JP2021085725A - プローブ - Google Patents

Abstract

【課題】バレルとコイルばねの接触を抑制できるプローブを提供する。【解決手段】プローブ１は、管形状のバレル１０と、バレル１０の一方の開口端から基端部２１が挿入され、先端が露出した状態でバレル１０の軸方向に沿って摺動する第１プランジャー２０と、バレル１０の内部に配置され、第１プランジャー２０をバレル１０の軸方向に付勢するコイルばね４０とを備える。第１プランジャーの基端部２１が、コイルばね４０の一端からコイルばね４０の内側を延伸する挿入部２１１と、挿入部２１１に連結し、コイルばね４０の外径よりも外径が大きくコイルばね４０の一端に当接する頭部２１２を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、検査対象物の特性の測定に使用されるプローブに関する。

集積回路などの検査対象物の特性をウェハ状態で測定するためにプローブが使用されている。プローブを用いた測定では、プローブの一方の端部を検査対象物の電極に接触させ、プローブの他方の端部を、プリント基板などに配置された端子（以下において「ランド」という。）に接触させる。ランドは、テスタと電気的に接続される。

プローブには、検査対象物に接触する小径のプランジャーの一部を大径の管形状のバレルに挿入した構成などが使用される。例えば、バレルの内部に配置したコイルばねによりプランジャーを付勢して、プローブを所定の針圧で検査対象物に接触させる。

特開２０１６−１２５９０３号公報

検査対象物の電極配置の狭ピッチ化や電極個数の増大により、プローブの細径化や多ピン化が進んでいる。このため、プローブの外径が細くなり、それに伴ってコイルばねの線径を細くする必要がある。しかし、線径が細いほどコイルばねが蛇行しやすくなり、バレルの内壁面にコイルばねが接触する。その結果、バレルやコイルばねが損傷する問題があった。

上記問題点に鑑み、本発明は、バレルとコイルばねの接触を抑制できるプローブを提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、管形状のバレルと、バレルの開口端から基端部が挿入され、バレルの軸方向に沿って摺動する第１プランジャーと、バレルの内部に配置され、第１プランジャーをバレルの軸方向に付勢するコイルばねとを備え、第１プランジャーの基端部が、コイルばねの一端からコイルばねの内側を延伸する挿入部と、挿入部に連結し、コイルばねの外径よりも外径が大きくコイルばねの一端に当接する頭部とを有するプローブが提供される。

本発明によれば、バレルとコイルばねの接触を抑制できるプローブを提供できる。

実施形態に係るプローブの構成を示す模式図である。 実施形態に係るプローブの保持方法を説明する模式図である。 測定時におけるプローブの保持状態を示す模式図である（その１）。 測定時におけるプローブの保持状態を示す模式図である（その２）。 比較例のプローブの構成を示す模式図である。 比較例のプローブの測定時におけるコイルばねの状態を示す模式図である。 実施形態に係るプローブの測定時におけるコイルばねの状態を示す模式図である。 実施形態に係るプローブの各部の径を説明するための模式図である。

次に、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各部の厚みの比率などは現実のものとは異なることに留意すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。以下に示す実施形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施形態は、構成部品の材質、形状、構造、配置などを下記のものに特定するものでない。

本発明の実施形態に係るプローブ１は、管形状のバレル１０、バレル１０の一方の開口端から基端部２１が挿入された棒形状の第１プランジャー２０、およびバレル１０の内部に配置されたコイルばね４０を備える。第１プランジャー２０は、バレル１０の開口端から先端が露出した状態でバレル１０の軸方向に沿って摺動する。コイルばね４０は、第１プランジャー２０をバレル１０の軸方向に付勢する。

更に、プローブ１は、バレル１０の他方の開口端から基端部３１が挿入された棒形状の第２プランジャー３０を有する。第２プランジャー３０は、バレル１０の開口端から先端が露出した状態でバレル１０に接合されている。コイルばね４０の一端が第１プランジャー２０の基端部２１に当接し、他端が第２プランジャー３０の基端部３１に当接する。図１に示したプローブ１では、コイルばね４０が、第１プランジャー２０と第２プランジャー３０を相互に離間する方向に付勢する。

