JP2014020787A - プローブカードとその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】軸方向に弾性力を有するプローブを用いたプローブカードにおいては、プローブの先端位置を接近させるには、弾性力の機構のため制限があった。そのため、弾性力の機構と位置決めの機構とを分離させたが、位置決めが困難であった。
【解決手段】 軸方向に弾性力を有する導電部材と、主面に設けられた第1の出入口の方向と裏面に設けられた第2の出入口の方向とが平行で、また、前記第1の出入口および第2の出入口がそれぞれ主面と裏面に対して垂直な方向に設けられ、前記第1の出入口と前記第2の出入口とが滑らかな曲がりのガイド穴で繋がり、前記第1の出入口から前記第2の出入口に前記導電部材を案内するガイドブロックとを備え、前記導電部材によって前記ガイドブロックの第1の出入口の外側と前記第2の出入口の外側とを接続するようにしたことを特徴とするプローブカード。
【選択図】図2

Description

本発明は、半導体ウェハ上に高密度に集積されたチップデバイスの電気的特性の検査に使用されるプローブカードとその製造方法に関するものである。
通常、半導体ウエハ上のチップデバイスについて電気的機能試験を行う試験装置は、半導体ウエハのチップデバイスの電極とプローブカードのプローブとの接触位置を調節して、次いで、オーバードライブを掛けてプローブをチップデバイスの電極に押圧接触して導通をとるためにウエハ載置台を上下左右に移動させるプローバと、チップデバイスに電気的測定信号をプローブ、中継回路基板、回路基板を経由して入出力して電気的機能試験を行うテスタと、から構成される。
チップデバイスの電気的特性の検査に使用される従来の垂直動作型プローブカード1は、図6に示すように、テスタに接続される複数のテスタ接続端子6aが設けられた回路基板6と、チップデバイスの電極に接する複数のプローブ2との間を、中継回路基板5によって電気的に接続している。複数のプローブ2の先端の位置決めはガイドブロック3のガイド穴3cによって行われる。プローブ2間の間隔20はガイド穴3cの間隔によって定められ、検査対象のチップデバイスの電極のピッチに対応している。ここで使用されているプローブ2は、軸方向に弾性力を有するようにスプリング機構4を有しており、中継回路基板5の第1の接続端子5bに接続されている。この第1の接続端子5bは、中継回路基板5の内部回路5cによって反対面に設けられた第2の接続端子5aに接続されている。この第2の接続端子5aは中継接続ピン7によって、回路基板6のテスタ接続端子6aが設けられた面とは反対の面に設けられた第1接続端子6bに内部回路6cを通じて接続されている。回路基板6、中継回路基板5およびガイドブロック3は、支持体8と支持ボルト9とによって所定の位置関係に保持されている。検査時には、プローブ2にオーバードライブ数十ミクロンを掛けるために半導体ウエハを載せたウエハ載置台が移動し、スプリング機構4で発生する押圧力によりプローブ2とチップデバイスの電極との間の電気的接続が確保される。
近年、半導体ウエハの大型化と、チップデバイスの高密度・高機能化に伴い、チップデバイスの電極配置間隔(電極ピッチ)はますます小さくなって来ている。従って、これらのチップデバイスの試験には、微小寸法のプローブが要求されるようになって来ている。このチップデバイスの試験は、プローブがチップデバイスの電極に対してオーバドライブを掛けて、その押圧力で電極の酸化皮膜を破壊し、確実な電気接続が行われることで試験測定が遂行される。この際のオーバドライブによる押圧力は、スプリング機構4の弾性力によってもたらされる。このスプリング機構4は、スプリングとこれを収納するバレルとから構成されており、また、各プローブ2は、押圧時に湾曲等の変形が生じさせないために、スプリング機構4から一直線状にガイド穴3cを通して、電極に対して垂直に接触するように形成されている。従って、各プローブ2の間隔20は、スプリング機構4のバレルの直径より小さくすることができないので、これよりも小さな電極間隔のチップデバイスを検査できないという問題があった。
