JP2017228479A - 導電接続装置 - Google Patents

Abstract

【課題】１００μｍ程度の微細な構造で、接続および取り外しの容易な導電接続装置がなかった。【解決手段】突き出た形状の被接続部材に対して、導電接続子によって受け入れるようにしたもので、導電接続子は、台座と、突き出た形状の被接続部材を受け入れる中空部を取り囲むように台座上に立てて配置され、前記中空部の内側に向かってそれぞれが押圧するよう屈曲し得る複数の導電柱とを備え、前記導電柱によって前記被接続部材の側面を押圧するようにした。【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体デバイスの電極などの微小な端子に別の導電体を接続する導電接続装置に関するものである。

導電接続装置は、電極と電極との間を接続する装置として、様々な構成のものがある。例えば、半導体ウエハの状態で、半導体デバイスの良否を判定する、いわゆる半導体の前工程における検査の際に使用されるプローブも導電接続装置の一つである。また、半導体デバイスの後工程における検査の際に使用されるソケットも、導電接続装置である。さらに、一般的なプラグとソケットも導電接続装置である。

様々な導電接続装置の中でも、極めて微細な構造の導電接続装置は、半導体デバイスの分野での導電接続装置である。この分野の導電接続装置として最も単純なものは、ワイヤボンディングで、半導体デバイスの電極にワイヤ先端を溶融して接合するものであるが、半導体デバイスの電極間が緻密な場合には、ワイヤ先端の操作が難しく、このため、半導体デバイスの電極を銅ポスト、銅ピラーという突出した形状の電極として、この電極の先端に低融点の導電部材を設け、導電部材を溶融後に固化して接合することを提案している（特許文献１）。

また、突出した形状の電極に対して、この電極を受け入れる中空形状の接続部を提案しているものもある（特許文献２）。
これは、中空形状の接続部に対して突出した形状の電極を篏合させるもので、中空形状の接続部と電極との間に低融点の導電部材を予め設けておいて、篏合した後に加熱して導電部材を溶融させて接合させるものである。
大きな構造物の場合には、様々な構造のものを採用できるが、前述の数ミクロンから数十ミクロンの寸法の電極に他の導電部材を接続させる導電接続装置では、採用できる構造に制限がある。

特開２０１５−８８５３４号公報 特開２０１０-８０９６２号公報

特許文献１および特許文献２に示されているように、接続端子が突出した形状の電極を使用する場合には、電気接続を確実に行うために、低融点の導電部材を介在させて固着させることが行われるが、この接続を切離す場合には、加熱して導電部材を溶融させることが必要で、手間がかかるという問題がある。また、突出した形状の電極が多数の場合には、一部の電極が接触した後に更に加重してすべての電極を接触させることが必要となり、接触していた電極には過剰な力が加えられ、電極の変形あるいは破損が生じるという問題があった。この電極に加わる過剰な力によって、電極が設けられている基板にも力が加わり、基板の変形という問題を引き起こすことになる。さらに、一旦、接続した導電部材を引き離す場合には、特別な処置を必要とするという問題があった。

この発明は、ピラーのように突出した形状の導電部材（被接続部材）に対して、前述のような問題を排除すると共に、さらに効果的な構造の導電接続装置を提供することを目的とするものである。

本発明の導電接続装置は、基板に導電接続子が設けられ、前記導電接続子は、台座と、突き出た形状の被接続部材を受け入れる中空部を取り囲むように前記台座上に立てて配置され、前記中空部の内側に向かってそれぞれが押圧するよう屈曲し得る複数の導電柱とを備え、前記導電柱によって前記被接続部材の側面を押圧するようにしたことを特徴とするものである。

この発明による導電接続装置は、複数の導電柱が取り囲む中空部に、突出した形状の被接続部材が挿入されると、その被接続部材の側面を複数の導電柱によって押圧するように構成しているため、被接続部材と導電柱とが確実に接触するという効果がある。

この発明の実施の形態１の導電接続装置を示す断面図である。 この発明の実施の形態１の被接続部材を示す斜視図である。 この発明の実施の形態１の導電接続子の構造を示す斜視図である。 この発明の実施の形態１の導電接続子の構造を示す斜視図である。 この発明の実施の形態１の導電接続子の一部断面斜視図である。 この発明の実施の形態１の導電接続子の特性図である。 この発明の実施の形態２の導電接続子の構造を示す斜視図である。 この発明の実施の形態２の導電接続子の形状変化を示す概略図である。 この発明の実施の形態３の導電接続子の構造を示す斜視図である。 この発明の実施の形態４の導電接続子の配置を示す平面図である。 この発明の実施の形態５の導電接続子の配置を示す平面図である。

