JP5370323B2 - プローブユニット - Google Patents

Description

本発明は、半導体素子の電気特性検査に用いるプローブユニットに関する。

ウェハ状態あるいはチップ状態の半導体素子の電気的特性検査では、半導体素子の電極と外部試験装置との電気的な接触にコンタクトピンが用いられる。コンタクトピンは、半導体素子の電気的特性検査に繰り返し使用される過程で発熱や酸化被膜の形成により劣化または損傷する。劣化または損傷したコンタクトピンは、電気的特性検査の精度低下、半導体素子やコンタクトピンの破壊などの問題を生じる。

そのため、コンタクトピンは、交換が必要とされる場合がある。コンタクトピンの交換は、プローブユニットを通電装置から取り外してから、コンタクトピンにハンダ付けされている配線を取り外す必要があり、長時間の作業を要していた。

これに対して、配線をスリーブにハンダ付けすることでコンタクトピンの交換を容易にするものもあるが、スリーブとコンタクトピンの接触箇所で溶着する不具合を惹起する場合があった。

そこで、コンタクトピンをプローブ部分とプランジャ部分に分離し、プローブ部分のみを交換可能にしたプローブユニットの提案がある（たとえば、特許文献１参照）。
また、接触抵抗より大きな抵抗をプローブに直列に挿入し、各プローブに流れる電流を均等化して、プローブの破損を防止する技術の提案がある（たとえば、特許文献２参照）。

特開平１１−２５８２９５号公報 特開昭６０−１４２５２６号公報

プローブユニットが備えるプローブは、数十個以上という場合があり、必ずしもそのすべてについて交換を必要とする劣化が生じるものでもない。そうした場合に、プローブユニットをいちいち交換していたのでは、交換に係るコストが大きい。また、プローブユニット中の劣化したプローブを一つ一つ取り出して交換する場合、プローブの交換作業の効率は、悪いものであった。

本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、プローブ交換を容易におこなうことができるプローブユニットの提供を目的とする。

上記課題を解決するために、プローブユニットは、プローブを保持するプローブホルダと、プローブと電気的に接触するプランジャを保持するプランジャホルダと、を含む。プローブホルダは、プローブを収容する収納凹室と、収納凹室の検査対象対向面に配設されてプローブを摺動可能に保持するプローブ保持孔と、プランジャホルダと係合する係止部と、を備える。プローブは、脱落防止部と、電極当接部と、プランジャ当接部とを備える。脱落防止部は、プローブがプローブ保持孔から脱落することを防止する。電極当接部は、プローブの一側端部に設けられ、検査対象電極と当接する。プランジャ当接部は、プローブの他側端部に設けられ、プランジャと当接する。係止部は、収納凹室の開放域を拡開する方向に変位する。

プランジャホルダは、スリーブと付勢部とを備える。スリーブは、プランジャを摺動可能に保持する。付勢部は、プランジャをプローブ方向に付勢する。プランジャは、プローブ当接部を備える。プローブ当接部は、プランジャの一側端部に設けられ、プローブと当接する。

上記のプローブユニットによれば、プローブ交換を容易におこなうことができる。

プローブが半導体チップに接触していないときのプローブユニットの要部断面図である。 プローブが半導体チップに接触しているときのプローブユニットの要部断面図である。 プローブホルダとプランジャホルダを分離したときのプローブユニットの要部断面図である。 プローブホルダのプローブ交換の様子を示す要部断面図である。 プローブおよびプローブ保持孔の関係を示す図である。 プランジャホルダの要部断面図である。 プローブユニットの変形例を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して詳細に説明する。まず、実施形態のプローブユニットの全体構成について図１、図２を用いて説明する。図１は、プローブが半導体チップに接触していないときのプローブユニットの要部断面図である。図２は、プローブが半導体チップに接触しているときのプローブユニットの要部断面図である。

