JP2008205282A - プローブカード - Google Patents

Abstract

【課題】半導体集積回路素子のデバイス特性測定に用いるプローブカードの電気特性向上のために、特に、差動インターフェースを有する素子の電気的特性を精度良く測定すること、差動信号とその他の信号を同一のプローブカードで測定することによりコストを低減する。
【解決手段】プローブカードはプローブ針１４となる金属線をプリント基板１３上の配線電極から固定樹脂１７まで、差動インピーダンスを考慮した間隔に配列する。またこの金属線を誘電体１５で被覆する。電気的特性を精度良く測定することができる。またプローブ針となる金属線は、固定樹脂から半導体集積回路素子の電極に接触するプローブ針の先端部分において、差動信号を測定するプローブ針と、その他の信号を測定するプローブ針とが同じ形状であるために、これらの信号を同一プローブカードで測定できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、ウエーハ状態の半導体集積回路素子の電気的特性を測定するプローブカードに関するものである。

従来のプローブカードは、一般に円形プリント基板の中央に開口部を設け、この周辺に被測定物であるシリコンなどの半導体基板で構成されたウェーハ内に形成された複数の半導体集積回路素子に配置された接続電極（通常パッドといわれている）の配列に合わせてプローブ針を配列したものである。プローブ針は、タングステン等の弾性のある金属材料で出来ており、カンチレバータイプのばね構造となっている。このプローブ針をプリント基板の配線電極にはんだ付け等で固定し、電気的な接続と機械的な固定を行っている。プリント基板中では、配線がストリップライン構造となっており、インピーダンスマッチングされた状態で信号が伝送される。プローブカードは、更にプローバ（テスト装置）に接続されて半導体集積回路等の電気的特性評価に使用される（特許文献１参照）。
半導体集積回路等の被測定デバイスの電気特性は年々向上しており、検査装置の周波数特性の向上が望まれている。しかし、従来技術のプローブカードでは、プローブ針がインピーダンスマッチングされないままに３０ｍｍ以上も空気中に露出しているために、この部分のインダクタンスがプローブカードの電気的特性を低下させる原因になっている（特許文献１参照）。

カンチレバータイプのばね構造はそのままに、周波数特性向上を実現したプローブ針に同軸プローブを用いた技術がある（特許文献２参照）。しかし、この同軸プローブを用いた同軸プローブカードは、カンチレバータイプと比較して同軸プローブの外径が太いために多数の電極が微小ピッチで配列された半導体集積回路への適用が困難である。
また、多数の電極が微小ピッチで配列された半導体集積回路への適用ができ、周波数特性の向上を実現したプローブカードとして、薄膜プローブカードがある（特許文献３参照）。薄膜プローブカードは、多数の電極が微小ピッチで配列された半導体集積回路への適用も可能であると共に、インピーダンス整合用部品を測定部近傍に設けることも可能であるが、フォトリソグラフィックプロセスを用いてプローブを製造するため高価である。
特開平１１−３５２１５０号公報 特開２００１−１５３８８５号公報 特開２００１−１３１６８号公報

本発明は、以上のような問題を解決するためになされたものであり、高速差動インターフェースを有する半導体集積回路の電気的特性をウエーハレベルで精度良く測定することができると共に、従来に比べて多数の電極が微小ピッチで配列された半導体集積回路への適用が可能になるプローブカードを提供する。

本発明のプローブカードの一態様は、ウエーハ状態の半導体集積回路素子に所定のピッチで設けられた複数の電極にそれぞれ相対する複数のプローブ針を介して信号を入出力させることによって前記半導体集積回路素子の電気的特性を測定するプローブカードにおいて、配線基板と、前記配線基板に植設され、前記半導体集積回路素子の前記電極と同一ピッチで形成された複数のプローブ針と、前記複数のプローブ針のうち、高速信号を入出力するプローブ針の少なくとも１本に被覆された空気より比誘電率の大きい誘電体とを具備していることを特徴としている。

高速差動インターフェースを有する半導体集積回路の電気的特性をウエーハレベルで精度良く測定することができると共に、従来に比べて多数の電極が微小ピッチで配列された半導体集積回路への適用が可能になる。

