JP2003057310A

JP2003057310A - 電気的接続検査装置

Info

Publication number: JP2003057310A
Application number: JP2001247959A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Hirano; 貴之平野; Yasushi Goto; 裕史後藤; Yasushi Yoneda; 康司米田; Eiji Iwamura; 栄治岩村; Susumu Takeuchi; 進竹内
Original assignee: Kobe Steel Ltd; Genesis Technology Co Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd; Genesis Technology Co Ltd
Priority date: 2001-08-17
Filing date: 2001-08-17
Publication date: 2003-02-26

Abstract

(57)【要約】【課題】電気抵抗等の電気特性及び内部応力等の物理
性状の適性に伴なう製品機能面の制約や、メッキ法の採
用可否等製造面の制約の観点において使用材料の選択の
自由度を損なうことなく、優れた耐久性を備えた微細構
造を有する電気的接続検査装置を提供すること。【解決手段】複数個の接触端子を有し、検査対象と電
気的に接触して信号を入出力するための電気的接続検査
装置において、前記接触端子の先端部に位置する配線母
材層の表面に、３μ以上の厚さを有し且つ該配線母材層
より高いヤング率を有する被覆層を設けたことを特徴と
する電気的接続検査装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、複数の接触端子を
検査対象となる半導体素子等の電極に押圧接触させて電
気信号を入出力させることによって、これらの電気特性
を検査するための電気的接続検査装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】ＬＳＩの半導体素子は、半導体ウエハ上
に多数個設けられ、それぞれがチップに切り分けられ、
電気製品等各種の利用製品に使用される。通常これらの
半導体チップの表面には、その周囲に沿って多数の電極
が列設されている。こうした半導体を工業的に多数生産
するに際しては、その電気特性を検査するために一般に
プローブカードと呼ばれる接続検査装置が用いられてい
る。

【０００３】このプローブカードは図１に示すように配
線が埋設された樹脂基板からなるカード基板１と、これ
から斜めに突出した金属針からなる接触端子２とで構成
されている。そして、実際の検査に当たっては、接触端
子２のたわみを利用した接触圧により半導体ウエハ４上
の電極５を擦って表面に自然形成した酸化膜を除去する
ことで電気的接触を図ることによって行なわれる。又、
チップに切り分けられた素子を実装する前に、それらの
検査を行なう場合にも、同様の多数の接触端子を有する
コンタクタ（あるいはソケット）と呼ばれる接続検査装
置が用いられ、同様にして素子に接触端子をコンタクタ
接触させることで電気特性を検査することができるよう
に構成されている。なお、表示装置等の各種電子デバイ
スの電気特性の検査にも一般にプローブと呼ばれる接続
検査装置が使用されている。

【０００４】近年、半導体素子の微細化に伴ない、その
電気的な検査を行なうための接続素子も微細化されたも
のが提案されている。例えば特開平７−２８３２８０号
公報ではフォトリソグラフィ技術をベースとしてシリコ
ンの異方性エッチングの鋳型を利用して接触端子を形成
し、その中に硬質なメッキ材料を、最表面には導電層を
形成したプローブカードが提案されている。又、特開平
９−１５９６９６号公報にはフォトリソグラフィを用い
て配線部分を形成、これを接続端子として利用するもの
も提案されている。

【０００５】しかしながら、このような従来の微細化さ
れた接続検査装置では、元々全体が微細であるがために
その接触端子の先端部も微細になってしまうことから、
強度が低く、摩耗や異物による破損を起こし易くなりそ
の耐久性が低いという欠点がある。又、一方でこのよう
な装置に用いられる配線は当然ながら電気抵抗が低いも
のが要求されるが、上記装置の微細化対応により配線そ
のものも微細となるため逆に配線の電気抵抗が増大する
問題を抱えることになる。これに対処するには配線部の
材料と厚さ、形成方法等ついて一定の制約を受けてしま
い好ましくない。配線部は、一般的には電気メッキによ
り金やニッケル、銅の合金等で形成されることが多い
が、上記電気的制約のために材料選択の面で自由度が狭
く、特に強度の高い材料を適用することが難しい。しか
も、仮に高強度で低電気抵抗の材料が選択できたとして
も、これらの材料は内部応力が高いため、十分に厚い膜
を形成することが困難となり、やはり接続素子として十
分な機能を果たせないことになる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述した問
題点を一挙に解消し、電気抵抗等の電気特性及び内部応
力等の物理性状の適性に伴なう製品機能面の制約や、メ
ッキ法の採用可否等製造面の制約の観点において使用材
料の選択の自由度を損なうことなく、優れた耐久性を備
えた微細構造を有する電気的接続検査装置を提供するこ
とを、その解決課題としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】そして、本発明者等は上
記本発明の課題解決を目指して鋭意実験・研究を行なっ
たところ、特に工業的に有利な技術的解決策として本発
明を完成するに至ったものである。

