JP2011080901A - プローブ、ｉｃソケット、試験装置、および、試験方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体装置のはんだボールとの接触および清掃などを繰り返し行うことにより摩耗が進行しても、鋭角な頂点が維持される先端部を備えるプローブを提供する。
【解決手段】プローブ端子１０と、プローブ端子１０の先端に位置し、少なくとも１つの鋭角な頂点４０を有しており、半導体装置の外部接続端子に接続する先端部２０と、を有し、先端部２０は、プローブ端子１０の延伸方向と非垂直方向に伸びていて、先端部２０の他の部分よりも硬い棒状物３０を有するプローブを提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、プローブ、ＩＣソケット、試験装置、および、試験方法に関する。

半導体装置の電気的特性の測定（以下、「半導体装置の測定」という）は、半導体装置の信号端子（はんだボール）と、半導体装置の測定を行う試験装置（ＩＣテスタ）の信号端子と、を電気的に接続して行われる。試験装置の信号端子としては、例えば図１２に示すようなプローブ端子を複数備えたＩＣソケットなどが使用される。

ここで、半導体装置のはんだボールの表面には、時間の経過とともに、酸化膜が形成される。この酸化膜が存在する状態で、試験装置の信号端子と半導体装置のはんだボールとを接触させても、電気的接続が不安定となり、安定した半導体装置の測定ができない。そこで、プローブの先端部は、図１２に示すように鋭角な頂点を有し、プローブの先端部をはんだボールに接触させた際に、はんだボール表面に形成された酸化膜を破るよう構成されている。

しかし、プローブの先端部は、繰返し何度も複数の半導体装置のはんだボールと接触することとなる。また、プローブの先端部は、はんだボールと接触することにより、はんだ屑や酸化物等の異物が付着する。このような異物がプローブ先端部に付着した状態では接触抵抗が大きくなってしまう。そこで、プローブの先端部は、定期的に異物を除去するため清掃される。

このように、半導体装置のはんだボールとの接触および清掃を繰り返し行われるプローブの先端部は、徐々にメッキ層やプランジャー材料の磨耗が進み、鋭角な頂点が丸くなってしまう。鋭角な頂点が丸くなると、プローブの先端部をはんだボールに接触させた際に、プローブの先端部によりはんだボール表面に形成された酸化膜を破るのが困難となる。かかる場合、半導体装置と試験装置との電気的接続が不安定となり、その結果、安定した半導体装置の測定が困難となる。

そこで、プローブの鋭角な頂点が摩耗すると新しいプローブに交換することとなる。しかし、近年、半導体装置の高速化等により、接触抵抗増加の測定マージンの無い半導体装置が多くなっている。これに伴いプローブの交換頻度が増加し、測定コストが増加するという問題がある。この問題を解決可能な手段として、例えば、特許文献１乃至３に記載された技術がある。

特許文献１に記載の接触子は、先端部の表面層に、浸炭処理が施されている。この処理により、接触子の先端部の摩耗が減少し、接触子の寿命を延ばすことができると記載されている。

特許文献２に記載の導電用コンタクトピンは、先端部を耐摩耗性に優れた硬質部材、例えば超硬合金やダングステン材などで構成されている。特許文献３に記載の測定用コンタクトプローブ構造は、先端部を耐摩耗性に富む硬質部材、例えば導電性燒結ダイヤモンド材で構成されている。これらの技術によれば、先端部の摩耗を抑制することができる。

特開２００５−２１４７７５号公報 実開平４−１０２４７１号公報 実開平７−２０５６６号公報

しかし、特許文献１に記載の接触子の場合、先端部の摩耗を遅らせることができたとしても、先端部の摩耗は避けられない。そして、この接触子の場合、先端部は摩耗すると鋭角な頂点が丸くなってしまう。かかる場合、上述の通り、接触子の先端部をはんだボールに接触させた際に、接触子の先端部によりはんだボール表面に形成された酸化膜を破るのが困難となり、その結果、安定した半導体装置の測定が困難となる。

