JP5015672B2 - プローブカード - Google Patents

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Description

本発明は、半導体ウェハ上に高密度に集積されたチップデバイスの電気的特性の検査に使用されるプローブカードの構造及びそのプローブ基板の固定支持方法に関するものである。
従来、半導体ウェハ上にあるチップデバイスの電気的特性の検査に使用されるプローブカードは、図4(a)に示すように、複数のテスタ接続端子4aが接続された回路基板4と、複数のプローブ2が装着されたプローブ基板3と、テスタ接続端子4aに接続された回路基板4の接続端子5aと各プローブ2に接続されたプローブ基板3の接続端子3aとを夫々電気的に接続するための弾性を有する中継接続ピン5群と、回路基板4の背面に装着されて機械的強度を補強する補強板6と、回路基板4及び補強板6とプローブ基板3を所定位置に保持する支持体7と支持ボルト8とから構成される。回路基板4及びプローブ基板3の形状は所定の厚みを有する円形又は方形の平板である。回路基板4に固着された中継接続ピン5は弾性体であり、押圧力に比例して生ずる反力により回路基板4の中継接続ピン5の先端部と対応するプローブ基板3の接続端子3aとを圧接して電気的接続が確保される。
この押圧力はプローブ基板3を回路基板4側へ動かすことにより中継接続ピン5に変形を与えることで生ずる。この際、プローブ基板3に対して中継接続ピン5の押圧力が作用しているから、プローブ基板3はその周縁部3cが支持体7の支持受部7aにより
上向きに支える単純支持の形態をとるのが通常である。
こういう構造を採用したプローブカードの先行技術が開示されている(文献1)。この先行技術は、夫々二つのアームを有する構造のプローブと接続子(中継接続ピンに相当)を採用することにより、プローブと被検査体であるチップデバイスとを押圧したときに、配線基板のような支持基板に伝達させる力を低減できるというものである。
特開2004−340617号公報(〔0005〜6〕、〔0011〜13〕、図18)
このプローブカードでは、弾性を持つ中継接続ピンを押圧することによる反力で対応する接続端子を電気的に接続する構造であるから、複数の中継接続ピンの反力の合計荷重により、プローブ基板にたわみが生じ、そのままの構造では所望の製品を作ることが困難であるという問題があった。これらの問題点を以下に詳述する。
この中継接続ピンは回路基板とプローブ基板との間に配置され、かつ、押圧力により両基板の電気的接続を確保する必要があるので、両基板には夫々垂直な方向に面荷重が作用する(図4(b)のγ)。この面荷重に対して回路基板は背面に補強板を配設しているから十分対抗できるが、一方のプローブ基板は周辺部を支持体で単純支持された円板又は平板であるので、プローブ基板の中央部が大きくたわむ(図4(b)のβライン)。その結果、プローブ基板に固着されているプローブ群の先端部が構成する面平行度(図4(b)のαライン)を損なう問題が発生する。この図4に示すように、この変形は周辺を単純支持された円板又は平板が一様な面荷重を受けた場合のたわみ発生という力学的現象である。周辺を単純支持された円形の最大たわみWmaxと最大応力のσmaxは円板中央に発生し、数式1で与えられる。(参考文献:日本機械学会編「機械工学便覧」1984年)
Figure 0005015672
この数式において、板の厚さがh、円形平板の直径が2a、単位当たりの荷重がp、板材料の縦弾性係数がE,そのポアソン比がνでそれぞれ表わされ、例えば、板厚4mm、直径300mm、縦弾性係数300GPa、ポアソン比0.25、面分布荷重1.55fg/mmで試算すると、円板の中央のたわみは300μm、最大応力は26MPaに達する。この物性値は強度の高いセラミック材に相当し、この面分布荷重密度は荷重10gfの中継接続ピンを2.54mmピッチで等間隔に配置することに相当する。このたわみはプローブ基板の面平行度を著しく損ない、プローブ群の先端面の平行度が保持できなくなるので、結果として平面度が保持された半導体ウエハ上に形成されたチップデバイスの電極に高精度に接触することができなくなる。
