JP2012145509A

JP2012145509A - プローブカード

Info

Publication number: JP2012145509A
Application number: JP2011005362A
Authority: JP
Inventors: Chikaomi Mori; 親臣森
Original assignee: Japan Electronic Materials Corp
Current assignee: Japan Electronic Materials Corp
Priority date: 2011-01-14
Filing date: 2011-01-14
Publication date: 2012-08-02
Anticipated expiration: 2031-01-14
Also published as: JP5581234B2

Abstract

【目的】本発明の目的は、高温テスト又は低温テスト時に、カード保持部の熱膨張又は熱収縮による影響を受けたとしても、早期にプローブの先端の高さ位置の変動を抑制することができるプローブカードを提供する。
【構成】プローブカードは、第１面とその裏側の第２面とを有するメイン基板１００と、メイン基板１００の第１面に固着された補強板２００と、熱膨張係数が補強板２００よりも小さい環状の補強部材３００と、補強部材３００の内側に保持されたプローブユニット４００と、メイン基板１００の第２面側で補強部材３００を補強板２００に固定する固定手段５００とを備えている。
【選択図】図３

Description

本発明は、半導体デバイス等の電気的諸特性を測定するのに使用されるプローブカードに関する。

従来のプローブカードは、高温環境下（例えば、８０〜１５０℃）又は低温環境下（例えば、−２０〜４０℃）で半導体デバイス等の電気的諸特性を測定するのに使用されている。この高温テスト又は低温テスト時には、プローブカードが熱膨張又は熱収縮し、プローブカードが大きく反るため、該プローブカードのプローブの先端の高さ位置が変動し、半導体デバイスの電極に対して接触不良となる等の問題が生じていた。

このような問題を解決し得る手段としては、プローブカードの熱膨張又は熱収縮が飽和状態になるまで待つことと、プローブカードのメイン基板上にメイン補強板及びサブ補強板を取り付ける手段とがある。後者は、サブ補強板の熱膨張係数がメイン補強板の熱膨張係数よりも大きく、メイン基板の熱膨張係数がメイン補強板の熱膨張係数よりも大きくなっている。前記プローブカードが半導体デバイスの高温テスト又は低温テストに用いられると、サブ補強板とメイン補強板とがバイメタル変形し、熱膨張量の大きいサブ補強板側又は熱収縮量の小さいメイン補強板側に反る一方、メイン基板とメイン補強板とがバイメタル状に変形し、熱膨張量の大きいメイン基板側又は熱収縮量の小さいメイン補強板側に反る。この両者の反りが相殺し合うことにより、プローブの先端の高さ位置の変動を抑制している（特許文献１参照）。

特開２００６−２１４７３２号公報

ところが、高温テスト又は低温テスト時には、プローブカードだけでなく、プローブカードを保持するプローバーのカード保持部が熱膨張又は熱収縮し、プローブカードの反りに影響を与えていた。

また、前記高温テスト又は低温テストの熱源は半導体デバイスを保持するチャックにある。メイン補強板及びサブ補強板は、前記プローブカードにおいて前記熱源から最も遠くに位置していることから、熱源の熱がメイン補強板及びサブ補強板に伝わるのに時間がかかる。また、熱源とメイン補強板及びサブ補強板との間に位置するメイン基板が断熱材として機能することから、熱源の熱がメイン補強板及びサブ補強板に効率よく伝わり難い。このため、高温テスト又は低温テスト時に、早期にプローブカードのプローブの先端の高さ位置の変動を抑制することが困難であった。

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、高温テスト又は低温テスト時に、カード保持部の熱膨張又は熱収縮による影響を受けたとしても、早期にプローブの先端の高さ位置の変動を抑制することができるプローブカードを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のプローブカードは、第１面とその裏側の第２面とを有するメイン基板と、前記メイン基板の第１面に固着された補強板と、熱膨張係数が前記補強板よりも小さい補強部材と、前記メイン基板の第２面側で前記補強部材を前記補強板に固定する固定手段とを備えている。