特許文献２、３に記載の技術の場合、先端部を特別な材料で構成しているので、コスト増となってしまう。また、これらの先端部も摩耗すると、鋭角な頂点が丸くなってしまう。かかる場合、上述の通り、安定した半導体装置の測定が困難となる。

そこで、本発明では、プローブの寿命を延ばすことを課題とする。より具体的には、半導体装置のはんだボールとの接触および清掃などを繰り返し行うことにより摩耗が進行しても、鋭角な頂点が維持される先端部を備えるプローブを提供することを課題とする。

本発明によれば、プローブ端子と、前記プローブ端子の先端に位置し、少なくとも１つの鋭角な頂点を有しており、半導体装置の外部接続端子に接続する先端部と、を有し、前記先端部は、前記プローブ端子の延伸方向と非垂直方向に伸びていて、前記先端部の他の部分よりも硬い棒状物を有するプローブが提供される。

また、本発明によれば、プローブ端子と、前記プローブ端子の先端に位置し、少なくとも１つの鋭角な頂点を有しており、半導体装置の外部接続端子に接続する先端部と、を有し、前記頂点は、前記先端部の外周側面沿いに位置し、前記先端部の外周側面は、前記先端部の他の部分よりも硬い材料の膜で覆われているプローブが提供される。

本発明のプローブの先端部は、先端部の他の部分よりも硬い棒状物（または膜）を有する。このため、半導体装置のはんだボールとの接触および清掃などを繰り返し行うことにより摩耗が進行した場合、先端部の半導体装置のはんだボールと接触しうる部分（はんだが付着し清掃される部分）の中の、棒状物（または膜）およびその近辺に位置する先端部の他の部分と、棒状物（または膜）から離れた所に位置する先端部の他の部分と、の摩耗具合が異なる。具体的には、棒状物（または膜）およびその近辺に位置する先端部の他の部分は、棒状物（または膜）から離れた所に位置する先端部の他の部分に比べて、摩耗の進行が遅い。このため、プローブの先端部は、半導体装置のはんだボールとの接触および清掃などを繰り返し行うことにより摩耗が進行しても、棒状物を中心とした鋭角な頂点、または、膜を一部に含む鋭角な頂点が維持されることとなる。

本発明によれば、プローブの寿命を延ばすことが実現される。

実施形態１のプローブの一例を模式的に示した側面図である。 実施形態１のプローブの一例を模式的に示した上面図である。 実施形態１のプローブの一例を模式的に示した側面図である。 実施形態１のプローブの一例を模式的に示した上面図である。 実施形態１のプローブの一例の先端部を模式的に示した側面図である。 実施形態１のプローブの一例の先端部を模式的に示した側面図である。 実施形態１のプローブの一例を模式的に示した側面図である。 実施形態１のプローブの一例を模式的に示した上面図である。 実施形態１の試験装置の一例を示した機能ブロック図である。 実施形態２のプローブの一例を模式的に示した側面図である。 実施形態２のプローブの一例を模式的に示した上面図である。 プローブの一例を模式的に示した側面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
＜実施形態１＞

図１に本実施形態のプローブ１の一例を模式的に示す。図に示すように本実施形態のプローブ１は、プローブ端子１０と、プローブ端子１０の先端に位置する先端部２０とを有し、先端部２０は棒状物３０を有する。図２は、図１のプローブ１の上面図である。本実施形態のプローブ１は、例えば図１２に示すようなスプリングプローブであってもよい。プローブ１は、電気的特性の測定が行われる半導体装置と、電気的特性の測定を行う試験装置とを電気的に接続するために用いられる。具体的には、プローブ１は試験装置と電気的に繋がっており、先端部２０を半導体装置の信号端子（はんだボール）に接触させることで、半導体装置と試験装置とを電気的に接続する。