実際には、面分布荷重によりプローブ基板が変形すると、その変形量に応じて中継接続ピンによる荷重も幾分小さくなり、ピン荷重とプローブ基板の変形による反力が均衡する点に実際の変形は収まるので、プローブ基板の実際の変形量は前述の計算値より幾分小さくなるが、プローブ基板が変形して面平行度を劣化させるという問題は残る。また、プローブ基板の変形により中央部において中継接続ピンの荷重が小さくなると、その分だけ電気的接触の不安定さが残るので、これを回避するために中継接続ピンをより変形させて、その荷重を増やさざるをえなくなる。このことはプローブ基板に荷重を増加させることになり、より面平行度が劣化したプローブカードが作られる問題がある。前述の先行技術においてもこの根本的問題をはらんでいる。
本発明は、上記事情に鑑みて、これらの問題を解決するために成したものであって、半導体ウェハ上に高密度に集積されたチップデバイスの電気的特性の検査に使用するプローブカードにおいて、プローブ群先端部の面平行度を良好に維持できるプローブカード及びそのプローブ基板の固定支持方法を提供するものである。
前記の目的を達成するために、請求項1のプローブカードの発明は、複数のテスタ接続端子を上面に配設すると共に該テスタ接続端子に個々に接続された第1の接続端子群を下面に配設した回路基板と、該第1の接続端子に個々に対応した第2の接続端子群を上面に配設すると共に該第2の接続端子に個々に接続された複数のプローブを下面に配設したプローブ基板と、該第1の接続端子に個々に取り付けられると共に該第2の接続端子に弾性的に接触して電気的に接続する複数の弾力性をもつ中継接続ピンと、該プローブ基板の周縁部を支持する支持体と、該支持体と回路基板又は回路基板及び補強板とを結合する支持ボルトと、から構成されるプローブカードにおいて、前記支持体が下面支持体と上面支持体とから構成されると共に、両支持体がプローブ基板の周縁部を上下方向から狭持して固定支持する構造を有することを特徴とする。
また、請求項のプローブカードの発明は、複数のテスタ接続端子を上面に配設すると共に該テスタ接続端子に個々に接続された第1の接続端子群を下面に配設した回路基板と、該第1の接続端子に個々に対応した第2の接続端子群を上面に配設すると共に該第2の接続端子に個々に接続された複数のプローブを下面に配設したプローブ基板と、該第2の接続端子に個々に取り付けられると共に該第1の接続端子に弾性的に接触して電気的に接続する複数の弾力性のある中継接続ピンと、該プローブ基板の周縁部を支持する支持体と、該支持体と回路基板又は回路基板及び補強板とを結合する支持ボルトと、から構成されるプローブカードにおいて、前記支持体が下面支持体と上面支持体とから構成されると共に、両支持体がプローブ基板の周縁部を上下方向から狭持して固定支持する構造を有することを特徴とする。
また、請求項のプローブカードの発明は、請求項1に記載のプローブカードにおいて、前記プローブ基板の周縁部を肉厚に形成したことを特徴とする。また、請求項のプローブカードの発明は、請求項1又は2に記載のプローブカードにおいて、前記下面支持体の支持受部と、該支持受部に載置するプローブ基板の周縁部下面を傾斜面又は階段状面に形成したことを特徴とする。
複数の中継接続ピンと接続端子とを圧接して電気的接続を確保するために、回路基板に支持体によって取り付けられたプローブ基板を上方へ動かすことにより弾性体である中継接続ピン群に適度の変形が加わり、その押圧量に比例した反力による圧接力で電気的接続が達成される。この中継接続ピンの押圧力は回路基板に比し剛性が小さいプローブ基板に面分布荷重として強く働く。この際、プローブ基板の周縁部を、従来のように下面支持体だけによる単純支持でなくて、下面支持体と上面支持体の両者により、上下方向から狭持して完全に固定する完全固定支持とする。これにより、後述する試算例のようにプローブ基板の中央部のたわみ量を従来の単純支持の場合より最大78%以下と大幅に低減できる。このプローブ基板の完全固定支持により、プローブ基板下面に配設されたプローブ群の先端部が構成する面平行度を維持できるから、半導体ウェハ上に形成された高精度の平面度をもつデバイスの検査時にプローブ先端とチップデバイスの電極との接触が確実に行え、正確な測定を可能にする。