図１に示した第１プランジャー２０は、基端部２１、首部２２、第１胴体部２３、フランジ２４および第２胴体部２５を順に連結した構成である。第１プランジャー２０の基端部２１は、コイルばね４０の一端からコイルばね４０の内側を延伸する挿入部２１１と、挿入部２１１に連結する頭部２１２を有する。コイルばね４０の外径よりも外径が大きい頭部２１２が、コイルばね４０の一端に当接する。

第１プランジャー２０は、バレル１０から抜け落ちず、且つ、バレル１０の内部で基端部２１が固定されないように、バレル１０に抜け止めされる。例えば、第１プランジャー２０の頭部２１２が抜けず、且つ、頭部２１２よりも径が細い首部２２が通過できる程度の深さで、バレル１０の第１接合部１０１をカシメ加工する。これにより、首部２２が第１接合部１０１を通過し、第１プランジャー２０の基端部２１は、バレル１０から抜けることなくバレル１０の内部を摺動する。

首部２２は、首部２２よりも径が太い第１胴体部２３にバレル１０の内部で連結している。このため、バレル１０の内部で第１プランジャー２０が頭部２１２と第１胴体部２３の２点で指示される。これにより、バレル１０の内部での第１プランジャー２０の傾きを抑制できる。また、第１胴体部２３と第２胴体部２５の間に、第１胴体部２３と第２胴体部２５よりも径が太いフランジ２４が配置されている。

図１に示した第２プランジャー３０は、基端部３１、首部３２、第１胴体部３３および第２胴体部３４を順に連結した構成である。第２プランジャー３０の基端部３１は、バレル１０の内部に配置されたコイルばね４０の一端に当接する。

第２プランジャー３０は、第２接合部１０２においてバレル１０に接合されている。例えば、図１に示すように、基端部３１および第１胴体部３３よりも径の細い首部３２の位置でカシメ加工することにより、バレル１０に第２プランジャー３０を固定する。なお、圧着や溶接などによって第２プランジャー３０とバレル１０を接合してもよい。

上記のように、プローブ１は、第２プランジャー３０がバレル１０に固定され、第１プランジャー２０がバレル１０の内部を摺動する片端摺動型のプローブとして機能する。

測定対象物の測定時に、第１プランジャー２０の第２胴体部２５の先端が測定対象物に接続し、第２プランジャー３０の第２胴体部３４の先端がランドに接続する。そして、第１プランジャー２０と第２プランジャー３０の間で、バレル１０やコイルばね４０を介して電気信号が伝搬する。このため、バレル１０、第１プランジャー２０、第２プランジャー３０およびコイルばね４０には、伝導性の材料が使用される。

バレル１０に、例えばニッケル（Ｎｉ）やニッケル合金、銅（Ｃｕ）や銅合金などの導電性の金属材料が使用される。なお、バレル１０の内壁面を金メッキ処理してもよい。また、第１プランジャー２０および第２プランジャー３０に、例えばパラジウム（Ｐｄ）合金や銅合金などの導電性の金属材料が使用される。コイルばね４０に、硬鋼線、ピアノ線、ステンレス鋼線などの導電性の材料が使用される。コイルばね４０の表面を金メッキ処理してもよい。

プローブ１は、例えば図２に示すように、プローブヘッド２により保持される。すなわち、プローブヘッド２を構成する複数のガイドプレートをプローブ１が貫通した状態で、プローブ１がプローブヘッド２に保持される。プローブヘッド２の材料には、セラミックなどが使用される。

