ワイヤボンディングにおけるボール圧着厚の測定方法
【課題】 ボールの圧着厚を人手を介することなく画像処理を利用して自動的に測定できるようにしたワイヤボンディングにおけるボール圧着厚の測定方法を提供する。
【解決手段】 所定のステップ間隔で撮像手段を上下方向に移動しながら、各ステップ位置においてパッド３とボール５の接合部分を撮像し、各撮像画像におけるパッド３のエッジ３ａ部分の輝度変化を求め、エッジ部分の輝度変化が最大となる撮像画像の撮像高さ位置をパッド３の合焦点高さとするとともに、各撮像画像におけるボール圧着面９の輝度変化を算出し、ボール圧着面の輝度変化の加算値が最大となる撮像画像の撮像高さ位置をボール圧着面９の合焦点高さとし、得られたパッド３の合焦点高さとボール圧着面９の合焦点高さの差分を採ることによってパッド３に接合されたボール５の圧着厚ｔを算出するようにした。
【解決手段】 所定のステップ間隔で撮像手段を上下方向に移動しながら、各ステップ位置においてパッド３とボール５の接合部分を撮像し、各撮像画像におけるパッド３のエッジ３ａ部分の輝度変化を求め、エッジ部分の輝度変化が最大となる撮像画像の撮像高さ位置をパッド３の合焦点高さとするとともに、各撮像画像におけるボール圧着面９の輝度変化を算出し、ボール圧着面の輝度変化の加算値が最大となる撮像画像の撮像高さ位置をボール圧着面９の合焦点高さとし、得られたパッド３の合焦点高さとボール圧着面９の合焦点高さの差分を採ることによってパッド３に接合されたボール５の圧着厚ｔを算出するようにした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体チップのパッドと外部電極間をボールボンディングによって配線するようにしたワイヤボンディングにおいて、半導体チップのパッドに接合されたボールの圧着厚を画像処理を利用して自動的に測定する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
まず最初に、図２を参照して、ワイヤボンディングにおける半導体チップのパッドとボールの接合状態について説明する。
【０００３】
図２において、１はリードフレーム、２はリードフレーム１上に搭載された半導体チップ、３は半導体チップ２上に形成されたパッド（第１ボンディング点）、４は金線などのボンディングワイヤ、５はボンディングワイヤ４の先端に形成されたボールである。
【０００４】
ボンディングワイヤ４の先端に形成されたボール５は、接合前においてはほぼ球形をしており、ワイヤボンディング時にキャピラリ６によって押圧されながら超音波振動を与えられることにより、図示するように平たく押し潰された状態でパッド３に圧着接合されている。
【０００５】
パッド３に圧着接合された上記ボール５の上面中心位置には、キャピラリ６の先端内部に入り込んだインサイドチャンファ部７によって円錐形状をしたコーン部８が形成されるとともに、該コーン部８の周囲には、ほぼ平坦なボール圧着面９が形成されている。
【０００６】
本発明が測定対象とするボールの圧着厚とは、パッド３の表面からボール圧着面９までの高さｔを指すものである。
【０００７】
従来、上記したボールの圧着厚ｔを測定するには、Ｚ軸方向（上下方向）の移動量を計測可能な金属顕微鏡などを用い、測定者が手動でパッド３の表面とボール圧着面９のそれぞれに焦点を合わせ、そのときの２点間の距離を求めることによってボールの圧着厚ｔを測定していた。このような人手による測定方法の場合、パッド３とボール圧着面９に焦点が正確に合っているか否かは測定者によってバラツキがあり、十分な測定精度を得ることが困難であった。
【０００８】
また、他の測定方法として、レーザー光を利用した測定方法もあるが、ボール圧着面９の幅は数ミクロンというきわめて小さな寸法であり、このような微細な個所にスポット的にレーザー光を照射するシステムはかなり高価になってしまうという問題があった。
【０００９】
そこで、上記のような問題をなくすために、カメラのレンズを通して取り込まれたボール５のコーン部８の平面画像と、予め設定した基準となるコーン部のパターン画像とを比較照合し、最も画像が一致する撮像高さ位置を合焦点高さとすることにより、ボール５の圧着厚ｔを測定する方法が提案されている（特許文献１参照）。
【００１０】
【特許文献１】特開平６−２２４２６７号公報（全頁、全図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上記特許文献１に記載の測定方法の場合、コーン部８の形状と大きさは用いるキャピラリ６によって変わるため、キャピラリ６が交換される度に基準となるコーン部８のパターン画像を記憶し直す必要があり、装置の取り扱いが面倒であった。また、基準となるコーン部８のパターン画像を人手によって設定するため、設定に個人差があり、設定の仕方によっては測定結果が変わってしまう可能性もあった。
【００１２】
本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、ボールの圧着厚を人手を介することなく画像処理を利用して自動的に測定できるようにしたワイヤボンディングにおけるボール圧着厚の測定方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するため、本発明の測定方法は、所定のステップ間隔で撮像手段を上下方向に移動しながら、各ステップ位置においてパッドとボールの接合部分の平面画像を撮像し、各撮像画像におけるパッドのエッジ部分の輝度変化を求め、該輝度変化が最大となる撮像画像の撮像高さ位置をパッドの合焦点高さとするとともに、各撮像画像におけるボール圧着面の輝度変化を求め、該輝度変化が最大となる撮像画像の撮像高さ位置をボール圧着面の合焦点高さとし、該得られたパッドの合焦点高さとボール圧着面の合焦点高さの差分を採ることによってパッドに接合されたボールの圧着厚を算出するようにしたものである。
【００１４】
なお、前記パッドの合焦点高さの検出に際しては、撮像画像上のパッドのエッジ部分に所定大きさからなる輝度検出窓をパッドのエッジをまたぐように設定し、
該輝度検出窓内の各画素についてエッジと直交する向きに隣り合う画素同士の輝度差を求め、該得られた差分輝度値の最大値を当該撮像画像におけるパッドのその撮像高さにおける輝度レベルとし、すべての撮像画像中において前記輝度レベルが最大となる撮像画像の撮像高さ位置をパッドの合焦点高さとすることができる。
【００１５】
また、前記パッドの合焦点高さ検出のための輝度検出窓を複数個設定し、該複数個の輝度検出窓についてそれぞれ輝度レベルを算出し、該得られた複数個の輝度レベルの加算値を当該撮像画像におけるパッドの輝度レベルとすることができる。
【００１６】
また、前記パッドの合焦点高さの決定に際しては、各ステップの撮像画像におけるパッドの輝度レベルの算出結果を用いて２次曲線近似を行ない、得られた近似曲線のピーク点位置に対応する撮像高さ位置をパッドの合焦点高さととすれば、さらに好ましい。
【００１７】
また、前記ボール圧着面の合焦点高さの検出に際しては、撮像画像上のボール圧着面部分に所定大きさからなる輝度検出窓をボールの半径方向に向けて設定し、該輝度検出窓内の各画素についてボールの半径方向に沿って隣り合う画素同士の輝度差を求め、該得られた差分輝度値を加算して当該撮像画像におけるボール圧着面のその撮像高さにおける輝度レベルとし、すべての撮像画像中において前記輝度レベルが最大となる撮像画像の撮像高さ位置をボール圧着面の合焦点高さとすることができる。
【００１８】
また、前記ボール圧着面の合焦点高さ検出のための輝度検出窓を所定の回転ステップ角でボール中心点の周りに回転させながら、各回転ステップ位置において輝度検出窓の輝度レベルをそれぞれ算出し、該得られた複数個の輝度レベルの加算値を当該撮像画像におけるボール圧着面の輝度レベルとすることができる。
【００１９】
また、ボール圧着面の合焦点高さの決定に際しては、各撮像画像におけるボール圧着面の輝度レベルの算出結果を用いて２次曲線近似を行ない、得られた近似曲線のピーク点位置に対応する撮像高さ位置をボール圧着面の合焦点高さとすれば、さらに好ましいものとなる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の測定方法によれば、ワイヤボンディングにおけるボールの圧着厚を人手を介することなく画像処理を利用して自動的に測定することができる。このため、従来問題となっていた人的な測定誤差をなくすことができ、きわめて正確な測定を行なうことができる。また、高価なレーザー光システムなどを必要としないので、装置を安価に構築することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明方法を適用して構成したボール圧着厚測定装置の一実施の形態を示すものである。
