JP4837866B2 - 温度補償された垂直ピンプローブ探査装置 - Google Patents

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は、広い温度範囲にわたって集積回路をプローブ探査（probing）するための改良された温度補償型垂直ピンプローブ探査装置に関するものである。
【０００２】
（背景技術）
ウェーファ状態になった集積回路はプローブ探査装置を以って試験されるが、同装置のプローブ（探り針）は通常カンチレバー状のまたは垂直状の形状をしている。既知のタイプの垂直ピンプローブ探査装置においては、プローブは隔置された上側および下側ダイ部材の間に保持され、全体として、ハウジングの下側ダイ部材と実質的に垂直をなして突出す真直部分を伴って湾曲している。試験されようとするウェーファが持ち上げられて探査装置と接触し、数千分の１インチ（１インチ＝25.4ｍｍ）行き過ぎると、プローブがハウジング内へと後退し、プローブの湾曲した部分が偏倚してばね力が生ずるので、集積回路パッドとの良好な電気的接触作用が与えられる。
【０００３】
伝統的には、前記ハウジングはE.I. duPont de Nemours & Co.の登録商標であるDelrin（デルリン）のようなプラスチックであることが多い絶縁体材質から作られる。
【０００４】
例えば０°Ｃ、室温、１３５°Ｃにわたる広範囲の温度範囲における２つまたはそれ以上の数の温度において、ある集積回路（IC）が試験される時には、典型的な従来技術のプローブハウジングは試験中のICウェーファのシリコン基板材料の熱膨張係数よりも著しく高い熱膨張係数を以って膨張してしまう。そのような膨張は、プローブとICパッドの位置ずれを生じたり、満足すべき電気的接触を行うことができないのみならず、プローブがICの回路領域内に貫入することでICへの致命的な損傷となる事態をおこす。
【０００５】
このような問題に対する１つの解決策は、ハウジング内におけるプローブの室温ピッチ寸法を補償し、これによってある温度においてプローブとパッドの位置とがほぼ正確に適合するように膨脹させることである。狭い範囲の温度域の場合を除けば、このような方法は各特定温度に対して別個のプローブ探査装置を必要とし、かくしてプローブ探査装置に対するユーザーの投資金額を著しく増大させる。
【０００６】
別の解決策は、シリコンウェーファの熱膨張係数に適合するプラスチックまたは他の適当な絶縁体を見出すことである。しかしながら、現在のところ、最も実際的な絶縁体材質を選択すると、これらの材質はシリコンよりもずっと高い膨張係数である。プラスチックは一般的にいって限定された耐高温特性しか備えておらず、ＩＣの高温プローブとして用いることを妨げている。
【０００７】
垂直ピンプローブ探査装置の温度補償について１つの解決策が、W.ThiessenおよびA.Evansの名前で1999年1月11日に出願され、本出願人に譲渡されている同時係属出願番号０９/２２８０１７に記載されている。同出願は、探査されるシリコンチップの熱膨張係数とほぼ等しい熱膨張係数を備えたインバー合金からなる一対のスペーサー部材を有するプローブを記載している。スペーサー部材は、べスペル（Vespel）樹脂またはマコール（Macor）セラミックからなる相対して配置された溝形状の絶縁インサートを支持する凹所を有している。マコールセラミックはシリコンチップの熱膨張係数よりもずっと大きな熱膨張係数でなり、プローブピンをインサート内の穴中に滑入させるのに必要な潤滑性を与えるための固着防止用被覆を必要とした。また、凹所内に溝部材を組立てて、次にプローブピン穴を穴あけすることは手間のかかる工程であった。
【０００８】
別の解決策が、やはり本出願人に譲渡されている1999年1月11日出願の出願番号０９／２２８０１６に開示されている。同出願はプローブピンをインバースペーサ内に支持するのにインバーフォイルを使用しており、同フォイルはシリコンの熱膨張係数により近い熱膨張係数である。しかしながら、フォイルは導体であり、電気的絶縁性と潤滑性を与えるためには絶縁被覆を必要とする。
【０００９】
全ての部品がシリコンチップの熱膨張係数により近接した熱膨張係数を備えているプローブが提供されれば、同プローブは構成が簡単かつ容易になり、追加被覆も不要になり、広範囲温度にわたっての高温探査に適したものとなるであろう。
【００１０】
従って、本発明の１つの目的は、集積回路を広範囲の温度にわたって探査するための、温度について補償された垂直ピンプローブ探査装置を提供することである。
【００１１】
本発明の別の目的は、絶縁性または潤滑性を与えるための特殊な被覆を必要としない垂直ピンプローブ探査装置を提供することである。
