JP2008298748A - プローブ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プローブアレイ内の各プローブの位置調節が可能であって、しかも高温下で安定に動作する、高温用のプローブ装置を得る。
【解決手段】プローブ装置は、１個のブレード状プローブ（２２）をその先端部分（２２ａ）および後端部分（２２ｂ）を突出させてセラミックス構造体（２４）で挟持したプローブユニット（２６）を複数個結合して構成したプローブアレイ（１２）と、プローブアレイ（１２）を保持するプローブ固定用ブロック（１４）と、プローブ固定用ブロックに設けた貫通孔（３２）を介して複数のプローブユニットをプローブ固定用ブロックの所定位置にねじ固定する固定機構と、を備え、プローブ固定用ブロックに設ける貫通孔（３２）の径を、固定用のねじ（３０）の外径よりも大きくすることによって、プローブユニット（２６）のプローブ固定用ブロック（１４）上での位置を調整可能としている。
【選択図】図４

Description

本発明は、基板上に形成した半導体集積回路あるいはその他の電子デバイスに対して通電テストを行うためのプローブ装置に関し、特に高温環境下でも安定した測定が可能なプローブ装置に関する。

半導体ウエハあるいはベアチップ（以下、基板と言う）上に形成した半導体集積回路あるいはその他の電子デバイスの通電テストを行う場合、基板周辺に複数の電極パッドを設け、個々の電極パッドと測定装置間をプローブによって接続して通電テストを行うことが一般的である。基板のサイズは種々であるが、例えば、基板上に組成が異なる複数の熱電変換素子を形成し、これらの素子の熱電特性を一括して評価する場合、２（ｃｍ）×２（ｃｍ）程度の小さなサイズの基板が用いられる。この基板上に例えば２４個の熱電変換素子を形成すると全体で７２個の電極パッドが必要となり、基板の１辺には１９個の電極パッドを形成する必要がある。

そのため、各電極パッドの間隔は非常に狭くなり、通電テストを行うためには、このように狭い間隔の電極パッド１個１個に対して、正確にプローブを接触させなければならないので、プローブの電極パッドへの取り付けに当たって、大変な手間を要する。１個の基板の通電テストが終了すると、プローブを電極より取り外して新しい基板を用意し、次のテストに備える。従って、例えばコンビナトリアルケミストリの技術によって多くの熱電試料を形成し、これらの熱電特性をできるだけ短い時間で一括評価する場合などでは、基板へのプローブの取り付け、取り外しの手間が膨大となり、かつ評価に多大な時間が必要となる。

多数のプローブを基板へ装着しかつ取り外す作業を容易にするために、複数のプローブを一体化してプローブアレイを構成することが行われている。プローブアレイでは、例えば絶縁性のフィルム上に、複数のプローブを、電極パッドの間隔にあわせて予め配置し固定されている。従って、このプローブアレイを基板に対して正確に位置決めすることにより、複数のプローブが複数の電極パッドに一回の装着作業によって接続される。

例えば、特許文献１に記載のプローブ装置では、複数のリードをフィルム上に並列配置して一体型プローブを構成し、プローブ先端部に突出させた複数のリードを基板周辺に形成した複数の電極パッドに加圧接触させる構造のプローブアレイを提案している。また、特許文献２に記載のプローブ装置では、導電性金属板の先端をカンチンレバー構造としたブレードプローブを構成し、複数個のブレードプローブを、絶縁部材を介して一体化しブレードプローブユニットとすることを提案している。これらのプローブアレイあるいはプローブユニットでは、アレイあるいはユニットを基板に対して正確に位置決めすることによって、複数のプローブを一度に複数の電極パッドに取り付けることができるので、プローブの基板への取り付け、取り外しの作業が容易となり、作業時間を短縮することができる。

しかしながら、上述したような熱電変換素子基板への通電テストでは、基板を高温下において測定を行う必要があるので、特許文献１あるいは特許文献２に開示された一般的なプローブアレイを使用することができない。これは、そもそも、絶縁性フィルム自体が熱に弱く、例えば５００℃程度で容易に変形するためである。特許文献３では、コンビナトリアルケミストリの技術を用いて基板上に組成の異なる複数の熱電試料を形成した装置において、通電テストを行うために、個々のピンが独立したプローブピンアレイを使用することを提案している。ところがこの装置であっても、個々のプローブピンを個々の素子に接続するために、多大な手間と時間が必要となる。

