JP5839798B2 - プローブカード - Google Patents

Description

本発明は、高密度の多ピン集積回路素子および高密度の多ピン集積回路等の被測定微細回路基板の電気的検査を行う時に使用するプローブカードに関する。

近年、半導体集積回路、微細回路、有機基板微細回路は微細化技術の発達により二次元的に配列された電極の間隔は非常に狭くなっている。この集積回路を電気的に測定する方法の一例として特許文献１や特許文献２で提唱されている。

特許第４４２１５５０号公報 特開平１１−１６０３５６号公報

しかしながら、特許文献１で提唱されているプローブ形状では十分な撓み量を確保するためには、１本のプローブピンが占有する範囲を大きくせざるを得ないため、目的とする微細回路基板の全回路を一括して電気的測定することはできない課題があった。
この課題を解決するために、特許文献２において、複数の電極を一括で測定する方法としてセラミック積層基板上にリソグラフィ技術によりバンプ電極を多数形成した基板と導電性ゴムを組み合わせて使用するプローブカードが提唱されている。

しかし、セラミックス積層板上に形成したバンプ電極を用いるプローブカードは導電性ゴムの撓み量ではウエハの全面にわたって均一な接触を得ることは困難であり、また、導電性も低く接続すべき電極への確実なコンタクトが確保できない課題があった。

又、従来から半導体の電気的検査に使用されているカンチレバー型プローブを使用したプローブカードはプローブの形状から多数のプローブピンを有する場合にはプローブカードが大きな面積となり、ウエハ上に作成した全半導体素子を一括して計測することができない。このため、半導体ウエハ上の多数素子の電気的検査を行うためには二次元的に順次移動して測定しなければならず、長時間の検査時間を必要とするとともに試験環境条件を変化させながらの連続的な検査を行うことができない課題があった。

特に、高密度の多ピン集積回路素子および高密度の多ピン集積回路等で半導体素子の電極間隔が狭くなると、半導体素子の熱膨張により被測定微細回路基板の電極端子がプローブピンと位置ずれしただけで接触しなくなる。そのため、すべての端子に接続したまま被測定微細回路基板の電気的特性を測定することが困難になる。また、２次元状にプローブピンを配置するにはプローブピンの弾性を確保しつつプローブピン間の絶縁を確保するための間隙もしくは隔壁を設ける必要がある。しかし、構造上からプローブの間隔は０．２５ｍｍ以下とすることが困難となっている。

この為、カンチレバー型プローブを半導体四周辺部の２〜３重端子に接触して電気的検査を行うか、測定箇所を移動して逐次測定する方法をとらざるを得ないため、検査時間の負荷、検査事項の制約、プローブ組立時の位置出しが困難、検査環境の制約等の課題があった。

本発明は、上記課題に着目し、プローブピン同士が短絡することがなく、且つ被測定微細回路基板及び信号入出用配線板が熱膨張してもプローブピンを被測定微細回路基板と信号入出用配線板のそれぞれの全ての電極端子に同時に接触させることにより、高密度の多ピン集積回路素子および高密度の多ピン集積回路等の被測定微細回路基板の電気的特性を的確に測定することができる、実用上、極めて有用な、特に超高密度回路素子に適したプローブカードを提供することを目的とする。

請求項１に記載のプローブカードでは、被測定微細回路基板の電極に電気的に接触する一端部と信号入出用配線板の電極に電気的に接触する他端部とを有する弾力性のある複数のプローブピンと、このプローブピンがそれぞれ貫通する複数の貫通孔を有する絶縁体と、この絶縁体の両側に位置し前記プローブピンの一端部が挿入される支持孔を有する一方の基板と前記プローブピンの他端部が挿入される支持孔を有する他方の基板とを備え、前記一方の基板を前記被測定微細回路基板の熱膨張係数と同一値もしくは近似値を有する材料で形成するとともに前記他方の基板を前記信号入出配線板の熱膨張係数と同一値もしくは近似値を有する材料で形成し、前記一方と他方からなる一対の基板の位置が熱膨張により前記被測定微細回路基板と前記信号入出配線板のずれた位置に追従するように前記一対の基板を前記絶縁体と摺動可能になるよう前記一対の基板と前記絶縁体とを隙間をあけて固定具で接合するようにしたものである。