プローブ基板を完全固定支持するための機構は、プローブ基板の周縁部の下面を下支えする下面支持体が回路基板又は回路基板及び補強板に支持ボルトによって取り付けられ、中継接続ピン群に所定の押圧力が掛かるような位置で、プローブ基板が下面支持体により回路基板等に支持ボルトを介して取り付けられる。次いで、プローブ基板の周縁部を完全固定支持するために、該周縁部の上面に載置された上面支持体を回路基板等を貫通して設けられた押えボルトを介して圧下し固定する。また、プローブ基板の周縁部の完全固定支持をより確実にするために、プローブ基板の周縁部と下面支持体の支持受部の剛性をより高める目的で、プローブ基板の周縁部をより肉厚にし、また、プローブ基板の周縁部下面と下面支持体の支持受部面とを傾斜面又は階段状面に形成して一体的に結合する構造とする。
また、プローブ基板の固定支持方法は、複数のテスタ接続端子を上面に配設すると共に該テスタ接続端子に個々に接続された第1の接続端子群を下面に配設した回路基板と、該第1の接続端子に個々に対応した第2の接続端子群を上面に配設すると共に該第2の接続端子に個々に接続された複数のプローブを下面に配設したプローブ基板と、該第1の接続端子又は第2の接続端子に個々に取り付けられると共に該第2の接続端子又は第1の接続端子に弾性的に接触して電気的に接続する複数の弾力性をもつ中継接続ピンと、該プローブ基板の周縁部を支持する支持体と、該支持体と回路基板又は回路基板及び補強板とを結合する支持ボルトと、からなるプローブカードにおいて、前記支持体によるプローブ基板の固定支持方法であって、下面支持体と上面支持体とから構成される前記支持体によりプローブ基板の周縁部を上下方向から狭持して、プローブ基板を支持体に完全に固定する。
本発明のプローブ基板の固定支持方法は、プローブ基板の周縁部を単純支持でなく、完全固定支持となるように上下から狭持して固定支持させる。周辺を上下方向に固定され、等分布荷重を負荷された円形平板の最大たわみWmaxと最大応力のσmaxは、円形平板の中央に発生し、数式2で与えられる。
Figure 0005015672
この数式において、板の厚さがh、円形平板の直径が2a、単位当たりの荷重がp、板材料の縦弾性係数がE,そのポアソン比がνでそれぞれ表わされている。最大たわみは、前述の数式1の単純支持の場合の(1+ν)/(5+ν)倍に小さくなり、ポアソン比0.25の例の場合、最大たわみは76%低減する。例えば、板厚4mm、直径300mm、縦弾性係数300GPa、ポアソン比0.25、面分布荷重1.55gf/mmで試算すると、円板の中央のたわみは70μm、最大応力は16MPaに低減する。これらの試算例によると、円板の中央のたわみは単純支持の場合には300μm、固定支持の場合は70μmであって、固定支持を行うと単純支持に比し76%低減し得る。
プローブ基板の固定支持方法は、下面支持体と上面支持体とからなる支持体によりプローブ基板の周縁部の上下面を上下方向からボルト(又はネジ)を介して強く狭みこんで、プローブ基板の周縁部を支持体に完全に固定支持することを特徴とする。このプローブ基板の周縁部の完全固定支持によりプローブ基板の中央部のたわみを低減する事で、プローブ基板下面に配設されたプローブ群の先端部が構成する面平行度を維持できるから、チップデバイスの検査時にプローブ先端とチップデバイスの電極との接触が確実に行え、半導体ウエハの電気的特性の正確な測定を可能にする。半導体ウェハ上に形成された集積回路の電気的機能試験を行う場合は、当該集積回路の電極に接触するプローブに数十ミクロンないし百数十ミクロンの縦方向の変位を与えて、その反力で一時的な電気的接続をとることが一般的であるため、これらの数値の差は大きい。
