JP2007271472A - 異種金属接合型プローブピンとその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】接触部が本体部と異なった金属で構成された異種金属接合型プローブピンにおいて、製造時の熱影響を受けることがなく耐久性に優れたプローブピンを提供する。
【解決手段】ＷやＲｅ−Ｗ，あるいはＢｅ−Ｃｕなどからなる本体部の先端部に、同本体部と異なる先端接合金属を接合した異種金属型プローブピンにおいて、本体部１と先端接合金属２とを超音波振動型接合装置２０により接合し、接合後先端接合金属２および接合部３を本体部１（の先端部）とともに尖頭加工してプローブピンの先端接触部を形成した。
【選択図】図２

Description

本発明は、ＬＳＩチップなどの半導体集積回路の電気的諸特性を測定する際に用いられるプローブピン、特に異種金属接合型プローブピンとその製造方法に関する。

一般に、プローブピンは、硬くて弾性の高い金属、たとえばＷ（Ｗ系合金を含む）やＢｅ（Ｂｅ系合金を含む）を素材としたものが用いられている。特にＷ（Ｗ系合金を含む）を素材としたものは、耐磨耗に優れており、直径が数十ミクロンの線材を安価に入手可能なことから広く用いられている。

しかしながら、Ｗ（Ｗ系合金を含む）を素材としたプローブピンは、数万回程度の使用で電極との接触抵抗が大きくなり、最終的には電気的諸特性の測定が不可能となる、という欠点ある。

このような欠点に対処したものとして、特許文献１に記載のプローブピン（従来例１）が従来提案されている。
このプローブピンは、図６に示すように、本体部０１をＷで構成し、この本体部０１の先端部に、Ｗと異なる金属（１例としてはＡｕ−Ｃｕ−Ａｇ−Ｎｉ合金）からなり先端部が半球状（あるいは尖った円錐状）に形成された先端接合金属（接触部）０２を融着により結合して形成されている。

このほか、特許文献２に記載のプローブピン（従来例２）も提案されている。
このプローブピンは、図７に示すように、本体部０１１をＷ（Ｗ系合金を含む）で構成し、この本体部０１１の先端部に本体部と異なる金属、たとえばＰｄ合金からなり先端部が研磨されて先鋭化されている先端接合金属（接触部）０１２を溶接で接合して形成されている。

そしてこれら従来例１および従来例２のプローブピンは、いずれも接触部が本体部を構成するＷ（Ｗ系合金を含む）と異なる金属から形成されていて、コンタクト回数（検査回数）を増大しても低い接触抵抗を安定して維持できるという特徴を有するものの、次のような問題点がある。

すなわち、上述の従来例１および従来例２のプローブピンは、本体部の先端部に、本体部を構成するＷ（Ｗ系合金を含む）と異なる金属（たとえばＡｕ−Ｃｕ−Ａｇ−Ｎｉ合金やＰｄ合金）からなる先端接合金属（接触部）を溶接乃至融着により接合する構成であるので、結合時の溶接乃至融着時の熱影響により、強度が低下してバネ特性や耐磨耗が低下してしまう。また接合面に溶接特有の「巣」が発生し、これが接合強度の低下につながり、折れたり外れたりする原因なるというような不具合がある。
特開平５−４１４２５号公報 特開２０００−１３７０４２号公報

本発明は、上述のような従来の異種金属接合型プローブピンにおける不具合に対処しようとするもので、先端接触部（先端部）が本体部と異なった金属で構成されるという異種金属型プローブピンにおいて、細径化した場合に高い針圧を得るために本体部をＷのような強度の高い金属で形成し、先端接触部はパッド材料が付着せず接触抵抗値が低く安定したＡｕ合金、Ｐｄ合金あるいは純Ｎｉなどで形成し、熱影響による強度劣化および溶接などによる本体部と接触部との接合部に「巣」が発生しない、耐久性に優れたプローブピンおよびその製造方法を提供しようとするものである。

本発明は、ＷやＲｅ−Ｗ，あるいはＢｅ−Ｃｕなどからなる本体部の先端部に、同本体部と異なる先端接合金属を接合した異種金属型プローブピンにおいて、本体部と先端接合金属との接合面に中庸な圧力を加えながら強力な超音波を与えて接合面を並行振動させることにより、原子拡散を誘起させ、相互金属の原子結合を行って両部材を接合（超音波接合）した点を特徴とする。

さらに本発明は、ＷやＲｅ−Ｗ，あるいはＢｅ−Ｃｕなどからなる本体部の先端部に同本体部と異なる先端接合金属を接合した異種金属接合型プローブピンの製造方法において、上記の本体部と先端接合金属との接合を超音波拡散接合により行い、上記の先端接合金属および接合部を上記本体部とともに尖頭加工して先端接触部を形成したことを特徴とする。