以下、実施例を参照して発明の実施の形態を説明する。

まず、図１乃至図３を参照して実施例１を説明する。
図１は、この実施例を説明するプローブカードの平面図、図２は、図１のＡ−Ｂ線に沿う部分の断面図及びプローブカードに近接して配置され、被測定物である半導体ウェーハを搭載したプローバの断面図、図３は、図１のプローブカード内部の配線構造を説明する断面図である。

図１に示すプローブカードは、プリント基板１３、プローブ針１４、誘電体１５、配線電極１６、固定樹脂１７及び補強板１８から構成されている。このプローブカードは、円形のプリント基板１３を配線基板とし、中央部に開口が設けられている。開口周辺に被測定物である半導体集積回路素子の接続電極の配列に合わせてプローブ針１４が配列されている。即ち、プリント基板１３上に開口の各辺に沿って複数の配線電極１６が配列形成されており、プローブ針１４の一端が配線電極１６にはんだ等により接続固定され、他端が開口に向かい、開口から下方に突出するように成形されている。このプローブ針１４は、カンチレバータイプのばね構造となっている。プローブ針１４と配線電極１６との接続は、電気的な接続と機械的な固定を兼ねている。開口にはエポキシ樹脂などからなる固定樹脂１７が配置されている。この固定樹脂１７がプローブ針１４の自由端である他端近傍を固定している。プローブ針１４の他端は、固定樹脂１７から露出している。プリント基板１３のプローブ針１４が形成されている表面とは反対側には、開口を覆うように銅、アルミニウム、ＳＵＳなどの放熱性の高い金属から構成されている補強板１８が取り付けられている。補強板１８は、放熱板として用いられると共に、固定樹脂１７を固定する。

この実施例では、配線電極１６と固定樹脂１７間のプローブ針１４となる金属線のうち、差動信号を入出力するプローブ針を差動インピーダンスを考慮した間隔、例えば、５０μｍ程度の間隔に配列する。
更に、配線電極１６と固定樹脂１７との間のプローブ針１４となる金属線のうち、差動信号を入出力するプローブ針１４となる金属線を誘電体１５で被覆する。誘電体としては、ポリイミドなどの空気の比誘電率より大きい比誘電率を有する材料を使用する。ポリイミドは、比誘電率が４であって空気より十分大きい。
この実施例では誘電体としてポリイミドを用いているが、誘電体材料は、固定樹脂と同じ材料を用いることができ、誘電体材料としてはこの他にフェノール樹脂系、エポキシ樹脂系等がある。
図３を参照して、プローブカードの内部構造を説明する。配線基板には、プリント基板１３を用い、プリント基板１３の一面に形成された配線電極１６は、プリント基板１３内部に形成された配線１９を介して他面に形成された接続電極（パッド）２０に電気的に接続されている。半導体ウェーハ１をテストするテスタは、接続電極２０を介してプローブカードに電気的に接続されている。プローブ針１４の配線電極１６に固定された一端から固定樹脂１７までの部分が誘電体１５により被覆され、その長さは、例えば、３ｃｍ程度である。

プローブ針１４に誘電体１５を被覆するには、複数のプローブ針１４を纏めて誘電体１５で被覆する方法と、各プローブ針１４をそれぞれ誘電体１５で被覆してから複数のプローブ針１４を誘電体で１つに纏める方法がある。
プローブカードに配置されたプローブ針１４は、プローバ４を構成するウェーハ保持チャック３により保持された半導体ウェーハ１に形成された半導体集積回路素子の接続電極２に接触させる。プローブカードをプローバ４の上方に配置し、プローブカードを下降させるか、プローバ４を上昇させて接続電極２とプローブ針１４とを電気的に接続させる。

プローバ４は、複数の半導体集積回路素子が形成されたシリコンなどの半導体ウェーハ上のこれら半導体集積回路素子の電気的特性を試験するために、各半導体集積回路素子の接続電極（パッド）２にプローブカードのプローブ針１４を順次接触させる装置である。この装置は、接続された外部のテストシステムにより各半導体集積回路素子１の電気的試験を可能とすると共に、不良と判断された半導体集積回路素子１を識別可能にするものである。

