JP2009287921A - 垂直コイルスプリングプローブ - Google Patents

Abstract

【目的】 本発明の目的は量産化に適した垂直コイルスプリングプローブを提供する。
【構成】 ベース部１３０Ａ、ベース部１３０Ａの下面に設けられた接触子１１０Ａ及びベース部１３０Ａの上面に設けられた直線状の案内子１２０Ａを有する接触ピン１００Ａと、ベース部１３０Ａの上面上に設置され且つ接触ピン１００Ａの案内子１２０Ａが挿入されるコイルスプリング２００Ａとを備えており、コイルスプリング２００Ａは、案内子１２０Ａの上端部に接触可能な上側座巻き部２１０Ａと、この上側座巻き部２１０Ａの下端部に連続する弾性変形部２３０Ａとを有しており、上側座巻き部２１０Ａの内周面２１１Ａが平坦面となっている。
【選択図】 図３

Description

本発明は、半導体デバイスの電気的諸特性を測定するのに使用される垂直コイルスプリングプローブに関する。

この種の垂直コイルスプリングプローブは、半導体デバイスの電極に接触する接触ピンと、接触ピンの後端部分である案内子が挿入される筒体とを備えており、この筒体は、接触ピンの鍔部に連結される下側筒部と、上側筒部と、下側筒部と上側筒部との間のコイル状のスプリング部とを有している（特許文献１参照）。

前記筒体はレーザー加工や機械加工されることにより、導電性を有する筒の中間部から前記スプリング部が作成される。

特許第４０３１００７号公報

ところが、前記垂直コイルスプリングプローブは微細なものであるから、前記レーザー加工や機械加工により前記筒体を作成するには高度な加工技術が必要となる。即ち、技術者のレベルによりその精度にバラツキが生じ且つコスト高になるため、量産化に適さないという問題があった。

本発明は、上記事情に鑑みて創案されたものであって、その目的とするところは量産化に適した垂直コイルスプリングプローブを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の垂直コイルスプリングプローブは、ベース部、このベース部の下面に設けられた接触子及びベース部の上面に設けられた直線状の案内子を有する接触ピンと、ベース部の上面上に設置され且つ接触ピンの案内子が挿入されるコイルスプリングとを備えており、コイルスプリングは、案内子の上端部に接触可能な上側座巻き部と、この上側座巻き部の下端部に連続する弾性変形部とを有しており、上側座巻き部は、その内周面が平坦面となっており、上端部が先鋭化されていることを特徴としている。

このような垂直コイルスプリングプローブによる場合、コイルスプリングが線材を巻き回すだけで高精度且つ容易に作成することができることから、量産化に適している。しかも、コイルスプリングの上側座巻き部の内周面が平坦面となっていることから、案内子の上端部が上側座巻き部内を摺動する際に、案内子の上端部と上側座巻き部の内周面との摺動面積が増大し、両者の電気的な接続が安定する。よって、プローブ全体の電気抵抗値を小さくすることができる。また、上側座巻き部の上端部が先鋭化されていると、プローブユニットの電極に接触する際に、当該電極上の酸化膜を容易に突き破ることが可能になる。よって、上側座巻き部と前記電極との電気的な接続を安定させることができる。

前記コイルスプリングは断面視略矩形状の線材が巻き回された構成となっていることが好ましい。このように断面視略矩形状の線材を用いると、当該線材を巻き回して上側座巻き部を作成するだけで、当該上側座巻き部の内周面を平坦面とすることができる。従って、上側座巻き部の内周面の後加工が不要になるため、量産化に更に適している。

前記コイルスプリングは、メッキ加工された前記線材が巻き回された構成となっていることが好ましい。前記線材を巻き回してコイルスプリングを作成した後にメッキ加工しようとすると、コイルスプリングが微細であることから、コイルスプリング内部にメッキ液が侵入せず、コイルスプリングの内周面にメッキされない部分が生じる可能性があるが、前述の通り、前記線材をメッキ加工した後に、巻き回すようにすれば、コイルスプリング全体を均一にメッキすることができる。