図２に例示したプローブヘッド２は、ボトムガイドプレート２０１、ミドルガイドプレート２０２、トップガイドプレート２０３を有する。ボトムガイドプレート２０１のガイド穴を第１プランジャー２０が貫通し、トップガイドプレート２０３のガイド穴を第２プランジャー３０が貫通する。そして、ボトムガイドプレート２０１とトップガイドプレート２０３の間に配置されたミドルガイドプレート２０２のガイド穴を、バレル１０が貫通する。フランジ２４の外径はボトムガイドプレート２０１のガイド穴の内径よりも太く、フランジ２４がボトムガイドプレート２０１に当接する。これにより、プローブ１がプローブヘッド２から抜け落ちることが防止される。

プローブ１を用いた測定時には、図３に示すように、第２プランジャー３０の第２胴体部３４の先端がプリント基板３のランド３０１に接続する。このとき、第２プランジャー３０がランド３０１に一定の押圧で接触するように、第２プランジャー３０をランド３０１に押し付けるプリロードがプローブ１に掛けられる。プリロードにより、第２プランジャー３０のプローブヘッド２の上面から露出した部分が短くなる。このとき、第１プランジャー２０のフランジ２４がボトムガイドプレート２０１に押し付けられ、コイルばね４０が収縮する。

そして、図４に示すように、第１プランジャー２０の第２胴体部２５の先端が、半導体デバイスなどの測定対象物４の電極４０１に接続する。このとき、所定の針圧で第１プランジャー２０が電極４０１に接触するように、第１プランジャー２０を電極４０１に押し付けるオーバードライブがプローブ１に掛けられる。オーバードライブにより、第１プランジャー２０がバレル１０の内部に押し込まれ、コイルばね４０が収縮する。

プリロードやオーバードライブにより第１プランジャー２０が摺動する距離よりもプローブ１の最大ストローク量が長いように、プローブ１の仕様は設定される。ここで、プローブ１の「ストローク」とは、コイルばね４０が自由長である状態のプローブ１の全長と、コイルばね４０が収縮した状態でのプローブ１の全長との差である。例えば、プリロードとオーバードライブによるコイルばね４０の収縮量の合計がストロークである。なお、最大ストローク量は、コイルばね４０の荷重維持性（耐久性）によって決まる。コイルばね４０が伸縮を繰り返しても（例えば１００万回以上）荷重の劣化がないストローク量の最大値が、最大ストローク量である。

プローブ１を介して、ランド３０１と測定対象物４との間で電気信号が伝搬する。すなわち、プローブ１を経由して、テスタからの電気信号が測定対象物４に送信され、測定対象物４から出力された電気信号がテスタに送信される。測定後、測定対象物４からプローブ１を離間させることにより、収縮していたコイルばね４０が伸長する。

ところで、測定対象物４の電極配置の狭ピッチ化や電極個数の増大などに起因して、プローブ１に対して以下のような要求が生じる。

すなわち、測定対象物４の電極配置の狭ピッチ化に伴い、プローブ１の外径を細径化する必要がある。例えば、電極配置のピッチが１５０μｍ以下の場合、プローブ１の外径は１００μｍ前後である。プローブ１の外径を細くするためには、バレル１０の内部に収納するコイルばね４０の外径も細くする。このため、コイルばね４０の線径を細くする必要がある。例えば、外径が１００μｍ前後のバレル１０に挿入するコイルばね４０の外径は８０μｍ前後、コイルばね４０の線径は２０μｍ前後である。

一方、コイルばね４０の線径が細くなるほど、コイルばね４０の剛性が低下する。このため、コイルばね４０がバレル１０の内部で曲がりやすくなる。その結果、コイルばね４０がバレル１０の内部に接触する弊害が生じる。

また、測定対象物４の電極個数の増加および複数の測定対象物４を同時に検査する検査のマルチ化によって、プローブカードが多ピン化している。この多ピン化の弊害として、プローブカードに配置するプローブ１の総荷重が高くなることがある。ここで、「荷重」とは、プローブ１が測定対象物４の電極４０１に押し付けられるときの圧力である。

