JP4627024B2 - コンタクトプローブ及びプローブカード - Google Patents

Description

本発明は、コンタクトプローブ及びプローブカードに係り、更に詳しくは、電子部品などの被検査体の電気的特性を測定する際に被検査体に接触させるコンタクトプローブ及びこれを備えたプローブカードの改良に関する。

一般に、半導体装置の製造工程には、電子部品などの被検査体の電気的特性を測定するデバイス試験工程が含まれている。このデバイス試験工程では、電気的特性を測定するためのテスター装置に加え、テスター装置の測定端子を被検査体に接続するためのプローブ（probe）装置が用いられる。

プローブ装置は、被検査体を載置して昇降する検査テーブルと、多数のコンタクトプローブ（探針）を有するプローブカードとからなる。プローブカードは、複数のコンタクトプローブと、各コンタクトプローブを保持するガイド板からなり、カードホルダを介して装置筐体の天板に取り付けられている。このため、被検査体及びコンタクトプローブについて水平方向の位置合わせ（アライメント）を行った後、検査テーブルを所定の高さまで上昇させれば、コンタクトプローブを被検査体に接触させることができ、コンタクトプローブを介してテスター装置と被検査体を電気的に接続することができる。

コンタクトプローブは、細い棒状のプランジャー（plunger）と、プランジャーを軸方向に弾性的に付勢するとともに、軸方向に移動可能に保持する筒状のバレル（barrel）からなる。例えば、被検査体として回路基板上に狭ピッチで設けられた複数の電極端子（電子回路に導通するパッドなど）のそれぞれに対し、プランジャーを押圧してその先端を弾性的に接触させることにより、当該プランジャーを介して被検査体の電気的特性を測定することができる。

具体的には、他のデバイスと接触するために電極端子上に形成された半田ボールにプランジャー先端を接触させる。このプランジャー先端は、半田ボールとの接触性を向上させ、接触抵抗を低減するという観点から、例えば特許文献１に開示されているようなクラウン（冠）状に形成されている。

図６は、従来のコンタクトプローブによる測定動作の一例を示した図である。図６（ａ）には、バレル１０１から突出するプランジャー１０２の先端が回路基板１０６上の半田ボール１０５ａに接触する前の様子が側面図によって示され、図６（ｂ）には、プランジャー１０２の先端が半田ボール１０５ａに接触している様子が断面図によって示されている。また、図７は、図６のコンタクトプローブによる半田ボール１０５ａ上におけるコンタクト部Ａ１２の位置関係を示した平面図であり、プランジャー１０２の中心軸Ａ１１方向から見た様子が示されている。

プランジャー１０２は、その一端であるプランジャー先端１０２ａにおいて半田ボール１０５ａに接触する。プランジャー先端１０２ａは、プランジャー１０２の中心軸Ａ１１方向に突出する複数の先端部１０３からなる。各先端部１０３は、それぞれ稜線１０４を有し、円環状に配置されている。このようなプランジャー１０２は、中心軸Ａ１１が半田ボール１０５ａの中心Ａ１３を通るように配置され、各先端部１０３の稜線１０４上において半田ボール１０５ａと当接する。

各稜線１０４における半田ボール１０５ａとのコンタクト部Ａ１２は、プランジャー１０２の軸方向から見て中心軸Ａ１１に関し対照的に形成される。具体的には、プランジャー先端１０２ａが４つの先端部１０３を円周上に等間隔に配置させたクラウン形状からなる場合、プランジャー１０２の中心軸Ａ１１（半田ボール１０５ａの中心Ａ１３）に関して、前後左右の位置にそれぞれ直線状のコンタクト部Ａ１２が形成され、各コンタクト部Ａ１２の延長線が中心軸Ａ１１と交差するように放射状に延びている。

一般に、プランジャー先端を半田ボールに接触させる場合、接触抵抗を安定化させるという観点から、コンタクト部が点状となる点接触よりも線状となる線接触の方が好ましい。上述したようなクラウン形状のプランジャー先端１０２ａを有するコンタクトプローブでは、コンタクト部Ａ１２が半田ボール１０５ａ上に線接触するので、良好なコンタクトを得ることができ、接触抵抗を低減させることができる。