案内子は、前記上端部以外の部分の外径が当該上端部の外径よりも小さくなっていることが好ましい。この場合、案内子の上端部以外の部分がコイルスプリングの内周面に接触しない。即ち、案内子のコイルスプリングとの摺動面積を低減することができるので、コイルスプリング圧縮時における案内子のコイルスプリング内の往路移動と、コイルスプリング復元時における案内子のコイルスプリング内の復路移動との荷重ヒステリシスを低減することができる。

以下、本発明の実施の形態に係る垂直コイルスプリングプローブについて図面を参照しつつ説明する。図１は本発明の実施の形態に係る垂直コイルスプリングプローブの概略的斜視図、図２は同プローブの概略的分解斜視図、図３は同プローブの概略的断面図である。

図１乃至図３に示す垂直コイルスプリングプローブＡは、接触ピン１００Ａと、この接触ピン１００Ａに取り付けられるコイルスプリング２００Ａとを備えている。以下、各部について詳しく説明する。

接触ピン１００Ａは、円柱状の接触子１１０Ａと、接触子１１０Ａよりも外径が大きい円柱状の案内子１２０Ａと、下面に接触子１１０Ａが、上面に案内子１２０Ａが各々設けられたベース部１３０Ａとが一体的に構成されたものである。この接触ピン１００Ａは白金合金やベリリウム銅等の導電性を有する円柱体の外周面を切削加工することにより各部が作成される。

接触子１１０Ａは先端部が先鋭化されている。これにより、接触子１１０Ａの先端部を後述する半導体デバイス１０の導電パッド１１との所定の接触圧を確保すると共に、導電パッド１１上の酸化膜を容易に突き破ることができるようにしている。

ベース部１３０Ａはコイルスプリング２００Ａの外径と略同じ外径を有する円板状の部位である。このベース部１３０Ａ上にコイルスプリング２００Ａの下側座巻き部２２０Ａが設置される。

案内子１２０Ａは、外径がコイルスプリング２００Ａの内径よりも若干小さい円柱状の接続部１２１Ａ（上端部）と、この接続部１２１Ａの下側の部分であり且つ当該接続部１２１Ａよりも外径が小さい円柱状の本体部１２２Ａと、この本体部１２２Ａの外周面に設けられたフランジ部１２３Ａとを有している。

本体部１２２Ａはコイルスプリング２００Ａの下側座巻き部２２０Ａ及び弾性変形部２３０Ａに間隙を有して挿入される。これにより、案内子１２０Ａとコイルスプリング２００Ａとの摺動面積を低減している。また、本体部１２２Ａは弾性変形部２３０Ａの伸縮方向をガイドするガイド棒となっている。

フランジ部１２３Ａはコイルスプリング２００Ａの内径よりも若干大きい外径を有するリング体である。このフランジ部１２３Ａは、本体部１２２Ａがコイルスプリング２００Ａの下側座巻き部２２０Ａ及び弾性変形部２３０Ａに挿入される際に、当該下側座巻き部２２０Ａに押し込まれる。

接続部１２１Ａはコイルスプリング２００Ａの上側座巻き部２１０Ａ内に上下に摺動自在に挿入される。この接続部１２１Ａが上側座巻き部２１０Ａの内周面２１１Ａ上を摺動することにより、接続部１２１Ａと上側座巻き部２１０Ａとの安定した電気的接続が確保される。また、接続部１２１Ａは、コイルスプリング２００Ａの弾性変形部２３０Ａが伸縮する際に上側座巻き部２１０Ａ内を上下方向に摺動する。

接続部１２１Ａの長さ寸法と本体部１２２Ａの長さ寸法とを合わせた寸法（即ち、案内子１２０Ａの長さ寸法）は、接触子１１０Ａが後述する半導体デバイス１０の電極１１に圧接し、弾性変形部２３０Ａが圧縮された状態のコイルスプリング２００Ａの長さ寸法よりも短くなっている。即ち、弾性変形部２３０Ａが圧縮した状態で、接続部１２１Ａがコイルスプリング２００Ａから上方に突出しないようにしている。

