JP5968158B2 - コンタクトプローブ及びプローブカード - Google Patents

Description

本発明は、通電試験等に用いられるカンチレバー型のコンタクトプローブ及びプローブカードに関するものである。

昨今の技術開発によって半導体集積回路が高密度化、高集積化し、これに伴って、半導体集積回路の電極パッドも小さくなっている。これに対して、半導体集積回路の安定した通電試験を行うためには、電極パッドの大きさに合わせてコンタクトプローブの先端を小さくする必要がある。さらに、コンタクトプローブに荷重をかけた際（電極パッド側からの反力によってコンタクトプローブ先端部が持ち上げられるオーバードライブの際）の先端スクラブ量も少なくする必要がある。

従来、回路の高密度化等により小さくなった電極パッドに対応して、スクラブ量を少なくした技術としては、例えば、特許文献１に記載のカンチレバー型のコンタクトプローブや、特許文献２に記載の垂直型のコンタクトプローブがある。

垂直型のコンタクトプローブ（垂直型プローブ）の場合は、プローブカード側に接続されて支持されている支点部（フット部）と、回路側の電極パッドに接触する先端部とが、ＸＹ方向（水平方向）に離れていないため、スクラブはほとんど発生しない。しかし、垂直型プローブの場合は、プローブカード組立時において、プローブのプローブカードへの接続が難しく、また原理上各プローブ間のピッチに制約があるため、回路の高密度化等により小さくなった電極パッドに対応することが難しい。

これに対して、上記カンチレバー型のコンタクトプローブの場合は、回路の高密度化等により小さくなった電極パッドに対応することができる。さらに、上記カンチレバー型のコンタクトプローブの場合は、フット部と先端部とがＸＹ方向で離れているが、オーバードライブ（以下「ＯＤ」という）をかけた際に、このＯＤに応じて上記電極パッドの大きさの範囲内でスクラブが発生するように設定されている。

特開２００９−２２９４１０号公報 特開２００９−１６２４８３号公報

ところが、上記従来のカンチレバー型のコンタクトプローブには、次のような問題がある。

従来のコンタクトプローブは、ＯＤをかけた際に、ＯＤに応じて電極パッド上で一定のスクラブが発生していたが、回路の高密度化等がさらに進むと、電極パッドへの対応が難しくなる。即ち、回路の高密度化等により電極パッドがさらに小さくなると、相対的にスクラブ量が大きくなり、スクラブ時にコンタクトプローブの先端部が電極パッド外にはみ出してしまうようになるという不具合が発生する。

また、各コンタクトプローブ間の高さばらつきやプローブカードの歪み等があると、各プローブにかかる実効ＯＤ量が、１つのプローブカード面内の各コンタクトプローブ間で異なってしまうという不具合がある。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたもので、電極パッドの更なる小型化に対応し、かつ各プローブにかかる実効ＯＤ量の違いにかかわらずスクラブ量を一定範囲内にできるコンタクトプローブ及びプローブカードを提供することを目的とする。

本発明に係るコンタクトプローブは、テスタ側のプローブカード基板に支持されて被試験回路の電極パッドへ延出され、上記テスタ側と上記被試験回路の電極パッドとを電気的に接続するコンタクトプローブであって、基端部に位置して上記テスタ側のプローブカード基板に取り付けられる取付部と、先端部に位置して上記被試験回路の電極パッドに接触される接触部と、これらの間に位置して上記接触部を弾性的に支持するアーム部とを備え、上記接触部は、上記アーム部の先端部に一体的に取り付けられた台座部の下端部に設けられ、上記アーム部は、上記台座部を支持して当該台座部の上下動を許容する一側アーム片と、上記台座部を支持して当該台座部の傾斜角度を、上記接触部のスクラブ量を小さくするように調整する他側アーム片とを備え、上記他側アーム片は、先端部側から延びる先端側湾曲アーム片と、基端部側から延びる基端側湾曲アーム片と、上記先端側湾曲アーム片と上記基端側湾曲アーム片とが互いに接続して形成された環状の膨出部とから構成されたことを特徴とする。