本発明による請求項1からまでの構成のプローブカードによれば、プローブ基板の周縁部を、従来のように下面支持体だけによる単純支持でなくて、下面支持体と上面支持体の両支持体により上下方向から狭持して完全に固定支持する事により、プローブ基板の中央部のたわみ量を大幅に低減できる。これにより、プローブ基板下面に配設されたプローブ群の先端部が構成する面平行度を維持できるから、チップデバイスの検査時にプローブ先端とチップデバイスの電極との接触が確実に行え、半導体ウェハの検査を的確に行うことができる。また、プローブ基板の周縁部を固定支持する機構は簡易に製造できるし、又は従来のものを簡易に改造することも可能で、効果が大きく、経済的であって実用性に富むものである。
本発明のプローブ基板の固定支持方法によれば、下面支持体と上面支持体とからなる支持体によりプローブ基板の周縁部を上下方向から狭持して、プローブ基板の周縁部を支持体に完全に固定支持する簡易な方法により、プローブ基板の中央部のたわみを少なくできるので、プローブ基板下面に配設されたプローブ群の先端部が構成する面平行度を保持できる。これにより、チップデバイスの検査時にプローブ先端とチップデバイスの電極との接触が確実に行え、半導体ウェハの検査を的確に行うことができる。
以下、本発明の実施形態を図面に基いて説明する。図1は、本発明に係わるプローブカードの実施形態であって、aはプローブカードの模式的断面図、bはA部の詳細図である。図2は、本発明に係わるプローブカードの別の実施形態であって、aはプローブカードの模式的断面図、bはA部の詳細図である。図3は、本発明に係わるプローブカードの別の実施形態であって、aはプローブカードの模式的断面図、bはA部の詳細図である。
図1、図2、図3を用いて、本発明の実施の形態であるプローブカード1について説明すると、プローブカード1は、複数のテスタ接続端子4aを上面に配設すると共にテスタ接続端子4aに個々に接続された接続端子5a群を下面に配設した回路基板4と、接続端子5aに個々に対応した接続端子3a群を上面に配設すると共に接続端子3aに個々に接続された接続端子3bに固着される複数のプローブ2を下面に配設したプローブ基板3と、回路基板4の接続端子5aに根元を固着して片持ち梁状に配設された弾性を有する中継接続ピン5群と、回路基板4の背面に密着して機械的強度を補強する補強板6と、回路基板4及び補強板6に対してプローブ基板3の周縁部3c下面を上向きに支持する支持受部7aを有する下面支持体7と、回路基板4等を貫通して設けられる複数の支持ボルト8と、プローブ基板3の周縁部3c上面を押圧して固定する上面支持体10と、回路基板4等を貫通して設けられる複数の押えボルト9と、から構成される。
このプローブ基板3及び回路基板4の形状は所定の厚みを有する円形又は方形の平板である。また、前記基板3及び4は、合成樹脂製のプリント板であって、プローブ基板3では、上面にある各接続端子3aと下面の対応するプローブ接続端子3bとをプリント配線で内部接続し、一方の回路基板4でも各テスタ接続端子4aと下面の対応する接続端子5aとをプリント配線で内部接続している。円形又は方形のプローブ基板3の下面全体に、被測定物である半導体チップデバイスの電極パッドに対応するプローブ2が秩序立った間隔で配設される。これらのプローブ2は、プローブ基板3のプローブ接続端子3bに固着されて、片持ち梁状にプローブ2本体を保持して、その先にチップデバイスの電極パッド(図示しない)と接触可能な針先を有する。このプローブ2の直径又は断面の大きさは、チップデバイスの規模にもよるが、20〜200μmの範囲であり、プローブ数も数百から数万本になる規模である。プローブ2の材料としては、通常、ニッケル合金、パラヂウム合金、ベリリウム銅合金、タングステン合金等から選択された一種類の合金が用いられる。
また、補強板6は、回路基板4の平面度を維持するために回路基板4の背面を補強するために用いられる。この場合、強度が高い金属製を用い、耐熱性、耐候性、耐汚染性及び被加工性の点からステンレス鋼又はアルミニウムを用いることが望ましい。また、プローブ基板3と回路基板4の上下の間隔を調節して電気的接続を保持する中継接続ピン5の押圧力を最適に調整するために、プローブ基板3周縁部3cの下面を上向きに支持する支持受部7aを有する金属製の下面支持体7が設けられ、該下面支持体7は補強板6及び回路基板4を貫通した支持ボルト8により位置調節することができる。また、プローブ基板3周縁部3cを上下方向から挟持するために周縁部3cの上面には、押圧可能な金属製の上面支持体10が設けられ、該上面支持体10は補強板6及び回路基板4を貫通した押えボルト9により押さえを調節することができる。この上面支持体10は、周縁部3cの全周に環状に設けるのでなく、部分的に間隔を置いて設けてもよい。