プランジャー１０２は、そのコンタクト部Ａ１２が半田ボール１０５ａにコンタクトすることにより、中心軸Ａ１１に沿って半田ボール１０５ａから反力Ｒ１１を受ける。この反力Ｒ１１は、稜線１０４に沿った反力Ｒ１２と、稜線１０４に対して直交している方向に沿った反力Ｒ１３とに分解することができる（図６（ｂ）参照）。プランジャー１０２は、軸方向に沿って半田ボール１０５ａ側に弾性的に付勢されており、プランジャー先端１０２ａを半田ボール１０５ａに接触させれば、当該半田ボール１０５ａからの反力Ｒ１１に応じてプランジャー１０２の一部がバレル１０１内に弾性的に収容される。これにより、適度な押圧力を保持しながら、プランジャー先端１０２ａを半田ボール１０５ａにコンタクトさせることができる。
特開２００４−６９５０８号公報

半田ボールは、例えば、半田を回路基板上に載せて熱処理を施すことにより回路基板上に形成される。半田は、加熱により一旦溶融された後、冷却されて凝固することにより、半球状の半田が回路基板上に固着する。このように、半田ボールは熱処理により回路基板上に形成されるため、半田ボールの表面に酸化膜が形成されるとともに、その酸化膜がプランジャーのコンタクト部にも付着して、接触抵抗が増加するという問題があった。

このような問題を解決するために、コンタクト時にプランジャーを半田ボールからの反力に伴って回転させることにより、コンタクト部を半田ボールの表面に摺接させ、半田ボール及びコンタクト部に付着している酸化膜を削り落とすことが考えられる。

しかし、上述したようなクラウン形状のプランジャー先端１０２ａを有するコンタクトプローブでは、コンタクト部Ａ１２の延長線がプランジャー１０２の中心軸Ａ１１と交差するように延びているので、コンタクト部Ａ１１が稜線１０４に沿って半田ボール１０５ａから受ける反力Ｒ１２は、中心軸Ａ１１に向かって作用する（図７参照）。したがって、プランジャー１０２には、中心軸Ａ１１回りの回転力が生じず、プランジャー１０２は半田ボール１０５ａからの反力に伴って回転しないため、半田ボール１０５ａ及びコンタクト部Ａ１１に付着している酸化膜を削り落とすことができない。

そこで、プランジャーのコンタクト部とは反対側の端部の外周面に螺旋状のねじ山を形成し、プランジャーをバレル内に螺合することにより形成されたコンタクトプローブが提案されている。この種のコンタクトプローブによれば、プランジャーが中心軸に沿って半田ボールから受ける反力を、プランジャーとバレルとの連結部においてプランジャーを回転させるための回転力に変換することができるので、プランジャーを回転させて酸化膜を削り落とすことができる。

しかしながら、最近では、回路基板に形成される電子回路は、高密度化される傾向にある。このため、回路基板上に形成される複数の半田ボール間のピッチ（配列間隔）は狭まる傾向にあり、各半田ボールに対向させて配置されるコンタクトプローブのピッチも狭める必要がある。そのためには、コンタクトプローブの径を縮小させなければならないが、コンタクトプローブの径を縮小するためにプランジャーの径を縮小すると、プランジャーの外周面に螺旋状のねじ山を形成するような複雑な加工が困難になるという問題がある。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、簡単な機構で、被検査体からの反力に伴ってプランジャーを回転させることができるコンタクトプローブ及びプローブカードを提供することを目的とする。

第１の本発明によるコンタクトプローブは、回転可能な状態で一端部が被検査体に接触される棒状のプランジャーを備えたコンタクトプローブにおいて、上記プランジャーの一端部には、上記プランジャーの中心軸に対して傾斜している方向に延びる稜線からなり、被検査体に接触するコンタクト部が形成されており、上記コンタクト部の各点における稜線の延びる方向に沿った延長線が、いずれも上記プランジャーの中心軸と交差しないように形成されている。

このような構成により、コンタクト部において被検査体から受ける反力を、プランジャーの中心軸に対してずれた方向に向かって作用させることができる。このため、被検査体からの反力に伴ってプランジャーに回転力が生じるので、プランジャーを回転させてコンタクト部を被検査体の表面に摺接させ、被検査体及びコンタクト部に付着している酸化膜を削り落とすことができる。