本発明に係るプローブカードは、上記コンタクトプローブを用いたことを特徴とする。

本発明に係るコンタクトプローブ及びプローブカードは、電極パッドの更なる小型化に対応することができる。また、プローブカードの歪み等により各プローブにかかる実効ＯＤ量が違っても、スクラブ量を一定範囲内とすることができる。

本発明の実施形態に係るコンタクトプローブを示す正面図である。 本発明の実施形態に係るコンタクトプローブを示す背面図である。 本発明の実施形態に係るコンタクトプローブを示す斜視図である。 本発明の実施形態に係るコンタクトプローブの先端側湾曲アーム片及び基端側湾曲アーム片の比率を示す正面図である。 本発明の実施形態に係るコンタクトプローブの先端側湾曲アーム片の基端部１１ａ及び先端部１１ｂ並びに基端側湾曲アーム片の基端部１２ｃ及び先端部１２ｄの比率（１１ａ：１１ｂ、１２ｃ：１２ｄ）を適宜変えたときの、オーバードライブ量と接触部のスクラブ量との関係を示すグラフである。 本発明の実施形態に係るコンタクトプローブの先端側湾曲アーム片の基端部１１ａ及び先端部１１ｂ並びに基端側湾曲アーム片の基端部１２ｃ及び先端部１２ｄの比率（１１ａ：１１ｂ、１２ｃ：１２ｄ）を適宜変えたときの、オーバードライブ量と接触部のスクラブ量との関係を示すグラフである。 本発明の実施形態に係るコンタクトプローブのオーバードライブ量と接触部の先端角度との関係を示すグラフである。 本発明の実施形態に係るコンタクトプローブの接触部の平坦面が電極パッドの表面に対して整合した状態を示す要部拡大図である。 本発明の実施形態に係るコンタクトプローブの接触部の平坦面が電極パッドの表面に対して傾斜した状態を示す要部拡大図である。

以下、本発明の実施形態に係るコンタクトプローブ及びプローブカードについて、添付図面を参照しながら説明する。本実施形態のコンタクトプローブは、検査対象となる半導体デバイスの数および、各デバイスの電極パッドの数に応じてプローブカードに組み込まれる。即ち、複数のコンタクトプローブがプローブカードに取り付けられる。このプローブカードは、複数のコンタクトプローブを支持して、半導体デバイス等を試験するテスタに取り付けられる。プローブカードとしては、例えば特許文献１の図１に示されるプローブカードがあるが、本実施形態に係るコンタクトプローブを取り付けることができるすべてのプローブカードに本発明を適用することができる。このため、プローブカード自体の説明は特許文献１等に委ね、以下ではこのようなプローブカードに取り付けられるコンタクトプローブを中心に説明する。

本実施形態のコンタクトプローブは、図１〜４に示すように、カンチレバー型のコンタクトプローブである。このコンタクトプローブ１は、
例えば金属材料のメッキによって形成される。このコンタクトプローブ１の寸法は、数ｍｍ程度である。コンタクトプローブ１は主に、基端部（図１中の右上の端部）に位置する取付部２と、先端部（図１中の左下の端部）に位置する接触部３と、これらの間に位置するアーム部４とを備えて構成されている。

上記取付部２は、上記テスタ側のプローブカードに取り付けられる部分である。取付部２は、略四角板状に形成されている。この取付部２には支持棒部６が形成されている。支持棒部６は、取付部２から下方に延びた棒材で構成されている。上記アーム部４の基端部は、この支持棒部６に一体的に取り付けられている。

上記接触部３は、被試験回路の電極パッド(図示せず)と接触する部分である。上記接触部３は、台座部７の先端部（下端部）に設けられている。この台座部７は、上記アーム部４の先端部に一体的に取り付けられている。台座部７は、上記アーム部４に支持されて、上下動する部材である。後述する理由により、ＯＤをかけた際に、台座部７が上下動して、接触部３のスクラブ量を、電極パッドの寸法以内に収めるようになっている。