【００１２】
本発明の別の目的は、極めて高温にある集積回路を探査するのに適した、構成が単純な、改良された垂直ピンプローブ探査装置を提供することである。
【００１３】
（発明の開示）
簡潔に記述するならば、本発明は、広い温度範囲にわたって集積回路をプローブ探査するための改良された温度補償型垂直ピンプローブ探査装置において、前記集積回路は、試験のためプローブピンによって接触される隔置された接触パッドを回路基板上に備えており、前記プローブ探査装置は、上側および下側隔置ダイ部材と複数個のプローブピンとを含んでおり、前記上側および下側隔置ダイ部材は、それぞれ所定の温度における前記集積回路の前記接触パッドの間隔に対応して貫通させられた貫通穴の上側および下側パターンを画成しており、それぞれの前記プローブピンが、前記上側パターンの貫通穴および前記下側パターンの貫通穴からなる一対の貫通穴内に配設され、前記下側ダイ部材を越えてプローブ先端へと延びており、改良物は、スペーサー部材と薄肉のセラミックシートと接着剤とを備えたダイ部材を含み、前記スペーサー部材は、前記回路基板の熱膨張係数と実質的に適合する熱膨張係数を有しており、前記スペーサー部材は、貫通する開口孔を画成しており、該開口孔に配設された前記セラミックシートは、前記回路基板の熱膨張係数と実質的に適合する熱膨張係数を有しており、前記接着剤は、前記開口孔内に前記セラミックシートを固定しており、前記ダイ部材において、前記貫通穴の前記上側パターンおよび前記下側パターンのうちの一方に適合する複数個の貫通穴が、前記セラミックシートに画成されている。
【００１４】
（図面の詳細な説明）
本発明に係る改良物を記述する前に、「スペース変換機」と呼ばれる連結装置とともに用いられる従来技術の垂直ピンプローブ探査装置とプリント回路基盤を例示している図１および図２を参照する。単純化された図である図１は従来技術の構造を示している。時として「プローブカード」と呼ばれるプリント回路試験盤１０は導電性トレース１２を含んでおり、これらトレースは（図示せぬ）集積回路試験機器へと試験回路関係をなして接続されている。実際には、トレース１２はプリント回路盤上の「ポゴパッド」へと通じており、該回路盤には予め規定された試験において外部試験機器のリードが接続される。試験中の集積回路１４または他の装置は、可動チャック１６上に支持される。集積回路１４は典型的には、Wentworth Laboratoriesから市販されている（登録商標）コブラ（COBRA）プローブヘッドのような垂直ピン集積回路プローブ探査装置１８によって同時に探査されるべきパターンないしマトリックスの接触パッドを備えている。プローブ探査装置１８は一群の貫通穴２１を備えた下側ダイ部材２０と、スペーサー２４によって隔置され、多数の垂直ピンプローブ２６，２８を担持する一群の貫通穴２３を備えた上側ダイ部材２２とを有している。ダイ材質は典型的には、E.I. duPont de Nemours & Co.によって製造されているデルリン（登録商標）、アセチル樹脂のようなプラスチック絶縁体からなっている。
【００１５】
拡大横断面図である図２は、２つの代表的プローブ２６，２８がそれぞれ下側ダイ部材２０の貫通穴２１から突出したプローブ先端２６ａ，２８ａと、それぞれ上側ダイ部材２２の上側の貫通穴から突出した露出ヘッド２６ｂ，２８ｂとを有していることを示している。垂直プローブピン２６、２８の相対する端部を入れた貫通穴２１，２３は互いにわずかにずらされており、プローブピンは、座屈を促進して、僅かな垂直方向の不均一または非整合があっても実質的に一様な接触圧力を集積回路パッド１４ａ，１４ｂ上に誘起せしめるべく蛇状に湾曲している。
【００１６】
従来技術のスペース変換機が図1において全体を２９で示されており、同変換機は内部に井戸３２を形成した装着ブロックを有している。井戸の底部に、プローブヘッド組立体１８の露出ヘッド２６ｂによって画成された第１の小さなパターンに寸法的に対応するよう数個の穴３４が敷設されている。プローブ組立体１８は簡明さのためにスペース変換機２９から分離しているように図示されているが、実際の操業においては（図示せぬ）ねじによって変換機に接続される。
【００１７】
個別の絶縁ワイヤ３６はその一端がPCB（プリント回路盤）トレース１２に接続され、その他端部においてはこのワイヤは装着ブロック３０の穴３４内へと延びており、かくしてプローブ組立体１８がスペース変換機２９にボルト締めされた時にブロック３０の下側においてプローブヘッド２６ｂと電気的に接触する。
【００１８】
