JP6491409B2 - 接触子及び半導体試験装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置の電気特性の試験を行う半導体試験装置に用いられる接触子及びその接触子を備えた半導体試験装置に関する。

半導体装置としてのパワー半導体モジュールは、一般に一又は二以上のパワー半導体チップが絶縁性のケース内に収容され、パワー半導体チップと電気的に接続する複数の端子、より詳しくは外部導出端子が、ケースの上方や側方などの外部に現れているものである。パワー半導体モジュールの出荷前には、パワー半導体モジュールの電気特性の試験が行われる。電気特性の試験には、パワー半導体モジュールの半導体チップに大電流を流す試験を含む。

電気特性の試験を行うための半導体試験装置の一例は、パワー半導体モジュール等の半導体装置を載置して昇降可能なステージと、該ステージ上に載置された半導体装置よりも上方や側方などにおいて、該半導体装置の端子に対向して設けられた半導体装置試験用接触子（以下、単に「接触子」ということもある。）とを備えている。電気特性の試験の際は、半導体装置が載置されたステージを上昇させて、半導体装置の複数の端子と、上記接触子とを接触させることにより、接触子を通して半導体装置に電流を流す。

半導体試験装置によって電気特性の試験が行われる半導体装置は、製品ごとに基準面、すなわち、通常は半導体装置の下面からの端子の高さが特定の寸法に定められている。この端子の高さの寸法には許容範囲が認められていることから、一個の半導体装置における複数の端子の高さは、端子ごとにばらつきが生じ得る。また、半導体装置の端子は、半導体装置の上部において折り曲げられ、端子の先端部が水平方向に延びるように形成されているものが多いが、端子の屈曲の程度が各端子で必ずしも同じではないため、基準面に対して必ずしも水平ではない。したがって、半導体試験装置において、複数の接触子を、各接触子の先端が水平に並ぶように設けたとしても、一個の半導体装置における、ある端子には接触子が充分に接触していても、別の端子には充分には接触しないことがあり得る。

半導体試験装置の各接触子が半導体装置のすべての端子に確実に接触できるようにするために、従来の接触子は、弾性変形する部材を備えている。弾性変形する部材を備えた接触子に関して、図７に記載のようにつるまきばねの両端を接続して環状にしたコイルが、導電性のホルダに取り付られたコイルスプリング接触子がある。このコイルとしては、特許文献１に記載されたものを用いることができる。また、別の接触子に関して、図８に記載のように板状の弾性導電体をＬ字形又はそれに近似した形状に成形して櫛歯のように所定の間隔を空けて並べた櫛歯接触子がある（特許文献２）。この特許文献２には、接触子を中空形状として、半導体装置の端子に接触する部分を導電性薄板で構成し、中空部分を加圧して導電性薄板を膨らませた中空接触子も記載されている。

特許文献１に記載されたコイルスプリング接触子は、半導体試験装置の各接触子を半導体装置のすべての端子に接触させたときに、端子の高さのばらつきをコイルスプリングの弾性変形の程度により相殺して、確実に接触させることができる。特許文献２に記載された櫛歯接触子は、板状の弾性導電体が板ばねのように弾性変形することにより、端子と確実に接触させることができる。また、櫛歯接触子は、各弾性導電体の先端で端子と多点接触し、これにより弾性導電体が１枚の場合よりも接触抵抗を低減させている。特許文献２に記載された中空接触子は、導電性薄板が弾性変形することにより、端子と確実に接触させることができる。

特許第４６１７２５０号 特開平７−２０９３７５号公報

上述したコイルスプリング接触子や櫛歯接触子は、半導体装置の端子との接触抵抗が充分には低くできていなかった。このため、半導体試験装置により大電流を流す電気特性の試験の際に、半導体装置の半導体チップが破壊されて複数の端子間に短絡電流が流れた場合には、端子と接触子との接触部分が発熱してスパークが発生したり、端子と接触子との溶着が発生したりすることがあった。一度スパークや溶着が発生した接触子は、表面状態が変化したり接触抵抗が増加したりすることから、次に試験を行う半導体装置の端子に疵を生じさせたり、再び溶着を生じさせたりする場合があるため、接触子の交換やメンテナンスが必要であった。

