JP2021086676A

JP2021086676A - プローブシート及びプロープシートの製造方法

Info

Publication number: JP2021086676A
Application number: JP2019213062A
Authority: JP
Inventors: 朋之石松; Tomoyuki Ishimatsu
Original assignee: Dexerials Corp
Current assignee: Dexerials Corp
Priority date: 2019-11-26
Filing date: 2019-11-26
Publication date: 2021-06-03
Also published as: KR20220082085A; TW202129280A; CN114846336A; WO2021106754A1

Abstract

【課題】ファインピッチの端子においても、優れた異方性及び耐久性を得ることができるプローブシート及びプローブシートの製造方法を提供する。【解決手段】複数の貫通孔を有するフレキシブルシート１０と、フレキシブルシート１０の一方の面に配置された第１のエラストマー層２０と、フレキシブルシートの他方の面に配置された第２のエラストマー層３０と、第１のエラストマー層２０の表面から第２のエラストマー層３０の表面まで、導電性粒子が貫通孔を通り厚み方向に連鎖してなる連鎖部４０とを備える。【選択図】図１

Description

本技術は、ウェハ、チップ、パッケージ等の電気特性の検査のためのプローブシート及びプロープシートの製造方法に関する。

現在、ベアチップやパッケージ（ＰＫＧ）の半導体装置の電気特性評価は、ラバーコネクターを用いたハンドラーテストが行われている。プローブシートとなるラバーコネクターとしては、例えば、磁場配向させた導電性粒子を、エラストマーシートの厚み方向に貫通するよう配置した異方導電性シートが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

しかしながら、例えば、ＢＧＡ（ball grid array）パッケージを検査する場合、半田電極の高さばらつきに対応するため、プローブシートのストロークが約８０μｍ程度必要となり、エラストマー層が１層の異方導電性シートでは、このストロークを出すために、検査シートの厚みを４００μｍ以上とする必要があり、導電性粒子の配置のピッチは３００μｍが限界であった。また、導電性粒子を磁場により配向させる場合には、磁束密度が重なり合う関係で、導電性粒子をある程度の間隔を保持して配向させる必要があるため、近年の半導体チップのファインピッチ化への対応が困難であった。

また、特許文献１に記載された異方導電性シートには、耐久性を向上させる目的で周囲を取り囲むようにフレームが付いているものの、フレーム内部のエラストマーが熱履歴によって膨張や収縮を発生させるため、アライメントずれによる検査不具合が生じることがあった。

また、弾性物質内に導電性粒子が厚み方向に配向された３層シートの積層体も提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

しかしながら、特許文献２に記載のプローブシートは、中間層も弾性物質で構成され、導電性粒子の配向も磁場を利用するものであるため、弾性物質層の厚みが厚くなるほど隣接電極に粒子が連結しやすくなり、ショー卜の発生を誘引していた。このため、ファインピッチ化への対応が困難であった。一方で、弾性物質層を薄くすると、ストローク特性が低下するとともに、耐久性も低下する。また、弾性物質は、熱履歴によって膨張や収縮を発生させるため、アライメントずれによる検査不具合が生じることがあった

また、近年、ＰＫＧや半導体チップは、ますますファインピッチ化が進んでおり、従来のプローブシートでは限界を迎えている。さらに、一部の半導体チップでは検査を行わず、組立て後のＰＫＧにて検査を実施し、選別を行っているのが実情であり、結果として極端に歩留まりが悪化して価格が下がらない状況となっている。このため現在は、さらなるファインピッチに対応できるプローブシートが強く求められている。

特開２００６−０２４５８０号公報特表２０１５−５０１４２７号公報

本技術は、このような実情に鑑みて提案されたものであり、ファインピッチの端子においても、優れた異方性及び耐久性を得ることができるプローブシート及びプローブシートの製造方法を提供する。

前述した課題を解決するために、本技術に係るプローブシートは、複数の貫通孔を有するフレキシブルシートと、前記フレキシブルシートの一方の面に配置された第１のエラストマー層と、前記フレキシブルシートの他方の面に配置された第２のエラストマー層と、前記第１のエラストマー層の表面から前記第２のエラストマー層の表面まで、前記貫通孔を通り厚み方向に導電性粒子を連鎖してなる連鎖部とを備える。

