CN103210314B

CN103210314B - 接触探针销

Info

Publication number: CN103210314B
Application number: CN201180055264.1A
Authority: CN
Inventors: 平野贵之; 古保里隆
Original assignee: Kobe Steel Ltd; Kobelco Research Institute Inc
Current assignee: Kobe Steel Ltd; Kobelco Research Institute Inc
Priority date: 2010-11-19
Filing date: 2011-11-16
Publication date: 2015-11-25
Anticipated expiration: 2031-11-16
Also published as: TWI451092B; JP2012112680A; JP5798315B2; CN103210314A; MY166379A; SG190056A1; TW201241440A; KR101586886B1; US9625492B2; KR20150004437A; WO2012067161A1; US20130222005A1; KR20130102081A

Abstract

本发明提供一种接触探针销，其对于前端分割的基材，形成兼备导电性和耐久性的碳皮膜，即使在使用环境达到高温这样的状况下，也能够极力减少Sn附着，长期保持稳定的电接触。本发明涉及一种接触探针销，其具有被分割成2相以上的突起的前端，由该突起反复与被测面接触的接触探针销，其中，至少在所述突起的表面，形成含有金属元素的碳皮膜，并且所述突起的顶部的曲率半径为30μm以上。

Description

接触探针销

技术领域

本发明涉及用于检查半导体元件的电特性，前端分割成多个突起的这种形态的接触探针销，特别是涉及导电性不会由于反复检查而劣化这样的耐久性优异的接触探针销。

背景技术

集成电路(IC)、大规模集成电路(LSI)、发光二极管(LED)等的电子零件(即使用了半导体元件的电子零件)，使探针销与半导体元件的电极接触而检测其电特性。这样的检查装置(半导体检查装置)所使用的探针销(接触探针销)，当然要求导电性良好(接触电阻值低)，即使与作为检查对象的电极的面(被测面)反复接触，仍要求有稳定的电阻值(接触电阻值不发生变动)。

接触探针销的接触电阻值，一般来说设定为100mΩ以下的程度。但是，由于与被测面反复进行检查，会从数100mΩ恶化至数Ω。

作为其对策，历来，是进行接触端子的定期性的清理和更换，但这使检查工序的可靠性和设备运转率显著降低，为此研究其他对策。特别是在焊料材料和Sn镀覆电极等中，其具有因柔软而容易被刮削掉并附着在接触端子表面的特性，并且因为表面容易氧化而形成高值电阻，难以一边维持稳定的电阻值一边使之接触。

对于像焊料材料(例如，SnAgCu合金这样的无铅焊料)和Sn镀覆电极等这样，在表面形成电阻高的氧化皮膜的金属，作为接触探针销的形态，有使其前端部的形状更尖锐的倾向，另外基于这一倾向而进行开发。这是由于考虑到，为了高效率地除去接触的对象电极的氧化皮膜而维持良好的接触状态，具有尖锐的前端部有利。另外还认为，在尖锐的形状上即使有电极材料附着(以下，由“Sn附着”代表)，排斥力也容易起作用。

作为这样的技术，例如在专利文献1中提出有一种技术，其是以特殊的制造方法使前端成为锐利的形状，并且利用由含碳的皮膜形成的表面涂层，实现Sn附着的减少和对象电极表面氧化膜的有效率的除去。另外，在专利文献2中提出有一种技术，其是以锐利的前端构造在对象电极的非导电性层上造成切口，防止从对象电极刮削掉的粒子向接触探针销前端的堆积。如此，如果从使接触探针销前端成为锐利的形状，有效率地除去对象电极的氧化皮膜，并且防止从对象电极刮削掉的粒子的堆积这样的观点出发，则这是有用的形态。

作为接触探针销的原材，使用的是在硬度高的钨(W)和铍铜(Be-Cu)等的基材表面镀覆Au和Pd等的材料。但是，在由这些原材构成的接触探针销中，来自焊料材料和Sn镀覆等的原材的电极材料(特别是Sn)容易附着在接触探针销的前端，另外附着的电极材料由于表面氧化等的理由，而有接触探针销的接触电阻值不稳定这样的问题。