従来は、差動インピーダンスを考慮せずに十分間隔をおいてプローブ針が配列されていたが、差動インピーダンスを考慮するためには、プローブ間隔を極端に狭くしなくてはならない（厳しい寸法公差管理が必要）。樹脂固定部分のプローブ間隔と上記間隔の差が大きく樹脂固定部分の前後で差動インピーダンスが不連続となる。本事例の場合、誘電体で被覆すると空気の場合よりプローブ間の容量が増え、差動インピーダンスが下がるので、（１）プローブ間隔（Ｐ信号−Ｎ信号、信号−ＧＮＤ）が同じ間隔でも、誘電体を挟むと差動インピーダンス、特性インピーダンスが低くなる。（２）差動インピーダンス、特性インピーダンスを同じ値に設定しようとした場合のプローブ間隔は、
誘電体で被覆した場合の間隔 ＞ 被覆なし（空気）の場合の間隔
となる。

誘電体で被覆しない場合の問題点は、次の通りである。
（１）該当部分のプローブ間隔と“固定樹脂内部のプローブ間隔”の差
が大きくなる。
（２）プローブ間隔がずれた場合の差動インピーダンスの値変動が大きいので、厳しい寸法公差管理が要求される（一般に物理長が短い程、厳しい寸法公差管理が要求される）。
誘電体で被覆、または、プローブ間を誘電体で充填した場合の利点は、次の通りである。
（１）該当部分のプローブ間隔と“固定樹脂内部のプローブ間隔”の差
を小さくできる。
（２）プローブ間隔がずれた場合の差動インピーダンスの値変動が（相対的に）小さくなるので、寸法公差管理が緩和できる（一般に物理長が長くなれば、寸法公差管理が緩和される）。

次に、図４を参照して実施例２を説明する。
図４は、この実施例を説明するプローブカードの部分平面図である。この平面図は、図１のプローブカードの領域Ｃの部分に相当する。この実施例のプローブカードは、円形のプリント基板の中央に開口を設け、この周辺に被測定物である半導体集積回路素子の接続電極（パッド）の配列に合わせてプローブ針を配列する。このプローブ針は、カンチレバータイプのばね構造となっている。このプローブ針をプリント基板の配線電極にはんだ付け等で固定し、電気的な接続と機械的な固定を行っている。

図４に示すプリント基板２７は、グランド用配線電極３４、３７及び信号用配線電極３５、３６を有している。また、プリント基板２７は、配線電極３４〜３７と固定樹脂３３間のプローブ針２８〜３１となる金属線のうち、差動信号を入出力するプローブ針２９、３０となる金属線をポリイミドなどの空気の比誘電率より大きい誘電率の誘電体４４で被覆している。配線電極３４〜３７と固定樹脂３３間のプローブ針２８〜３１は、差動インピーダンスを考慮した間隔に配列する。
この実施例では誘電体として空気より大きな比誘電率を有する誘電体３２を差動インピーダンスを考慮する必要のある差動信号を入出力するプローブ針２９、３０のみに被覆しているので、誘電体の使用を必要最小限に押さえることができる。

次に、図５を参照して実施例３を説明する。
図５は、この実施例を説明するプローブカードの部分平面図である。この平面図は、図１のプローブカードの領域Ｃの部分に相当する。この実施例のプローブカードは、円形のプリント基板の中央に開口を設け、この周辺に被測定物である半導体集積回路素子の接続電極（パッド）の配列に合わせてプローブ針を配列する。このプローブ針は、カンチレバータイプのばね構造となっている。このプローブ針をプリント基板の配線電極にはんだ付け等で固定し、電気的な接続と機械的な固定を行っている。