このようなプローブカードによる場合、高温テスト時の補強部材の熱膨張量は補強板の熱膨張量よりも小さくなるので、メイン基板の両側に固定手段で固定された補強部材及び補強板がバイメタル状に変形する。その結果、プローブカード全体が熱膨張量の大きい補強板側に反る。このプローブカードの反りとプローバーのカード保持部の熱膨張による変動とが相殺し合うので、プローブの先端の高さ位置の変動を抑制することができる。また、低温テスト時の補強部材の熱収縮量は補強板の熱収縮量よりも小さくなるので、メイン基板の両側に固定手段で固定された補強部材及び補強板がバイメタル状に変形する。その結果、プローブカード全体が熱収縮量の小さい補強部材側に反る。このプローブカードの反りがプローバーのカード保持部の熱収縮による変動を相殺することにより、該プローブカードのプローブの先端の高さ位置の変動を抑制することができる。補強部材は、メイン基板の第２面側に位置しているため、当該メイン基板よりも高温テスト又は低温テストの熱源（チャック）の近い。よって、高温テスト又は低温テスト時に、熱源の熱が補強部材に伝わり易く、補強部材を早期に熱膨張又は熱収縮させることができるので、プローブカードのプローブの先端の高さ位置の変動を早期に抑制することができる。

前記補強部材は、プローブユニットを保持する構成とすることができる。或いは、前記補強部材のメイン基板非対向面にプローブを直接設けることも可能である。これらの場合、前記補強部材は、プローブユニット又はプローブを保持する部材であるため、更に高温テスト又は低温テストの熱源（チャック）の近くに位置する。よって、更に熱源の熱が補強部材に伝わり易く、プローブカードのプローブの先端の高さ位置の変動を更に早期に抑制することができる。

前記プローブカードが８０〜１５０℃の温度下の半導体デバイスの高温テスト又は−２０〜４０℃の温度下の半導体デバイスの低温テストで使用される場合、前記補強部材の熱膨張係数は１〜５ｐｐｍ／℃、前記補強板の熱膨張係数は１０〜２５ｐｐｍ／℃であることが好ましい。更に、前記プローブカードが８０〜１００℃又は−２０〜３０℃の環境温度下の半導体デバイスのテストで使用される場合、前記補強部材の熱膨張係数は３〜５ｐｐｍ／℃、前記補強板の熱膨張係数は１０〜１２ｐｐｍ／℃であることが好ましい。

本発明の実施の形態に係るプローブカードの概略的正面図である。（ａ）は前記プローブカードの概略的平面図、（ｂ）は前記プローブカードの概略的底面図である。前記プローブカードの図２中のＡ−Ａ断面図であって、（ａ）は前記カードが高温テスト時のＺ補正を行っている構造説明図、（ｂ）は前記カードが高温テスト時のＺ補正を行っていない構造説明図である。前記プローブカードの図２中のＡ−Ａ断面図であって、（ａ）は前記カードが低温テスト時のＺ補正を行っている構造説明図、（ｂ）は前記カードが低温テスト時のＺ補正を行っていない構造説明図である。

以下、本発明の実施の形態に係るプローブカードについて図１乃至図４を参照しつつ説明する。図１に示すプローブカードは、メイン基板１００と、補強板２００と、補強部材３００と、プローブユニット４００と、複数の固定手段５００とを備えている。以下、各部について詳しく説明する。

補強板２００は、図１及び図２（ａ）に示すように、メイン基板１００の第１面にネジ等で固定されたステンレス綱製の板である。この補強板２００はメイン基板１００よりも硬く、該メイン基板１００の機械的強度を補強している。補強板２００は、円板状の本体部２１０と、４つの脚部２２０とを有している。脚部２２０は、本体部２１０の外周部に９０°間隔で設けられている。脚部２２０にはネジ孔２２１が設けられている。

メイン基板１００は、図１及び図２に示すように、第１面とその裏側の第２面を有する円板状の回路基板である。メイン基板１００の外周部には、図３及び図４に示すように、第１面から第２面にかけて貫通する４つの貫通孔１１０（図示２つ）が９０°間隔で設けられている。貫通孔１１０はネジ孔２２１に連通している。メイン基板１００の第２面には、複数の接続用の電極１２０が設けられている。メイン基板１００の第１面の外周部は、図２（ａ）に示すように、補強板２００の脚部２２０の間から部分的に露出している。この露出部分上に図示しない複数の外部電極が設けられている。この外部電極は本プローブカードが取り付けられるテスト装置に接続される。電極１２０と外部電極とは、メイン基板１００の第１、第２面及び／又は内部に設けられた図示しない導電ラインにより接続されている。

