JP2007003334A - プローブ組立体およびこれを用いた電気的接続装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来に比較して安価なプローブ組立体を提供すること。
【解決手段】 一方の面にプローブが配置され、また他方の面に各プローブに電気的に接続された接続端子が配置されるセラミックス基板を複数の基板部分に分割して形成し、フレームを用いて、これら複数のセラミックス基板部分を一枚板のように一体的に保持することにより、所望の大きさのプローブ基板を得る。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気回路の電気的検査のために、被検査体である例えば集積回路の電気回路とその電気的検査を行うテスタの電気回路との接続に用いられるプローブカードのような電気的接続装置、この電気的接続装置に用いられるプローブ組立体に関する。

この種の電気的接続装置の１つとして、セラミックス製のいわゆるプローブ基板と、プローブ基板の一方の面に配置された複数のプローブとを有するプローブ組立体を備えるものがある（特許文献１及び２）。
特開平６−１４０４８４号公報 特開平１１−１６０３５６号公報

このような電気的接続装置のプローブ基板を構成するセラミックス板には、半導体ウエハ上に形成された多数の集積回路のそれぞれに設けられた多数の接続パッドに対応して、多数の微細なプローブが整列して配置される。正確な電気的測定の実現のために、これら全てのプローブの先端を所定の誤差内の均等な押圧力で対応する各接続パッドに当接させる必要がある。そこで、多数のプローブが設けられるセラミックス板には、高い平坦度が要求される。

ところが、このような高い平坦度の要求を満たす大型の一枚板のセラミックス板を形成する加工技術は容易ではない。このことから、この高い平坦度の要求を満たすセラミックス板のうち、市場で入手し得るセラミックス板の最大直径は、たかだか８インチ（約２００ｍｍφ）程度であり、これよりも大型の所望の平坦度を満たすセラミックス板は極めて高価となる。

そのため、従来では、８インチを越える直径のセラミックス板を安価に入手することができず、８インチを越える直径のセラミックス基板を備える大型のプローブ組立体を安価に製造することはできない。したがって、一括的に測定し得る最大直径の半導体ウエハは、実質的に、８インチ以下のものに限られていた。また、８インチを越える大型の半導体ウエハ上に形成された多数の集積回路の電気的測定では、半導体ウエハを複数の検査領域に分けて、検査領域毎で集積回路の測定が繰り返えされており、この繰り返しによる検査効率の低下を招いていた。

そこで、本発明の目的は、従来に比較して安価なプローブ組立体及びこれを用いた電気的接続装置を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、従来に比較して安価な大型のプローブ組立体及びこれを用いた電気的接続装置を提供することにある。

本発明は、前記した課題の解決のために、セラミックス基板を複数の基板部分に分割して形成し、フレームを用いて、これら複数のセラミックス基板部分を並べて一枚板のように一体的に保持することにより、所望の大きさのプローブ基板を実現するという基本構想に立脚する。

すなわち、本発明に係るプローブ組立体は、複数のセラミックス基板部分であってそれぞれの一方の面に複数のプローブが配置され、またそれぞれの他方の面に、前記一方の面に配置された前記複数のプローブのそれぞれに電気的に接続された複数の接続端子が配置され、面上に並べられた複数のセラミックス基板部分と、該複数のセラミックス基板部分を一体的に保持するフレームとを備えることを特徴とする。

本発明によれば、面上に相互に並んで配置される複数のセラミックス基板部分の集合により、一枚板のようなセラミックス基板を形成することができ、個々のセラミックス基板部分の小面積化を図ることができる。この個々のセラミックス基板部分の小面積化により、それらの集合体で実現できると同一面積を有する単一のセラミックス基板の平坦化加工に比較して、それぞれのセラミックス基板部分の平坦化加工が容易になることから、８インチを越える大型のものをも含み、所望の大きさのセラミックス基板を有するプローブ組立体を従来に比較して容易かつ安価に提供することができる。