このように、プランジャーの一端部に所定の態様で稜線を形成するだけの簡単な機構で、被検査体からの反力に伴ってプランジャーを回転させることができる。したがって、プランジャーの外周面に螺旋状のねじ山を形成するような構成と比較して、簡単な加工でプランジャーを良好に回転させることができ、コンタクトプローブを小径化することができる。

第２の本発明によるコンタクトプローブにおいて、上記コンタクト部は、上記プランジャーの中心軸に対して傾斜している方向に直線状に延びる稜線からなる。このような構成により、プランジャーの一端部に直線状に延びる稜線を形成するだけの簡単な機構で、コンタクト部を形成することができる。

第３の本発明によるプローブカードは、一端部が被検査体に接触される棒状のプランジャー及び上記プランジャーを保持するバレルを備えたコンタクトプローブと、上記バレルを回転自在に保持するガイド板とを備え、上記プランジャーの一端部には、上記プランジャーの中心軸に対して傾斜している方向に延びる稜線からなり、被検査体に接触するコンタクト部が形成されており、上記コンタクト部の各点における稜線の延びる方向に沿った延長線が、いずれも上記プランジャーの中心軸と交差しないように形成されている。

このような構成により、コンタクト部において被検査体から受ける反力を、プランジャーの中心軸に対してずれた方向に向かって作用させることができる。このため、被検査体からの反力に伴ってプランジャーに回転力が生じるので、プランジャーを回転させてコンタクト部を被検査体の表面に摺接させ、被検査体及びコンタクト部に付着している酸化膜を削り落とすことができる。

このように、プランジャーの一端部に所定の態様で稜線を形成するだけの簡単な機構で、被検査体からの反力に伴ってプランジャーを回転させることができる。したがって、プランジャーの外周面に螺旋状のねじ山を形成するような構成と比較して、簡単な加工でプランジャーを良好に回転させることができ、コンタクトプローブを小径化することができる。

また、コンタクトプローブのバレルがガイド板により回転自在に保持されているので、被検査体からの反力に伴って、ガイド板に対してコンタクトプローブ全体を回転させることができる。したがって、コンタクトプローブ内においてプランジャーを回転自在に保持するような構成と比較して、より簡単な機構でプランジャーを回転させることができ、コンタクトプローブを効果的に小径化することができる。

本発明によれば、プランジャーの一端部に所定の態様で稜線を形成するだけの簡単な機構で、被検査体からの反力に伴ってプランジャーを回転させることができる。したがって、プランジャーの外周面に螺旋状のねじ山を形成するような構成と比較して、簡単な加工でプランジャーを良好に回転させることができ、コンタクトプローブを小径化することができる。

また、コンタクトプローブのバレルがガイド板により回転自在に保持されているので、被検査体からの反力に伴って、ガイド板に対してコンタクトプローブ全体を回転させることができる。したがって、コンタクトプローブ内においてプランジャーを回転自在に保持するような構成と比較して、より簡単な機構でプランジャーを回転させることができ、コンタクトプローブを効果的に小径化することができる。

図１は、本発明の実施の形態によるプローブカード１の概略構成の一例を示した断面図であり、複数のコンタクトプローブ１０がカード基板４面に垂直に取り付けられている様子が示されている。本実施の形態によるプローブカード１は、２以上のコンタクトプローブ１０、下部ガイド板２、上部ガイド板３、カード基板４及びフレーム板５からなる。

下部ガイド板２及び上部ガイド板３は、ともに各コンタクトプローブ１０を保持する保持手段であり、いずれも絶縁性を有するセラミックスからなる。上部ガイド板３は、下部ガイド板２上に係止用ネジなどによって接合され、下部ガイド板２及び上部ガイド板３の接合状態では、ガイド板内部に中空領域６が形成されるようになっている。

カード基板４は、電極などが形成される薄い平板状の絶縁部材からなり、その中央付近の下面に上部ガイド板３が取り付けられている。フレーム板５は、カード基板４を補強するためのステンレス製の金属板であり、カード基板４の中央付近の上面に取り付けられている。