実施の形態１
以下、この発明の実施の形態１による導電接続装置を、図１に基づいて説明する。なお、図中同一符号は各々同一または相当部分を示している。
図１は、実施の形態１に係る導電接続装置１００の構成を表す概略的な断面図である。導電接続装置１００は、図１に示すように、基板１０１に導電接続子１０２が設けられた構造となっている。導電接続子１０２は、台座２１と、台座２１上に自立して配置された複数の導電柱２２とを備えている。基板１０１には電気配線（図示せず）が設けられており、導電接続子１０２の台座２１が電気配線に接続されている。台座２１の中央部分の空間を説明のために中空部２３と名前を付けておく。複数の導電柱２２は、中空部２３を取り囲むように配置されている。被接続体２００は、被接続体基板２０１から突出して被接続部材２０２が設けられた構造になっている。被接続体基板２０１には電気配線（図示せず）が設けられており、この電気配線に被接続部材２０２が接続されている。

被接続部材２０２の形状としては、様々な形状があり、その例としては、図２に示す形状のものがある。図２Ａは、円柱形状を表し、図２Ｂは、円柱形状の先端に半球形の部材を取付けた形状を表し、図２Ｃは、先端の半球形の形状を尖らせた形状を表し、図２Ｄは、四角柱の形状を表している。この被接続部材２０２の形状としては、さらに、多角形の柱状に構成することができる。
被接続部材２０２は、被接続体基板２０１に精度よく配置されるが、この被接続部材２０２の配置に合わせて、導電接続装置１００の基板１０１上に導電接続子１０２が設けられている。

導電接続子１０２は、導電柱２２によって、対向する被接続部材２０２を中空部２３に
案内すると共に被接続部材２０２を中空部２３の領域内で包み込むように保持するように構成されている。すなわち、導電接続子１０２の導電柱２２は弾性のある導電材、例えばニッケル合金などで形成されている。
この被接続部材２０２の形状は、図２に示したように柱状で、その直径は約２０μｍから３０μｍで、長さは約３０μｍから４０μｍである。
これに対して、中空部２３の深さは、被接続部材２０２が挿入されても台座２１の表面に接触しないように、被接続部材２０２の長さよりも長い寸法に設定されている。例えば、台座２１の表面から導電柱２２の先端までの寸法は、約５０μｍから１００μｍに設定されている。

導電柱２２のそれぞれの先端部には傾斜部２４が設けられ、傾斜部２４よりも根元側には被接続部材２０２に接触して被接続部材２０２の側面を押圧する押圧部２５と、被接続部材２０２に接触しないように凹部２６が設けられている。この導電柱２２は、先端部の傾斜部２４が中空部２３の中心に向かうように配置される。このため、図１に示すように、導電接続装置１００と被接続体２００が対向し、接近して、被接続部材２０２が導電柱２２の先端に接触すると、被接続部材２０２の先端は、傾斜部２４によって案内され中空部２３に挿入される。中空部２３に被接続部材２０２の先端が挿入されると、被接続部材２０２が導電柱２２を押し退けるように作用し、導電柱２２の先端部は、中空部２３の外側に向けて屈曲する。一方、被接続部材２０２に対して、複数の導電柱２２から弾性力が作用するため、被接続部材２０２は、複数の導電柱２２によって包み込まれ、押圧部２５によって押圧力を受けて保持される状態になる。
すなわち、被接続部材２０２の先端が導電柱２２の先端に接触した時点で電気的導通が開始され、被接続部材２０２の側面が複数の導電柱２２によって挟み込まれる状態においては電気的導通が安定状態になる。

この導電接続装置１００では、被接続部材２０２は、挿入時には導電柱２２の傾斜部２４から多少の抵抗を受けるが、一旦挿入すると、側面に押圧部２５からの押圧力を受けることになる。したがって、被接続部材２０２に及ぶ力は、挿入に対する抵抗力を受けた後には、側面に対するほぼ一定の押圧力となり、その押圧力は、被接続部材２０２の中空部２３への挿入の深さが変化しても変わらない。