前記複数のセラミックス基板部分を前記他方の面が同一面上に整列するように保持することができ、これにより、多数のプローブを高密度に整列して配列することができる。

全体に環状の外枠部と、該外枠部で取り囲まれた内方領域内を区画する内枠部とを備えるフレームを用いることができ、この場合、前記複数のセラミックス基板部分は、前記区画された内方領域部分に対応してそれぞれ配置することができる。

前記外枠部を円環状に形成し、前記内枠部を十字状に形成し、前記各セラミックス基板部分を四半円の平面形状に形成することができる。
この場合、例えば８インチのセラミックス基板よりも小さな面積の平面形状を有する一辺が約１５０ｍｍの正方形のセラミックス板から直径が９インチ（約３０４.８ｍｍφ）の四半円の１枚のセラミックス基板部分を得ることができる。これら４枚の四半円のセラミックス基板部分を前記フレームにより円形に保持することにより、実質的に約９インチのセラミックス基板を得ることができるので、８インチを越える半導体ウエハ上に形成された多数の集積回路の一括的な電気的試験が可能となる。

前記フレームに位置決めピンを設け、前記各セラミックス基板部分に各位置決めピンを受け入れるピン穴を設けることができる。このピン及びピン穴の両者の嵌合により、前記フレームへの前記各セラミックス基板部分の組み付け作業を容易とすることができる。

前記各セラミックス基板部分は接着剤で前記フレームに固着することができる。

前記セラミックス基板部分と前記フレームとの熱膨張係数差を１ｐｐｍ以下とすることにより、たとえ環境温度が上昇しても、両者の熱膨張差によるセラミックス基板のひずみの実質的な影響を排除することができる。そのために、例えばフレームに鋼の一種であるノビナイトSI-５（スーパーインバー、商品名 株式会社 榎本鋳工所製）を用い、セラミック基板部分にアルミナ積層基板（ＨＴＣＣ基板）を用いることができる。

前記セラミックス基板部分の前記一方の面に配線層を形成し、該配線層に各プローブが固着されるプローブランドを前記一方の面から遠ざかる方向へ突出して形成し、該各プローブランドの突出する端面に、前記各プローブを固着することができる。

各プローブランドに例えばフォトリソグラフィで形成されたカンチレバータイプのプローブを固着することにより、セラミックス基板部分に効率的にプローブを配置することができる。

また、前記各プローブランドの前記端面をほぼ同一面上に位置させることにより、各プローブランドに等しい高さ寸法のプローブを固着することで、プローブの先端をほぼ同一面上に揃えることができる。

本発明に係る電気的接続装置は、テスタと、該テスタによる電気的検査を受ける被検査体の電気接続端子とを接続する電気的接続装置であって、前記テスタに接続される配線回路が形成された配線基板と、前記被検査体の電気接続端子に先端が当接される複数のプローブを有するプローブ組立体と、前記配線基板および前記プローブ組立体間に配置され前記プローブを前記配線回路の対応する部位に電気的に接続する電気接続器とを備え、前記プローブ組立体は、それぞれに複数の前記プローブが形成され面上に並べられた複数のセラミックス基板部分と、該セラミックス基板を一体的に保持するフレームとを有することを特徴とする。

本発明に係る電気的接続装置によれば、そのプローブ組立体は、複数のセラミックス基板部分と、該セラミックス基板を一体的に保持するフレームとを有することから、複数のセラミックス基板部分の集合により、一枚板のようなセラミックス基板を形成することができる。したがって、従来に比較して安価に、所望の大きさのセラミックス基板を有するプローブ組立体を組み込んだ電気的接続装置を提供することができる。また、例えば８インチを越える半導体ウエハ上に形成された多数の集積回路の一括的な電気的検査が可能な安価な電気的接続装置を提供することができるので、電気的検査の作業効率が向上する。