上述したコイルスプリング接触子や櫛歯接触子は、弾性変形する部材の弾力を大きくすれば接触抵抗を低減できる。しかし、コイルスプリング接触子や櫛歯接触子は、端子との接触時に端子表面上を摺動する。このため、接触子の弾力を大きくすると、その弾力により半導体装置の端子に疵をつけるおそれがあった。また、コイルスプリング接触子や櫛歯接触子が、端子との接触時に端子表面上を摺動することは、接触子の摩耗を招くから、接触子の寿命が短かった。
また特許文献２に記載された中空接触子は、導電性薄板の厚さが薄いためにスパークや溶着が発生した場合には交換する頻度が多く、接触子の寿命が短かった。

本発明は、上記の問題を有利に解決することができるものであり、半導体装置の端子との接触抵抗を低くすることができ、寿命が長い半導体装置試験用の接触子と、この接触子を備える半導体試験装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様の接触子は、被試験物である半導体装置の端子に接触及び押圧させて、該半導体装置に電流を流す半導体装置試験用の接触子において、該半導体装置の端子に接触する平坦な接触面を有する接触部と、該半導体装置の端子に接触して押圧されたときに弾性変形する変形部と、該変形部の一端から突出して設けられた接続部とを有し、該変形部は、柱状であり、前記変形部に、前記押圧される方向を横切る方向に延び前記接触面と平行なスリットが複数設けられ、前記スリットのうち、前記接触面に最も近いスリットと、前記接続部に最も近いスリットとが、周面の互いに１８０度異なる位置から中心に向かう方向に形成されていて、隣り合う２本の前記スリットが、周面の互いに１８０度異なる位置から中心に向かう方向に形成されていることを特徴とする。

本発明の別の態様の半導体試験装置は、上記の接触子を備えることを特徴とする。

本発明の半導体置試験用接触子によれば、半導体装置の端子との接触抵抗を低くすることができ、スパークや溶着の発生を抑制して寿命を長くすることができる。また、端子との接触時に摺動しないので端子に疵をつけることが抑制され、半導体装置の製品の外観不良を低減することができる。

本発明の一実施形態の接触子の説明図である。 接触子の変形態様を説明する模式図である。 本発明の一実施形態の半導体試験装置の説明図である。 接触子の押し付け荷重と接触抵抗との関係を示すグラフである。 接触子のストローク量と接触抵抗値と押し付け荷重との関係を示すグラフである。 本発明の別の実施形態の接触子の模式図である。 比較例の接触子の説明図である。 比較例の接触子の説明図である。 比較例の半導体試験装置の説明図である。

以下、本発明の接触子及び半導体試験装置の実施形態について、図面を参照しつつ具体的に説明する。

図１は、本発明の一実施形態の半導体装置試験用接触子の正面図（同図（ａ））及び底面図（同図（ｂ））である。図１に示す接触子１は、導電性の金属材料からなり、外形が柱状の変形部１ａと、この変形部１ａの一端から突出して設けられた接続部１ｃとを備えている。変形部１ａは、図示した例では、半導体装置の端子の上面の幅と大きさと略同じ直径を有する概略円柱形状を有している。一例では、直径が１３ｍｍφ程度、高さが７ｍｍ程度である。もっとも、変形部１ａの大きさは図示した例に限定されるものではなく、試験時に他の部材と干渉することなく半導体装置の端子と確実に接触できる大きさであればよい。

変形部１ａにおける、接続部１ｃが設けられた端部とは反対側の端部は、接触子１が半導体試験装置に取り付けられて電気特性の試験を行うときに、半導体装置の端子に接触する接触部である。この接触部における端子と対向する面に平坦な接触面１ｂが形成されている。電気特性の試験時には、接触面１ｂと半導体装置の端子とが接触する。