本発明の異種金属接合型プローブピンによれば、先端接触部が本体部と異なった金属からなる構成であるので、本体部を細径化した場合に高い針圧を得るために強度の高いＷ等で形成し、先端接触部をパッド材料が付着せず接触抵抗値が低く安定したＡｕ合金、Ｐｄ合金あるいは純Ｎｉなどの先端接合金属で形成することが可能となる。

また、先端接合金属の本体部への結合が容易であり、さらに、メッキにより異種金属を析出結合させるケ−スの様に、接合しようとする先端部金属に制約を受けることがなく、したがって機械的特性の異なる多種類の金属材料の結合が可能となる。

先端接合金属（接触部）と本体部との結合が原子拡散を誘起させて行われるため、若干の加熱を必要とするが、通常溶接の様に、金属材料融点まで加熱させる必要はなく、接合部近傍の強度低下、あるいは溶接特有の巣が発生することはなく、プローブピンの要求特性である数十万回という繰り返しコンタクト時での耐座屈性、耐折損性が得られる。
さらに、ロウ付け接合やメッキによる異種金属の析出結合の場合のような、フラックス、表面処理（洗浄処理）というような特別な処理、装置を必要としない。

先端接合金属としては、Ａｕ合金、Ｐｄ合金あるいは純Ｎｉが好ましい。
Ａｕ合金としては、Ａｕ：６０〜８０ｗｔ％に、Ａｇ：５〜３０ｗｔ％、Ｐｔ：５〜１５ｗｔ％金合金のいずれか又は両方を含有し、残部が亜鉛又は銅、あるいは亜鉛と銅である合金がさらに好ましく、Ｐｄ合金としては、Ｐｄ：３０〜４０ｗｔ％、Ａｇ：２５〜３５ｗｔ％、Ａｕ：５〜１５ｗｔ％、Ｐｔ：５〜１５ｗｔ％、Ｚｎ：０．５〜１０ｗｔ％、残部がＣｕの組成で構成するのが好ましい。
上記範囲の含有量としたのは、先端接合金属（接触部）の延性が増加して加工性が向上し、また時効硬化特性を付与することができ強度が増加するからである。

以下本発明を図とともに具体的に説明する。
図１は本発明のプローブピンの製造過程を示す系統図、図２は接合装置の概要図、図３は製造されたプローブピンの側面図、図４は引張り試験装置の概略図、図５は抗折試験装置の概略図である。

始めに、図１により本発明のプローブピンの製造過程を説明する。
図１おいて、符号１はＷやＲｅ−Ｗ，あるいはＢｅ−Ｃｕなどの金属線からなる本体部を、符号２は本体部１の先端部に超音波接合により接合される金属線（本体部と異なる例えば、Ａｕ：６０〜８０ｗｔ％に、Ａｇ：５〜３０ｗｔ％、Ｐｔ：５〜１５ｗｔ％のいずれか又は両方を含有し、残部が亜鉛又は銅、あるいは亜鉛と銅の両方であるＡｕ合金線か、Ｐｄ：３０〜４０ｗｔ％、Ａｇ：２５〜３５ｗｔ％、Ａｕ：５〜１５ｗｔ％、Ｐｔ：５〜１５ｗｔ％、Ｚｎ：０．５〜１０ｗｔ％、残部がＣｕの組成で構成するＰｄ合金線、あるいは純Ｎｉ線）からなる先端接合金属を示しており、これら両金属線は一直線上に配置されている（ステップａ）。

ステップａに示す状態から、本体部１と先端部接合金属２とを一直線上配置状態を保持しながらそれらの端部を突き合わせ、この状態のもとで本体部１と先端部接合金属２との接合面が超音波接合により接合される。符号３は接合面を示す（ステップｂ）。
次に先端部接合金属２を適宜長さに切断し（ステップｃ）、先端部接合金属２および接合面３を本体部１（の先端部）とともに尖頭加工して先細の先端接触部４を形成してプローブピン１０を得る（ステップｄ）。さらに、最終工程として先端接触部４を本体部１の軸線に対してほぼ直角状に折り曲げる曲げ加工が施される（ステップｅ）。

図２は超音波振動型接合装置２０を示しており、本体部１が接合装置２０の本体部固定治具１３に、先端部接合材料２が接合装置２０のワイヤクランプ型超音波振動子１４に、それぞれ本体部１と先端部接合材料２とを平行状態でそれらの端部を突き合わした状態で固定される。

この固定状態を保持したままで、先端部接合金属２を油圧または空気圧により、矢６の示す方向（両者の軸線方向）に加圧する。加圧荷重は例えば１〜１５０ｇが適当である。 これと同時に、超音波発信装置（図示せず）により発信された超音波振動（例えば４０〜７０ｋｈｚ）をワイヤクランプ型超音波振動子１４により機械振動に変換して、本体部１と先端部接合金属２とを上記の加圧の荷重方向（矢６の示す方向）と直交する方向（矢５の示す方向）に並行振動させる。これにより、両金属の接合面に原子拡散を誘起させ、相互金属の原子結合となる異種金属同士の中間金属層を生成し接合する超音波拡散接合が行われる。