回路基板4に固着された中継接続ピン5は弾性体であり、押圧力に比例して生ずる反力により回路基板4の中継接続ピン5の先端部と、対応するプローブ基板3の接続端子3aを圧接して電気的接続が確保される。弾性材料である中継接続ピン5の形状は、圧縮に伴う押圧力により反力が生ずると共に、中継接続ピン5の固着された根元である接続端子5aと対応する接続端子3aとの水平方向の位置関係がずれなくする形状が求められるから、中継接続ピン5は片持ち梁状のカンチレバー型かコイルバネ型等がよく、製作容易の点でカンチレバー型がよい。また、中継接続ピン5の材料は、弾性があり、電気伝導性が良好な材料が望ましく、燐系銅合金、ベリリウム系銅合金、ニッケル合金等が用いられる。
複数の中継接続ピン5と接続端子3aとを圧接して電気的接続を確保するために、回路基板4に下面支持体7によって取り付けられたプローブ基板3を上方へ動かすことにより弾性体である中継接続ピン5群に適度の変形が加わり、その押圧量に比例した反力による圧接力で電気的接続が達成される。この中継接続ピン5の押圧力は回路基板4に比し剛性が小さいプローブ基板3に面分布荷重として強く働く。この際、プローブ基板3の周縁部3cを、従来のように下面支持体だけによる単純支持でなくて、下面支持体7と上面支持体10の両支持体により、上下方向から挟持して完全に固定する完全固定支持とする。このプローブ基板3の完全固定支持により、プローブ基板3の中央部のたわみ量を従来の単純支持の場合より最大76%以下(試算例による)と大幅に低減できるから、プローブ基板3下面に配設されたプローブ2群の先端部が構成する面平行度を維持できるので、チップデバイスの検査時にプローブ2先端とチップデバイスの電極パッドとの接触が確実に行え、半導体ウエハの電気的特性の正確な測定を可能にする。
プローブ基板3を完全固定支持するための機構は、プローブ基板3の周縁部3cの下面を上向きに支える下面支持体7が回路基板4又は回路基板4及び補強板6に支持ボルト8によって取り付けられ、中継接続ピン5群に所定の押圧力が掛かるような位置で、プローブ基板3が下面支持体7により回路基板4等に支持ボルト8を介して取り付けられる。次いで、プローブ基板3の周縁部3cを完全固定支持するために、該周縁部3cの上面に載置された上面支持体10のより回路基板4等を貫通して設けられた押えボルト9を介して押え付けて固定する。また、プローブ基板3の周縁部3cの完全固定支持をより確実にするために、プローブ基板3の周縁部3cと下面支持体7の支持受部7aの剛性をより高める目的で、プローブ基板3の周縁部3cの肉厚を大きくする(図2(a)、(b))。また、同じ目的で、プローブ基板3の周縁部3c下面と下面支持体7の支持受部7aとを、相互に一体的に結合できるように、傾斜面又は階段状面(図示しない)に形成した構造とすることもできる。(図3(a)、(b))
また、本発明に係わるプローブカードの別の実施形態であるプローブカード1について、図1(a)、(b)、(c)と相違する点について説明すると、プローブカード1は、テスタ接続端子4aに個々に接続された接続端子5a群を下面に配設した回路基板4と、接続端子3aに個々に接続された複数のプローブ2を下面に配設したプローブ基板3と、プローブ基板3の接続端子3aに根元を固着して片持ち梁状に配設された弾性を有する中継接続ピン5群と、回路基板4の背面に密着して機械的強度を補強する補強板6と、回路基板4及び補強板6とプローブ基板3を所定位置に保持する支持体8と支持ボルト9とから構成される。プローブ基板3に固着された中継接続ピン5は弾性体であり、押圧力に比例して生ずる反力によりプローブ基板3の中継接続ピン5の先端部が対応する回路基板4の接続端子5aを圧接して電気的接続が確保される。この際、押圧力による中継接続ピン5の片方の反力が中継接続ピン5を固着したプローブ基板3の接続端子3aにも負荷される。したがって、前述のように、プローブ基板3の周縁部3cを、従来のように下面支持体だけによる単純支持でなくて、下面支持体7と上面支持体10の両支持体により、上下方向から挟持して完全に固定する完全固定支持とすることで、プローブ基板3の中央部のたわみが防止でき、プローブ基板3の面平行度を維持することができる。