コイルスプリング２００Ａは、ニッケル金（Ｎｉ＋Ａｕ）メッキ加工された断面視略矩形状の線材（例えば、ステンレス、ピアノ線、アモルファス合金等）を巻き回して作成されたものである。このコイルスプリング２００Ａは、上側座巻き部２１０Ａと、下側座巻き部２２０Ａと、上側座巻き部２１０Ａと下側座巻き部２２０Ａとの間に設けられた弾性変形部２３０Ａとを有している。

下側座巻き部２２０Ａは接触ピン１００Ａの本体部１２２Ａが挿入されると共に、フランジ部１２３Ａが押し込まれる。この下側座巻き部２２０Ａのフランジ部対向部はカシメられ、フランジ部１２３Ａに固着される。このようにコイルスプリング２００Ａを容易に接触ピン１００Ａに取り付けることができる。

弾性変形部２３０Ａは接触ピン１００Ａの本体部１２２Ａに沿って伸縮可能なコイル部である。

上側座巻き部２１０Ａの内周面２１１Ａは、前記線材の第１面が上下に連なることにより平坦面を形成している。これにより、上側座巻き部２１０Ａの内周面２１１Ａと接触ピン１００Ａの接続部１２１Ａの外周面との摺動面積の増大を図っている。

また、上側座巻き部２１０Ａの上端部の外周面は上方に向けて漸次低減するテーパ面となっており、先鋭化されている。これにより、上側座巻き部２１０Ａが後述するプローブユニットＢの接続基板４００の接続パッド４２０上の酸化膜を容易に突き破ることができるようになっている。

このような構成の垂直コイルスプリングプローブＡは次のように組み立てられる。まず、断面視略矩形状の線材をニッケル金（Ｎｉ＋Ａｕ）メッキ加工する。その後、前記線材を図示しない棒材に当該線材の第１面が上下に連なるように巻き回し、下側座巻き部２２０Ａを作成する。そして、前記線材をコイル間隔を空けて前記棒材に巻き回し、弾性変形部２３０Ａを作成する。その後、前記線材を当該線材の第１面が上下に連なるように前記棒材に巻き回し、上側座巻き部２１０Ａを作成する。これにより、上側座巻き部２１０Ａの内周面２１１Ａが平坦面となる。

このように作成されたコイルスプリング２００Ａに、接触ピン１００Ａの案内子１２０Ａを下側座巻き部２２０Ａ側から挿入し、当該下側座巻き部２２０Ａをベース部１３０上に設置させる。このとき、案内子１２０Ａのフランジ部１２３Ａを下側座巻き部２２０Ａ内に押し込む。

このように案内子１２０Ａをコイルスプリング２００Ａ内に挿入することにより、本体部１２２Ａが下側座巻き部２２０Ａ及び弾性変形部２３０Ａ内に間隙を有して挿入されると共に、接続部１２１Ａが上側座巻き部２１０Ａ内に挿入される。

その後、下側座巻き部２２０Ａをフランジ部１２３Ａと共にカシメる。これにより、コイルスプリング２００Ａが案内子１２０Ａに固着される。

このように組み立てられた垂直コイルスプリングプローブＡはプローブユニットＢに組み込まれる。以下、プローブユニットＢについて図面を参照しつつ説明する。図４はプローブユニットの概略的断面図、図５は同ユニットの垂直コイルスプリングプローブの上端部を示す概略的断面図であって、（ａ）が断面視略円形のコイルスプリングを用いた場合の図、（ｂ）が断面視略矩形状のコイルスプリングを用いた場合の図である。

プローブユニットＢは、半導体デバイス１０の複数の導電パッド１１に各々接触可能な複数の垂直コイルスプリングプローブＡと、垂直コイルスプリングプローブＡを収納保持するケーシング３００と、このケーシング３００の上方に配置される接続基板４００とを備えている。以下、詳しく説明する。

