JP2018040752A - プローブカードおよびプローブ針 - Google Patents

Abstract

【課題】プローブカードに搭載されたプローブ針の先端部に電極パッドの酸化膜の金属クズが付着せず、削りカスを抑制できる安定した接触状態を整形するプローブ針を有したプローブカードを提供する。【解決手段】本発明に係るプローブカードは、プローブカードに取り付けるプローブ針が目的に応じた２種の針を有しており、電極パッド表面に形成されたの酸化膜の物理的な除去を目的した第一の針２と電気的検査を目的とした第二の針３を備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体集積回路が形成された半導体素子の電気的特性を評価するプローブカードに関する。さらに、半導体素子の電極パッドに接触するプローブ針先端部の構造に関わる。

半導体集積回路が形成された半導体素子は、半導体ウエハの状態で半導体素子の電気特性を測定するために、一般に、検査装置であるテスタを用いて検査工程において検査される。

テスタは、プローブカードに備えられた複数のプローブ針が半導体素子の外部端子となる複数のボンディングパッド（電極パッドと呼ぶ）と一対一応で接触して、半導体素子へ電気接続される構成となっている。

電極パッドの材質は、アルミニウム、銅、銅合金等がありそれら表面には、数十ナノメートル程度の薄い酸化膜が形成されやすく、その酸化膜の接触抵抗値は１０Ωを超えることは一般的に知られている。そこで、電極パッド上に形成された酸化膜を破壊、又は、除去を行った後にプローブ針が電極パッドを構成する金属と接触することで良好な電気検査状態を確立し、半導体素子の良品、不良品の判別を行なっている。

そして、判別された良品のみを次工程においてウエハ状態から半導体素子を個片化して金属製の基板へ搭載した後、半導体素子に搭載された複数の電極パッドからボンディングワイヤ等にて金属製の基板の外部リードに電気的に接続し、外部リードとなる金属部を除く表面を樹脂等にて封止して、パッケージングされた半導体装置が完成する。

このような製造工程における検査工程は、良品、不良品を選別することで次工程における不良品のパッケージングを省き、製造コストの無駄を省いているが、電極パッド上に形成された酸化膜が、プローブ針の接触時に酸化膜を除去できないと、良品が不良品として誤認されることが発生することになる。

そのため、特許文献１では、電極パッド上の酸化膜を除去するためにプローブ針の先端に円錐状の複数の突起を形成したり、ヤスリ状に平行な複数の溝と刃をストライプ状に形成したりすることで、プロ―ブ針が電極パッド上の酸化膜を除去して電極パッドとプローブ針との接触抵抗を低減し、良好な電気的接触状態を確保できることが示されている。

さらに、特許文献２では、電極パッド上の酸化膜を除去するのに、プローブカードをオーバードライブと称する押し込み量でプローブ針自体を電極パッド表面に押し付けることで酸化膜を擦り取る、擦傷除去の方法が示されている、しかし、この方法ではプローブ針先端に酸化膜の金属クズが付着するので、プローブ針先端に付着した酸化物を除去するために針先クリーニング用研磨板を用いてプローブ針先端をクリーニングすることが必要となる。

特開平１１−０５１９７０号公報 実開平０７−０２６７７２号公報

しかしながら、特許文献１に示されるようにプローブ針の先端で電極パッドの酸化膜を破壊、除去するための円錐状の突起、ヤスリ状の刃を形成すると突起間、又は、刃の隙間に電極パッドの金属クズが付着する。それは、数千回から数万回におよぶ電極パッドへの接触においてプローブ針先端に酸化膜の金属クズが付着する訳であり、その酸化膜の金属クズによって電気的な接触不良が発生する。例えば、直径１２インチのウエハに２ｍｍ角の半導体素子を形成した場合、１枚のウエハには１５０００個以上の半導体素子が配置されることになる。半導体素子に１つずつプローブ針を接触させて測定するのであるから、累積された接触回数は非常に大きな数字となる。

したがって、プローブ針先に付着した酸化膜の金属クズを除去するため市販された研磨板、研磨シート上でプローブカードをオーバードライブさせてプローブ針の先端を擦り取る擦傷研磨をして酸化膜の金属クズを除去している。

したがって、プローブカードをオーバードライブさせてプローブ針をクリーニングすることは、プローブ針を損傷、劣化させることであり、プローブ針の先端を擦傷研磨することでプローブ針先の形状変形、針先位置変位などが発生して検査信頼性が著しく低下し、ひいては製造コストに負担をかけることになる。

よって、本発明は、このような問題を解決するものであり基板検査の信頼性を向上させ、製造コストを低減させるプローブカードを提供することを課題としている。

上記の目的を実現するために本発明のプローブカードは、目的によって異なる２種の針がプローブカードに搭載されていることを特徴とする。

第一の針は、電極パッド上の酸化膜を除去するための針であり、電極パッドの材質よりも硬度が高い材質である。プローブカードをオーバードライブさせた時、そのドライブ量で第一の針の異動方向に対して船首のようにＶ字状の形状に成形されており酸化膜に擦傷痕を残しながら酸化膜を破壊、除去する構造になっている。

