JP5118035B2 - 垂直型プローブカード及び空冷式プローブヘッドシステム - Google Patents

Description

本発明は、半導体集積回路（ＩＣ）及びデバイスの試験に関し、特に、こうした回路及びデバイスの加熱環境における長期試験に関する。

半導体ウェーハにおける集積回路及びデバイスの電気パラメータの電気的精査及び測定において、多数のピンを有するプローブカードは、ウェーハ内の一つ以上のデバイスにおいて多数の回路接点へ同時にアクセスするのを容易にする。通常は、一枚以上のプローブカードを、ウェーハと平行に、ウェーハから間隔を空けて水平に配置し、単一のウェーハ上で「大量並列」測定が実行できるようにする。或いは、多数のピンプローブと多数の接触パターンとを有する単一のカードを作成可能だが、多数の接触部位の材料、製造、及び平面性に関する要求のため、法外に高価なものとなる。

エレクトロマイグレーション、時間依存絶縁破壊、及び負温度バイアス不安定性等の半導体デバイスの長期試験は、デバイスの長期的な安定性及び寿命を決定するために実施される。こうした試験に必要な時間を短縮するために、試験は、１２５℃乃至４００℃の高温で実行される場合が多い。

プローブカード及びプローブヘッドシステムの加熱により、大きな問題が発生する。水平型プローブカードは、半導体ウェーハを保持する高温のチャックに最も近い構成要素であり、温度依存性漏洩電流のため性能が急激に劣化する場合がある。水平型プローブカードは露出面積が広いため、プローブ性能の劣化が大きくなる。プローブカードの材料選択により、温度依存性の問題は低減できるが、例えば、プリント基板の製造において使用される従来の材料と比較すると、コストと、特殊材料の処理の問題とにより、セラミック及び液晶高分子等の材料を使用することは実用性が限定される。

別の問題は、プローブカードの多数のピンを試験装置に接続するのに必要なケーブルシステムの加熱に関する。ケーブルシステムを操作可能なサイズに保つために、通常は、カスタムフレキシブル（フレックス）ケーブルを採用する。しかしながら、高温のウェーハチャックからの熱気の対流により、フレックスケーブルを通る電流において、許容できない漏電が生じる場合がある。こうした低コストフレキシブルプリント回路で使用される材料、特に、これにおいて使用される接着剤は、ガラス遷移温度（Ｔｇ）が低く（例えば４０℃乃至８０℃）、Ｔｇより高い温度では、トレース間の漏電により、ケーブルは使用不可となる。液晶高分子及び高ガラス遷移熱硬化接着剤等の他の材料は優れた高温性能を有するが、多数のプローブヘッド及び高密度の単一トレースを有するシステムにおいて、遥かに高価となる。

更に、プローブカードは、通常、手動制御ノブによりＸＹＺ線に沿って移動可能なプローブヘッドの一部である。しかしながら、プローブヘッドに付随する制御ノブは、触れるには高温になりすぎる場合がある。

そのため、高温での長期的な並列性の高いウェーハ試験にとって、それぞれが多数のピンプローブを有する多数のプローブヘッドを備えたシステムが望ましい。本発明は、従来の試験プローブヘッド及びシステムに関連する問題を克服する、こうしたシステムを提供することを対象とする。

本発明によれば、プローブカードは、試験するウェーハの表面に対して、概ね垂直又は直角に設置する。こうした配置により、試験するデバイスを保持する高温のチャックの加熱環境に対するプローブカードの露出は限定され、カードへの主要な熱の伝達は、加熱した表面に最も近いプローブカード縁部への空気の対流と、試験ウェーハの表面に触れるプローブチップを介した熱伝導の流れとによるもののみとなる。しかしながら、何れの熱伝達経路も、従来のポリイミド又は他の同様のプリント回路基板材料の使用と、プローブカード組立用の従来的手法の使用とを妨げることはない。

プローブカードは、試験するウェーハ上方のレール支持部に垂直に取り付けられたプローブヘッドの一部である。プローブカードを試験装置に相互接続するフレックスケーブルは、レール支持部上で支持される。レール支持部は、試験ウェーハを保持する高温のチャックから上方のプローブヘッド及びレール支持部へ向かう熱気の対流を妨害するために、各プローブヘッドの内部及び周囲に冷気を送給する強制空冷システムを含む。冷気は、穴、スリット、又はスロット等のレール支持部の開口部を介して冷却システムから放出可能であり、そのサイズ、形状、及び配置は、どの程度の冷却能力が必要であるかと、試験ウェーハの温度との関数となる。

