JP2006515067A

JP2006515067A - プローブポジショニング及びボンディング装置並びにプローブボンディング方法

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Publication number: JP2006515067A
Application number: JP2005518767A
Authority: JP
Inventors: リー，オッグ−キ; リー，ジョン−フン
Original assignee: フィコムコーポレイション; リー，オッグ−キ
Priority date: 2003-03-17
Filing date: 2004-03-16
Publication date: 2006-05-18
Also published as: US7592565B2; US20060169678A1; TW200426374A; WO2004084296A1; KR100444191B1; CN1926676A; TWI272393B; CN100403506C

Abstract

本発明は、プローブポジショニング及びボンディング装置並びにプローブボンディング方法に関し、特に、半導体集積回路試験装備に使用されるプローブカードの製作のためにプローブを基板上の所定位置にボンディングするプローブポジショニング及びボンディング装置並びそのプローブボンディング方法を提供する。このプローブポジショニング及びボンディング装置は、作業台上に設置されるステージ部と、該作業台上に設置される第１支持部材に支持されるとともに前記ステージ部の上部に配置されるマイクロスコープと、前記作業台上に設置される第２支持部材に支持されるとともに前記ステージ部の上部及び前記マイクロスコープの下部に配置されるプローブ固定装置部と、前記作業台上に設置される第３支持部材に支持されるとともに一端部が前記ステージ部の上部に向かうように配置される光源部とを備える。

Description

本発明は、プローブポジショニング及びボンディング装置並びにプローブボンディング方法に係り、より詳細には、プローブをプローブカード基板上の所定位置に固定するのに使用されるプローブポジショニング及びボンディング装置並びにこれを用いたプローブボンディング方法に関する。

一般に、半導体集積回路装置は、製造過程中、製造後またはパッケージングを行う時にその全体的または部分的な電気的特性が設計と一致するように製造されたか否かテストされる。

該テストに使用される装備が、試験装置とプローブカード付きプローブ装備である。このプローブカードは、試験装置内の各種電気的信号発生部と半導体集積回路装置内のパッド間、または試験装置内の電気的信号検出部と半導体集積回路装置内のパッド間を電気的に導通させる役割を担う。

従来のプローブカードには、図１ａに示すニードル型プローブカードがある。図１ｂに示すように、ニードル型プローブカードに使用されるニードル型プローブ１２は、まず、プローブの一端を折り曲げてチップを形成し、胴体をセラミック１３上の定められた位置に配置してからエポキシ１４を用いて貼り付ける。続いて、このセラミック１３を主回路基板１１に取り付け、ニードル型プローブ１２の他端を主回路基板１１の定められた回路にハンダ付け１５にて連結する方式を用いてプローブカードを構成する。しかしながら、このニードル型プローブカードは、大きさ面において相当なる広さまたは空間を占めるため、技術の発展に伴って次第に小型化しつつある電子素子に対する検査に不都合であった。また、ニードル型プローブを主回路基板上に稠密に配列する場合、隣接するニードル型プローブ間に干渉が生じ、高周波信号の伝送時にノイズが発生するため、正確な検査が行えないという問題があった。

この種のニードル型プローブカードの問題を解決すべく開発されたのがカンチレバー型プローブカードである。カンチレバー型プローブカードは、図２ａに示すように、連結部材２４により支持台２１に固着された基板２２の表面にバンプ２３が形成されており、バンプ２３の端部に支持ビーム２５ａの一端部がボンディングされており、支持ビーム２５ａの他端部にはプローブチップ２５ｂが設けられている。

かかるカンチレバー型プローブカードの製作過程について簡単に説明すると、図２ｂに示すように、まず、シリコンウエハ２６の表面に支持ビーム２５ａとプローブチップ２５ｂを形成し、基板２２の表面にはバンプ２３を形成し、バンプ２３の上端部にエポキシ２７を塗布する。ここで、シリコンウエハ２６の加工のためには、フォトリソグラフィ工程及びメッキ工程を用いてプローブチップ２５ｂ及び支持ビーム２５ａを形成する。一方、基板２２の加工のために、フォトリソグラフィ工程及びメッキ工程を用いて基板２２の表面にバンプ２３を形成し、バンプ２３の上端部にエポキシ２７を塗布する。

こうして製造されたシリコンウエハ２６と基板２２は、図２ｃに示すように、支持ビーム２５ａの一端部とバンプ２３の上端部を接触させたのち、約３５０℃の温度で加熱する。これによりエポキシ２７が溶けながら支持ビーム２５ａとバンプ２３を接着させる。その後、シリコンウエハ２６を蝕刻により除去する。