先端部２０は、図１に示すように、プローブ端子１０の先端に位置し、少なくとも１つの鋭角な頂点４０を有しており、半導体装置の外部接続端子に接続するよう構成されている。図１は、１つの鋭角な頂点４０を有する先端部２０の例を示している。その他、例えば、図３、４に示すように、先端部２０は４つの鋭角な頂点４０を有してもよいし、その他の数の頂点を有してもよい。図４は、図３のプローブ１の上面図である。また、頂点４０の位置は特段制限されず、図１、２に示すように先端部２０のプローブ端子１０の延伸方向と垂直な断面における略中心に設けられてもよいし、または、図３、４に示すように先端部２０の外周側面沿いに設けられてもよいし、その他の位置に設けられてもよい。この鋭角な頂点４０の存在により、プローブ１の先端部２０をはんだボールに接触させた際に、はんだボールの表面に形成された酸化膜を破ることが実現され、その結果、半導体装置と試験装置との安定した電気的接続が実現される。すなわち、頂点４０は、はんだボール表面に形成された酸化膜を破ることができる程度に鋭角に尖っている必要がある。

この先端部２０は、半導体装置の外部接続端子に接続するよう構成されるが、この接続とは、電気的に接続することを意味する。すなわち、先端部２０は、導電性の材料、例えば金合金材料や鉛合金材料などで構成される。

また、先端部２０は、プローブ端子１０の延伸方向と非垂直方向に伸びていて、先端部２０の他の部分よりも硬い棒状物３０を有する。「先端部２０の他の部分」とは、先端部２０の中の棒状物３０以外の部分のことを意味する。また、「他の部分よりも硬い」とは、他の部分よりも摩耗しにくいことを意味し、例えば、ビッカース硬さが他の部分より硬いという概念であってもよい。棒状物３０の材料としては、先端部２０の他の部分よりも硬く、導電性であれば特段制限されない。例えば、先端部２０の他の部分を金合金材料（〜１００ＨＶ）や鉛合金材料（〜５００ＨＶ）で構成する場合には、チタン（〜１０００ＨＶ）を用いてもよい。なお、図１、３においては、プローブ端子１０の延伸方向（図中上下方向）と平行な方向に伸びている棒状物３０を示しているが、棒状物３０はプローブ端子１０の延伸方向と非垂直方向に伸びていればよく、図示するものに限定されない。

このような棒状物３０を有する先端部２０の場合、半導体装置のはんだボールと接触しうる部分（はんだが付着し清掃される部分）の中の、棒状物３０およびその近辺に位置する先端部２０の他の部分と、棒状物３０から離れた所に位置する先端部２０の他の部分と、の摩耗具合が異なる。具体的には、図５、６に示すように、棒状物３０およびその近辺に位置する先端部２０の他の部分は、棒状物３０から離れた所に位置する先端部２０の他の部分に比べて、摩耗の進行が遅い。かかる場合、先端部２０は、半導体装置のはんだボールとの接触および清掃などを繰り返し行うことにより摩耗が進行しても、棒状物３０を中心とした鋭角な頂点４０が維持されることとなる。

ここで、棒状物３０の形状は、一定の長さをもって延伸していれば特段制限されないが、例えば、円柱、三角柱、四角柱などとすることができる。その他、湾曲しながら延伸した形状とすることもできる。棒状物３０の長さおよび断面の径は、プローブの大きさに応じて、任意に定めることができる。しかし、現在一般的に流通しているプローブ１の場合、具体的には延伸方向と垂直な断面における径が０．５ｍｍ〜２ｍｍ程度のプローブ１の場合、棒状物３０の長さは１ｍｍ〜３ｍｍ程度とするのが望ましい。また、断面の径、すなわち棒状物３０の延伸方向と垂直な断面における径は、０．２ｍｍ以下、より好ましくは０．１ｍｍ以下とするのが望ましい。

上記のような断面の径が小さい棒状物３０を選択すれば、先端部２０の摩耗の進行が遅れる部分（棒状物３０およびその近辺に位置する先端部２０の他の部分）を小さくすることが可能となる。その結果、棒状物３０を中心とした鋭角な頂点を十分に尖った形状とすることが実現される。また、上記のような長さの棒状物３０を選択すれば、棒状物３０を中心とした鋭角な頂点４０が十分に長い期間維持されることとなる。

