JP2005083863A - 電気的接続検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明の目的（課題）は、上記した従来の問題を解決し、小型単純かつ調整不要な構造で、被検査体の電極へ各接触子の押圧力を均一にすることが可能な実用に優れた電気的接続検査装置を提供することにある。
【解決手段】
複数の接触子１を備えた基板２を固定した剛体４と、支持体３とを、板ばね５を介して一体的に構成した電気的接続検査装置において、前記板ばね５が二つ以上の独立した弾性自由度を有するばね構造を具備していること特長とする電気的接続検査装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は、集積回路や表示用基板のような平板状被検査体の通電試験に用いる電気的接続検査装置に関する。

一般に半導体集積回路や表示用基板等の平板状被検査体は、プローブカードのような電気的接続検査装置を用いて通電試験をされる。通電試験の際、被検査体は、その複数の電極に、電気的接続検査装置に配設された多数の接触子を押圧され、その状態で通電される。この種の電気的接続検査装置の１つとして、多数配列された突起状電極（ここでは接触子群と呼ぶ）および該各電極に接続された配線のパターンが一体で形成された、電気絶縁性の固体またはフィルム基板を、電気絶縁性の支持体に組み付ける技術（例えば特許文献１など）が提案されている。

これら特許文献１（十字型板ばね構造＋ピラミッド型剛体ブロック）に代表される従来技術においては、その構造を図８および図９に示すように被検査体の電極に押圧させる接触子ユニットは、突起状の接触子群１およびこの接触子群の配線を備えた基板２が剛体４に固定され、該剛体４が該支持体３に、十字状の板ばね５を４介して結合された構造となっている。そして、この接触子群１が被検査体の電極に押圧された際には、図10のように板ばね５が弾性変形して、探触子の押し付け圧力を発生させる（図10(a)）と同時に、該基板と被検査体の傾き誤差を吸収する（図10(b)および(c)）。
特開２００２−３１１０４９号公報

しかし、従来の電気的接続検査装置の前記のような十字状の板ばね構造では、押し付け圧力発生の並進自由度（Ｚ方向）と、接触子ユニットと被検査体との相対的な傾き誤差吸収の首振り２自由度（θ方向とφ方向）が、同一部位の弾性変形が担っており、接触子群に十分な電気的接触を得るために必要な与圧を行おうとすると、傾き補正自由度に過大な応力を与えてしまう。その結果、被検査体の電極への各接触子の押圧力が不均一になり、正確な通電試験が実行できないといった問題を有する。

なお、図面上では、上記十字の板ばねに替え、各自由度の複数の螺旋ばねと調整ビスの組合せなどの複雑な機械構造を採用することにより上記押圧力の均一化を実現することも原理的に可能であるが、組立て精度の確保、調整の困難さから、工業規模での実用化は極めて難しい。

本発明の目的（課題）は、上記した従来の問題を解決し、小型単純かつ調整不要な構造で、被検査体の電極へ各接触子の押圧力を均一にすることが可能な実用に優れた電気的接続検査装置を提供することにある。

本発明者らは、この課題を達成するために鋭意研究を積み重ねた結果、その解決手段として以下のような構成を特徴とする電気的接続検査装置をここに提案するものである。

（１）複数の接触子を備えた基板を固定した剛体と、支持体とを、板ばねを介して一体的に構成した電気的接続検査装置において、前記板ばねが二つ以上の独立した弾性自由度を有するばね構造を具備していること特長とする電気的接続検査装置（請求項１）。

（２）前記板ばねが一枚かつ一体の平板であって、平面に垂直方向の複数のくりぬき溝によって、複数の帯状に形成されたばね構造を具備していること特長とする（１）に記載の電気的接続検査装置（請求項２）。

（３）前記二つ以上の独立した弾性自由度が、少なくとも一つの傾き補正自由度と、該板ばねに垂直方向の一つの並進自由度を含むことを特徴とする（１）又は（２）に記載の電気的接続検査装置（請求項３）。

（４）前記独立した弾性自由度が、二つの傾き補正の自由度と、該板ばねに垂直方向の一つの並進自由度を含む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）。

