이 높을 것으로 기대된다.

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표제어: PCR

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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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