特開平１０−２３２２４７ 特開２００２−３６５３０８ 特開２００２−２７７４２２

特許文献１または２に開示されているような一体化されたプローブアレイの場合、各プローブ位置は基板上の電極パッドの間隔に一致させて固定されている。ところが、測定用基板の製造過程で、電極パッドの間隔にわずかなばらつきが生じることがある。プローブアレイは繰り返して使用するものであり、従って、測定用基板間に存在する個体差により基板側において電極パッドの間隔がばらつくと、固定されたプローブ位置と電極パッドの間でずれが生じ、その結果、プローブが電極パッドに正確に接触せず、接触不良を起こすことがある。

このような接触不良は、基板上に形成する電極パッドの密度が高くなるに伴って発生の頻度が高くなる。従って、一体化されたプローブアレイであっても、個々のプローブ位置を基板の個体差に応じて微調整が可能な構造とすることが望まれる。ところが、例えば特許文献１または２に示したような従来のプローブアレイにおいて、プローブ位置の微調整を可能とする構造を付加した場合、一体化されたプローブアレイにおいて局所的にプローブ間隔が狭くなる場所が発生し、高温においてプローブアレイが変形するとこのような場所のプローブ同士がその先端部分で接触し、その間に短絡を生じることになる。プローブ間に短絡が発生すると、測定を正しく行うことができない。したがって、従来のプローブアレイに単純にプローブの位置調節機構を付加しただけでは、正しい測定を安定して行うプローブ装置を得ることはできない。

本発明は、従来のプローブ装置における上記のような欠点を解決する目的でなされたもので、プローブアレイ内の各プローブの位置調節が可能であって、しかも高温下で使用した場合であってもプローブ同士の短絡を生じることなく安定に動作する、高温用のプローブ装置を提供することを課題とする。

本発明のプローブ装置は、上記課題を解決するために、１個のブレード状プローブをその先端部分および後端部分を突出させてセラミックス構造体で挟持したプローブユニットを複数個結合して構成したプローブアレイと、前記プローブアレイを保持するプローブ固定用ブロックと、前記プローブ固定用ブロックに設けた貫通孔を介して前記複数のプローブユニットのそれぞれを前記プローブ固定用ブロックの所定位置にねじ固定する固定機構と、を備え、前記プローブ固定用ブロックに設ける貫通孔の径を前記固定用のねじの外径よりも大きくすることによって、前記それぞれのプローブユニットの前記プローブ固定用ブロック上での位置を調整可能としたことを特徴とする。

上記のプローブ装置において、前記プローブ固定用ブロックに設ける貫通孔は、前記複数のプローブユニットに共通な１個の長孔で構成するようにしてもよい。さらに、前記プローブ固定用ブロックに設ける貫通孔を、前記プローブ固定用ブロックの測定用基板に対向する側の側面近傍に設けるようにしてもよい。また、上記のプローブ装置において、前記プローブ固定用ブロックに水冷機構を設けるようにしてもよい。

上記のプローブ装置では、ブレード状のプローブをセラミックス構造体で挟持することにより１個のプローブユニットを構成し、このようなプローブユニットを複数個結合してプローブアレイを構成している。このプローブアレイはプローブ固定用ブロックに固定され、この固定にあたって、個々のプローブユニットそれぞれをプローブ固定用ブロックにねじ止めする構成を有している。この場合、プローブ固定用ブロックに設けるねじ止め用の貫通孔の径を、固定用のねじの外径よりも大きくすることによって、ねじ止め位置の微調整が可能となる。この結果、本プローブ装置では、測定用基板の個体差による電極パッド間隔のずれに適切に対応することができるようになり、汎用性の高いプローブ装置を提供することができる。

また、セラミックスは高融点材料であり、高温雰囲気下に置いた場合であっても強度が変化せず、熱による変形を生じない。従って、プローブユニットの固定位置を測定用基板の個体差にあわせて微調整し、その結果プローブアレイにおいてプローブ間隔が局所的に狭くなった場合であっても、高温によるプローブの変形が生じないので、プローブ同士が接触して短絡を生じることがない。そのため、高温でも正確な測定を行うことが可能なプローブ装置を提供することができる。