【０００８】すなわち、先ず、請求項１の発明は、複数
個の接触端子を有し、検査対象と電気的に接触して信号
を入出力するための電気的接続検査装置において、前記
接触端子の先端部に位置する配線母材層の表面に、３μ
以上の厚さを有し且つ該配線母材層より高いヤング率を
有する被覆層を設けたことを特徴とする電気的接続検査
装置を提案するものである。

【０００９】又、請求項２の発明は、前記被覆層のヤン
グ率が１５０ＧＰａ以上であることを特徴とする請求項
１に記載の電気的接続検査装置を提案するものである。

【００１０】次に、請求項３の発明は、前記接触端子の
先端部が錐形状若しくは錐台形状を有していることを特
徴とする請求項１又は２に記載の電気的接続検査装置を
提案するものである。

【００１１】そして、請求項４の発明は、前記接触端子
の先端部が四角錐台形状を有していることを特徴とする
請求項３に記載の電気的接続検査装置を提案するもので
ある。

【００１２】更に、請求項５の発明は、前記電気的接続
検査装置がプローブ若しくはプローブカードであること
を特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の電気的
接続検査装置を提案するものである。

【００１３】加えて、請求項６の発明は、前記電気的接
続検査装置がソケット若しくはコンタクタであることを
特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の電気的接
続検査装置を提案するものである。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明をその実施形態に基
づいて詳述して行く。図２は本発明に係る接続検査装置
であるプローブカードの構成例を示す断面図である。こ
こにおいて１はカード基板で同基板の下部には小さな角
度を成してその斜め下方に突出した接触端子２が設けら
れている。この接触端子２は引出し配線６とその先端部
に位置して電気的導通の接触点となる突起７からなり、
その上面はフィルム基板３に張設されている。この接触
端子２の突起７を含む先端部領域は緩衝材８を介してカ
ード基板に支持・固定されている。又、接触端子２の引
出し配線６は延長配線９を通じて配線電極１０に接続さ
れている。かかる構造の接触端子２はカード基板１上の
周りに沿って多数密接して配設される。

【００１５】そして、本発明のポイントはこの接触端子
２の特に突起７の部分に特異の構成を付与した点にあ
る。すなわち、図３及び図４は図２に示した突起７を下
方から見た拡大斜視図及び拡大断面図であるが、この突
起７の外形は図３の通り四角錐台形状を呈しており、し
かもその構造は図４の如く、内側の母材配線層（Ａ）
と、その表面を覆っている母材配線層（Ａ）より高いヤ
ング率を有する高ヤング率被覆層（Ｂ）の２層構造とな
っている。突起７の外形寸法は先端の接触点となる上面
の四角形の一辺が０〜１０μｍ、底面のその一辺が２０
〜１００μｍ、又引出し配線の厚さが１０〜３０μｍの
微細構造を有するものである。

【００１６】母材配線層（Ａ）は電気抵抗が低く、メッ
キがし易い比較的軟質の金属が用いられる。例えば電気
抵抗については比抵抗が１×１０^-5Ωｃｍ以下のもの
が好ましい。具体的には金、銀、銅、ニッケル及びその
合金が好適である。一方、高ヤング率被覆層（Ｂ）は
母材配線層（Ａ）の表面を覆って形成された肉厚の膜
で、３μｍ以上の厚さを有することが必要であり、好ま
しくは５μｍ以上とするのが良い。ここでいう厚さは、
場所によって変化する場合を考慮してその最小値で定義
する。また、同時にこの被覆層（Ｂ）は上記母材配線層
（Ａ）よりヤング率が高いことが必須である。特にヤン
グ率が１５０ＧＰａ以上であることが好ましく、２００
ＧＰａ以上が更に好ましい。又、電気抵抗としては比抵
抗が１×１０^-4Ωｃｍ以下のものが望ましい。具体的
にはタングステン、タンタル、チタン、ニオブ、モリブ
デン、ジルコン、コバルト、イリジウム、パラジウム、
ロジウム、ルテニウム等の金属及びその合金が好適であ
り、中でもタングステン、タンタル及びそれらの合金が
特に好ましい材料である。

