JP6317887B2 - プローブ先端部材およびその使用方法 - Google Patents

Description

本発明は、電気回路の電圧や電気抵抗などを測定するプローブの先端部材に関する。

電気回路の導通や、一定電流で正常な働きをするかどうかを検査するために、プローブは一般的に使用されている。

プローブ先端の直接測定対象に接触する部分をプローブ先端部材と呼ぶ。

プローブ先端部材は、測定対象の回路や、接触対象の形状などにより、様々な材質および形状が提案されている。

プローブ先端部材として一般的に用いられる材質は、リン青銅、ステンレス鋼、洋白、真鍮、特殊鋼であるＳＫ材（ＳＫ−２、ＳＫ−４、ＳＫ−５、ＳＫ−６、ＳＫ−７など）、ばね用の鉄合金であるＳＷＰ材などであり、また、これらの材質に金メッキ、銀メッキ、ニッケルメッキ、ロジウムメッキなどされたものも多用されている。

形状については棒状の金属部材の先端に、接触対象の形状に対応した様々な形状があり、単純棒状、単数または複数の針状、半球状などが提案されている。

特許文献１には複数の端子を有する集積回路検査用のプローブカード装置が提案されている。プローブ先端部材にはタングステン銅（タングステンと銅は合金化しないため、タングステン銅複合材料を指す）が先細形状に形成された例が示されている。

特許文献２にはプローブ母材の先端に金属粒子をパルス放電により接合し、さらに形状加工することによって得られるプローブが開示されている。プローブ母材の材質はタングステン、レニウム−タングステン合金、ＷＣやＷＳｉのようなタングステン化合物、ＭｏＳｉなどの高融点金属化合物から選択でき、先端部分の被覆する金属粒子は銀−銅−パラジウム合金が記載されている。

特許文献３には同一平面状に多数の尖った先端部を有する、母材の先端部分を２層にコーティングしたプローブが開示されている。母材は銅合金、鉄合金、ニッケル合金、アルミニウム合金、タングステン、モリブデンなどから選択でき、検査対象に直接接する部分はＴｉＮのような硬質の導電性金属化合物で形成されている。

特許文献４にはピン状のプローブ先端部材先端材にタングステン銅（複合材料）を用いた技術が開示されている。

特開２００６−１０５８０１号公報 特開２００５−１０６６９０号公報 特開平０４−３５１９６８号公報 特開２００６−４１０７３号公報

電力の変換や制御を行なう電力用半導体の中で、近年増加傾向にあるのが「パワーデバイス」と呼ばれる高耐圧、大電流を制御できる装置である。一例としてＧＴＯ（Ｇａｔｅ Ｔｕｒｎ−Ｏｆｆ Ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ）やバイポーラパワートランジスタ、パワーＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、トライアックなどが挙げられる。

パワーデバイスの各部品の製造過程において前述のプローブを用いた電気的な検査が行なわれる。パワーデバイスの検査は、以下の理由により従来のプローブを用いて行うことは困難である。
（Ａ）プローブ先端部材とデバイスとの間にホコリが噛みこむと、導通が正常でなくなる。デバイス側が平面または平坦な形状の場合は、平面部分でプローブ先端部材と接触するために、プローブ先端部材の形状でホコリが噛みこまないようにする必要がある。プローブ先端部にはデバイス面と平行に近い部分があればホコリの噛み込みやつぶれが生じるために、プローブ先端部は針状または錘状とする必要がある。プローブ先端とデバイスの接触は可能な限り「点接触」に近いほうが望ましい。このことを便宜的に「略点接触」と表現する。
（Ｂ）略点接触では、検査時にできる回路中で接触部分だけが極端に狭くなるために、電気抵抗値が大幅に増大する。これを緩和するためには、同時にパワーデバイスに接触する針状または錘状の先端部分を複数設ければよい。接触点の数が増えることで、その部分は並列回路となり、電気抵抗の増大は若干緩和される。だが、このように緩和した場合でも、大電流を流す場合には略点接触部分から発熱が起こる。この発熱によりデバイスの破壊や、針状のプローブ先端部の溶融や軟化が起こる。溶融や軟化した場合は、プローブ先端は略点接触を維持できる形状ではなくなる。
（Ｃ） （Ａ）（Ｂ）に加えて、プローブ先端部材が十分な耐摩耗性を有する必要がある（通常のプローブ先端部材は数万〜数１０万回の使用が可能）
つまり、高電流の導通が必要なパワーデバイス部材の検査には、以下の全てを満たすプローブ先端部材が必要となる。