プローブユニット１は、外部試験装置に接続されて、ウェハ状態あるいはチップ状態の半導体素子（ベアチップ）の電気的特性検査（電気的特性の測定を含む）に用いられる。
プローブユニット１は、半導体チップ５０の電気的特性検査をおこなう場合に、プローブ２０を半導体チップ５０の電極部５１に接触させる。図１に図示するプローブユニット１は、プローブ２０が電極部５１に接触していない状態である。

プローブユニット１は、特にパワー半導体素子の電気特性検査に向く。この場合、半導体チップ５０は、たとえば、縦型パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、縦型ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＦＷＤ（Free Wheeling Diode）等が該当する。

プローブユニット１は、プランジャ１０と、プローブ２０と、プランジャホルダ３０と、プローブホルダ４０を含む。プランジャ１０とプローブ２０は、対をなし、プローブユニット１は、プランジャ１０とプローブ２０を複数対備える。プランジャホルダ３０とプローブホルダ４０は、対をなし、プローブユニット１は、プランジャホルダ３０と、プローブホルダ４０を１対備える。プランジャホルダ３０は、複数のプランジャ１０を備える。プローブホルダ４０は、複数のプローブ２０を備える。

複数のプローブ２０を備える場合、プローブユニット１は、２本以上のプローブ２０が共通の電極部（検査対象電極）５１と当接するようにしてもよい。このようにすれば、プローブユニット１は、各プローブ２０に流れる電流量を抑えることができる。

プランジャ１０は、プランジャ接合部１４、抵抗器１３、電線接合部１２を介して電線（配線）１１と接続する。電線接合部１２は、電線１１と抵抗器１３をハンダ付けにより接合するようにしてもよいし、交換を容易にするため複数の電線接合部１２をまとめたコネクタ接続としてもよい。

電線１１は、電源線、信号線、接地線などであり、プローブユニット１は、接続する電線１１によっては、抵抗器１３を備えない場合がある。なお、抵抗器１３は、検査対象に応じて抵抗値を変更するために、抵抗器を差し替え可能に接続する抵抗器ホルダに収められるようにしてもよい。また、抵抗器１３は、検査対象に応じて抵抗値を変更するために、可変抵抗器などであってもよい。

プランジャ１０は、抵抗器１３とプランジャ接合部１４を介して接続する。プランジャ接合部１４は、抵抗器１３とプランジャ１０をハンダ付けにより接合するようにしてもよいし、交換を容易にするため複数のプランジャ接合部１４をまとめたコネクタ接続としてもよい。

また、プランジャ１０は、電線１１とプローブ２０とを電気的に接続する。プランジャ１０は、プランジャホルダ３０のスリーブに挿通されて、スリーブ部分を摺動するようにして保持される。プランジャ１０は、ばね１６によって、プローブ方向（検査対象方向）に付勢され、ストッパ１７によって摺動範囲が規制される。

ばね１６は、プランジャ１０をプローブ方向に付勢するものであればよく、たとえば、圧縮コイルばねとすることができるが、板ばねなどの付勢部材のほか、ゴムなどの弾性部材であってもよい。

プローブ２０は、プランジャ１０と電極部５１とを電気的に接続する。プローブ２０は、プローブホルダ４０のプローブ保持孔（プローブ挿入孔）４３に１つずつ摺動可能に保持される。プローブ２０は、プローブホルダ４０の検査対象対向面４４から検査対象となる半導体チップ５０を臨むようにしてプローブホルダ４０に保持される。

プランジャホルダ３０は、係合部３１とガイドピン３２とを有する。プローブホルダ４０は、係止爪４１を有する。プランジャホルダ３０とプローブホルダ４０は、ガイドピン３２によって位置決めがされ、係合部３１に係止爪４１が係合することで接続する。このとき、プランジャ１０がプローブ２０に当接して、プローブ２０を検査対象方向に付勢するため、プランジャホルダ３０は、プローブホルダ４０を検査対象方向に付勢する。したがって、係合部３１と係止爪４１は、脱落防止程度の緩い係合であればよく、この係合の遊びは、付勢力によって吸収されるので、プランジャホルダ３０とプローブホルダ４０は、好適に接合する。