ここで、各コンタクトプローブ１０は、格子状に配置されるものとし、そのピッチ（配列間隔）Ｄは、被検査体上に形成された半田ボールのピッチに応じて定められるものとする。具体的には、各コンタクトプローブ１０間のピッチＤは、２００μｍ程度となっている。

図２は、図１のプローブカード１の要部における一構成例を示した断面図であり、バレル１１及びプランジャー１２からなるコンタクトプローブ１０が示されている。このコンタクトプローブ１０は、細い棒状のプランジャー（plunger）１２と、プランジャー１２を軸方向に弾性的に付勢するとともに、軸方向に移動可能に保持する筒状のバレル（barrel）１１からなる。プランジャー１２及びバレル１１は、導電性の金属からなり、また、プランジャー１２は、バレル１１内に収容されているコイルバネなどの弾性体による弾性力によって軸方向に付勢されている。コンタクトプローブ１０（バレル１１）の直径は、１００μｍ程度となっている。

上部ガイド板３には、バレル１１の直径よりも若干大きい均一の内径を有する貫通孔３１が形成されており、この貫通孔３１内にバレル１１の上端部が挿入されている。下部ガイド板２には、上部ガイド板３の貫通孔３１に対向する位置に貫通孔２１が形成されており、この貫通孔２１内にバレル１１の下端部が挿入されている。

下部ガイド板２の貫通孔２１は、バレル１１の直径よりも若干大きい内径を有する大径部２２と、大径部２２の内径よりも小さくプランジャー１２の直径よりも若干大きい内径を有する小径部２３とを有し、大径部２２と小径部２３とが段差面２４を介して連続している。貫通孔２１の小径部２３には、プランジャー１２が貫通している。段差面２４は、大径部２２側から小径部２３側に向かって内径が徐々に小さくなるように形成された傾斜面である。

上記のような構成により、コンタクトプローブ１０は、下部ガイド板２及び上部ガイド板３の各貫通孔２１，３１内に所定のクリアランス（隙間）が形成されるように配置され、コンタクトプローブ１０の中心軸Ａ１回りに回転自在に構成されている。コンタクトプローブ１０の中心軸Ａ１は、バレル１１及びプランジャー１２の各中心軸と一致している。

プランジャー１２の中央付近における外周面には、径方向に張り出した環状突部１３が形成されている。この環状突部１３は、プランジャー１２がガイド板２，３から抜け落ちるのを防止するためのストッパである。環状突部１３の外径は、下部ガイド板２の貫通孔２１における小径部２３の内径よりも大きく、上部ガイド板３の貫通孔３１の内径よりも小さい。プランジャー１２は、バレル１１から受ける軸方向の付勢力に抗してバレル１１内に若干後退された状態で、環状突部１３が貫通孔２１の段差面２４に当接することにより、一端が下部ガイド板２の下方に突出した状態で係止されている。

プランジャー１２は、その一端であるプランジャー先端１２ａにおいて半田ボールに接触する。プランジャー先端１２ａには、プランジャー１２の中心軸Ａ１に対して所定角度（例えば、４５°程度）だけ傾斜している方向に直線状に延びる稜線１５が形成されており、この稜線１５の一部が半田ボールに線接触するようになっている。

プランジャー１２は、バレル１１によって軸方向に弾性的に付勢されることから、プランジャー先端１２ａを半田ボールに接触させれば、当該半田ボールからの反力に応じてプランジャー１２の一部がバレル１１内に弾性的に収容される。これにより、適度な押圧力を保持しながら、プランジャー先端１２ａを半田ボールにコンタクトさせることができる。プランジャー１２が半田ボールからの反力に応じて後退すると、プランジャー１２の環状突部１３が貫通孔２１の段差面２４から離れて、コンタクトプローブ１０が滑らかに回転可能な状態となる。

カード基板４の下面には、上部ガイド板３の貫通孔３１に対向する位置に、導電性を有する金属板からなる電極パッド４１が実装されている。バレル１１の上端部は、下側から上側に向かって外径が徐々に小さくなるような先細り形状に形成され、バレル１１の上端面が電極パッド４１に当接している。