また、本技術に係るプローブシートの製造方法は、複数の貫通孔を有するフレキシブルシートの一方の面に、導電性粒子を含有するエラストマー未硬化組成物からなる第１の未硬化樹脂層を配置するとともに、前記フレキシブルシートの他方の面に、導電性粒子を含有するエラストマー未硬化組成物からなる第２の未硬化樹脂層を配置する配置工程と、前記第１の未硬化樹脂層及び前記第２の未硬化樹脂層の外側から磁界又は電界を付与し、前記第１の未硬化樹脂層の表面から前記第２の未硬化樹脂層の表面まで、前記貫通孔を通り厚み方向に前記導電性粒子を配向させる配向工程と、前記導電性粒子を配向させた状態で前記第１の未硬化樹脂層及び前記第２の未硬化樹脂層を硬化させ、前記フレキシブルシートの両面にエラストマー層を形成する硬化工程とを有する。

本技術によれば、ファインピッチの端子においても、優れた異方性及び耐久性を得ることができる。

図１は、プローブシートの構成例を示す断面図である。図２は、フレキシブルシートの両面にエラストマー未硬化組成物を塗布した状態を模式的に示す断面図である。図３は、導電性粒子を第１の未硬化層の表面から第２の未硬化樹脂層の表面まで貫通孔を通り厚み方向に配向させた状態を模式的に示す断面図である。

以下、本技術の実施の形態について、図面を参照しながら下記順序にて詳細に説明する。
１．プローブシート
２．プローブシートの製造方法
３．実施例

＜１．プローブシート＞
本実施の形態に係るプローブシートは、複数の貫通孔を有するフレキシブルシートと、フレキシブルシートの一方の面に配置された第１のエラストマー層と、フレキシブルシートの他方の面に配置された第２のエラストマー層と、第１のエラストマー層の表面から第２のエラストマー層の表面まで、貫通孔を通り厚み方向に導電性粒子を連鎖してなる連鎖部とを備える。フレキシブルシートが複数の貫通孔を有することにより、貫通孔を通り厚み方向に導電性粒子を連鎖させて異方性を得ることができ、半導体チップのファインピッチ化にも対応することができる。また、フレキシブルシートによってエラストマー層を２層に分けることにより、エラストマー層が１層のプローブシートに比べ、優れた耐久性を得ることができる。

図１は、プローブシートの構成例を示す断面図である。図１に示すように、このプローブシートは、フレキシブルシート１０と、第１のエラストマー層２０と、第２のエラストマー層３０と、連鎖部４０とを備える。

フレキシブルシート１０は、平面視において所定位置に貫通孔１１を有する。貫通孔１１の位置は、検査されるＰＫＧや半導体チップの端子位置に合わせて配置してもよく、端子よりも小さい所定の間隔で規則正しいファインピッチで形成し、アライメントフリーで検査できるようにしてもよい。

フレキシブルシート１０としては、ポリイミド、ポリアミド、ポリエチレンナフタレート、二軸配向型ポリエチレンテレフタレートの群から選択される１種を用いることが好ましい。これらの樹脂は、熱膨張係数が低く、耐熱性に優れるため、熱履歴によって膨張や収縮が発生するのを抑制するとともに導電性粒子の位置ずれを抑制し、よりファインピッチに対応することができる。

フレキシブルシート１０の厚みの下限は、好ましくは５μｍ、より好ましくは１０μｍ、さらに好ましくは２０μｍである。また、フレキシブルシート１０の厚みの上限は、好ましくは１００μｍ、より好ましくは８０μｍ、さらに好ましくは６０μｍである。フレキシブルシート１０の厚みは、薄すぎると耐久性が低下し、厚すぎると貫通孔１１の形成が困難となる。