以下に、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態にかかるプローブ装置を、熱電変換素子の一括評価用基板に接続した状態を示す図である。図１において、２は、例えば多層配線基板で構成された測定用の基板であって、絶縁材料等を材料とする多層の基板中に銅、アルミニウム、金等を材料とする配線パターンを埋め込んで形成されている。多層配線基板２は、半導体集積回路等を形成する場合に使用される、一般的な配線基板を使用することができる。

図１の４、４、・・・は熱電変換素子を示し、多層配線基板２上に形成された電極６、６上に形成されている。８、８・・・は多層配線基板２の上面周辺に形成した電極パッドであり、熱電変換素子４の電極６、６と多層配線基板２内の配線を介して接続されている。従って、熱電変換素子４上に生じた起電力などは、電極６に接続された電極パッド８を介して外部に出力される。１０は、各電極パッド８と外部の測定器とを接続するためのプローブである。

図示の例では、各プローブ１０、１０・・・は、多層配線基板２の各辺に対応して、４個のプローブアレイ１２（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ）として構成されている。正確な測定を行うためには、各プローブアレイ１２を測定用基板２に対して位置決めした場合、プローブ１０、１０・・・の先端部分が正確に電極パッド８、８・・・上に配置されている必要がある。プローブ１０と電極パッドの位置が少しでもずれると、接触面積が小さくなって接触不良を起こすからである。

そのため、プローブ１０、１０・・・はその先端が電極パッド間隔と一致するように、プローブアレイ１２内で予め位置決めされて製造されているが、測定用基板側の個体差によって電極パッド８、８・・・の間隔にばらつきが生じると、プローブの先端と電極パッド間にずれが生じ、両者の接触面積が小さくなって接触不良を起こす場合がある。このような事態に対処するために、プローブ１０、１０・・・は、プローブアレイ１２内でその位置の微調整が可能な構造とする必要がある。本実施形態の装置は、このようなプローブ位置の調整機構を有している。なお、プローブ位置の微調整機構については、図４を参照して後述する。

図２は、プローブ装置をプローブの駆動機構に取り付けた状態を示す図であり、図３は、図２における１個のプローブアレイ１２（図では１２ａで代表して示す）を側面から見た斜視図である。図２に示すように、本実施形態のプローブ装置は、プローブアレイの４個のモジュールを備えている。図３に示すように、プローブアレイ１２ａは、セラミック構造体２４によってブレード状プローブを挟持して構成したプローブユニットを、複数個一体に結合した構造を有している。２８は、複数個のプローブユニットを結合するための固定具である。なお、プローブユニットの構造については、図４を参照して後述する。図３では、ブレード状プローブの先端部分２２ａと後端部分２２ｂがセラミック構造体２４より突出していることが理解される。

図３に示すように、プローブアレイ１２ａは、プローブ固定用ブロック１４ａ上に固定されている。プローブ固定用ブロック１４ａは水冷用の機構を備えていてもよい。水冷機構は、測定用基板を高温に保持して測定を実施する場合に、プローブ固定用ブロック１４ａを低温に維持して、プローブアレイの変形を防止する効果を有する。プローブアレイ１２ａとプローブ固定用ブロック１４ａは、プローブ退避用のスライド機構１６ａ上に保持されている。スライド機構１６ａは、図示しない駆動装置によって制御され、レール上をスライドすることにより、測定用基板の方向に前後移動する。

図２および３において、１８（１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ）は、プローブガイドであって、プローブの押圧機構を有している。即ち、プローブガイド１８はプローブアレイの後端部分２２ｂに接しており、この部分を押し下げることにより、プローブ先端部分２２ａを持ち上げてプローブが電極パッド８より完全に離れるようにしている。プローブアレイ１２を測定用基板２から退避させる場合、プローブの先端と電極パッド８とが完全に離れるようにしておかないと、移動に伴ってプローブ先端と電極パッドとが接触し、破損を生じかねないからである。

