JP5498173B2 - プローブ針およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明はプローブ針およびその製造方法に係り、特に先端部の折り曲げ加工工程中や、製品として用いられている際のプローブ針の先端部の破断を効果的に抑制し、プローブ針の製品歩留り、品質および耐久性を大幅に向上させることができるプローブ針およびその製造方法に関する。

従来から半導体集積回路のウエハテスト工程で実施される電気試験（以下、ウエハテストと称す）においては、例えば直径が５０μｍ〜３００μｍの針状に加工されたタングステン系材料から成るプローブ針を装着したプローブカードが用いられ、このプローブカードのプローブ針を半導体集積回路に所定の接触圧力で接触させることによって導通を確認し、各回路の正常動作を確認するウエハテストが実施されている。

上記プローブ針の構成材としては、主にタングステン系材料、貴金属材料、貴金属合金材料等から成る金属材が一般に広く用いられ、特にアルミニウム、カリウム、シリコン等をドープ材として微量に含有するドープタングステンや１〜３０質量％程度のレニウムを含有する、高強度・高硬度なレニウムタングステン（Ｒｅ−Ｗ）などが用いられている。

上記プローブ針は、上記のような各種材料から成り、直径が７０μｍ〜４００μｍ程度の金属ワイヤを３０ｍｍ〜１００ｍｍ程度の長さに切断し、その先端部を尖鋭に機械加工した後、図５に示すようにプローブ針１の先端部２付近の折り曲げ加工によって曲折部７を有する所定形状に加工され、プローブカードに装着されている。（例えば、特許文献１参照）。

上記のように先端部を研削加工した後に、所定形状に成形するための折り曲げ加工は、一般的に先端部を固定した状態で金属線に曲げ方向の応力を付加したり、金型成形などにより実施されている。しかしながら、金属線の本体部分の径が数百μｍであるのに対して、先端部の針状部分の径は僅か数十μｍという極端に細い状態に加工されているため、金属ワイヤの折り曲げ加工の際に、この針状加工部分で破断し易く、プローブ針の折り曲げ加工工程における製造歩留りの低下が起こり易く、さらにはプローブカードに組み込まれて使用されている際に短時間での破断が起こり易く寿命が短いなどの原因となっている。
特開平６−５０９８９号公報

発明の開示
本発明は、金属ワイヤの先端部を機械加工してテーパ部を形成したプローブ針において、プローブ針の先端部のテーパ部に機械加工によって生じた加工溝の方向とワイヤの長さ方向とが成す角度を４５度からほぼゼロ度の範囲にし、好ましくは両方向が略平行とすることにより、プローブ針の折り曲げ加工工程中や、製品として使用されている際のプローブ針の破断を抑制し、プローブ針の製造歩留り、品質および耐久性を大幅に向上させることを可能とするプローブ針およびその製造方法を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明に係るプローブ針は、金属ワイヤの先端部を機械加工してテーパ部を形成したプローブ針において、上記先端部の機械加工によって発生した加工溝の接線方向のベクトルと金属ワイヤの長さ方向のベクトルとを平面方向に投影して形成される角度が５度以下であり、上記先端部の表面粗さＲａが５μｍ以下であると共にプローブ針の先端部付近の折り曲げ加工によって曲折部が形成されていることを特徴とする。

本発明に係るプローブ針の製造方法は、金属ワイヤを切断してプローブ針素材を調製する調製工程と、このプローブ針素材の先端部を機械加工してテーパ部を形成する加工工程とを備え、上記機械加工は上記プローブ針素材の先端部を回転式研削砥石の研削面に当接させて研削する研削加工であり、上記研削砥石の研削面の走行接線方向のベクトルと金属ワイヤの長さ方向のベクトルとを平面方向に投影して形成される角度を５度以下とする一方、上記先端部の表面粗さＲａを５μｍ以下とすると共にプローブ針の先端部付近の折り曲げ加工によって曲折部を有する所定形状に加工する工程を有することを特徴とする。

また、上記プローブ針の製造方法において、前記研削砥石の研削面の走行方向と金属ワイヤの長さ方向とがほぼ平行であることが好ましい。

さらに、上記プローブ針の製造方法において、前記研削砥石の回転数が１００ｒｐｍ以上２００００ｒｐｍ以下であることが好ましい。

また、上記プローブ針の製造方法において、前記金属ワイヤに対する研削砥石の切り込み速度が０．０１ｍｍ／ｓｅｃ以上５ｍｍ／ｓｅｃ以下であることが好ましい。

さらに上記プローブ針の製造方法において、前記研削砥石に含有される砥粒のメッシュサイズを１２０以上２０００以下に調整することが好ましい。

また、上記プローブ針の製造方法において、前記金属ワイヤの研削面に研削液を塗布した状態で研削工程を実施することが好ましい。

上記のような構成を有するプローブ針はプローブカードに好適に用いられる。

[発明の効果]
本発明に係るプローブ針およびその製造方法によれば、プローブ針の先端の折り曲げ加工工程中や、製品として用いられている際のプローブ針先端部の破断を効果的に抑制でき、プローブ針の製造歩留り、品質および耐久性を大幅に向上させることができる。