導電接続装置１００の導電接続子１０２の台座２１の外観形状は、図３および図４に示すように角柱形状でも円柱形状のどちらでもよい。
図３および図４に示している導電接続子１０２の構造は、台座２１の周辺に複数の導電柱２２が設けられ、台座２１は、導電柱２２の支持部の内側部分を掘り下げた形状となっている。すなわち、導電柱２２の内側（中空部２３側）が面一にして掘り下げられた形状とされている。この台座２１を掘り下げ、導電柱２２の内側の面を面一とすることによって、被接続部材２０２が導電接続子１０２の中空部２３に挿入された際に生じる応力集中を緩和させることができる。被接続部材２０２が中空部２３に挿入されると、導電柱２２は、変形するが、その際の応力は形状の変化するところに集中する。しかし、この実施の形態のように、台座２１を掘り下げ、導電柱２２の内側の面を面一にすることによって台座２１への取り付け部分における応力は緩和されることになる。

ここで、面一とは、図５に構造例を部分的に取り出して一部破断斜視図に示すように、導電柱２２の内側の面すなわち中空部２３に面する面を面一にするものである。図５Ａは、台座２１と同じ面となるように導電柱２２の面に合わせて台座２１を掘り下げた状態での面一を示しているものである。また、図５Ｂは、台座２１とは関係なく、導電柱２２の中空部２３に面する側を、図中の矢印に示す面が面一になるように構成した例を示している。
なお、台座２１に導電柱２２を設けたとして説明しているが、この図３および図４に示した構造から明らかなように、台座２１は、複数の導電柱２２を一体としてまとめるものであれば実質的な機能を満足するものである。

この実施の形態１においては、導電接続装置１００の導電接続子１０２の基本的な形状を示した。この実施の形態１では、中空部２３に挿入された被接続部材２０２の側面に対して周囲に配置された導電柱２２が押圧する形態になっている。そのため、導電柱２２の本数は、２本以上として、それぞれの導電柱２２による押圧力が中空部２３の中心においてバランスしていることが望ましい。すなわち、導電柱２２によるベクトルの和が中空部２３の中心においてゼロになるように設定することが望ましく、そのようにすることによって被接続部材２０２にねじれを防ぐことができる。

次に、被接続部材２０２が導電接続子１０２の中空部２３に挿入された場合の動作状態を図６に基づいて説明する。
図６は、導電接続子１０２の動作解析結果を示した特性図である。ここでは導電接続子１０２の先端から台座２１の面までの距離が４０μｍの場合を示している。図６Ａは、被接続部材２０２と導電接続子１０２の位置関係を表す配置図である。図６Ｂは、Ｚ反力を表す特性図で、Ｚ反力は、導電接続子１０２が被接続部材２０２をつかむ力（把持力）を表している。すなわち、被接続部材２０２が導電接続子１０２の先端に接触するまでは、把持力は生じていないが、傾斜部２４に接触して後、押圧部２５によってほぼ一定の力が加えられていることが表れている。図６Ｃは、Ｙ反力を表す特性図である。Ｙ反力は、導電接続子１０２が被接続部材２０２を押し戻そうとする力を表している。すなわち、被接続部材２０２が導電接続子１０２の傾斜部２４に接触している状態では圧力が加えられているが、傾斜部２４を通過すると、ほとんど抵抗は生じていない。図６Ｄは、導電接続子１０２の導電柱２２における応力を表す特性図である。すなわち、被接続部材２０２が導電接続子１０２の先端に接触して後、傾斜部２４および押圧部２５を通過するまで導電柱２２は変形し、応力が生じるが、押圧部２５を通過するとその応力は、大きくなることはない。

この図６の特性図は、導電柱２２間の開口径が１８μｍの導電接続子１０２に対して、直径２２μｍの円柱形状の被接続部材２０２を挿入した場合の状態の特性図である。この図５から明らかなように、この実施の形態１に示した導電接続子１０２の場合には、被接続部材２０２が導電柱２２の押圧部２５を通過する段階で特性がほぼ定まり、被接続部材２０２が一旦挿入された後では、特性にほとんど変化を生じない。