このように、プローブユニット１は、ネジなどの固定部材を用いることなく、プランジャホルダ３０とプローブホルダ４０を接続するため、プランジャ１０、またはプローブ２０の交換作業に係る作業性を向上させる。

なお、係合部３１とガイドピン３２は、プランジャホルダ３０の大きさ、形状に合わせて所要数を備えることができる。また、ガイドピン３２（嵌合凸部）は、必ずしもピン形状である必要はなく、プランジャホルダ３０の大きさ、形状に合わせてプローブホルダ４０と嵌合する任意の形状をとることができる。

また、ガイドピン３２は、プローブホルダ４０が備えるようにしてもよいし、プランジャホルダ３０が係止爪４１を備え、プローブホルダ４０が係合部３１を備えるようにしてもよい。

プローブユニット１は、電気的特性検査をおこなうときに、プローブ２０を被検体の電極部５１に接触させて、さらに、プローブ２０を電極部５１に押し当てる。プローブ２０は、ばね１６から反発力を受け、この反発力が電極部５１に対するプローブ２０の押圧力になる。

なお、プランジャ１０とプローブ２０の材質は、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、錫（Ｓｎ）、タングステン（Ｗ）、ニッケル（Ｎｉ）等の金属、あるいはこれらの金属を含む少なくとも２つ以上の金属で構成された合金を主成分としている。

または、プランジャ１０とプローブ２０は、たとえば、ステンレス鋼、炭素系鋼、銅系合金（たとえば、ベリリウム銅）等を主成分として、表面に、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、錫（Ｓｎ）、タングステン（Ｗ）、ニッケル（Ｎｉ）、パラジウム（Ｐｄ）等の金属、あるいはこれらの金属を含む少なくとも２つ以上の金属で構成された合金がコーティングされた構成であってもよい。

これにより、プローブユニット１は、プランジャ１０とプローブ２０の接触抵抗、プローブ２０と電極部５１との接触抵抗を低減する。
なお、抵抗器１３の抵抗値は、電極部５１に印加する電圧と、外部試験装置が供給可能な電力とにより決定される上限値と、プランジャ１０とプローブ２０を溶着させない下限値とを満たすように決定される。たとえば、プローブ２０、プランジャ１０、電線１１、の各抵抗値と、プローブ２０と電極部５１、プランジャ１０とプローブ２０の接触部抵抗値の合計が１６０ｍΩ程度であるとすると、抵抗器１３の抵抗値は、１６０ｍΩより大きな１Ωなどが設定される。

また、外部試験装置は、抵抗器１３の抵抗値を大きくすると、電流値を目的の値まで上昇させるためにプローブユニット１への通電時間をより多く必要とするようになる。たとえば、電源電圧Ｖｃｃ＝４００Ｖ、試験電流Ｉｃ＝１００Ａ、回路の抵抗成分ＲＬ＝１Ω、負荷インダクタンスＬ＝５０μＨ、プローブ１４本の条件で、抵抗器１３の抵抗値＝０Ωのときと比べて通電時間の増加分が１０％以内となるのは、抵抗器１３の抵抗値＝７．７Ω以下のときである。したがって、抵抗器１３の抵抗値は、電気的特性検査において、どの程度の通電時間を許容できるかを考慮して選定される。

なお、試験中に半導体チップが破損したときに、抵抗器１３を備えていない場合、プローブユニット１は、１つのプローブ２０あたり２１Ａ（計算値）の電流が流れ、半導体チップ３０００個を試験すると２回程度の頻度でプランジャ１０とプローブ２０の接触部で溶着を起こすことを実験的に確認している。そして、抵抗値１Ωの抵抗器１３を備える場合、１つのプローブ２０あたり５．３Ａ（計算値）の電流が流れ、プランジャ１０とプローブ２０の接触部は、１００万回の実験においても溶着を確認できない。