以下、本発明について詳細に説明する。

本発明は、金属ワイヤの先端部を機械加工してテーパ部を形成したプローブ針において、上記先端部の機械加工によって発生した加工溝の形成方向と金属ワイヤの長さ方向とが成す角度が４５度以下であることを特徴とするものである。

プローブ針を構成する材料としては、一般的にアルミニウム、カリウム、シリコン等をドープ材として微量に含有するドープタングステン、１〜３０質量％程度のレニウムを含有するレニウムタングステン（Ｒｅ−Ｗ）等のタングステン系素材や、貴金属やその合金から成る金属ワイヤ素材等が好適に用いられている。上記プローブ針は、上記のような材料から成り、径が７０μｍ〜４００μｍ程度の金属ワイヤを３０ｍｍ〜１００ｍｍ程度の長さに切断し、その先端部に研削などの機械加工を実施することにより先端部を尖鋭形状に加工する。

本発明に係るプローブ針は、先端部に発生した加工溝とワイヤの長さ方向とが成す角度が４５°以下であることを特徴としている。先端部の機械加工により生じるプローブ針の表面には、加工による衝撃負荷によって微細な凹部が形成されてしまう。プローブ針は先端を針状に加工した後、所定形状に成形するため、先端を固定した状態でワイヤ線材に曲げ方向の応力を付加したり、金型成形などにより折り曲げ加工が実施される。この折り曲げ加工の際、ワイヤ線の本体部分の径が数百μｍであるのに対して、先端の針状部分の径は僅か数十μｍという極端に細い状態に加工されているため、前記した機械加工によって生じた微細な凹部を起点として細い針状の先端部分がノッチ（切欠）効果により破断し易い問題がある。

この凹部が折り曲げ加工方向に対して略垂直方向に発生していると、ワイヤ線が折り曲げられることに伴いこの凹部を起点として破断し易い。本発明に係るプローブ針は機械加工により先端部分に生じる加工溝の方向とワイヤの長さ方向とが成す角度を４５°以下としているため、表面に凹部が存在している場合においても、凹部の形成方向が切欠とならない方向に存在するため、折り曲げ加工による圧力を負荷した場合でも凹部を起点としたプローブ針の破断を効果的に抑制することが可能となる。

先端部の加工溝の形成方向とワイヤの長さ方向とが成す角度が４５°を超える場合、加工によって生じた表面の凹部が折り曲げ方向に対して垂直方向に発生している状態となるため、凹部が切欠として作用し、凹部を起点として折り曲げ加工による破断が発生し易くなり、好ましくない。上記先端部の加工溝の形成方向とワイヤの長さ方向とが成す角度は、より好ましくは、２０度以下が好ましく、さらには５度以下がさらに好ましい。

本発明に係るプローブ針の先端部の表面粗さＲａは５μｍ以下であることが好ましい。表面粗さＲａが５μｍを超えると先端部表面において発生した機械加工による凹部が大きい状態となり、先端部の折り曲げ加工による破断が発生しやすくなるため、好ましくない。表面粗さＲａは好ましくは３μｍ以下である。

本発明に係るプローブ針は研削砥石がワイヤの長さ方向に対して平行な方向に相対的に移動することにより製造されることが好ましい。通常プローブ針の先端加工は、ワイヤを周方向に回転しながら加工を行う。先端加工は表面粗さを小さくするために研削加工により実施されることが好ましい。

さらに、研削砥石がワイヤの長さ方向に対して平行な方向に移動自在であることが好ましい。ここで、平行な方向とは、ワイヤの長さ方向に対して、研削砥石の移動方向が４５°以内の方向であることをいう。このような方向で研削砥石が移動することにより、先端部に生じる加工溝がワイヤの長さ方向に対して４５°以内の略平行な方向となり、表面に発生した凹部の方向が折り曲げ方向に平行な方向となり、折り曲げ加工時の凹部を起点とした破断を低減することが可能となる。

本発明に係るプローブ針は研削砥石の研削面の走行方向がワイヤの長さ方向に対して平行な方向に設定されることにより製造されることが好ましい。ここで、平行な方向とは、ワイヤの長さ方向に対して研削砥石の回転方向が４５°以内となる方向であることをいう。このような方向で研削砥石が回転することにより、先端部に生じる加工溝がワイヤの長さ方向に対して４５°以内の略平行な方向となり、表面に発生した凹部の方向が折り曲げ方向に平行な方向となるため、折り曲げ加工時の凹部を起点とした破断を低減することが可能となる。