貫通孔１１は、フレキシブルシート１０の厚み方向に形成される。貫通孔１１の大きさは、検査されるＰＫＧや半導体チップの端子に応じて設定され、例えば貫通孔１１の直径の下限は、好ましくは５μｍ、より好ましくは１０μｍ、さらに好ましくは１５μｍであり、貫通孔１１の直径の上限は、好ましくは５０μｍ、より好ましくは３５μｍ、さらに好ましくは２５μｍである。

また、貫通孔１１を格子状に形成する場合、ピッチは、好ましくは導電性粒子の平均粒子径の２倍以上、より好ましくは導電性粒子の平均粒子径の５倍以上、さらに好ましくは導電性粒子の平均粒子径の８倍以上である。これにより、隣接する連鎖部４０との距離が適度となり、優れた異方性を得ることができる。

また、フレキシブルシート１０は、外周部の片面又は両面に金属層を有していてもよい。外周部に金属層を有することにより、基材を補強することができ、熱膨張を低減させることができる。また、金属層の一部に第１のエラストマー層又は第２のエラストマー層が接することで強度をさらに増すことができる。また、貫通孔１１の側面を金属で無電解メッキし、貫通孔１１の側面に金属層を設けてもよい。貫通孔の側面に金属層を形成することにより、連鎖部４０の導通性を向上させるとともに、耐久性を向上させることがきる。

第１のエラストマー層２０は、フレキシブルシート１０の一方の面に配置され、平面視において貫通孔１１の位置に、貫通孔１１を通り表面まで導電性粒子が厚み方向に連鎖されてなる連鎖部４０を配置する。

第１のエラストマー層２０の材料は、ゴム弾性を有すればよく、耐熱性を有することが好ましい。第１のエラストマー層２０の材料としては、シリコーン樹脂、ポリウレタン樹脂、アクリル樹脂などが挙げられる。これらの中でも、検査後にＰＫＧや半導体チップに残差が付き難いシリコーン樹脂を用いることが好ましい。

第１のエラストマー層２０の厚みの下限は、好ましくは５μｍ、より好ましくは２０μｍ、さらに好ましくは３５μｍである。また、第１のエラストマー層２０の厚みの上限は、好ましくは１５０μｍ、より好ましくは１００μｍ、さらに好ましくは７５μｍである。第１のエラストマー層２０の厚みは、薄すぎると膜としての耐久性が低下し、厚すぎると導電性粒子の連鎖粒子数が増加し、粒子同士の接触抵抗が増加してしまう。

連鎖部４０は、導電性粒子が貫通孔１１を通り、第１のエラストマー層の表面から前記第２のエラストマー層の表面まで連鎖され、連鎖の最端部の導電性粒子が表面から露出した状態であることが好ましい。また、連鎖部４０は、導電性粒子が単層（１個）の連鎖でもよいが、抵抗値を減少させるため、１つの貫通孔１１に対し、複数の連鎖を形成することが好ましい。

導電性粒子は、導電性を有するものであればよく、Ｎｉ、Ｃｕなどの金属粒子、或いはそれら金属粒子や樹脂コア、無機コア粒子にＡｕ、Ｐｄ、Ｃｏ、Ａｇなどの金属メッキを施した粒子を用いることができる。また、磁場により導電性粒子を連鎖させる場合、磁性を有するＦｅ、Ｃo、Ｎｉなどの金属又は合金を用いることが好ましい。これらの中でも、低抵抗の観点から、Ｎｉ粒子又はＮｉ合金粒子の表面にＡｕメッキ層を施した導電性粒子を用いることが好ましい。

導電性粒子の平均粒子径の上限は、貫通孔の大きさよりも小さく、好ましくは５０μｍ以下、より好ましくは２０μｍ以下、さらに好ましくは１０μｍ以下である。また、導電性粒子は、球形、多角形、スパイク状であることが好ましく、接触抵抗を下げる目的で、表面に突起物があるものがより好ましい。