【００２２】
図において、１１は水平面内で移動自在とされたＸ−Ｙテーブル、１２は半導体チップ２のパッド３とボール５の接合部分を上方から撮像するためのＺ軸方向（上下方向）移動自在なカメラ、１３はカメラのレンズ、１４はＸ−Ｙテーブル１１とカメラ１２を任意の位置に移動するためのＸＹＺ軸駆動機構、１５はＸＹＺ軸駆動機構１４の移動制御を行なうＸＹＺ位置制御部、１６はカメラ１２で撮像した画像を取り込んでボール５の圧着厚ｔを画像処理によって計測する画像処理部、１７は撮像画像や処理データなどを表示するためのモニタ、１８は装置全体の処理動作を制御する制御部である。
【００２３】
半導体チップ２を搭載したリードフレーム１はＸ−Ｙテーブル１１上に載置されており、半導体チップ２のパッド３にはボンディングワイヤ４の先端に形成されたボール５がキャピラリ６（図２参照）によって圧着接合されている。
【００２４】
上記構成の測定装置において、本発明によるボール圧着厚の測定方法について具体的に説明する。なお、本発明方法は、パッド３の合焦点高さと、ボール圧着面９（図２参照）の合焦点高さとをそれぞれ画像処理によって自動的に求め、得られた両者の合焦点高さの差からボール５の圧着厚ｔ（図２参照）を求めるものである。
【００２５】
そこで、まず最初に、パッド３の合焦点高さを求める処理について、図３のフローチャートと図４の撮像画像を参照して説明する。
【００２６】
処理が開始されると、ＸＹＺ位置制御部１５は、制御回路１８の制御の下、ＸＹＺ軸駆動機構１４を駆動制御し、カメラ１２を予め設定された測定範囲の最大高さ位置（あるいは最低高さ位置）に移動し（図３のステップＳ１，Ｓ２）、当該位置において図４に示したようなパッド３とボール５の接合部分の平面画像を撮像し（ステップＳ３）、画像処理部１６に送る。
【００２７】
画像処理部１６は、送られてきた撮像画像を取り込み（ステップＳ４）、該撮像画像中のパッド３の縦横の幅を画像処理によって検出し（ステップＳ５）、該パッド幅が基準サイズ範囲内に入っているか否かを判定する（ステップＳ６）。
【００２８】
もし、基準のサイズ範囲内に入っていない場合には（ステップＳ６のＮｏ側）、正常な測定ができないと判定してステップＳ１０へジャンプし、設定された全測定範囲について測定が終わったか否かを判定する。そして、測定が終わっていない場合には（ステップ１０のＮｏ側）、再びステップＳ２に戻り、予め定めた所定のステップ間隔（例えば１μｍ間隔）でカメラ１２とを次の高さ位置へ移動させ、上記動作を繰り返す。
【００２９】
一方、基準サイズ範囲内に入っている場合には（ステップＳ６のＹｅｓ側）、正常な測定が可能であると判定してステップＳ７〜Ｓ９へ処理が移行し、当該撮像画像中のパッド３の輝度レベルを算出する。
【００３０】
このパッド３の輝度レベルの算出は、図４に示すような方法で行なわれる。
すなわち、撮像画像中のパッド３のエッジ３ａを検出し（ステップＳ７）、このエッジ３ａの例えばコーナー付近の８個所に、エッジ３ａをまたぐようにして所定の大きさからなる輝度検出窓Ｗ１〜Ｗ８をそれぞれ設定する（ステップＳ８）。
【００３１】
図示例の場合、この輝度検出窓Ｗ１〜Ｗ８の大きさは、図４中の右側最上段位置に輝度検出窓Ｗ１について例示したように、エッジ３ａと平行な向きに４画素幅、エッジ３ａと直交する向きに８画素幅の４行×８列（計３２画素）からなる輝度検出窓とした。
【００３２】
上記８個の輝度検出窓Ｗ１〜Ｗ８を設定したら、各輝度検出窓Ｗ１〜Ｗ８のそれぞれについて、エッジ３ａと平行な方向にその輝度値を加算して平均化し、この平均輝度値について隣り合う輝度値同士の差分を求め、得られた差分値中から最も値の大きな最大差分輝度値を抽出する。そして、各輝度検出窓Ｗ１〜Ｗ８でそれぞれ得られた最大差分輝度値を加算し、この加算値を当該撮像画像におけるパッド３の輝度レベルとする（ステップＳ９）。
【００３３】
なお、輝度検出窓を１個しか設定しなかった場合には、当該輝度検出窓内の前記最大差分輝度値をそのまま当該撮像画像におけるパッド３の輝度レベルとすればよい。
【００３４】
理解を容易とするため、図４中の輝度検出窓Ｗ１について具体的に説明する。
いま、４行×８列（計３２画素）からなる輝度検出窓Ｗ１の各画素の輝度値が図４中の右側最上段の表に示すような値だったとすると、まず最初に、エッジ３ａと平行な方向に各列の輝度値を加算した後、各列毎にその平均値を求める。
【００３５】
次いで、この得られた８個の平均輝度値について、隣り合う平均輝度値同士の差分を算出する。このようにして得られた差分輝度値中において、値が最大となる差分輝度値（図４では、３５．３）を輝度検出窓Ｗ１の最大差分輝度値として決定する。
【００３６】
なお、実際の測定においては、エッジ３ａが画素と画素のちょうど境目ではなく画素の真上を通る場合もある。このような場合には、エッジ３ａと重なる画素の輝度値は実際よりも小さくなり、差分値も実際よりも小さくなる可能性がある。
【００３７】
したがって、上記のようにして得られた最大差分輝度値３５．３をそのまま当該輝度検出窓Ｗ１の最大差分輝度値として採用してもよいが、より好ましくは、その左右の差分輝度値２．３と２１．８を用いて２次関数近似によりピーク値補正を行ない、この補正後のピーク値を当該輝度検出窓の最大差分輝度値として採用することが望ましい。参考のため、図４中に左右の差分輝度値２．３と２１．８を用いて２次関数近似によりピーク値補正した値（３７．２９）も示した。
【００３８】
上記のようにして８個所の輝度検出窓Ｗ１〜Ｗ８のそれぞれについて最大差分輝度値が得られたら、該得られた８個の最大差分輝度値を加算し、この加算値を当該撮像画像におけるパッド３の輝度レベルとして決定する（ステップ９）。
【００３９】
撮像画像におけるパッド３の輝度レベルが得られたら、ステップ１０において全測定範囲について輝度レベルの測定が終わっているか否かを判定する。終わっていない場合（ステップＳ１０のＮｏ側）には、再びステップＳ２に戻り、予め定めた所定のステップ間隔（例えば１μｍ間隔）でカメラ１２を次の位置へ移動させて撮像を繰り返し、各撮像画像における前記パッド３の輝度レベルの測定動作を繰り返す。
【００４０】
上記のようにして、予め定めた測定範囲の全範囲の撮像画像におけるパッド３の輝度レベルの測定が完了したら（ステップＳ１０のＹｅｓ側）、処理はステップＳ１１に移行する。
【００４１】
そして、撮像したすべての撮像画像中から前記算出されたパッド３の輝度レベルが最も大きな撮像画像を選択し、この選択した撮像画像の撮像高さ位置をカメラ２の焦点が最も合っている位置、すなわちパッド３の合焦点高さとして決定する。
【００４２】
ところで、上記各撮像画像は予め定められたステップ間隔（例えば１μｍ間隔）で順次撮像されるため、パッド３の正確な合焦点高さがカメラ１２で実際に撮像していないステップ中間位置に存在する場合もあり得る。また、上記のようにして算出された各撮像画像におけるパッド３の輝度レベルには測定誤差も含まれている。
【００４３】
したがって、パッド３の輝度レベルが最も大きな撮像画像の撮像高さ位置をパッド３の合焦点高さとしてそのまま採用してもよいが、より好ましくは、測定された各撮像画像におけるパッド３の輝度レベルデータを用いて合焦点高さの２次関数近似を行ない、得られた近似曲線中のピーク位置をパッド３のより正確な合焦点高さとして採用することが望ましい。
【００４４】
図５に、上記２次関数近似によるピーク位置の算出例を示す。
この図５は、基準面を中心として上下方向±３０μｍの高さ範囲をピッチ１μｍ間隔で順次撮像した６１枚の撮像画像についてのパッド３の輝度レベルデータをプロットしたものである。
【００４５】
図示するように、算出されたパッド３の輝度レベルデータには測定誤差などによる凹凸があり、単純に最大の輝度レベル位置をパッド３の合焦点高さとすることは難しいことが分かる。そこで、測定された輝度レベルデータ中から連続したｎ点のデータを用いて２次曲線近似を行ない、得られた近似曲線のピーク位置をパッド３の本当の合焦点高さとして決定すれば、より合理的であることが分かる。
【００４６】
例えば、図５において、−３０〜−１０μｍの範囲のｎ＝２１点のデータを用いて２次曲線近似を行なうと、図中の近似曲線Ａのようになり、−１０〜＋１０μｍの範囲のｎ＝２１点のデータを用いて２次曲線近似を行なうと、図中の近似曲線Ｂのようになり、＋１０〜＋３０μｍの範囲のｎ＝２１点のデータを用いて２次曲線近似を行なうと、図中の近似曲線Ｃのようになる。
【００４７】
この３つの近似曲線Ａ、Ｂ、Ｃを見れば明らかなように、２次曲線近似に用いるデータによってその結果が大きく変わり、ピーク点が含まれると予測される範囲の輝度レベルデータ、すなわち−１０〜＋１０μｍの範囲の輝度レベルデータを用いて２次曲線近似すれば、合焦点高さを正確に近似できることが分かる。