上記アーム部４は、上記接触部３を弾性的に支持するための部材である。上記アーム部４は、上記金属材料等によって構成されることで、弾性的に変形するようになっている。上記アーム部４は、下側アーム片８と、上側アーム片９とから構成されている。

下側アーム片８は、上記台座部７（接触部３）を支持して、ＯＤに伴う台座部７（接触部３）の上下動を許容するための一側アーム片である。下側アーム片８は、直線状の棒材で構成されている。下側アーム片８は、取付部２側の支持棒部６と、接触部３側の台座部７とに一体的に取り付けられている。これにより、下側アーム片８は、ＯＤをかけた際に、その先端部に固定された上記台座部７（接触部３）を、その基端部（取付部２側の支持棒部６との接続部）を回転中心にした円弧を描くように支持する。

一方、上側アーム片９は、上記台座部７（接触部３）を支持して、接触部３のスクラブ量を小さくするように傾斜角度を調整するための他側アーム片である。上側アーム片９は、湾曲した棒材で構成されている。具体的には、上側アーム片９は、先端部（接触部３）側から延びる先端側湾曲アーム片１１と、基端部（取付部２）側から延びる基端側湾曲アーム片１２とから構成されている。先端側湾曲アーム片１１は、上方へ突出した（下方に曲率中心が位置する）湾曲棒材で構成されている。基端側湾曲アーム片１２は、下方へ突出した（上方に曲率中心が位置する）湾曲棒材で構成されている。この先端側湾曲アーム片１１と基端側湾曲アーム片１２とが、その先端位置と中間位置とで互いに一体的に接続して、上側アーム片９を構成している。

ここで、先端側湾曲アーム片１１のうち、基端側湾曲アーム片１２の接触部側端部１３との接続部分１４を境に、基端部１１ａ及び先端部１１ｂ（図４参照）とする。そして、これらが以下に述べる比率になっている。また、基端側湾曲アーム片１２のうち、先端側湾曲アーム片１１の基端部側端部１５との接続部分１６を境に、基端部１２ｃ及び先端部１２ｄ（図４参照）とする。そして、これらが以下に述べる比率になっている。

さらに、先端側湾曲アーム片１１の先端部１１ｂと、基端側湾曲アーム片１２の先端部１２ｄとが互いに環状に接続して、膨出部１８を構成している。この膨出部１８は、略楕円状に形成されている。この環状の膨出部１８の内部は空洞である。

このような膨出部１８を備えた上側アーム片９は、調整機能を備えている。この調整機能とは、具体的には、外力（接触部３が上記被試験回路の電極パッドに接触するときの反力）によって先端側湾曲アーム片１１及び基端側湾曲アーム片１２が撓んで（弾性変形して）、それらの曲率を変えることで、上側アーム片９が伸縮して、直接的に上記台座部７の傾斜角度を調整し、この台座部７の傾斜角度の調整によって間接的に接触部３の先端角度を調整するものである。ここで、先端角度とは、接触部３の先端（下端）の平坦面３ａ（図８参照）と電極パッドの表面２０（図８参照）とのなす角度である。接触部３の平坦面３ａが電極パッドの表面２０に整合した状態（台座部７の傾斜角度が０度で、接触部３の平坦面３ａと電極パッドの表面２０との間に隙間がない図８の状態）が先端角度０度である。そして、台座部７が傾斜して、接触部３の平坦面３ａが電極パッドの表面２０に対して傾斜すると、先端角度が大きくなる（図９参照）。