第２のエラストマー層３０は、フレキシブルシート１０の他方の面に配置され、第２のエラストマー層２０と同様に、平面視において貫通孔１１の位置に、貫通孔１１を通り表面まで導電性粒子が厚み方向に連鎖されてなる連鎖部４０を配置する。第２のエラストマー層３０の材料、導電性粒子及び連鎖部は、それぞれ第１のエラストマー層２０の材料、導電性粒子及び連鎖部と同様であるため、ここでは説明を省略する。

このような構成を有するプローブシートによれば、厚み方向に高信頼性の導電性を実現することができ、隣接端子聞の面方向に絶縁性を実現することができる。また、フレキシブルシート１０によってエラストマー層を２層に分けることにより、エラストマー層が１層のプローブシートに比べ、連鎖部をファインピッチに形成することができるとともに、優れた耐久性を得ることができる。

＜２．プローブシートの製造方法＞
本実施の形態に係るプローブシートの製造方法は、複数の貫通孔を有するフレキシブルシートの一方の面に、導電性粒子を含有するエラストマー未硬化組成物からなる第１の未硬化樹脂層を配置するとともに、フレキシブルシートの他方の面に、導電性粒子を含有するエラストマー未硬化組成物からなる第２の未硬化樹脂層を配置する配置工程と、第１の未硬化樹脂層及び第２の未硬化樹脂層の外側から磁界又は電界を付与し、導電性粒子を第１の未硬化樹脂層の表面から第２の未硬化樹脂層の表面まで貫通孔を通り厚み方向に配向させる配向工程と、導電性粒子を配向させた状態で第１の未硬化樹脂層及び第２の未硬化樹脂層を硬化させ、フレキシブルシートの両面にエラストマー層を形成する硬化工程とを有する。これにより、ファインピッチの端子においても、優れた異方性及び耐久性を有するプローブシートを得ることができる。

以下、前述の配置工程、配向工程、及び硬化工程について説明する。

［配置工程］
配置工程では、複数の貫通孔を有するフレキシブルシートの一方の面に、導電性粒子を含有するエラストマー未硬化組成物からなる第１の未硬化樹脂層を配置するとともに、フレキシブルシートの他方の面に、導電性粒子を含有するエラストマー未硬化組成物からなる第２の未硬化樹脂層を配置する。

図２は、フレキシブルシートの両面にエラストマー未硬化組成物を塗布した状態を模式的に示す断面図である。図２に示すように、フレキシブルシート１０の両面に塗布されたエラストマー未硬化組成物５０をプレスすることにより、第１の未硬化樹脂層及び第２の未硬化樹脂層を配置することができる。また、フレキシブルシート１０の両面にギャップスペーサーを配置することにより、第１の未硬化樹脂層及び第２の未硬化樹脂層の厚みを制御してもよい。

エラストマー未硬化組成物５０は、未硬化樹脂中５１に導電性粒子５２を分散して構成されている。未硬化樹脂５１としては、例えば、シリコーン樹脂、ポリウレタン樹脂、アクリル樹脂などの未硬化物を用いることができる。これらの中でも、耐熱性の観点から、２液型液状シリコーンを用いることが好ましい。なお、導電性粒子５２は、プローブシートで説明した導電性粒子と同様であるため、ここでは説明を省略する。

［配向工程］
図３は、導電性粒子を第１の未硬化層の表面から第２の未硬化樹脂層の表面まで貫通孔を通り厚み方向に配向させた状態を模式的に示す断面図である。例えば、第１の電磁石６１の上に、ギャップスペーサー６３を置き、エラストマー未硬化組成物５０を塗布し、その上に貫通孔を有するフレキシブルシート１０を配置し、さらにその上に再びギャップスペーサー６３置いてエラストマー未硬化組成物５０を塗布し、最後に第２の電磁石６２を被せ、プレスすることにより、第１の未硬化樹脂層及び第２の未硬化樹脂層を配置する。続いて、第１の電磁石６１及び第２の電磁石６２でプレスした状態で、第１の電磁石６１及び第２の電磁石６２により磁場を作用させることにより、図３に示すように、導電性粒子５２を第１の未硬化層の表面から第２の未硬化樹脂層の表面まで貫通孔を通り厚み方向に連鎖させた連鎖部４０を形成することができる。