作为减少上述这样的Sn附着造成的问题，使接触电阻值稳定化的方法，也提出有在接触探针销的前端部邻域(与电极接触的前端部及其邻域)，被覆碳皮膜的技术(例如，专利文献3～6)。在这些技术中重要的要件是，对于类金刚石(DiamondLikeCarbon：DLC)所代表的碳皮膜，混入钨(W)等的合金元素，成为兼备碳皮膜拥有的对于被测面(对象电极)的低附着性和由混入的金属(或其碳化物)的功效带来的高导电性这样的表面皮膜。

另一方面，作为半导体元件的装配技术，球栅阵列(BallGridArray：BGA)封装普及。在这样的BGA封装中，其电极成为半球状的焊料的形态。另外，在半导体晶片上直接形成焊料的装配方式也增加。对于这些立体的电极，通过具有2个以上的多个突起(特别是3个以上的突起)，可以能够实现稳定的接触。另外，对于像现有的电子零件的电极这样具有平坦的面的，通过具有多个顶点(突起的顶部)，具有的功能是也能够对应位置偏差和意外的微粒卡住等。

先行技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2006-38641号公报

专利文献2：日本特开2010-73698号公报

专利文献3：日本特开平10-226874号公报

专利文献4：日本特开2002-318247号公报

专利文献5：日本特开2003-231203号公报

专利文献6：日本特开2007-24613号公报

在接触探针销的前端邻域被覆碳皮膜的技术，作为减少Sn附着造成的问题，使接触电阻值稳定化的方法，被认为有用。但是，即使在被覆碳皮膜的情况下，在电子零件为高温的条件下，即接触的对象电极为高温这样的条件下，仍有在碳皮膜上发生Sn附着的情况这样的问题。

碳皮膜不与Sn等反应，即使Sn达到高温，在碳皮膜表面也不会形成合金。因此，与现有的Au和Pd合金的接触探针销比较，形成有碳皮膜的接触探针销被认为有Sn难以附着在表面的倾向。另外，附着于碳皮膜的表面的Sn，机械地、化学地除去比较容易，被认为不怎么构成问题。可是，在室温下几乎不会附着的Sn，在90℃和130℃的高温条件下，附着有增加的倾向，Sn附着造成的问题明显化。

Sn和焊料材料，本来在室温也很柔软，形成经接触探针销的接触而被刮削掉并附着在接触探针销上的问题，但是由于达到高温导致硬度进一步降低，这一倾向变高。这被认为是Sn附着进行的理由。根据本发明者们通过实验确认，Sn在室温(25℃)下维氏硬度：8.9Hv，但如果达到85℃，则判明维氏硬度：降低至6.8Hv。还有，Sn膜的硬度，因为不能作为维氏硬度直接地测量，所以上述所示的硬度是换算由纳米压痕法测量的值(维氏硬度：8.9Hv和6.8Hv，相当于由纳米压痕法测量的0.117GPa和0.089GPa)。

发明内容

本发明着眼于上述这样的情况而形成，其目的在于，提供一种接触探针销，其是对于前端分割的基材形成兼备导电性和耐久性的碳皮膜这样的接触探针销，其中，即使在使用环境达到高温这样的状况下，也能够极力减少Sn附着，长期保持稳定的电接触。

本发明提供以下的接触探针销。

(1)一种具有分割成2个以上的突起的前端，由该突起对被测面反复接触的接触探针销，其中，至少在所述突起的表面形成含有金属元素的碳皮膜，并且所述突起的顶部的曲率半径为30μm以上。

还有，上述所谓“曲率半径”，意思是在包含接触探针销的轴心的面(截面)观看时的所述顶部的曲率半径R。另外，关于该突起的形状，不一定非要旋转对称，但若非如此，则由最陡峭的截面的顶部截面的曲率半径R来定义。