なお、棒状物３０は、先端部２０の１つの頂点を通過するとともにプローブ端子１０の延伸方向と非垂直方向に伸びる直線上に位置してもよい。さらに具体的には、棒状物３０は、上記直線上であって、先端部２０の頂点４０の一部または全部を構成するように配置されてもよい。このような棒状物３０を選択すれば、先端部２０は、摩耗具合に関わらず、常に鋭角な頂点４０を維持することが可能となる。

また、棒状物３０は、先端部２０の１つの頂点を通過するとともにプローブ端子１０の延伸方向と略平行に伸びる直線上に位置してもよい。さらに具体的には、棒状物３０は、上記直線上であって、先端部２０の頂点４０の一部または全部を構成するように配置されてもよい。このような棒状物３０を選択すれば、先端部２０は摩耗具合に関わらず、常に鋭角な頂点４０を維持することができるほか、先端部２０の断面内における頂点４０の位置を同じ位置に維持することが可能となる。

なお、先端部２０が複数の頂点４０を有する場合、棒状物３０は複数の頂点４０のそれぞれを通過する複数の直線上に複数設けられてもよい。例えば、図３、４に示すように、棒状物３０は、先端部２０の複数の頂点４０のそれぞれを通過するとともにプローブ端子１０の延伸方向と略平行に伸びる直線上に位置してもよい。または、図７、８に示すように、棒状物３０は、先端部２０の複数の頂点４０のそれぞれを通過するとともにプローブ端子１０の延伸方向と非垂直方向に伸びる直線上に位置してもよい。図８は、図７のプローブ１の上面図である。かかる場合も、図３、４、７、８に示すように、棒状物３０は、上記直線上であって、先端部２０の頂点４０の一部または全部を構成するように配置されてもよい。このようにすれば、摩耗具合に関わらず、常に複数の鋭角な頂点４０を維持することが可能となる。

ここで、上記のような先端部２０を製造する方法としては特段制限されないが、例えば、金合金材料（〜１００ＨＶ）や鉛合金材料（〜５００ＨＶ）を用いて先端部２０を製造した後、先端部２０の所定の位置に穴を設け、この穴の中に、チタン（〜１０００ＨＶ）などを用いて製造された所定形状の棒状物を埋め込むことで実現してもよい。

本実施形態のプローブ１によれば、半導体装置のはんだボールとの接触および清掃などを繰り返し行うことにより先端部２０の摩耗が進行しても、鋭角な頂点４０が維持されることとなる。すなわち、本実施形態のプローブ１によれば、先端部２０の摩耗が進行しても、プローブ１の先端部２０を半導体装置のはんだボールに接触させれば、依然維持されている鋭角な頂点４０により、はんだボールの表面に形成された酸化膜を破ることができる。その結果、プローブ１の寿命が長くなり、半導体装置の電気的特性の測定のためのコスト負担を軽減することが可能となる。

次に、図９の機能ブロック図を用いて、本実施形態のプローブ１を複数備えたＩＣソケット２、および、このＩＣソケット２を備えた試験装置９の構成を説明する。なお、試験装置９を構成する各部は、任意のコンピュータのＣＰＵ、メモリ、メモリにロードされたプログラム（あらかじめ装置を出荷する段階からメモリ内に格納されているプログラムのほか、ＣＤなどの記憶媒体やインターネット上のサーバなどからダウンロードされたプログラムも含む）、そのプログラムを格納するハードディスクなどの記憶ユニット、ネットワーク接続用インタフェースを中心にハードウエアとソフトウエアの任意の組合せによって実現される。そして、その実現方法、装置にはいろいろな変形例があることは、当業者には理解されるところである。また、図９の機能ブロック図は、ハードウエア単位の構成ではなく、機能単位のブロックを示している。