本発明と、その目的及び特徴とは、図面と併せて、以下の詳細な説明及び添付特許請求の範囲により更に容易に明らかとなろう。

図１は、本発明の一実施形態によるプローブカード１０の斜視図であり、冷気の流動を容易にする複数のスロット１４を備えたプリント回路基板１２を含む。基板１２の一方の端部は、セラミック支持部１８内に複数の金属プローブチップ１６を含むチップ組立体であり、プリント回路基板１２の反対側の端部は、試験システムにおいてプローブカードを物理的に支持するために使用される電気コネクタ及び留め具２０であり、チップ１６をフレキシブル（フレックス）ケーブルに接続する。

図２は、プリント回路基板１２と共に、基板１２の反対側端部の電気接点２４にプローブチップ１６を電気的に相互接続する金属トレース２２を更に示す平面図である。金属トレース又は個別配線２２の導電パターンは、個々のプローブチップを接点２４の一つに相互接続する。図示したように、プローブチップ１６を支持するセラミック支持部１８は、ネジ式留め具２６を用いて基板１２に取り付けられる。

図３は、試験中のウェーハに対して概ね垂直又は直角の位置でプローブカード１０を保持するために支持装置の受容部に係合させる電気コネクタ及び留め具２０を示すプローブカードの側面図である。チップ１６の端部のみを試験中のデバイスに係合させ、これにより、プローブチップを介した熱伝導の流れを限定する。プローブカード１０の垂直配置により、加熱したデバイスチャックが放出する熱に対するカードの露出を限定する。更に、加熱したチャックからプローブカード及び支持装置への空気対流を、下記のように支持組立体が提供する冷気流により妨害する。

図４は、試験中のデバイス及び加熱した支持チャックの上方で、３２により概ね示したプローブカード１０及びプローブヘッドを支持する支持レール３０の斜視図である。従来のように、プローブヘッド３２は、制御ノブ３４、３６、３８を用いて、三本の移動軸線に沿って手動調整可能である。フレックスケーブル４０は、レール３０の最上部において支持され、プローブカード１０と外部の試験装置とを相互接続する。上記のように、フレックスケーブル４０は、過熱した場合に性能が劣化し得る。

図５は、プローブヘッド３２、プローブカード１０、及びフレックスケーブル４０を冷却するのに使用される気流用の内部チャネル４２、４４を含むレール３０の断面図である。内部チャネルからの空気は、レール３０の開口部を介して放出され、プローブヘッド３２及びプローブカード１０を通過する方向の空気となり、試験中のデバイスを保持する加熱チャックからの対流熱気流を妨害する。したがって、フレックスケーブル４０及び試験プローブ１０のプリント回路基板の加熱を回避できる。本実施形態では、チャネル３０が、５０により概ね示すプローブヘッド３２の合わせ蟻形フランジと係合する蟻形フランジを有する部材４８を含むことに留意されよう。

図６は、三個のプローブヘッド３２を支持するレール３０の別の斜視図である。この実施形態では、プローブヘッド上に一枚のプローブカード１０のみを図示し、冷気流がフレーム３０内の開口部５４からプローブヘッド３２を通過すると共にプローブカード１０の開口部１４を通過するのを促進する開口部又はスロットを更に示している。本実施形態では、各プローブヘッド３２が、レール３０の蟻形フランジ５０においてプローブヘッドをロックするのに使用可能な、５６に概ね示すレバー機構を有することに留意されよう。しかしながら、ロック機構は、本発明の一部ではなく、本明細書では更なる説明を省略する。

図７は、プローブヘッドの構成要素の分解斜視図であり、プローブヘッド及びプローブカードを通過する気流を図示している。この実施形態において、プローブヘッドは、支持フレーム６０、６２、６４を含み、第一の支持フレーム６０は、留め具２０を用いてプローブカード１０を受け入れ、第二の支持フレーム６２は、フレーム６０を支持し、制御ノブ３４による第一の移動軸線に沿った支持フレーム６０の移動を可能にし、第三の支持フレーム６４は、フレーム６２を支持し、制御ノブ３６及び３８による第二及び第三の移動軸線に沿ったフレーム６２の移動を可能にする。この図では、本発明の一部を構成する気流の図示を容易にするため、支持フレームに取り付ける他のバネ付勢留め具を図示していない。留意されるように、レール３０（図６）内の開口部５４により放出された空気は、支持フレーム６２のスロット６６を直接通過すると共に、支持フレーム６４の下部スロット６８を通過し、支持フレーム６０の開口部を介してプローブカード１０のスロット１４へと流れる。カバー７０は、支持フレーム６０の上面に固定され、プローブカード１０の留め具２０を受け入れるための受容部を有する水平移動ＰＣ基板７２（図９）を保護する。