另外，上述金属元素以金属单体或碳化物的形态(或混合的状态)在碳皮膜中含有。

(2)根据(1)所述的接触探针销，其中，所述金属元素是从W、Ta、Mo、Nb、Ti和Cr所构成的群中选择的一种以上。

(3)根据(1)所述的接触探针销，其中，所述金属元素的含量为5～30原子％。

(4)根据(2)所述的接触探针销，其中，所述金属元素的含量为5～30原子％。

(5)根据(1)所述的接触探针销，其中，所述碳皮膜的厚度为0.1～5μm。

(6)根据(2)所述的接触探针销，其中，所述碳皮膜的厚度为0.1～5μm。

(7)根据(3)所述的接触探针销，其中，所述碳皮膜的厚度为0.1～5μm。

(8)根据(4)所述的接触探针销，其中，所述碳皮膜的厚度为0.1～5μm。

(9)根据(1)～(8)中任意一项所述的接触探针销，所检查的被测面含有Sn。

还有，本发明的接触探针销的效果，在检查的被测面含有Sn时被特别有效地发挥。

在本发明的接触探针销中，在前端分割成2个以上的突起的表面形成含有金属元素的碳皮膜，并且使所述突起的顶部的曲率半径为30μm以上，因此，即使在使用环境达到高温这样的状况下，也能够极力减少Sn等的附着，可实现能够长期保持稳定的电接触的接触探针销。

附图说明

图1是表示本发明的接触探针销(实施例)的外观形状的一例的概略说明图。

图2是表示使用本发明的接触探针销时的电阻值的变化的图形。

图3是表示使用比较例1的接触探针销时的电阻值的变化的图形。

图4是表示使用比较例2的接触探针销时的电阻值的变化的图形。

图5是表示使用比较例3的接触探针销时的电阻值的变化的图形。

具体实施方式

作为接触探针销的构成，已知是其前端的曲率半径从30μm以上至100μm左右，或具有在此之上的曲率半径，但多是为了专门确保稳定的接触面积而采用的情况，如限于Au电极等这样面向稳定的对象电极，而面向对象电极由焊料材料和Sn等构成的情况则认为不利。另外，曲率半径大的接触探针销，其接触点限于只有一点(即，没有多个突起)，在具有多个突起的接触探针销(其形状一般称为“王冠状”)中，则采用曲率半径小(例如，10～20μm左右，甚至低于10μm)，具有锐利的前端的。

本发明者们，不拘泥于上述这样的既定概念，在前端分割成多个突起的接触探针销中，就能够极力减少在突起的顶部所形成的碳皮膜上的Sn附着的形态，从各种角度进行研究。其结果发现，如果在所述突起的表面，形成含有金属元素的碳皮膜，并且使所述突起的顶部的曲率半径为30μm以上，则能够抑制Sn附着和由此造成的电阻变动，能够实现稳定的接触电阻，从而完成了本发明。

另外，关于前端分割成多个突起的接触探针销，接触的对象电极的形状(例如，半球形)和探针的易加工度的点出发，优选旋转对象，其前端被分割成4～8个左右，但并不限定于此。

在本发明的接触探针销中，通过碳皮膜的形成和曲率半径大的突起形状的组合，即使在高温下容易发生Sn附着的状况下，也能够一边稳定地减少Sn附着，并且高效率地除去Sn系电极的表面氧化皮膜，一边持续地实现稳定的接触。

关于本发明有效的理由，即曲率半径和Sn附着减少的机理尚不清楚，但能够以如下方式进行考虑。在代表性的王冠形状的接触探针销中，对于焊料材料和Sn，大多形成深度5～20μm左右的接触痕。即，在前端的曲率半径为10μm左右的代表性的王冠形状的接触探针销中，有发生比曲率半径大的接触痕的情况，以比探针的平坦部和缓和的倾斜部分更接近垂直的斜面与对象材料反复接触。

在这样的地方，形成对象电极对于膜面沿横向强烈刮擦这样的接触，由于膜面的一点点凹凸(来自基材)Sn就会被刮削掉，认为转印的可能性高。另外，在锐利的形状的探针中，基材的机械的切削加工和形成其上的薄膜(Ni和Au，也包括碳皮膜)时，与平坦部的条件不同，存在因切削痕和膜质的变化等造成轻微的凹凸增加的可能性，认为会发生Sn附着增加。