しかしながら、以上の方式で製作されるカンチレバー型プローブカードは、次のような問題点がある。まず、シリコンウエハ２６にフォトリソグラフィ工程及びメッキ工程を適用した場合、プローブチップ２５ｂと支持ビーム２５ａの接着が正しくできたかを外部から肉眼で識別し難いという問題がある。このため、プローブチップ２５ｂと支持ビーム２５ａの誤接着は、図２ｃの工程が完了して始めて識別可能になり、よって、不良プローブカードの量産につながる恐れがある。

そして、基板２２の支持ビーム２５ａとシリコンウエハ２６のバンプ２３との接着のために３５０℃の高温で加熱することから、基板２２の材質は主としてセラミック類に制限され、よって、プローブカードの単価は上昇してしまう。

また、基板２２及びシリコンウエハ２６の加熱及び冷却過程で熱膨張及び熱収縮が発生するので、シリコンウエハ２６とセラミックからなる基板２２の熱膨張係数の違いにより、接触部分に高温における熱膨張の違いによる位置誤差が発生するだけでなく、冷却時に残留応力によりせん断力が発生することから、支持ビーム２５ａとバンプ２３間に分離が発生することもあり得る。

最後に、上記の方式によるプローブカードの製作は、様々な配列を持つ検査対象（すなわち、素子上のパッド配列）によって異なる種類のフォトリソグラフィ工程を行わねばならないので、パッド配列の変化に対応するプローブカードの互換性に劣るという問題がある。

本発明の目的は、プローブカードの製作が常温でできるようにすることによって様々な材質の基板を使用可能にして原価を節減し、熱膨張及び熱収縮による残留応力の発生に起因するプローブの損傷を最小限に抑えられるプローブポジショニング及びボンディング装置並びにプローブボンディング方法を提供することにある。

本発明の他の目的は、検査対象のパッド配列が変わる場合にも適用可能なプローブポジショニング及びボンディング装置並びにプローブボンディング方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、作業台上に設置されるステージ部と、前記作業台上に設置される第１支持部材に支持されるとともに前記ステージ部の上部に配置されるマイクロスコープと、前記作業台上に設置される第２支持部材に支持されるとともに前記ステージ部の上部及び前記マイクロスコープの下部に配置されるプローブ固定装置部と、前記作業台上に設置される第３支持部材に支持されるとともに一端部が前記ステージ部の上部に向かうように配置される光源部と、を備えるプローブポジショニング及びボンディング装置を提供する。

また、前記目的を達成するために、本発明は、所定領域に接着剤の塗布された基板をステージ上に装着し、該ステージを稼動して前記基板上の所定地点を位置固定されたマイクロスコープのフォーカスに合わせる第１段階と、プローブを前記マイクロスコープのフォーカスに位置決めして前記基板上の所定地点に接触させる第２段階と、前記基板上の所定地点と前記プローブとの接触部分にレーザービームを照射して前記プローブを前記基板にボンディングする第３段階と、を備え、前記第１段階乃至第３段階を順次に繰り返し行って前記基板上に複数のプローブをボンディングすることによって、前記基板上に所定のプローブ配列を形成することを特徴とするプローブボンディング方法を提供する。

本発明によるプローブポジショニング及びボンディング装置は、図３に示すように、作業台１００と、作業台１００上に設置される複数の支持部材１０１，１０２，１０３と、支持部材１０１，１０３に連結されて水平に設置される整列部材１０４，１０５と、作業台１００上の中心部に設置されるステージ部１１０と、ステージ部１１０の上方に位置するように整列部材１０５に設置され、支持部材１０３により支持されるマイクロスコープ１２０と、ステージ部１１０の上面中心部に一端部が位置するように支持部材１０２に設置されて支持されるプローブ固定装置部１３０と、ステージ部１１０の上端中心部に向かうように整列部材１０４に設置され、支持部材１０１に支持される光源部１５０と、を備えてなる。

作業台１００は、地面から一定高さを有するように設けられ、本発明のプローブポジショニング及びボンディング装置のその他の部品を積載及び固設する。そして、複数の支持部材１０１，１０２，１０３は、作業台１００上の両側端部及び中間部後方にそれぞれ設置されており、支持部材１０１，１０３の上部にはそれぞれ、整列部材１０４，１０５が水平方向に互いに連設され、これらの部材に後述するマイクロスコープ１２０と光源部１５０が設置される。