【００４８】
そこで、本発明では、上記最適な２次曲線近似を実現するために、２次曲線近似に用いるデータ範囲を順次シフトさせながらそれぞれのデータ範囲において２次近似曲線ｙ＝ａｘ２＋ｂｘ＋ｃを算出し、得られた各２次近似曲線ｙ中においてその２次係数ａが最小となる近似曲線をパッド２の合焦点高さを算出するための近似曲線として採用するようにした。図５の例の場合、近似曲線Ａの２次係数ａ＝０．１８０６、近似曲線Ｂの２次係数ａ＝−１．０８８５、近似曲線Ｃの２次係数ａ＝０．０４６であるから、合焦点高さを算出するための２次近似曲線としては２次係数ａが最も小さな値（ａ＝−１．０８８５）となる近似曲線Ｂを選択する。
【００４９】
上記のようにして選択された近似曲線Ｂからピーク点位置を求めるには、ピーク位置の存在する近似曲線は常に上に凸の２次曲線となることに着目し、この上に凸の近似曲線Ｂ上の傾き（いわゆる１次微分）が０となる位置、すなわちｘ＝−ｂ／２ａの位置をピーク点位置とすればよい。図５の例の場合、得られた近似曲線Ｂは、ｙ＝−1.0885ｘ２＋0.5114ｘ＋249.89であるから、ｘ＝−ｂ／２ａ≒０．２３５となり、パッド３の基準面からの合焦点高さは０．２３５μｍとして求まる。
【００５０】
上記のようにして、ステップ１１においてパッド３の合焦点高さが得られたら、当該得られた合焦点高さが本当に正しいものと認められるか否かのチェックを行なう（ステップＳ１２，Ｓ１３）。すなわち、ピーク値を有する２次曲線は上に凸の２次曲線であるため、得られた近似曲線ｙ＝ａｘ２＋ｂｘ＋ｃにおける２次係数ａは負の値となり、正の値となることはない。また、パッド３の合焦点高さも設計上許容される範囲があり、得られた合焦点高さはこの許容範囲内に入っている必要がある。ステップＳ１２，Ｓ１３では、この２次係数ａの正負や許容範囲内に入っているか否かなどを調べ、得られたパッド３の合焦点高さが正しいものと認められるか否かを判定する。
【００５１】
正しいものと認められる場合には（ステップＳ１３のＹｅｓ側）、一連の処理を終了する。一方、正しいものと認められない場合には（ステップＳ１３のＮｏ側）、測定結果は採用できないものとして合焦点高さの測定範囲を設定し直した後（ステップＳ１４）、再びステップＳ２に戻って上記パッド３の合焦点高さの測定処理を繰り返す。
【００５２】
このようにして、パッド３の合焦点高さを画像処理によって自動的に求めることができる。
【００５３】
なお、パッド３の合焦点高さの測定に際し、輝度検出窓Ｗ１〜Ｗ８をパッド３のエッジ３ａをまたぐように設定し、この輝度検出窓内における隣合う画素同士の輝度差を利用したのは、以下のような理由によるものである。
【００５４】
一般的に、パッド３のエッジ付近はエッジ３ａを境にしてその左右で輝度が急激に変化するが、この輝度の変わり具合は撮像画像のピントが合っているか否かによって大きく変わる。すなわち、ピントが合っていれば、撮像画像が鮮明になるのでエッジ３ａを境にして左右の輝度差は大きくなり、ピントが合っていなければ、撮像画像がぼやけるのでエッジ３ａの左右の輝度差は小さくなる。
【００５５】
このため、エッジ３ａをまたぐようにして設定した輝度検出窓内における隣り合う画素同士の輝度値の差分をとれば、その差の大きさによって撮像画像のピントがどの程度合っているか否かを客観的に知ることができる。
【００５６】
したがって、上下方向に所定のステップ間隔（例えば１μｍ間隔）で順次撮像した各撮像画像について、前記パッド３の輝度レベルを算出して比較すれば、その輝度レベルの大小からピントの合っている撮像画像がどれであるかを客観的かつ正確に決定できるからである。
【００５７】
次に、ボール圧着面９の合焦点高さを求める処理について、図６のフローチャートと図７の撮像画像を参照して説明する。
【００５８】
処理が開始されると、ＸＹＺ位置制御部１５は、制御回路１８の制御の下、ＸＹＺ軸駆動機構１４を駆動制御し、カメラ１２を予め設定された測定範囲の最大高さ位置（あるいは最小高さ位置）に移動し（図６のステップＳ２１，Ｓ２２）、当該位置において図７に示すようなパッド３とボール５の接合部分の平面画像を撮像し（ステップＳ２３）、画像処理部１６に送る。
【００５９】
画像処理部１６は、送られてきた撮像画像を取り込み（ステップＳ２４）、当該撮像画像におけるボール圧着面５の輝度レベルを算出する（ステップＳ２５〜Ｓ２７）。
【００６０】
このボール圧着面９の輝度レベルの算出は、図７に示すような方法で行なわれる。
すなわち、まず最初に、取り込んだ撮像画像中からボール５の中心点Ｏ、ボール５の外径線（エッジ）５ａ、コーン部８の外径線８ａを検出し、ボール５の外径線５ａとコーン部８の外径線８ａで囲まれた領域、いわゆるボール圧着面９を検出する（ステップＳ２５）。
【００６１】
次いで、ボール圧着面９に位置して、ボール５の半径方向に沿わせて所定大きさからなる輝度検出窓Ｗを設定する（ステップ２６）。
【００６２】
図示例の場合、図７中の右側最上段位置に輝度検出窓Ｗとして例示したように、ボール５の半径方向と直交する向きに４画素幅、半径方向に沿う向きに８画素幅の４行×８列（計３２画素）からなる輝度検出窓とした。
【００６３】
上記輝度検出窓Ｗを、ボール５の中心点Ｏを回転中心としてその周りに所定の回転ステップ角θで順次回転させながら、各回転ステップ位置において、そのときの輝度検出窓Ｗ内の隣り合う画素同士の差分輝度値を算出する。そして、輝度検出窓内の差分輝度値を加算し、得られた差分輝度値の加算値を当該回転ステップ位置におけるボール圧着面９の差分輝度値とする。
【００６４】
上記ボール圧着面９の差分輝度値を各回転ステップ位置についてそれぞれ求め、各回転ステップ位置で得られたボール圧着面９の差分輝度値を加算し、得られた差分輝度値の加算値を当該撮像画像におけるボール圧着面９の輝度レベルとして決定する。
【００６５】
理解を容易とするため、図７を参照して上記処理を具体的に説明する。
いま、図示の右水平方向の回転ステップ位置における４行×８列（計３２画素）からなる輝度検出窓Ｗの各画素の輝度値が図７中の右側最上段の表に示すような値だったとすると、ボール５の半径方向に沿って隣り合う画素同士の差分演算を行ない、その差分輝度値（絶対値）を求める。
【００６６】
次いで、得られた２８個の差分輝度値を加算し、その加算値３５０を図示の回転ステップ位置におけるボール圧着面９の差分輝度値とする。
【００６７】
上記したボール圧着面９の差分輝度値を各回転ステップ位置毎にそれぞれ求め、各回転ステップ位置についてボール圧着面９の差分輝度値がそれぞれ得られたら、該得られた各回転ステップ位置におけるボール圧着面９の差分輝度値を加算し、この加算された差分輝度値を当該撮像画像におけるボール圧着面９の輝度レベルとして決定する。
【００６８】
上記のようにして１つの撮像画像についてボール圧着面９の輝度レベルが得られたら（ステップＳ２７）、全測定範囲について輝度レベルの測定が終わったか否かを判定し（ステップＳ２８）、終わっていない場合には再びステップＳ２２に戻り（ステップＳ８のＮｏ側）、予め定めた所定のステップ間隔（例えば１μｍ間隔）でカメラ１２を次の測定位置へ移動させ、該位置において上記ボール圧着面９の輝度レベルの算出処理を繰り返す。
【００６９】
そして、測定範囲内のすべてのステップ位置における撮像画像について上記ボール圧着面９の輝度レベルの測定が完了したら（ステップＳ２８のＹｅｓ側）、処理はステップＳ２９へ移行し、当該半導体チップ２におけるボール圧着面９の合焦点高さを決定する。
【００７０】
ボール圧着面９の合焦点高さは、所定のステップ間隔で撮像したすべての撮像画像中から前記算出したボール圧着面９の輝度レベルが最も大きな撮像画像を選択し、この選択した撮像画像の撮像高さ位置をカメラ２の焦点が最も合っている位置、すなわちボール圧着面９の合焦点高さとして決定すればよい。
【００７１】
しかしながら、このボール圧着面９の合焦点高さについても、前述したパッド３の合焦点高さの決定時と同じように、各撮像画像は予め定められたステップ間隔（例えば１μｍ間隔）で順次撮像されるため、ボール圧着面９の正確な合焦点高さがカメラ１２で実際に撮像していないステップ中間位置に存在する場合もあり得る。
【００７２】
したがって、このボール圧着面９の合焦点高さの決定に際し、上記した輝度レベルが最も大きな撮像画像の撮像高さ位置をボール圧着面９の合焦点高さとしてそのまま採用してもよいが、より好ましくは、前述したパッド３の合焦面高さの決定時と同じように、測定された各撮像画像のボール圧着面９の輝度レベルデータを用いて２次関数近似により合焦点高さのピーク位置を算出し、このピーク位置をボール圧着面９の合焦点高さとして採用することが望ましい。
【００７３】