また、変形部１ａには、変形部１ａの中心軸線方向を横切る方向に延びるスリットＳが形成されている。図１に示した例では、接触面１ｂと平行に延びる６本のスリットＳ１１〜Ｓ１６が、それぞれ変形部１ａの周面から直径方向に、直径の三分の二程度の長さで形成されている。これらのスリットＳ１１〜Ｓ１６は、接触面１ｂと平行に延びることにより、傾いて延びている場合に比べて電流経路を短くすることができることから、接触子１の電気抵抗を小さくすることができる。もっとも、スリットＳ１１〜Ｓ１６は接触面１ｂと平行に延びるものには限られない。各スリットＳ１１〜Ｓ１６は、例えばワイヤー放電加工により形成することができる。スリットＳの幅はそれぞれ０．３ｍｍ程度であり、隣り合う２本のスリットＳは０．６ｍｍ程度の間隔が空けられている。

６本のスリットＳ１１〜Ｓ１６のうち、最も接触面１ｂに近いスリットＳ１１と、最も接続部１ｃに近いスリットＳ１６とは、周面の互いに１８０度異なる位置から中心に向かう方向にスリットが形成されている。スリットＳ１１とスリットＳ１６との間に形成された４本のスリットＳ１２〜Ｓ１５は、隣り合うスリットについて周面の互いに９０度異なる位置から中心に向かう方向にスリットが形成されている。スリットが形成される方向は、特に限定されない。隣り合う２本のスリットについて、周面の互いに１８０度異なる位置から中心に向かう方向にスリットが形成されている場合には、変形部１ａに電流が流れるときに、インダクタンスを低くすることができる。また、４本のスリットについて、周面の互いに９０度異なる位置から中心に向かう方向にスリットが形成されている場合には、弾性変形の前後で接触面を水平に維持することができる。

変形部１ａは、スリットＳが形成されていることにより、複数の板ばねが重ねられて、隣り合う板ばねが端部で接合されたのと同様の構造を有している。そのため、変形部１ａの軸線方向に圧縮応力が加わった時に、スリットの幅が縮み、変形部１ａの軸線方向の長さが縮むように弾性変形可能になっている。これにより変形部１ａは、試験時に半導体装置の端子に接触子１が接触して押圧されたときに弾性変形する本発明の変形部となっている。なお、変形部１ａの軸線方向に加える圧縮応力は、弾性変形によりスリットの幅がゼロになってそれ以上の弾性変形が生じない程の大きさとするのは避けるべきである。

接触子１の接続部１ｃは、接触子１を半導体試験装置に取り付けるための部分である。図示した例では、接続部１ｃは、変形部１ａの中心軸線上に延びる雄ねじであり、この雄ねじが半導体試験装置のホルダに形成されたねじ孔とねじ結合することにより接触子１が半導体試験装置に取り付けられ、また、交換可能となっている。もっとも、接続部１ｃは、図示した雄ねじに限られない。例えば、接続部を半導体試験装置のホルダに圧入することにより取り付けられる構造とすることもできる。

接触子１の材料は、試験が行われる半導体装置に電流を流すことから導電性材料である。具体的には、ステンレス鋼、炭素鋼等の鉄系合金や、ベリリウム銅等の銅系合金が挙げられる。なかでも、ベリリウム銅は、電気伝導率が高く、銅系合金のなかで強度が高く、ばね特性を有しているので、変形部で弾性変形させる本実施形態の接触子１に好ましい材料である。また、接触子１は、少なくとも接触部の接触面１ｂを、金、銀、白金、錫、タングステン、ニッケル、パラジウム、炭素等の導電性の薄膜、又はこれらの元素を主元素とする導電膜で覆うことができる。これらの導電膜は、例えばめっき加工やスパッタリングで形成することができる。これらの導電膜は、接触子の接触面の導電性を高めたり、耐熱性を高めたりするのに有効である。

図２に、試験時に半導体装置の端子に接触子１が接触して押圧されたときの模式図を、押圧の前（同図（ａ））及び後（同図（ｂ））で示す。なお、図２は、本実施形態の接触子１の理解を容易にするために、２本のスリットＳが形成されている接触子を図示している。押圧の前においては、接触子１の変形部１ａに形成されたスリットＳは一定の幅を有している（図２（ａ））。次に押圧後においては、半導体装置２０の端子２１に接触子１が接触して接触子１の変形部１ａが弾性変形し、変形部１ａに形成されたスリットＳの幅が狭くなって変形部１ａが押圧方向に縮む（図２（ｂ））。したがって、半導体装置の端子の高さに、許容範囲でのばらつきが生じている場合であっても、半導体試験装置に取り付けられた各接触子が半導体装置のすべての端子に確実に接触できる。