本発明によれば、前記したように、複数のセラミックス基板部分をフレームによって一体的に保持することにより、所望の大きさのプローブ基板を実現することができるので、容易に安価なプローブ組立体を得ることができ、またこのプローブ組立体を用いた電気的接続装置を安価に提供することができる。

本発明に係るプローブ組立体１０が、図１ないし図３に示されている。図１はプローブ組立体１０を下方より見た斜視図であり、図２はプローブ組立体１０の正面図であり、図３はプローブ組立体１０の平面図である。
プローブ組立体１０は、図１および図２に示すように、全体に円形環状のフレーム１２と、該フレームに支持された４枚のセラミックス基板部分１４ａから成るセラミック板１４と、該セラミック板の一方の面に配置された多数のプローブ１６とを備える。

フレーム１２は、例えばノビナイトSI-５のような熱膨張係数の小さな（０〜１×１０^-6／Ｋ、ここで、Ｋは２９３〜３２３Ｋ。）金属材料で形成されている。図３および図４に明確に示されているように、フレーム１２は円形の環状部１２ａと、該環状部によりその内方に規定される円形領域を４分する十字状の内枠部１２ｂとを備える。内枠部１２ｂの各端部は環状部１２ａに連なる。図４に示すように、フレーム１２の下面における環状部１２ａと内枠部１２ｂとの一体化部分および内枠部１２ｂの交差部分のそれぞれには、セラミックス基板部分１４ａのための位置決めピン１８がフレーム１２と一体に形成されている。

各セラミックス基板部分１４ａは、図１および図５に示すように、フレーム１２の環状部１２ａのほぼ外径に等しい円形の四半円の平面形状を有する。このようなセラミックス基板部分１４ａは、例えば、正方形のセラミックス板の一隅を扇の要とし、この要から互いに９０度の角度関係で伸びる２辺の先端を結ぶ直線を弦とする弧が形成されるように、正方形のセラミックス板を加工することにより、一枚の正方形のセラミックス板からその一辺を半径とする４半円の平面形状のセラミックス基板部分１４ａを得ることができる。

前記したような正方形のセラミックス板の加工により、例えば８インチのセラミックス基板よりも小さな面積の平面形状を有する、一辺が１５０ｍｍの正方形のセラミックス板から直径が９インチ（約３０４.８ｍｍφ）の四半円の１枚のセラミックス基板部分１４ａを得ることができる。このようなセラミックス板には、熱膨張係数が前記ノビナイトとほぼ同様な値を示すアルミナ積層基板（High Temperature Cofired Ceramic Substrate）を用いることが好ましい。

各セラミックス基板部分１４ａの一方の面には、図１および図２に示すように、従来よく知られた多層配線層２０が形成されており、該配線層の表面には、プローブランド２２（図７参照）が形成されている。プローブランド２２はセラミックス基板部分１４ａの一方の面から突出して形成されており、各プローブランド２２には、例えば従来よく知られたフォトリソグラフィを利用して形成されたカンチレバータイプの前記プローブ１６の一端が固着されている。図２には、図面の簡素化のためにプローブランド２２は省略されている。

各セラミックス基板部分１４ａの他方の面には、図５に示されているように、各プローブ１６に対応して、すなわち各プローブランド２２に対応して接続端子２６が設けられている。セラミックス基板部分１４ａ内には、従来のセラミック基板におけると同様に、板厚方向に貫通するスルーホールからなる導電路（図示せず）が設けられており、該各導電路を経てプローブランド２２に接続されたプローブ１６と、これに対応する接続端子２６とが電気的に接続されている。