そこで、ガイド板を直線状に斜めにガイド穴を設けてプローブの電極間隔を小さくして、高密度のチップデバイスに対応した垂直動作型プローブカードの先行技術が開示されている(参考文献1)。
特開2001−235514号公報(〔0024〜0026〕、〔0007〜0034〕、〔図3〕、〔図7〕)
この先行技術の垂直動作型プローブカードは、スプリング機構のバレルの間隔よりプローブの電極間隔を小さくすることが可能となる有効な技術であるが、プローブがオーバードライブによって上下動する場合に、ガイド穴が急激に折れ曲がっているので、プローブがガイド穴の側壁に引っかかったり、摩擦抵抗が大きくなったりするおそれがあり、円滑にプローブが上下動することが難かしく所定の押圧力を得られない問題があった。特に、プローブ径が小さい場合は、より大きい問題となる。
また、先行技術の垂直動作型プローブカードは、全て同一の長さのプローブを用いるために、ガイド板のガイド穴の長さや屈曲に左右されて、プローブの突出量が異なり、これらのプローブを用いてウエハ電極に押圧接触した場合に、スプリング機構の圧縮ばねの変位が一様でなくプローブ間で大きな差異が生じる。したがって、各プローブの電極に対する押圧力が一定でなくなり、プローブ間で、ばらつきが大きくなるので、安定した押圧接触が得られず、正確な検査ができないという問題があった。
本発明は、上記事情に鑑みて、これらの問題を解決するために成したものであって、電極間隔が微小化されたチップデバイスの電気的機能特性の検査に使用するプローブカードにおいて、従来の外径のスプリング機構を用いても、そのスプリング機構の間隔をチップデバイスの電極に対応するためプローブ先端部の間隔を狭めたガイドブロックを工夫することにより、円滑にプローブを上下動させて、各プローブが一様な押圧力を得ることができる機構を有するプローブカード及びその製造方法を提供するものである。
前述の目的を達成するために、本発明の請求項1に係るプローブカードは、軸方向に弾性力を有する導電部材と、主面に設けられた第1の出入口の方向と裏面に設けられた第2の出入口の方向とが平行で、前記第1の出入口と前記第2の出入口とが滑らかな曲がりのガイド穴で繋がり、前記第1の出入口から前記第2の出入口に前記導電部材を案内するガイドブロックとを備え、前記導電部材によって前記ガイドブロックの第1の出入口の外側と前記第2の出入口の外側とを接続するようにしたことを特徴とする。
また、請求項2に係るプローブカードは、請求項1のプローブカードにおいて、第1の出入口および第2の出入口がガイドブロックに対して垂直な方向に設けられていることを特徴とする。
これらの構成より、本発明に係るプローブカードは、ガイドブロックを回路基板とプローブとの間に設けると共に、回路基板とチップデバイスの電極とを結ぶ各導電部材をガイドブロックに通して曲げて誘導することにより回路基板側の導電部材同士の間隔をより狭い電極側の導電部材同士の間隔に変換させることを可能にしたもので、各導電部材を微小化されたチップデバイスの電極に対して押圧接触することが可能となる。また、回路基板側の導電部材に軸方向の弾性力を付与するスプリング機構は微小化に困難性があるが、本発明のガイドブロックを採用することにより各導電部材を微小化されたチップデバイスの電極に対して押圧接触することが可能となる。これによって、高密度に電極配置されたチップデバイスの電気的機能特性の試験を行うことができる。
また、導電部材は、ガイド穴の中心軸線が、ガイド穴の出入口部で該ガイドブロックに対して平行であり、又は垂直であり、かつ、出入口間で滑らかな曲がりを有するガイド穴内を円滑に、淀みなく通すことができるので、オーバードライブによる導電部材の摺動時にも、ガイド穴に引っかかったり、大きな摩擦抵抗を受けたりせずに、円滑に摺動させることができる。また、ガイドブロックから突出した導電部材の先端は、電極に対して直角であって、先端が揃っており、正確にチップデバイスの電極に接触することができると共に、各導電部材はオーバードライブによる変位で適切な押圧力を得ることができる。また、軸方向に弾性力を有する導電部材としては、具体例として、一方の先端部をプローブとして構成し、他方を軸方向に弾性力を付与するスプリング形状又はスプリング機構にすることが挙げられる。なお、滑らかな曲がりとは、例えば、連続的に変化する曲率半径を有し、変曲点を一箇所設けた曲線が挙げられる。