（５）前記板ばねの、少なくとも一つの傾き補正を担うばねが、板ばねの中心点を取り巻く円環状の帯板構造であり、かつ前記剛体に該板ばね中心点に向けて突き出した錐状ピボットを有し、または、該板ばねにその中心点から前記剛体に向けて突き出した錐状ピボットを有して、そのいずれかのピボットの接点を該傾き補正自由度の支点とすることを特徴とする（２）〜（４）のいずれかに記載の電気的接続検査装置（請求項５）。

（６）前記錐状ピボットの接点を、前記板ばねに垂直方向の並進自由度の作用点とすることを特徴とする（３）〜（５）のいずれかに記載の電気的接続検査装置（請求項６）。

（７）前記円環状の帯板において、該芯を中心に対向する２点が支持体に固定された両側二つの両持ち梁を形成し、それら固定点の間の両側の中央点を作用点として前記剛体に結合した形状のばね構造であることを特徴とする（１）〜（５）のいずれかに記載の電気的接続検査装置（請求項７）。

（８）前記板ばねの二つの傾き補正の自由度に対応する、内外２重の円環状の帯板ばねが、内の作用点が外の固定点と結合されたジンバル配置のばね構造であることを特徴とする（７）に記載の電気的接続検査装置（請求項８）。

本発明の作用、効果

本発明に係る電気的接続検査装置は、複数の接触子を備えた基板を固定した剛体と、支持体とを、この板ばねを介して一体的に構成したものにおいて、この板ばねが二つ以上の独立した弾性自由度を有するばね構造を具備していることにより、多数の接触子からなる突起電極が被検査体の電極に押圧された際には、板ばねが弾性変形して、接触子の押し付け圧力を発生させると同時に、該基板と被検査体の傾き誤差を吸収する。それらの結果、被検査体の電極への押圧力が多数の接触子のどの位置においても均一になる。

この板ばねは１枚かつ一体の平板であって、平面に垂直方向の１本以上のくりぬき溝によって、複数の帯状に形成され、該帯の実効長さ、幅によって、独立した各自由度に適合する異なった弾性係数を設定することができる。

また、前記二つ以上の独立した弾性自由度のうち、１つの自由度は、接触子に十分な電気的接触を得るために必要な押圧力を与えることが可能となる。これは、該平板ばねに垂直方向の比較的硬い弾性係数をもつ並進自由度を指す。一方、他の少なくとも１つの自由度は、複数の接触子が被検査体と接触子の間の傾き誤差を吸収するための比較的柔らかい弾性係数をもつ自由度を指す。

これら独立した複数の弾性変形自由度としてより具体的には、１つの該平板ばねに垂直方向の並進自由度と、二つの前記基板の首振り角度に対応する傾き補正の２自由度との３自由度を含むばね構造が、もっとも実用的で好ましい。

そして、本発明電気接続検査装置の板ばね構造としては、板ばねの中心点を取り巻く円環状の帯板構造が、比較的小さな弾性係数を実現できる実用的な幾何形状であり、少なくとも一つの傾き補正を担わせることができるのでさらに好ましいといえる。その時、前記剛体が該板ばね中心点に向けて錐状ピボットを突き出し、又は、該板ばね中心点から前記剛体に向けて錐状ピボットを突き出して、そのいずれかの接点を該傾き補正自由度の支点とすることでは、傾き補正のための弾性変形の際に、接触子列と被検査体の押付け方向に垂直な平面相対位置のずれを最小にすることができる。

前記錐状ピボットの接点を、前記平板ばねに垂直方向の並進自由度の作用点とすれば、与圧の弾性変形時においても、同様に、接触子列と被検査体の押付け方向に垂直な平面相対位置のずれを最小にすることができる。

上記の構造の板ばねにおいてのみ、装置と被検査体との相対的な傾きが大きくても、押し付け圧力発生の並進自由度と、接触子ユニットと被検査体との相対的な傾き誤差吸収の首振り２自由度が、１枚かつ一体の板ばねの内部構造の独立な弾性変形で担うことができ、各接触子に十分な電気的接触を得るために必要な押圧力を与えると同時に、装置と被検査体との相対的な傾きを十分小さな弾性係数で吸収し、その結果、被検査体の電極への各接触子の押圧力が均一になり、実用的なユニット構造で、正確な電気的接触検査が実行できる。