また、各セラミックス基板部分１４ａの上面すなわち前記他方の面には、接続端子２６の配列領域を除く周辺部に、フレーム１２への各セラミックス基板部分１４ａの適正な位置決めを容易とするために、フレーム１２に設けられた位置決めピン１８を受け入れるピン穴２８がそれぞれ形成されている。さらに、図示の例では、セラミックス基板部分１４ａの前記上面における接続端子２６間の隙間には、図２および図３に示すように、同一面上に頂面を整列させて配置された円柱状の複数のアンカー部３０が形成されている。各アンカー部３０は、プローブ組立体１０の後述する電気的接続装置３２の補強枠体４０への結合に用いられる。各アンカー部３０には、上端に開放する図３に示すような雌ねじ穴３０ａが形成されている。なお。図３では、図面の簡素化のために、接続端子２６が省略されている。

各セラミックス基板部分１４ａは、上面をフレーム１２の下面に対向させて、それぞれに設けられたピン穴２８にフレーム１２の位置決めピン１８を受け入れるように、フレーム１２の下面に配置される。このピン穴２８と位置決めピン１８との嵌合により、図３に示すように、各セラミックス基板部分１４ａの外縁がフレーム１２の環状部１２ａおよび内枠部１２ｂに接し、また環状部１２ａの内方領域が各セラミックス基板部分１４ａで閉鎖されるように、セラミックス基板部分１４ａがフレーム１２に整列して配置される。このフレーム１２へ整列した状態で、セラミックス基板部分１４ａの外縁がこれに接する環状部１２ａおよび内枠部１２ｂに、例えば樹脂接着材、半田接合あるいはロウ付けのような接着手段を用いて、接着される。

セラミックス基板部分１４ａのフレーム１２への接着により、セラミックス基板部分１４ａは、一枚板のセラミックス基板のように、各プローブ１６の先端が同一面上に揃うように保持され、全体に円板状のプローブ組立体１０が構成される。各セラミックス基板部分１４ａの相互に対向する縁部は、許容誤差を考慮して相互に間隔を置くことができるが、強度を高める上で、相互に接合させることが望ましく、そのために相互に接着剤で接着することができる。

本発明のプローブ組立体１０によれば、前記したように、４枚の環状部セラミックス基板部分１４ａをフレーム１２で一体的に保持させることにより、８インチを越える３００ｍｍφのセラミック基板１４を形成することができる。
また、複数のセラミックス基板部分１４ａに分割されていることから、各セラミックス基板部分１４ａの平坦度を高精度で制御することができ、比較的容易かつ安価に大型のプローブ組立体を提供することができる。

また、セラミックス基板部分１４ａおよびフレーム１２をほぼ同一の熱膨張係数を有する材料から選択することにより、例えば２００℃の高温環境下においても、両者１２、１４ａの熱膨張差によるセラミックス基板部分１４ａへの大きなひずみの発生を防止することができ、セラミック板１４に設けられるプローブ１６の先端位置の大きなばらつきを防止することができる。

前記したところでは、各セラミックス基板部分１４ａにプローブ１６を固定した後、各セラミックス基板部分１４ａをフレーム１２に固定した例を示した。これに代えて、図６に示すように、セラミックス基板部分１４ａにプローブ１６を固定するに先立ち、各セラミックス基板部分１４ａをフレーム１２に固定し、その後、セラミックス基板部分１４ａの多層配線層２０に形成されたプローブランド２２にプローブ１６を固定することができる。

位置決めピン１８およびピン穴２８を不要とすることができる。しかしながら、セラミックス基板部分１４ａのフレーム１２上への容易かつ正確な位置決めを可能とする上で、位置決めピン１８およびピン穴２８を設けることが望まし。

図７は、本発明に係るプローブ組立体１０を組み込んだ電気的接続装置３２の要部を示す断面図である。
電気的接続装置３２は、半導体ウエハ３４上に形成された多数の集積回路の電気接続検査を行うために、前記集積回路の接続パッド（図示せず）と、検査のためのテスタ３６との間を電気的に接続する。

電気的接続装置３２は、テスタ３６に接続された円形の配線基板３８の上面を支持する補強枠体４０と、配線基板３８に間隔をおいてその下方に配置されるプローブ組立体１０と、該プローブ組立体１０および配線基板３８間に配置される電気接続器４２とを備える。

