JP4808794B2 - 半導体検査装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置の電気的特性を測定装置で測定する際に用いる半導体検査装置に関する。

半導体装置（半導体集積回路装置）の電気的特性の検査を行う際には一般に、半導体装置と測定装置との間に半導体検査装置を介在させている。従来の半導体検査装置の一つに、ポゴピン方式の導電性接触子を用いたものがある。

図６に示す半導体検査装置において、ポゴピン方式の導電性接触子１０は、筒体１１の内部にコイル状の圧縮ばね１２とプランジャ１３，１４とを備えており、圧縮ばね１２が、一方のプランジャ１３をその先端部が筒体１１の上方へ突出する方向に付勢し、他方のプランジャ１４をその先端部が筒体１１の下方へ突出する方向に付勢している。３１は導電性接触子１０の保持部材、３２は測定装置４０に接続される検査回路基板である。プランジャ１３，１４はコンタクトピンとも呼ばれる。

半導体装置５１の検査の際に、この半導体検査装置を図示したように配置し、半導体装置５１に近づく方向に相対移動させると、プランジャ１３が半導体装置５１の外部電極５２に押し当てられるとともに、プランジャ１４が検査回路基板３２のランド３３に押し当てられて、外部電極５２とランド３３とが両プランジャ１３，１４および筒体１１を介して電気的に接続される。

導電性接触子１０のプランジャ１３は通常、図７に示すように、炭素工具銅やベリリウム銅などの金属母材２０で所定形状に形作られ、その金属表面を安定化させる硬いＮｉメッキ層２１と、その上を覆って酸化を防止するＡｕメッキ層２２とが形成されている（特許文献１）。
特表２００４−５０３７８３公報

しかし上記のような導電性接触子を、錫（Ｓｎ）を主成分とするはんだボールで外部電極を形成した半導体装置の電気的特性検査に使用する場合、検査回数が増えるにしたがって、導電性接触端子の先端部に、すなわち外部電極と接触して通電される部分の表面に、はんだに含まれる錫と導電性接触端子に含まれる金とからなる錫金の合金層が形成される。この合金層の表面には酸化による酸化被膜も形成される。更に検査回数が増えるにしたがって、合金層の上にはんだが堆積し、その表面に酸化被膜が拡大形成される。その結果、接触抵抗値の不安定化を招き、検査回数が増えるにつれて接触抵抗値が増大していく。

本発明は、半導体装置の電気的特性検査を行う際の外部電極材料の付着を減少できる半導体検査装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の半導体検査装置は、半導体装置の外部電極に接触させるコンタクトピンを筒体内に出退自在に設けた導電性接触子と、複数の前記導電性接触子を保持した保持部材と、前記保持部材に保持された複数の前記導電性接触子に向けて前記半導体装置を荷重するための押しゴマと、前記コンタクトピンの接触によって前記外部電極から発生する電極屑を除去する除去手段とを備え、前記コンタクトピンは、前記筒体に摺接し前記外部電極に接触しないベース部と前記外部電極に接触する先端部とからなり、前記ベース部は少なくとも表層が貴金属で形成されており、前記先端部は少なくとも表層が前記ベース部とは異なる金属または金属合金で形成されており、前記保持部材は、前記先端部と前記外部電極との接続空間を形成する段部を周縁に有しており、一定方向を向いた複数の前記導電性接触子を前記先端部を突出させた状態で保持しており、前記除去手段として、前記電極屑を吸い込むための吸入口と、前記電極屑を吹き飛ばすための給気口とが、前記半導体装置の４辺に対応する位置で前記接続空間に配置されていることを特徴とする。

前記吸入口と前記給気口とが前記接続空間に位置するように、吸入路と給気路とが前記押しゴマに設けられており、前記吸入路に対して吸入装置が接続されており、前記給気路に対して給気装置が接続されていてもよい。

前記ベース部の前記貴金属はＡｕ、Ｐｔ、Ａｇの内から選ばれる少なくとも一つであってよく、前記先端部の前記金属または金属合金はＮｉ、Ｃｏ、Ｃｄの内から選ばれる少なくとも一つであってよい。