本発明に係るプローブ針の製造方法においては、研削砥石の回転数が１００（ｒｐｍ）以上２００００（ｒｐｍ）以下であることが好ましい。研削砥石の回転数が１００（ｒｐｍ）未満であると、プローブ針の研削加工の抵抗が大きくなり、表面粗さが大きくなるため好ましくない。一方、研削砥石の回転数が２００００（ｒｐｍ）以上である場合は、機械への負荷が大きくなるため、好ましくない。研削砥石の回転数のより好ましい範囲は５００（ｒｐｍ）以上５０００（ｒｐｍ）である。

本発明に係るプローブ針の製造方法においては、金属ワイヤの切り込み速度が０．０１ｍｍ／ｓｅｃ以上５ｍｍ／ｓｅｃ以下であることが好ましい。金属ワイヤの切り込み速度が０．０１ｍｍ／ｓｅｃ未満であると、加工速度が遅くなり、製造コストを増大させるため好ましくない。一方、金属ワイヤの切り込み速度が５ｍｍ／ｓｅｃを越える場合は切削抵抗が増大するため、表面の粗さが粗くなり、凹部を発生させる原因となり好ましくない。また、発生した凹部が深く大きくなる。ワイヤの切り込み速度のより好ましい範囲は、０．０１ｍｍ／ｓｅｃ以上１ｍｍ／ｓｅｃである。

また、研削工程で使用される研削砥石に含有される砥粒のメッシュサイズは１２０以上２０００以下の範囲であることが好ましい。砥粒のメッシュサイズが１２０未満の場合は、表面粗さが大きくなり、亀裂を発生させる原因となり好ましくない。一方、メッシュサイズが２０００を越えると、加工性が低下するため、加工スピードが遅くなり、製造工程の効率を低下させるため好ましくない。砥粒のメッシュサイズのより好ましい範囲は、５００以上１５００以下である。

さらに、本発明のプローブ針の研削工程においては、研削液を使用して行うことが好ましい。研削液を使用することにより、研削工程のワイヤ線に対する抵抗を低減することが可能となり、焼き付きなどの発生を抑え、表面に発生する凹部を低減することが可能となる。また、研削により発生した研削屑を効率よく除去することができるため、連続加工を実施した場合においても、加工精度を長期間に亘り維持することが可能となる。

以上のような本発明に係るプローブ針およびその製造方法によれば、先端部の加工によって生じた微細な凹部の方向がワイヤの長さ方向と略平行となるため、プローブ針の先端の折り曲げ加工時における、凹部を起点とした破断を効果的に低減することが可能となる。このようなプローブ針は、プローブ針の製造工程における歩留りを向上させ、高い品質および耐久性を有し、プローブカードに好適に用いられる。

従来のプローブ針の先端部の加工後における表面状態を示す側面図である。 本発明方法によって形成した一実施例に係るプローブ針の表面状態を示す側面図である。 本発明方法によって形成した他の実施例に係るプローブ針の表面状態を示す側面図である。 本発明方法によって形成したその他の実施例に係るプローブ針の表面状態を示す側面図である。 本発明方法によって先端部を加工した後に、先端部近傍で曲折したプローブ針の外形を示す斜視図である。 本発明方法によって回転式研削装置を使用して先端部を加工している状態を示す斜視図である。

次に本発明の実施形態について以下の実施例および比較例に基づき、具体的に説明する。

（実施例１〜１２および比較例１〜４）
プローブ針を加工するために、線径が０．３ｍｍであり長さが５０ｍｍであり、表１に示す材質であるタングステン（Ｗ）ワイヤ，レニウムタングステン（Ｒｅ−Ｗ）ワイヤ，トリウムタングステン（Ｔｈ−Ｗ）ワイヤ，貴金属（金、銀、白金、ルテニウム、ロジウム、オスミウム、イリジウム）ワイヤならびに貴金属合金ワイヤなど各種材質から成る金属ワイヤを用意した。

これらの金属ワイヤ（プローブ針素材）を用いて針部の先端部の径が５μｍであり、先端部からの開き角度が３．３°のプローブ針を加工した。

上記金属ワイヤ（プローブ針素材）の先端部にテーパ部を形成する手段として、図６に示すような回転式円盤型研削砥石５を使用した。すなわち、回転式円盤型研削砥石５の表面にプローブ針素材６の先端部を当接せしめた状態で、研削砥石５を回転させると同時に、プローブ針素材６を軸周りに回転することにより、図１,２,４に示すような円錐台形状でテーパ状の先端部３ａ、３ｂ,３ｄを有するプローブ針１ａ、１ｂ、１ｄを調製した。