図４に、プローブアレイ１２とプローブ固定用ブロック１４の構造を示す。図４（ａ）は、プローブ固定用ブロック１４上に固定されたプローブアレイ１２を側面から見た場合の断面図、図４（ｂ）はこのプローブアレイ１２を上方から見た場合の一部切り欠き平面図である。図４（ｂ）に示すように、プローブアレイ１２は、一個のブレード状プローブ２２（図１のプローブ１０に相当する）を板状のセラミックス構造体（スリーブ）２４、２４で挟持して１個のプローブユニット２６を構成し、このプローブユニット２６を、例えば側面に設けた固定具２８によって複数個結合することにより、プローブアレイ１２を構成している。

プローブアレイ１２は、プローブ固定用ブロック１４に固定される。この場合、１個のプローブユニット２６は、それぞれ、固定用のねじ３０によってプローブ固定用ブロック１４に固定される。プローブ固定用ブロック１４は、全てのプローブユニット２６を横断する形状の長孔（貫通孔）３２を有し、この長孔の所定の位置に固定用のねじ３０を挿入し、プローブユニット２６に設けたねじ孔にこのねじ３０をねじ込むことによって、各プローブユニット２６をプローブ固定用ブロック１４に対して固定している。

このとき、ねじ３０の挿入位置を、プローブ固定用ブロック１４の長孔３２の長手方向に沿って調整することにより、プローブユニット２６の固定位置を調整することができる。従って、測定用基板２の個体差によって、電極パッド８の間隔が標準のものからずれた場合であっても、固定用のねじ３０を緩めてプローブユニット２６を長孔３２に沿って移動させることによって、プローブ２２の先端部分２２ａが正確に電極パッド８上に来るように、プローブの位置調整を行うことができる。プローブの先端部分２２ａの位置の微調整が可能なように、プローブユニット２６の少なくとも電極パッド８側の先端部分は、個別に移動が可能なように、プローブユニット２６間で微小な隙間を設けておく。また、プローブユニット２６の電極パッド８とは反対側の側面２６ｂは、結合具２８によりプローブユニット２６同士でゆるく結合されていても良いし、あるいは結合されていなくてもよい。

ブレード状のプローブ２２は、図４（ｂ）に示すように、２枚のセラミックス構造体２４、２４によって挟持されているが、図４（ａ）に示すように、先端部分２２ａをセラミックス構造体２４、２４から突出させている。さらに、プローブ２２の後端部分２２ｂもセラミックス構造体２４、２４から突出させている。先端部分２２ａは、電極パッド８に加圧接触するための接点を構成し、後端部分２２ｂは、図２、３に示すプローブガイド１８に接触しガイド１８によって押し下げられる構成となっている。

ブレード状のプローブ２２は、セラミックス構造体２４、２４間で、ピン２２ｃを支点とする回転が可能なようにされている。プローブ２２は、さらに、プローブ固定用ブロック１４との間にばねによる加圧機構２２ｄを備えている。プローブガイド１８によってプローブ２２の後端部分２２ｂが押圧されると、プローブ２２はピン２２ｃを支点として上方に回転し、プローブの先端部分２２ａを電極パッド８から離間させる。プローブガイド１８による押圧力が解除されると、プローブ２２の先端部分２２ｂはばね２２ｄの復元力によって下方に回転し、電極パッド８に接触するようになる。

なお、図４に示す実施形態では、プローブ固定用ブロック１４に形成するプローブ固定用の貫通孔は、１個のプローブアレイを横断する１個の長孔によって形成されているが、その他の実施形態として、もし可能であれば、プローブ固定用ブロック１４に複数の貫通孔を設けるようにしてもよい。この場合、貫通孔が固定用のねじの外径よりも大きい径を有していれば良く、固定用のねじの外径と貫通孔の径との差の分だけ、プローブユニットの位置の微調整が可能となる。

図５は、プローブ装置を測定用基板３０に装着した場合の断面形状を示す図である。図５において、３２は測定用基板３０上に形成された電子デバイス、３４は測定用基板３０内に形成された配線層、３６は電子デバイス３２に温度勾配を形成するためのヒータ層、３８は電極パッドを示す。測定用基板３０は、カーボンシート４０を介して銅製のヒートシンク４２上に設置されている。ヒートシンク４２は、下方から赤外線ランプ（図示せず）によって赤外線加熱４４される。