（１）先端を針状または錘状に加工可能であること
（２）略点接触部分での電気抵抗値の極端な増大を防ぐために、材料自体の電気抵抗率が低いこと
（３）デバイスを破壊しない程度の温度での使用で、先端が溶融または軟化しないこと
（４）繰り返し使用に十分な耐摩耗性を有すること（耐摩耗性が低いと、摩耗により略点接触が維持できなくなる）
（５）使用中に温度の上昇があっても、大気中の酸素等と反応にくく、電気抵抗率の異なる化合物を生成にくいこと

本発明では、前記の課題を解決するために、Ａｇ（銀）とＷＣ（タングステンカーバイド）を主成分とした材料にてプローブ先端部材を形成する。

Ａｇ（銀）とＷＣ（タングステンカーバイド）を主成分とした材料でプローブ先端部材を製造することで、電気抵抗率が低く、耐摩耗性が高く、針状や錘状の精密加工が可能であり、大気中で数百℃まで温度が上がっても軟化せずに化学変化を起こしにくいプローブ先端部材が得られる。

このプローブ先端部材を用いることにより、大電流を必要とする半導体の検査が問題なく実施できる。

錘状の先端を有するプローブ先端部材の斜視図を示す 錘状の先端を有するプローブ先端部材の断面図を示す

本発明のプローブ先端部材は、ＡｇとＷＣを主成分とした複合材料で構成する。

ＡｇとＷＣを主成分とする材料の組織は大きく以下の２つに分類できる。
（組織１）Ａｇマトリックス中にＷＣ粒子が分散している組織
（組織２）ＷＣ粒子が３次元的にネッキングして連続した開気孔を有する多孔体を形成し、その開気孔部分にＡｇを充填した組織
本発明に用いるＡｇとＷＣを主成分とした材料は、上のいずれでも構わない。

一般に電気抵抗率が低い金属はＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌなどが挙げられる。このうち、Ａｕは価格が極めて高く、ＣｕとＡｌは大気中で表面が容易に酸化する。酸化すると絶縁化したり、電気抵抗値が大きく変化したりして、検査に適さなくなる。よって、高電気伝導金属材料としては、いずれにしても適当なＡｇを選択した。

一方、繰り返し使用に必要な、十分な耐摩耗性を有するプローブ先端部材を得るためには、Ａｇと硬質の材料を複合する必要がある。

本発明では、耐摩耗性物質としてＷＣ（タングステンカーバイド）を選択し、高電気伝導金属材料Ａｇとの複合材料とした。ＷＣは硬さが十分に高く、耐摩耗性に優れ、導電性を有しており、Ａｇと隙間なく接合した複合材料を形成できる。

ＡｇとＷＣを主成分とした材料は、ＡｇとＷＣのみから構成されていてもよいが、ＡｇとＷＣの合計質量に対して外掛けで５質量％程度（０質量％を除く）まで他の成分を添加しても構わない。外掛けで５質量％程度までであれば、大気中で腐食などの反応を起こしやすくならず、導電性をほとんど低下させない。例えば、材料の緻密性を上げるためにＳｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、ＮｉＰ、Ｆｅ、Ｎｉなどはこの範囲で添加して構わない。材料が緻密でなければ、略点接触部分に欠落がある可能性があり、接触点が減るために避けなければならない。