一方、研削砥石５は回転させるが、プローブ針素材６を軸周りに回転させずに、先端部の３ｃの４つの傾斜した平面のみを研削して図３に示すような四角錘台形状でテーパ状の先端部３ｃを有するプローブ針１ｃを調製することもできる。

ここで上記研削加工において、図６に示すように、研削砥石５の研削面の走行方向Ｇと金属ワイヤ（プローブ針素材）の長さ方向Ｃとの成す角度θを変化させることにより、先端部３に発生した加工溝４a、４ｂ、４ｃ、４ｄの方向とワイヤの長さ方向Ｃとが成す角度θを表１に示した角度に調整した。

図１に示すプローブ針１ａは、加工溝４ａの方向とワイヤの長さ方向Ｃとが成す角度が９０度であり、比較例１〜４に相当する。

図２に示すプローブ針１ｂは、加工溝４ｂの方向とワイヤの長さ方向Ｃとが成す角度が４５度であり、実施例１に相当する。

図３、４に示すプローブ針１ｃ、１ｄは、加工溝４ｃ、４ｄの方向とワイヤの長さ方向Ｃとが成す角度が５度以下であり、実施例３〜１２に相当する。

このように調製した各実施例および比較例に係るプローブ針１について、先端部を３０μｍの孔に固定し、曲げ応力を負荷することにより、先端部近傍で折り曲げ加工を実施し、図５に示すように、先端部２の近傍で曲折部７を形成した。そして、上記折り曲げ加工の際に破断による不良の発生率を測定評価して下記表１に示す結果を得た。

上記表１に示す結果から明らかなように、加工溝４の形成方向とワイヤの長さ方向Ｃとが成す角度を４５度以下とした各実施例に係るプローブ針においては、研削加工により発生した加工溝４がワイヤの長さ方向Ｃに対して大きく変位せず、または両方向が略平行であるため、折り曲げ加工時の破断が低減され、品質が大幅に向上したことが確認された。

本発明に係るプローブ針およびその製造方法によれば、プローブ針の先端の折り曲げ加工工程中や、製品として用いられている際のプローブ針先端部の破断を効果的に抑制でき、プローブ針の製造歩留り、品質および耐久性を大幅に向上させることができる。

Claims (7)

1. 金属ワイヤの先端部を機械加工してテーパ部を形成したプローブ針において、上記先端部の機械加工によって発生した加工溝の接線方向のベクトルと金属ワイヤの長さ方向のベクトルとを平面方向に投影して形成される角度が５度以下であり、上記先端部の表面粗さＲａが５μｍ以下であると共にプローブ針の先端部付近の折り曲げ加工によって曲折部が形成されていることを特徴とするプローブ針。
2. 請求項１に記載のプローブ針の製造方法であって、
   金属ワイヤを切断してプローブ針素材を調製する調製工程と、このプローブ針素材の先端部を機械加工してテーパ部を形成する加工工程とを備え、上記機械加工は上記プローブ針素材の先端部を回転式研削砥石の研削面に当接させて研削する研削加工であり、上記研削砥石の研削面の走行接線方向のベクトルと金属ワイヤの長さ方向のベクトルとを平面方向に投影して形成される角度を５度以下とする一方、上記先端部の表面粗さＲａを５μｍ以下とすると共にプローブ針の先端部付近の折り曲げ加工によって曲折部を有する所定形状に加工する工程を有することを特徴とするプローブ針の製造方法。
3. 請求項２に記載のプローブ針の製造方法において、前記研削砥石の研削面の走行方向と金属ワイヤの長さ方向とがほぼ平行であることを特徴とするプローブ針の製造方法。
4. 請求項２または請求項３に記載のプローブ針の製造方法において、前記研削砥石の回転数が１００ｒｐｍ以上２００００ｒｐｍ以下であることを特徴とするプローブ針の製造方法。
5. 請求項２ないし請求項４のいずれか１項に記載のプローブ針の製造方法において、前記金属ワイヤに対する研削砥石の切り込み速度が０．０１ｍｍ／ｓｅｃ以上５ｍｍ／ｓｅｃ以下であることを特徴とするプローブ針の製造方法。
6. 請求項２ないし請求項５のいずれか１項に記載のプローブ針の製造方法において、前記研削砥石に含有される砥粒のメッシュサイズが１２０以上２０００以下に調整することを特徴とするプローブ針の製造方法。
7. 請求項２ないし請求項６のいずれか１項に記載のプローブ針の製造方法において、前記金属ワイヤの研削面に研削液を塗布した状態で研削工程を実施することを特徴とするプローブ針の製造方法。

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