JP4925920B2 - プローブカード - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置の電気的性能などをウェハ状態で検査する場合のように、被検査デバイスの特性検査をする場合に用いるプローブカードに関する。さらに詳しくは、高温条件や低温条件などで被検査デバイスの検査をする場合にも、正確に特性検査をすることができるように、温度制御機能を有するプローブカードに関する。

従来、半導体ウェハに形成された各半導体装置の特性の良否を検査するのに半導体ウェハの状態で、各半導体装置の電極にプローブを接触させることにより、検査用の回路を接続して検査をしている。この場合、１個当りの半導体装置は非常に小さいため、基板に接触用のプローブを纏めて配設したプローブカードが用いられている。このプローブカードを用いた半導体装置の測定治具は、たとえば図３に示されるような構造になっている。図３に示される例は、検査する半導体装置が高周波用デバイスであるため、検査の際に、プローブと検査用回路の電子部品との間の配線距離が大きかったり、配線や接続部のインダクタンス成分が比較的大きかったりすると、入出力信号のロスが生じたり、発振を引き起こしたりして、正確な検査をすることができないという問題を解決するため、プローブカードの近傍に第１の基板を設け、その第１の基板にはプローブの近くに設ける必要のあるバッファやリレーなどの電子部品を搭載し、さらに、第２の基板をその周囲に接続して、それ以外の電子部品を搭載する構成になっている（たとえば特許文献１参照）。

すなわち、図３において、９１がプローブカードで、基板９１ａに複数のプローブ９１ｂが設けられており、第１の基板９２と図示しない異方性導電シートを介して位置決めピン９３などにより固定することにより、プローブカード９１と第１の基板９２の配線が接続されている。第１の基板９２には、前述のように、プローブの近く（検査される半導体装置の近く）に設ける必要のあるバッファやリレーなどの電子部品９４が搭載されており、この第１の基板９２に第２の基板９６がポゴブロック９５などにより接続され、その第２の基板９６にその他の検査回路に必要な電子部品９７が搭載され、同軸ケーブル９８などで第１の基板９２の部品などと接続されている。

一方、近年の半導体装置は、高温下や低温下などの厳しい環境で使用されることが多く、高温や低温で検査をすることが必要となっている。このような場合、半導体ウェハの温度を上昇させたり低温にしたりして検査が行われる。しかし、半導体ウェハの温度が、たとえば上昇していると、その半導体ウェハの各チップの電極にプローブ９１ｂを接触させると、プローブ９１ｂの温度も上昇して熱膨張で延び、半導体装置の電極との接触位置がずれて正確な検査を行えなくなるという問題がある。そのため、前述のプローブカード９１のプローブ９１ｂと基板９１ａとの接続部であるプローブ９１ｂの根元部分にペルチェ素子などの温度制御機構を設け、プローブ９１ｂの温度を半導体ウェハの検査温度に近付けるようにすることが知られている（たとえば特許文献２参照）。
特開２００１−１４４１４９号公報 特開２００３−２１５１６２号公報

前述のように、半導体装置などの製品が高周波デバイスになると、その検査をする場合に、検査装置のインダクタンスや浮遊容量などに影響されないようにする必要がある。そのためには、検査回路のうち、少なくともコンデンサ、インダクタなどの部品はプローブの近傍、すなわちプローブカードの基板自身に配置する必要がある。一方で、高温下や低
温下での検査が必要となり、その場合には、プローブの温度もその温度に近い温度にしないと、前述のように、検査中にプローブの先端と半導体装置の電極との間の位置ズレが生じてしまう。そのため、プローブの温度も半導体装置の温度に合せて変化させると、プローブカードの基板に設けられている部品の温度も変り、部品の温度特性により、検査用の回路の設定も変化して正確な電気的特性試験を行うことができないという問題がある。

本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、高周波半導体装置などの被検査デバイスの特性検査をするため、プローブカードに直接検査用回路の電子部品の一部を搭載して、高温下や低温下で検査をする場合でも、安定した検査をすることができるプローブカードを提供することを目的とする。

本発明によるプローブカードは、基板と、該基板の一面に設けられ、検査回路を構成する部品の少なくとも一部の電子部品と、前記基板の他面に設けられる複数のプローブと、前記基板の一面側に設けられる温度センサと、前記基板の一面側に設けられる前記電子部品および温度センサを被覆する温度制御ケースと、該温度制御ケースと密着して設けられ、該温度制御ケース内の温度を一定の温度に制御する加熱冷却手段とを有している。

前記基板が複数層で形成され、少なくともその一層が金属板からなり、前記温度制御ケースが該金属板に直接接触するように設けられることにより、該金属板と前記温度制御ケースとにより熱遮蔽空間を形成し、該熱遮蔽空間内に前記電子部品および前記温度センサが設けられる構造にすることが好ましい。

本発明のプローブカードによれば、プローブカードの基板に搭載された電子部品側を温度制御ケースにより被覆し、その温度制御ケース内の温度を一定温度に制御しているため、被検査デバイスを高温下または低温下で検査をする場合に、被検査デバイスの温度を変化させて、プローブの温度もその被検査デバイスの温度に合せても、基板の一面側に設けられる電子部品の温度を一定に保つことができ、温度変化に伴う特性変化も生じない。その結果、高周波デバイスの特性検査を高温または低温で行う場合でも、非常に正確な検査をすることができる。