このように、抵抗器１３を備えるプローブユニット１は、プランジャ１０とプローブ２０の接触部での溶着が防止されるため、プランジャホルダ３０に保持されるプランジャ１０、プローブホルダ４０に保持されるプローブ２０の保守、作業性を良好にする。

次に、実施形態のプローブユニット１をプランジャホルダ３０とプローブホルダ４０とに分離したときの様子を図３を用いて説明する。図３は、プローブホルダとプランジャホルダを分離したときのプローブユニットの要部断面図である。

プランジャホルダ３０に保持されたプランジャ１０は、プローブ方向に付勢され、ストッパ１７によって摺動範囲が規制された状態となる。プローブホルダ４０に保持されたプローブ２０は、プローブ収納凹室４５内に載置された状態となる。このように、プローブホルダ４０は、プランジャホルダ３０と分離することで、プランジャ１０とプローブ２０を容易に分離することができる。プローブユニット１は、プランジャ１０とプローブ２０を分離することで、プランジャ１０の交換、またはプローブ２０の交換が容易となる。

プローブホルダ４０の係止爪４１は、プローブホルダ４０とプランジャホルダ３０の接合時の干渉防止のため、プローブホルダ４０の外側に向かって倒すことができるように構成されている。プローブホルダ４０とプランジャホルダ３０を接続する場合、プローブユニット１は、ガイドピン３２を嵌合凹部４２に挿入することで、プローブホルダ４０とプランジャホルダ３０の接続のための位置決めを容易におこなうことができる。

なお、係止爪４１は、保持状態（起立した状態）と解放状態（傾倒した状態）とに変換可能な構成としたが、樹脂など可撓性素材を用いて保持状態と解放状態とを変換可能にしてもよい。

次に、実施形態のプローブホルダ４０が保持するプローブ２０を交換するときの様子を図４を用いて説明する。図４は、プローブホルダのプローブ交換の様子を示す要部断面図である。

プランジャホルダ３０と分離したプローブホルダ４０は、プローブ収納凹室４５の上方が開放する。検査対象対向面４４は、検査対象となる半導体チップ５０に対向する面である。検査対象対向面４４は、プローブ収納凹室４５の底面であり、プローブ２０を保持するプローブ保持孔４３を有する。プローブ保持孔４３は、プローブ２０を摺動可能に保持する。プローブ２０は、プローブ保持孔４３からの脱落を防止するための脱落防止部２２を備える。プローブ２０は、略円柱形上をしており、脱落防止部２２は、プローブ保持孔４３に干渉する円盤形状をしている。なお、脱落防止部２２は、プローブ保持孔４３に干渉してプローブ２０の脱落を防止するものであれば、円盤形状に限らず、容易に掴みやすいように舌片状などであってもよい。

このように、プローブ２０は、ネジやビスなどで固定されることなく、本体部をプローブ保持孔４３に挿通した状態で、プローブ収納凹室４５の底面に載置されるため、プローブユニット１は、極めて容易なプローブ交換作業を可能にする。

また、プローブ２０は、一端（脱落防止部２２の反対側となる端部）を断面Ｕ字形状とすることで、プローブ保持孔４３へのプローブ２０の挿入を容易にしている。なお、プローブ２０の先端部は、プローブ２０の本体部がプローブ保持孔４３に案内されるようにするため、プローブ保持孔４３より十分に小さな径であればよく、楔形などであってもよい。

次に、実施形態のプローブ２０とプローブ保持孔４３との関係を図５を用いて説明する。図５は、プローブおよびプローブ保持孔の関係を示す図である。
プローブ２０は、略円柱形状の本体部の一端にプランジャと当接するプランジャ当接部２１を備える。プランジャ当接部２１は、直径ｄ１の円盤状であり、中心部分でプランジャ１０と当接する。円盤状のプランジャ当接部２１は、本体部の直径ｄ２、プローブ保持孔４３の直径ｄ３よりも大きく、プローブ保持孔４３からプローブ２０が脱落することを防止する脱落防止部２２を兼ねる。