ＡｇとＷＣの比は、質量分率で４０：６０〜８０：２０が特に望ましい範囲である。この範囲であれば、針状、錘状部分の先端までＡｇとＷＣの両方が存在させられる。そのために、略点接触においても、導電性とＷＣの存在による耐摩耗性が両立できる。もっとも、ＷＣの粒子径が大きすぎる場合は、前記の質量分率の間であったとしても、針状部分の先端がＡｇのみまたはＷＣのみで占められやすくなり、望ましくない。そのためにＷＣの平均粒子径は少なくとも５μｍ以下、より望ましくは２μｍ以下が適当である。微細であればあるほど適当であり、下限は特に問わない。

前述の組織１および組織２について補足する。

組織１のようにＡｇ中にＷＣの粒子が分散した組織は、粉末ＷＣと粉末Ａｇを混合し、３０〜３００ＭＰａ程度の圧力でプレス成形した後に、Ａｇの融点（９６２℃）以上まで加温し、冷却することにより得られる。得られた組織は、Ａｇのマトリクス中にＷＣの粒子が分散している状態となる。ＷＣの粒子同士は隣接する粒子と接触していたり、離れていたりランダム状態であるが、Ａｇは三次元的に連続している。そのために、電気抵抗率は低く保つことができる。また、熱伝導率も高く保つことができる。

一方、組織２のようにＷＣ粒子が三次元的にネッキングして連続した開気孔を有する多孔体を形成し、その開気孔部分にＡｇを充填した組織としてもよい。この組織は、ＷＣを先にプレス成形した後に熱処理、仮焼結することにより三次元の連続気孔を有するスケルトン状とし、その気孔部分にＡｇを充填して得られる。充填は一般に溶浸法によって行なう。これは、スケルトン状のＷＣとＡｇ（形状は粉末状でも塊状でもよい）を接触させ、Ａｇの融点以上の温度とすることにより、毛細管現象によりＷＣの気孔内に充填させることにより得られる。

この構造を有する場合は、ＷＣの粒子同士が隣接するＷＣ粒子とネッキングしているために、組織１と比較して応力に対する変形が小さく、また、硬さをより高くできる。

以上に示したように、本発明のプローブ先端部材は組織１、組織２のいずれの組織形態でも十分な特性を持つが、導電性を優先させる場合は組織１、耐摩耗性を優先させる場合は組織２を選択するといった使い分けも可能である。

また、材料の緻密性を向上させるためにＳｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、ＮｉＰ、Ｆｅ、Ｎｉなどを添加する場合は、ＷＣ粒子に予め添加しておくとよい。

得られたＡｇとＷＣを主成分とした材料を、所望の形状の先端部分を有するように、切削や研削により機械加工することにより、本発明のプローブ先端部材が得られる。これは図１に示すような、ブロック状から削りだした一体の先端部材であってもよいし、複数の針状または錘状の突起部のみを前記材料で製造し、それを台座にロウ付けなどの方法で固定したものでもかまわない。

以下実施例にて本発明をより詳細に説明する。

（試料作製１）
本実施例では、本発明の範囲である、組織１を有するプローブ先端部材の製法について記載する。

プローブ先端部材は図1に示すように、測定装置と電気的に連動して固定される固定部３、固定部３の端部に設けられた盤状の台座２、台座２に複数の錘状部１をそれぞれ有している。断面は断面図である図２に示すように、三角錐を多数設けたそれぞれの頂点にて、測定対象の半導体４と略点接触して、半導体４の電気的な特性を測定する。

プローブ先端部材の出発原料として、４０質量％のＡｇ粉末（純度９９．５％、平均粒子径２μｍ）、６０質量％のＷＣ粉末（純度９９％、平均粒子径１．５μｍ）、添加物としてＡｇとＷＣの総量１００質量％に対して外掛けで０．２質量％のＳｉ粉末（平均粒子径５μｍ）、０．１質量％のＣｏ粉末（平均粒子径１．５μｍ）、０．５質量％のＮｉＰ粉末（平均粒子径３．０μｍ）、０．１質量％のＦｅ粉末（平均粒子径３．０μｍ）とを準備した。