かかる構成を特長とする本発明によれば、小型単純かつ調整不要な構造で、被検査体の電極へ各接触子の押圧力を均一にすることが可能な実用に優れた電気的接続検査装置を提供することができるといった本技術分野においてきわめて有利な効果を奏するものである。

本発明の電気的接続検査装置は、矩形状の集積回路の通電試験の際に、プローブカードと同様に、多数の針先を集積回路の電極に電気的接触させるために、針先を精密移動する時に用いる。被検査体である集積回路は、矩形の各辺に該辺の方向に所定のピッチで配置された複数の入出力電極を有している。本発明で用いる接触子は、絶縁性基板の上に高い平面精度で針先高さを揃えて多数配置されているものの、ウェハホルダーや移動ステージの誤差は避けられず、実際の通電試験の際には、該基板とウェハ平面とは不可避的に微妙に傾くことは避けられない。そこで、本発明では、すべての接触子に均等の荷重がかかるように、その傾き誤差を吸収し得る、板ばねを使った柔構造を提供する。

以下、本発明をその実施の形態を中心に図面を参照しながら詳述してゆく。

図１は本発明の係る電気的接続検査装置（以下、本装置と略称することがある。）の典型的な実施形態の構造を示した縦断面図であり、図２は図１のＡ−Ａ´矢視平面図である。ここにおいて、１は導電性の突起形状をなした接触子群で、その多数の配線（図示しない）を具備した矩形の基板２の上面に固設されている。この基板２はその下の円錐台状の剛体４に埋め込まれた状態で固定されている。同剛体４の下部には、ステンレスやりん青銅などの金属材料で構成された広い変形領域を持った円形の板ばね５がその円周を４分割した位置で固定ビス９、１０により４箇所固定されている。また、この板ばね５はその下部の円板状の支持体３にその円周を２分割した位置で固定ビス８により２箇所固定されている。このように接触子群１を有する基板２に埋設された剛体４と支持体３とは両者の間に挟み込まれた板ばね５を介して、一体的に結合されている。

この板ばね５は図２の通り、一枚でかつ一体の円環状の帯板構造を有しており、すなわちその中心部に円板５ｏがあり、これを取り囲むようにして、最も内側に位置した第１円環帯５ａと、その外側に位置した第２円環帯５ｂ、及び最も外側に位置した第３円環帯５ｃがそれぞれ同心円状に３重になって配置されている。そして、円板５ｏと第１円環帯５ａとは、これら円板、円環帯の中心線（Ｘ―Ｘ）上に一致して配置された比較的長い二つの直線帯５ｄ、５ｄにより結合されている。第１円環帯５ａと第２円環帯５ｂとは、前記中心線（Ｘ―Ｘ）と直角方向の中心線（Ｙ−Ｙ）上に一致して配置された二つの短帯５ｅ、５ｅにより結合されている。さらに、第２円環帯５ｂと第３円環帯５ｃとは中心線（Ｘ―Ｘ）上に一致して配置された短い二つの短帯５ｆ、５ｆにより結合されている。なお、前記固定ビス９の位置は、第３円環帯５ｃの中心線（Ｘ―Ｘ）上にあり、固定ビス１０の位置は中心線（Ｙ−Ｙ）上にある。上記のごとく、この板ばね５は円板や各円環帯同士の内外に隣り合う結合部を９０度ずつずらして一体的に構成された所謂ジンバル式の構造を備えたものである。ここにおいて、１１ａは第１円環帯５ａの内側に形成された半円状のくりぬき溝、また１１ｂは第１円環帯５ａと第２円環帯５ｂの間に形成された半円環状のくりぬき溝、１１ｂは第２円環帯５ｂと第３円環帯５ｃの間に形成された半円環状のくりぬき溝をそれぞれ示している。

また、前記剛体４にはその下部中心に硬質の金属やセラミックからなる逆円錐を呈した錘状ピポット７を有しており、この錘状ピポット７は図のようにその下端の頂点を、板ばね５の中心点である円板５ｏの中心点に突き出して、接触支持された状態で設けられている。