相对于此，如本发明的接触探针销，通过使突起的顶部的曲率半径为30μm以上，接触的面成为接近45°以下的平面的角度，这能够认为可抑制Sn的附着。另外，含有金属元素的碳皮膜，其本身是高硬度、耐久性高的材料，但是通过增大突起的顶部的曲率半径，还发挥出能够防止衬底金属基材和金属膜的塑性变形，能够发挥更高的耐久性这样的效果。

根据本发明者们的研究可知，碳皮膜和对象电极的相接触的面的角度(以下，称为“接触角度”)，对于原本(塑性变形前)的对象电极为大概45°以下的角度，这在减少Sn附着上很重要。因此，角度越陡峭，即便是碳皮膜Sn附着也越容易发生。另一方面，在接触探针销中，接触时一般施加数克～数十克左右的载荷，更具体地说是施加5～50g左右的载荷，但是对应这时的对象电极原材的硬度，电极发生变形而决定最终接触的角度。本发明者们，在一边施加5～40g左右的载荷一边改变所述曲率半径的情况下，用几何学求得最大的接触角度。这时，在作为代表性的无铅焊料材料的SnAg_3.0Cu_0.5的情况下，接触的接触探针销的前端(顶部)和对象电极的接触面积约为2000～3000μm²左右(其中，温度85℃)，在这样的条件下，判明所述顶部的曲率半径大概30μm，接触角度为45°以下。

在本发明的接触探针销中，至少突起的顶部的曲率半径，根据与上述这样的接触角度的关系，需要为30μm以上，但优选为50μm以上。另外，曲率半径大时，本发明的效果虽然也得以发挥，但如果从对象电极的氧化皮膜除去的观点出发，则优选曲率半径为100μm以下。但是，该曲率半径至少突起的顶部满足这一要件即可，关于突起的顶部以外的部分，也可以是没有曲率半径的锥状(在包含接触探针销的轴心的面(截面)观看时呈直线状)。

本发明的接触探针销，通过在基材的表面(前端附近的表面)，形成含有金属元素的碳皮膜而构成，但作为使用的基材，例如能够适用铍合金(Be-Cu)、碳工具钢的任意一种构成的。但是，并不限定于此。另外还已知，在基材上其表面与电极的接触部分，形成有Au和Pd、Au合金或Pd合金等的贵金属，但中本发明所使用的基材，其任意一种都能够适用。或者，基材本身也可以由Au和Pd、Au合金或Pd合金等构成。

因为碳皮膜对于上述各种基材反应性低，而且坚硬，内部应力也大，所以在基材上稳定形成困难。由此，为了提高基材与碳皮膜的密接性，已知有效的是使含有Cr和W的层介于两者之间，此外根据需要设置其倾斜组成层，但也能够采用这样的构成。为了进一步改善该含有Cr和W的层与基材表面的密接性，作为上述这样的含有Cr和W的层的衬底层，优选通过进一步使Ni或Ni合金所构成层介入，能够使碳皮膜稳定地密接在由Au和Pd等构成的基材表面上。

作为在接触探针销的基材表面形成碳皮膜的方法，能够应用CVD法(化学蒸镀法)和溅射法等。其中在CVD法中，由于作为原料气体使用含有氢的，所以在碳皮膜中含有氢，碳皮膜只能形成得低。相对于此，在应用溅射法时，能够形成良好的特性的碳皮膜，因此优选。

碳皮膜中含有的金属，在作为容易形成碳化物的金属时，在碳皮膜中均匀地分散，保持非晶质而均匀的状态。从这一观点出发，作为碳皮膜中含有的金属，可列举钨(W)、钽(Ta)、钼(Mo)、铌(Nb)、钛(Ti)、铬(Cr)等，能够使这些金属的一种以上。其中，如果考虑碳化物的稳定性和能够廉价获取，则最优选钨。