第二の針は、酸化膜を除去した電極パッド上の擦傷痕に接触して電気的検査を行うことを目的とした針であり、複数本の細い針が纏って１本の針として構成されていることを特徴としている。

そして、第一の針は、第二の針よりも先に電極パッドに接触する構造であり、第一の針が電極パッドに接触した後オーバードライブさせて、そのドライブ量で第二の針が電極パッドに接触するので、第一の針と第二の針の先端部段差は、オーバードライブのドライブ量と略同等の段差を有している。

第一の針先に付着した電極パッドで擦傷させた時の酸化膜の金属クズのクリーニングは、研磨板へ第一の針を接触させてもオーバードライブのドライブ量以下であれば、第一の針が研磨板により張り先を研磨されることになり、第二の針である電気的検査を行う針先に悪影響を及ぼすことは無い。

電極パッド上の酸化膜を除去することを目的とした第一の針と酸化膜が除去された電極パッド上に形成された擦傷痕に接触して電気的検査を行うことを目的とした第二の針を有したプローブカードは、良好な接触状態を確保して検査対象物の検査信頼性を維持でき、電気検査を目的とする第二の針の針先を研磨して変形させることが低減されるプローブカードを提供することが可能になる。

本発明の実施例であるプローブカードに搭載した第一の針２と第二の針３が電極パッド上に接地した拡大図である。 本発明の実施例であるプローブカードに搭載した第一の針２と第二の針３をパッド接触面からみた図である。 本発明の実施例であるプローブカードに搭載した第一の針２と第二の針３の模式図である。 本発明の実施例であるプローブカードに搭載した第一の針２が酸化膜を除去し、その痕を第二の針３が電極パッドに接触した作用図である。 従来のプローブカードの模式図である。

プローブ針が取り付けられているプローブカードについて最初に図５を用いて概略を説明する。プローブカード１は、通常、図５のように多層プリント配線板１０４にパッド数と同数となるプローブ針が取り付けられており、プローブ針１０２はその先端部が検査対象である半導体素子の電極パッドのレイアウトと同一位置に来るように設置され、それらプローブ針１０２の先端がプローブカード１００の中央部に整列して集合するように配置されている。

本発明の実施例となるプローブカードには、２種の針が一対となった複合的な針が配置されている。一つの電極パッドに２種の針が接触する形態であり、電極パッド数の２倍の針数を有している。

図１は、本発明の実施例となるプローブカード１００に取り付けられた、２種のプローブ針で構成された複合的な針を示している。プローブ針である第一の針２と第二の針３が、酸化膜４が形成された電極パッド５上に接触している模式図である。

第一の針２は、導電性の金属膜からなる電極パッド５の表面に形成された酸化膜を除去するための針である。第二の針３は、第一の針２が電極パッド５の表面に形成された酸化膜４を除去した後の電極パッド５を構成している金属膜に接触して電気的検査を行うための針である。第一の針２が、電極パッド５の表面の酸化膜４を物理的に除去したのち、再び、酸化膜４が形成することなく、直ちに電気的検査を行えるように第二の針３が第一の針２に追従する配置となるように組み合わされて搭載されているので良好な接触状態を確保することができる。

図２は、第一の針２と第二の針３の針先先端部６を電極パッド５の接触面から見た図である。この図で判るように第一の針２は、その先端部を下方から見たときに、船首のようにＶ字状に形成されているので、先端部が電極パッド５上の酸化膜４を破壊、除去しやすい。更に除去された酸化膜４およびボンディンパッド５の金属クズを左右に掃出するので、Ｖ字状の先端部により保護されるように配置された第二の針６に酸化膜４およびボンディンパッド５の金属クズが付着しにくい。

そして第二の針３の針先先端部６は、細い針が複数本、束ねられた形状の針となっている。細い針を複数本束ねた理由を説明する。通常、単一針の場合、電気的検査の回数あるいは時間の経過とともに針とパッドとの接触面積が減少するため接触抵抗値が増大するが、複数本束ねることで接触面積が維持され接触抵抗値が上がりにくくなる。

しかし、細い針を複数本束ねた第二の針３の針先先端部６には、金属等のクズが絡む可能性があるが、第一の針２のＶ字状の先端部の陰に配置されているので、第一の針２が破壊、除去した酸化膜４および電極パッド５の金属クズは左右に掃出され、第二の針３に金属等のクズが付着、絡み付くようなことを回避している。

次に図３を用いて第一の針２の動作について説明する。
プローブカード１にオーバードライブと称する押し込み量（以後、ドライブ量と呼ぶ。）をかけると第一の針２は、Ａを起点に水平よりは下向きである矢印で示されるＸ方向へ移動しながら、第一の針２の先端部は船首のようにＶ字形状であるため、電極パッド５上に形成された酸化膜４を裂き拡げるようにして破壊、除去を行う。そして、第一の針２がＸ方向に移動すると、酸化膜４が除去された痕は第一の針２の移動した軌跡となって残り、金属片等のクズは左右に排出されるので第二の針３へ金属等のクズが付着することを回避できる。