プローブ２０は、略円柱形状の本体部の他端に電極部５１と当接するチップ電極当接部２３を備える。チップ電極当接部２３は、断面Ｕ字形状として先端を先鋭化させている。先鋭化した先端は、電極部５１に自然酸化膜が形成されていたとしても、自然酸化膜を簡便に突き破り、チップ電極当接部２３と電極部５１との接触性を向上させる。なお、先端が先鋭状のチップ電極当接部２３を例示したが、電極部５１との電気的接触性が良好であれば先端形状はこれに限定されず、その他、多数の突起を設けたり、冠状としたり、平面状としたりすることができる。

プローブ２０の本体部は、プローブ保持孔４３の直径ｄ３よりも若干小さなｄ２であり、プローブ２０は、プローブ保持孔４３を摺動可能となる。
また、プローブ保持孔４３は、プローブ収納凹室４５の底面（板厚ｄ５）に形成されており、プローブ２０の本体部は、板厚ｄ５より十分に大きな長さｄ４である。これにより、プローブ保持孔４３に保持されるプローブ２０は、プローブホルダ４０とプランジャホルダ３０とが分離した場合であっても、プローブホルダ４０に良好に保持される。また、このようなプローブ２０は、簡易な構成のため、プローブユニット１のコスト低減に寄与する。

次に、実施形態のプランジャホルダ３０によるプランジャ１０の保持の様子を図６を用いて説明する。図６は、プランジャホルダの要部断面図である。
プランジャホルダ３０は、１組のスリーブ３３とスリーブ３４とで１本のプランジャ１０を摺動可能に保持する。プランジャ１０は、直径の異なる３つの円柱を直列に接続したような形状をしている。プランジャ１０のストッパ１７より上（電線１１）側部は、ばね１６に挿入することで、プランジャ１０の周囲でばね１６が伸縮自在になっている。プランジャ１０の上側部は、スリーブ３３に挿通される。スリーブ３３の直径は、ばね１６の外径よりも小さく、プランジャ１０の上側部の直径よりも大きくなっている。

プランジャ１０のストッパ１７より下（プローブ２０）側部は、スリーブ３４に挿通される。スリーブ３４の直径は、ストッパ１７の外径よりも小さく、プランジャ１０の下側部の直径よりも大きくなっている。

プランジャ１０の最下部は、プローブ２０のプランジャ当接部２１と当接するプローブ当接部１８を備える。プローブ当接部１８は、断面Ｕ字形状として先端を先鋭化させている。先鋭化した先端は、電極部５１に自然酸化膜が形成されていたとしても、自然酸化膜を簡便に突き破り、プローブ当接部１８とプランジャ当接部２１との接触性を向上させる。なお、先端が先鋭状のプローブ当接部１８を例示したが、プランジャ当接部２１との電気的接触性が良好であれば先端形状はこれに限定されず、その他、多数の突起を設けたり、冠状としたり、平面状としたりすることができる。

プランジャホルダ３０は、スリーブ３３とスリーブ３４との間に付勢部収納空間３５を有する。プランジャホルダ３０は、プランジャ１０が有するばね１６とストッパ１７が付勢部収納空間３５に収まるようにプランジャ１０を保持する。

ばね１６は、付勢部収納空間３５の天井部とストッパ１７とに両端を当接して、プランジャ１０をプローブ２０側に付勢する。付勢部収納空間３５の床部は、ストッパ１７と当接することで、プランジャ１０の摺動範囲を規制する。

このように、プランジャ１０は、プランジャホルダ３０によって好適に保持される。また、プローブユニット１は、プランジャホルダ３０に保持されるプランジャ１０の保守、作業性を良好にする。また、このようなプランジャ１０は、簡易な構成のため、プローブユニット１のコスト低減に寄与する。