上記のようにして、ステップ２９においてボール圧着面９の合焦点高さが得られたら、当該得られた合焦点高さが本当に正しいものと認められるか否かのチェックを行なう（ステップＳ３０，Ｓ３１）。前述したように、ピーク値を有する２次曲線は上に凸の２次曲線であるため、得られた近似曲線ｙ＝ａｘ２＋ｂｘ＋ｃにおける２次係数ａは負の値となり、正の値となることはない。また、ボール圧着面９の合焦点高さも設計上許容される範囲があり、得られた合焦点高さはこの許容範囲内に入っている必要がある。ステップＳ３０，Ｓ３１では、この２次係数ａの正負や許容範囲内に入っているか否かなどを調べ、得られたボール圧着面９の合焦点高さが正しいものと認められるか否かを判定する。
【００７４】
正しいものと認められる場合には（ステップＳ３１のＹｅｓ側）、一連の処理を終了する。一方、正しいものと認められない場合には（ステップＳ３１のＮｏ側）、測定結果は採用できないものとして合焦点高さの測定範囲を設定し直した後（ステップＳ３２）、再びステップＳ２２に戻って上記ボール圧着面９の合焦点高さの測定処理を繰り返す。
【００７５】
このようにして、カメラ３で撮像した撮像画像を基にボール圧着面９の合焦点高さを画像処理によって自動的に求めることができる。
【００７６】
なお、ボール圧着面９の合焦点高さの測定に際し、ボール圧着面９の部分に輝度検出窓Ｗを設定し、この輝度検出窓Ｗ内における隣合う画素同士の輝度差を利用したのは、以下のような理由によるものである。
【００７７】
もし、前述したパッド３の合焦点高さの測定のときと同じように、輝度検出窓Ｗをボール５のエッジ部分（外径線５ａ）をまたぐように設定すると、ボールエッジ部分とパッド３との間の輝度差が最大となる高さを求めることになる。このような検出を行なうと、図２からも明らかなように、ボール５のエッジ部分は円弧状の曲面を呈しているために、実際に求めようとするボール圧着面９の平らな部分の高さよりも低い高さがボール圧着面９の合焦点高さとして求められる可能性が高い。また、ボール５のエッジ部分の曲面形状の違いにより検出される高さにバラツキを生じるおそれもある。実際に、ボール５のエッジ部分に輝度検出窓Ｗを設定して測定したところ、ボール圧着面９の平らな部分の高さよりも２μｍ程度低い値となることが確認された。
【００７８】
そこで、本発明では、輝度検出窓Ｗをボール圧着面９の内部側に設定し、この輝度検出窓Ｗ内の隣り合う画素同士の輝度差からボール圧着面９の合焦点高さを求めるようにしたものである。一般的に、ボール圧着面９にピントが合っていればいるほど、ボール圧着面９の表面の細かい模様が明確に見えるようになり、輝度検出窓Ｗ内における隣り合う画素同士の輝度差も大きくなる。したがって、隣り合う画素同士の輝度差を求めてこれを加算し、その加算値を比較すれば、加算値の最も大きな撮像画像の撮像高さ位置が最もピントが合っている位置、すなわちボール圧着面９の合焦点位置であるとして決定することができる。
【００７９】
上記のようにしてパッド３の合焦点高さとボール圧着面９の合焦点高さが得られたら、得られたパッド３の合焦点高さとボール圧着面９の合焦点高さとの差分演算（引き算）を行なう。そして、得られた差分値をボール５の圧着厚ｔ（図２参照）として決定する。
【００８０】
このようにして、上記実施の形態によればワイヤボンディングにおけるボール５の圧着厚ｔを人手を介することなく画像処理によって自動的に測定することができる。
【００８１】
なお、上記実施の形態では、理解を容易とするため、図３および図４によるパッド３の合焦点高さの測定処理と、図６および図７によるボール圧着面９の合焦点高さの測定処理をそれぞれ別々に分けて説明したが、実際の装置では、パッド３の合焦点高さと圧着ボール９の合焦点高さの両方が含まれる上下方向所定範囲を測定範囲として設定し、上下方向各ステップの撮像位置において上記２つの処理を同時並行に行なわせるようにしている。
【００８２】
また、カメラ２の上下方向の送りステップ間隔、パッド３の合焦点高さを求めるための輝度検出窓Ｗ１〜Ｗ８の大きさや設定数、ボール圧着面９の合焦点高さを求めるための輝度検出窓Ｗの大きさや回転ステップ角θは、処理装置１６の処理能力や必要とする測定精度に応じて設定すればよい。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】本発明方法を適用して構成したボール圧着厚測定装置の一実施の形態を示すブロック図である。
【図２】ワイヤボンディングにおける半導体チップのパッドとボールの接合状態の説明図である。
【図３】パッドの合焦点高さを求めるための処理フローチャートである。
【図４】パッドの合焦点高さの測定原理の説明説明図である。
【図５】パッドの合焦点高さの２次曲線近似による決定方法の例を示す図である。
【図６】ボール圧着面の合焦点高さを求めるための処理フローチャートである。
【図７】ボール圧着面の合焦点高さの測定原理の説明図である。
【符号の説明】
【００８４】
１ リードフレーム
２ 半導体チップ
３ パッド
３ａ パッドのエッジ
４ ボンディングワイヤ
５ ボール
５ａ ボールの外径線（エッジ）
６ キャピラリ
７ インサイドチャンファ部
８ コーン部
８ａ コーン部の外径線
９ ボール圧着面
１１ Ｘ−Ｙテーブル
１２ カメラ
１３ レンズ
１４ ＸＹＺ軸駆動機構
１５ ＸＹＺ位置制御部
１６ 画像処理部
１７ モニタ
Ｗ１〜Ｗ８ パッドの合焦点高さ検出用の輝度検出窓
Ｗ ボール圧着面の合焦点高さ検出用の輝度検出窓
ｔ ボールの圧着厚
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体チップのパッドと外部電極間をボールボンディングによって配線するようにしたワイヤボンディングにおいて、半導体チップのパッドに接合されたボールの圧着厚を画像処理を利用して自動的に測定する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
まず最初に、図２を参照して、ワイヤボンディングにおける半導体チップのパッドとボールの接合状態について説明する。
【０００３】
図２において、１はリードフレーム、２はリードフレーム１上に搭載された半導体チップ、３は半導体チップ２上に形成されたパッド（第１ボンディング点）、４は金線などのボンディングワイヤ、５はボンディングワイヤ４の先端に形成されたボールである。
【０００４】
ボンディングワイヤ４の先端に形成されたボール５は、接合前においてはほぼ球形をしており、ワイヤボンディング時にキャピラリ６によって押圧されながら超音波振動を与えられることにより、図示するように平たく押し潰された状態でパッド３に圧着接合されている。
【０００５】
パッド３に圧着接合された上記ボール５の上面中心位置には、キャピラリ６の先端内部に入り込んだインサイドチャンファ部７によって円錐形状をしたコーン部８が形成されるとともに、該コーン部８の周囲には、ほぼ平坦なボール圧着面９が形成されている。
【０００６】
本発明が測定対象とするボールの圧着厚とは、パッド３の表面からボール圧着面９までの高さｔを指すものである。
【０００７】
従来、上記したボールの圧着厚ｔを測定するには、Ｚ軸方向（上下方向）の移動量を計測可能な金属顕微鏡などを用い、測定者が手動でパッド３の表面とボール圧着面９のそれぞれに焦点を合わせ、そのときの２点間の距離を求めることによってボールの圧着厚ｔを測定していた。このような人手による測定方法の場合、パッド３とボール圧着面９に焦点が正確に合っているか否かは測定者によってバラツキがあり、十分な測定精度を得ることが困難であった。
【０００８】
また、他の測定方法として、レーザー光を利用した測定方法もあるが、ボール圧着面９の幅は数ミクロンというきわめて小さな寸法であり、このような微細な個所にスポット的にレーザー光を照射するシステムはかなり高価になってしまうという問題があった。
【０００９】
そこで、上記のような問題をなくすために、カメラのレンズを通して取り込まれたボール５のコーン部８の平面画像と、予め設定した基準となるコーン部のパターン画像とを比較照合し、最も画像が一致する撮像高さ位置を合焦点高さとすることにより、ボール５の圧着厚ｔを測定する方法が提案されている（特許文献１参照）。
【００１０】
【特許文献１】特開平６−２２４２６７号公報（全頁、全図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上記特許文献１に記載の測定方法の場合、コーン部８の形状と大きさは用いるキャピラリ６によって変わるため、キャピラリ６が交換される度に基準となるコーン部８のパターン画像を記憶し直す必要があり、装置の取り扱いが面倒であった。また、基準となるコーン部８のパターン画像を人手によって設定するため、設定に個人差があり、設定の仕方によっては測定結果が変わってしまう可能性もあった。