上記台座部７の傾斜角度の調整は、接触部３のずれ（電極パッド外へはみ出すずれ）を吸収するためである。接触部３の先端角度の調整は、この先端角度を小さくすることで、接触部３の平坦面３ａと電極パッドの表面２０とを極力広い面積で良好に接触させるためである。このとき、上記台座部７の傾斜角度の調整は、接触部３の先端角度の調整に優先して行われる。具体的には、まず、接触部３が電極パッド外へはみ出さないように台座部７の傾斜角度が調整され、次いで、接触部３が電極パッド外からはみ出さない範囲で、接触部３の先端角度が極力小さくなるように調整される。

このとき、膨出部１８は、外力により弾性変形して、細長い略楕円形の状態から、ＯＤ量に応じて円形に近づく方向へ膨らむようになっている。これにより、台座部７の傾斜角度（接触部３の先端角度）を矯正して、接触部３のスクラブ量を小さくするように（少なくとも電極パッドの寸法以内におさめるように）調整する。即ち、垂直型プローブと同等のロッキングモーション量になるように、台座部７の傾きを膨出部１８で矯正するようになっている。

［解析例］
次に、上記構成の先端側湾曲アーム片１１の基端部１１ａ及び先端部１１ｂ並びに基端側湾曲アーム片１２の基端部１２ｃ及び先端部１２ｄの比率（１１ａ：１１ｂ、１２ｃ：１２ｄ）を変えて、接触部３のスクラブ量を解析した。この解析にはＦＥＭ解析法を用いた。

ここでは、１１ａ：１１ｂ＝３：７、１２ｃ：１２ｄ＝３：７の比率のアームを、実際に試作して評価を行うと共に、これを適宜変更して解析を実施した。即ち、１２ｃ：１２ｄ＝３：７を固定し、１１ａ：１１ｂを変更して解析を実施した。また、１１ａ：１１ｂ＝３：７を固定し、１２ｃ：１２ｄを変更して解析を実施した。この結果、以下の表１のようになった。

なお、上記表１において、一方を３：７で固定した場合の他方の比率（11ａ：11ｂ、12ｃ：12ｄ）を１：９〜６：４までとしたのは、これらの比率よりも大きい場合（７：３、８：２、９：１の場合）、膨出部１８を形成できない形状となるためである。

これらの組み合わせで解析を行った結果を図５，図６のグラフ１およびグラフ２にそれぞれ示す。図５に示すグラフ１は、従来品及び上記表１の１〜６の比率のコンタクトプローブ１の結果を示す。図６に示すグラフ２は、従来品及び上記表１の７〜１２の比率のコンタクトプローブ１の結果を示す。

図５のグラフ１では、従来品が、ＯＤ量の増加にほぼ比例してスクラブ量がほぼ線形的に増加しているのに対して、上記表１の１〜６の比率のコンタクトプローブ１では、ＯＤ量の増加にかかわらず、スクラブ量の変化は小さかった。一方、図６のグラフ２では、上記表１の１２の比率（ａ：ｂ＝３：７、ｃ：ｄ＝６：４）のコンタクトプローブ１のとき、従来品と同様に、ＯＤ量にほぼ比例してスクラブ量がほぼ線形的に増加した。他の比率のコンタクトプローブ１は、ＯＤ量の増加にかかわらず、スクラブ量の変化は小さかった。即ち、上記表１の１〜１１の比率のコンタクトプローブ１は、ＯＤ量３０μｍ〜１８０μｍ程度の範囲で、スクラブ量の変化がほとんどなかった。これは、ＯＤ量を３０μｍ〜１８０μｍの幅で変えても、スクラブ量は変わらずに安定していることを示している。

また、ＯＤ量と接触部３の先端角度との関係を図７のグラフに示す。このグラフから分かるように、従来品も本発明品（図示の例では１１ａ：１１ｂ＝３：７、１２ｃ：１２ｄ＝３：７）も共に、ＯＤ量の増加に伴って、接触部３の先端角度が大きくなっているが、この先端角度の変化量は、本発明品が、従来品に比べて小さくなっている。即ち、ロッキングモーションが小さくなっていることを示している。例えば、ＯＤ量１００μｍでは、本発明品の先端角度の変化量は、従来品の２５％程度になっている。この先端角度の違いは、上記比率の上側アーム片９の調整機能によるものである。