このように、一方の基板を被測定微細回路基板の熱膨張係数と、他方の基板を信号入出配線板の熱膨張係数とそれぞれ同一値もしくは近似値を有する材料で形成し、一方と他方からなる一対の基板の位置が熱膨張により被測定微細回路基板と信号入出配線板のずれた位置に追従するように一対の基板を絶縁体と摺動可能になるよう前記一対の基板と前記絶縁体とを隙間をあけて固定具で接合するようにしたことにより、被測定微細回路基板と信号入出配線板が熱膨張により位置が変化し、それぞれの電極の位置がずれるとそれに面する基板も同等の熱膨張により同じ変化量で位置が移動し絶縁体を摺動して電極のずれた位置にプローブピンが追従するため、常にプローブピンが被測定微細回路基板と信号入出配線板のそれぞれの電極に接触し、しかもプローブピンは絶縁体の貫通孔内で保持されている。また、プローブピン同士が短絡することもない。

請求項２に記載のプローブカードでは、一対の基板を湿度変化に伴って伸縮する伸縮量が同じである材料で形成するようにしたものである。
これにより、電気的検査を行う環境の湿度が変化する場合でも、一対の基板が被測定微細回路基板と信号入出用配線板の湿度変化に追従して同時に伸縮するので、プローブピンが被測定微細回路基板と信号入出用配線板のそれぞれの電極と接触するのが維持されることになる。

請求項３に記載のプローブカードでは、絶縁体両側の２枚の基板材料をシリコン、シリコン酸化物、シリコンカーバイト、サファイヤのいずれかの不導体で形成することにより、半導体を含む無機基板の回路の熱膨張係数と同一値もしくは近似値である適切な材料を選定したものである。
尚、被測定微細回路基板の材料と裏面に配置される信号入出用配線板の材料が異なれば、これら２枚の基板の材料はそれに応じて異なることになる。

請求項４に記載のプローブカードでは、絶縁体両側の２枚の基板材料をガラスエポキシ、ポリイミド、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリテトラフルオロエチレンのいずれかの不導体で形成することにより、半導体を含む有機基板の回路の熱膨張係数と同一値もしくは近似値であって、且つ湿度変化に伴って伸縮する伸縮量が同じである適切な材料を選定したものである。
この場合も、被測定微細回路基板の材料と裏面に配置される信号入出用配線板の材料が異なれば、これら２枚の基板の材料はそれに応じて異なることになる。

請求項５に記載のプローブカードでは、プローブピンを電鋳によりパラジュームの２元合金もしくは３元合金で作製することにより、十分な撓み量に追従し必要な弾性力を有するプローブピンを得るようにしたものである。
これにより、従来のバネ材として、リン青銅、ベリリユーム銅のエッチング材、Ｎｉ、ＮｉＣｏ等の電鋳材等に使用されており、いずれも微小なスプリング形状にすると反発力の低下があり、充分な反発力すなわち弾性力が充分にとれない。特に温度が８０℃〜１３０℃の環境で測定するとその現象は著しい。従ってプローブピッチ２５０μｍ以下のピッチではスプリング効果が問題になる。本発明によるパラジューム合金による２元、３元合金によれば、弾性係数は完全にクリアーすることができる。

請求項６に記載のプローブカードでは、絶縁体を、Ｘ線マスクを用いてＸ線をポリテトラフルオロエチレンに直接照射することにより、一つの工程で形成するようにしたものであり、この内、特にポリテトラフルオロエチレンはプローブピンが摺動し易いため、最適である。

請求項７に記載のプローブカードでは、絶縁体を、Ｘ線露光プロセスと電鋳により高アスペクト比で作成した金型を用いて成型されたアクリル、ポリカーボン、フェノール、スチロール、エービーエス、ポリプロピレン、ポリエチレン、エポキシ、シリコン樹脂、シリコンゴムのいずれかの絶縁性ポリマーで形成したもので、複数の工程で高精度に形成するようにしたものである。