【００１２】
本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、ボールの圧着厚を人手を介することなく画像処理を利用して自動的に測定できるようにしたワイヤボンディングにおけるボール圧着厚の測定方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するため、本発明の測定方法は、所定のステップ間隔で撮像手段を上下方向に移動しながら、各ステップ位置においてパッドとボールの接合部分の平面画像を撮像し、各撮像画像におけるパッドのエッジ部分の輝度変化を求め、該輝度変化が最大となる撮像画像の撮像高さ位置をパッドの合焦点高さとするとともに、各撮像画像におけるボール圧着面の輝度変化を求め、該輝度変化が最大となる撮像画像の撮像高さ位置をボール圧着面の合焦点高さとし、該得られたパッドの合焦点高さとボール圧着面の合焦点高さの差分を採ることによってパッドに接合されたボールの圧着厚を算出するようにしたものである。
【００１４】
なお、前記パッドの合焦点高さの検出に際しては、撮像画像上のパッドのエッジ部分に所定大きさからなる輝度検出窓をパッドのエッジをまたぐように設定し、
該輝度検出窓内の各画素についてエッジと直交する向きに隣り合う画素同士の輝度差を求め、該得られた差分輝度値の最大値を当該撮像画像におけるパッドのその撮像高さにおける輝度レベルとし、すべての撮像画像中において前記輝度レベルが最大となる撮像画像の撮像高さ位置をパッドの合焦点高さとすることができる。
【００１５】
また、前記パッドの合焦点高さ検出のための輝度検出窓を複数個設定し、該複数個の輝度検出窓についてそれぞれ輝度レベルを算出し、該得られた複数個の輝度レベルの加算値を当該撮像画像におけるパッドの輝度レベルとすることができる。
【００１６】
また、前記パッドの合焦点高さの決定に際しては、各ステップの撮像画像におけるパッドの輝度レベルの算出結果を用いて２次曲線近似を行ない、得られた近似曲線のピーク点位置に対応する撮像高さ位置をパッドの合焦点高さととすれば、さらに好ましい。
【００１７】
また、前記ボール圧着面の合焦点高さの検出に際しては、撮像画像上のボール圧着面部分に所定大きさからなる輝度検出窓をボールの半径方向に向けて設定し、該輝度検出窓内の各画素についてボールの半径方向に沿って隣り合う画素同士の輝度差を求め、該得られた差分輝度値を加算して当該撮像画像におけるボール圧着面のその撮像高さにおける輝度レベルとし、すべての撮像画像中において前記輝度レベルが最大となる撮像画像の撮像高さ位置をボール圧着面の合焦点高さとすることができる。
【００１８】
また、前記ボール圧着面の合焦点高さ検出のための輝度検出窓を所定の回転ステップ角でボール中心点の周りに回転させながら、各回転ステップ位置において輝度検出窓の輝度レベルをそれぞれ算出し、該得られた複数個の輝度レベルの加算値を当該撮像画像におけるボール圧着面の輝度レベルとすることができる。
【００１９】
また、ボール圧着面の合焦点高さの決定に際しては、各撮像画像におけるボール圧着面の輝度レベルの算出結果を用いて２次曲線近似を行ない、得られた近似曲線のピーク点位置に対応する撮像高さ位置をボール圧着面の合焦点高さとすれば、さらに好ましいものとなる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の測定方法によれば、ワイヤボンディングにおけるボールの圧着厚を人手を介することなく画像処理を利用して自動的に測定することができる。このため、従来問題となっていた人的な測定誤差をなくすことができ、きわめて正確な測定を行なうことができる。また、高価なレーザー光システムなどを必要としないので、装置を安価に構築することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明方法を適用して構成したボール圧着厚測定装置の一実施の形態を示すものである。
【００２２】
図において、１１は水平面内で移動自在とされたＸ−Ｙテーブル、１２は半導体チップ２のパッド３とボール５の接合部分を上方から撮像するためのＺ軸方向（上下方向）移動自在なカメラ、１３はカメラのレンズ、１４はＸ−Ｙテーブル１１とカメラ１２を任意の位置に移動するためのＸＹＺ軸駆動機構、１５はＸＹＺ軸駆動機構１４の移動制御を行なうＸＹＺ位置制御部、１６はカメラ１２で撮像した画像を取り込んでボール５の圧着厚ｔを画像処理によって計測する画像処理部、１７は撮像画像や処理データなどを表示するためのモニタ、１８は装置全体の処理動作を制御する制御部である。
【００２３】
半導体チップ２を搭載したリードフレーム１はＸ−Ｙテーブル１１上に載置されており、半導体チップ２のパッド３にはボンディングワイヤ４の先端に形成されたボール５がキャピラリ６（図２参照）によって圧着接合されている。
【００２４】
上記構成の測定装置において、本発明によるボール圧着厚の測定方法について具体的に説明する。なお、本発明方法は、パッド３の合焦点高さと、ボール圧着面９（図２参照）の合焦点高さとをそれぞれ画像処理によって自動的に求め、得られた両者の合焦点高さの差からボール５の圧着厚ｔ（図２参照）を求めるものである。
【００２５】
そこで、まず最初に、パッド３の合焦点高さを求める処理について、図３のフローチャートと図４の撮像画像を参照して説明する。
【００２６】
処理が開始されると、ＸＹＺ位置制御部１５は、制御回路１８の制御の下、ＸＹＺ軸駆動機構１４を駆動制御し、カメラ１２を予め設定された測定範囲の最大高さ位置（あるいは最低高さ位置）に移動し（図３のステップＳ１，Ｓ２）、当該位置において図４に示したようなパッド３とボール５の接合部分の平面画像を撮像し（ステップＳ３）、画像処理部１６に送る。
【００２７】
画像処理部１６は、送られてきた撮像画像を取り込み（ステップＳ４）、該撮像画像中のパッド３の縦横の幅を画像処理によって検出し（ステップＳ５）、該パッド幅が基準サイズ範囲内に入っているか否かを判定する（ステップＳ６）。
【００２８】
もし、基準のサイズ範囲内に入っていない場合には（ステップＳ６のＮｏ側）、正常な測定ができないと判定してステップＳ１０へジャンプし、設定された全測定範囲について測定が終わったか否かを判定する。そして、測定が終わっていない場合には（ステップ１０のＮｏ側）、再びステップＳ２に戻り、予め定めた所定のステップ間隔（例えば１μｍ間隔）でカメラ１２とを次の高さ位置へ移動させ、上記動作を繰り返す。
【００２９】
一方、基準サイズ範囲内に入っている場合には（ステップＳ６のＹｅｓ側）、正常な測定が可能であると判定してステップＳ７〜Ｓ９へ処理が移行し、当該撮像画像中のパッド３の輝度レベルを算出する。
【００３０】
このパッド３の輝度レベルの算出は、図４に示すような方法で行なわれる。
すなわち、撮像画像中のパッド３のエッジ３ａを検出し（ステップＳ７）、このエッジ３ａの例えばコーナー付近の８個所に、エッジ３ａをまたぐようにして所定の大きさからなる輝度検出窓Ｗ１〜Ｗ８をそれぞれ設定する（ステップＳ８）。
【００３１】
図示例の場合、この輝度検出窓Ｗ１〜Ｗ８の大きさは、図４中の右側最上段位置に輝度検出窓Ｗ１について例示したように、エッジ３ａと平行な向きに４画素幅、エッジ３ａと直交する向きに８画素幅の４行×８列（計３２画素）からなる輝度検出窓とした。
【００３２】
上記８個の輝度検出窓Ｗ１〜Ｗ８を設定したら、各輝度検出窓Ｗ１〜Ｗ８のそれぞれについて、エッジ３ａと平行な方向にその輝度値を加算して平均化し、この平均輝度値について隣り合う輝度値同士の差分を求め、得られた差分値中から最も値の大きな最大差分輝度値を抽出する。そして、各輝度検出窓Ｗ１〜Ｗ８でそれぞれ得られた最大差分輝度値を加算し、この加算値を当該撮像画像におけるパッド３の輝度レベルとする（ステップＳ９）。
【００３３】
なお、輝度検出窓を１個しか設定しなかった場合には、当該輝度検出窓内の前記最大差分輝度値をそのまま当該撮像画像におけるパッド３の輝度レベルとすればよい。
【００３４】
理解を容易とするため、図４中の輝度検出窓Ｗ１について具体的に説明する。
いま、４行×８列（計３２画素）からなる輝度検出窓Ｗ１の各画素の輝度値が図４中の右側最上段の表に示すような値だったとすると、まず最初に、エッジ３ａと平行な方向に各列の輝度値を加算した後、各列毎にその平均値を求める。
【００３５】
次いで、この得られた８個の平均輝度値について、隣り合う平均輝度値同士の差分を算出する。このようにして得られた差分輝度値中において、値が最大となる差分輝度値（図４では、３５．３）を輝度検出窓Ｗ１の最大差分輝度値として決定する。
【００３６】