以上のことより、各導電部材は、ガイドブロックの対応するガイド穴にスムースに挿通することができるし、また、その先端部は、高密度に配置されたチップデバイスの電極に対応して、高密度に、かつ、電極に対して直角に配置させると共に、各導電部材に、一様な所定の押圧力をかけることができる。従って、高密度に電極配置されたチップデバイスの電気的機能特性を測定する試験を確実に、また正確に行うことができる。
請求項3に係るプローブカードの製造方法は、所定のピッチで複数の第1のガイド穴が開けられた第1のガイド板と、この第1のガイド板と所定の空間部を隔てて設けられ、前記第1のガイド穴同士のピッチより狭めた第2のガイド穴が開けられた第2のガイド板と、夫々対応する第1のガイド穴と第2のガイド穴を通ると共に、前記第1のガイド板と前記第2のガイド穴との間において所定の曲線の形状を形成した銅線部材とを備え、樹脂によって該銅線部材を埋設して前記空間部を固め、その後、前記銅線部材をエッチング処理で除去して空間部のガイド穴を形成するようにしたことを特徴とする。また、請求項4に係るプローブカードの製造方法は、請求項3のプローブカードの製造方法において、銅線部材が中空の部材であって、エッチング処理のエッチング液が通過できるようにしたことを特徴とする。
この製造方法は、第1のガイド板と第2のガイド板との間のガイドブロックの中に所定の曲線形状のガイド穴を形成するものである。銅線部材を複数、第1のガイド板と第2のガイド板に予め設けられたガイド穴に通し、その所定の曲線の形状となるように加工して第1と第2のガイド板間の空間部に配設し、その後、樹脂で、複数の銅線部材を埋設して空間部を固めた後、エッチング処理によって、中子の銅線部材を除去して空間部に複数のガイド穴を形成したガイドブロックを完成させる。この場合、中空の銅線部材を用いると、エッチング処理により銅線部材を除去する際に、エッチング液が銅線部材の中空部に浸透、通過し易くなり、銅線部材を完全に、速やかに除去することができる。また、銅線部材に絶縁皮膜を施した銅線を用いると、絶縁皮膜がエッチング処理で残り、ガイド穴を絶縁皮膜で保護するので、銅線除去後のガイド穴同士の絶縁が維持できて好適である。このガイドブロックを用いることによって、ガイド穴は、滑らかな曲りを有する穴を形成し、かつ、相互に独立のガイド穴を形成することができる。よって、このガイドブロックを用いると、個々の導電部材がガイド穴に引っかかったり、大きな摩擦抵抗を受けたりせずにオーバードライブによる変位ができると共に、デバイスの測定時のオーバードライブに対して円滑に摺動変位させることができる。従って、この方法により、軸方向に弾性力を有する導電部材の先端部の間隔を縮小できる変換機能のガイドブロックを備えたプローブカードを製造することができる。
本発明に係る請求項1から2までの構成のプローブカードによれば、半導体ウェハ上に高密度に集積されたチップデバイスの電気的特性の検査において、チップデバイスの電極間隔が微小になるのに対応して、複数の軸方向に弾性力を有する導電部材の大きさと配置を余り変えることなく、本発明に係るガイドブロックを用いることによって、各導電部材の先端部の間隔を詰めて配設することができる。また、各導電部材がガイド穴において、その変位を円滑に摺動させることができるので、導電部材が電極に対して所定の押圧力を掛けることができる。また、導電部材に軸方向の弾性力を付与するスプリング機構をチップデバイスの電極間隔に影響されることなく、設置することが場所的に容易となる。従って、チップデバイスの電気的特性検査を容易に確実に実施できると共に、検査の不正確さに伴う経済的利益の逸失を防ぐことができる。
本発明に係る請求項3,4のプローブカードの製造方法によれば、ガイド穴の入口と出口の間隔を変えることができるガイドブロックにおいて、ガイド穴に挿通した導電部材が、ガイド穴に引っかかったり、大きな摩擦抵抗を受けたりせずに、円滑に摺動させることができるガイドブロックを確実に容易に製造することができる。よって、このガイドブロックを用いれば、高密度に電極配置されたチップデバイスに、電気的機能特性の試験を正確に行うことができるプローブカードを、簡易に、精度良く製造することができる。