【００１７】さて、このように本発明は接触端子２の先
端部の突起７を２層構造とした点を特徴としているが、
以下に本発明の原理・作用並びにその数値限定の根拠等
について発明者等の検討の経過を含めて説明する。先
ず、発明者等は微細化された接触端子２において特に耐
久性が要求される突起７に関して、高強度の材料を採用
しようとした場合に招来する前述の問題から突起７全体
を単体の材料で構成するのではなく、複合した構成とす
ることで解決する道が開けるのではないかと考えた。母
材配線層は電気特性面及び製造面を配慮して比較的低強
度で弾性変形が可能な材質とし、その外周表面をより強
度の高いの殻つまり高ヤング率を有する層で包覆してや
れば母材側の強度不足を補ってその変形や摩耗を防止し
て保護し、全体として耐久性を十分維持できる可能性が
あるとの着想に至った。しかしながら、この着想を具体
化するに当たって一つ気がかりな問題が予想された。こ
れは、高ヤング率の材料を母材に被覆した結果、その被
覆層は高強度であるが故に内部応力も高くなり、被覆層
の形態によっては反って短期に破損や劣化を生じ、耐久
性が損なわれる恐れがあるからである。

【００１８】そこで、発明者等はこのような事情に鑑
み、被覆層の形態としてその厚さに着目して次のような
解析を行った。すなわち、図３、４に図示した外形が四
角錐台形状の２層構造を有する突起を対象とし、その母
材配線層（Ａ）のヤング率を４５ＧＰａ（金の値を採
用）、又高ヤング率被覆層（Ｂ）のヤング率を２３４Ｇ
Ｐａ（タングステンの値を採用）として、これに垂直に
５ｇの荷重を加えた場合を想定し、この被覆層（Ｂ）の
厚さを変化させた時の同被覆層に誘起される応力（ミー
ゼス応力）を計算により求めた。更に、被覆層（Ｂ）の
ヤング率を変化させた場合についても同様にして同応力
の計算を行なってみた。ここで被覆層（Ｂ）の厚さは図
４に示す四角錐台の傾斜部分の厚さ（ｔ）で定義し、上
面の厚さはこの傾斜部分の厚さの１．４倍（ｔ×１．
４）とした。これらの計算には汎用ソフト「ＡＢＡＱＵ
Ｓ」を用いて行なった。なお、ミーゼス応力とはワーク
の降伏応力と密接な関係があり、この応力の値が高いほ
ど塑性変形を受け易くなることを示す、構造解析の際に
一般的に用いられるパラメータである。

【００１９】図５〜図７はこの計算・解析結果を纏めた
もので、図５は高ヤング率被覆層の厚さと最大ミーゼス
応力との関係、図６は高ヤング率被覆層の厚さが２μｍ
の場合のそのヤング率と最大ミーゼス応力との関係、図
７は同様に高ヤング率被覆層の厚さが３μｍの場合のそ
のヤング率と最大ミーゼス応力との関係をそれぞれ示し
たグラフである。図５を見ると、高ヤング率被覆層の厚
さが３μｍ以上では内部ミーゼス応力が８００ＭＰａ前
後で層厚の変化に影響を受けず、低く安定しているが、
３μｍ未満では層厚の減少に伴なって急激に増加し、特
に２μｍ以下になると１０００ＭＰａを超えて既に塑性
変形の領域に達していることが分る。これは高ヤング率
被覆層が３μｍ以上の場合は安定して荷重に耐えており
機能上問題がないが、２μｍ以下になると、もはや荷重
に耐え切れず破壊に至り、外殻としての保護の役割を完
全に失い、内側の母材配線層の変形が開始していること
であり、とりもなおさず接触端子として使用不能の状態
に陥ったことを意味するものである。この現象について
更に詳細に解析調査を進めたところ, 高ヤング率被覆層
の厚さが３μｍ以上のものは層中に荷重に応じた圧縮方
向の応力が誘起されるのに対して、２μｍ以下では層で
は誘起される応力が引張り方向に働き、応力の誘起され
る箇所も厚みによって変化することが判明した。加え
て、３μｍ以上の厚膜構造においても過大な荷重がかか
った場合には被覆層が押しつぶされることにより破壊に
至るが、２μｍ以下の場合はより低い荷重で折れ曲がる
ように変形して破壊するという、両者のメカニズムの違
いについても究明できた。