このような構成の板ばね５は、優れた柔構造を有しており、しかも一枚かつ一体の平面部材を、放電加工等によって前記３重の円環帯構造になるように前記くりぬき溝１１ａ〜１１ｃを切り抜くことのよって容易に製作され、またこのために組立ては一切不要なことから、はじめから設計どおりに高精度な幾何形状に仕上がっている。

この実施形態での３重の円環帯ばね構造に対応する３つの弾性自由度（ｚ並進、θ、φ首振り）について、図３に各自由度の弾性変形の様子を示し、図４に各弾性変形の力学モデルを示す。なお、図７に本発明の力学モデルのベースとなる、板ばねに関わる力学公式をまとめた説明図を参考まで示した。

以下、これら弾性変形モデルを参照しながら本実施形態の板ばね構造における各円環帯要素毎の特徴的な動作並びに上記３つの弾性自由度に対応する弾性係数の算出法などについて説明する。

まず、前記第１円環帯５ａに着目すると、この、円環帯は前述の如く直線帯５ｄによって橋渡しされており、その中心に、剛体４からその下の板ばね５の円板５ｏに向けて突き出された錘状ピポット７の先端が接している。同円環帯５ａはその外側の第２円環帯５ｂと前記直線帯５ｄと９０度異なる配位方向で狭く短い短帯５ｆ、５ｆで結合されており、さらにこの短帯はその中央点において支持体３にビス８によって固定されているのである。この第１円環帯は、その支持体３に対する固定ビス８、８による二つの固定端を有した半円形の梁と解釈され、また、中心線上に配置されたその中央部同士をつなぐ直線帯５ｄは、その両端を第１円環帯５ａの中央点を中心とするとする梁と解釈される。このばね構造は、被検査体に接触子群１を押付けた場合、この錘状ピボット７の先端すなわち直線帯５ｄの中心が作用点として働き、支持体３ に対し図３（a）の模式図で示されるような、板ばね平面に対し法線方向すなわちＺ方向（並進）の弾性変形を生じることになる。この弾性変形により、接触子群は、変位に比例した応力を生じさせ、十分な電気的接触を得るに必要な押圧力を付与することができる。したがって、この板ばね構造は、図４(a)のように２段の梁構造としてモデル化され、その弾性係数（ｋ）は、直線帯５ｄの幅（Ｗ₂）、および第１円環帯５ａの直径（２ｒ）、幅（Ｗ₁）から次式によって予測計算できる。

但し、

次に、第２円環帯５ｂについてみると、この円環帯は前記ビス８によって支持体３に固定され、その固定位置と９０度異なる配位方向で、最も外側の第３円環帯５ｃに短帯５ｆで連結され、さらにこの短帯５ｆは、ビス１０により、今度は剛体４に２箇所で結合されている。この構造では、第２円環帯は、ビス８に固定端をもつ二つの半円形の梁と解釈され、ビス１０がその作用点となるが、前記のように剛体４は、前記錘状ピボット７の先端において、自由度が束縛されている。そのため、少し傾いた被検査体に接触子群１を押付けた場合、そこを芯とした首振りトルクが生じて、支持体３に対し図３（b）の模式図で示されるような、ピボット接点を芯とするθ方向の傾き自由度の弾性変形を生じることになる。この弾性変形により、被検査体と接触子群の傾き誤差が吸収され、すべての接触子の電気的接触を均一に得ることができる。したがって、この板ばね構造は、図４(ｂ)のように１段の梁構造によるトルク発生としてモデル化され、その弾性係数（τθ）は、第２円環帯５ｂの直径、幅によって予測計算できる。