これらの粉末を、ヘンシェルミキサーにて０．５時間混合し、混合粉末を得た。

混合粉末に成型用の有機バインダーである顆粒状のセチルアルコール１質量％をメタノールに溶かして投入し、さらにライカイ機で１時間混合し、造粒を行い、造粒粉を得た。

造粒粉を金型プレス機にて、１００ＭＰａにて一軸加圧成型し、成形体を得た。

成形体を炉にて、水素雰囲気中３５０℃にて有機バインダーを蒸発除去後、８５０℃で仮焼結し、さらに１１００℃まで加熱しその温度で２時間保持し、冷却して焼結体を得た。

得られた焼結体を切削加工にて、固定部３、台座２、複数の四角錘状部１の形状に研削加工した。加工に用いた装置はマシニングセンタである。

以上の工程により、本発明のプローブ先端部材を得た。これを試料１とする。

また、同様の方法にて出発原料の組成を変えた試料２〜１２を作成した。それぞれの組成を表１に示す。

（資料作製２）
本実施例では、本発明の範囲である、組織２を有するプローブ先端部材の製法について記載する。

プローブ先端部材の形状と加工に関する部分は実施例１と同様なので省略する。

プローブ先端部材の出発原料として、ＷＣ粉末（純度９９％、平均粒子径０．４μｍ）、添加物としてＷＣの質量１００質量％に対して０．１質量％のＳｉ粉末（平均粒子径５μｍ）、０．１質量％のＣｏ粉末（平均粒子径１．５μｍ）および０．１質量％のＦｅ粉末（平均粒子径３．０μｍ）を準備した。

ＷＣと添加物粉末をヘンシェルミキサーにて０．５時間混合し、混合粉末を得た。

混合粉末に成型用の有機バインダーである顆粒状のセチルアルコール１質量％をメタノールに溶かして投入し、さらに１時間混合し、造粒を行い、造粒粉を得た。

造粒粉を金型プレス機にて、２００ＭＰａにて一軸加圧成型し、成形体を得た。

成形体を炉にて、水素雰囲気中３５０℃にて有機バインダーを蒸発除去後、８５０℃まで加熱して、さらに１４００℃まで加熱して、その温度で２時間保持後冷却し、連続した開気孔を持つタングステンカーバイド多孔体を得た。

続いて、タングステンカーバイド多孔体上に板状のＡｇを置き、水素雰囲気中で１０５０℃にて溶浸処理を行ない、冷却して溶浸体を得た。タングステンカーバイドの開気孔内に漏れなくＡｇが充填され、溶浸余剰部を除いた溶浸体の質量はタングステンカーバイドの質量は溶浸前の２倍になっており、ＷＣとＡｇの質量比率は５０：５０であった。

以下の加工は実施例１と同様のために省略する。

この試料を試料Ｎｏ．２１とする。

また、同様の方法にて出発原料の組成を変えた試料２２〜３０を作成した。それぞれの組成を表２に示す。

（試料の評価）
本実施例では、試料作製１、試料作製２および比較試料にて高電流を用い、半導体の電気的特性測定を行なった結果を示す。

比較試料として、同様の形状を持つ試料を準備した。

材質はそれぞれ、真鍮材（比較試料．１０１）、タングステン材（比較試料．１０２）、銅−タングステン複合材料（比較試料．１０３）、銀−タングステン複合材料（比較試料１０４）、銀（比較試料１０５）である。

プローブの先端に試料のプローブ先端部材を装着し、電源と測定対象である半導体４とを電気的に接続して回路とした。プローブ先端部材の錘状部１の複数の先端と、半導体部４が通電する。この回路に最大３００アンペアの電流を流し、半導体の電気的特性を正常に測定できるかを１０万回繰り返し試験し、異常が起こった場合はその原因について観察を行なった。

試験の際、いずれの試料を用いた場合においても、錘状部１と半導体部４に温度上昇が見られた。これは、錘状部１と半導体部４の接触面積が極めて小さいために、電気抵抗率が上がり、その結果発熱したものと推定した。