前記ベース部の前記貴金属はＡｕ、Ｐｔ、Ａｇの内から選ばれる少なくとも一つであってよく、前記先端部の前記金属または金属合金はＳｎに対する溶解速度がＰｂよりも遅い金属または金属合金から選ばれる少なくとも一つであってよい。

前記ベース部の表層はメッキ層であってよい。前記ベース部および前記先端部の双方の表層がメッキ層であってもよい。前記ベース部および前記先端部の少なくとも一方は全体が同一材料で形成されていてもよい。

本発明は、コンタクトピンという１つの部材のなかで、筒体に摺接し検査対象物の外部電極に接触しないベース部は貴金属としたことで電気的安定性を確保できる。また同外部電極に接触する先端部は貴金属とせずに異種の金属または金属合金としたことで、外部電極材料の付着およびそれによる接触抵抗の増加を抑えることができる。よって、長期間にわたって繰り返して使用しても安定した電気的接続が得られる。また付着した外部電極材料を除去するクリーニング回数を低減することができ、寿命を延ばすことにもなる。

かかる導電性接触子を有する半導体検査装置は、メンテナンスや交換作業の低減が可能であり、外部電極から発生する電極屑を除去する除去手段を備えたものにあっては、この効果が顕著である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基いて説明する。
図１は本発明の一実施形態の導電性接触子を示す断面図であり、図２は同導電性接触子の一部を示す拡大断面図である。

図１において、導電性接触子１０は、ポゴピン方式と呼ばれるもので、筒体１１とその内部に配置されたコイル状の圧縮ばね１２と上部プランジャ１３と下部プランジャ１４とにより構成されている。圧縮ばね１２は、上部プランジャ１３をその先端部が筒体１１の上方へ突出する方向に付勢するとともに、下部プランジャ１４をその先端部が筒体１１の下方へ突出する方向に付勢している。

筒体１１と下部プランジャ１４とは、ベリリウム銅（低炭素鋼であってもよい。いずれも比較的安価で切削性がよい。）で形成されており、その表面にはまずＮｉメッキが施され、それを覆うようにＡｕメッキが施されている。

上部プランジャ１３には、図２に示すように、検査対象の半導体装置の外部電極と接触する先端部ａと、前記外部電極に接触せず筒体１１に摺接するベース部ｂとで構成されている。ベース部ｂは、筒体１１に摺接する大径部分ｂ１及び小径部分ｂ２を有しており、Ａｕなどの貴金属で形成されている。先端部ａはＮｉなどの非貴金属（後述する）で形成されており、その先端にはクラウン状の突起が切削加工により設けられている。先端部ａおよびベース部ｂは一方が他方に圧入などの工法で機械的に締結されている（図示省略）。

図３は上部プランジャ１３の変形例を示す。この上部プランジャ１３のベース部ｂはＮｉを母材２０として形成されている。ベース部ｂの表面にはＡｕメッキ層７１が形成されている。先端部ａは母材２０と同じＮｉで形成されている。その他は図２に示したものと同じである。

図４は上部プランジャ１３の他の変形例を示す。この上部プランジャ１３のベース部ｂおよび先端部ａはベリリウム銅を母材２０として形成されている。ベース部ｂの表面にはＮｉメッキ層とそれを覆うＡｕメッキ層とからなる多層メッキ層８１が形成されている。先端部ａの表面にはＮｉメッキ層８２が形成されている。Ｎｉメッキ層８２の厚さは１〜２μｍ程度である。多層メッキ層８１の内のＮｉメッキ層の厚さは１〜２μｍ程度、Ａｕメッキ層の厚さは０．１〜０．３μｍ程度である。その他は第１の実施形態のものと同じである。

上記の各構成による効果は次の通りである。
上部プランジャ１３の先端部ａの表面はＮｉからなるため、外部電極と接触して通電される部分に、外部電極の主成分であるはんだに含まれる錫との合金は形成されにくい。かかる合金が形成されないことから、該先端部ａへの錫の密着力は非常に弱く、一旦付着しても剥がれ落ちやすい。このため、先端部ａへの錫の堆積を抑制することができ、表面に錫の酸化被膜が拡大形成されることを抑制できる。その結果、検査回数が増加しても安定した接触抵抗値を維持することができる。

