JPH09237811A - 半導体試験装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ウエハ状態でバーンインを実施するための装
置で、ウエハの反りやバンプ高さにばらつきがある場合
でも確実に電気的接触状態を得る。 【解決手段】 ウエハホルダ３はウエハ１が収容される
凹状の収容部が形成され、底面にクッション部材４が設
けられる。電極ホルダ５は、下側にフレキシブル基板６
が接着固定されている。フレキシブル基板６は、ウエハ
１の電極２ａに対応してバーンイン用の電極部にバンプ
９が形成され、配線パターン７ｂを介してコネクタ８に
接続される。バンプ９の背面部は、電極ホルダ５に凹部
１１が形成され、内部にシリコンゴム製の弾性反発部材
１２が装着され、反発力でバンプ９をウエハ１側に圧接
させるようになる。アライメントを行ってボルト１３で
締め付けると、ばね１４の圧力でバンプ９とウエハ１の
電極２ａとが所定圧力で電気的に接触する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置をウエ
ハ状態でバーンインするためのバーンイン装置に好適な
半導体試験装置に関する。

【０００２】

【発明が解決しようとする課題】近年、半導体素子を用
いた装置の小形化を図るために、従来のような半導体チ
ップを樹脂パッケージに封入する方式から、多数の半導
体チップをそのまま基板に実装する所謂ベアチップ実装
の方式に移行しつつある。ところが、このような方式を
採用するためには、半導体チップを供給する側にとって
は、パッケージに封入した半導体素子の状態で検査や試
験を行うことができず、半導体チップのままの状態ある
いは半導体チップを多数形成した未分割のウエハ状態で
検査や試験を行う必要がある。

【０００３】この場合、ウエハに形成した多数の半導体
チップを分割した状態で各種の試験や検査をすることは
非常な手間とコストが必要となるので、ウエハの状態つ
まり半導体チップを未分割の状態で一括して試験を行う
ことが要望されている。

【０００４】そこで、例えば、加速寿命試験のひとつと
してのバーンイン（burn in ）では、半導体ウエハの状
態でそれに作り込まれている多数の未分割半導体チップ
に対して、各半導体チップに形成されている電極のうち
の試験に必要な所定個数の電極と電気的に接触できるよ
うに配線パターンを形成したプローブカードを形成し、
これを半導体ウエハと対向するようにして圧接状態に保
持して行うようにしたものが供されている。

【０００５】例えば、特開平３−１７１７４９号に示さ
れたものは、多数の半導体チップを形成したウエハに対
応するようにしたプローブカードを設け、そのプローブ
カードにウエハ上の各半導体チップに形成された全電極
に対応するように、複数のバンプを形成すると共にバー
ンインするための配線を形成している。そして、ウエハ
に対してプローブカードにより各電極と接続した状態で
バーンインを行うようにしたものである。

【０００６】しかしながら、上記構成のものにおいて
は、試験対象となるウエハに反りが発生していたり、あ
るいはプローブカードに形成しているバンプの高さ寸法
にばらつきがある場合には、ウエハの各電極とプローブ
カードのバンプとの間の電気的接触状態が全電極に渡っ
て完全に行えなくなる場合がある。例えば、ウエハの反
りの程度としては、５インチ程度のシリコンウエハを用
いた場合に２００μｍ程度が想定され、プローブカード
側のバンプの高さばらつきは１００μｍ程度が想定され
る。したがって、最悪の場合には、両者の誤差が合算さ
れることになり、このような場合には、電気的な接触を
とることができず、バーンインを確実に行えなくなる恐
れがある。

【０００７】また、上記構成のものでは、バンプを設け
たプローブカードとバーンイン用ウエハとの位置合わせ
を行う際のアライメントの構成として、光学的に認識を
しながら直接アライメント作業を行えない構成であるか
ら、レーザやＣＣＤカメラなどを用いた自動アライメン
ト方式を採用しており、全体として高価な構成となるも
のである。

【０００８】次に、特開平４−１１２５５０号に示され
たものでは、多数の半導体チップが形成されたウエハに
対して、そのウエハの半導体チップに形成された電極に
対応する配線パターンを形成したフィルムを重ね合わせ
る構成とし、そのフィルムを密閉容器内に導入した高圧
ガスの圧力でウエハに均一な圧力で押しつけることで、
電気的な接触を取るようにしたものが開示されている。

【０００９】ところが、上記構成のものでは、ウエハの
半導体チップに形成された各電極ととフィルムの配線パ
ターンとの位置合わせするための構成が明示されておら
ず、電極の数の増大や電極面積の小形化にしたがって位
置合わせについても高い精度で行うことが要求される
が、これでは、高精度な位置合わせが難しい。さらに
は、上記構成のものでは、密閉容器内を高圧ガスで満た
した状態でバーンインを行うとされているが、高温にさ
らすことで内部圧力を調整する必要があり、全体として
複雑な構成になることが避けられないものである。