本発明に係るプローブカードの実施形態であって、中継回路基板を有する場合のプローブカードの模式的断面図である。 本発明に係るプローブカードの別の実施形態であって、中継回路基板がない場合のプローブカードの模式的断面図である。 本発明に係るプローブカードの実施形態であって、(a)は軸方向に弾性力を有する導電性部材の模式的断面図、(b)はガイドブロックに装着後で、かつ、オーバードライブ前の前記導電性部材の状態を示している模式的断面図、(c)はオーバードライブ時の前記導電性部材が変位した状態を示している模式的断面図である。 本発明に係るプローブカードの実施形態であって、(a)はガイドブロックの模式的断面図、(b)は(a)のA部の模式的拡大図である。 本発明に係るプローブカードの製造方法の実施形態であって、ガイドブロック及びガイド穴を形成する方法における、(a)は第1ステップを表した模式的断面図、(b)は第2ステップを表した模式的断面図、(c)は第3ステップを表した模式的断面図である。 従来の垂直動作型プローブカードの一例であって、プローブカードの模式的断面図である。
本発明に係るプローブカードの実施形態を図面に基いて説明する。図1は、本発明に係るプローブカードの実施形態であって、プローブカードの模式的断面図である。図2は、本発明に係るプローブカードの別の実施形態であって、中継回路基板がない場合のプローブカードの模式的断面図である。図3は、本発明に係るプローブカードの実施形態であって、(a)は軸方向に弾性力を有する導電性部材の模式的断面図、(b)はガイド板に装着後で、かつ、オーバードライブ前の前記導電部材の状態を示している模式的断面図、(c)はオーバードライブ時の前記導電部材が変位した状態を示している機構の模式的断面図である。図4は、本発明に係るプローブカードの実施形態であって、(a)はガイドブロックの模式的断面図、(b)は(a)のA部の模式的拡大図である。図5は、本発明に係るプローブカードの製造方法の実施形態における、ガイドブロックの形成方法であって、(a)は第1工程を表した模式的断面図、(b)は第2工程を表した模式的断面図、(c)は第3工程を表した模式的断面図である。
図1を用いて、本発明の実施の形態であるプローブカード1の構成について説明する。プローブカード1は、回路基板6と、中継接続ピン7と、中継回路基板5と、軸方向に弾性力を有する導電性部材であるプローブ2及びスプリング機構4と、ガイドブロック3と、支持体8と、支持ボルト9と、から構成されている。中継接続ピン7を介した結合としては、はんだボールを用いる接合、スプリング・ピンを用いる押圧接触等が標準的である。また、図2に示された別の実施形態のプローブカード1には、図1の構成から、中継回路基板5と中継接続ピン7とが省かれている。
図3(a)に示す導電部材2−1は、図1,2、3(b)、(c)に示すプローブ2のように、中継回路基板5又は回路基板6と検査対象のチップデバイスの電極(図示しない)との電気的導通を図るために設けられる。導電部材2−1は、プローブ2と軸方向に弾性力を付与するスプリング機構4とを接続して一体的に構成されており、チップデバイスの電気的測定時のオーバードライブを掛けるとプローブ先端部2aを押圧接触させることができる。また、プローブ2は、チップデバイスの電極に押圧接触するプローブ先端部2aを有し、本体をガイドブロック3のガイド穴3cに挿通することにより曲げられてプローブ2との間隔を拡げてスプリング機構4に接続する。すなわち、ガイドブロック3によりプローブ先端部2aのチップデバイス電極に対する平面配置の間隔を拡げてプローブ2はスプリング機構4に接続できるので、スプリング機構4の平面配置の間隔が広くても、その間隔をより小さくしたプローブ先端部2aを配設して、チップデバイスの電極の間隔20に対応するすることができる。また、微小なプローブ先端部2aの間隔に影響されずに、スプリング機構4の大きさやスプリング機構4同士の間隔等の制約を少なくすることができる。
