Shape Recognition of a BGA Ball Using Ring Illumination

Abstract: Shape recognition of solder ball bumps in a BGA (Ball Grid Array) is an important issue in flip chip bonding technology. In particular, the semiconductor industry has required faster and more accurate inspection of micron-size solder bumps in flip chip bonding as the density of balls has increased dramatically. The difficulty of this issue comes from specular reflection on the metal ball. Shape recognition of a metal ball is a very realproblem for computer vision systems. Specular reflection of the metal ball appears, disappears, or changes its image abruptly due to tiny movementson behalf of the viewer. This paper presents a practical shape recognition method for three dimensional (3-D) inspection of a BGA using a 5-step ring illumination device. When the ring light illuminates the balls, distinctive specularity images of the balls, which are referred to as“iso-slope contours” in this paper, are shown. By using a mathematical reflectance model, we can drive the 3-D shape information of the ball in aquantitative manner. The experimental results show the usefulness of the method for industrial application in terms of time and accuracy. Keywords: specular reflection, ring illumination, iso-slope contour, hybrid reflectance model I. 서론 반도체 기술의 눈부신 발전으로 웨이퍼 상의 회로 선의 폭이 45nm급으로 발전함에 따라, 반도체 칩의 크기는 작아지고 기능은 매우 증대 되고 있다. 이러한 추세에 맞추어 반도체 칩도 보다 많은 입출력 단자를 가질 수 있는 ball grid array (BGA) 형식이 많이 등장하였다. BGA 칩 내에는 작게는 100개 많게는 수 백 개의 금속 볼이 존재하며, 이들 중에서 한 개만 불량이 나도 전체를 수리해야 됨으로 볼 하나하나의 검사가 매우 중요하다. 이러한 볼의 크기 및 체적은 향후 이어지는 접합 공정의 품질에 영향을 주는 매우 중요한 요소이다. 다양한 방법으로 볼을 검사하고 있으나, 높은 품질을 얻기 위해서는 볼의 3차원 정보를 검사하는 것이 필수적이다. 그러나 최근들어 볼의 지름이 50μm 정도로 매우 작고, 표면이 경면 반사하고 있어서 물체의 3차원적 높이 정보를 얻기는 매우 어렵다[1]. 그림 1은 검사 대상으로 하는 BGA 금속 볼의 특징을 잘 보여 준다. 그림 1(a)는 불량 볼은 2차원적으로 보면 정상 볼과 별 차이가 없지만, 형상적으로는 좀 크고 표면이 울퉁불퉁하다. 즉, 2차원 영상으로 보면 비슷하지만, 형상은 조금씩 차이가 난다고 할 수 있다. 그림 1(b)는 정상 볼인데, 표면이 경면 반사를 하므로 상부만, 밝게 보이고, 경사면을 따라서 내려가면 주변은 어둡게 보인다. 전체를 잘 보려면 다양한 각도에서의 빛이 필요함을 알 수 있다. 그림 1(c)는 볼의 일부를 1000배로 확대한 현미경 사진인데, 표면이 무수히 작은 빤작이는 알갱이로 이루어져 있음을 알 수 있다. 이처럼 경면반사를 하는 작은 금속 볼의 3차원적 형상을 측정하는 것은 현재 산업계에서도 어렵지만 꼭 해결해야 할 과제 중에 하나이다. 일반적으로 비젼 시스템에서 경면 반사는 까다로운 요소이다. 표면에 입사된 빛을 좁은 폭을 가지고 특정한 방향으로만 반사하는 특징을 갖는 경면 반사 물체의 형상 인식은 는 컴퓨터 비젼에서 어려운 분야 중에 하나이다[2-4]. 수광부 또는 광원부의 미소한 움직임만으로도 경면 반사가 수광부에 나타나기도 하고 사라지기도 할 뿐 아니라 그 형상 또한 갑작스럽게 변하기 때문이다. 이러한 어려움 때문에 기존의 많은 연구들은 경면 반사의 성분을 불필요한 노이즈로 취급하고 제거하고, 나머지 반사되는 빛의 난반사 성분만을 사용하여 물체의 형상을 인식하고자 하였다. E. Coleman 등은 4개의 점 관원을 사용하여 이들 중 영상면에 경면 반사를 유발하는 광원을 색출하여 이를 제외한 다른 3개의 광원에 의한 명암의 정보만을 이용하여 표면의 법선 방향 및 반사 계수를 구하고, 이로부터 구나, 피라미드와 같은 기본적인 물체의 3차원 형상을 복원하였다[5]. 경면 반사 및 난반사의 수학적 모델을 동시에 이용한 3차