【００１０】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
で、その目的は、半導体装置を多数作り込んだウエハの
状態でバーンインが行えるもので、ウエハに反りやバン
プ高さのばらつきがある場合でも電気的接触を確実にと
れると共に、位置合わせのための構成の簡単に成し得る
ようにした半導体試験装置を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題に対応して、請
求項１記載の手段を採用することにより、バーンインを
行う場合においては、半導体ウエハをウエハ保持部に収
容し、電極板保持部に接着された電極フィルムの配線パ
ターンと対向するように位置させる。半導体ウエハ上に
形成された位置決め用のマークと電極フィルムに付され
た位置決め用のマークとを電極板保持部の窓部を介して
認識することにより両者が一致するように位置決め作業
を行う。この状態で結合手段によりウエハ保持部と電極
板保持部とを圧接状態に結合させると、ウエハ上の各電
極と電極フィルム上の配線パターンとが電気的に接触す
る状態となる。

【００１２】このとき、電極フィルム上の電極が圧接さ
れたときに電極板保持部側に形成されている凹部に設け
た弾性反発部材により押し返すようになるので、例えば
ウエハに反りが生じている場合や、ウエハ上の電極部に
形成されたバンプ等の高さ寸法にばらつきが生じている
場合でも、すべての電極が確実に電気的接触を得ること
ができるようになる。これによって、簡単な構成で位置
決め作業が行えると共に、電気的接触を確実に取ること
ができるようになる。

【００１３】また、請求項２の手段を採用することによ
り、ウエハ上の電極部と電極フィルムの電極部との間に
バンプを介して圧接するので、上述の構成によって電気
的接触を確実に得ることができると共に、そのバンプの
高さ寸法のばらつきによる接触不良の発生も防止するこ
とができる。

【００１４】請求項３の手段を採用することにより、電
極保持部材としてＦｅ−Ｎｉ系合金例えば４２アロイな
どを用いることにより、その熱膨張率が半導体ウエハの
熱膨張率と近い値とすることができるので、バーンイン
時の昇温で電極フィルムが膨張してもそのずれを吸収す
ることができるようになり、電極間の位置ずれを抑制す
ることができるようになる。

【００１５】請求項４の手段を採用することにより、熱
的に安定な反発力を発生させることができるようにな
る。請求項５の手段を採用することにより、ウエハ保持
部と電極板保持部との間の圧接状態をばねの付勢力によ
り生成するので、ウエハに無理な応力がかかるのを防止
して、全体に均一な圧力を及ぼすことができるようにな
り、電極部間の電気的接触状態を良好に保持させること
ができるようになる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明を半導体装置のバー
ンイン装置に適用した場合の第１の実施例について図１
ないし図８を参照しながら説明する。図２は本実施例に
おいて使用する試験用の半導体ウエハ１を示している。
例えば、このウエハ１においては、シリコン基板に半導
体チップとしてのＩＣチップ２が５４個形成されてい
る。また、各ＩＣチップ２には例えば１００個程度の電
極２ａが形成されており、ダイシングをして分割した後
にベアチップ実装する際にはこれらの各電極と外部とが
電気的に接続されるようになっている。また、これらの
電極のうち、バーンインに使用される電極は、例えば１
０個程度である。ウエハ１の両サイド位置には『×』印
で示す位置決め用のアライメントマーク１ａ，１ｂがパ
ターニングされている。

【００１７】さて、図１には半導体試験装置であるバー
ンイン用の装置の概略的な構成を示している。この図１
において、ウエハ保持部であるウエハホルダ３は、ウエ
ハ１の形状に対応した凹状のウエハ収容部が形成されて
おり、その底部には例えば厚さ寸法２ｍｍのシリコンゴ
ム製のクッション部材４が配設されている。また、この
ウエハホルダ３の四隅にはボルトによる固定用の４個の
ねじ孔３ａが形成されている。

【００１８】このウエハホルダ３と対応して設けられる
電極板保持部としての電極ホルダ５は、電極フィルムと
してのフレキシブル基板６がシリコン系の接着剤により
密着状態に接着されている。このフレキシブル基板６
は、例えば厚さ寸法が２５μｍ程度のポリイミド樹脂製
のフィルムをベースとして形成されたもので、その表面
には、図３にも示すように、ウエハ１の電極パターンに
対応する位置にバーンインに必要な電極部７ａが形成さ
れていると共に、これら多数の電極部７ａと端部のコネ
クタ８との間に配置される配線部としての配線パターン
７ｂが形成されている。