次に、実施形態の変形例であるプローブユニットについて、図７を用いて説明する。図７は、プローブユニットの変形例を示す図である。
プローブユニット６１は、抵抗器６３とプランジャ６６を電線６４を介して接続する。

プローブユニット６１は、抵抗器６３と電線６４を含む。
プランジャ６６は、プランジャ接合部６５で電線６４と接続する。抵抗器６３は、両端に電線接合部６２を備え、一方の電線接合部６２を介して電線６４と接続し、他方の電線接合部６２を介して電線１１と接続する。電線接合部６２、プランジャ接合部６５は、ハンダ付けにより電線１１または電線６４と接合するようにしてもよい。また、交換を容易にするため複数の電線接合部６２、またはプランジャ接合部６５をまとめたコネクタ接続としてもよい。

このように抵抗器６３とプランジャ６６を電線６４を介して接続することで、プローブユニット６１は、プランジャ６６の交換、または抵抗器６３の交換を容易にすることができる。

なお、プローブユニット６１は、電線６４、または抵抗器６３と電線６４を含まない構成としてもよい。その場合、電線６４、または抵抗器６３と電線６４は、外部試験装置側の構成要素とすることができる。

なお、上述の実施形態は、実施形態の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更を加えることができる。
さらに、上述の実施形態は、多数の変形、変更が当業者にとって可能であり、説明した正確な構成および応用例に限定されるものではない。

１、６１ プローブユニット
１０、６６ プランジャ
１１、６４ 電線
１２、６２ 電線接合部
１３、６３ 抵抗器
１４、６５ プランジャ接合部
１６ ばね
１７ ストッパ
１８ プローブ当接部
２０ プローブ
２１ プランジャ当接部
２２ 脱落防止部
２３ チップ電極当接部
３０ プランジャホルダ
３１ 係合部
３２ ガイドピン
３３、３４ スリーブ
３５ 付勢部収納空間
４０ プローブホルダ
４１ 係止爪
４２ 嵌合凹部
４３ プローブ保持孔
４４ 検査対象対向面
４５ プローブ収納凹室
５０ 半導体チップ
５１ 電極部

Claims (5)

1. プローブを保持するプローブホルダと、前記プローブと電気的に接触するプランジャを保持するプランジャホルダと、を含むプローブユニットであって、
   前記プローブホルダは、前記プローブを収容する収納凹室と、前記収納凹室の検査対象対向面に配設されて前記プローブを摺動可能に保持するプローブ保持孔と、前記プランジャホルダと係合する係止部と、を備え、
   前記プローブは、前記プローブ保持孔からの脱落を防止する脱落防止部と、一端に検査対象電極と当接する電極当接部と、他端に前記プランジャと当接するプランジャ当接部と、を備え、
   前記係止部は、前記収納凹室の開放域を拡開する方向に変位するものであり、
   前記プランジャホルダは、前記プランジャを摺動可能に保持するスリーブと、前記プランジャを前記プローブ方向に付勢する付勢部と、を備え、
   前記プランジャは、一端に前記プローブと当接するプローブ当接部を備えることを特徴とするプローブユニット。
2. 前記プローブホルダは、前記プランジャホルダが有するガイド部と嵌合する嵌合凹部を備えることを特徴とする請求項１記載のプローブユニット。
3. 前記プローブは、略円柱形状であり、前記脱落防止部は、前記電極当接部側端部に設けられた舌片であることを特徴とする請求項１または２記載のプローブユニット。
4. 前記プランジャは、抵抗器を介して配線と接続することを特徴とする請求項３記載のプローブユニット。
5. 前記プローブと前記プランジャは、複数対が備えられ、
   ２以上の前記プローブが共通の前記検査対象電極と当接することを特徴とする請求項４記載のプローブユニット。
   

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