図９に示すように、本実施形態の試験装置９は、ＩＣソケット２と、制御部４と、を有する。さらに、移動機構３を有してもよい。

制御部４は、検査部６を有する。また、制御部４は、試験装置９が移動機構３を有する場合には、移動機構３の動作制御を行う駆動制御部５を有する。

検査部６は、検査信号出力部７と、判定部８と、を備えて構成されている。

このうち検査信号出力部７は、ＩＣソケット２が備える複数のプローブ１のうちの所定のプローブ１の各々に対してそれぞれ所定の検査信号を出力する。

判定部８には、ＩＣソケット２の複数のプローブ１のうち検査信号が入力されるのとは別の所定のプローブ１の各々から検査結果信号が入力される。判定部８は、これら検査結果信号に基づいて、半導体装置（図示せず）の検査を行う。

移動機構３は、半導体装置（図示せず）を保持する。移動機構３の保持機構の詳細な説明は省略する。この移動機構３は、保持した半導体装置（図示せず）を駆動制御部５の制御下でＩＣソケット２側に移動（例えば、下降）させることにより、該半導体装置（図示せず）の信号端子（はんだボール）の各々を、それぞれ対応するプローブ１の先端部２０に対して接触させる。

次に、本実施形態の試験装置９を用いた試験方法の一例について説明する。本実施形態の試験方法は、プローブ１の先端部２０を、試験対象の半導体装置の信号端子であるはんだボール（図１２参照）に押し当て、プローブ１と半導体装置の信号端子を電気的に接続することにより、前記半導体装置の試験を行う。

上記本実施形態の試験方法では、半導体装置の信号端子（はんだボール等）にプローブ１の先端部２０が接触することにより、半導体装置と試験装置９の電気的な接続を行うが、プローブ１の先端部２０は、安定した電気的接続を実現するため、はんだボールの表面を削り少し埋まる状態となるまで押し込まれる。

このようなプローブ１の先端部２０とはんだボールとの接触を繰り返すことで、プローブ１の先端部２０は摩耗する。また、プローブ１の先端部２０には、はんだボールとの接触を繰返すことではんだ屑やはんだボール表面の酸化物等の異物が付着し、接触抵抗の増加や接触不良を起こす。このため、プローブ１の先端部２０は定期的に清掃される。この清掃によっても、プローブ１の先端部２０は摩耗する。

しかし、本実施形態のプローブ１の先端部２０は、上述の通り、棒状物３０を有するため、半導体装置のはんだボールとの接触および清掃などを繰り返し行うことにより摩耗が進行しても、棒状物３０を中心とした鋭角な頂点４０が維持されることとなる。このように、本実施形態の試験方法によれば、先端部２０の頂点４０を常に鋭利な状態に保てる為、長期にはんだボール表面の酸化膜を破ることができ、安定した電気的接触が得られることで安定した電気的特性の測定が可能となる。また、プローブ１の交換頻度を少なくすることができるため、試験効率が向上するほか、試験に要するコストを抑えることができる。
＜実施形態２＞

図１０に本実施形態のプローブ１の一例を模式的に示す。図に示すように本実施形態のプローブ１は、プローブ端子１０と、プローブ端子１０の先端に位置する先端部２０とを有し、先端部２０の外周側面は、先端部２０の他の部分よりも硬い材料の膜５０で覆われている。「先端部２０の他の部分」とは、先端部２０の中の膜５０以外の部分のことを意味する。図１１は、図１０のプローブ１の上面図である。以下では、実施形態１のプローブ１と相違する点を説明し、共通する点については説明を省略する。また、本実施形態のＩＣソケットおよび試験装置および試験方法は、実施形態１のＩＣソケットおよび試験装置および試験方法と同様であるので、ここでの説明は省略する。

本実施形態の先端部２０は、先端部２０の外周側面沿いに頂点４０が位置する。そして、先端部２０の外周側面は、先端部２０の他の部分よりも硬い材料の膜５０で覆われている。「他の部分よりも硬い」とは、他の部分よりも摩耗しにくいことを意味し、例えば、ビッカース硬さが他の部分より硬いという概念であってもよい。頂点４０の数および位置は任意の設計事項である。