配線基板３８は、従来よく知られているように、合成樹脂基板内にテスタ３６に接続される配線回路が組み込まれて形成されており、その下面には、前記配線回路に接続された接続パッド（図示せず）が形成されている。プローブ組立体１０は、その接続端子２６を対応する配線基板３８の前記接続パッドに対向させて、配線基板３８の下方に組み付けられる。

プローブ組立体１０の組付けのために、プローブ組立体１０のプローブ基板の縁部を挟持するベースリング４４および固定リング４６がボルト４８で相互に結合されている。ベースリング４４は、補強枠体４０および配線基板３８を貫通するボルト５０に螺合し、該ボルトの締め付けより、スペーサ５２を介して補強枠体４０に締結されている。多層配線層２０が形成されたセラミックス基板部分１４ａの集合体からなるセラミック板１４およびセラミックス基板部分１４ａを一体的に保持するフレーム１２からなるプローブ基板の縁部が、両リング４４および４６の内縁部で挟持される。

ベースリング４４の内方には、配線基板３８およびプローブ組立体１０間に配置された電気接続器４２が収容されている。電気接続器４２は、プローブ組立体１０の接続端子２６と、これに対応する配線基板３８の前記接続パッドとを電気的に接続する。図示の例では、電気接続器４２にポゴピンタイプの電気接続器４２が用いられている。電気接続器４２の各圧縮コイルスプリング４２ａを間に挟む各一対のポゴピン４２ｂを摺動可能に収容するポゴピンブロック４２ｃは、補強枠体４０に螺合するボルト５４で補強枠体４０に固定されている。

また、プローブ組立体１０は、補強枠体４０から配線基板３８およびポゴピンブロック４２ｃを貫通し、先端がセラミックス基板部分１４ａに設けられたアンカー部３０の雌ねじ３０ａに螺合するボルト５６により、補強枠体４０に結合されている。ボルト５６には、一端が補強枠体４０の下面４０ａに当接し、他端がアンカー部３０の頂面に当接するスペーサ部材５８が嵌合する。

アンカー部３０の頂面は、各セラミックス基板部分１４ａをフレーム１２に固定した状態で同一面上に位置するように揃えることができる。これにより、図７に示すようにフレーム１２に固定した状態でセラミックス基板部分１４ａにわずかなたわみが生じても、同一長のアンカー部材５８を用いて、たわみを維持した状態でプローブ組立体１０を組み込むことができる。したがって、アンカー部３０は、スペーサ部材５８と共に、スペーサとして機能する。

同様に、各セラミックス基板部分１４ａをフレーム１２に固定した状態で、プローブランド２２の下端が同一面上に位置するように該プローブランド２２の下端面を揃えることができる。このように、フレーム１２に固定した状態でセラミックス基板部分１４ａのたわみの有無に拘わらずプローブランド２２の下端面を揃え、プローブランド２２に同一長のプローブ１６を固着することにより、たとえプローブ組立体１０のセラミック板１４にたわみが生じても、このたわみを矯正することなく、プローブ１６の下端すなわち先端を同一面上に揃えることができるので、半導体ウエハ３４上の多数の前記接続パッドと対応する多数のプローブ１６との間の確実な電気的接触を得ることができる。

本発明に係る電気的接続装置３２によれば、プローブ組立体として前記したプローブ組立体１０が組み込まれており、このプローブ組立体１０は、比較的容易かつ安価に例えば８インチを越える半導体ウエハ上に形成された多数の集積回路の一括的な電気的検査に適応し得る大きさに形成することができることから、半導体ウエハ３４の前記集積回路についての電気的検査の作業効率が向上する。