補強部材３００は、図２（ｂ）乃至図４に示すように、リング状の部材である。この補強部材３００は固定手段５００によって補強板２００に固定され、メイン基板１００の第２面側に間隔をあけて平行に配置されている。この補強部材３００の内周面には、内側に凸のリング状のフランジ３１０が設けられている。このフランジ３１０にプローブユニット４００が保持されている。補強部材３００には、４つのネジ孔３２０が９０°間隔で設けられている。ネジ孔３２０の中心はネジ孔２２１の中心の鉛直線状に位置している。

補強部材３００は、熱膨張係数が補強板２００よりも小さい素材で構成されている。本発明のプローブカードが８０〜１５０℃の温度下の半導体デバイスの高温テスト又は−２０〜４０℃の温度下の半導体デバイスの低温テストで使用される場合、補強部材３００の熱膨張係数は１〜５ｐｐｍ／℃、補強板２００の熱膨張係数は１０〜２５ｐｐｍ／℃であることが好ましく、前記プローブカードが８０〜１００℃の環境温度下の半導体デバイスの高温テスト又は−２０〜３０℃の環境温度下の半導体デバイスの低温テストで使用される場合、補強部材３００の熱膨張係数は３〜５ｐｐｍ／℃、補強板２００の熱膨張係数は１０〜１２ｐｐｍ／℃であることが好ましい。

固定手段５００は、スペーサ５１０と、ネジ５２０とを有している。スペーサ５１０は、外径がメイン基板１００の貫通孔１１０の内径よりも小さく、内径がネジ孔２２１及びネジ孔３２０の内径と略同じ円筒状の部材であって、高さ寸法がメイン基板１００の厚み寸法よりも大きくなっている。このスペーサ５１０が貫通孔１１０に挿入され、補強板２００と補強部材３００との間に介在することにより、補強部材３００とメイン基板１００との間に前記間隔が形成されている。ネジ５２０は、補強部材３００のネジ孔３２０及びスペーサ５１０に挿入され、補強板２００の脚部２２０のネジ孔２２１に螺合している。

プローブユニット４００は、図２（ｂ）乃至図４に示すように、プローブ基板４１０と、複数のプローブ４２０とを有している。プローブ基板４１０は、外径が補強部材３００の内周面の径よりも若干小さくフランジ３１０の内径よりも大きい円板状の基板であって、外周部が補強部材３００のフランジ３１０に保持されている。プローブ基板４１０の第１面はメイン基板１００の第２面に面接触している。プローブ基板４１０の第１面には、複数の接続用の電極４１１が設けられている。この電極４１１はメイン基板１００の電極１２０に接触するように配置されている。プローブ基板４１０の第１面の裏側の第２面にも、複数の電極４１２が設けられている。この電極４１２上には片持ち梁状のプローブ４２０が設けられている。電極４１１と電極４１２とはプローブ基板４１０の第１、第２面及び／又は内部に設けられた図示しない導電ラインにより接続されている。

以下、上述した構成のプローブカードの組み立て手順について説明する。まず、外部電極及び電極１２０が形成されたメイン基板１００を用意する。その後、メイン基板１００の第１面に補強板２００を固定させる。その後、メイン基板１００及び補強板２００を、補強板２００を下にして作業台に載置する。その後、メイン基板１００の貫通孔１１０に固定手段５００のスペーサ５１０を各々挿入する。その後、プローブ基板４１０の電極４１２上にプローブ４２０が形成されたプローブユニット４００を用意する。その後、プローブユニット４００のプローブ基板４１０の第１面をメイン基板１００の第２面に面接触させ、プローブ基板４１０の電極４１１をメイン基板１００の電極１２０に接触させる。この状態で、補強部材３００のフランジ３１０をプローブ基板４１０の第２面の外周部に当接させると共に、補強部材３００をスペーサ５１０上に載置する。その後、ネジ５２０を補強部材３００のネジ孔３２０及びスペーサ５１０に挿入し、補強板２００の脚部２２０のネジ孔２２１に螺合させる。このようにして補強部材３００が補強板２００に固定され、メイン基板１００の第２面側に間隔をあけて平行に配置される。

上述したプローブカードは、図３及び図４に示すように、外周部がプローバーのカード保持部２０に保持され、半導体デバイス１０の電気的諸特性を測定する高温テスト又は低温テストに使用される。具体的には、上記テスト装置がオンにされると、チャック３０に保持された半導体デバイス１０が検査位置に順次搬送され、前記プローブカードに対向配置される。半導体デバイス１０が検査位置に位置すると、チャック３０により半導体デバイス１０が加熱又は冷却される。加熱温度又は冷却温度が所定の温度に達すると、前記プローバーが動作し、前記プローブカードと半導体デバイス１０とを相対的に接近させる。すると、前記プローブカードのプローブ４２０の先端が半導体デバイス１０の電極１１に各々接触する。この状態で、半導体デバイス１０の電気的諸特性が前記テスト装置により各々測定される。