図３に、本実施形態の接触子１が取り付けられた半導体試験装置の要部の模式図を示す。図３（ａ）に示す半導体試験装置１０は、接触子１と、該接触子が取り付けられるホルダ１１と、半導体装置２０として例えばパワー半導体モジュールが載置されるステージ１２と、該ステージを昇降させる昇降装置１３とを備えている。ホルダ１１は、接触子１の接触面１ｂがステージ１２上に載置された半導体装置２０の基準面と平行に、かつ、接触子１が半導体装置２０の端子２１に対向するように接触子１を保持する。また、ホルダ１１よりも下方において、該半導体装置２０の端子２１に対向して設けられた接触子１とを備えている。昇降装置１３は、例えばエアシリンダを含み、空気圧によりステージ１２を昇降させるものである。

図示した半導体試験装置１０において、ステージ１２上に半導体装置２０を載置し、昇降装置１３によりステージ１２を上昇させて半導体装置２０のすべての端子２１を接触子１に接触させ、接触子１を経由して半導体装置２０に電流を流して電気特性の試験を行う。

本実施形態の接触子１は、弾性変形する変形部１ａが半導体装置２０の端子２１から見て接触面１ｂを含む接触部の背後に位置し、かつ端子２１と接触する接触面１ｂが平坦面であるから、半導体試験装置１０のステージ１２を上昇させて半導体装置２０のすべての端子２１を接触子１に接触させたときに、接触面１ｂが端子２１上を摺動することはない。したがって、図７に斜視図（図７（ａ））及び正面図（図７（ｂ））で示す従来のコイルスプリング接触子１０１や図８に端子２１への接触前（図８（ａ））及び接触後（図８（ｂ））の模式図で示す櫛歯接触子１０２のように、接触部分が摺動することによる端子の疵の発生が根本的に生じない。本実施形態の接触子１は、実験的に１００ｋｇｆの荷重で半導体装置２０の端子２１に接触させても、端子２１には疵が付かないことを確認している。

よって、接触子１に加える荷重を従来の接触子に比べて大きくすることができるから、接触子１と端子２１との接触抵抗を小さくすることができる。また、本発明者の研究によれば、本実施形態の接触子１は、半導体装置２０の平坦な端子２１に接触子１の平坦な接触面１ｂを接触させたときに、電流は、接触面１ｂの面内のどこかで端子２１と局所的に接した一点で端子２１に流れる。これは、半導体装置２０の端子２１が完全に平坦で無いことと、前述の通り端子２１の曲げ加工の際に平行にならない場合があるためである。しかしながら、この電流が流れたときの接触抵抗は、従来のコイルスプリング接触子１０１や櫛歯接触子１０２のように、端子２１と多点で接触した場合の接触抵抗に比べて、同じ荷重であっても低いことが判明した。つまり本実施形態の接触子１は、接触子１に加える荷重を大きくすることができること及び接触子１の接触面１ｂで端子２１と接触することにより、従来の接触子よりも接触抵抗を低くすることができる。したがって、本実施形態の接触子１は、試験時のスパークや溶着の発生を抑制することができ、半導体装置２０の製品の外観不良の発生を低減することができ、また、接触子１の摩耗が進行しにくく、寿命を長くすることができる。
また本実施形態の接触子１の変形部１ａと、接触面１ｂを有する接触部が一体で構成されている。すなわち変形部１ａと接触面１ｂが一部材で構成されているため、接触子自体の長さを短くすることができる。これによりインダクタンスの低減が可能となり、試験品質の改善が可能となる。また半導体装置のユーザーにて同様に行われる試験との試験条件を合わせることができる。
また変形部１ａと、接触面１ｂを有する接触部が一体に構成されることにより、接触子１自体の強度を高くすることができる。このため接触子１からの荷重を安定して端子２１に加えることができることから、ばらつきの小さい安定した試験が可能となる。