図５では、プローブアレイ１２ａ、１２ｃが測定用基板３０の電極パッド３８に接触している状態を示しているが、実際にはプローブアレイ１２ｂ、１２ｄも測定用基板３０の別の辺において電極パッド３８と接触している。４６はリードであって、ブレード状プローブ２２の後端部分２２ｂに接続され、プローブを介して出力される電極パッド３８からの電気信号を測定装置（図示せず）に伝達するためのものである。従って、リード４６の他端は測定装置に接続されている。

さらに、４８ａ、４８ｃは、プローブ装置の退避用スライド機構であって、プローブ固定用ブロック１４ａ、１４ｃとこれに固定されたプローブアレイ１２ａ、１２ｃを、測定用基板３０に対してセットし、測定が終わると基板３０から退避させる働きをする。なお、プローブアレイを退避させる場合、上述したように、プローブガイド１８ａ、１８ｃによってプローブの後端部分２２ｂを押し下げ、プローブの先端部分が電極パッド３８から完全に離れ、プローブアレイが安全に測定用基板上から退避できるようにしている。

図５では、退避用スライド機構４８ａ、４８ｃのみを示しているが、他のプローブアレイに対しても退避用スライド機構が存在することは明らかである。これらの退避用スライド機構は４個のアレイモジュール全てを同時に移動させるようにしてもよいし、あるいはモジュール毎に個別に移動可能としてもよい。測定の方法に対応して、任意の設計が可能である。

図５に示すようにプローブ装置を測定用基板３０に対してセットした場合、プローブ２２の先端部分２２ａが電極パッド３８と接触しないか、あるいは接触不良であるプローブユニットが存在すると、そのユニットの取り付け位置を、ねじ３０を緩めて調整し、先端部分２２ａが電極パッド３８と完全に接触するようにする。この状態で基板３０を高温に加熱しても、プローブユニットを構成するセラミックスが熱により変形することはないので、位置の微調整により近接したプローブ同士が変形によって接触し、短絡するようなことはない。そのため、高温であっても安定して、正確な通電テストを実施することができる。

本発明の一実施形態にかかるプローブ装置を、測定用基板に装着した状態を示す平面図。 本発明の一実施形態にかかるプローブ装置を、プローブのスライド機構に取り付けた状態を示す図。 図２に示すプローブ装置の一部の斜視図。 図２および３に示すプローブ装置の構造を示す図であって、（ａ）はプローブアレイとプローブ固定用ブロックの断面を示し、（ｂ）はプローブアレイを上面から見た図を示す。 図２および３に示すプローブ装置を、測定用基板に装着した場合の断面構造を示す図。

符号の説明

２ 測定用基板
８ 電極パッド
１０ プローブ
１２ プローブアレイ
１４ プローブ固定用ブロック
１６ スライド機構
１８ プローブガイド
２２ ブレード状プローブ
２４ セラミック構造体
３０ 固定用のねじ
３２ 長孔

Claims (4)

1. １個のブレード状プローブをその先端部分および後端部分を突出させてセラミックス構造体で挟持したプローブユニットを複数個結合して構成したプローブアレイと、
   前記プローブアレイを保持するプローブ固定用ブロックと、
   前記プローブ固定用ブロックに設けた貫通孔を介して前記複数のプローブユニットのそれぞれを前記プローブ固定用ブロックの所定位置にねじ固定する固定機構と、を備え、
   前記プローブ固定用ブロックに設ける貫通孔の径を前記固定用のねじの外径よりも大きくすることによって、前記それぞれのプローブユニットの前記プローブ固定用ブロック上での位置を調整可能としたことを特徴とする、プローブ装置。
2. 請求項１に記載のプローブ装置において、前記プローブ固定用ブロックに設ける貫通孔は、前記複数のプローブユニットに共通な１個の長孔で構成されていることを特徴とする、プローブ装置。
3. 請求項１または２に記載のプローブ装置において、前記プローブ固定用ブロックに設ける貫通孔は、前記プローブ固定用ブロックの測定用基板に対向する側の側面近傍に設けられることを特徴とする、プローブ装置。
4. 請求項１乃至３の何れか１項に記載のプローブ装置において、前記プローブ固定用ブロックは水冷機構を備えることを特徴とする、プローブ装置。

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