以下、８０℃の環境温度下の上記高温テストにおいて、メイン基板１００、補強板２００及びプローブ基板４１０の素材として下記素材を用いる一方、補強部材３００の素材として下記の二つの素材を用いた場合のプローブカードのプローブ４２０の先端位置のＺ方向の変動量（以下、Ｚ変動量と称する。）について説明する。なお、プローブ４２０の先端位置のＺ変動量は、プローバーのカード保持部２０のＺ方向の変動量とプローブカードのＺ方向の変動量とを合成した値となっている。

メイン基板１００：ＦＲ−４（熱膨張係数１４ｐｐｍ／℃）
補強板２００：ＳＵＳ３０３(熱膨張係数１７．ｐｐｍ／℃)
プローブ基板：セラミック（熱膨張係数６ｐｐｍ／℃）
補強部材３００：４２合金（熱膨張係数４．２ｐｐｍ／℃）
Ａ７０７５（熱膨張係数２３ｐｐｍ／℃）

補強部材３００の素材として４２合金を用いた場合、補強部材３００の熱膨張量が補強板２００の熱膨張量よりも小さくなるため、メイン基板１００の両側で固定手段５００に固定された補強部材３００と補強板２００とが、熱膨張量の大きい補強板２００側にバイメタル状に変形する。その結果、プローブカード全体が図３（ａ）のα線で示すように図示上方向に反る。このプローブカードの反りが、図３（ａ）の破線矢印で示すカード保持部２０の熱膨張による変動を相殺するため、下記表１に示すようにプローブ４２０の先端位置のＺ変動がテスト開始から５分頃で止まり、且つそのＺ変動量が約−２０μｍと留まる。すなわち、高温テスト時に、プローブ４２０の先端位置のＺ変動を早期に抑制（Ｚ補正）することができる。

補強部材３００の素材としてＡ７０７５を用いた場合、補強部材３００の熱膨張量が補強板２００の熱膨張量よりも大きくなるため、メイン基板１００の両側で固定手段５００に固定された補強部材３００と補強板２００とが、熱膨張量の大きい補強部材３００側にバイメタル状に変形する。その結果、プローブカード全体が図３（ｂ）のα’線で示すように図示下方向に反る。当該反りはカード保持部２０の前記変動と同方向であるため、前記変動を相殺することができない（すなわち、Ｚ補正できない。）。よって、下記表１に示すようにカード保持部２０及びプローブカードの各部材の熱膨張量が飽和状態となる６分頃までプローブ４２０の先端位置がＺ方向に変動しつづけ、そのＺ変動量は−４０μｍとなる。

−２０〜３０℃の環境温度下の上記低温テストにおいて、補強部材３００の素材として補強板２００よりも熱膨張係数が小さい素材を用いた場合、補強部材３００の熱収縮量が補強板２００の熱収縮量よりも小さくなるため、メイン基板１００の両側で固定手段５００に固定された補強部材３００と補強板２００とが、熱収縮量の小さい補強部材３００側にバイメタル状に変形する。その結果、プローブカード全体が図４（ａ）のβ線で示すように図示下方向に反る。このプローブカードの反りが、図４（ａ）の破線矢印で示すカード保持部２０の熱収縮による変動を相殺する。このため、プローブ４２０の先端位置のＺ変動がテストの初期段階で止まり、且つそのＺ変動量も抑制（Ｚ補正）することができる。

補強部材３００の素材として補強板２００よりも熱膨張係数が大きい素材を用いた場合、補強部材３００の熱収縮量が補強板２００の熱収縮量よりも大きくなるため、メイン基板１００の両側で固定手段５００に固定された補強部材３００と補強板２００とが、熱収縮量の小さい補強板２００側にバイメタル状に変形する。その結果、プローブカード全体が図４（ｂ）のβ’線で示すように図示上方向に反る。当該反りはカード保持部２０の前記変動と同方向であるため、前記変動を相殺することができない（すなわち、Ｚ補正できない。）。よって、カード保持部２０及びプローブカードの各部材の熱収縮量が飽和状態となるまでプローブ４２０の先端位置がＺ方向に変動しつづけ、そのＺ変動量も大きくなる。