図５に示すプリント基板３８は、グランド用配線電極４５、４８及び信号用配線電極４６、４７を有している。また、プリント基板３８では、配線電極４５〜４８と固定樹脂３９間のプローブ針４０〜４３となる全ての金属線をポリイミドなどの空気の比誘電率より大きい誘電率の誘電体４４で被覆する。配線電極４５〜４８と固定樹脂３９間のプローブ針４０〜４３は、差動インピーダンスを考慮した間隔に配列する。
この実施例では誘電体として空気より大きな比誘電率を有する誘電体３２を全てのプローブ針に被覆しているので、プローブ針の配列ピッチを小さくすることができる。

次に、図６を参照して実施例４を説明する。
図６は、この実施例を説明するプローブカードの部分平面図である。この平面図は、図１のプローブカードの領域Ｃの部分に相当する。この実施例のプローブカードは、円形のプリント基板の中央に開口を設け、この周辺に被測定物である半導体集積回路素子の接続電極（パッド）の配列に合わせてプローブ針を配列する。このプローブ針は、カンチレバータイプのばね構造となっている。このプローブ針をプリント基板の配線電極にはんだ付け等で固定し、電気的な接続と機械的な固定を行っている。

図６に示すプリント基板４９は、グランド用配線電極５６、５９及び信号用配線電極５７、５８を有している。また、プリント基板４９では、配線電極５６〜５９と固定樹脂５０間のプローブ針５１〜５４となる全ての金属線をポリイミドなどの空気の比誘電率より大きい誘電率の誘電体５５、６０で被覆する。配線電極５６〜５９と固定樹脂５０間のプローブ針５１〜５４は、差動インピーダンスを考慮した間隔に配列する。この実施例では、実施例３とは異なり、グランド配線電極及び信号配線電極を一対として１つの誘電体で被覆し、複数対の誘電体を用いることに特徴がある（この実施例の説明では２対用いている）。
この実施例では誘電体として空気より大きな比誘電率を有する誘電体３２を全てのプローブ針に被覆しているので、プローブ針の配列ピッチを小さくすることができる。

実施例で説明したプローブ針を用いると、従来技術のプローブカードと比較して、組立が容易になり、低価格および短期間でプローブカードを製作できる。

実施例１を説明するプローブカードの平面図。 図１のＡ−Ｂ線に沿う部分の断面図及びプローブカードに近接して配置され、被測定物である半導体ウェーハを搭載したプローバの断面図。 図１のプローブカード内部の配線構造を説明する断面図。 実施例２を説明するプローブカードの部分平面図。 実施例３を説明するプローブカードの部分平面図。 実施例４を説明するプローブカードの部分平面図。

符号の説明

１・・・半導体ウェーハ
２、２０・・・接続電極（パッド）
３・・・ウェーハ保持チャック
４・・・プローバ
１３、２７、３８、４９・・・プリント基板
１４、２８、２９、３０、３１、４０、４１、４２、４３、５１、５２、５３、５４・・・プローブ針
１５、３２、４４、５５、６０・・・誘電体
１６、３４、３５、３６、３７、４５、４６、４７、４８、５６、５７、５８、５９・・・配線電極
１７、３３、３９、５０・・・固定樹脂
１８・・・補強板
１９・・・配線

Claims (5)

1. ウエーハ状態の半導体集積回路素子に所定のピッチで設けられた複数の電極にそれぞれ相対する複数のプローブ針を介して信号を入出力させることによって前記半導体集積回路素子の電気的特性を測定するプローブカードにおいて、
   配線基板と、
   前記配線基板に植設され、前記半導体集積回路素子の前記電極と同一ピッチで形成された複数のプローブ針と、
   前記複数のプローブ針のうち、高速信号を入出力するプローブ針の少なくとも１本に被覆された空気より比誘電率の大きい誘電体とを具備していることを特徴とするプローブカード。
2. 前記高速信号を入出力するプローブ針は、インピーダンスを考慮した間隔に配列されていることを特徴とする請求項１に記載されたプローブカード。
3. 前記高速信号は、差動信号であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のプローブカード。
4. 前記配線基板に植設されたプローブ針の前記配線基板から離れた部分の一部は、固定樹脂により固定されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のプローブカード。
5. 前記固定樹脂は、前記誘電体と同じ材料からなることを特徴とする請求項４に記載のプローブカード。

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