［硬化工程］
硬化工程では、導電性粒子５２を配向させた状態で第１の未硬化樹脂層及び第２の未硬化樹脂層を硬化させ、フレキシブルシート１０の両面にエラストマー層を形成する。エラストマー未硬化組成物５０に２液型液状シリコーンを用いた場合の硬化条件としては、例えば、温度が５０〜１５０℃、時間が０．５〜２ｈｏｕｒであることが好ましい。

このようなプローブシートの製造方法によれば、フレキシブルシートの複数の貫通孔に導電性粒子を充填させ、厚み方向に導電性粒子を配向させて異方性を得ることができる。また、フレキシブルシート１０によってエラストマー層を２層に分けることにより、エラストマー層が１層のプローブシートに比べ、半導体チップのファインピッチ化に対応するとともに、優れた耐久性を有するプローブシートを得ることができる。

なお、上述したプローブシートの製造方法では、配向工程において、第１の電磁石６１及び第２の電磁石６２を用いたが、フレキシブルシート１０の貫通孔に対峙する位置に磁性体を配置した金型を用いてもよい。また、配向工程において、磁場の代わりに電場を用いてもよい。電場で配向させる場合は、電磁石の変わりに電極を配置し、交流電圧を印加すればよい。

＜３．実施例＞
以下、本技術の実施例について説明する。本実施例では、実施例としてのプローブシートＡ、及び従来例としてのプローブシートＢを作製し、プローブシートＡ、Ｂを用いて評価基材の電気特性を測定し、絶縁性評価、及び信頼性評価を行った。なお、本技術は、これらの実施例に限定されるものではない。

［フレキシブルシートの作製］
厚み５０μｍのポリイミドフィルム（カプトン２００ＥＮ、東レデュポン社製）に、レーザー加工にて直径２０μｍの貫通孔を６０μｍＰの格子状間隔で形成し、フレキシブルシートを作製した。

［エラストマー未硬化組成物の調製］
平均粒子径５μｍのニッケル粒子（Type123、Vale社製）の表面に、無電解置換メッキによって金メッキ層を施した導電性粒子を作製した。この導電性粒子を、エラストマーとして２液型液状シリコーン（KE-1204A/B、信越シリコーン社製）のＡ剤とＢ剤とを１:１で配合したものに混合し、エラストマー未硬化組成物を調製した。

＜プローブシートＡの作製＞
電磁石の上に、ギャップスペーサーとして厚み５０μｍのポリテトラフルオロエチレンシートの枠を置き、上記で作製したエラストマー未硬化組成物を塗布し、その上に貫通孔を有するフレキシブルシートを配置し、さらにその上に再びギャップスペーサー置いてエラストマー未硬化組成物を塗布し、最後に電磁石を被せた。続いて、電磁石でプレスした状態で、電磁石により磁場を作用させ、オーブンにて、温度１００℃、時間１ｈｏｕｒの条件でシリコーンを硬化処理し、プローブシートＡを作成した。エラストマー層の厚みは、上下層で各々５０μｍであり、フローブシートＡの厚みの合計は１５０μｍであった。

＜プローブシートＢの作製＞
電磁石の上に、ギャップスペーサーとして厚み１５０μｍのポリテトラフルオロエチレンシートの枠を置き、上記で作製したエラストマー未硬化組成物を塗布し、電磁石を被せた。続いて、電磁石でプレスした状態で、電磁石により磁場を作用させ、オーブンにて、温度１００℃、時間１ｈｏｕｒの条件でシリコーンを硬化処理し、プローブシートＢを作成した。フローブシートＢの厚みは１５０μｍであった。

＜絶縁性評価＞
ピッチが２００μｍＰ、半田ボールサイズが１１０μｍφ、ピン数が４８４である５ｍｍ角の評価基材（以下、評価ＰＫＧ（package）１と呼ぶ。）を準備した。また、ピッチが５００μｍＰ、半田ボールサイズが３００μｍφ、ピン数が６４である６ｍｍ角の評価基材（以下、評価ＰＫＧ（package）２と呼ぶ。）を準備した。