なお、実際の測定においては、エッジ３ａが画素と画素のちょうど境目ではなく画素の真上を通る場合もある。このような場合には、エッジ３ａと重なる画素の輝度値は実際よりも小さくなり、差分値も実際よりも小さくなる可能性がある。
【００３７】
したがって、上記のようにして得られた最大差分輝度値３５．３をそのまま当該輝度検出窓Ｗ１の最大差分輝度値として採用してもよいが、より好ましくは、その左右の差分輝度値２．３と２１．８を用いて２次関数近似によりピーク値補正を行ない、この補正後のピーク値を当該輝度検出窓の最大差分輝度値として採用することが望ましい。参考のため、図４中に左右の差分輝度値２．３と２１．８を用いて２次関数近似によりピーク値補正した値（３７．２９）も示した。
【００３８】
上記のようにして８個所の輝度検出窓Ｗ１〜Ｗ８のそれぞれについて最大差分輝度値が得られたら、該得られた８個の最大差分輝度値を加算し、この加算値を当該撮像画像におけるパッド３の輝度レベルとして決定する（ステップ９）。
【００３９】
撮像画像におけるパッド３の輝度レベルが得られたら、ステップ１０において全測定範囲について輝度レベルの測定が終わっているか否かを判定する。終わっていない場合（ステップＳ１０のＮｏ側）には、再びステップＳ２に戻り、予め定めた所定のステップ間隔（例えば１μｍ間隔）でカメラ１２を次の位置へ移動させて撮像を繰り返し、各撮像画像における前記パッド３の輝度レベルの測定動作を繰り返す。
【００４０】
上記のようにして、予め定めた測定範囲の全範囲の撮像画像におけるパッド３の輝度レベルの測定が完了したら（ステップＳ１０のＹｅｓ側）、処理はステップＳ１１に移行する。
【００４１】
そして、撮像したすべての撮像画像中から前記算出されたパッド３の輝度レベルが最も大きな撮像画像を選択し、この選択した撮像画像の撮像高さ位置をカメラ２の焦点が最も合っている位置、すなわちパッド３の合焦点高さとして決定する。
【００４２】
ところで、上記各撮像画像は予め定められたステップ間隔（例えば１μｍ間隔）で順次撮像されるため、パッド３の正確な合焦点高さがカメラ１２で実際に撮像していないステップ中間位置に存在する場合もあり得る。また、上記のようにして算出された各撮像画像におけるパッド３の輝度レベルには測定誤差も含まれている。
【００４３】
したがって、パッド３の輝度レベルが最も大きな撮像画像の撮像高さ位置をパッド３の合焦点高さとしてそのまま採用してもよいが、より好ましくは、測定された各撮像画像におけるパッド３の輝度レベルデータを用いて合焦点高さの２次関数近似を行ない、得られた近似曲線中のピーク位置をパッド３のより正確な合焦点高さとして採用することが望ましい。
【００４４】
図５に、上記２次関数近似によるピーク位置の算出例を示す。
この図５は、基準面を中心として上下方向±３０μｍの高さ範囲をピッチ１μｍ間隔で順次撮像した６１枚の撮像画像についてのパッド３の輝度レベルデータをプロットしたものである。
【００４５】
図示するように、算出されたパッド３の輝度レベルデータには測定誤差などによる凹凸があり、単純に最大の輝度レベル位置をパッド３の合焦点高さとすることは難しいことが分かる。そこで、測定された輝度レベルデータ中から連続したｎ点のデータを用いて２次曲線近似を行ない、得られた近似曲線のピーク位置をパッド３の本当の合焦点高さとして決定すれば、より合理的であることが分かる。
【００４６】
例えば、図５において、−３０〜−１０μｍの範囲のｎ＝２１点のデータを用いて２次曲線近似を行なうと、図中の近似曲線Ａのようになり、−１０〜＋１０μｍの範囲のｎ＝２１点のデータを用いて２次曲線近似を行なうと、図中の近似曲線Ｂのようになり、＋１０〜＋３０μｍの範囲のｎ＝２１点のデータを用いて２次曲線近似を行なうと、図中の近似曲線Ｃのようになる。
【００４７】
この３つの近似曲線Ａ、Ｂ、Ｃを見れば明らかなように、２次曲線近似に用いるデータによってその結果が大きく変わり、ピーク点が含まれると予測される範囲の輝度レベルデータ、すなわち−１０〜＋１０μｍの範囲の輝度レベルデータを用いて２次曲線近似すれば、合焦点高さを正確に近似できることが分かる。
【００４８】
そこで、本発明では、上記最適な２次曲線近似を実現するために、２次曲線近似に用いるデータ範囲を順次シフトさせながらそれぞれのデータ範囲において２次近似曲線ｙ＝ａｘ２＋ｂｘ＋ｃを算出し、得られた各２次近似曲線ｙ中においてその２次係数ａが最小となる近似曲線をパッド２の合焦点高さを算出するための近似曲線として採用するようにした。図５の例の場合、近似曲線Ａの２次係数ａ＝０．１８０６、近似曲線Ｂの２次係数ａ＝−１．０８８５、近似曲線Ｃの２次係数ａ＝０．０４６であるから、合焦点高さを算出するための２次近似曲線としては２次係数ａが最も小さな値（ａ＝−１．０８８５）となる近似曲線Ｂを選択する。
【００４９】
上記のようにして選択された近似曲線Ｂからピーク点位置を求めるには、ピーク位置の存在する近似曲線は常に上に凸の２次曲線となることに着目し、この上に凸の近似曲線Ｂ上の傾き（いわゆる１次微分）が０となる位置、すなわちｘ＝−ｂ／２ａの位置をピーク点位置とすればよい。図５の例の場合、得られた近似曲線Ｂは、ｙ＝−1.0885ｘ２＋0.5114ｘ＋249.89であるから、ｘ＝−ｂ／２ａ≒０．２３５となり、パッド３の基準面からの合焦点高さは０．２３５μｍとして求まる。
【００５０】
上記のようにして、ステップ１１においてパッド３の合焦点高さが得られたら、当該得られた合焦点高さが本当に正しいものと認められるか否かのチェックを行なう（ステップＳ１２，Ｓ１３）。すなわち、ピーク値を有する２次曲線は上に凸の２次曲線であるため、得られた近似曲線ｙ＝ａｘ２＋ｂｘ＋ｃにおける２次係数ａは負の値となり、正の値となることはない。また、パッド３の合焦点高さも設計上許容される範囲があり、得られた合焦点高さはこの許容範囲内に入っている必要がある。ステップＳ１２，Ｓ１３では、この２次係数ａの正負や許容範囲内に入っているか否かなどを調べ、得られたパッド３の合焦点高さが正しいものと認められるか否かを判定する。
【００５１】
正しいものと認められる場合には（ステップＳ１３のＹｅｓ側）、一連の処理を終了する。一方、正しいものと認められない場合には（ステップＳ１３のＮｏ側）、測定結果は採用できないものとして合焦点高さの測定範囲を設定し直した後（ステップＳ１４）、再びステップＳ２に戻って上記パッド３の合焦点高さの測定処理を繰り返す。
【００５２】
このようにして、パッド３の合焦点高さを画像処理によって自動的に求めることができる。
【００５３】
なお、パッド３の合焦点高さの測定に際し、輝度検出窓Ｗ１〜Ｗ８をパッド３のエッジ３ａをまたぐように設定し、この輝度検出窓内における隣合う画素同士の輝度差を利用したのは、以下のような理由によるものである。
【００５４】
一般的に、パッド３のエッジ付近はエッジ３ａを境にしてその左右で輝度が急激に変化するが、この輝度の変わり具合は撮像画像のピントが合っているか否かによって大きく変わる。すなわち、ピントが合っていれば、撮像画像が鮮明になるのでエッジ３ａを境にして左右の輝度差は大きくなり、ピントが合っていなければ、撮像画像がぼやけるのでエッジ３ａの左右の輝度差は小さくなる。
【００５５】
このため、エッジ３ａをまたぐようにして設定した輝度検出窓内における隣り合う画素同士の輝度値の差分をとれば、その差の大きさによって撮像画像のピントがどの程度合っているか否かを客観的に知ることができる。
【００５６】
したがって、上下方向に所定のステップ間隔（例えば１μｍ間隔）で順次撮像した各撮像画像について、前記パッド３の輝度レベルを算出して比較すれば、その輝度レベルの大小からピントの合っている撮像画像がどれであるかを客観的かつ正確に決定できるからである。
【００５７】
次に、ボール圧着面９の合焦点高さを求める処理について、図６のフローチャートと図７の撮像画像を参照して説明する。
【００５８】
処理が開始されると、ＸＹＺ位置制御部１５は、制御回路１８の制御の下、ＸＹＺ軸駆動機構１４を駆動制御し、カメラ１２を予め設定された測定範囲の最大高さ位置（あるいは最小高さ位置）に移動し（図６のステップＳ２１，Ｓ２２）、当該位置において図７に示すようなパッド３とボール５の接合部分の平面画像を撮像し（ステップＳ２３）、画像処理部１６に送る。
【００５９】
画像処理部１６は、送られてきた撮像画像を取り込み（ステップＳ２４）、当該撮像画像におけるボール圧着面５の輝度レベルを算出する（ステップＳ２５〜Ｓ２７）。
【００６０】
このボール圧着面９の輝度レベルの算出は、図７に示すような方法で行なわれる。
すなわち、まず最初に、取り込んだ撮像画像中からボール５の中心点Ｏ、ボール５の外径線（エッジ）５ａ、コーン部８の外径線８ａを検出し、ボール５の外径線５ａとコーン部８の外径線８ａで囲まれた領域、いわゆるボール圧着面９を検出する（ステップＳ２５）。