例えば、一本のプローブ１の荷重が１０ｇｆである場合、１００００本のプローブ１では総荷重が１００ｋｇｆである。プローブ１の総荷重が高いほど、プローブカードやプローブカードを支持する部材に加わる圧力が高くなる。このため、プローブ１の総荷重が高くなると、測定対象物４の検査に使用する各種の検査設備が、耐荷重を越えて破損する可能性がある。また、プローブカードの剛性を高めるために構造体の形状を複雑化したり高価な材料を使用したりする必要が生じる。

したがって、プローブ１に対して、低荷重での測定対象物４とプローブ１の安定した接触と、検査におけるばらつきを吸収するのに十分な高ストロークの両立が求められる。ここで、「ばらつき」とは、測定対象物４の電極４０１が半田などのバンプである場合のバンプの高さばらつき、プローブ１の総荷重によって発生する検査設備やプローブカードの歪みに起因する測定対象物４の電極４０１とプローブ１間の間隔のばらつきなどである。

上記のように、測定対象物４の電極配置の狭ピッチ化に対応し、且つ低荷重で高ストロークの要求を満たすプローブ１が求められている。例えば、１５０μｍ以下のピッチの電極配置に対応し、荷重が７ｇｆ以下、ストローク量が４００μｍ以上の特性がプローブ１に求められる。荷重が７ｇｆ以下であれば、検査設備やプローブカードにかかる荷重を耐荷重の範囲に抑えることが容易になる。ストローク量が４００μｍ以上であれば、測定精度の低下を抑制するためにプローブ１と測定対象物４の電極４０１との接触に十分な３００μｍのオーバードライブ量を確保できる。

ここで、図１に示すプローブ１と比較するために、図５に示す比較例のプローブ１Ａについて検討する。図５に示した比較例のプローブ１Ａは、コイルばね４０Ａをバレル１０Ａの内部に配置した構成であり、第１プランジャー２０Ａの基端部２１Ａおよび第２プランジャー３０Ａの基端部３１Ａが、バレル１０Ａの内部でコイルばね４０Ａの端部に当接する。第１プランジャー２０Ａはバレル１０の内部を摺動し、第２プランジャー３０Ａはバレル１０Ａに固定されている。なお、第１プランジャー２０Ａの基端部２１Ａはコイルばね４０の内部に延伸する部分を有さない。

比較例のプローブ１Ａに関して低荷重および高ストロークを実現する方法として、コイルばね４０Ａの有効巻き数を多くすることが考えられる。しかし、コイルばね４０Ａの径を細くし、且つ有効巻き数を多くすることにより、図６に示すように、バレル１０Ａの内部でコイルばね４０Ａが収縮したときにコイルばね４０が大きく蛇行する。コイルばね４０Ａの蛇行が大きいと、コイルばね４０Ａとバレル１０Ａの内壁面が接触し、コイルばね４０Ａやバレル１０Ａが損傷する問題が生じる。

すなわち、コイルばね４０Ａがバレル１０Ａの内壁面に強く擦れることにより、コイルばね４０Ａの表面が削れたり、バレル１０Ａの内壁面が剥がれたりする。その結果、プローブ１Ａの電気抵抗値が増大する。

例えば、オーバードライブ量を３００μｍとして第１プランジャー２０Ａの摺動を５０万回繰り返したプローブ耐久試験の結果、プローブ１Ａ全体の電気抵抗値が初期状態の数十倍から百倍程度に増大する。また、コイルばね４０Ａの蛇行によってコイルばね４０Ａがバレル１０Ａの内壁面に強く擦れることによりバレル１０Ａが損耗して、バレル１０Ａの側面に穴が生じる場合がある。

なお、コイルばね４０Ａの蛇行によるコイルばね４０Ａやバレル１０Ａの損傷は、コイルばね４０Ａの第１プランジャー側で生じやすい。これは以下のコイルばね４０Ａの各部の摺動量の差に起因する。