また、ガイドブロック3は、上下面が平行な直方体又は円盤であって、夫々プローブ2を挿通しているガイド穴3cが複数個配設している。ガイドブロック3のガイド穴3cは、プローブ2の外径よりわずかに大きくしており、チップデバイスの電気的測定時のオーバードライブの変位α1によって、プローブ2がガイド穴3cに倣って円滑に摺動でき、かつ、プローブ2が座屈しないようガイドの役目を果たす。また、ガイドブロック3は、ガイド穴3cを滑らかに湾曲させてスプリング機構4側のガイド穴出入口3b同士の間隔よりプローブ先端部2a側のガイド穴出入口3a同士の間隔を縮小しており、プローブ2を微小なチップデバイスの電極間隔20に対応してガイドする。これにより、プローブ先端部2a同士の間隔は、スプリング機構4同士の間隔より小さくすることができ、高密度になったチップデバイスの電極間隔20に対応できるようになっている。
図4を用いて、ガイドブロック3のガイド穴3cの構成について説明する。図4(b)に示すように、ガイドブロック3のプローブ先端部2a側のガイド穴出入口3aとスプリング機構4側のガイド穴出入口3bは、夫々ガイド穴中心軸線3−1がガイドブロック3の出入口面に対して垂直に設けられ、かつガイド穴出入口3a同士の間隔はチップデバイスの電極間隔20に対応しており、ガイド穴出入口3b同士の間隔より小さくなっているので、ガイドブロック3はプローブ先端部2a同士の間隔よりプローブ2のスプリング機構4の間隔を拡大する間隔変換機能を持っている。また、ガイド穴3cは、ガイド穴出入口3a、3bを結んで滑らかに曲がっており、例えば、その中心軸線3−1は、夫々曲率半径r1、r2とを有する曲線が変曲点hを介して結んだ曲線である。また、曲率半径r1、r2が連続的に変化する曲線であってもよい。
以上の構成によって、ガイド穴3cは、滑らかな曲線を描くので、プローブ2を挿通して配設する場合に、プローブ2が折れ曲がったり、座屈して損傷することがないようにガイドすると同時に、プローブ2は、ガイド穴3c内を円滑に摺動できて、しかも、チップデバイス電極及びスプリング機構4に垂直に接触、接続できるので、オーバードライブ時の変位をロスなくスプリング機構4に伝え、その弾性力でプローブ先端部2aがチップデバイス電極に押圧接触できる。従って、図3に示すように、チップデバイスによるオーバードライブ時の変位長α1を、プローブ2が摩擦や引掛かりによるロスをすることなくスプリング機構4側のプローブ2の変位長α2に伝えることができ、すなわち、スプリング4aの変位長α3となって、弾性力を生じさせる。このことにより、プローブカード1の各プローブ2は、スプリング4aによる所定の押圧力をばらつきなく得ることができるので、正確に電気的機能試験を行うことができる。
次に、図5(a)、(b)、(c)を用いて、本発明に係るプローブカード1のガイドブロック3の製造方法を説明する。第1ステップとして、図5(a)に示すように、ガイド穴出入口3bの開いたガイド板3dと、ガイド穴出入口3bの間隔よりも狭い間隔のガイド穴出入口3aが開いたガイド板3eとを、空間部3fを隔てて平行に配設する。なお、ガイド板3dとガイド板3eは、絶縁素材の樹脂又はセラミックで製作する。第二ステップとして、図5(b)に示すように、ガイド板3dのガイド穴出入口3bとそれに対応するガイド板3eのガイド穴出入口3aを通り、かつ、ガイド板3dとガイド板3eとの空間部3fの所定の位置に複数の銅線部材11を配設する。ここで、銅線部材11を除去した跡の空孔が、ガイド穴3cを形成するので、配設される銅線部材11の形状は、曲率半径r1、r2を繋いで途中に変曲点hを1ヶ所設けた曲線とする。または、曲率半径r1、r2が連続して変化して繋がり、途中に変曲点hを1ヶ所設けた曲線としてもよい。この形状は、例えば銅線部材11をガイド板3dとガイド板3eの両外側から適度の張力や圧縮力を加えることにより形成することができる。次いで、第3ステップとして、空間部3fを樹脂によって複数の銅線部材11を埋設して固める。この場合の樹脂も、絶縁体であり、熱膨張または熱収縮による状態を考慮すると、図5(c)に示すように、ガイド板3dやガイド板3eと同質であることが好ましい。