本発明の範囲である試料１〜３０はいずれも１０万回の使用でも、正常に動作した。先端部を観察したところ、程度の差はあるものの摩耗や変形が生じていたが、ＡｇとＷＣの質量比が４０：６０〜７０：３０の試料は特に摩耗や変形が少なかった。

一方、比較試料は以下に示す結果となり、いずれも１０万回の使用に耐えなかった。

比較試料．１０１は早期に測定値が一定とならない結果となった。また、錘状部１の先端部は目視できる程度に先端に平坦部が形成されていた。これは、通電時の温度上昇により真鍮が軟化し、半導体４との接触により先端部が錘状を維持できなくなりつぶれて平坦部を形成し、続いて微細なホコリが両者間に介在することにより正しい測定値が得られなくなったものと考察した。

比較試料．１０２は早期に半導体の一部が温度上昇により正常に動作しなくなった。一方、先端部１を観察したところ、形状的には使用前と比べて変化は観察されなかった。Ｗは熱伝導率が高い（１７０Ｗ／ｍ・Ｋ程度）金属であるが、Ａｇ（同４２９）などに対してはやはりかなり低い。そのために、通電時に発熱した熱が先端部１の先端にとどまりやすく、接触した半導体４を正常に動作させなくなったと考察した。また、タングステンは大気中で酸化しやすい材料であり、表面は酸化タングステンとなりやすい。使用時の温度上昇によりこの傾向は益々高くなることから、使用時に表面酸化が起こりやすく、その場合も正常に使用できない。

比較試料．１０３は使用中、徐々に表面の銅が酸化して測定値が安定なしくなり、さらに使用することで錘状部１の先端に平坦部が現れた。銅とタングステンはいずれも大気中で酸化して、酸化物層を形成しやすい。また、いずれも例えばセラミックス材料と比較して硬さが低いために、試行繰り返しの回数が増えると、錘状部１の先端が平坦となりやすい。

比較試料．１０４は他の比較試料と比較すると正常に使用できる回数は大きかった。銀タングステン複合材料は、電気伝導率、電気抵抗率、Ａｇ部分の表面酸化のいずれについても一定の性能を有していた。しかしながら、測定試行回数が１万回を越えた時点で錘状部１の先端部分に平坦部が生じ、ホコリの介在により正常な値が得られなくなった。

比較試料．１０５は数回の試行にて錘状部１の先端がつぶれ平坦部が生じた。

１ 錘状部
２ 台座
３ 固定部
４ 測定対象の半導体

Claims (9)

1. ＡｇとＷＣを主成分とする複合材料の焼結体または溶浸体からなり、前記ＷＣの平均粒子径が２μｍ以下である半導体検査用プローブ先端部材。
2. 先端形状が針状または錘状である請求項１に記載のプローブ先端部材。
3. 同一平面状に複数の先端部分を有する請求項１および請求項２のいずれか１項に記載の
   プローブ先端部材。
4. ＡｇとＷＣの質量比が４０：６０〜７０：３０の範囲である、請求項１から請求項３の
   いずれか１項に記載のプローブ先端部材。
5. ＡｇとＷＣの合計質量に対し、０％を超え５質量％以下のＳｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、ＮｉＰ、
   Ｆｅ、Ｎｉのうちいずれか１種または２種以上をさらに有する請求項１から請求項４のい
   ずれか１項に記載のプローブ先端部材。
6. 前記複合材料が、Ａｇマトリクス中にＷＣ粒子が分散した構造を有する請求項１から請
   求項５のいずれか１項に記載のプローブ先端部材。
7. 前記複合材料が、連続した開気孔を有するＷＣ多孔質体と、前記開気孔中にＡｇを充填
   した構造を有する請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のプローブ先端部材。
8. 測定時に１００アンペア以上の最大電流を半導体の検査に用いる、請求項１から請求項
   ７のいずれかに記載のプローブ先端部材の使用方法。
9. 前記半導体がパワーデバイスである請求項８に記載のプローブ先端部材部材の使用方法。

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