【００１９】この場合、フレキシブル基板６は、図４に
示すように、ウエハ１と対向する面側に形成された電極
部７ａのそれぞれにＡｕ（金）バンプ９が形成されてお
り、ウエハ１の各電極との接触性を良くするように成さ
れている。また、配線パターン７ｂは、電極部７ａと同
じ側の面に形成されており、端部に設けられたコネクタ
８に対して、スルーホールを介してリード線８ａを通じ
て半田付け８ｂにより電気的に接続されている。コネク
タ８には外部から電気的試験装置１０（図８参照）が接
続されるようになっており、各半導体チップ２毎に対応
してバーンインを行えるようになっている。さらに、フ
レキシブル基板６には、前述のウエハ１のアライメント
マーク１ａ，１ｂと対応する位置に『×』印で示すアラ
イメントマーク６ａ，６ｂが付されている。

【００２０】電極ホルダ５は、Ｆｅ−Ｎｉ系合金である
例えば「４２アロイ」（Ｎｉ４２ｗｔ％の合金で、ＩＣ
のリードフレームなどに用いられる一般的な材料）と呼
ばれる合金を用いて形成されている。この「４２アロ
イ」は熱膨張率が４〜４．７ｐｐｍ／℃程度の値を有し
ており、シリコンの熱膨張率３．５ｐｐｍ／℃と近い特
性となっている。そして、この電極ホルダ５には、上述
したフレキシブル基板６が電極部７ａが露出するように
して接着固定されている。

【００２１】また、電極ホルダ５には、フレキシブル基
板６の各電極部７ａの位置に対応して微小な凹部１１が
多数形成されている。これらの凹部１１には、内部寸法
に対応してシリコンゴム製の微小な球状（例えば、直径
０．７ｍｍ）をなす弾性反発部材１２が装着されてい
る。図５にも示すように、弾性反発部材１２は、凹部１
１内に収容された状態で、フレキシブル基板６の電極部
７ａを背面部から支持しており、後述するように、電極
部７ａのＡｕバンプ９がウエハ１の電極２ａによって押
圧されると、その反発力により両者が密着して電気的な
接触状態となるように設けられている。また、電極ホル
ダ５には、フレキシブル基板６のアライメントマーク６
ａ，６ｂの位置に対応して背面側に貫通するようにアラ
イメント窓５ａ，５ｂが形成されている。

【００２２】電極ホルダ５の四隅には、ウエハホルダ３
のねじ孔３ａと対応する位置にそれぞれボルト挿通用の
貫通孔５ｃが形成されている。これら４つの貫通孔５ｃ
にはそれぞれ結合手段としてのボルト１３が挿通されウ
エハホルダ３のねじ孔３ａに螺合させることにより結合
されるようになっている。この場合、ボルト１３には、
圧縮コイルばね１４が挿通されると共に、ワッシャ１５
ａ，１５ｂが挿通されており、その圧縮コイルばね１４
の付勢力により電極ホルダ５をウエハホルダ３側に圧接
させるようになっている。

【００２３】圧縮コイルばね１４は、ばね用ステンレス
鋼線で形成されるもので、例えば耐蝕・耐熱ばね材であ
るＳＵＳ３０４を採用している。そして、この場合に
は、４本のボルト１３で所定位置まで締め付けたとき
に、半導体チップ２の各電極部２ａに対して５〜１０ｇ
程度の付勢力が与えられるようになっている。

【００２４】図６および図７は、上述のバーンイン装置
をボルト１３により締め付け固定するときに、ウエハホ
ルダ３と電極ホルダ５との間の位置合わせを行うための
アライメント装置の構成を示している。ウエハホルダ３
側が下に位置するように配置され、上下方向であるｚ軸
方向および水平面内のｘ，ｙ軸方向のそれぞれに対して
ステップモータ１６，１７，１８により移動可能に配置
されている。そして、このウエハホルダ３に対して、電
極ホルダ５を対向する状態として配置し、ボルト１３を
四隅のねじ孔３ａに螺合させ、この状態で圧縮コイルば
ね１４の付勢力が電極ホルダ５に及ばないようにして、
両者の間に隙間を持たせた状態に保持させる。この状態
で、電極ホルダ５は、水平面内での回転方向への位置ず
れを調整するためのステップモータ１９によりθ方向
（回転方向）に駆動可能とされている。

【００２５】電極ホルダ５の上方には、アライメント窓
５ａ，５ｂに対応した位置に赤外線カメラ２０ａ，２０
ｂが配設されており、そのアライメント窓５ａ，５ｂを
介してフレキシブル基板６のアライメントマーク６ａ，
６ｂが撮影可能であると共に、ウエハ１のアライメント
マーク１ａ，１ｂをそのフレキシブル基板６を透過する
赤外線により撮影可能となっている。