ステージ部１１０は、作業台１００の上面中心部に設置されており、下部から、ｘ軸稼動ステージ１１１、ｙ軸稼動ステージ１１３、ｚ軸稼動ステージ１１５、そして最上端部の回転ステージ１１７が順に積層された構成となっている。各ステージには、調節取っ手が設置されており、これらを回すことにより、最上端部の回転ステージ１１７を作業位置に停置したり、各プローブのボンディング完了後に作業位置から離脱させることができる。

マイクロスコープ１２０は、図３に示すように、整列部材１０５の一端部に設置されており、ステージ部１１０の上方に一定距離離れて配置される。マイクロスコープ１２０は、その固有の構造及び構成により対物レンズを上下に移動させることができる。また、マイクロスコープ１２０の対眼レンズには、基板及びプローブの位置確認のためにクロスラインを入れ、プローブを基板上に整列したりボンディングする際に基準とすることが好ましい。一方、マイクロスコープ１２０の設置位置は、作業台１００の中間部前方としても良い。この場合にはプローブのボンディング過程を上方から観察することができる。

プローブ固定装置部１３０は、図３に示すように、支持部材１０２の側壁に設置されており、一端部がステージ部１１０上端の回転ステージ１１７の中心部に位置する。プローブ固定装置部１３０の構成は、図４ａ及び図４ｂに示すように、支持部材に固定されるブラケット１３１と、ブラケット１３１の内部に設置されるピンセット１３３と、ピンセット１３３を作動させる往復動機１３５と、ピンセット１３３の開き角を調整する開き角調整部１３７と、からなる。

ピンセット１３３は、図４ｂに示すように、ヘッド部１３３ａが固定軸部材１３９によりブラケット１３１に支持されている。ここで、固定軸部材１３９にはねじ溝が形成されており、ピンセット１３３のヘッド部１３３ａは調整部材１４１により固定軸部材１３９のねじ溝にねじ結合されている。したがって、調整部材１４１の回転によりピンセット１３３はｘ軸方向に移動できる。

一方、図４ｂに示すように、ブラケット１３１の両側板の下端部にはそれぞれ開き角調整部１４３と往復動機１３５が設置され、ピンセット１３３のつかみ部１３３ｂの開き度合を制御する。すなわち、開き角調整部１４３は、ピンセット１３３のつかみ部１３３ｂの左側グリッパを固定するだけでなく、その開きを所定範囲に制限する。また、往復動機１３５は、つかみ部１３３ｂの右側グリッパに圧力を加えてつかみ部１３３ｂを開閉する機能を担う。また、図４ａに示すように、ピンセット１３３のつかみ部１３３ｂは、プローブを便利に把持するように下端部内側に溝部Ｈ、Ｈ’が形成されている。

往復動機１３５は、ピストン機構であり、エアコンプレッサーＣを用いて作動させても良く、ソレノイド（図示せず）を用いて電気的に作動させても良い。これに対する具体的な構成は省略するものとする。このような往復動機１３５の動作は、一側に装着されたボタンスイッチＳによりなされる。往復動機１３５の作動速度は、別途のダンパー（図示せず）をさらに設置することによって制御するとができる。

一方、プローブ固定装置部１３０は、第２支持部材上で垂直方向に摺動自在にブラケットに結合されるステージ（図示せず）をさらに備えても良い。この場合には、後述するように各プローブのボンディングが完了する時に、ステージ部１１０を稼動せずに固定装置部１３０を上方に移送させて新たなプローブをピンセット１３３に固定させることが可能になる。

光源部１５０は、整列部材１０４上に移動自在に設置されている。光源部１５０は、レーザーソースを備える。したがって、レンズからレーザービームを照射して発生する熱で基板とプローブ間のボンディング作業がなされるようにする。

次に、上記のように構成される本発明によるプローブポジショニング及びボンディング装置の作動順序について説明する。まず、プローブカード用基板の表面にエポキシを塗布してエポキシ層を形成した後、ステージ部１１０を所定距離だけ下降させた状態で、ステージ部１１０の回転ステージ１１７の上面に基板を位置させ、ピンセット１３３の溝部Ｈ、Ｈ'にプローブを挿入し、スイッチＳを作動させて固定させる。そして、プローブをボンディングしようとする基板の所定部位を、ピンセット１３３に固定されたプローブの下端部に接触させる。この過程で、ステージ部１１０の各稼動ステージ１１１，１１３，１１５と回転ステージ１１７を所定位置及び方向に整列させる。そして、光源部１５０を作動させて発生するレーザーを、該プローブと接触した基板に照射してその表面のエポキシを溶かすことによって、プローブをボンディングする。以上の過程を各プローブに対して繰り返し行うことで、プローブカードを製造する。