Ｎｉは通常、その表面に厚み数オングストロームの非常に薄い酸化膜が形成されるが、この酸化膜は非常にもろい。上述の先端部ａはそのクラウン状の突起の先端部分が図示したように鋭利な形状であり、また外部電極に接する際には圧縮バネによる接触荷重が負荷されるので、該先端部ａのＮｉに酸化膜が形成されても十分に破ることができる。

これに対し、大径部分ｂ１や小径部分ｂ２は筒体１１に対して面対面で接触し、さらにその構造上、圧縮バネ１２から与えられる接触荷重も微小なので、酸化膜の除去はあまり期待できない。このためベース部ｂの表面はＡｕなどの貴金属とすることで酸化膜の問題を排除している。

つまり、上部プランジャ１３という１つの部材のなかで、筒体１１に摺接し検査対象物の外部電極に接触しないベース部ｂは貴金属とし、該外部電極に接触する先端部ａは貴金属とせずに異種の金属または金属合金としたことで、はんだ付着の低減と電気的接続の安定とを両立させている。

ここで、ベース部ｂに用いる貴金属は、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇの内から選ばれる少なくとも一つであってよく、先端部ａに用いる非貴金属（前記貴金属とは異なる純金属やその金属合金）は、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｄの内から選ばれる少なくとも一つであってよい。ＮｉとＣｏ、Ｃｄの一方あるいは双方との合金を用いても構わない。以下に説明する。

一般に、イオン化傾向の大きな金属とイオン化傾向の小さい金属とが接触した状態で、さらに空気中の水分や使用環境中に存在するＮａＣｌなどが付着して電解質に覆われた状態になると、それぞれの金属の接触部では電位差が生じ、イオン化傾向の小さい金属（貴な金属）からイオン化傾向の大きい金属（卑な金属）へと電流が流れ、卑な金属は金属イオンとなり腐食が始まる（異種金属接触腐食と呼ばれる）。

そこで、外部電極に接触する先端部ａに、イオン化傾向がはんだの主成分である錫に近い卑な金属を用いることで前記の腐食を防ぐ。かかる卑な金属にはＰｂ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｄなどがあるが、Ｐｂは昨今の環境問題から使用は不適切であり、好ましくはＮｉ、Ｃｏ、Ｃｄである。ただしＣｏ、Ｃｄの含有量が多くなるにつれてイオン化傾向がＳｎから遠のくため、Ｎｉのみがより好ましい。外部電極に接触しないベース部ｂに使用可能な貴金属にはＡｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｈｇなどがあるが、好ましくはＡｕ、Ｐｔ、Ａｇ、より好ましくはＡｕである。

あるいは、ベース部ｂに用いる貴金属は、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇの内から選ばれる少なくとも一つであってよく、先端部ａに用いる非貴金属（前記貴金属とは異なる純金属やその金属合金）は、Ｓｎに対する溶解速度がＰｂよりも遅い金属または金属合金から選ばれる少なくとも一つであってよい。以下に説明する。

一般に、はんだの主成分である錫に対する代表的な金属の溶解速度は、Ｐｔ、Ｎｉ＜Ｐｂ＜Ｃｕ＜Ａｇ＜Ａｕ＜Ｓｎとなる。たとえば60Ｓｎ-40Ｐｂはんだに対しては、温度250℃の条件で、Ｓｎが約200ｕｍ/ｓ、Ａｕが約10ｕｍ/ｓ、ＰｔおよびＮｉは0.01ｕｍ/ｓ以下となる。溶解速度が速い金属は錫に対して拡散しやすく錫との合金を形成しやすい。一旦錫合金が形成されると、その錫合金中の錫へ、はんだ中の錫が加速的に堆積し、その表面に酸化被膜が拡大形成される。

そこで、外部電極に接触する先端部ａに、Ｓｎに対する溶解速度が遅い金属、なかでも、環境面から望ましくないＰｂよりも溶解速度が遅いＮｉ、Ｐｔなどを用いることで、前記酸化被膜の拡大形成を防ぐ。コスト面からより好ましくはＮｉである。外部電極に接触しないベース部ｂに使用可能な貴金属には、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｈｇなどがあるが、好ましくはＡｕ、Ｐｔ、Ａｇ、より好ましくはＡｕである。

