JP5878719B2 - 同一箇所から分離可能なカンチレバー型プローブ - Google Patents

Description

本発明は、半導体集積回路の電気的特性を試験するためのプローブカードに関し、特にプローブ修理の際に、交換が容易に行えるカンチレバー型のプローブ構造に関する。

半導体集積回路の高集積化により、回路を構成する個々の素子も微細化され、それに伴い製造工程中で行われる特性評価に用いられる試験装置も、微細な構造のプローブが必要とされている。

半導体集積回路の試験装置として用いられるプローブカードは、微細化構造に対応して、使用されるプローブも、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）技術により、微小な構造を高精度に製造している。

プローブの製造は、基台上に配列された複数の凹部に、金属材料を堆積させて接触子を形成し、その後順次、プローブのアーム部と合成樹脂フィルムの配線基板への固定部となる台座を、フォトリソグラフィ技術によって形成することにより、高密度に複数の微細プローブが製造される（例えば特許文献１，２等参照）。

フォトリソグラフィ技術により製作したプローブは、微細であるが故に強度を向上させる必要があり、プローブのアームを十分な厚さにする他、構造的には、アームを２枚の板材としたものがある（例えば特許文献３，４等参照）。

プローブカードは、複数のプローブが基板上に形成された配線パッド上に接合されており、破損した場合や、長期的な使用により摩耗した場合などは、新たなプローブに交換する作業が行われている。このプローブ交換についても、微細構造のプローブ交換であり、プローブ構造を含めて様々な方法が提案されている（例えば特許文献５，６等参照）。

特開２００７−２８５８０２号公報 特開２０１０−２８６３６０号公報 特開２０１０−２７６４２６号公報 特開２００４−１５６９９３号公報 特開２０１１−２２０２７号公報 特開２０１０−１５６６３２号公報

ＭＥＭＳ構造（ＭＥＭＳ技術としてのフォトグラフィ技術により製造された構造）により製造されるカンチレバー型のプローブは、メッキによる微細な組み立て部品の集合体であり、プローブが破損、摩耗した場合の交換は、破損プローブを除去することが難しいという問題があった。

特に、ＭＥＭＳ構造によるカンチレバー型プローブにおいて、アーム部に２枚の板材を使用したダブルアーム構造のプローブは、上下のアームが両端部においてスペーサを挟んで固定される構造となっており、同時に２枚のアームを、アームを固定している部材から引きはがす必要がある。

本発明は、シングルアーム構成及びダブルアーム構成のカンチレバー型プローブの交換をする際に、アーム部がアームを固定している部材から引き剥がし易いプローブ構造を提供することを目的としている。

本発明は、接触子と、一方の端部に前記接触子が取り付けられ、他方の端部が固定された板材で構成されたアーム部とから成るプローブを備え、アーム部の固定は、基板に接合された台座に、剥離層を介して接合されていることを特徴とするプローブカードである。

剥離層は、台座と基板の接合部よりも狭い面積である。

また、アーム部は、スペーサを介して下側アームと、下側アームの厚さと同等かより厚い上側アームの２つのアームを備えたダブルアーム構造とし、台座に剥離層を介して接合され、上側アームと下側アームで挟まれる台座側のスペーサの長さは、剥離層よりも短くし、下側アームが上側アームより長くしたことを特徴とするプローブカードである。

剥離層は、導電性の金属材料であり、アームと台座の材料より軟質の材料である。例えば剥離層の金属材料は、金、銀又は銅である。

交換用のプローブは、台座とフリップチップ実装法により剥離層を形成して接合され、フリップチップ実装法は、はんだ接合法、スタッドバンプ接合法又は超音波接合法のいずれかにより接合する。

さらに、フリップチップ実装法は、接合面に金メッキを施した剥離層を形成し、プラズマ照射により常温で接合することもできる。

本発明のカンチレバー型プローブプローブカードは、プローブが故障、破損又は先端部の摩耗が発生した場合に、容易にプローブを取り除くことができるように、剥離層を備えているので、常に一定の個所、即ち、剥離層部からプローブを取り除くことができ、修理が容易に行える。

剥離層は、台座と基板の接合部よりも狭い面積とすることにより接合強度を相対的に低下させて、剥離し易くしている。

また、アーム部を２枚の板で構成するダブルアーム構造のプローブでは、台座側のスペーサの長さを、台座の接合部より短くして下側アームを上側アームより長くする構造とすることで、通常のコンタクト方向では剥離力は弱く、逆方向に力を加えたときに、剥離力が強く働き、容易に同一箇所からプローブを分離することができる。