本実施形態の接触子１と、従来のコイルスプリング接触子１０１とについて半導体装置２０の端子２１への押し付け荷重を種々に代えて、半導体装置２０の端子２１と接触子１又はコイルスプリング接触子１０１との間の抵抗値を測定した結果を図４に示す。図４の結果から、本実施形態の接触子１は、通電によるスパークや溶着が発生しないためには、半導体装置２０の端子２１と接触子１との間の抵抗値は、３．５ｍΩ以下とする必要がある。図４に示した、半導体装置２０の端子２１と接触子１との間の抵抗の測定値は、接触子１の固有の抵抗値と、端子２１と接触子１との接触抵抗値との両方を含む値であるが、接触子１の固有の抵抗値は、端子２１と接触子１との接触抵抗値に比べて充分に小さいので、この測定値は端子２１と接触子１との接触抵抗値と考えてよい。そして、本実施形態の接触子１は、半導体装置２０の端子２１に対して１．５ｋｇｆ以上の荷重で押圧することにより、上記の接触抵抗は３．５ｍΩ以下となる。

また、図４の結果から、従来のコイルスプリング接触子１０１は、本実施形態の接触子１と同じ押し付け荷重のときに本実施形態の接触子１よりも接触抵抗が高いことがわかる。その結果、従来のコイルスプリング接触子１０１を用いて電気特性の試験を行ったところ、実験を行った押し付け荷重の範囲の全領域において、スパーク又は溶着痕がコイルスプリング接触子１０１に見られた。

本実施形態の接触子１の縮み量、荷重は、接触子１の材料、変形部１ａの肉厚、スリットＳの間隔、スリットＳの長さなどにより調整することができる。接触子１の縮み量、換言すれば接触子１の弾性変形量又はストローク量は、半導体装置２０の端子２１の高さ寸法に許容範囲があることによる高さのばらつきを吸収できる量以上とする必要がある。半導体装置２０の一例では、端子２１の高さ寸法許容差は、最大で０．７ｍｍである。そこで、本実施形態の接触子１は、ストローク量の範囲が０．７ｍｍ以上である接触子を使えば、その半導体装置２０の端子２１の高さ寸法許容差を吸収できる。

図５に、本実施形態の接触子１のストローク量と接触抵抗値と押し付け荷重の関係の一例をグラフで示す。測定に用いた接触子はストローク量が０．２ｍｍ〜１．１ｍｍの範囲で、安定して低い抵抗値を示した。このストローク量の範囲０．９ｍｍは、一例の半導体装置２０における端子２１の高さ寸法許容差の最大０．７ｍｍを超えているため、本実施形態の接触子として好適である。なお、図５では、ストローク量が１．１ｍｍより大きい範囲では、荷重の傾きが大きくなっている。これは、接触子１の変形部１ａの弾性変形によって、スリット幅が０ｍｍになったためである。したがって測定に用いた接触子では、スリット幅が０ｍｍになるような荷重を加える試験には使用しない。

図６に、本発明の別の実施形態の半導体装置試験用接触子を正面図（同図（ａ））及び底面図（同図（ｂ））で示す。図６の接触子２は、変形部２ａと、接触面２ｂを有する接触部と、接続部２ｃとを備えている。接触子２の変形部２ａ、接触面２ｂ及び接続部２ｃは、図１に示した接触子１の変形部１ａ、接触面１ｂ及び接続部１ｃに対応している。接触子２が接触子１と相違している点は、接触子２の変形部２ａでは、接触面２ｂと平行に延びる６本のスリットＳ２１〜Ｓ２６について、隣り合うスリットが、周面の互いに１８０度異なる位置から中心に向かう方向に形成されている点である。それ以外の点については、接触面２ｂや接続部２ｃについても接触子１の接触面１ｂや接続部１ｃと同様の構成とすることができるので、ここでは重複する記載を省略している。

図６に示す本実施形態の接触子２も、図１に示す接触子と同様に、従来の接触子よりも接触抵抗を低くすることができる。したがって、試験時のスパークや溶着の発生を抑制することができ、半導体装置の製品の外観不良の発生を低減することができ、また、接触子２の摩耗が進行しにくく、寿命を長くすることができる。

図１に示す本実施形態の接触子１を図３に示す半導体試験装置１０に取り付けて半導体装置の電気特性の試験を行った。また、比較例として図７に示すコイルスプリング接触子１０１を図９に示す半導体試験装置１１０に取り付けて半導体装置の電気特性の試験を行った。コイルスプリング接触子１０１は、図７に示すように、ホルダ１０１ａに、端子と接する部分である環状のコイル１０１ｂが取り付けられたものである。