仮に、アーム部４が通常の平行リンク機構で構成されている場合は、台座部７は、円弧を描きながら平行移動することとなる。即ち、台座部７は、その傾斜角度を変えることなく、アーム部４と支持棒部６との接合部を回転中心とし、アーム部４の全長を半径とする円弧を描きながら平行移動する。この結果、接触部３が電極パッド外にはみ出してしまう。

しかし、上記アーム部４の上側アーム片９は、膨出部１８を備えた特殊な形状を有して伸縮し、図７のグラフのように、接触部３の先端角度をＯＤ量に合わせて、従来よりも小さい角度で傾斜させる。この角度は、接触部３の上記電極パッド外へのはみ出しを解消する角度である。即ち、上記台座部７の平行移動（円弧を描く平行移動）による、接触部３のずれ（電極パッド外へはみ出すずれ）を吸収して、図５及び図６のように、接触部３のスクラブ量がほとんど変わらないように調整するための角度である。

これにより、台座部７は、アーム部４の下側アーム片８の全長を半径とする円弧を描きながら平行移動する際に、上側アーム片９が撓み、膨出部１８が変形して、設定角度だけ傾いて上記平行移動によるずれを吸収して、接触部３のスクラブ量がほとんど変わらないようにしている。

このため、１１ａ：１１ｂが１：９〜６：４の範囲、１２ｃ：１２ｄが１：９〜５：５の範囲にあるものを、本実施形態の上側アーム片９の最適な構成とする。

［効果］
プローブカードの歪み等により各コンタクトプローブ１にかかる実効ＯＤ量にばらつきが生じても、各コンタクトプローブ１でのスクラブ量を一定範囲内に収めることができるようになる。即ち、ＯＤ量の違いにかかわらず、スクラブ量が略一定でほとんど変化しないため、複数のコンタクトプローブ１間に高さのばらつきがあったり、プローブカードに歪みがあったりして、各接触部３の間に高さのばらつきがあっても、各接触部３のスクラブ量にはほとんど違いがない。

この結果、複数のコンタクトプローブ１間に高さのばらつき等があった場合、それを調整しなくても、均一なスクラブマークを得ることができる。これにより、各接触部３を各電極パッドに正確にコンタクトさせることができるため、検査精度が向上すると共にテスタに対する信頼性が向上する。

さらに、均一なスクラブマークを得ることができると共に、ロッキングモーションも小さいため、各接触部３の先端クリーニング時の先端摩耗量が小さくなり、各接触部３の寿命を延ばすことができる。

また、図７のグラフのように、各接触部３のロッキングモーションが小さい点は垂直型プローブと近似するため、垂直型プローブに代えて本実施形態のコンタクトプローブ１を用いることができる。即ち、上記各接触部３の先端形状及びスクラブ痕を、上記垂直型プローブの先端形状及びスクラブ痕と同一にすることで、これまで垂直型プローブを使用して検査を行っていた被検査物（例えば、ハンダバンプ等）にも本実施形態のコンタクトプローブ１を用いることができる。

この結果、垂直型プローブに代えて本実施形態のコンタクトプローブ１を用いることで、狭ピッチに配置することが可能となるため、垂直型プローブでは困難であった、狭ピッチの電極パッドへのコンタクト測定検査が可能となる。

また、電極パッドに対する接触部３の先端寸法は、以下の表２のようになっている。

ここで、電極パッドに対する接触部３の先端占有率は、先端大きさ÷電極パッド面積で計算する。また、電極パッドに対するスクラブマーク占有率は、スクラブマーク大きさ÷電極パッド面積で計算する。