本発明は、上記実施例に限定されず、その趣旨を逸脱しない限り、種々に変更することができる。たとえば、フレームは、前記したノビナイの他、プローブ組立体のセラミックス基板部分１４ａの熱膨張係数にほぼ等しい１ｐｐｍ以下の値を示す金属あるいは非金属材料の種々の材料から適宜選択することができる。また、プローブとして、前記したカンチレバータイプの他、ピンタイプのような種々のプローブを適用することができる。

本発明に係るプローブ組立体を下方から見た斜視図である。 図１に示したプローブ組立体の正面図である。 図１に示したプローブ組立体の平面図である。 図１に示したフレームを下方から見た斜視図である。 図１に示したセラミックス基板部分を上方から見た斜視図である。 図１に示したプローブ組立体の製造工程の変形例をフレームを破断して示す図２と同様な図面である。 本発明に係るプローブ組立体を備える電気的接続装置の要部を示す横断面図である。

符号の説明

１０ プローブ組立体
１２ フレーム
１２ａ フレームの環状部
１２ｂ フレームの内枠部
１４ セラミック板
１４ａ セラミックス基板部分
１６ プローブ
１８ 位置決めピン
２０ 多層配線層
２２ プローブランド
２６ 接続端子
２８ ピン穴

Claims (11)

1. 複数のセラミックス基板部分であってそれぞれの一方の面に複数のプローブが配置され、またそれぞれの他方の面に、前記一方の面に配置された前記複数のプローブのそれぞれに電気的に接続された複数の接続端子が配置され、面上に並べられた複数のセラミックス基板部分と、該複数のセラミックス基板部分を一体的に保持するフレームとを備えるプローブ組立体。
2. 前記複数のセラミックス基板部分は前記他方の面が同一面上に整列して保持されている、請求項１に記載のプローブ組立体。
3. 前記フレームは、全体に環状の外枠部と、該外枠部で取り囲まれた内方領域内を区画する内枠部とを備え、前記複数のセラミックス基板部分は、前記区画された領域部分に対応してそれぞれ配置されている、請求項２に記載のプローブ組立体。
4. 前記外枠部は円環状を呈し、前記内枠部は十字状を呈し、前記各セラミックス基板部分は四半円の平面形状を有する、請求項３に記載のプローブ組立体。
5. 前記フレームには位置決めピンが設けられ、前記各セラミックス基板部分には各位置決めピンを受け入れるピン穴が形成されている、請求項２に記載のプローブ組立体。
6. 前記各セラミックス基板部分は接着剤で前記フレームに固着されている、請求項２に記載のプローブ組立体。
7. 前記セラミックス基板部分と前記フレームとの熱膨張係数差は１ｐｐｍ以下である、請求項２に記載のプローブ組立体。
8. 前記セラミックス基板部分の前記一方の面には配線層が形成され、該配線層には各プローブが固着されるプローブランドが前記一方の面から遠ざかる方向へ突出して形成されており、該各プローブランドの突出する端面に、前記各プローブが固着されている請求項２に記載のプローブ組立体。
9. 前記各プローブランドの前記端面はほぼ同一面上に位置する、請求項８に記載のプローブ組立体。
10. テスタと、該テスタによる電気的検査を受ける被検査体の電気接続端子とを接続する電気的接続装置であって、
    前記テスタに接続される配線回路が形成された配線基板と、前記被検査体の電気接続端子に先端が当接される複数のプローブを有するプローブ組立体と、前記配線基板および前記プローブ組立体間に配置され前記プローブを前記配線回路の対応する部位に電気的に接続する電気接続器とを備え、
    前記プローブ組立体は、それぞれに複数の前記プローブが形成され面上に並べられた複数のセラミックス基板部分と、該複数のセラミックス基板を一体的に保持するフレームとを有する電気的接続装置。
11. 複数のセラミックス基板部分のそれぞれの一方の面には複数の前記プローブが形成され、またそれぞれの他方の面に、前記一方の面に形成された前記複数のプローブのそれぞれに電気的に接続された複数の接続端子が形成されている、請求項１０に記載の電気的接続装置。

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