以上説明したように、本発明に係る請求項１に記載のプローブカードによれば、一方の基板を被測定微細回路基板の熱膨張係数と、他方の基板を信号入出配線板の熱膨張係数とそれぞれ同一値もしくは近似値を有する材料で形成し、一方と他方からなる一対の基板の位置が熱膨張により被測定微細回路基板と信号入出配線板のずれた位置に追従するように一対の基板を絶縁体と摺動可能になるよう前記一対の基板と前記絶縁体とを隙間をあけて固定具で接合するようにしたので、被測定微細回路基板の電極のピッチ間隔が３０μｍ〜２００μｍと狭く、被測定微細回路基板と信号入出配線板が熱膨張により位置が変化し、それぞれの電極の位置がずれるとそれに面する基板も同等の熱膨張により同じ変化量で位置が移動し絶縁体を摺動して電極のずれた位置にプローブピンが追従するため、プローブピンを被測定微細回路基板と信号入出配線板のそれぞれの電極に常に接触させることができるとともに、隣接するプロ−ブピンが短絡しないため、高密度の多ピン集積回路素子および高密度の多ピン集積回路等の被測定微細回路基板の電気的検査を一度にしかも的確に行うことができるという優れた効果を得ることができる。

請求項２に記載のプローブカードによれば、電気的検査を行う環境の湿度が変化しても、一対の基板が被測定微細回路基板と信号入出用配線板の湿度変化に追従して同時に伸縮することによりプローブピンが被測定微細回路基板と信号入出用配線板のそれぞれの電極に常に接触するため、電気的検査を的確に行うことができるという優れた効果を得ることができる。

請求項３に記載のプローブカードによれば、一対の基板の材料を被測定微細回路基板及び信号入出用配線板をそれぞれの熱膨張係数と同一値もしくは近似値であるシリコン、シリコン酸化物、シリコンカーバイト、サファイヤのいずれかの不導体の内から選定できるという優れた効果を得ることができる。

請求項４に記載のプローブカードによれば、一対の基板の材料を被測定微細回路基板及び信号入出用配線板をそれぞれの熱膨張係数と同一値もしくは近似値であって、且つ湿度変化に伴って伸縮する伸縮量が同じであるガラスエポキシ、ポリイミド、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリテトラフルオロエチレンのいずれかの不導体の内から選定できるという優れた効果を得ることができる。

請求項５に記載のプローブカードによれば、プローブピンが長さ０．５〜４．５ｍｍ、太さ５〜２５μｍ角の極細でありながら高い弾性率と耐久性および安定した電気的抵抗値を保持できるという優れた効果を得ることができる。

請求項６に記載のプローブカードによれば、Ｘ線マスクを用いてＸ線をポリテトラフルオロエチレンに直接照射することにより、高アスペクト比の孔を有する絶縁体を一つの工程で形成でき、特に摺動特性が良いポリテトラフルオロエチレンを選定することによりプローブピンを円滑に伸縮させることができるという優れた効果を得ることができる。

請求項７に記載のプローブカードによれば、従来、高価なシリコンをエッチングした基板を多数枚積層して形成することにより絶縁性シリコン穴構造板を多層に積層して製作されていたものに対し、Ｘ線露光プロセスと電鋳により高アスペクト金型を製作しインジェクション成形を施して絶縁体を形成したので、高アスペクト比の孔を有する絶縁体を安価に作成できるという優れた効果を得ることができる。

本発明の実施形態を示すプローブカードの断面図である。 本発明の実施形態を示すプローブカードの分解斜視図である。 本発明の実施形態を示すプローブピンの斜視図である。 本発明の実施形態を示すプローブピンの耐力を示すグラフである。 本発明の実施形態を示すプローブピンの疲労強度を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態を図１〜図５に基づいて説明するが、本発明は以下の実施形態について何ら限定されるものではない。

図１及び図２において、１は一方の基板、２は他方の基板で、一方の基板１には複数のプローブピン３の一端部３１が突き抜ける支持孔１１が、他方の基板２には複数のプローブピン３の他端部３２が突き抜ける支持孔２１が設けられている。