先端部ａにメッキを施す場合のメッキ厚さについては、１μｍ以下にするとピンホールが出来やすく母材金属に悪影響を及ぼすこととなり、５μｍ以上にすると切削加工の稜線がなまり、鋭さが失われるので、先端部ａの形状にもよるが、１μｍ〜５μｍの範囲が好ましい。先端部ａの形状は、図示したクラウン形状に限られず、ニードル形状やカップ形状などであっても同様の効果を得ることができる。

なお、上述の図３に示した上部プランジャ１３は、ベース部ｂは母材２０（Ｎｉ）表面にＡｕメッキ層７１という貴金属メッキ層を設け、先端部ａはベース部ｂの母材２０（Ｎｉ）と一体にあるいは別途に形成し、そのまま露出させればよいので、容易に構成できる。

また図４に示した上部プランジャ１３は、母材２０を用いて、ベース部ｂはＡｕメッキ層を表面に持つ多層メッキ層８１を設け、先端部ａはＮｉメッキ層８２を設ければよいので、容易に構成できる。母材２０には加工のしやすい、比較的安価な材料を用いることができる。

この図４の上部プランジャ１３を得るためには、たとえば、先に図７を用いて説明した、Ｎｉメッキ層とＡｕメッキ層とからなる多層メッキ層を持った既存プランジャあるいはその製造工程を利用することができる。

たとえば、既存プランジャに対して、シアン系（ＮａＣＮ＋過酸化水素水の混合液）、王水系（塩酸+硝酸）、酸系（塩酸溶液）、よう素系（ヨウ素＋よう化アルカリ）などの溶液によりＡｕメッキ層を剥離またはエッチングする処理を施して、Ｎｉメッキ層を露出させる；あるいは先端部ａに更にＮｉメッキを施す；あるいは先端部ａを研磨してＮｉメッキ層を露出させる；あるいは、既存プランジャの製造工程を踏襲する一方で、Ａｕメッキを施す際に先端部ａをマスクしてＮｉメッキ層を表面に残す。

図５は上記の導電性接触子１０を持った半導体検査装置の断面図である。
半導体検査装置は、複数の導電性接触子１０と、これら複数の導電性接触子１０を保持した保持部材３１と、保持部材３１を取り付けた検査回路基板３２と、保持部材３１に保持された複数の導電性接触子１０に向けて半導体装置５１を荷重するための押しゴマ４１とを有している。

保持部材３１は、複数の導電性接触子１０をそれぞれ検査回路基板３２のランド３３に対応する位置となるように、且つ一定方向を向くように、且つ上部プランジャ１３が突出するように配列する複数の孔３４を有するとともに、突出した上部プランジャ５４と半導体装置５１の外部電極５２との接続空間３５を形成する段部３６を周縁に有している。

この半導体検査装置において、半導体装置５１を押しゴマ４１の凹部内に取り付けて、複数の導電性接触子１０に向けて荷重すると、導電性接触子１０ごとに、圧縮ばね１２によって、上部プランジャ１３が半導体装置５１の外部電極５２に押し当てられるとともに、下部プランジャ１４が検査回路基板３２のランド３３に押し当てられる。それにより、外部電極５２とランド３３とが両プランジャ１３，１４および筒体１１を介して電気的に接続され、検査回路基板３２に接続した測定装置４０による測定が可能になる。

上部プランジャ１３が上述の構造を有することによる効果は既述したとおりである。ただし、上部プランジャ１３の先端部ａをＮｉとすることではんだ付着を低減できるのは、はんだが全く付着しないのではなく固着せずに剥がれ落ちるのである。剥がれ落ちたはんだは、屑として半導体検査装置に残り、半導体装置５１に再付着することが起こりえる。

そのためこの半導体検査装置には、はんだ屑を吸い込む為の吸入口４２と、はんだ屑を吹き飛ばすための給気口４３とが、半導体装置５１の４辺に対応する位置に配置されている（２辺については図示せず）。詳しくは、保持部材３１の段部３６によって形成される接続空間３５に吸入口４２，給気口４３が位置するように、押しゴマ４１に吸入路４４と給気路４５とが設けられ、吸入路４４に対して吸入装置４６接続され、給気路４５に対して給気装置４７が接続されている。