ケーシング３００は、上側ガイド板３１０と、下側ガイド板３２０と、上側ガイド板３１０と下側ガイド板３２０との間に設けられたスペーサ３３０とを有している。

下側ガイド板３２０には、半導体デバイス１０の複数の導電パッド１１の位置に各々対応した箇所に複数の円形の下側ガイド孔３２１が設けられている。この下側ガイド孔３２１の径は垂直コイルスプリングプローブＡの接触子１１０Ａの外径よりも大きく、ベース部１３０Ａの外径よりも小さくなっている。従って、下側ガイド孔３２１には垂直コイルスプリングプローブＡの接触子１１０Ａが上下動可能に挿入される。

また、下側ガイド板３２０の下側ガイド孔３２１の縁部上には垂直コイルスプリングプローブＡの接触子１１０Ａのベース部１３０Ａが載置される。

上側ガイド板３１０には、垂直コイルスプリングプローブＡの上側座巻き部２１０Ａの外径よりも径が大きい複数の上側ガイド孔３１１が設けられている。上側ガイド孔３１１は下側ガイド孔３２１と各々同心円状に配置される。この上側ガイド孔３１１には垂直コイルスプリングプローブＡの上側座巻き部２１０Ａが各々挿入される。なお、上側ガイド板３１０は図示しない支持手段を介して接続基板４００に取り付けられる。

接続基板４００は、その上下面に各々設けられた複数の接続パッド４１０、４２０と、この接続パッド４１０、４２０を各々接続する複数の内部配線４３０とを有している。接続パッド４２０には垂直コイルスプリングプローブＡの上側座巻き部２１０Ａが各々接触する。これにより、垂直コイルスプリングプローブＡが接続基板４００と下側ガイド板３２０の下側ガイド孔３２１の縁部との間で保持され、コイルスプリング２００Ａの弾性変形部２３０Ａが圧縮状態で保持される。なお、接続パッド４１０には、図示しない測定装置が接続される。

このような構成のプローブユニットＢは次のように組み立てられる。まず、ケーシング３００の上側ガイド孔３２１に上方から垂直コイルスプリングプローブＡを各々挿入する。そして、ケーシング３００の下側ガイド孔３１１に垂直コイルスプリングプローブＡの接触子１１０Ａを各々挿入する。すると、垂直コイルスプリングプローブＡのベース部１３０の下面が下側ガイド板３２０の下側ガイド孔３１１の縁部に各々当接する。

その後、接続基板４００の接続パッド４２０を垂直コイルスプリングプローブＡの上側座巻き部２１０Ａに各々接触させる。この状態で、接続基板４００をケーシング３００に近接させる。これにより、垂直コイルスプリングプローブＡのコイルスプリング２００Ａの弾性変形部２３０Ａが接続基板４００とベース部１３０Ａの間で圧縮される。

この状態で、ケーシング３００の上側ガイド板３１０を支持手段を介して接続基板４００に取り付ける。

このように組み立てられたプローブユニットＢは前記測定装置のプローバに取り付けられ、半導体デバイス１０の電気的諸特性を測定する測定テストに使用される。以下、その測定工程について説明すると共に、プローブユニットＢの各部の動作について説明する。

まず、前記プローバを動作させる。すると、半導体デバイス１０が測定位置に順次搬送される。半導体デバイス１０が前記測定位置に位置すると、プローブユニットＢを半導体デバイス１０に相対的に近接させ、プローブユニットＢの複数の垂直コイルスプリングプローブＡの接触子１１０Ａを半導体デバイス１０の複数の導電パッド１１に各々接触させる。すると、垂直コイルスプリングプローブＡの弾性変形部２３０Ａの付勢力により、接触子１１０Ａが半導体デバイス１０の導電パッド１１に各々圧接する。

その後、プローブユニットＢを半導体デバイス１０に相対的に近接させると、接触子１１０Ａが導電パッド１１に各々押圧される。これにより、接触ピン１００Ａが上方に移動し、コイルスプリング２００Ａの弾性変形部２３０Ａが接触ピン１００Ａのベース部１３０と接続基板４００との間で各々圧縮される。このとき、接触子１１０Ａが導電パッド１１上で各々微細移動し、当該導電パッド１１上の酸化膜を除去する。また、上側座巻き部２１０Ａの上端部が接続基板４００の接続パッド４２０に圧接し、当該接続パッド４２０上の酸化膜を突き破る。更に、接触ピン１００Ａの接続部１２１Ａがコイルスプリング２００Ａの上側座巻き部２１０Ａ内を上方に各々摺動する。