図８は、支持フレーム６４の一部の拡大斜視図であり、気流が支持レールからスロットを通過し、上方へ向かってプローブヘッド組立体を通過するのを促進するスロット６８の配置を更に図示する。穴又は他の開口部をレール３０の底部に設けて、この空気の流れを促進できる。こうしたレール下部区画のサイドローブからの追加穴は、図５に図示したように、試験ウェーハの表面に対して角度（θ＞０°）を成してよい。角度は、表面の温度と、穴から出る冷気の流量と、ウェーハ表面の温度均一性に関して設定された制約とにより決定し得る。穴から出る冷気は表面の温度の乱れを発生させ得るため、気流と流動の角度とに応じて、こうしたパラメータは、試験に必要な最大ウェーハ温度に合わせてシステムを調節するものとなる。この気流出口の目的は、ウェーハ表面からの熱気の垂直対流を、プローブヘッドの手動制御から遠ざけるのを助けることでもある。ここでも、これらの穴は、短手又は長手方向のスロット、或いはスロット及び穴の組み合わせに置き換え可能であり、或いは、必要ない場合には全く存在しなくても良い。穴が存在する場合、側部出口からの冷気は、プローブヘッドが位置するレール領域を除く全ての場所で、レール底部のサイドローブ上の出口からの空気により押し上げられる。ウェーハの局部温度を大幅に変化させる可能性のある、ウェーハ表面へ戻る空気の循環又は反射を割けるために、ヘッド組立体には、水平方向の空気を逃がすことが可能な垂直スリットが表面に垂直な方向で組み込まれる。ここでも、気流を実現するものは、スリットに限定する必要はなく、穴、穴又はスリットの列、或いは両方の組み合わせを構成できる。加えて、チャネル又はリブ付き区画をヘッドに組み込み、レール底部のローブから出る空気を上方のレール外部へ運ぶこともできる。

図９は、図７のプローブヘッドの構成要素の更に詳細な分解斜視図であり、その組立を示す。図７及び９と同様の要素は、同様の参照符号を有する。ここでは、水平移動プリント回路基板７２は、電気コネクタ及び留め具２０と係合し、プリント回路基板１２とフレックスケーブル４０（図４）との間の接続を提供する。複数のクロスローラベアリング７４は、Ｙトラベラフレーム６０の移動のためにＺＹトラベラフレーム６２に固定される。同様に、クロスローラベアリング７６及び７８は、Ｘクランピングバーフレーム６４上でのＸＺトラベラフレーム８０の移動を提供する。カムレバー５６及びカム従動ブリッジ８２は、フレーム６４に固定され、レール支持部３０（図６）上でのロック機能を提供する。

試験中のデバイス用の加熱チャックの上方で、これに概ね垂直に配置され、冷気流を用いて対流熱気流を妨害するために結合されたプローブカード及びプローブヘッドの配置は、カードが高温に露出される面積を限定し、加熱チャックからの対流熱気流によるプローブカード及びフレックスケーブルの加熱を軽減する。

以上、特定の実施形態を参照して本発明を説明してきたが、説明は本発明を例証するものであり、本発明を限定するものとは解釈されるべきではない。添付特許請求の範囲により定義される本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、当業者は様々な適用例を想到し得よう。

本発明の実施形態によるプローブカードの斜視図である。 図１のプローブカードの平面図である。 図１のプローブカードの側面図である。 本発明の実施形態によるレール及びプローブヘッド組立体の斜視図である。 図４のレール及びプローブヘッド組立体の断面の側面図である。 複数のプローブヘッドが設置されたレールと共に冷却システムを更に示す斜視図である。 本発明の一実施形態によるプローブヘッドの構成要素の分解斜視図であり、更に気流を示す図である。 図７のプローブヘッド内の支持フレームの拡大斜視図である。 図７のプローブヘッドの構成要素の組立を示す、更に詳細な分解斜視図である。

Claims (21)