図４は、第一の針２の針先の先端部７と第二の針３の針先の先端部６の最も低い部分の高さの位置関係を示している。
第一の針２の先端部７の最も低い部分を高さ方向の基準点０としたとき、第二の針３の針先先端部６の最も低い部分の高さ方向の位置は、オーバードライブ量と略同じ長さＡだけ高くなっている。これは、第二の針３の針先先端部６は第一の針２の先端よりもＡだけ短くなっているとも言える。そのため、電極パッド５の表面に存在する酸化膜は薄いので、第一の針２が酸化膜４を破壊し、電極パッド５の金属表面に接触した時点においては第二の針は、酸化膜４に接触していない。

ここで、プローブカード１がオーバードライブをかけることで第一の針２が酸化膜４を除去しながら移動し、その後、第二の針３の針先先端部６が酸化膜４の除去された電極パッド５と接触するように構成されているので、電気的検査を実施する第二の針３とボンディンパッド５とは、良好な接触状態を確保することが可能になる。

さらに針先先端部６の個々の針は、従来の針よりも細いためにオーバードライブをかけて電極パッド５へ接触針圧を高くしても、複数本の細い針によって接触針圧を個々の針で分散することが可能となる。

また、第二の針３の針先先端部６は、個々の針の剛性が強くないときは、たわみ変形を起こし易く、接触針圧を軽減することが可能になる。よって、第二の針３による電極パッド５への過度な損傷を起さないので都合が良いこととなる。

第一の針２は、オーバードライブを掛けた場合、図３に示すようにたわみ変形して矢印Ｘ方向へ移動しなければならい。そこで、第一の針２と第二の針３の剛性関係は、第一の針２＜第２の針３の関係であることが望ましい。

さらに第一の針２よりも第二の針３が短いことは、第一の針２に酸化膜４、電極パッドの金属などのクズが付着して、従来のように研磨板を用いて第一の針２を磨くときにも、第二の針３を損傷することなくクリーニングすることが出来る。

尚、第一の針２の材質は、電極パッド５の材質よりも硬度がある材質を用いるので、絶縁性材料で形成されている硬質なプラスチック材などの有機材料を用いた針を使用することも可能であるが、好ましくは、電気的導通が取れるような金属材料を用いた針が良い。

更に、第二の針３は、スプリング用の金属材料を使用することで第一の針に付着した金属異物をクリーニング用の研磨板に押し付けても第一の針２よりも短く、剛性が小さいため、たわみ変形して研磨され難くなる。

近年、鉛フリー化されたスズを主要金属とした合金鍍金を用いた半導体素子、パッケージ基板、プリント配線板においてもプローブカードを用いる検査において同様な課題が発生しており、本発明はこれらの製品分野でも使用されるプローブカードに用いることが可能である。

１ プローブカード
２ 第一の針
３ 第二の針
４ 酸化膜
５ 電極パッド
６ 第二の針先先端部
７ 第一の針先先端部
１０２ プローブ針
１０４ 多層プリント配線板

Claims (8)

1. 半導体素子の電気的検査に用いるプローブカードであって、
   多層プリント配線板と、
   前記多層プリント配線板に取り付けられたプローブ針と、
   を有し、
   前記プロ―ブ針は、
   前記半導体素子の表面に配置されている電極パッドの表面に形成された酸化膜を除去するための第一の針と、
   前記第一の針と組み合わされた、前記電極パッドを構成している金属膜に接触して、前記半導体素子の電気的検査を行うための第二の針と、
   からなることを特徴とするプローブカード。
2. 前記第一の針は、先端部の断面がＶ字形状となっており、前記Ｖ字形状の内側に前記第二の針が配置されている請求項１記載のプローブカード。
3. 前記第二の針は、前記電極パッドに接触する針先先端部が複数の針先を有することを特徴とする請求項１記載のプロ―ブカード。
4. 前記第一の針の先端部と前記第二の針の先端部の長さは、第一の針に対して第二の針が短く、オーバードライブが印加されていない状態においては、前記第一の針が前記電極パッドに接触しても前記第二の針が接触しない長さとなっている請求項１乃至３の何れか１項に記載のプロ―ブカード。
5. 半導体素子の電気的検査に用いるプロ―ブ針であって、
   前記半導体素子の表面に配置されている電極パッドの表面に形成された酸化膜を除去するための第一の針と、
   前記第一の針と組み合わされた、前記電極パッドを構成している金属膜に接触して、前記半導体素子の電気的検査を行うための第二の針と、
   からなるプロ―ブ針。
6. 前記第一の針は、先端部の断面がＶ字形状となっており、前記Ｖ字形状の内側に前記第二の針が配置されている請求項５記載のプローブ針。
7. 前記第二の針は、前記電極パッドに接触する針先先端部が複数の針先を有することを特徴とする請求項５記載のプロ―ブ針。
8. 前記第一の針の先端部と前記第二の針の先端部の長さは、第一の針に対して第二の針が短く、オーバードライブが印加されていない状態においては、前記第一の針が前記電極パッドに接触しても前記第二の針が接触しない長さとなっている請求項５乃至７の何れか１項に記載のプロ―ブ針。

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