上側座巻き部２１０Ａの内周面２１１Ａが平坦面となっているため、接続部１２１Ａの外周面との摺動面積が増大する。よって、両者の安定した接触が確保され、垂直コイルスプリングプローブＡの電気抵抗が低減する。よって、半導体デバイス１０の電極１１から発せられた信号が接触ピン１００Ａ、上側座巻き部２１０Ａ、接続基板４００を通じて上記測定装置に安定的に送られ、当該測定装置により半導体デバイス１０の測定テストが行われる。

その後、プローブユニットＢを半導体デバイス１０に相対的に離反させると、コイルスプリング２００Ａの弾性変形部２３０Ａが各々復元し、その付勢力により接触ピン１００Ａが下方に各々移動する。このとき、接触ピン１００Ａの接続部１２１Ａがコイルスプリング２００Ａの上側座巻き部２１０Ａ内を下方に各々摺動する。そして、接触ピン１００Ａのベース部１３０が下側ガイド板３２０の下側ガイド孔３１１の縁部に各々当接する。

以上のような垂直コイルスプリングプローブＡによる場合、上記線材を巻き回すだけでコイルスプリング２００Ａを高精度且つ簡単に作成することができるので、量産化に適している。

また、図５（ａ）に示すように、断面視略円形の線材を巻き回して作成されたコイルスプリング（以下、断面円形コイルスプリング）を用いた場合、上側座巻き部の内周面は凸凹面であり、その各凸部（即ち、線材の各頂部）が接続部１２１Ａの外周面に接触するだけであるから、前記上側座巻き部と接続部１２１Ａの摺動面積が小さくなり、プローブ全体の電気抵抗値が大きくなる。よって、上記測定テストに使用することができない。また、断面視略円形の線材を用いると、前記上側座巻き部の上端部にテーパ面を形成することも困難である。

この点、垂直コイルスプリングプローブＡは、図５（ｂ）に示すように、コイルスプリング２００Ａの上側座巻き部２１０Ａの内周面２１１Ａが断面視略矩形状の線材をその第１面が上下に並ぶように巻き回すことにより平坦化されていることから、上側座巻き部２１０Ａの内周面２１１Ａと接続部１２１Ａの外周面との摺動面積が増大し、プローブ全体の電気抵抗値が小さくなる。よって、測定するための信号が減衰する等の不具合を防止することができるので、上述とおり上記測定テストに使用することができる。また、断面視略矩形状の線材を用いると、上側座巻き部２１０Ａの上端部にテーパ面を形成することも容易である。

また、コイルスプリング２００Ａは、その断面が略矩形状であるため、当該断面の幅及び高さが断面円形コイルスプリングと同一であったとしても、当該断面円形コイルスプリングよりも断面面積が大きくなる。このため、コイルスプリング２００Ａは、スプリング自体の強度が断面円形コイルスプリングよりも強く、直線性が良いため、プローブ用のコイルスプリングとして適している。

更に、案内子１２０Ａは、本体部１２２Ａの外径が接続部１２１Ａの外径よりも小さくなっており、コイルスプリング２００Ａの下側座巻き部２２０Ａ及び弾性変形部２３０Ａに間隙を有して挿入されている。即ち、案内子１２０Ａとコイルスプリング２００Ａとの摺動面積が低減されている。このため、コイルスプリング２００Ａとして断面視略矩形状の線材を巻き回したものを用いたとしても、コイルスプリング２００Ａの圧縮時における案内子１２０Ａのコイルスプリング２００Ａ内の往路移動と、コイルスプリング２００Ａの復元時における案内子１２０Ａのコイルスプリング２００Ａの内の復路移動との荷重ヒステリシスを低減することができる。

このような垂直コイルスプリングプローブＡについては、ベース部、ベース部の下面に設けられた接触子及びベース部の上面に設けられた直線状の案内子を有する接触ピンと、ベース部の上面上に設置され且つ接触ピンの案内子が挿入されるコイルスプリングとを備えており、コイルスプリングは、案内子の上端部に接触可能な上側座巻き部と、この上側座巻き部の下端部に連続する弾性変形部とを有しており、上側座巻き部の内周面が平坦面となっている限り任意に設計変更することが可能である。