４は絶縁体で一対の基板１、２の間に配置されており、複数のプローブピン３がそれぞれ貫通する複数の貫通孔４１が設けられ、この貫通孔４１は後述するように支持孔１１、１２よりも内径が大きく設定されている。

このように、絶縁体４とこの両側に位置する一対の基板１、２により、三層構造になっており、一方の基板１と他方の基板２は絶縁体４と摺動可能になるよう、図１には示していないが、僅かな隙間を設けて接合されている。

５は被測定微細回路基板であり、一方の基板１はこの被測定微細回路基板５の熱膨張係数と同一値もしくは近似値を有する材料で形成されている。
６は信号入出用配線板であり、他方の基板２は信号入出用配線板６の熱膨張係数と同一値もしくは近似値を有する材料で形成されている。

これらの材料として、被測定微細回路基板５と信号入出用配線板６とが無機材質であれば、シリコン、シリコン酸化物、シリコンカーバイト、サファイヤの不導体が用いられている。
また、これらの材料として、被測定微細回路基板５と信号入出用配線板６とが有機材質であれば、湿度変化に伴って伸縮する伸縮量が同じであるガラスエポキシ、ポリイミド、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリテトラフルオロエチレンの不導体が用いられている。

尚、熱膨張係数の近似値とは、温度変化により支持孔１１が位置ずれする距離が被測定微細回路基板５の電極５１の最小ピッチ以内であり、同様に温度変化により支持孔１２が位置ずれする距離が信号入出用配線板６の電極６１の最小ピッチの二分の一以内であることを前提とした熱膨張係数の数値である。

このように、基板１と基板２は、同じ材質である必要はない。上述したように、被測定微細回路基板５の材料と同じ熱膨張係数の材料で基板１を作成し、信号入出用配線板６の材料と同じ熱膨張係数の材料で基板２を作成すれば、例え、基板１と基板２の熱膨張係数が異なることがあっても被測定微細回路基板５と信号入出用配線板６とのプローブピン３の接触を保証できるので、好都合である。

プローブピン３は、図３に示すように、電鋳により作製したパラジューム合金で形成されており、図４はプローブピン３の耐力（弾性限界応力）の測定結果を示すグラフである。図４において、横軸がひずみ（％）、縦軸が応力（ＭＰａ）であり、Ａはプローブピン３の合金としてパラジューム６０％とニッケル４０％との合金を使用した場合、Ｂは従来の合金としてニッケル８０％とコバルト２０％の合金を使用した場合を示すもので、本発明によるＡの耐力が２，７００ＭＰａであり、Ｂの５００ＭＰａよりもと極めて大きいことが確認できた。

また、図５は疲労強度の測定結果を示すグラフで、横軸が繰り返し数（回）、縦軸が最大応力（ＭＰａ）である。図５において、Ｃは本発明によるものでプローブピン３の合金としてパラジューム６０％とニッケル４０％との合金を使用した場合、ＤとＥは従来の材料で、Ｄはニッケル／コバルト合金、Ｅはニッケルを使用した場合を示すもので、最大応力が１，０００ＭＰａのとき、Ｄは７０万回繰り返した時点で切断し、Ｅは５万回繰り返した時点で切断したのに対し、本発明によるＣは１，０００万回繰り返しても切断しなかったことから、従来のニッケル／コバルト合金材やニッケル材の２倍〜１４倍以上の疲労強度が大きいことが確認できた。

尚、他のパラジューム合金として、パラジューム８０％とコバルト２０％、パラジューム６０％とニッケル２０％とコバルト２０％のいずれかの合金でも、上述したパラジューム６０％とニッケル４０％の合金と同様、高い耐力と疲労強度を有していることが確認できた。

そして、プローブピン３は、長さが２．０ｍｍ、太さが３×３μｍ〜１０×２５μｍの角材、波形状幅の最大幅が３０〜１５０μｍ、撓み量を確保するための曲がり部の数が２箇所以上ある波形状に形成されており、角材が１０×２５μｍの場合加重1０グラム時のばね変形量が１００μｍの特性を有している。
この加重圧力は一般のバネ材、リン青銅、含リン銅などでは全く得られない超高弾性が確保されている。尚且つ、疲労強度も数〜十倍程度高く、プローブカードの寿命を長くさせる事に寄与している。