膜５０の材料としては、先端部２０の他の部分よりも硬く、導電性であれば特段制限されない。例えば、先端部２０の他の部分を金合金材料（〜１００ＨＶ）や鉛合金材料（〜５００ＨＶ）で構成する場合には、チタン（〜１０００ＨＶ）を用いてもよい。

このような膜５０を有する先端部２０の場合、半導体装置のはんだボールと接触しうる部分（はんだが付着し清掃される部分）の中の、膜５０およびその近辺に位置する先端部２０の他の部分と、膜５０から離れた所に位置する先端部２０の他の部分と、の摩耗具合が異なる。具体的には、膜５０およびその近辺に位置する先端部２０の他の部分は、膜５０から離れた所に位置する先端部２０の他の部分に比べて、摩耗の進行が遅い。かかる場合、先端部２０は、半導体装置のはんだボールとの接触および清掃などを繰り返し行うことにより摩耗が進行しても、膜５０を一部に含む鋭角な頂点４０が維持されることとなる。その結果、プローブ１の寿命が長くなり、半導体装置の電気的特性の測定のためのコスト負担を軽減することが可能となる。

なお、膜５０の厚さは、プローブの大きさに応じて、任意に定めることができる。しかし、現在一般的に流通しているプローブ１の場合、具体的には延伸方向と垂直な断面における径が０．５ｍｍ〜２ｍｍ程度のプローブ１の場合、膜５０の厚さは０．２ｍｍ以下とするのが望ましい。このような膜厚にすれば、膜５０の厚さにより先端部２０の頂点４０の鋭角具合が損なわれるのを回避することができる。すなわち、鋭角な頂点４０を形成することができる。

１ プローブ
２ ＩＣソケット
３ 移動機構
４ 制御部
５ 駆動制御部
６ 検査部
７ 検査信号出力部
８ 判定部
９ 試験装置
１０ プローブ端子
２０ 先端部
３０ 棒状物
４０ 頂点
５０ 膜

Claims (10)

1. プローブ端子と、
   前記プローブ端子の先端に位置し、少なくとも１つの鋭角な頂点を有しており、半導体装置の外部接続端子に接続する先端部と、を有し、
   前記先端部は、前記プローブ端子の延伸方向と非垂直方向に伸びていて、前記先端部の他の部分よりも硬い棒状物を有するプローブ。
2. 請求項１に記載のプローブにおいて、
   前記棒状物は、前記先端部の１つの前記頂点を通過するとともに前記プローブ端子の延伸方向と非垂直方向に伸びる直線上に位置するプローブ。
3. 請求項２に記載のプローブにおいて、
   前記棒状物は、前記先端部の１つの前記頂点を通過するとともに前記プローブ端子の延伸方向と略平行に伸びる直線上に位置するプローブ。
4. 請求項２または３に記載のプローブにおいて、
   前記先端部は、複数の前記頂点を有しており、
   前記棒状物は、複数の前記頂点のそれぞれを通過する複数の前記直線上に複数位置するプローブ。
5. 請求項１から４のいずれか一に記載のプローブにおいて、
   前記棒状物の断面の径は、０．２ｍｍ以下であるプローブ。
6. プローブ端子と、
   前記プローブ端子の先端に位置し、少なくとも１つの鋭角な頂点を有しており、半導体装置の外部接続端子に接続する先端部と、を有し、
   前記頂点は、前記先端部の外周側面沿いに位置し、
   前記先端部の外周側面は、前記先端部の他の部分よりも硬い材料の膜で覆われているプローブ。
7. 請求項６に記載のプローブにおいて、
   前記先端部の外周側面を覆う硬い材料の膜厚は、０．２ｍｍ以下であるプローブ。
8. 請求項１から７のいずれか一に記載のプローブを複数備えたＩＣソケット。
9. 請求項８に記載のＩＣソケットを備えた試験装置。
10. 請求項９に記載の試験装置を用いた試験方法であって、
    前記プローブの前記先端部を、試験対象の半導体装置の信号端子である半田ボールに押し当て、前記プローブと前記信号端子を電気的に接続することにより、前記半導体装置の試験を行う試験方法。

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