碳皮膜中含有的金属从其制造原理来看，为金属单体或碳化物的形态(或混合的状态)，由其含量决定碳皮膜的电阻值。在本发明的接触探针销所形成的碳皮膜，发挥上述这样的特性，其值要求满足检查时所要求的接触电阻值和硬度。而且，从满足上述这样的特性这一观点来看，接触探针销的前端的碳膜中的金属元素的含量优选为5～30原子％左右，更优选为10～20原子％。

在本发明的接触探针销中，若碳皮膜的厚度过薄，则形成碳皮膜的效果有可能无法发挥，因此优选为0.1μm以上。但是，若碳皮膜的厚度过厚，则电阻值有可能变高，因此优选为5μm以下。碳皮膜的厚度更优选为0.2μm以上，更优选为2μm以下。

由本发明的接触探针销进行检查的被测面(对象电极)，通常使用的是焊料，其基本上含有Sn，该Sn特别容易附着在接触探针销的表面。因此，被测面由Sn或Sn合金构成时，若应用本发明的接触探针销，则其效果会特别有效地发挥。还有，并不特别限定为Sn合金，能够使用SnAg_3.0Cu_0.5等的惯用的Sn合金。

以下，列举实施例更具体地说明本发明，但本发明当然不受下述实施例限制，在能够符合前、后述的宗旨的范围内当然也可以适当加以变更实施，这些均包含在本发明的技术的范围内。

【实施例】

在接触探针销中，如图1(表示外观形状的一例的概略说明图)所示，制作前端被分割成4个突起，突起的顶部的曲率半径为50μm(R＝0.05mm)的弹簧内置探针。前端的总体的直径为0.3mm(300μm)。该接触探针销，其表面被Au镀覆，基材是Be-Cu制(市场销售品)。还有，图1模式化地表示从侧面投影其前端的状态，其形状显示为3个突起。另外利用弹簧的机能，若与对象电极接触并经过规定的点击进行按压，则发生30gf的载荷(147N/mm²)。

在磁控管溅射装置中，分别配置碳(石墨)靶、Cr靶和Ni靶，在与其对置的位置，配置接触探针销(基材)。对溅射室进行真空排气至6.7×10^-4Pa以下后，导入Ar气并将压力调整到0.13Pa。对基材外高频电压，实施Ar离子蚀刻后，作为基材的密接层而层叠形成Ni厚度50nm、Cr厚度50nm，再一边交替成膜含Cr和W的碳皮膜，一边成膜使碳皮膜的比率徐徐增加的倾斜组成层的中间层(厚度：100nm)，最后，在最表面的碳皮膜的成膜时，以投入功率密度5.66W/cm²使载有W片的石墨靶进行DC磁控管放电，对于基材外加-100V的偏电压，实施涂敷在到约400nm(0.4μm)的厚度。这时，使碳皮膜的最表面的W的含量调整为5～10原子％。

使用带有所形成的碳皮膜接触探针销(本发明的接触探针销)，对于将SnAg_3.0Cu_0.5的组成的无铅焊料(千住金属制)加工成平板的试料，以130℃的条件进行10万次的接触，观察前端(突起)的Sn附着状况。另外，为了确保电阻值有无稳定性，每次接触实施100mA的通电，求得电阻值的变化(电阻值变动)。但是，电阻的测量100次中进行1次。

这时，为了进行比较而制作如下：(A)在前端的突起部的曲率半径：为10μm的王冠状，以规定的点击使25gf的载荷发生的探针上形成碳皮膜，除此以外均与上述相同的带碳皮膜接触探针销(比较例1)；(B)只是在与比较例1相同的探针上实施镀Au(比较例2)，(C)只是在前端的突起部的曲率半径：80μm的前端突起为单一的形状，以规定的点击使25gf的载荷发生的探针上实施镀Au(比较例3)(基本的形状与图1的相同)。然后对于这些接触探针销，与上述同样，观察接触后的前端的状况，并且调查电阻值有无稳定性。