【００２０】又、図６から高ヤング率被覆層の厚さが２
μｍの場合、同層のヤング率が増大すると誘起される応
力もこれに比例してかなり増加する傾向にあるが、一方
その厚さが３μｍの場合になると、図７から明らかなよ
うに、少なくともヤング率が２５０ＧＰａ以下の範囲内
においては、ヤング率が増大しても応力は僅かに増加す
るだけで８００ＭＰａ前後とほとんど変化していないこ
とが分る。この事実は、３μｍ以上では被覆層のヤング
率の大小は内部応力に起因する破壊や劣化に影響を与え
ないものと考察できるから、つまり３μｍ以上の高ヤン
グ率被覆層を適用する限りにおいて、当然ながら被覆層
の材質として高ヤング率のものを採用することが可能と
なり、その耐久性の向上を図ることができるし、又、許
容できるヤング率の範囲（例えば１００ＧＰａ以上）で
電気特性等の優れた材料を選定することできるといった
材料選択の自由度も広がることになる。

【００２１】これらの現象・事実は発明者等独自の新規
且つ貴重な発見であり、特に高ヤング率被覆層の厚さ
が、突起すなわち接触端子の強度、耐久性を大きく支配
しており、しかも３μｍという厚さに臨界的意義が認め
られることが明らかとなった。本発明では以上のことを
根拠に高ヤング率被覆層の厚さの下限を３μｍに特定し
た。一方、その上限については特に規定するものではな
いが電気抵抗等他の特性への影響を考慮すると１０μｍ
以下が好ましいといえる。又、高ヤング率被覆層につい
ては母材配線層の変形・破壊の発生を外側で保護する観
点で少なくとも母材配線層のよりヤング率が高いことが
必要であるが、更に優れた耐久性を確保する意味では１
５０ＧＰａ以上のヤング率を有するものが望ましい。な
お、以上の説明においては図４に示した母材配線層
（Ａ）と高ヤング率被覆層（Ｂ）からなる二層構造のタ
イプを中心に述べたが、例えば三層以上の構造を有する
タイプ等、これら両層を含み且つ高ヤング率被覆層
（Ｂ）の厚さの条件を満たすことによって本発明の技術
的意義・作用効果を享受する他の構造のものについても
その技術的範囲に含まれることは言うまでもない。

【００２２】ところで、本態様として突起７の外形を前
述の如く、四角錐台形状をなしたものを例示したのは、
全体として構造的に頑強であるとともにその先端（図で
は上端）が平面となっているため、荷重を分散して受け
ることができ、更に異方性エッチングを利用すればその
製造も容易という利点があるからである。円錐台形状や
他の角錐台形状を用いても耐久性の面では同効である。
この突起７の形状が別の形状に変化した場合、内部への
応力のかかり方も変わり、上記の最大ミーゼス応力の値
や臨界的厚さが変化することも予想されるが上記錐形、
錐台形状をとる限り、大きく変化することはなく臨界的
厚さの意義が失われることはない。

【００２３】次に、本発明に係る接続検査装置の製造方
法についてプローブカードを例にとって概説する。尤
も、本発明は製造方法に特徴があるのではなく上述して
来たように装置の構成特に接触端子の先端部の構造を要
旨とするであるから、これを満足する限り、周知、公知
の方法含めをいかなる製法により得られたものであって
も本発明の範囲に含まれる。また、本装置の製造に当た
っては半導体素子と同様にフォトリソグラフィ技術、エ
ッチンング技術、メッキ・蒸着・技術等微細加工・形成
に適したマイクロテクノロジー等を駆使する。

【００２４】本装置（プローブカード）の製法は、基本
的には予め図２に示した接触端子２を犠牲基板上に形成
し、この接触端子２をカード基板１に連結した後に前記
犠牲基板から分離し、同接触端子２をカード基板１上に
転写するものである。又、この際、犠牲基板上に二酸化
シリコンよりなる犠牲層を形成し、この二酸化シリコン
層を溶解することにより前記接触端子２を分離するもの
である。

【００２５】接触端子２の製造は、突起７の高ヤング率
被覆層（Ｂ）を製造する工程と同突起７の母材配線層
（Ａ）並びに引出し配線６を製造する工程に分れる。先
ず、突起７の鋳型となる四角錐台形状を有した凹部を異
方性エンチングにより形成する。次いで、凹部の内面に
高ヤング率の金属（タングステン等）をスパッタリング
法により蒸着し、３μｍ以上例えば７μｍの高ヤング率
被覆層を形成する。例えば、タングステンの場合はＳＦ
₆ガスを用いたフッソ系プラズマで容易にエッチングす
ることができ、不要な先端部以外の部分を除去する。こ
のように膜（層）形成やエッチングのしやすさが材料選
択の大きな要素となる。そして次に、配線材料となる比
較的軟質の金属（金等）を同被覆層上の凹部の全体並び
に引出し配線領域に亘ってメッキ法により母材配線層及
び引出し配線層を一体的に形成する。なお、高ヤング率
被覆層を、凹部のみならず引出し配線領域の一部若しく
は全部に形成する方法であっても良い。