より

よって

さらに、最外部の第３円環帯５ｃは、前記ビス１０と９０度異なる配位方法のビス１０の４箇所において剛体４に結合され、かつ、前記ビス１０の位置において、比較的短く狭い短帯５ｆによって前記第２円環帯５ｂにつながっている。一方で、剛体４は、前記ピボット７の先端において、自由度が束縛されていることから、少し傾いた被検査体に接触子群１を押付けた場合、そこを芯とした首振りトルクが生じて、剛体４と一体となっているこの第３円環帯５ｃと、前記第２円環帯５ｂが連結される前記短帯５ｆには、図３（c）の模式図で示されるような“ねじり”弾性変形が生じ、ピボット接点を芯とするφ方向の傾き自由度をもつ。最外円環帯の、第２円環帯を介するものの支持体３に対する、この弾性変形により、被検査体と接触子群のφ方向の傾き誤差が吸収され、すべての接触子の電気的接触を均一に得ることができる。したがってこの板ばね構造は、図４(ｃ)のように直列の梁の捻り変形によるトルク発生としてモデル化され、その弾性係数（τΦ）は、前記短帯の長さと幅によって次式のように予測計算できる。

上記θおよびφの首振り自由度は、接触子群の片側列の荷重不均一が、前記中央ピボットに対してトルクを発生させ、傾き変形が生じ、傾き誤差が吸収される。接触子群基板とウェハ間の傾き補正に伴う各接触子の荷重不均一は、接触子群の全体平均荷重に対する割合が一定（例えば10％）以下となるように、首振り自由度の弾性係数は、十分小さく設定される（板ばね設計がなされる）必要がある。

以上、本発明に係る電気的接続検査装置について図１および図２に示した実施形態を中心にそのばね構造および動作などの特徴を詳述したが、本発明はこの実施形態に限定されるものではなく、その技術思想の範囲内において変形、変更および改良された各種形態のばね構造を含むものである。

図５および図６は、この一例として変形された他の実施形態を示したものである。この実施形態は、前記実施形態の剛体４の平面形状を円形から矩形に変更し、これに伴って板ばね５の平面形状も矩形に変更し、また錘状ピポット７を剛体４側から板ばね５側に変更して設けた例である。

すなわち、１は導電性の突起形状をなした接触子群で、その多数が配線（図示しない）を具備した矩形の基板２の上面に固設されている。この基板２はその下の矩形錐台状の剛体４に埋め込まれた状態で固定されている。同剛体４の下部には、これと同じ平面形状を有する矩形の板ばね５が、その周囲を４分割した位置で押さえ板６で挟んだ状態で、それぞれ２本の固定ビス９、９、１０、１０により４箇所固定されている。また、この板ばね５はその下部の円板状の支持体３に、その周囲を２分割した位置で押さえ板６で挟んだ状態で、固定ビス８により２箇所固定されている。このように接触子群１を有する基板に埋設された剛体４と支持体３とは両者の間に挟み込まれた板ばね５を介して、一体的に結合されている。

この板ばね５は１枚でかつ一体の矩形環状の帯板構造を有しており、すなわちその中心部に円板５ｏがあり、これを取り囲むようにして、最も内側に位置した第１矩形環帯５ａと、その外側に位置した第２矩形環帯５ｂ、及び最も外側に位置した第３矩形環帯５ｃがそれぞれ同心状に３重になって配置されている。そして、円板５ｏと第１矩形環帯５ａとは、これら円板、矩形環帯の中心線（Ｘ―Ｘ）上に一致して配置された比較的長い二つの直線帯５ｄにより結合されている。第１矩形環帯５ａと第２矩形環帯５ｂとは、前記中心線（Ｘ―Ｘ）と直角方向の中心線（Ｙ−Ｙ）上に一致して配置された二つの短帯５ｅ、５ｅにより結合されている。さらに、第２矩形環帯５ｂと第３矩形環帯５ｃとは中心線（Ｘ―Ｘ）上に一致して配置された短い二つの短帯５ｆ、５ｆにより結合されている。なお、前記固定ビス９の位置は、第３矩形環帯５ｃの中心線（Ｘ―Ｘ）上にあり、固定ビス１０の位置は中心線（Ｙ−Ｙ）上にある。上記のごとく、この板ばね５は円板や各矩形環帯同士の内外に隣り合う結合部を９０度ずつずらして一体的に構成された所謂ジンバル式の構造を備えたものである。ここにおいて、１１ａは第１矩形環帯５ａの内側に形成された半矩形状のくりぬき溝、また１１ｂは第１矩形環帯５ａと第２矩形環帯５ｂの間に形成された半矩形環状のくりぬき溝、１１ｂは第２矩形環帯５ｂと第３矩形環帯５ｃの間に形成された半矩形環状のくりぬき溝をそれぞれ示している。