実施の形態２
導電接続装置１００の導電接続子１０２の構成として、台座２１に複数の導電柱２２を、台座２１の中空部２３の周辺に配置するとして示した。その導電接続子１０２の形状としては、図７に示すように、複数の導電柱２２の根元部分を台座２１によって結合するようにして、導電柱２２が台座２１からはみ出ている構造としている。このように複数の導電柱２２を、隣り合う導電柱２２の距離を変更せずに、中空部２３からの放射方向の寸法を設定することによって、断面積の寸法を設定することができ、導電柱２２の弾性力の設定を行うことができる。このような形状を採ることによって、図６Ｂに示したＺ反力の設定および図６Ｃに示したＹ反力の設定を行うことができる。

また、図７に示した形状の導電柱２２は、断面形状の、「屈曲の方向の寸法」と「屈曲の方向に対する垂直方向の寸法」の比が５０％以上となるように設定されている。この寸法比は、一例であって、様々な値を設定することができ、「屈曲の方向の寸法」の設定によって、図６Ｂに示した把持力を設定することができる。すなわち、「屈曲の方向の寸法」とは、導電柱２２の厚みであり、導電柱２２の屈曲時に、導電柱２２の厚みの外側で圧縮、内側では引張応力が生じることから、応力に大きく寄与するので導電柱２２の厚さを大きくできないが、屈曲量が小さい場合には、応力限界になるまで導電柱２２の厚さを大きくした方が、針圧および保持力を大きくさせる改善策となる。

また、「屈曲方向に対する垂直の方向の寸法」とは、導電柱２２の幅であって、導電柱２２の幅が大きくなっても屈曲時の応力は、あまり変わらない。したがって、低応力で針圧および把持力を大きくしたい場合には導電柱２２の幅を増加させることが効果的である。しかし、導電接続子１０２全体の寸法の制約から、それほど導電柱２２の幅を大きくはできない。これらの条件から、針圧を上げる方策として導電柱２２の厚さを応力限界まで大きくして、且つ導電柱２２の根元に壁を作って応力を分散させる方策が有効となる。なお、導電柱２２の厚さに対して導電柱２２を支える台座２１の壁厚を少し薄くしておくと応力分散が効果的であるが、壁厚を厚くすると応力の分散効力は無くなる。

ここで、実例としての寸法を紹介する。被接続部材２０２の寸法を直径２２μｍの円柱状の導電材を使用し、導電接続子１０２の導電柱２２の長さを７０μｍ、押圧部２５によって形成される空間部の開口の直径を１８μｍ、押圧部２５の長さを１０μｍ、前述の「屈曲の方向の寸法」を９μｍ、「屈曲の方向に対する垂直方向の寸法」を１６μｍとして、被接続部材２０２を導電接続子１０２に押し付け、中空部２３に挿入するように進めると、図８Ａに示すように、導電柱２２は、傾斜部２４において被接続部材２０２の押圧力を受けながら、破線に示すように変形されて被接続部材２０２を中空部２３に受け入れる。
中空部２３の内径は被接続部材２０２の太さよりも大きく設定されている。そのため、被接続部材２０２は、導電柱２２の押圧部２５からの締め付ける圧力を受けるだけで、それ以外の力を受けることがない。

導電接続子１０２が被接続部材２０２を受け入れる際に生じる導電柱２２の変形は、図８Ｂに示すように、導電柱２２の長さ７０μｍの場合、押圧部２５が被接続部材２０２の側面に接触する状態になると、導電柱２２による開口の直径が１８μｍで、そこに挿入される被接続部材２０２の直径が２２μｍであるため、開口部の導電柱２２の押圧部２５は、径方向に２μｍ変形されることになる。ここで、この長さ７０μｍと変形量の２μｍという数値が重要な意味を持つ。例えば導電接続子１０２の開口部の径を小さくすると変形量が大きくなり、導電柱２２の弾性変形の領域を越え、破壊されるか、元に戻らなくなる。この導電柱２２の変形は、導電柱２２の形状および材質による様々なパラメータに依存することになるが、最低限の条件として、導電柱２２の長さ（Ｌ）と変形量（ΔＮ）との関係が、０．０１≦（ΔＮ／Ｌ）≦０．１０となることが好ましい。