【００２６】こうして犠牲基板上に形成された接触端子
２にフィルム基板３並びに緩衝材８を接着し、更にそれ
らの基部側をカード基板１の下面に直接接着して、先端
部側を緩衝材８を介して接着する。その後犠牲基板を分
離し、接触端子２の引出し配線６と延長配線９、延長配
線９と配線電極１０を接続してプローブカードが出来上
がることになる。なお、かかる製造プロセスの詳細は本
発明者等が先に出願した特願２０００−２６６２９９号
の実施態様にて開示しており、ここでは概要の説明に止
める。

【００２７】

【発明の効果】以上、述べたように本発明によれば、微
細構造を有して且つ耐久性に極めて優れた接触端子が得
られるから、繰り返し使用に耐え得る長寿命の接続検査
装置を提供できる。これに伴い、接続検査時の出力安定
による検査精度を長期に亘って高く維持することがで
き、装置のメインテナンスや部品交換に要する労力やコ
ストも低減することができる。更に、本発明により接触
端子等の材料選択の面において自由度が広がり、全体と
して安価で高機能な装置設計が可能となる等本分野にお
いて顕著な技術的貢献を果たすものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の接続検査装置の基本的な構成例を示す断
面図である。

【図２】図２は本発明に係る接続検査装置であるプロー
ブカードの構成例を示す断面図である。

【図３】図３は図２の要部拡大斜視図である。

【図４】図４は図２の要部断面図である。

【図５】図５は高ヤング率被覆層の厚さと最大ミーゼス
応力との関係を示したグラフである。

【図６】図６は高ヤング率被覆層の厚さが２μｍの場合
のそのヤング率と最大ミーゼス応力との関係を示したグ
ラフである。

【図７】図７は高ヤング率被覆層の厚さが３μｍの場合
のそのヤング率と最大ミーゼス応力との関係を示したグ
ラフである。

【符号の説明】

１：カード基板２：接触端子６：引出し配線７：
突起８：緩衝材９：延長配線１０：配線電極Ａ：母材配線層Ｂ：高ヤング率被覆層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考） // Ｈ０５Ｋ 3/00 Ｇ０１Ｒ 31/28 Ｋ (72)発明者後藤裕史兵庫県神戸市西区高塚台１丁目５番５号株式会社神戸製鋼所神戸総合技術研究所内 (72)発明者米田康司兵庫県神戸市西区高塚台１丁目５番５号株式会社神戸製鋼所神戸総合技術研究所内 (72)発明者岩村栄治兵庫県神戸市西区高塚台１丁目５番５号株式会社神戸製鋼所神戸総合技術研究所内 (72)発明者竹内進埼玉県入間郡三芳町竹間沢東１−１ジェネシス・テクノロジー株式会社内Ｆターム(参考） 2G003 AA07 AB01 AG01 AG03 AG12 AH07 2G011 AA09 AA10 AA17 AC14 AE02 AF02 2G132 AA00 AB01 AF01 AL03 4M106 AA01 BA01 CA15 DD03 DD09 DD10

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数個の接触端子を有し、検査対象と電気
的に接触して信号を入出力するための電気的接続検査装
置において、前記接触端子の先端部に位置する配線母材
層の表面に、３μｍ以上の厚さを有し且つ該配線母材層
より高いヤング率を有する被覆層を設けたことを特徴と
する電気的接続検査装置。
【請求項２】前記被覆層のヤング率が１５０ＧＰａ以上
であることを特徴とする請求項１に記載の電気的接続検
査装置。
【請求項３】前記接触端子の先端部が錐形状若しくは錐
台形状を有していることを特徴とする請求項１又は２に
記載の電気的接続検査装置。
【請求項４】前記接触端子の先端部が四角錐台形状を有
していることを特徴とする請求項３に記載の電気的接続
検査装置。
【請求項５】前記電気的接続検査装置がプローブ若しく
はプローブカードであることを特徴とする請求項１乃至
４のいずれかに記載の電気的接続検査装置。
【請求項６】前記電気的接続検査装置がソケット若しく
はコンタクタであることを特徴とする請求項１乃至４の
いずれかに記載の電気的接続検査装置。