スペース変換機２９はねじ３８のような手段によってPC盤に取付けられており、エポキシポッティング成分３９がワイヤ３６，３７を不動化状態にしている。プローブ探査装置１８は（図示せぬ）ねじによってスペース変換機２９の下側に取付けられており、これによってプローブヘッド２６ｂ，２８ｂはリード部３６，３７と電気的接触する。集積回路１４は寸法Ａだけ隔置された、１４ａ，１４ｂのような数個の隔置パッドを有している。プローブ先端２６ａ，２６ｂは寸法Bだけ隔置されている。ダイ材質の熱膨張係数がシリコンウェーファのそれ（0.0000028ｍ/ｍ/Ｋ）と実質的に異なる従来技術装置においては、探査の温度範囲に依存する程度だけ寸法ＡおよびＢとの間にミスマッチ（非整合）が生ずることになる。
【００１９】
付図の図３、４および５を参照すると、改良された温度補償型垂直ピンプローブ探査装置が示されており、該装置は上側ダイ部材４２と下側ダイ部材４４とを有している。これらダイ部材は一緒に保持され、図１に示す装着ブロック３０に、周縁に適当に配設された穴４６を通るねじ（図示せず）を用いて装着されている。上側および下側ダイ部材の各々はそれぞれ矩形の開口孔５２，５４を備えたスペーサー部材４８，５０を含んでいる。各開口孔５２，５４はそれぞれ薄肉のセラミックシート５６，５８を保持している。スペーサー部材４８，５０は、回路基板を構成しているシリコンの熱膨張係数に出来るだけ近い係数を有する基板コア材質で作られている。１つの好ましい材質はニッケル合金であるInvar（Imphy S.A.の登録商標名）であり、該合金は公称組成３６％ニッケルにおいて0.0000018ｍ/ｍ/Kの熱膨張係数（これはシリコンのそれより僅かに低い）を有している。熱膨張係数は所望に応じて（当業界において知られているように）当該合金のニッケルの含有率を調整することでシリコンのそれと完全に一致させることが可能である「シスコ（Sisco）のModern Metallurgy for Engineers、第2版、２９９頁参照」。
【００２０】
当業界で周知のように、プローブピン６４はそれぞれ、上側および下側ダイ部材内にある隔置されずらされた貫通穴６０，６２間を延びている。プローブピン６４の上側端部はプローブ先端６４ａに終結しており、これら先端はプリント回路試験盤に通じている３７のようなワイヤ（図１）と電気的接触をなすように配設されている。プローブピン６４の下側端部はプローブ先端６４ｂに終結しており、これら先端はウェーファ１４（図１）の探査の間に既知の態様で貫通穴６２内を滑動する。
【００２１】
図３の線Ａ−Ａに沿って眺めた図４の横断面を参照すると、上側セラミックシート５６の周縁がスペーサー部材４８の上側表面近傍に装着され、下側セラミックシート５８はスペーサー部材５０の下側表面近傍に装着されており、２つのセラミックシートは互いに隔置された関係で保持されていることがわかる。上側セラミックシート５６は、所定のパターンでレーザにより穴あけされた複数個の貫通穴６０を有している。下側セラミックシートは、同一の所定のパターンで同様にレーザ穴あけされた複数個の貫通穴６２を有している。ただしこれらの貫通穴は、パターンが上側パターンに対してセラミックシートの面内でずらされている点が異なる。こうすることによって互いに横方向にずらされた対の貫通穴が提供される。
【００２２】
現尺ではない図５の拡大断面図を参照すると、同図はプローブ組立体４０の一部分を例示している。スペーサー４８内の開口孔５２はその周縁がスペーサー上側面において拡大され、棚部５２ａを提供しており、同様の周縁棚部５４ａがスペーサー部材５０の下側面内に設けられている。上側セラミックシート５６は比較的薄く（0.0254ｍｍ）、下側セラミックシートはやはり比較的に薄肉であるが、上側シートよりは厚く、好ましい厚み寸法は約0.0508ｍｍである。セラミックシート５６，５８は、エポキシ樹脂のような高強度剛体接着剤によってそれぞれ棚部５２ａ，５４ａ内の開口内に拘束されて装着されている。
【００２３】
本発明によれば、我々は、改良した垂直ピンプローブ探査装置に用いるセラミックシートとして窒化シリコンが理想的に適していることを発見した。窒化シリコンセラミックは高温度における高い機械的強度と、耐熱衝撃強度と、靭性のみならず、プローブピンに固着防止材を被覆すること無くプローブピンの滑動を許容出来る低い摩擦係数を有している。窒化シリコンシートは通常ホットプレスで製造され、2相のアルファおよびベータの多結晶セラミックである。同セラミックは0.0000034ｍ/ｍ/Kの熱膨張係数を有しており、これはシリコンのそれよりも僅かに大きいだけである。スペーサー部材の熱膨張係数はシリコンのそれより僅かに小さく、窒化シリコンの熱膨張係数はシリコンのそれより僅かに大きいので、ダイ部材において用いられる材質は互いに協働することで、ダイ部材の全体としての熱膨張係数はシリコンウェーファのそれとほぼ等しいものになる。