本発明に係わるプローブカード1の作用の特徴は、中継接続ピン5が押圧されて接続端子3a又は5aと電気的接続が確立されるが、その押圧力の反力がプローブ基板3の面分布荷重として働き、円形又は方形のプローブ基板3の中央部を撓ませようとする。
その荷重に対して、プローブ基板3の周縁部3cを、従来のように下面支持体だけによる単純支持でなくて、下面支持体7と上面支持体10の両支持体により、上下方向から挟持して完全に固定する完全固定支持とすることで、プローブ基板3の中央部のたわみが防止でき、プローブ基板3の面平行度を維持することができる。これにより、プローブ基板3下面に配設されたプローブ2群の先端部が構成する面平行度を維持できるから、チップデバイスの検査時にプローブ先端とチップデバイスの電極パッドとの接触が確実に行え、半導体ウエハの電気的特性の正確な測定を可能にする。また、チップデバイスの電極パッドへのコンタクト時の機械的衝撃等が伴う試験環境下でも、プローブカード1の検査時における電気的接続の信頼性を維持できるので、良品の被検査物を不良品と判定してしまうような経済的損失を回避することができる。
半導体ウェハにおいて、高集積化ICチップの電気的特性の検査に使用するプローブカードに利用することができる。
本発明に係わるプローブカードの実施形態であって、aはプローブカードの模式的断面図、bはA部の詳細図である。 本発明に係わるプローブカードの別の実施形態であって、aはプローブカードの模式的断面図、bはA部の詳細図である。 本発明に係わるプローブカードの別の実施形態であって、aはプローブカードの模式的断面図、bはA部の詳細図である。 従来のプローブカードであって、aはプローブカードの模式的断面図、bはaにおいて、中継接続ピン群により押圧力が負荷された場合のプローブカードの模式的断面図である。
符号の説明
1:プローブカード 2:プローブ 3:プローブ基板
3a:接続端子 3b:プローブ接続端子 3c:周縁部
4:回路基板 4a:テスタ接続端子 5:中継接続ピン
5a:接続端子 6:補強板 7:下面支持体 7a:支持受部
8:支持ボルト 9:押えボルト 10:上面支持体
α:プローブ群の先端部ライン β:プローブ基板のたわみ γ:面分布荷重

Claims (3)

  1. 複数のテスタ接続端子を上面に配設すると共に該テスタ接続端子に個々に接続された第1の接続端子群を下面に配設した回路基板と、該第1の接続端子に個々に対応した第2の接続端子群を上面に配設すると共に該第2の接続端子に個々に接続された複数のプローブを下面に配設したプローブ基板と、該第1の接続端子又は第2の接続端子に個々に取り付けられると共に該第2の接続端子又は第1の接続端子に弾性的に接触して電気的に接続する複数の弾力性のある中継接続ピンと、該プローブ基板の周縁部を支持する支持体と、該支持体と回路基板又は回路基板及び補強板とを結合する支持ボルトと、から構成されるプローブカードにおいて、前記支持体が下面支持体と上面支持体とから構成され、かつ該下面支持体が該支持ボルトにより回路基板又は回路基板及び補強板に結合されるとともに、該上面支持体が回路基板又は回路基板及び補強板に螺合した押えボルトにより押圧されることで、両支持体がプローブ基板の周縁部を上下方向から押圧狭持して固定支持する構造を有することを特徴とするプローブカード。
  2. 前記プローブ基板の周縁部を肉厚に形成したことを特徴とする請求項1に記載のプローブカード。
  3. 前記下面支持体の支持受部と、該支持受部に載置するプローブ基板の周縁部下面傾斜面又は階段状面に形成したことを特徴とする請求項1又は2に記載のプローブカード。
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