上記の超音波拡散接合の際、接触している金属面に局所的なスリップや弾性変形が起こり温度上昇は発生するが、超音波拡散接合は溶接ほど金属の溶融を必要とせず、その温度上昇は通常接合する金属の融点の３５％〜５０％程度であるため、両金属面の接合を低温下で行うことが可能となる。また、溶接前の金属表面には酸化被膜や汚れが付着していても振動によりそれらは破壊、飛散して清浄な面同士が接触し、さらに振動が継続することにより原子拡散を誘起させるので、確実な接合が可能となる。

図３は上記のステップａ〜ｄにより製造したプローブピン１０の一例の形状を示すもので、この例では、プローブピン１０は、φ０．１５mmのＲｅ−Ｗ素材に厚さ２．０μmのＮｉメッキｎを施した本体部（母材）１の先端部に、先端部接合材料２として、純Ｎｉ、Ｐｄ合金あるいはＡｕ合金を超音波拡散接合して形成されている。

Ｒｅ−Wと、純Ｎｉ、Ｐｄ合金あるいはＡｕ合金とを超音波拡散接合した時の接合面の接合強さを測定する試験（接合強度試験）を行なった。次にその試験について説明する。
テストピ−スはいずれも径０．１ｍｍの線材であり、引張り試験と抗折試験との２種の試験を行った。
図４は引張り試験装置を示している。この装置は上下一組のチャック２１、２１を備えている。チャック２１、２１間の寸法Ｌ１は５０mmである。
試験は、チャック２１、２１間のほぼ中央部に接合面３０ａが位置するように、テストピ−ス３０をチャック２１、２１に取り付け、下側のチャック２１をテストスピ−ドＳ1 ＝１mm/mimで下方に引張り、テストピ−ス３０の接合面３０ａの切断時の引張り強さ（ＭＰａ）および伸び（％）を計測した。

図５は抗折試験装置を示している。この装置はスパンＬ２＝７mmの間隔で配置された左右一組のロ−ラ２２、２２を備えている。
試験は、ロ−ラ２２、２２間のほぼ中央部に接合面３０ａが位置するように、テストピ−ス３０をロ−ラ２２、２２上に載置し、接合面（付近）をテストスピ−ドＳ２＝４mm/mimで下方に押下げ、接合面３０ａの折り曲げ時の抗折力（Ｎ／ｍm²）を計測した。 表１にこれらの試験の結果を示す。なお、表１には、同種の金属を従来技術により接合（Agロウ付け）した場合について同様の試験を行いその結果も併せ記述してある。

本発明の実施形態に示した先端部接合材料２としての純Ｎｉ、Ｐｄ合金あるいはＡｕ合金の物性を、参考までに表２に示す。

表１を参照することにより、先端部接合材料２を超音波拡散接合により本体部１に接合した構成を採用するとき、従来技術による接合（Agロウ付け）による場合よりも、接合面３０ａの「引張り強さ」、「抗折力」は優れており、しかも表２を参照すると、超音波拡散接合した時の物性、特に引張り強さ、抗折力は殆ど変化していないことが判明した。

このように、この実施形態の異種金属接合型プローブピンは、本体部が強度の高いＲｅ−Ｗで形成されているため、細径化しても高い針圧を得ることができ、先端部はＡｕ合金、Ｐｄ合金あるいは純Ｎｉで形成されているので、パッド材料が付着せず、また接触抵抗値が低く安定している。さらに、本体部と先端部との接合が低温下で行われるので、接合時における熱影響による強度劣化や、溶接などによる本体部と接触部との接合部に「巣」発生することがなく、耐久性に優れたものである。

本発明のプローブピンの製造過程を示す系統図である。 接合装置の概要図である。 製造されたプローブピンの側面図である。 引張り試験装置の概略図である。 抗折試験装置の概略図である。 従来のプローブピンの側面図である。 従来の他のプローブピンの側面図である。

符号の説明

１：本体部（母材）
２：先端部接合金属（接触部、先端部）
３：接合面（接合部）
１０：プローブピン
１３：本体部固定治具
１４：ワイヤクランプ型超音波振動子
２０：超音波振動型接合装置
３０：テストピ−ス

Claims (2)

1. タングステンやレニウムタングステン，あるいはベリリウム銅などからなる本体部の先端部に同本体部と異なる先端接合金属を接合した異種金属接合型プローブピンにおいて、上記の本体部と先端接合金属との接合が超音波拡散接合であることを特徴とする異種金属接合型プローブピン。
2. タングステンやレニウムタングステン，あるいはベリリウム銅などからなる本体部の先端部に同本体部と異なる先端接合金属を接合した異種金属接合型プローブピンの製造方法において、上記の本体部と先端接合金属との接合を超音波拡散接合により行い、上記の先端接合金属および接合部を上記本体部とともに尖頭加工して先端接触部を形成したことを特徴とする異種金属接合型プローブピンの製造方法。