コイルばね４０Ａの摺動量が最も大きい位置は、コイルばね４０Ａの第１プランジャー２０Ａとの接点である。この接点での摺動量は、オーバードライブ量と同等である。一方、コイルばね４０Ａの摺動量が最も小さい位置は、コイルばね４０Ａの第２プランジャー３０Ａとの接点であり、この接点での摺動量はゼロである。オーバードライブ量ＯＤ、コイルばね４０Ａの有効巻き数ｎを用いて、第１プランジャー２０Ａとの接点からｉ番目の巻き数の位置での摺動量Ｓ（ｉ）は以下の式（１）でほぼ表される（１≦ｉ≦ｎ）：

Ｓ（ｉ）＝ＯＤ−ｉ×（ＯＤ／ｎ） ・・・（１）

このように、コイルばね４０Ａの摺動量が第１プランジャー側で大きいため、コイルばね４０Ａやバレル１０Ａの損傷が第１プランジャー側で生じる。

コイルばね４０Ａの摺動に起因するコイルばね４０Ａやバレル１０Ａの損傷を抑制するために、オーバードライブ量やストローク量を小さくする対応も考えられる。例えば、狭ピッチ（１５０μ以下）、低荷重（７ｇｆ以下）のプローブ１Ａについて、オーバードライブ量を２００μｍ、最大ストローク量を３００μｍとする。オーバードライブ量やストローク量を小さくすることにより、コイルばね４０Ａとバレル１０Ａの内壁面との摩耗量（擦れる距離、擦れる量）を小さくできる。これにより、コイルばね４０Ａやバレル１０Ａの損傷を抑制できる。しかし、オーバードライブ量やストローク量を小さくすると、測定対象物４の検査においてばらつきを吸収することが難しい。

これに対し、図１に示したプローブ１によれば、第１プランジャー２０の基端部２１に挿入部２１１を設けることにより、図７に示すように、コイルばね４０の蛇行を抑制できる。その結果、コイルばね４０やバレル１０の損傷を抑制することができる。

なお、図８に示すように、コイルばね４０の内径と挿入部２１１の外径の差をクリアランスＣ１、バレル１０の内径とコイルばね４０の外径の差をクリアランスＣ２とするとき、Ｃ１＜Ｃ２であるように挿入部２１１の外径を設定することが好ましい。これは、クリアランスＣ１を小さくしてコイルばね４０の蛇行を抑制し、且つ、クリアランスＣ２をできるだけ大きくしてバレル１０とコイルばね４０の接触を抑制するためである。

例えば、バレル１０の内径とコイルばね４０の外径のクリアランスＣ２が１０μｍの場合に、コイルばね４０の内径が４０μｍであると、挿入部２１１の外径を３１μｍ以上とする。ただし、挿入部２１１の外径は、コイルばね４０の内径の公差を含む最小径よりも小さくする。

また、挿入部２１１のコイルばね４０の内側を延伸するバレル１０の軸方向に沿った長さ（以下において単に「長さ」という。）は、コイルばね４０の蛇行を抑制するために長いほどよい。例えば、オーバードライブによりコイルばね４０が収縮する範囲をカバーするために、挿入部２１１の長さをオーバードライブ量の最大値以上にすることが好ましい。

例えば、オーバードライブ量の最大値の仕様が３００μｍのプローブ１の場合に、挿入部２１１の長さは３００μｍ以上とする。ただし、最大ストローク量がプローブ１に掛かったときに挿入部２１１が第２プランジャー３０の基端部３１に接触しないように、挿入部２１１の長さを設定する。

また、第１プランジャー２０の頭部２１２のサイズは、頭部２１２とバレル１０との安定した接触抵抗を維持し、且つ、頭部２１２との接触によるバレル１０の内壁面の損傷を回避するように、設定される。

具体的には、頭部２１２の外径は、コイルばね４０の外径よりも太くする。例えば、コイルばね４０の外径が８０μｍの場合に、頭部２１２の外径は８１μｍ以上にする。ただし、頭部２１２の外径は、バレル１０の内径の公差を含む最小値よりも小さくする。