これにより、図示したように半導体装置５１に電気検査のために荷重をかけているときに、給気口４３を通じて空気などの気体を供給するとともに、吸入口４２を通じて吸引することで、気体の流路を限定し、半導体検査装置全体への拡散を防ぐことができる。気体の供給量や速度が不足するとはんだ屑が半導体装置５１に付着する可能性があるため、大容量の気体を瞬時に送り込む必要がある。

吸入口４２及び給気口４３は最低１個づつあればよいが、半導体装置５１の大きさや外部電極５２の数に応じて各々の数を変更する。３個の吸入口４２に対して１個の給気口４３、またはその逆なども可能である。

本発明の半導体検査装置は、長期間にわたって繰り返し使用しても半導体装置に対して安定した電気的接続を得ることができるため非常に有用である。

本発明の一実施形態の導電性接触子を示す断面図 図１の導電性接触子のコンタクト部分の断面図 図２のコンタクト部分の変形例を示す断面図 図２のコンタクト部分の他の変形例を示す断面図 図１の導電性接触子を備えた本発明の半導体検査装置の断面図 従来の半導体検査装置の断面図 図６の半導体検査装置に備わる導電性接触子のコンタクト部分を示す断面図

１０ 導電性接触子
１１ 筒体
１２ 圧縮バネ
１３ 上部プランジャ
１４ 下部プランジャ
２０ 母材
３１ 保持部材
３２ 検査回路基板
３３ ランド
４１ 押しゴマ
４２ 吸入口
４３ 給気口
５１ 半導体装置
５２ 外部電極
７１ Ａｕメッキ層
８１ 多層メッキ層
８２ Ｎｉメッキ層
ａ 先端部
ｂ ベース部

Claims (7)

1. 半導体装置の外部電極に接触させるコンタクトピンを筒体内に出退自在に設けた導電性接触子と、
   複数の前記導電性接触子を保持した保持部材と、
   前記保持部材に保持された複数の前記導電性接触子に向けて前記半導体装置を荷重するための押しゴマと、
   前記コンタクトピンの接触によって前記外部電極から発生する電極屑を除去する除去手段とを備え、
   前記コンタクトピンは、前記筒体に摺接し前記外部電極に接触しないベース部と前記外部電極に接触する先端部とからなり、前記ベース部は少なくとも表層が貴金属で形成されており、前記先端部は少なくとも表層が前記ベース部とは異なる金属または金属合金で形成されており、
   前記保持部材は、前記先端部と前記外部電極との接続空間を形成する段部を周縁に有しており、一定方向を向いた複数の前記導電性接触子を前記先端部を突出させた状態で保持しており、
   前記除去手段として、前記電極屑を吸い込むための吸入口と、前記電極屑を吹き飛ばすための給気口とが、前記半導体装置の４辺に対応する位置で前記接続空間に配置されている
   ことを特徴とする半導体検査装置。
2. 前記吸入口と前記給気口とが前記接続空間に位置するように、吸入路と給気路とが前記押しゴマに設けられており、
   前記吸入路に対して吸入装置が接続されており、前記給気路に対して給気装置が接続されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体検査装置。
3. 前記ベース部の前記貴金属はＡｕ、Ｐｔ、Ａｇの内から選ばれる少なくとも一つであり、前記先端部の前記金属または金属合金はＮｉ、Ｃｏ、Ｃｄの内から選ばれる少なくとも一つである
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体検査装置。
4. 前記ベース部の前記貴金属はＡｕ、Ｐｔ、Ａｇの内から選ばれる少なくとも一つであり、前記先端部の前記金属または金属合金はＳｎに対する溶解速度がＰｂよりも遅い金属または金属合金から選ばれる少なくとも一つである
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体検査装置。
5. 前記ベース部の表層がメッキ層である
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体検査装置。
6. 前記ベース部および前記先端部の双方の表層がメッキ層である
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体検査装置。
7. 前記ベース部および前記先端部の少なくとも一方は全体が同一材料で形成されている
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体検査装置。

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