表２のように、電極パッド寸法は、年々小さくなってきており、今後もその傾向が続くと予想される。これに対して従来は、電極パッド寸法に応じて先端大きさを小さくしてきたが、先端強度もサイズに応じて減少するため、現状以上に小さくすることは難しい。このため、電極パッド寸法が小さくなっていけば、電極パッドに対する接触部３の先端占有率は、大きくなっていく一方である。

また、電極パッドに対するスクラブマーク占有率は、パッドのエッジマージンを考慮すると、５％以下が望ましいが、ロードマップ上では２０１３年から６％を超える。

これに対して、本発明品では、先端の大きさを変更せずに、電極パッドに対するスクラブマーク占有率を減少させることができ、対応できる電極パッド寸法も最小で２７×３７μｍ²まで小さくすることが可能となる。

これにより、本発明のコンタクトプローブ１は、電極パッドの更なる小型化に対応することができるようになる。

［変形例］
上記実施形態では、膨出部１８をアーム部４の上側アーム片９に設けたが、膨出部１８を下側アーム片８に設ける場合もある。上記実施形態では、アーム部４は水平に配設されているため、オーバードライブがかかると、先端の台座部７は上方の基端側（図１中の上方の右側）へ円弧を描くように移動する。しかし、アーム部４が水平よりも下方へ配置されている場合は、アーム部４が水平になるまでは、上記と逆に、先端の台座部７は上方の先端側（図１中の上方の左側）へ円弧を描くように移動する。この場合は、膨出部１８をアーム部４の下側アーム片８に設けて、台座部７を上記実施形態の場合と逆の方向に傾斜するように制御する。

これによっても上記実施形態と同様の作用、効果を奏することができる。

なお、本発明は上記実施形態や変形例に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化することが可能である。また、上記実施形態や変形例に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。

１：コンタクトプローブ、２：取付部、３：接触部、３ａ：接触部３の平坦面、４：アーム部、６：支持棒部、７：台座部、８：下側アーム片、９：上側アーム片、１１：先端側湾曲アーム片、１１ａ：基端部、１１ｂ：先端部、１２：基端側湾曲アーム片、１２ｃ：基端部、１２ｄ：先端部、１３：接触部側端部、１４：接続部分、１５：基端部側端部、１６：接続部分、１８：膨出部、２０：電極パッドの表面。

Claims (3)

1. テスタ側のプローブカード基板に支持されて被試験回路の電極パッドへ延出され、上記テスタ側と上記被試験回路の電極パッドとを電気的に接続するコンタクトプローブであって、
   基端部に位置して上記テスタ側のプローブカード基板に取り付けられる取付部と、先端部に位置して上記被試験回路の電極パッドに接触される接触部と、これらの間に位置して上記接触部を弾性的に支持するアーム部とを備え、
   上記接触部は、上記アーム部の先端部に一体的に取り付けられた台座部の下端部に設けられ、
   上記アーム部は、上記台座部を支持して当該台座部の上下動を許容する一側アーム片と、上記台座部を支持して当該台座部の傾斜角度を、上記接触部のスクラブ量を小さくするように調整する他側アーム片とを備え、
   上記他側アーム片は、先端部側から延びる先端側湾曲アーム片と、基端部側から延びる基端側湾曲アーム片と、上記先端側湾曲アーム片と上記基端側湾曲アーム片とが互いに接続して形成された環状の膨出部とから構成された
   ことを特徴とするコンタクトプローブ。
2. 請求項１に記載のコンタクトプローブにおいて、
   上記膨出部は、オーバードライブに伴う外力で上記先端側湾曲アーム片及び上記基端側湾曲アーム片が撓むことにより弾性変形して上記台座部の傾斜角度を調整することで、上記接触部の先端角度を調整することを特徴とするコンタクトプローブ。
3. 被試験回路の電極パッドに接触するコンタクトプローブを複数支持したプローブカードであって、
   上記コンタクトプローブとして請求項１又は２に記載のコンタクトプローブを用いたことを特徴とするプローブカード。

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