また、プローブカードの基板を複層にし、その少なくとも一つに熱伝導の良好な金属板などを用いて、温度制御ケースと直接接続しておくことにより、完全な熱遮蔽空間を形成することができ、その熱遮蔽空間内に電子部品が設けられているため、プローブ側で高温や低温になっても、全くその影響を阻止することができる。

つぎに、図面を参照しながら本発明のプローブカードについて説明をする。図１に、本発明のプローブカードの一実施形態の断面説明図が示されている。本発明によるプローブカードは、基板１の他面（裏面）に複数のプローブ２が設けられ、一面（表面）に検査回路を構成する部品の少なくとも一部の電子部品３と、温度センサ４とが設けられている。そして、基板１の一面に設けられる電子部品３および温度センサ４を被覆するように温度制御ケース５が設けられている。この温度制御ケース５には、たとえばペルチェ素子６１のような加熱冷却手段６が温度制御ケース５と密着して設けられ、温度制御ケース５内の温度を一定の温度に制御することができるようになっている。

基板１は、通常は両面基板が用いられるが、図１に示される例では、多層構造で形成され、熱伝導の良好な銅板などからなる金属板１２を有する構造になっており、この金属板１２と温度制御ケース５とを接着することにより、温度制御ケース５と金属板１２とで囲
まれる空間が熱遮蔽構造となるように形成されている。すなわち、図１に示される基板１は、金属板１２を、たとえばガラスエポキシなどからなる絶縁基板１１、１３でサンドイッチ構造とした基板１が用いられている。この絶縁基板１１、１３は、ガラスエポキシのような基板を用いなくても、たとえば金属板１２の両面に絶縁被膜を形成した構造でも良い。また、金属板１２を用いないで、逆に断熱性のあるセラミックスのような材料からなる基板または断熱性のある基板をサンドイッチ構造としても良い。

基板１の他面（裏面）側には、図示しない配線パターンが形成され、その配線パターンと接続してプローブ２が放射状に形成されている。図１に示される例では、この配線パターンの端部がスルーホール１４を介して基板１の一面（表面）側に導かれ、異方導電性ゴムなどからなるコネクタ１５によりパフォーマンスボード８の図示しない配線と接続されている。なお、スルーホール１４は、金属板１２とは接触しないように形成されている。プローブ２は、その先端を半導体装置などの被検査デバイスの電極に接続させるものである。なお、この基板１とパフォーマンスボード８との接続は、図１に示される例では、基板１の表面側にパフォーマンスボード８を接続しているため、スルーホール１４を介して基板１の配線パターンとパフォーマンスボード８とを接続したが、基板１の裏面側にパフォーマンスボード８を配置する構造にすれば、スルーホール１４を形成することなく、直接基板１の配線とパフォーマンスボード８の配線とを、コネクタ１５により直接接続することができる。

基板１の表面には、検査回路を構成する部品の一部の電子部品３および温度センサ４が設けられている。電子部品３は、とくに被検査デバイスが高周波デバイスである場合には、被検査デバイスの電極との間の僅かなインダクタンスなどにより特性が変化するため、被検査デバイス（プローブ２）の近くに設ける必要のある、コンデンサ、インダクタなどの電子部品３が基板１の表面に設けられている。スペース的に基板１の表面には検査回路を構成する全ての電子部品を設けることができないため、その他の配線距離が大きくなっても特性に影響しない電子部品などは、パフォーマンスボード８の表面に設けられている。また、この基板１の表面には、この電子部品３の温度を検出できるように、たとえばサーミスタなどからなる温度センサ４が設けられている。図１に示される例では、温度センサ４は、電子部品３と並んで基板１の表面に設けられているが、とくに温度管理が重要な電子部品３がある場合には、その電子部品３と接触するように温度センサ４を設けることもできる。

この電子部品３および温度センサ４を被覆するように温度制御ケース５が基板１の表面に被せられている。この温度制御ケース５は、たとえば銅やアルミニウムなどの熱伝導の良好な金属により形成されており、後述する加熱冷却手段６の温度を速やかに温度制御ケース５内の空間に伝達し得る構造とし、かつ、基板１の金属板１２の露出部分に接続するように設けられている。すなわち、絶縁基板１１の一部に開口部１１ａが形成され、その開口部１１ａにより露出した金属板１２と接触するように温度制御ケース５が設けられている。その結果、金属板１２と温度制御ケース５とにより囲まれる基板１の表面上の空間が熱遮蔽構造になっており、プローブ２が接触する被検査デバイス側の温度に拘らず、基板１の表面に形成される電子部品３の温度を常に一定の温度に保持することができる。この温度制御ケース５の内部には、ファン５１が設けられ、内部の空気を撹拌することにより、温度制御ケース５の内部を一定の温度に制御しやすいため好ましい。