【００６１】
次いで、ボール圧着面９に位置して、ボール５の半径方向に沿わせて所定大きさからなる輝度検出窓Ｗを設定する（ステップ２６）。
【００６２】
図示例の場合、図７中の右側最上段位置に輝度検出窓Ｗとして例示したように、ボール５の半径方向と直交する向きに４画素幅、半径方向に沿う向きに８画素幅の４行×８列（計３２画素）からなる輝度検出窓とした。
【００６３】
上記輝度検出窓Ｗを、ボール５の中心点Ｏを回転中心としてその周りに所定の回転ステップ角θで順次回転させながら、各回転ステップ位置において、そのときの輝度検出窓Ｗ内の隣り合う画素同士の差分輝度値を算出する。そして、輝度検出窓内の差分輝度値を加算し、得られた差分輝度値の加算値を当該回転ステップ位置におけるボール圧着面９の差分輝度値とする。
【００６４】
上記ボール圧着面９の差分輝度値を各回転ステップ位置についてそれぞれ求め、各回転ステップ位置で得られたボール圧着面９の差分輝度値を加算し、得られた差分輝度値の加算値を当該撮像画像におけるボール圧着面９の輝度レベルとして決定する。
【００６５】
理解を容易とするため、図７を参照して上記処理を具体的に説明する。
いま、図示の右水平方向の回転ステップ位置における４行×８列（計３２画素）からなる輝度検出窓Ｗの各画素の輝度値が図７中の右側最上段の表に示すような値だったとすると、ボール５の半径方向に沿って隣り合う画素同士の差分演算を行ない、その差分輝度値（絶対値）を求める。
【００６６】
次いで、得られた２８個の差分輝度値を加算し、その加算値３５０を図示の回転ステップ位置におけるボール圧着面９の差分輝度値とする。
【００６７】
上記したボール圧着面９の差分輝度値を各回転ステップ位置毎にそれぞれ求め、各回転ステップ位置についてボール圧着面９の差分輝度値がそれぞれ得られたら、該得られた各回転ステップ位置におけるボール圧着面９の差分輝度値を加算し、この加算された差分輝度値を当該撮像画像におけるボール圧着面９の輝度レベルとして決定する。
【００６８】
上記のようにして１つの撮像画像についてボール圧着面９の輝度レベルが得られたら（ステップＳ２７）、全測定範囲について輝度レベルの測定が終わったか否かを判定し（ステップＳ２８）、終わっていない場合には再びステップＳ２２に戻り（ステップＳ８のＮｏ側）、予め定めた所定のステップ間隔（例えば１μｍ間隔）でカメラ１２を次の測定位置へ移動させ、該位置において上記ボール圧着面９の輝度レベルの算出処理を繰り返す。
【００６９】
そして、測定範囲内のすべてのステップ位置における撮像画像について上記ボール圧着面９の輝度レベルの測定が完了したら（ステップＳ２８のＹｅｓ側）、処理はステップＳ２９へ移行し、当該半導体チップ２におけるボール圧着面９の合焦点高さを決定する。
【００７０】
ボール圧着面９の合焦点高さは、所定のステップ間隔で撮像したすべての撮像画像中から前記算出したボール圧着面９の輝度レベルが最も大きな撮像画像を選択し、この選択した撮像画像の撮像高さ位置をカメラ２の焦点が最も合っている位置、すなわちボール圧着面９の合焦点高さとして決定すればよい。
【００７１】
しかしながら、このボール圧着面９の合焦点高さについても、前述したパッド３の合焦点高さの決定時と同じように、各撮像画像は予め定められたステップ間隔（例えば１μｍ間隔）で順次撮像されるため、ボール圧着面９の正確な合焦点高さがカメラ１２で実際に撮像していないステップ中間位置に存在する場合もあり得る。
【００７２】
したがって、このボール圧着面９の合焦点高さの決定に際し、上記した輝度レベルが最も大きな撮像画像の撮像高さ位置をボール圧着面９の合焦点高さとしてそのまま採用してもよいが、より好ましくは、前述したパッド３の合焦面高さの決定時と同じように、測定された各撮像画像のボール圧着面９の輝度レベルデータを用いて２次関数近似により合焦点高さのピーク位置を算出し、このピーク位置をボール圧着面９の合焦点高さとして採用することが望ましい。
【００７３】
上記のようにして、ステップ２９においてボール圧着面９の合焦点高さが得られたら、当該得られた合焦点高さが本当に正しいものと認められるか否かのチェックを行なう（ステップＳ３０，Ｓ３１）。前述したように、ピーク値を有する２次曲線は上に凸の２次曲線であるため、得られた近似曲線ｙ＝ａｘ２＋ｂｘ＋ｃにおける２次係数ａは負の値となり、正の値となることはない。また、ボール圧着面９の合焦点高さも設計上許容される範囲があり、得られた合焦点高さはこの許容範囲内に入っている必要がある。ステップＳ３０，Ｓ３１では、この２次係数ａの正負や許容範囲内に入っているか否かなどを調べ、得られたボール圧着面９の合焦点高さが正しいものと認められるか否かを判定する。
【００７４】
正しいものと認められる場合には（ステップＳ３１のＹｅｓ側）、一連の処理を終了する。一方、正しいものと認められない場合には（ステップＳ３１のＮｏ側）、測定結果は採用できないものとして合焦点高さの測定範囲を設定し直した後（ステップＳ３２）、再びステップＳ２２に戻って上記ボール圧着面９の合焦点高さの測定処理を繰り返す。
【００７５】
このようにして、カメラ３で撮像した撮像画像を基にボール圧着面９の合焦点高さを画像処理によって自動的に求めることができる。
【００７６】
なお、ボール圧着面９の合焦点高さの測定に際し、ボール圧着面９の部分に輝度検出窓Ｗを設定し、この輝度検出窓Ｗ内における隣合う画素同士の輝度差を利用したのは、以下のような理由によるものである。
【００７７】
もし、前述したパッド３の合焦点高さの測定のときと同じように、輝度検出窓Ｗをボール５のエッジ部分（外径線５ａ）をまたぐように設定すると、ボールエッジ部分とパッド３との間の輝度差が最大となる高さを求めることになる。このような検出を行なうと、図２からも明らかなように、ボール５のエッジ部分は円弧状の曲面を呈しているために、実際に求めようとするボール圧着面９の平らな部分の高さよりも低い高さがボール圧着面９の合焦点高さとして求められる可能性が高い。また、ボール５のエッジ部分の曲面形状の違いにより検出される高さにバラツキを生じるおそれもある。実際に、ボール５のエッジ部分に輝度検出窓Ｗを設定して測定したところ、ボール圧着面９の平らな部分の高さよりも２μｍ程度低い値となることが確認された。
【００７８】
そこで、本発明では、輝度検出窓Ｗをボール圧着面９の内部側に設定し、この輝度検出窓Ｗ内の隣り合う画素同士の輝度差からボール圧着面９の合焦点高さを求めるようにしたものである。一般的に、ボール圧着面９にピントが合っていればいるほど、ボール圧着面９の表面の細かい模様が明確に見えるようになり、輝度検出窓Ｗ内における隣り合う画素同士の輝度差も大きくなる。したがって、隣り合う画素同士の輝度差を求めてこれを加算し、その加算値を比較すれば、加算値の最も大きな撮像画像の撮像高さ位置が最もピントが合っている位置、すなわちボール圧着面９の合焦点位置であるとして決定することができる。
【００７９】
上記のようにしてパッド３の合焦点高さとボール圧着面９の合焦点高さが得られたら、得られたパッド３の合焦点高さとボール圧着面９の合焦点高さとの差分演算（引き算）を行なう。そして、得られた差分値をボール５の圧着厚ｔ（図２参照）として決定する。
【００８０】
このようにして、上記実施の形態によればワイヤボンディングにおけるボール５の圧着厚ｔを人手を介することなく画像処理によって自動的に測定することができる。
【００８１】
なお、上記実施の形態では、理解を容易とするため、図３および図４によるパッド３の合焦点高さの測定処理と、図６および図７によるボール圧着面９の合焦点高さの測定処理をそれぞれ別々に分けて説明したが、実際の装置では、パッド３の合焦点高さと圧着ボール９の合焦点高さの両方が含まれる上下方向所定範囲を測定範囲として設定し、上下方向各ステップの撮像位置において上記２つの処理を同時並行に行なわせるようにしている。
【００８２】
また、カメラ２の上下方向の送りステップ間隔、パッド３の合焦点高さを求めるための輝度検出窓Ｗ１〜Ｗ８の大きさや設定数、ボール圧着面９の合焦点高さを求めるための輝度検出窓Ｗの大きさや回転ステップ角θは、処理装置１６の処理能力や必要とする測定精度に応じて設定すればよい。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】本発明方法を適用して構成したボール圧着厚測定装置の一実施の形態を示すブロック図である。
【図２】ワイヤボンディングにおける半導体チップのパッドとボールの接合状態の説明図である。
【図３】パッドの合焦点高さを求めるための処理フローチャートである。
【図４】パッドの合焦点高さの測定原理の説明説明図である。
【図５】パッドの合焦点高さの２次曲線近似による決定方法の例を示す図である。
【図６】ボール圧着面の合焦点高さを求めるための処理フローチャートである。