このプローブピン３は、波形両端部３３、３４が一方の基板１と他方の基板２のそれぞれの支持孔１１、２１に当たって止まることにより支持されている。支持孔１１はプローブピン３の一端部３１が被測定微細回路基板５の電極５１に電気的に接触するよう、電極５１と同一位置に４μｍ〜４０μｍの角または丸の孔が設けられ、支持孔１２はプローブピン３の他端部３２が信号入出用配線板６の電極６１に電気的に接触するよう、４μｍ〜４０μｍの角または丸の孔が設けられている。

絶縁体４は、Ｘ線マスクを用いてＸ線をポリテトラフルオロエチレンに直接照射して形成するか、または、Ｘ線露光プロセスと電鋳により作成した金型を用いて成型された絶縁性ポリマーで形成されており、１．０ｍｍ〜５．０ｍｍの厚さを有している。

貫通孔４１の穴寸法は３０μｍ〜１８０μｍ 角穴の穴寸法は５×５μｍ〜１２０×１２０μｍであり、複数のプローブピン３が複数の貫通孔４１をそれぞれ貫通することにより、プローブピン３同士の接触を阻止して短絡を防止するとともにプローブピン３の体勢を確保するものである。
尚、貫通孔４１と支持孔１１、２１の数は任意であり、例えば３２pin×３２pinの半導体素子では１，０２４個、６４pin×６４pinの半導体素子では４，０９６個である。

（作用）
本実施形態は、上記のように構成されており、以下その作用について説明する。先ずプローブピン３を貫通孔４１に挿入した後に、一方の基板１の支持孔１１にプローブピン３の一端部３１を、他方の基板２の支持孔２１にプローブピン３の他端部３２を通して波形両端部３３、３４を支持孔１１、２１に当てた状態で、絶縁体４と一方の基板１と他方の基板２とを結合することによりプローブカード７が完成する。

プローブカード７として使用する場合、プローブピン３の一端部３１を被測定微細回路基板５の電極５１に電気的に接触させるとともに、プローブピン３の他端部３２を信号入出用配線板６の電極６１に電気的に接触させることにより、高密度の多ピン集積回路素子および高密度の多ピン集積回路等の被測定微細回路基板５の電気的検査を行うことができる。

この場合、プローブピン３は絶縁体４の貫通孔４１内で保持されているため、被測定微細回路基板５の電極５１の間隔が５０μｍ〜２００μｍと狭くてもプローブピン３同士が接触することはないため短絡することはなく、しかも、プローブピン３をパラジューム合金で電鋳により作製し表面にニッケルめっきと金めっきを施している為、高い弾性率と耐久性および安定した電気的抵抗値を保持できる。

更に、被測定微細回路基板５が熱膨張により膨らんで電極５１の位置がずれると一方の基板１も同等の熱膨張により位置が変化し電極５１のずれた位置にプローブピン３が追従するため、プローブピン３を被測定微細回路基板５の電極５１に合わせて位置させることができるので、常にプローブピン３を被測定微細回路基板５の電極５１に接触させることができる。

同様に、信号入出用配線板６が熱膨張により膨らんで電極６１の位置がずれると他方の基板２も同等の熱膨張により位置が変化し電極６１のずれた位置にプローブピン３が追従するため、プローブピン３を信号入出用配線板６の電極６１に合わせて位置させることができるので、常にプローブピン３を信号入出用配線板６に接触させることができる。
このようにして、高密度の多ピン集積回路素子および高密度の多ピン集積回路等の被測定微細回路基板５の電気的検査を一度にしかも的確に行うことができる。

また、電気的検査を行う環境の湿度が変化しても、一対の基板１、２が被測定微細回路基板５と信号入出用配線板６の湿度変化に追従して同時に伸縮するので、プローブピン３が被測定微細回路基板５と信号入出用配線板６のそれぞれの電極５１、６１に接触するため、電気的検査を的確に行うことができる。