この温度制御ケース５の上面には、加熱冷却手段６が設けられており、温度制御ケース５内の温度を所望の温度に制御できるようになっている。加熱冷却手段６として、図１に示される例ではペルチェ素子６１が設けられている。ペルチェ素子６１は、冷却能力を有するｐ型とｎ型の半導体の接合対である熱電冷却素子を複数電気的に直列接続し、ペルチェ効果を利用したもので、直流電流を印加することにより、一方の面が加熱面、他方の面
が冷却面となり、また、電流の向きを逆にすることにより、加熱面と冷却面とを変えることができ、印加する直流電流を制御することにより、その一面を所望の温度に制御することができる。本発明では、このペルチェ素子６１の一面が温度制御ケース５の上面に接触して設けられており、温度制御ケース５は銅などの熱伝導の良好な材料により形成されているため、温度制御ケース５の温度、ひいては温度制御ケース５内の温度を所望の温度に制御することができる。そして、前述のように、温度制御ケース５内には、ファン５１が設けられ、内部の空気を撹拌することにより、温度制御ケース５内の温度を、より一層所望の温度に制御することができる。

ペルチェ素子６１の反対面には、放熱器７が設けられている。すなわち、ペルチェ素子６１の温度制御ケース５側が冷却面（吸熱面）になっている場合には、その反対面が加熱面（放熱面）になっているため、その放熱された熱を速やかに放熱することができるように放熱器７が設けられている。ペルチェ素子６１の温度制御ケース５側の面が加熱面になっているときは、この放熱器７側の面が冷却面になっているが、この場合は、この放熱器７により周りの熱を吸収して冷却面に熱を補給する。図１に示される例では、放熱器７は、銅やアルミニウムなどの熱伝導の優れた金属からなる放熱板７１とファン７２とにより形成されている。

この構成で、基板１の表面に設けられた電子部品３の温度を一定の温度に制御するには、温度センサ４により温度制御ケース５内の温度を測定し、その温度が所定の温度より高ければ、ペルチェ素子６１の温度制御ケース５側の面を冷却面となるようにペルチェ素子６１への電流を制御すると共に、ファン５１および７１を作動させるなどの、温度制御ケース５内の温度を制御するＰＩＤ制御（proportional（比例）動作と、integral（積分）動作と、deviation（微分）動作を合せた特性をもたせた制御方法）により、精度の高い
所望の温度に制御することができる。なお、温度制御ケース５内の温度が所定の温度よりも低ければ、逆方向に電流を流し、また、所定の温度との差により電流値を制御することにより、精度の高い所望の温度に制御することができる。

前述の例では、加熱冷却手段６としてペルチェ素子６１を温度制御ケース５の上面に設ける例であったが、この例には限定されず、図２に示されるように、温度制御ケース５を、間に空間を有する２重壁で形成し、その空間に高温もしくは低温の液体もしくは気体からなる熱媒体６２を還流させる構成にすることもできる。すなわち、たとえば温度制御ケース５内の温度を低下させる場合には冷却水を、温度を上昇させる場合には温水を還流させることにより、温度制御ケース５およびその内部の温度をコントロールすることができる。そのため、この熱媒体６２の温度を制御することにより、温度制御ケース５およびその内部を所望の温度に制御することができる。このような構成にすることにより、図１に示されるような放熱器７を設ける必要がなく、プローブカードをコンパクトに構成することができる。なお、図２において、図１と同じ部分には同じ符号を付して、その説明を省略する。

なお、前述の例では、高温や低温で検査をする場合のプローブ２の温度変化による膨張収縮に関しては述べていないが、プローブ部分全体を被検査デバイスの温度に合せておくか、プローブの根元部分に別途ペルチェ素子を設けるなどして、従来行われている対策を施すことができる。

本発明によるプローブカードの一実施形態の構成を説明する断面説明図である。 本発明によるプローブカードの他の構成例を説明する断面説明図である。 従来のプローブカードを用いた検査治具の一例を示す断面説明図である。

符号の説明

１ 基板
11 絶縁基板
12 金属板
13 絶縁基板
14 スルーホール
15 コネクタ
２ プローブ
３ 電子部品
４ 温度センサ
５ 温度制御ケース
51 ファン
６ 加熱冷却手段
61 ペルチェ素子
62 熱媒体
７ 放熱器
71 放熱板
72 ファン

Claims (1)

1. 基板と、該基板の一面に設けられ、検査回路を構成する部品の少なくとも一部の電子部品と、前記基板の他面に設けられる複数のプローブと、前記基板の一面側に設けられる温度センサと、前記基板の一面側に設けられる前記電子部品および温度センサを被覆する温度制御ケースと、該温度制御ケースと密着して設けられ、該温度制御ケース内の温度を一定の温度に制御する加熱冷却手段とを有するプローブカードであって、
   前記基板が複数層で形成され、少なくともその一層が金属板からなり、前記温度制御ケースが該金属板に直接接触するように設けられることにより、該金属板と前記温度制御ケースとにより熱遮蔽空間を形成し、該熱遮蔽空間内に前記電子部品および前記温度センサが設けられてなることを特徴とするプローブカード。

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