なお、オーバードライブによりコイルばね４０がバレル１０の内壁面と擦れる可能性のある範囲が、オーバードライブ量に相当する。このため、頭部２１２の長さがオーバードライブ量より短い場合には、バレル１０の内壁面のコイルばね４０が擦れる領域だけに頭部２１２が接触することも考えられる。したがって、頭部２１２の長さは、オーバードライブ量の最大値以上にすることが好ましい。これにより、頭部２１２は、コイルばね４０が擦れることがない領域のバレル１０の内壁面にも確実に接触する。その結果、バレル１０と第１プランジャー２０の接触が安定し、接触抵抗も安定する。

例えば、オーバードライブ量の最大値の仕様が３００μｍのプローブ１の場合に、頭部２１２の長さは３００μｍ以上とする。ただし、頭部２１２の長さは、首部２２の長さが最大ストローク量以上の長さを確保できる範囲とする。首部２２の長さが最大ストローク量以上でないと、第１接合部１０１に第１胴体部２３が接触してストロークが阻害される可能性がある。

以上に説明したように、本発明の実施形態に係るプローブ１では、第１プランジャー２０の基端部２１が、コイルばね４０の内側に挿入する挿入部２１１および挿入部２１１に連結してコイルばね４０に当接する頭部２１２を有する。プローブ１によれば、コイルばね４０の収縮時における蛇行が抑制される。そして、挿入部２１１および頭部２１２のサイズを上記のように設定することにより、コイルばね４０やバレル１０の内壁面の損傷を抑制できる。例えば、１５０μｍ以下の狭ピッチに対応し、７ｇｆ以下の低荷重のプローブ１について、オーバードライブ量の最大値として３００μｍを確保する最大ストローク量が４５０μｍの高ストロークを実現できる。

プローブ１によれば、オーバードライブ量が３００μｍの摺動を１００万回繰り返したプローブ耐久試験において、プローブ１全体の電気抵抗値が初期状態から変動しない。このように、耐久性を向上したプローブ１を実現できる。

（その他の実施形態）
上記のように本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

例えば、上記ではバレル１０の両端の開口端にプランジャーが挿入された構成を示したが、バレル１０に第１プランジャー２０のみが挿入された構成であってもよい。即ち、プローブ１を、バレル１０の一方の端部に挿入された第１プランジャー２０の先端が測定対象物４に接触し、バレル１０の他方の端部がランド３０１と接触する構造としてもよい。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態などを含むことはもちろんである。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

１…プローブ
１０…バレル
２０…第１プランジャー
２１…基端部
３０…第２プランジャー
４０…コイルばね
２１１…挿入部
２１２…頭部

Claims (5)

1. 管形状のバレルと、
   前記バレルの一方の開口端から基端部が挿入され、先端が露出した状態で前記バレルの軸方向に沿って摺動する第１プランジャーと、
   前記バレルの内部に配置され、前記第１プランジャーを前記バレルの軸方向に付勢するコイルばねとを備え、
   前記第１プランジャーの基端部が、
   前記コイルばねの一端から前記コイルばねの内側を延伸する挿入部と、
   前記挿入部に連結し、前記コイルばねの外径よりも外径が大きく前記コイルばねの前記一端に当接する頭部とを有することを特徴とするプローブ。
2. 前記バレルの他方の開口端から基端部が挿入され、先端が露出した状態で前記バレルに接合された第２プランジャーを更に備え、
   前記コイルばねが、前記第１プランジャーと前記第２プランジャーを相互に離間する方向に付勢することを特徴とする請求項１に記載のプローブ。
3. 前記挿入部の前記コイルばねの内側を延伸する長さが、測定対象物の測定時に掛けるオーバードライブ量の最大値以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載のプローブ。
4. 前記頭部の前記バレルの軸方向に沿った長さが、測定対象物の測定時に掛けるオーバードライブ量の最大値以上であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のプローブ。
5. 前記コイルばねの内径と前記挿入部の外径のクリアランスが、前記バレルの内径と前記コイルばねの外径のクリアランスよりも小さいことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のプローブ。
   

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