本発明による剥離層を備えたダブルアーム構成のカンチレバー型プローブの実施例の断面を示す図。 本発明による剥離層を備えたシングルアーム構成のカンチレバー型プローブの断面を示す図。 本発明によるカンチレバー型プローブを適用したプローブカードの実施例の外観図。 剥離層の無いダブルアーム構成のカンチレバー型プローブの断面を示す図。 図４に示した剥離層の無いダブルアーム構成のカンチレバー型プローブにおいて、アーム部が破損した状態を示す図。 図５に示したアーム部が破損した状態で、プローブを引き剥がす時の状態を説明する図。 本発明による剥離層を備えたダブルアーム構成のカンチレバー型プローブにおいて、アーム部が破損した状態を示す図。 図７に示した接触子側が破損した状態で、プローブを引き剥がす時の状態を説明する図。 本発明による剥離層を備えたダブルアーム構造のカンチレバー型プローブにおいて、接触子が摩耗して交換する場合の、プローブを引き剥がす状態を説明する図。 交換用プローブを示す図。

本発明は、プローブが故障等で交換が必要となった場合に、一定の個所から剥離できるように、剥離層を設けたことを特徴としており、以下に説明する。

図１は、本発明による剥離層を備えたダブルアーム構成のカンチレバー型プローブ１０の実施例の断面を示した図である。カンチレバー型プローブ１０の下側先端には、被測定物の電極に接触する接触子１２があり、２段に構成される接触子支持体１４の下面に下方に突き出た状態で取り付けられている。接触子支持体１４の上面には下側アーム１６が取り付けられている。さらに、下側アーム１６の上面には、一方の端部（接触子１２側）にスペーサＡ１８、他方の端部にはスペーサＢ２０を取り付け、さらにその両スペーサＡ、Ｂの上面に上側アーム２２が取り付けられて、２枚の板材からなるダブルアーム構造となっている。

上側アーム２２と台座２６は、剥離層２４を介して接合されている。さらに、台座２６は、基板２８と接合されている。

カンチレバー型プローブ１０は、交換が必要な場合として、下側アーム１６及び上側アーム２２の破損と接触子１２の摩耗がほとんどであり、カンチレバー型プローブ１０の交換は、上側アームと台座１６を分離することが望ましい。

従って、上側アーム２２と台座２６の間に剥離層２４を設けて、下側アーム１６及び上側アーム２２を持って、図１に於いては下側に引き剥がす力を加えると、剥離層２４から剥がれ易くしている。

このため、剥離層２４は導電性の金属材料であって、しかも他の構成要素より軟らかい金属、例えば、金、銀や銅をメッキして剥離層２４としている。

剥離層２４を介して接合される上側アーム２２と台座２６の接合部の面積は、台座２６と基板２８との接合部の面積よりも狭くして、構造的にも基板２８と台座２６の接合強度よりも、台座２６と上側アーム２２との接合強度が弱くなるような構造としている。

図１の実施例では、台座２６は基板２８側と剥離層２４側の長さが違う段付き形状としているが、基板２８側と剥離層２４側の長さが違う台形形状でも良い。

さらに、ダブルアーム構成のカンチレバー型プローブ１０では、台座側のスペーサＢ２０の長さを、剥離層２４よりも短くして下側アーム１６を上側アームより長くしている。この様な構造とすることにより、通常の電気的な試験を行うために、接触子１２を被測定物の電極に押圧したときに、剥離層２４での剥離する力が弱くなる。即ち、上側アーム２２は、接触子１２の押圧により、台座２６の接触子１２側の角部を支点とするモーメントが働くが、下側アーム１６に於いては、スペーサＢ２０の接触子１２側の角部を支点とするモーメントが働き、この時下側アーム１６により働く力は、支点となるスペーサＢ２０の角部に於いて上側アーム２２を押す方向に働くことになる。

このため、剥離層２４に於いては、接触子１２側とスペーサＢ２０の接触子１２側端部の２か所から押しつける圧力が働くことになり、剥離層２４からは分離しにくい力が作用する。

一方、上側アーム２２と台座２６の間からプローブを引き剥がす場合は、上側アーム２２と下側アーム１６の両アームを持って、図１においては下側に力を加えると、上側アーム２２及び下側アーム１６共に、台座側のアーム端部を支点としたモーメントとなる。このため、剥離層２４には引き剥がす力が加わることになり、分離し易い構造となっている。

さらに、上側アーム２２の厚さは、下側アーム１６と同等かより厚くすることにより、上側アームの断面二次モーメントが大きくなり一層の効果を発揮させることができる。

図２は、アームが１枚の板を使用しているシングルアーム構成のカンチレバー型プローブ３０の実施例の断面を示した図である。この場合も、図１のダブルアーム構成のカンチレバー型プローブと同様に、アーム１５と台座２６は剥離層２４を介して接合されている。剥離層２４を介するアーム１５と台座２６の接合面の面積は、台座２６と基板２８との接合面の面積より狭くして接合強度を相対的に弱くしている。このため、構造的にも剥離層２４で分離し易くしている。