本実施形態の接触子１及びコイルスプリング接触子１０１を用いて半導体装置の電気特性の試験を繰り返し行い、各接触子の接触抵抗値を測定してその経時変化を調べた。その結果、本実施形態の接触子１は、コイルスプリング接触子１０１に比べて５．３倍の寿命があることが確認された。

以上、本発明の接触子及び半導体試験装置を図面及び実施形態を用いて具体的に説明したが、本発明の接触子及び半導体試験装置は、実施形態及び図面の記載に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で幾多の変形が可能である。
例えば、図３においては接触子１及びホルダ１１を半導体装置２０の上方に配置しているが、端子２１が半導体装置２０の側方に取り付けられている場合は、接触子１及びホルダ１１も半導体装置２０の側方の対向する位置に配置して、接触子１を端子２１に接触・押圧させて試験を行うことができる。このように、端子２１は上方や側方などの外部に取り付けられている場合であれば、本発明は適用可能である。

１ 接触子
１ａ 変形部
１ｂ 接触面
１ｃ 接続部
１０ 半導体試験装置
１１ ホルダ
１２ ステージ
１３ 昇降装置
２０ 半導体装置
２１ 端子

Claims (10)

1. 被試験物である半導体装置の端子に接触及び押圧させて、該半導体装置に電流を流す半導体装置試験用の接触子において、
   該半導体装置の端子に接触する平坦な接触面を有する接触部と、
   該半導体装置の端子に接触して押圧されたときに弾性変形する変形部と、
   該変形部の一端から突出して設けられた接続部とを有し、
   該変形部は、柱状であり、
   前記変形部に、前記押圧される方向を横切る方向に延び前記接触面と平行なスリットが複数設けられ、
   前記スリットのうち、前記接触面に最も近いスリットと、前記接続部に最も近いスリットとが、周面の互いに１８０度異なる位置から中心に向かう方向に形成されていて、
   隣り合う２本の前記スリットが、周面の互いに１８０度異なる位置から中心に向かう方向に形成されていることを特徴とする接触子。
2. 被試験物である半導体装置の端子に接触及び押圧させて、該半導体装置に電流を流す半導体装置試験用の接触子において、
   該半導体装置の端子に接触する平坦な接触面を有する接触部と、
   該半導体装置の端子に接触して押圧されたときに弾性変形する変形部と、
   該変形部の一端から突出して設けられた接続部とを有し、
   該変形部は、柱状であり、
   前記変形部に、前記押圧される方向を横切る方向に延び前記接触面と平行なスリットが複数設けられ、
   前記スリットのうち、前記接触面に最も近いスリットと、前記接続部に最も近いスリットとが、周面の互いに１８０度異なる位置から中心に向かう方向に形成されていて、
   前記接触面に最も近いスリットと、前記接続部に最も近いスリットとの間に、４本のスリットを備え、該４本のスリットが周面の互いに９０度異なる位置から中心に向かう方向に形成されていることを特徴とする接触子。
3. 前記接触部と前記変形部が一体で構成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の接触子。
4. 導電性金属材料よりなる請求項１又は２記載の接触子。
5. 前記導電性金属材料は、ベリリウム銅、ステンレス鋼、炭素鋼よりなる群から選ばれる少なくとも１種類により構成されることを特徴とする請求項４記載の接触子。
6. 前記接触面は、導電膜で覆われていることを特徴とする請求項１又は２記載の接触子。
7. 前記導電膜は、金、銀、白金、錫、タングステン、ニッケル、パラジウム、炭素よりなる群から選ばれる少なくとも１種類により構成されることを特徴とする請求項６記載の接触子。
8. 請求項１又は２記載の接触子を備えることを特徴とする半導体試験装置。
9. 前記接触子を前記半導体装置の端子に接触させたときの抵抗値が３．５ｍΩ以下である請求項８記載の半導体試験装置。
10. 前記半導体装置の端子に対して前記接触子を１．５ｋｇｆ以上の力で押圧する請求項８記載の半導体試験装置。

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