第4ステップとして、銅線部材11をエッチング溶液、例えば、アルカリ溶液及び塩化第二鉄溶液等でエッチング処理して除去することによって、ガイド穴出入口3a、3bが連通して、ガイド穴3cを形成し、かつ、所定の曲線を有するガイド穴3cを成形したガイドブロック3を製造することができる。この場合、中空の銅線部材11を用いると、エッチング処理により銅線部材11を除去する際に、エッチング液が銅線部材11の中空部に浸透、通過し易くなり、銅線部材11を完全に、速やかに除去することができる。なお、用いる銅線部材11は、銅線部材11同士が接触していた場合に、その後、ガイド穴3c同士が繋がって、プローブ2同士が接触して短絡が起こることを防ぐために、絶縁皮膜つきの銅線部材11を用いることが好適である。
上述の方法により製造されたガイドブロック3を用いてプローブカード1を製造する。ここで、各プローブ2は、十分に長さのあるものを使用する。プローブ2に連結している各スプリング機構4は、同一のサイズ、仕様のものを使用して、スプリング4a長を、同一に揃え、ガイドブロック3からのプローブ2の先端部2aの突出量が、同一となるように研磨して揃えることで、各スプリング4aの動作特性を合わせることができる。
上述の実施例において、軸方向の弾性力を有する機構としてスプリング機構を説明したが、他に、軸方向の弾性力としては、座屈原理を応用した単純な板ばねを立てた構造のプローブであっても、プローブ先端の位置決めをガイドブロックによって行い、プローブの後端が所定間隔以上の状態になったところで何等かの弾性力が加わるようにすれば同様の効果を得ることができる。
半導体ウェハにおいて、特に、電極間隔が極小であるチップデバイスの電気的特性検査に使用するプローブカードに利用することができる。
1:プローブカード
2:プローブ 2a:プローブ先端部 2b:接続部 2c:プランジャ部
2−1:導電部材
3:ガイドブロック 3a:ガイド穴出入口 3b:ガイド穴出入口
3c:ガイド穴 3d:ガイド板 3e:ガイド板
3f:空間部 3−1:中心軸線
4:スプリング機構 4a:スプリング
5:中継回路基板 5a:第2接続端子 5b:第3接続端子 5c:内部回路
6:回路基板 6a:テスタ接続端子 6b:第1接続端子 6c:内部回路
7:中継接続ピン 8:支持体 9:支持ボルト
11:銅線部材
20:プローブ先端部間隔 (チップデバイス電極間隔)
r1:第1曲率半径 r2:第2曲率半径
h:変曲点
α1:プローブ先端の変位長 α2:プローブ根元の変位長
α3:スプリングの変位長

Claims (4)

  1. 軸方向に弾性力を有する導電部材と、主面に設けられた第1の出入口の方向と裏面に設けられた第2の出入口の方向とが平行で、前記第1の出入口と前記第2の出入口とが滑らかな曲がりのガイド穴で繋がり、前記第1の出入口から前記第2の出入口に前記導電部材を案内するガイドブロックとを備え、前記導電部材によって前記ガイドブロックの第1の出入口の外側と前記第2の出入口の外側とを接続するようにしたことを特徴とするプローブカード。
  2. 第1の出入口および第2の出入口がガイドブロックに対して垂直な方向に設けられていることを特徴とする請求項1に記載のプローブカード。
  3. 所定のピッチで複数の第1のガイド穴が開けられた第1のガイド板と、この第1のガイド板と所定の空間部を隔てて設けられ、前記第1のガイド穴同士のピッチより狭めた第2のガイド穴が開けられた第2のガイド板と、夫々対応する第1のガイド穴と第2のガイド穴を通ると共に、前記第1のガイド板と前記第2のガイド穴との間において所定の曲線の形状を形成した銅線部材とを備え、樹脂によって該銅線部材を埋設して前記空間部を固め、その後、前記銅線部材をエッチング処理で除去して空間部のガイド穴を形成するようにしたことを特徴とするプローブカードの製造方法。
  4. 銅線部材が中空の部材であって、エッチング処理のエッチング液が通過できるようにしたことを特徴とする請求項3に記載のプローブカードの製造方法。
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