コイルスプリング２００Ａについては、上記実施例において断面視略矩形状の線材を巻き回して作成されたものを使用するとしたが、内周面が平坦面にされた上側座巻き部及びこの下側に連続する弾性変形部を有するコイルスプリングである限り任意に設計変更することが可能である。例えば、断面視略円形の線材を巻き回したコイルスプリングを用い、上側座巻き部の内周面を研磨等により平坦面とすることも可能である。

また、コイルスプリング２００Ａを接触ピン１００Ａに取り付ける方法については上述したカシメ以外に周知の取付手段を用いることが可能である。例えば、コイルスプリング２００Ａの下端部を案内子１２０Ａの下端部又はベース部１３０に接着するようにしても良いし、コイルスプリング２００Ａの下端部を接触ピン１００Ａのベース部１３０上に設けた凸部に嵌合させるようにしても構わない。なお、コイルスプリング２００Ａについては接触ピン１００Ａに取り付けなくてもよく、単にベース部１３０上に設置するようにしても構わない。

接触ピン１００Ａについては、ベース部、ベース部の下面に設けられた接触子及びベース部の上面に設けられた直線状の案内子を有する限り任意に設計変更することが可能である。

ベース部１３０については、コイルスプリング２００Ａが設置可能なものである限り任意に設計変更することが可能である。

接触子１１０Ａは円柱状の部位に限定されることはない。例えば、略く字状やＵ字状に湾曲した形状のものや突起状のものであっても良い。

なお、上記垂直コイルスプリングプローブの各部の形状、材質等については、同様の機能を実現し得る限り任意に設計変更することが可能である。同様に、プローブユニットについては、この垂直コイルスプリングプローブを備えるものである限りどのような構成のものであっても良い。

本発明の実施の形態に係る垂直コイルスプリングプローブの概略的斜視図である。 同プローブの概略的分解斜視図である。 同プローブの概略的断面図である。 プローブユニットの概略的断面図である。 同ユニットの垂直コイルスプリングプローブの上端部を示す概略的断面図であって、（ａ）が断面視略円形のコイルスプリングを用いた場合の図、（ｂ）が断面視略矩形状のコイルスプリングを用いた場合の図である。

符号の説明

Ａ 垂直コイルスプリングプローブ
１００Ａ 接触ピン
１１０Ａ 接触子
１２０Ａ 案内子
１２１Ａ 接続部（上端部）
１２２Ａ 本体部（上端部以外の部分）
１３０Ａ ベース部
２００Ａ コイルスプリング
２１０Ａ 上側座巻き部
２１１Ａ 内周面
２２０Ａ 下側座巻き部
２３０Ａ 弾性変形部

Claims (4)

1. ベース部、ベース部の下面に設けられた接触子及びベース部の上面に設けられた直線状の案内子を有する接触ピンと、
   ベース部の上面上に設置され且つ接触ピンの案内子が挿入されるコイルスプリングとを備えており、
   コイルスプリングは、案内子の上端部に接触可能な上側座巻き部と、この上側座巻き部の下端部に連続する弾性変形部とを有しており、
   上側座巻き部は、その内周面が平坦面となっており、上端部が先鋭化されていることを特徴とする垂直コイルスプリングプローブ。
2. 請求項１記載の垂直コイルスプリングプローブにおいて、
   コイルスプリングは断面視略矩形状の線材が巻き回された構成となっていることを特徴とする垂直コイルスプリングプローブ。
3. 請求項２記載の垂直コイルスプリングプローブにおいて、
   コイルスプリングは、メッキ加工された前記線材が巻き回された構成となっていることを特徴とする垂直コイルスプリングプローブ。
4. 請求項１、２又は３記載の垂直コイルスプリングプローブにおいて、
   案内子は、前記上端部以外の部分の外径が当該上端部の外径よりも小さくなっていることを特徴とする垂直コイルスプリングプローブ。

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