【図７】ボール圧着面の合焦点高さの測定原理の説明図である。
【符号の説明】
【００８４】
１ リードフレーム
２ 半導体チップ
３ パッド
３ａ パッドのエッジ
４ ボンディングワイヤ
５ ボール
５ａ ボールの外径線（エッジ）
６ キャピラリ
７ インサイドチャンファ部
８ コーン部
８ａ コーン部の外径線
９ ボール圧着面
１１ Ｘ−Ｙテーブル
１２ カメラ
１３ レンズ
１４ ＸＹＺ軸駆動機構
１５ ＸＹＺ位置制御部
１６ 画像処理部
１７ モニタ
Ｗ１〜Ｗ８ パッドの合焦点高さ検出用の輝度検出窓
Ｗ ボール圧着面の合焦点高さ検出用の輝度検出窓
ｔ ボールの圧着厚
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップのパッドと外部電極との間をボールボンディングによって配線するようにしたワイヤボンディングにおけるボール圧着厚の測定方法であって、
所定のステップ間隔で撮像手段を上下方向に移動しながら、各ステップ位置においてパッドとボールの接合部分の平面画像を撮像し、
各撮像画像におけるパッドのエッジ部分の輝度変化を求め、該輝度変化が最大となる撮像画像の撮像高さ位置をパッドの合焦点高さとするとともに、
各撮像画像におけるボール圧着面の輝度変化を求め、該輝度変化が最大となる撮像画像の撮像高さ位置をボール圧着面の合焦点高さとし、
該得られたパッドの合焦点高さとボール圧着面の合焦点高さの差分を採ることによってパッドに接合されたボールの圧着厚を算出することを特徴とするワイヤボンディングにおけるボール圧着厚の測定方法。
【請求項２】
前記パッドの合焦点高さの検出に際し、撮像画像上のパッドのエッジ部分に所定大きさからなる輝度検出窓をパッドのエッジをまたぐように設定し、
該輝度検出窓内の各画素についてエッジと直交する向きに隣り合う画素同士の輝度差を求め、該得られた差分輝度値の最大値を当該撮像画像におけるパッドのその撮像高さにおける輝度レベルとし、
すべての撮像画像中において前記輝度レベルが最大となる撮像画像の撮像高さ位置をパッドの合焦点高さとすることを特徴とする請求項１記載のワイヤボンディングにおけるボール圧着厚の測定方法。
【請求項３】
前記パッドの合焦点高さ検出のための輝度検出窓を複数個設定し、
該複数個の輝度検出窓についてそれぞれ輝度レベルを算出し、
該得られた複数個の輝度レベルの加算値を当該撮像画像におけるパッドの輝度レベルとすることを特徴とする請求項２記載のワイヤボンディングにおけるボール圧着厚の測定方法。
【請求項４】
前記パッドの合焦点高さの決定に際し、各ステップの撮像画像におけるパッドの輝度レベルの算出結果を用いて２次曲線近似を行ない、
得られた近似曲線のピーク点位置に対応する撮像高さ位置をパッドの合焦点高さとすることを特徴とする請求項２または３記載のワイヤボンディングにおけるボール圧着厚の測定方法。
【請求項５】
前記ボール圧着面の合焦点高さの検出に際し、撮像画像上のボール圧着面部分に所定大きさからなる輝度検出窓をボールの半径方向に向けて設定し、
該輝度検出窓内の各画素についてボールの半径方向に沿って隣り合う画素同士の輝度差を求め、該得られた差分輝度値を加算して当該撮像画像におけるボール圧着面のその撮像高さにおける輝度レベルとし、
すべての撮像画像中において前記輝度レベルが最大となる撮像画像の撮像高さ位置をボール圧着面の合焦点高さとすることを特徴とする請求項１記載のワイヤボンディングにおけるボール圧着厚の測定方法。
【請求項６】
前記ボール圧着面の合焦点高さ検出のための輝度検出窓を所定の回転ステップ角でボール中心点の周りに回転させながら、各回転ステップ位置において輝度検出窓の輝度レベルをそれぞれ算出し、
該得られた複数個の輝度レベルの加算値を当該撮像画像におけるボール圧着面の輝度レベルとすることを特徴とする請求項５記載のワイヤボンディングにおけるボール圧着厚の測定方法。
【請求項７】
前記ボール圧着面の合焦点高さの決定に際し、各撮像画像におけるボール圧着面の輝度レベルの算出結果を用いて２次曲線近似を行ない、
得られた近似曲線のピーク点位置に対応する撮像高さ位置をボール圧着面の合焦点高さとすることを特徴とする請求項５または６記載のワイヤボンディングにおけるボール圧着厚の測定方法。
【請求項１】
半導体チップのパッドと外部電極との間をボールボンディングによって配線するようにしたワイヤボンディングにおけるボール圧着厚の測定方法であって、
所定のステップ間隔で撮像手段を上下方向に移動しながら、各ステップ位置においてパッドとボールの接合部分の平面画像を撮像し、
各撮像画像におけるパッドのエッジ部分の輝度変化を求め、該輝度変化が最大となる撮像画像の撮像高さ位置をパッドの合焦点高さとするとともに、
各撮像画像におけるボール圧着面の輝度変化を求め、該輝度変化が最大となる撮像画像の撮像高さ位置をボール圧着面の合焦点高さとし、
該得られたパッドの合焦点高さとボール圧着面の合焦点高さの差分を採ることによってパッドに接合されたボールの圧着厚を算出することを特徴とするワイヤボンディングにおけるボール圧着厚の測定方法。
【請求項２】
前記パッドの合焦点高さの検出に際し、撮像画像上のパッドのエッジ部分に所定大きさからなる輝度検出窓をパッドのエッジをまたぐように設定し、
該輝度検出窓内の各画素についてエッジと直交する向きに隣り合う画素同士の輝度差を求め、該得られた差分輝度値の最大値を当該撮像画像におけるパッドのその撮像高さにおける輝度レベルとし、
すべての撮像画像中において前記輝度レベルが最大となる撮像画像の撮像高さ位置をパッドの合焦点高さとすることを特徴とする請求項１記載のワイヤボンディングにおけるボール圧着厚の測定方法。
【請求項３】
前記パッドの合焦点高さ検出のための輝度検出窓を複数個設定し、
該複数個の輝度検出窓についてそれぞれ輝度レベルを算出し、
該得られた複数個の輝度レベルの加算値を当該撮像画像におけるパッドの輝度レベルとすることを特徴とする請求項２記載のワイヤボンディングにおけるボール圧着厚の測定方法。
【請求項４】
前記パッドの合焦点高さの決定に際し、各ステップの撮像画像におけるパッドの輝度レベルの算出結果を用いて２次曲線近似を行ない、
得られた近似曲線のピーク点位置に対応する撮像高さ位置をパッドの合焦点高さとすることを特徴とする請求項２または３記載のワイヤボンディングにおけるボール圧着厚の測定方法。
【請求項５】
前記ボール圧着面の合焦点高さの検出に際し、撮像画像上のボール圧着面部分に所定大きさからなる輝度検出窓をボールの半径方向に向けて設定し、
該輝度検出窓内の各画素についてボールの半径方向に沿って隣り合う画素同士の輝度差を求め、該得られた差分輝度値を加算して当該撮像画像におけるボール圧着面のその撮像高さにおける輝度レベルとし、
すべての撮像画像中において前記輝度レベルが最大となる撮像画像の撮像高さ位置をボール圧着面の合焦点高さとすることを特徴とする請求項１記載のワイヤボンディングにおけるボール圧着厚の測定方法。
【請求項６】
前記ボール圧着面の合焦点高さ検出のための輝度検出窓を所定の回転ステップ角でボール中心点の周りに回転させながら、各回転ステップ位置において輝度検出窓の輝度レベルをそれぞれ算出し、
該得られた複数個の輝度レベルの加算値を当該撮像画像におけるボール圧着面の輝度レベルとすることを特徴とする請求項５記載のワイヤボンディングにおけるボール圧着厚の測定方法。
【請求項７】
前記ボール圧着面の合焦点高さの決定に際し、各撮像画像におけるボール圧着面の輝度レベルの算出結果を用いて２次曲線近似を行ない、
得られた近似曲線のピーク点位置に対応する撮像高さ位置をボール圧着面の合焦点高さとすることを特徴とする請求項５または６記載のワイヤボンディングにおけるボール圧着厚の測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００６−７１４５０（Ｐ２００６−７１４５０Ａ）
【公開日】平成１８年３月１６日（２００６．３．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２５５１５０（Ｐ２００４−２５５１５０）
【出願日】平成１６年９月２日（２００４．９．２）
【出願人】（０００１２４９５９）株式会社カイジョー (83)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年３月１６日（２００６．３．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年９月２日（２００４．９．２）
【出願人】（０００１２４９５９）株式会社カイジョー (83)
【Ｆターム（参考）】
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