（実施例）
Ｘ線露光プロセスもしくはフォトリソプロセスによりプローブピン３の形状を導電体基盤上に形成し、パラジューム・ニッケルまたはパラジューム・ニッケル・コバルトの合金鍍金液中に浸漬させ、幅が１０μｍで厚さが２０μｍとなるまで５０分間通電して導電体基盤上にプローブピン３を形成する、電鋳で作製する。

そして、規定の厚さに達した導電体基盤からプローブピン３を取り外すと、プローブカード用プローブピンとして使用することができる。

プローブカード７の組立について説明する。先ず、厚さ０．２ｍｍのシリコン基板にそれぞれ、穴寸法が１２×２７μｍの支持孔１１を１０２４個設けた基板１と、穴寸法が１２×２７μｍの支持孔１２を１０２４個設けた基板２を用意するとともに、厚さ２．０ｍｍで、４０×４０μｍの角穴が５０ピッチの貫通孔４１を１０２４個設けた絶縁体４を用意する。そして、絶縁体４の貫通孔４１と基板１の支持孔１１とを一致させて摺動可能に接合した後、貫通孔４１の上方からプローブピン３を貫通孔４１内へ落とし込んで一端部３１を支持孔１１へ突き抜かせる。その後に、基板１の支持孔２１から他端部３２を突き抜かせて基板２を絶縁体４に摺動可能になるよう隙間をあけて、基板１と基板２と絶縁体４のそれぞれの固定孔１８、２８、４８に固定具８を挿入して接合させると、プローブカード７の組立は終了する。

被測定微細回路基板の製造工程で熱負荷に対する品質保証、信頼性を確認するため、ベアーチップをバーンイン装置へ投入し、設定された熱条件で放置後、バーンイン装置から取り出しカンチレバー型プローブを使用したプローブカードでウエハ上の被測定微細回路基板を個別に電気的評価を行っている。

これは電気的評価を行うプローブカードがプローブピンの形状から小型化することができなく、やむを得ず、バーンイン装置から取り出して電気的評価を行わざるを得ないためである。

本発明のプローブカード７を使用することにより、ウエハー状の被測定微細回路基板５にプローブカード７を接触させたままバーンイン装置へ投入することができ、加熱負荷の昇温時、一定の加熱時および冷却時の連続した熱負荷に対する信頼性のある測定をすることが可能となるとともに、測定環境の湿度が変化しても的確に測定でき、被測定微細回路基板の市場での信頼性をより高く保証することができる。

また、加熱負荷と電気的評価が同時に行うことができ、被測定微細回路基板の製造工程における、製造時間の短縮が図られ、生産性の向上が得ることができる。

１ 一方の基板
２ 他方の基板
３ プローブピン
４ 絶縁体
５ 被測定微細回路基板
６ 信号入出用配線板

Claims (4)

1. 被測定微細回路基板の電極に電気的に接触する一端部と信号入出用配線板の電極に電気的に接触する他端部とを有する弾力性のある複数のプローブピンと、このプローブピンがそれぞれ貫通する複数の貫通孔を有する絶縁体と、この絶縁体の両側に位置し前記プローブピンの一端部が挿入される支持孔を有する一方の基板と前記プローブピンの他端部が挿入される支持孔を有する他方の基板とを備え、前記一方の基板を前記被測定微細回路基板の熱膨張係数と同一値もしくは近似値を有する材料で形成するとともに前記他方の基板を前記信号入出配線板の熱膨張係数と同一値もしくは近似値を有する材料で形成し、前記一方と他方からなる一対の基板の位置が熱膨張により前記被測定微細回路基板と前記信号入出配線板のずれた位置に追従するように前記一対の基板を前記絶縁体と摺動可能になるよう前記一対の基板と前記絶縁体とを隙間をあけて固定具で接合するようにしたことを特徴とするプローブカード。
2. 前記一対の基板は湿度変化に伴って伸縮する伸縮量が同じである材料で形成されている請求項１に記載のプローブカード。
3. 前記一対の基板はシリコン、シリコン酸化物、シリコンカーバイト、サファイヤのいずれかの不導体で形成されている請求項１に記載のプローブカード。
4. 前記一対の基板はガラスエポキシ、ポリイミド、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリテトラフルオロエチレンのいずれかの不導体で形成されている請求項１または請求項２に記載のプローブカード。