電極パッド４１は、カード基板４において外縁側に引き延ばされた配線を介してテスター装置（図示せず）に電気的に接続される。電極パッド４１は、カード基板４の下面に形成されたプリント配線により外縁側に引き延ばされるような構成であってもよいし、カード基板４内を通って上面に引き出された配線を介して、カード基板４の上面に形成されたプリント配線により外縁側に引き延ばされるような構成であってもよい。

図３は、図２のコンタクトプローブ１０の要部における構成例を示した図である。図３（ａ）には、プランジャー先端１２ａを正面から見た様子が示され、図３（ｂ）には、プランジャー先端１２ａを中心軸Ａ１方向から見た様子が示されている。

プランジャー先端１２ａには、中心軸Ａ１に対してほぼ同じ角度で互いに逆方向に傾斜している２つの傾斜面１４ａ，１４ｂが形成されており、これらの傾斜面１４ａ，１４ｂにより、正面から見て三角形状に尖った峰部が形成されている。２つの傾斜面１４ａ，１４ｂが交わる峰部の頂上には、中心軸Ａ１からずれた位置において、中心軸Ａ１に対して傾斜している方向に直線状に延びる稜線１５が形成されている。

このように、稜線１５は、プランジャー１２の中心軸Ａ１と交差しないように形成されている。すなわち、稜線１５の各点における稜線１５の延びる方向に沿った延長線が、いずれもプランジャー１２の中心軸Ａ１と交差しないように形成されている。例えば、図３に示す稜線１５上の点Ｐ１において、稜線１５は矢印Ｆ１の方向に延びており、その延長線がプランジャー１２の中心軸Ａ１と交差しない。なお、稜線１５は、中心軸Ａ１に対して傾斜していれば、直線状に延びるものに限らず、曲線を含むものであってもよい。

図４及び図５は、図２のコンタクトプローブ１０による測定動作の一例を示した図である。図４には、プランジャー先端１２ａが回路基板Ｂ２上の半田ボールＢ１に接触する様子が断面図によって示され、図５には、その半田ボールＢ１上におけるコンタクト部Ｃ１の位置関係を中心軸Ａ１方向から見た様子が示されている。

プランジャー先端１２ａは、稜線１５の一部からなるコンタクト部Ｃ１において半田ボールＢ１と当接する。ここで、プランジャー１２の中心軸Ａ１は、半田ボールＢ１の中心Ｂ３を通るものとする。被検査体としての半田ボールＢ１は、半導体ウエハなどの回路基板Ｂ２上に形成される多数の電子回路を他のデバイスと接続するために電極端子上に形成された微小な球状の半田の塊（solder bump：ソルダーバンプ）であるものとする。

プランジャー１２は、そのコンタクト部Ｃ１が半田ボールＢ１にコンタクトすることにより、中心軸Ａ１に沿って半田ボールＢ１から反力Ｒ１を受ける。この反力Ｒ１は、稜線１５に沿った反力Ｒ２と、稜線１５に対して直交している方向に沿った反力Ｒ３とに分解することができる（図４参照）。

本実施の形態のように、コンタクト部Ｃ１の各点における稜線１５の延びる方向に沿った延長線が、いずれもプランジャー１２の中心軸Ａ１と交差しない構成によれば、コンタクト部Ｃ１において半田ボールＢ１から受ける反力Ｒ２を、プランジャー１２の中心軸Ａ１に対してずれた方向に向かって作用させることができる。

コンタクト部Ｃ１が半田ボールＢ１から受ける反力Ｒ２は、プランジャー１２の中心軸Ａ１側へ向かう反力Ｒ４と、この反力Ｒ４に対して直交している方向へ向かう反力Ｒ５とに分解することができる（図５参照）。反力Ｒ５は、プランジャー１２を中心軸Ａ１回りに回転させる回転力として作用するので、プランジャー１２を回転させてコンタクト部Ｃ１を半田ボールＢ１の表面に摺接させ、半田ボールＢ１及びコンタクト部Ｃ１に付着している酸化膜を削り落とすことができる。

このように、プランジャー１２の一端部に直線状に延びる稜線１５を形成するだけの簡単な機構で、半田ボールＢ１からの反力に伴ってプランジャー１２を回転させることができる。したがって、プランジャーの外周面に螺旋状のねじ山を形成するような構成と比較して、簡単な加工でプランジャー１２を良好に回転させることができ、コンタクトプローブ１０を小径化することができる。