次に、以上の過程を、本発明の一実施の形態によるプローブボンディング方法を示す図５のフローチャートに基づき、段階別に詳細に説明する。

まず、第１段階は、ステージ部１１０とマイクロスコープ１３０により処理する段階であり、ステージ部１１０上にプローブボンディングのための基板を動かないように装着した後、マイクロスコープ１３０で基板の位置を確認しながらステージ部１１０上の基板にフォーカスを合わせて整列及び固定させる段階（ステップＳ１０１）である。

第２段階は、第１段階で基板の固定されたステージ部１１０を、非作業位置にアンローディングしてプローブフィーディングのための作業空間を確保する段階（Ｓ１０３）である。

第３段階は、第２段階の処理により確保された空間を用いてプローブ固定装置部１３０のピンセット１３３にプローブをフィーディングし固定する段階である。すなわち、プローブを、一定の角度を維持した状態でプローブ固定装置部１３０のピンセット１３３に挟ませる段階（Ｓ１０５）と、ピンセット１３３の往復運動機１３５及び開き角調整部１４３を制御してプローブ固定装置部１３０に挟ませたプローブのチップ先端がマイクロスコープ１２０の対眼レンズに形成されたクロスラインにくるように位置合わせしてプローブを整列させる段階（Ｓ１０７）とからなる。

第４段階は、プローブフィーディング空間の確保のために第２段階で非作業位置にアンローディングされたステージ部１１０を、作業のためのホーム位置（home position）にローディングさせる段階（Ｓ１０９）と、ホーム位置にローディングされたステージ部１１０を、３次元座標上におけるｘｙ平面で変位調整及び回転角量を調整することによって、ピンセット１３３に固定されたプローブをボンディングしようとする位置の基板の座標に定位置させる段階（Ｓ１１１）である。

第５段階は、ステージ部１１０により処理される段階であり、ステージ部１１０の上下方向変位を調整してプローブボンディングのための基板高さに定位置させる段階（Ｓ１１３）である。

第６段階は、光源部１５０により処理される段階であり、第５段階で定位置された基板とプローブの接合部位にレーザービームを照射して基板のボンディング位置に該当のプローブをボンディングする段階（Ｓ１１５）である。

第７段階は、プローブ固定装置部１３０により処理される段階であり、往復動機１３５の動力、すなわち、電気またはエアー（Air）を遮断することによって、ピンセット１３３に挟ませた、ボンディングされたプローブを、プローブ固定装置部から解除させる段階（Ｓ１１７）である。

第８段階は、第１乃至第７段階の組み立て工程を順次に繰り返し行う段階（Ｓ１１９、Ｓ１２１）であり、ボンディングするプローブまたは基板が残っているかを確認し、上記の組み立て行程を繰り返し行うか否かを決定する段階である。

以上説明したプローブボンディング方法によれば、ボンディング過程を通じて複数のプローブをプローブカードに組み立ててプローブカードを製造するプローブカード製造工程を完了することができる。

したがって、本発明によるプローブポジショニング及びボンディング装置並びにプローブボンディング方法によれば、従来技術のようにプローブのボンディングのために基板全体を高温で加熱する必要がないので、基板の材質に制限がない。すなわち、従来はセラミック材質のものを使用してきたが、これに限定されず、合成樹脂等の材質も十分に使用することができる。また、プローブカード上のプローブの配列が他の形態に変わる場合にもボンディング装置や方法に特に変化を加える必要がないので、ボンディング装置及び方法上の互換性が高い。そして、プローブのボンディング過程をマイクロスコープを通じて全て識別できるので、ボンディング過程上の誤りが低減する。

以上で説明した如く、本発明によるプローブポジショニング及びボンディング装置並びにプローブボンディング方法によれば、プローブカードの製作が常温で行われるため、様々な材質の基板を使用することができ、その結果、原価を節減し、かつ、熱膨張及び熱収縮による残留応力の発生によるプローブの損傷を最小限に抑えることが可能になる。

また、本発明によれば、検査対象である素子のパッド配列が変わる場合にも、これに相応するプローブカードを容易に製作できる効果が得られる。

以上では具体例を挙げて本発明を説明してきたが、これに限定されず、本発明の趣旨や範囲を逸脱しない限度内で各種の変更、修正または追加が可能であることは、当分野で通常の知識を持つ者にとっては自明である。