図３は、本発明によるカンチレバー型プローブ１０又はカンチレバー型プローブ３０が取り付けられているプローブカード３２の一例であり、外観を示している。プローブ基板３６には、図１又は２で示したカンチレバー型プローブが複数個搭載されており、複数のカンチレバー型プローブに電気的に接続される配線を有したプローブカード基板３４に組み込まれている。

被測定物である集積回路の電極に、プローブカードに搭載したプローブの接触子１２を接触させて電気的特性を試験する。通常、プローブカード３２は、図３で示した外観図のプローブ基板３６側を下方に向けて、被測定物に圧接する。

電気的測定時には、アーム先端の接触子が上下に移動するため、アームも固定端を支点としてアーチ状に折り曲げられ、繰り返し動作によるアームの破損や接触子の先端の摩耗により使用できないプローブが発生して交換が必要となり、プローブまたはアームをプローブカードから分離する作業を行わなければならない。

本発明は、この場合にプローブまたはアームを分離しやすくする剥離層が設けられており、その効果を説明するために、まず、従来の剥離層が無い場合について説明する。

図４は、ダブルアーム構成によるカンチレバー型プローブであり、剥離層の無いカンチレバー型プローブ４０を示している。図１に対して、構造的に剥離層を除いて他の構造は同様である。

図５は、図４で示したダブルアーム構成によるカンチレバー型プローブ４０の上側アーム２２と下側アーム１６が損傷した場合を示している。図５に於いて、上側アーム２２と下側アーム１６の矢印の部分が損傷して取れてしまった状態である。なお、交換は図３に示したプローブカードのプローブ基板３６面を上にして行われるので、以下図面は接触子１２が上方を向いた形状で示す。

図６は、図５に示した損傷したカンチレバー型プローブの上側アーム２２と台座２６とを分離させようとする場合を示している。図６（Ａ）は、損傷した上側アーム２２と下側アーム１６の先端に、矢印で示す方向に力を加えた状態である。この場合、上側アーム２２と台座２６の接合強度が強く、上側アーム２２と台座２６の接合面から分離するのは難しい。このため、図６（Ｂ）示すように、上側アーム２２と下側アーム１６が曲がるだけで、著しい場合には、上側アーム２２と下側アーム１６のアームだけが裂けてしまうこともある。

次に、剥離層がある場合について説明する。

図７は、図１に示したダブルアーム構成によるカンチレバー型プローブ１０において、矢印でしめす個所で上側アーム２２と下側アーム１６が損傷した場合を示している。

図８は、図７で示したようにダブルアーム構成によるカンチレバー型プローブ１０のアームが損傷して無くなった場合に、上側アーム２２と台座２６とを分離させようとしている場合を示している。

図８（Ａ）は、損傷した上側アーム２２と下側アーム１６の先端に、矢印で示す方向に力を加えた状態である。この場合、剥離層２４が存在するために、剥離層２４での上側アーム２２と台座２６の接合強度は弱く、剥離層２４が断裂して、図８（Ｂ）に示すように、上側アーム２２と台座２６の接合面から分離できる。

図９は、図１に示したダブルアーム構成によるカンチレバー型プローブ１０の接触子１２が摩耗により使用できなくなった場合に、上側アーム２２と台座２６とを分離させようとしている場合を示している。

図９（Ａ）は、損傷した上側アーム２２と下側アーム１６の先端に、矢印で示す方向に力を加えた状態である。
この場合も図８で説明したと同様に、剥離層２４が存在するために、剥離層２４での上側アーム２２と台座２６の接合強度は弱く、剥離層２４が断裂して、図９（Ｂ）に示すように、上側アーム２２と台座２６の接合面から分離できる。

この様に、上側アーム２２と下側アーム１６が損傷した場合と、接触子１２が摩耗した場合について、剥離層２４がある場合を説明したが、いずれの場合も、常に一定の個所、即ち剥離層２４の面で容易に分離可能である。

図１０は、ダブルアーム構成の交換用プローブ５０を示している。接触子１２、接触子支持体１４、下側アーム１６、スペーサＡ１８、スペーサＢ２０と上側アーム２２からなり、上側アーム２２と台座の接合面には、剥離層２４が形成されている。