1. 試験中のデバイスに対して概ね垂直になるように、支持部に取り付けられるプローブカードであって、
   ａ）プリント回路基板と、
   ｂ）試験中のデバイスと係合する前記基板の一方の端部の複数のプローブチップを含むチップ組立体と、
   ｃ）前記基板の反対側端部の複数の電気接点と、
   ｄ）前記基板の前記一方の端部のチップを、前記基板の前記反対側端部の電気接点に電気的に接続する前記基板上の導電体と、
   ｅ）試験中のデバイスの上方の支持部に係合する留め具と、を備え、
   前記支持部は、前記試験中のデバイスに対して概ね垂直に配置され、
   前記支持部は、支持レールと支持可能に係合する手段と、前記支持レールから冷気の流動を促進する開口部と、を備えることにより、試験中の加熱した前記デバイスから前記プリント回路基板への熱の伝達を、試験中、減少させる、
   プローブカード。
2. 前記試験中のデバイスは、半導体ウェーハである、請求項１記載のプローブカード。
3. 前記チップ組立体は、前記複数のチップ用のセラミック支持部を含む、請求項１記載のプローブカード。
4. 更に、
   ｆ）空気の流動を促進する前記基板を貫く複数の開口部
   を含む、請求項３記載のプローブカード。
5. 前記留め具は、支持部内の受容部と結合する突出したコネクタを含む、請求項４記載のプローブカード。
6. 前記留め具は、支持部内の受容部と結合する突出したコネクタを含む、請求項１記載のプローブカード。
7. 試験中のデバイスの上方に取り付けるためのプローブヘッドであって、
   ａ）プリント回路基板と、
   ｂ）試験中のデバイスと係合する前記基板の一方の端部の複数のプローブチップを含むチップ組立体と、
   ｃ）前記基板の反対側端部の複数の電気接点と、
   ｄ）前記基板の前記一方の端部のチップを、前記基板の前記反対側端部の電気接点に電気的に接続する前記基板上の導電パターンと、
   ｅ）試験中のデバイスの上方の取り付け組立体を、前記試験中のデバイスに対して概ね垂直に配置されるよう前記プリント回路基板に係合させる、前記プリント回路基板上の第一の留め具と、
   ｆ）前記プリント回路基板を支持し、前記第一の留め具と係合する第二の留め具を含む取り付け組立体と、を備え、
   前記取り付け組立体は、レール支持構造と支持可能に係合する手段を含み、
   前記取り付け組立体と前記プリント回路基板とは、前記レール支持構造からの冷気の流動を促進する開口部を含む、
   プローブヘッド。
8. 前記取り付け組立体は、前記取り付け組立体上での前記プリント回路基板の位置決めを手動で調節する手段を含む、請求項７記載のプローブヘッド。
9. 前記取り付け組立体は、前記プリント回路基板を受け入れる第一の支持フレームと、前記第一の支持フレーム用であり、一本の軸線に沿った前記第一の支持フレームの移動を可能にする第二の支持フレームと、前記第二の支持フレーム用であり、第二及び第三の移動軸線に沿った前記第二の支持フレームの移動を可能にする第三の支持フレームと、前記三本の軸線に沿った移動を促進する手動操作ノブとを含む、請求項８記載のプローブヘッド。
10. 支持フレームは、空気の流動用の開口部を含む、請求項９記載のプローブヘッド。
11. 加熱環境において、電気試験中のデバイスの概ね上方で且つ垂直に、プローブカードを取り付けるための強制空冷プローブヘッド組立体であって、
    ａ）プリント回路基板と、前記プリント回路基板の一方の端部のチップ組立体と、前記プリント回路基板の反対側端部の複数の接点と、前記チップ組立体及び前記複数の接点を相互接続する導電パターンとを含むプローブヘッドと、
    ｂ）前記プローブヘッドを支持すると共に、空気の流動用の少なくとも一本のチャネルと、前記空気を前記プローブヘッドに方向付け、これにより熱気の対流を妨害及び冷却するレール組立体と、
    を備える強制空冷プローブヘッド組立体。
12. 更に、前記レール組立体により支持され、前記複数の接点に結合されたフレキシブルケーブルを備える、請求項１１記載の強制空冷プローブヘッド組立体。
13. 前記プローブヘッドは、更に、前記プリント回路基板の位置を調節し、空気の流動により冷却される手動操作ノブを含む、請求項１２記載の強制空冷プローブヘッド組立体。
14. 前記プローブヘッドは、更に、前記プリント回路基板を受け入れる第一の支持フレームと、前記第一の支持フレーム用であり、一本の軸線に沿った前記第一の支持フレームの移動を可能にする第二の支持フレームと、前記第二の支持フレーム用であり、第二及び第三の移動軸線に沿った前記第二の支持フレームの移動を可能にする第三の支持フレームと、前記三本の軸線に沿った移動を促進する手動操作ノブとを含む、請求項１３記載の強制空冷プローブヘッド組立体。
15. 前記支持フレームは、空気の流動用の開口部を含む、請求項１４記載の強制空冷プローブヘッド組立体。
16. 前記レール組立体の開口部は、空気を前記支持フレームとその開口部とへ方向付け、空気の流動を促進する、請求項１５記載の強制空冷プローブヘッド組立体。
17. 前記レール組立体の開口部は、前記デバイスを保持する加熱されたチャックの表面に対して角度を成す前記レール組立体下部の開口部を含み、前記チャックからの熱気の垂直対流を妨害するのを助ける、請求項１５記載の強制空冷プローブヘッド組立体。
18. 前記レール組立体の前記開口部は、穴を含む、請求項１７記載の強制空冷プローブヘッド組立体。
19. 前記レール組立体の前記開口部は、スロットを含む、請求項１７記載の強制空冷プローブヘッド組立体。
20. 前記支持フレームの前記開口部は、スロットを含む、請求項１５記載の強制空冷プローブヘッド組立体。
21. 前記プリント回路基板は、空気の流動用の開口部を含む、請求項１５記載の強制空冷プローブヘッド組立体。

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