従来のプローブカードの一例を示す部分断面図である。従来のプローブカードの一例を示す平面図である。従来のプローブカードの他の例を示す断面図である。図２ａの製造過程を説明する断面図である。図２ａの製造過程を説明する断面図である。本発明の一実施の形態によるプローブポジショニング及びボンディング装置を示す斜視図である。図３のプローブ固定装置部を示す斜視図である。図３のプローブ固定装置部を示す正断面図である。本発明の一実施の形態によるプローブボンディング方法を示すフローチャートである。

Claims

作業台上に設置されるステージ部と、
前記作業台上に設置される第１支持部材に支持されるとともに前記ステージ部の上部に配置されるマイクロスコープと、
前記作業台上に設置される第２支持部材に支持されるとともに前記ステージ部の上部及び前記マイクロスコープの下部に配置されるプローブ固定装置部と、
前記作業台上に設置される第３支持部材に支持されるとともに一端部が前記ステージ部の上部に向かうように配置される光源部とを備えるプローブポジショニング及びボンディング装置。
前記ステージ部は、ｘ軸稼動ステージ、ｙ軸稼動ステージ、ｚ軸稼動ステージ、及びｚ軸を回転中心とする回転ステージが、下方から上方に順に積層されてなることを特徴とする請求項１に記載のプローブポジショニング及びボンディング装置。
前記プローブ固定装置部は、
プローブを保持するピンセットと、
前記ピンセットを作動させる空圧またはソレノイド駆動方式のピストン構造を持つ往復動機と、
前記ピンセットと往復動機を支持するブラケットとを備えることを特徴とする請求項１または２に記載のプローブポジショニング及びボンディング装置。
前記プローブ固定装置部は、
前記第２支持部材上で摺動自在に前記ブラケットに結合されるｚ軸稼動ステージをさらに備えることを特徴とする請求項３に記載のプローブポジショニング及びボンディング装置。
前記プローブ固定装置部は、前記ピンセットをｘ軸方向に位置調整できるようにする調整部材と、前記ピンセットの開きを所定範囲に制限する開き角調整部と、前記第２支持部材上で摺動自在に前記ブラケットに結合されるｚ軸稼動ステージとをさらに備え、
前記ピンセットは、下端部内側に溝部が形成されていることを特徴とする請求項３に記載のプローブポジショニング及びボンディング装置。
前記光源部は、レーザー発生装置であることを特徴とする請求項１、２、４及び５のいずれか一項に記載のプローブポジショニング及びボンディング装置。
所定領域に接着剤の塗布された基板をステージ上に装着し、該ステージを稼動して前記基板上の所定地点を位置決めされたマイクロスコープのフォーカスに合わせる第１段階と、
プローブを前記マイクロスコープのフォーカスに位置決めして前記基板上の所定地点に接触させる第２段階と、
前記基板上の所定地点と前記プローブとの接触部分にレーザービームを照射して前記プローブを前記基板にボンディングする第３段階とを備え、
前記第１段階乃至第３段階を順次に繰り返し行って前記基板上に複数のプローブをボンディングすることによって、前記基板上に所定のプローブ配列を形成することを特徴とするプローブボンディング方法。
前記第１段階と第２段階との間に、前記ステージを前記マイクロスコープのフォーカスからアンローディングしてプローブフィーディングのための空間を確保する段階をさらに備え、
前記第２段階は、前記アンローディングされたステージを前記マイクロスコープのフォーカスにローディングして前記基板上の所定地点を前記プローブの一端部に接触させる段階であることを特徴とする請求項７に記載のプローブボンディング方法。
前記第２段階の前に、前記マイクロスコープのフォーカスに位置したプローブ固定装置部の所定部分に前記プローブを固定して該プローブをマイクロスコープのフォーカスに合わせる段階をさらに備え、
前記第３段階の後に、前記ボンディングされたプローブを前記プローブ固定装置部の所定部分から固定解除する段階をさらに備えることを特徴とする請求項８に記載のプローブボンディング方法。
前記第２段階は、前記マイクロスコープのフォーカスに位置したプローブ固定装置部の所定部分に前記プローブを固定して前記プローブをマイクロスコープのフォーカスに合わせることによって、前記プローブを前記基板上の所定地点に接触させる段階であり、
前記第３段階の後に、前記ボンディングされたプローブを前記プローブ固定装置部から固定解除する段階をさらに備えることを特徴とする請求項７に記載のプローブボンディング方法。