剥離層２４は、金メッキが施されている。この金メッキは、無電解メッキであり、軟質金がメッキされている。このメッキ層は、フリップチップ実装でのバンプと呼ばれる接続用金属に相当する。交換用プローブ５０は、剥離層２４（メッキ層）を台座に向けて直接電気的接続することで、プローブカードに実装される。接合方法は、例えばはんだ接合法、スタッドバンプ接合法又は超音波接合法等が適用可能である。

交換用プローブ５０は、微細な接合部を瞬間的に加熱して接合するが、具体的なはんだ接合法との一例としてパルスヒート接合がある。接合物を押えて圧力を加えるためのリフロヘッドと電気を流すためのパルスヒート電源で構成されたパルスヒートユニットを使用する。パルスヒートユニットは、金属でできたヒータチップ（こて先）に電気を流し抵抗発熱させてはんだを溶かし、はんだが溶けたら電気を流すのを止めて冷やし、接合を行う。

フリップチップ実装でのはんだ接合法、スタッドバンプ接合法又は超音波接合法等は、温度が１５０℃から３００℃加わるのに対して、温度を加えない常温実装技術とは，高速原子ビームや高周波プラズマを金属接合表面に照射して接合表面を清浄化活性化することによって常温接合する方法もある。この場合、台座２６にも金メッキが施されている。

高周波プラズマ等を金メッキされた接合表面に照射して接合面を表面活性化させ、フリップチップ実装を行う。高周波プラズマ照射後は、金メッキされた面は接合表面の不純物が除去され、接触面同士を接触させ加圧することで常温接合が行われる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明はその目的と利点を損なうことのない適宜の変形を含み、更に、上記の実施形態による限定は受けない。

１０，３０，４０ カンチレバー型プローブ
１２ 接触子
１４ 接触子支持体
１５ アーム
１６ 下側アーム
１８ スペーサＡ
２０ スペーサＢ
２２ 上側アーム
２４ 剥離層
２６ 台座
２８ 基板
３２ プローブカード
３４ プローブカード基盤
３６ プローブ基板
５０ 交換用プローブ

Claims (8)

1. 接触子と、
   一方の端部に前記接触子が取り付けられ、他方の端部が固定された板材で構成されたアーム部と、
   から成るプローブを備え、
   前記アーム部の固定は、基板に接合された台座に、剥離層を介して接合され、
   前記アーム部は、スペーサを介して前記接触子側にある下側アームと、前記下側アームの厚さと同等かより厚い前記台座側にある上側アームの２つのアームを備えたダブルアーム構造であり、前記スペーサは、前記下側アームと前記上側アームの両端部に備えられ、
   前記上側アームと前記下側アームで挟まれるスペーサの内、台座側のスペーサの長さは、剥離層よりも短くし、前記下側アームを前記上側アームより長くすること、
   を特徴とするプローブカード。
2. 請求項１に記載のプローブカードにおいて、
   前記剥離層は、前記台座と前記基板の接合部よりも狭い面積であること、
   を特徴とするプローブカード。
3. 請求項１乃至２のいずれかに記載のプローブカードにおいて、
   前記剥離層は、導電性の金属材料であること、
   を特徴とするプローブカード。
4. 請求項３に記載のプローブカードにおいて、
   前記剥離層は、前記アーム部と前記台座の材料より軟質の材料であること、
   を特徴とするプローブカード。
5. 請求項４に記載のプローブカードにおいて、
   前記剥離層の金属材料は、金、銀又は銅であること、
   を特徴とするプローブカード。
6. 接触子と、一方の端部に前記接触子が取り付けられ、他方の端部が固定された板材で構成されたアーム部とから成るプローブを備え、
   前記アーム部の固定は、基板に接合された台座に、剥離層を介して接合され、
   前記アーム部は、スペーサを介して前記接触子側にある下側アームと、前記下側アームの厚さと同等かより厚い前記台座側にある上側アームの２つのアームを備えたダブルアーム構造であり、前記スペーサは、前記下側アームと前記上側アームの両端部に備えられ、
   前記上側アームと前記下側アームで挟まれるスペーサの内、台座側のスペーサの長さは、剥離層よりも短くし、前記下側アームを前記上側アームより長くした、
   プローブカードの交換用のプローブは、
   前記台座とフリップチップ実装法により剥離層を形成して接合されること、
   を特徴とするプローブカードの製造方法。
7. 請求項６に記載のプローブカードの製造方法において、
   前記フリップチップ実装法は、はんだ接合法、スタッドバンプ接合法又は超音波接合法のいずれかであること、
   を特徴とするプローブカードの製造方法。
8. 請求項６に記載のプローブカードの製造方法において、
   前記フリップチップ実装法は、接合面に金メッキを施した剥離層を形成し、プラズマ照射により常温で接合すること、
   を特徴とするプローブカードの製造方法。