また、この板ばね５の円板５ｏの上部中央には硬質の金属やセラミックからなる錘状ピポット７を有しており、この錘状ピポット７は図のようにその上端の頂点を、剛体４の下面中心点に向かって上方に突き出して、接触支持された状態で設けられている。

このような構成の板ばね５は、前記実施形態と同様に優れた柔構造を有しており、しかも１枚かつ１体の平面部材を、放電加工等によって前記３重の矩形環帯構造になるように前記くりぬき溝１１ａ〜１１ｃを切り抜くことのよって容易に製作され、またこのために組立ては一切不要なことから、はじめから設計どおりに高精度な幾何形状に仕上がっている。

本発明に係る電気的接続検査装置の一実施形態を示す断面図である。 本発明に係る電気的接続検査装置の一実施形態を示す平面図である。 本発明実施形態の弾性変形の３自由度（ｚ、θ、φ）を示す模式図である。 本発明実施形態の弾性変形の力学モデルを示す説明図である。 本発明に係る電気的接続検査装置の他の実施形態を示す平面図である。 本発明に係る電気的接続検査装置の他の実施形態を示す断面図である。 本発明の力学モデルのベースとなる、板ばねに関わる力学公式をまとめた説明図である。 従来の電気的接続検査装置示す平面図である 従来の電気的接続検査装置示す断面図である 従来の電気的接続検査装置における板ばね構造の弾性変形の模式図である。

符号の説明

１：接触子群 ２：基板 ３：支持体 ４：剛体 ５：板ばね ５o：円板 ５a：第１円環帯、第１矩形環帯 ５ｂ: 第２円環帯、第２矩形環帯 ５c：第３円環帯、第３矩形環帯 ５d：直線帯 ５f短帯 ６押さえ板 ７ 錘状ピボット ８、９，１０：固定ビス １１a,１１b、１１c：くりぬき溝

Claims (8)

1. 複数の接触子を備えた基板を固定した剛体と、支持体とを、板ばねを介して一体的に構成した電気的接続検査装置において、前記板ばねが二つ以上の独立した弾性自由度を有するばね構造を具備していること特長とする電気的接続検査装置。
2. 前記板ばねが一枚かつ一体の平板であって、平面に垂直方向の複数のくりぬき溝によって、複数の帯状に形成されたばね構造を具備していること特長とする請求項１に記載の電気的接続検査装置。
3. 前記二つ以上の独立した弾性自由度が、少なくとも一つの傾き補正自由度と、該板ばねに垂直方向の一つの並進自由度を含む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。
4. 前記独立した弾性自由度が、二つの傾き補正の自由度と、該板ばねに垂直方向の一つの並進自由度を含む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。
5. 前記板ばねの、少なくとも一つの傾き補正を担うばねが、板ばねの中心点を取り巻く円環状の帯板構造であり、かつ前記剛体に該板ばね中心点に向けて突き出した錐状ピボットを有し、または、該板ばねにその中心点から前記剛体に向けて突き出した錐状ピボットを有して、そのいずれかのピボットの接点を該傾き補正自由度の支点とすることを特徴とする請求項２〜４に記載の電気的接続検査装置。
6. 前記錐状ピボットの接点を、前記板ばねに垂直方向の並進自由度の作用点とすることを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記載の電気的接続検査装置。
7. 前記円環状の帯板において、該芯を中心に対向する２点が支持体に固定された両側二つの両持ち梁を形成し、それら固定点の間の両側の中央点を作用点として前記剛体に結合した形状のばね構造であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の電気的接続検査装置。
8. 前記板ばねの二つの傾き補正の自由度に対応する、内外２重の円環状の帯板ばねが、内の作用点が外の固定点と結合されたジンバル配置のばね構造であることを特徴とする請求項７に記載の電気的接続検査装置。

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