評価ＰＫＧ１の半田ボールに対峙する電極パッドを有するソケットを準備し、当該ソケットも、プローブシートＡ又はプローブシートＢをセッ卜して、その上に評価ＰＫＧ１を配置した。そして、加圧冶具によって上部から評価ＰＫＧ１を３０μｍ押込んだ状態で、隣接電極パッドに電圧３０Ｖを印加したときの絶縁抵抗値を測定した。また、評価ＰＫＧ２についても、評価ＰＫＧ１と同様に、絶縁抵抗値を測定した。

隣接電極間の絶縁抵抗値が１×１０Ｅ−６Ω以上である場合をショート（ＮＧ）とし、ショート数をカウントした。表１に、絶縁性の評価結果を示す。

＜信頼性評価＞
上記評価ＰＫＧ２を用いて、温度１００℃環境下における電圧測定を行った。加圧冶具によって評価ＰＫＧ２を３０μｍ、５秒間押し込んだ状態を１回として加圧を繰り返し行い、直流電流１０ｍＡを常時印加したときの電圧Ｖをモニタリングした。

下記（１）式で抵抗値を求め、抵抗値Ｒが１Ω以上になった場合をＮＧと判定し、ＮＧ判定時の加圧回数をカウントした。表１に、絶縁性の評価結果を示す。
Ｒ＝Ｖ/Ｉ（１）

表１に示すように、プローブシートＢでは、絶縁性評価の２００Ｐの評価ＰＫＧ１において隣接電極間でショートが発生し、耐久性評価では加圧回数が２万回で抵抗値が上昇した。一方、プローブシートＡでは、絶縁性評価の２００Ｐの評価ＰＫＧ１でも隣接電極間でショートが発生せず、耐久性評価でも抵抗値が上昇する加圧回数が１０万回以上であり、優れた異方性及び耐久性を得ることができた。

１０フレキシブルシート、１１貫通孔、２０第１のエラストマー層、３０第２のエラストマー層、４０連鎖部、５０エラストマー未硬化組成物、５１未硬化樹脂、５２導電性粒子

Claims

複数の貫通孔を有するフレキシブルシートと、
前記フレキシブルシートの一方の面に配置された第１のエラストマー層と、
前記フレキシブルシートの他方の面に配置された第２のエラストマー層と、
前記第１のエラストマー層の表面から前記第２のエラストマー層の表面まで、前記貫通孔を通り厚み方向に導電性粒子を連鎖してなる連鎖部と
を備えるプローブシート。
前記フレキシブルシートが、ポリイミド、ポリアミド、ポリエチレンナフタレート、二軸配向型ポリエチレンテレフタレートの群から選択される１種である請求項１記載のプローブシート。
前記フレキシブルシートが、前記貫通孔を格子状に有する請求項１又は２記載のプローブシート。
前記導電性粒子が、Ｎｉ粒子又はＮｉ合金粒子である請求項１乃至３のいずれか１項に記載のプローブシート。
前記第１のエラストマー層及び前記第２のエラストマー層の各厚みが、５μｍ以上１５０μｍ以下である請求項１乃至４のいずれか１項に記載のプローブシート。
複数の貫通孔を有するフレキシブルシートの一方の面に、導電性粒子を含有するエラストマー未硬化組成物からなる第１の未硬化樹脂層を配置するとともに、前記フレキシブルシートの他方の面に、導電性粒子を含有するエラストマー未硬化組成物からなる第２の未硬化樹脂層を配置する配置工程と、
前記第１の未硬化樹脂層及び前記第２の未硬化樹脂層の外側から磁界又は電界を付与し、前記第１の未硬化樹脂層の表面から前記第２の未硬化樹脂層の表面まで、前記貫通孔を通り厚み方向に前記導電性粒子を配向させる配向工程と、
前記導電性粒子を配向させた状態で前記第１の未硬化樹脂層及び前記第２の未硬化樹脂層を硬化させ、前記フレキシブルシートの両面にエラストマー層を形成する硬化工程と
を有するプローブシートの製造方法。