【００２４】
（産業上の利用可能性）
本発明の作動は以下のように説明される。インバー材料の熱膨張係数はシリコンのそれより僅かに低いものの実質的に等しいので、インバー製の上側および下側ダイ部材は実質的にはシリコンウェーファの膨張と寸法的に対応するよう膨張する。従って、セラミックシート５６，５８および貫通穴６０，６２の中心線の位置はシリコンウェーファ上の接触パッドに従って決まり、シリコンウェーファの膨張、収縮に追従する。
【００２５】
セラミックシート５６，５８は、シリコンウェーファおよびスペーサー部材４８，５０よりも僅かに大きな熱膨張係数を以ってシートの中心線のまわりで膨張、収縮を行う。しかしながら、インサートは接着剤によって拘束されており、ウェーファの面と垂直をなす方向にのみ移動することができる。従って、絶縁インサートの熱膨張係数がシリコンウェーファのそれよりも僅かに高いにも拘らず、そのことは広い温度範囲にわたって、ウェーファ接触パッドとプローブ点との間において顕著なミスマッチ（非整合）を誘起することにはならない。好ましいセラミック材質によって提供される潤滑性はプローブピンが固着防止の被覆を要すること無く滑動し得るようにする。
【００２６】
これまで本発明の好ましい実施形態と考えられるもの並びにその１つの変形例について記述したが、当業者ならば他の修整例も容易に案出可能であろう。従って、全てのそのような変形例は請求の範囲に記述された本発明の範囲内に含まれるものと理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 横断面で示す立面図であり、プリント回路試験盤、ワイヤ配線インターフェースの部分並びにシリコンウェーファおよびチャック支持体の部分と共に従来技術の垂直ピンプローブ探査装置を示している。
【図２】 ２本のプローブピンに対する図１の従来技術垂直ピンプローブ探査装置の詳細を横断面で示す拡大図。
【図３】 本発明に係る改良された垂直ピンプローブ探査装置の斜視図。
【図４】 図３の線Ａ−Ａに沿って眺めたプローブ探査装置の横断面を示す斜視図。
【図５】 図３および図４のプローブ探査装置の部分を例示した横断面で示せる拡大された、展開側面図。

Claims (7)

1. 広い温度範囲にわたって集積回路をプローブ探査するための改良された温度補償型垂直ピンプローブ探査装置において、前記集積回路は、試験のためプローブピンによって接触される隔置された接触パッドを回路基板上に備えており、前記プローブ探査装置は、上側および下側隔置ダイ部材と複数個のプローブピンとを含んでおり、前記上側および下側隔置ダイ部材は、それぞれ所定の温度における前記集積回路の前記接触パッドの間隔に対応して貫通させられた貫通穴の上側および下側パターンを画成しており、それぞれの前記プローブピンが、前記上側パターンの貫通穴および前記下側パターンの貫通穴からなる一対の貫通穴内に配設され、前記下側ダイ部材を越えてプローブ先端へと延びており、改良物は、スペーサー部材と薄肉のセラミックシートと接着剤とを備えたダイ部材を含み、前記スペーサー部材は、前記回路基板の熱膨張係数と実質的に適合する熱膨張係数を有しており、前記スペーサー部材は、貫通する開口孔を画成しており、該開口孔に配設された前記セラミックシートは、前記回路基板の熱膨張係数と実質的に適合する熱膨張係数を有しており、前記接着剤は、前記開口孔内に前記セラミックシートを固定しており、前記ダイ部材において、前記貫通穴の前記上側パターンおよび前記下側パターンのうちの一方に適合する複数個の貫通穴が、前記セラミックシートに画成されている、垂直ピンプローブ探査装置。
2. 請求項１に記載の改良物において、前記スペーサー部材とセラミックシートの熱膨張係数はそれぞれシリコンの熱膨張係数よりも僅かに低く、僅かに高い改良物。
3. 前記スペーサー部材がインバー合金である請求項２に記載の改良物。
4. 前記セラミックシートが窒化シリコンである請求項２に記載の改良物。
5. 請求項１に記載の改良物において、前記スペーサー部材は前記開口孔を取囲む表面を有しており、該開口孔は前記表面に近接して周縁棚部を画成しており、前記セラミックシートは前記周縁棚部上に配設された周縁部を備えている改良物。
6. 前記接着剤がエポキシ樹脂であり、前記セラミックシートの周縁部を前記棚部に固定している請求項５に記載の改良物。
7. 前記スペーサー部材がインバー合金からなり、前記セラミックシートが窒化シリコンからなり、前記接着剤がエポキシ樹脂からなる請求項１に記載の改良物。

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