これは、被接続部材２０２の直径の寸法と、導電柱２２の開口の寸法と、導電柱２２の長さによって定まることになる。この最小値よりも小さい場合には、導電柱２２による押圧力が小さ過ぎることになり、この最大値よりも大きい場合には、変形量が大きすぎるために、導電柱２２が壊れることになる。
さらに、図８Ｃに示すように、導電柱２２の押圧部２５が、被接続部材２０２を受け入れた場合に、破線で示すような状態となるには、変形量による傾斜θの分だけ予め内側に傾斜させた形状にしておけば、押圧部２５と被接続部材２０２の側面との接触が面接触に近くなる。

実施の形態３
導電接続装置１００の導電接続子１０２の弾性力を設定するための構成を、さらに、図９に示す。
図９に示した構造は、導電柱２２の形状を変更したもので、導電柱２２の根元部分に対して先端部分を縮小したものである。すなわち、導電接続子の導電柱は、根元部が先端部に比較して断面積が大きい形状としたもので、このような形状を採用することによって、Ｙ反力を低下させずに最大応力のみを低減することができる。

実施の形態４
図７および図９に示した構造の導電接続子１０２は、一つの構造体であって、これを、半導体デバイスの電極に対応させるには基板１０１の上に複数配置することになる。この状態を断面図で表すと、図１に示すようになるが、これを平面図で表すと、図１０に示すように配列することになる。
図１０は、複数の導電接続子１０２を基板１０１上に、配列した場合の平面図である。この図１０に示した平面図では複数の導電接続子１０２を、台座２１の側面が一直線に並ぶようにマトリックス状に配置した状態を示している。これによって複数の被接続部材２０２に対応して導電接続を行うことができる。

実施の形態５
図１０に示した構造の導電接続子１０２の場合、導電柱２２が被接続部材２０２の挿入によって変形し、隣接する導電接続子１０２の導電柱２２が接触することが起こり得る。この導電柱２２の変形による接触の問題に対しては、図１１に示すように、導電接続子１０２を基板１０１上に、それぞれの導電接続子１０２を所定の角度に回転させた状態でマトリックス状に配置することにより対処する。すなわち、この実施の形態５では、基板１０１上に導電接続子１０２を、それぞれの導電接続子１０２を４５度回転させた状態でマトリックス状に配置し、それぞれの導電柱２２の屈曲の変形が、隣接する導電接続子１０２によって形成される空間の内側で起こり、隣接する導電接続子１０２の導電柱２２が接触することの無いように配慮している。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を自由に組み合わせ、実施の形態の任意の構成要素を適宜、変更または省略することが可能である。

２１ 台座、２２ 導電柱、２３ 中空部、２４ 傾斜部、
２５ 押圧部、２６ 凹部、１００ 導電接続装置、１０１ 基板、
１０２ 導電接続子、２００ 被接続体、２０１ 被接続体基板、
２０２ 被接続部材

Claims (7)

1. 基板に導電接続子が設けられ、前記導電接続子は、台座と、突き出た形状の被接続部材を受け入れる中空部を取り囲むように前記台座上に立てて配置され、前記中空部の内側に向かってそれぞれが押圧するよう屈曲し得る複数の導電柱とを備え、前記導電柱によって前記被接続部材の側面を押圧するようにしたことを特徴とする導電接続装置。
2. 前記台座は、前記導電柱の支持部の内側部分を面一にして掘り下げられた形状とされていることを特徴とする請求項１に記載の導電接続装置。
3. 前記導電柱の断面形状が、前記屈曲の方向の寸法を前記屈曲の方向に対する垂直方向の寸法に比べて小さく設定されていることを特徴とする請求項１に記載の導電接続装置。
4. 前記導電柱の断面形状が、前記屈曲の方向の寸法を前記屈曲の方向に対する垂直方向の寸法に対して５０％以上に設定されていることを特徴とする請求項３に記載の導電接続装置。
5. 前記導電接続子の前記導電柱は、根元部が先端部に比較して断面積が大きいことを特徴とする請求項１に記載の導電接続装置。
6. 前記導電柱の長さ（Ｌ）と前記屈曲の変形量（ΔＮ）との関係が、０．０１≦（ΔＮ／Ｌ）≦０．１０であることを特徴とする請求項１に記載の導電接続装置。
7. 前記導電接続子が前記基板上にマトリックス状に配列されていることを特徴とする請求項１に記載の導電接続装置。

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