以上の通り、補強部材３００が補強板２００よりも熱膨張係数が小さい素材で構成されているので、固定手段５００に固定された補強板２００及び補強部材３００の熱膨張又は熱収縮によるバイメタル状の変形とカード保持部２０の熱膨張又は熱収縮による変動とが互いに相殺することができるようになっている。換言すると、補強板２００及び補強部材３００は、固定された補強板２００及び補強部材３００の熱膨張又は熱収縮による変形とカード保持部２０の熱膨張又は熱収縮による変動とが互いに相殺可能な熱膨張係数を有する素材で構成されている。補強部材３００は、メイン基板１００よりも高温テスト又は低温テストの熱源であるチャック３０側に位置しているため、補強部材３００に熱源の熱が伝わりやすく、高温テスト又は低温テスト時に、補強部材３００を早期に熱膨張又は熱収縮させることができる。よって、プローブ４２０の先端位置のＺ変動を早期に抑制することができる。

なお、上述したプローブカードは、上記実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載の範囲において任意に設計変更することが可能である。

上記実施の形態では、補強部材３００はリング状であるとしたが、これに限定されるものではない。例えば、補強部材をリング状以外の環状、板状又は格子状とすることも可能である。また、上記実施の形態では、フランジ３１０によりプローブユニット４００が保持されているとしたが、これに限定されるものではない。例えば、補強部材の第２面にプローブユニット４００のプローブ基板４１０を接着剤等で固着し、保持させるようにしても良い。また、補強部材にプローブユニットを保持させる代わりに、補強部材の面上にプローブを直接設けることも可能である。但し、補強部材はプローブユニットやプローブを保持する部材に限定されるものではなく、メイン基板よりも高温テスト又は低温テストの熱源に近い部材であれば、どのような部材を用いても構わない。

上記実施の形態では、補強部材は、補強板よりも熱膨張係数が小さい素材で構成されているとしたが、これに限定されるものではない。補強板及び補強部材は、固定された補強板及び補強部材の熱膨張又は熱収縮による変形とカード保持部の熱膨張又は熱収縮による変動とが互いに相殺可能な熱膨張係数を有する素材で構成されている限り任意に設計変更することが可能である。よって、カード保持部の熱膨張又は熱収縮による変動によっては、補強部材を補強板よりも熱膨張係数が大きい素材で構成することも可能である。なお、メイン基板２００及びプローブ基板４１０を構成する素材については任意に設計変更することが可能である。

固定手段５００は、スペーサ５１０及びネジ５２０を有しているとしたが、補強部材を補強板に固定し得る限り任意に設計変更することが可能である。例えば、ボルトとナットを用いて補強部材を補強板に固定しても良い。また、固定手段により、補強部材と補強板との固定状態を可変することにより、補強部材と補強板とのバイメタル状の変更を調節することができる。

プローブユニット４００は、プローブ基板４１０の第１面がメイン基板１００の第２面に面接触しているとしたが、プローブ基板４１０の第１面とメイン基板１００の第２面との間に間隔が開いていても良い。また、プローブ基板４１０を、メイン基板１００を貫通するネジで補強板２００に固定することも可能である。

なお、上記実施の形態では、上記プローブカードの各部を構成する素材、形状、寸法及び配置等はその一例を説明したものであって、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。

１００・・・メイン基板
２００・・・補強板
３００・・・補強部材
４００・・・プローブユニット
５００・・・固定手段

Claims

第１面とその裏側の第２面とを有するメイン基板と、
前記メイン基板の第１面に固着された補強板と、
熱膨張係数が前記補強板よりも小さい補強部材と、
前記メイン基板の第２面側で前記補強部材を前記補強板に固定する固定手段とを備えているプローブカード。
請求項１記載のプローブカードにおいて、
前記補強部材に保持されるプローブユニットを更に備えているプローブカード。
請求項１記載のプローブカードにおいて、
前記補強部材のメイン基板非対向面に設けられたプローブを更に備えているプローブカード。
８０〜１５０℃の温度下の半導体デバイスの高温テスト又は−２０〜４０℃の温度下の半導体デバイスの低温テストで使用される請求項１乃至３の何れかに記載のプローブカードにおいて、
前記補強部材の熱膨張係数が１〜５ｐｐｍ／℃、前記補強板の熱膨張係数が１０〜２５ｐｐｍ／℃であるプローブカード。