使用本发明的接触探针销(实施例)时的电阻值的变化(接触次数与电阻值变动的关系)显示在图2中。使用比较例1的接触探针销时的电阻值的变化(接触次数与电阻值变动的关系)显示在图3中。使用比较例2的接触探针销时的电阻值的变化(接触次数与电阻值变动的关系)显示在图4中。使用比较例3的接触探针销时的电阻值的变化(接触次数与电阻值变动的关系)显示在图5中。

由这些结果能够进行如下考察。首先在本发明的接触探针销(实施例)中，即使在进行10万次的接触后，可知仍维持与初期大致等同的电阻值(图2)。比较例1的接触探针销，虽然电阻值的变动小，但可见电阻慢慢增加的倾向(图3)。假如电阻值的变动的允许值为200mΩ，则不用清理等附加的作业，可知本发明的接触探针销可稳定地连接达到9万次以上，比较例1的接触探针销达到2万次左右。

相对于此，没有形成碳皮膜的比较例2、3的接触探针销，接触后早期确认到电阻值的上升(图4、5)。因此，初期至1万次的电阻变迁显示在图4、5中。

另一方面，如果看接触探针销的形状(前端突起部的曲率半径)的效果，则在比较例2和比较例3中，比较例3的一方电阻值的变动大，在现有的镀Au探针中，曲率半径小的一方，可知电阻值为稳定倾向。但是，如果以实施例和比较例1进行比较，则在形成有碳皮膜的接触探针销中，前端突起部的曲率半径的效果显示出与以往相反的倾向，曲率半径大的一方，可知电阻值稳定(图2、3)。

另外在各接触探针销中，关于前端部的状态，能够得到如下结果。首先，在本发明的接触探针销(实施例)中判明，即使进行10万次的接触后，仍保持500μm²以上的有效接触面积(原来的表面露出的状态)。

另外在比较例1的接触探针销中，进行1万次的接触后虽然保持500μm²以上的有效接触面积，但是在进行10万次的接触后，平坦面的大部分成为被附着的Sn化合物覆盖的状态。此外，在比较例2、3的接触探针销中，至1万次的接触，平坦面的大部分就成为被附着的Sn化合物覆盖的状态。

还有，在进行上述这样的评价时，之所以使其基准为500μm²，是由于如果确保500μm²的接触面积，则与金属比较而形成电阻高的碳皮膜时，仍大概将接触部的电阻保持为10mΩ以下的低值。

详细并参照特定的实施方式说明了本申请，但不脱离本发明的精神和范围而能够加以各种变更和修改，对于从业者来说很清楚。

本申请基于2010年11月19日申请的日本专利申请(专利申请2010-259507)，其内容在此参照并援引。

【产业上的可利用性】

本发明的接触探针销，在前端分割成2个以上的突起的表面，形成含有金属元素的碳皮膜，并且使所述突起的顶部的曲率半径为30μm以上，因此即使在使用环境达到高温这样的状况下，也能够极力减少Sn等的附着，能够实现可长期保持稳定的电接触接触探针销。

Claims

1.一种接触探针销，其特征在于，是具有分割成2个以上的突起的前端，由该突起反复与被测面接触的接触探针销，其中，至少在所述突起的表面形成含有金属元素的碳皮膜，并且所述突起的顶部的曲率半径为30μm以上100μm以下。

2.根据权利要求1所述的接触探针销，其中，所述金属元素是从由W、Ta、Mo、Nb、Ti和Cr所构成的群中选择的一种以上的元素。

3.根据权利要求1所述的接触探针销，其中，所述金属元素的含量为5～30原子％。

4.根据权利要求2所述的接触探针销，其中，所述金属元素的含量为5～30原子％。

5.根据权利要求1所述的接触探针销，其中，所述碳皮膜的厚度为0.1～5μm。

6.根据权利要求2所述的接触探针销，其中，所述碳皮膜的厚度为0.1～5μm。

7.根据权利要求3所述的接触探针销，其中，所述碳皮膜的厚度为0.1～5μm。

8.根据权利要求4所述的接触探针销，其中，所述碳皮膜的厚度为0.1～5μm。

9.根据权利要求1～8中任一项所述的接触探针销，其中，所检查的被测面含有Sn。