また、コンタクトプローブ１０のバレル１１がガイド板２，３により回転自在に保持されているので、半田ボールＢ１からの反力に伴って、ガイド板２，３に対してコンタクトプローブ１０全体を回転させることができる。したがって、コンタクトプローブ内（バレル内）においてプランジャーを回転自在に保持するような構成と比較して、より簡単な機構でプランジャー１２を回転させることができ、コンタクトプローブ１０を効果的に小径化することができる。

コンタクトプローブ１０の直径は、１００μｍに限られるものではないが、例えば１ｍｍ未満の狭ピッチで配置される直径が５００μｍ未満のコンタクトプローブ１０においては、コンタクトプローブ１０に対する複雑な加工が困難になるので、本実施の形態のように、プランジャー先端１２ａに稜線１５を形成するだけの簡単な機構を採用することが望ましい。

上記実施の形態では、プランジャー先端１２ａに一直線状に延びる稜線１５が１つだけ形成されている場合について説明したが、このような構成に限らず、それぞれ半田ボールＢ１に線接触する２つ以上の稜線が形成されているような構成や、稜線が曲線状に延びるように形成され、その２箇所以上で半田ボールＢ１に線接触するような構成とすることもできる。この場合、プランジャー先端に２つ以上のコンタクト部が形成されることとなるが、各コンタクト部が半田ボールＢ１から受ける反力によりプランジャーに生じる回転力が、中心軸に対して同一方向に作用するような構成であれば、上記実施の形態と同様の作用効果が生じることとなる。

本発明の実施の形態によるプローブカードの概略構成の一例を示した断面図である。 図１のプローブカードの要部における一構成例を示した断面図である。 図２のコンタクトプローブの要部における構成例を示した図である。 図２のコンタクトプローブ１０による測定動作の一例を示した図であり、プランジャー先端が回路基板上の半田ボールに接触する様子が断面図によって示されている。 図２のコンタクトプローブ１０による測定動作の一例を示した図であり、半田ボール上におけるコンタクト部の位置関係を中心軸方向から見た様子が示されている。 従来のコンタクトプローブによる測定動作の一例を示した図である。 図６のコンタクトプローブによる半田ボール上におけるコンタクト部の位置関係を示した平面図であり、プランジャーの中心軸方向から見た様子が示されている。

符号の説明

１ プローブカード
２ 下部ガイド板
３ 上部ガイド板
４ カード基板
５ フレーム板
１０ コンタクトプローブ
１１ バレル
１２ プランジャー
１２ａ プランジャー先端
１３ 環状突部
１４ａ，１４ｂ 傾斜面
１５ 稜線
２１，３１ 貫通孔
４１ 電極パッド
Ａ１ 中心軸
Ｂ１ 半田ボール
Ｂ２ 回路基板
Ｂ３ 中心
Ｃ１ コンタクト部

Claims (3)

1. 回転可能な状態で一端部が被検査体に接触される棒状のプランジャーを備えたコンタクトプローブにおいて、
   上記プランジャーの一端部には、上記プランジャーの中心軸に対して傾斜している方向に延びる稜線からなり、被検査体に接触するコンタクト部が形成されており、
   上記コンタクト部の各点における稜線の延びる方向に沿った延長線が、いずれも上記プランジャーの中心軸と交差しないように形成されていることを特徴とするコンタクトプローブ。
2. 上記コンタクト部は、上記プランジャーの中心軸に対して傾斜している方向に直線状に延びる稜線からなることを特徴とする請求項１に記載のコンタクトプローブ。
3. 一端部が被検査体に接触される棒状のプランジャー及び上記プランジャーを保持するバレルを備えたコンタクトプローブと、上記バレルを回転自在に保持するガイド板とを備え、
   上記プランジャーの一端部には、上記プランジャーの中心軸に対して傾斜している方向に延びる稜線からなり、被検査体に接触するコンタクト部が形成されており、
   上記コンタクト部の各点における稜線の延びる方向に沿った延長線が、いずれも上記プランジャーの中心軸と交差しないように形成されていることを特徴とするプローブカード。

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