【００２６】次に本実施例の作用について説明する。ま
ず、バーンイン試験を行うウエハ１をウエハホルダ３の
ウエハ収容部に収容する。このとき、ウエハホルダ３の
ウエハ収容部の底面部にはシリコンゴム製のクッション
部材４が配置されているので、ウエハ１に反りが発生し
ている場合でもこれをある程度吸収して大きな応力を与
えることなく反りの修正をしながら収容することができ
る。

【００２７】次に、ウエハホルダ３に電極ホルダ５を固
定するために、ウエハホルダ３をアライメント装置に載
置する。この場合、ウエハホルダ３は下側に位置するよ
うに配置される。そして、上方側から電極ホルダ５のア
ライメント窓５ａ，５ｂを介してフレキシブル基板６の
アライメントマーク６ａ，６ｂおよびウエハ１のアライ
メントマーク１ａ，１ｂを撮影して、両者の『×』印が
一致するようにアライメント作業を行う。

【００２８】このとき、ウエハホルダ３の高さ調整をｚ
軸用のステップモータ１６により行って、電極ホルダ５
のフレキシブル基板６との間のギャップが僅かな寸法と
なるように位置を調整し、この後、両者の間の水平面内
のｘ方向およびｙ方向の位置ずれを、ステップモータ１
７，１８を駆動させることにより調整してアライメント
マーク６ａと１ａ，６ｂと１ｂとのそれぞれ『×』印が
一致するようにアライメントを行う。なお、θ方向（回
転方向）の角度ずれに対しては、ステップモータ１９を
駆動して電極ホルダ５側を回転移動させることにより調
整する。

【００２９】さて、このようにしてアライメント作業が
終了すると、この状態でボルト１３を所定位置まで締め
付けてアライメント装置から取り外す。これにより、ウ
エハ１の半導体チップ２に形成されている多数の電極２
ａのうちのバーンインに使用される電極２ａは、圧縮コ
イルばね１４の付勢力により、電極ホルダ５のフレキシ
ブル基板６に形成されているＡｕバンプ９と圧接状態に
なって電気的に接触した状態とされるようになる。

【００３０】このとき、ボルト１３の締め付けにより、
各半導体チップ２の電極にはそれぞれ５〜１０ｇの圧力
が加わるように、ボルト１３のヘッド１３ａと電極ホル
ダ５との間のギャップ寸法Ｈが設定されている。そし
て、この場合において、ウエハ１に反りが発生していた
り、あるいはＡｕバンプ９の高さ寸法にばらつきがあっ
ても、全体に加わる圧力により電気的な接触を良好に得
られるようになる。

【００３１】すなわち、ボルト１３の締め付けにより電
極ホルダ５をウエハホルダ３に圧接状態としたときに、
電極ホルダ５の各Ａｕバンプ９がウエハ１の電極部２ａ
により押され、フレキシブル基板６が電極ホルダ５の凹
部１１側に撓むように変形する。このとき、電極ホルダ
５の凹部１１には弾性反発部材１２が収容されているの
で、その力により弾性反発部材１２が変形されるように
なる。これにより、弾性反発部材１２はその変形による
力に反発してＡｕバンプ９をウエハ１の電極部２ａ側に
押し戻すようになる。したがって、ウエハ１の反りやＡ
ｕバンプ９の高さ寸法のばらつきがある場合でも、その
ばらつきを吸収しながらすべての電極を電気的接触が良
好となるように圧接状態とするようになる。

【００３２】さて、このようにしてウエハ１が装着され
ると、コネクタ８に電気的試験装置１０が接続された状
態にして、図８に示すように、上下を逆に配置してバー
ンイン試験の装置内に収容し、例えば１２５℃程度の温
度ストレスを与えると共に、所定の電気的ストレスを電
気的試験装置１０により各ＩＣチップ２に個別に印加し
た状態としてバーンインを実施することができるように
なる。

【００３３】この場合において、例えば全体を１２５℃
程度の加熱した状態では、ウエハ１および電極ホルダ５
が熱膨脹を起こすようになって両者の間の応力の違いに
よって電気的な接触状態に変化が生ずる場合があるが、
この場合には、次の理由によってそのような不具合が最
小限にとどめられるようになる。

【００３４】具体的には、電極ホルダ５をシリコンウエ
ハの熱膨張率である３．５ｐｐｍ／℃に近い材質である
「４２アロイ」（熱膨張率４．０〜４．７ｐｐｍ／℃程
度）で形成しているので、温度上昇に伴ってフレキシブ
ル基板６が熱膨張（熱膨張率２０ｐｐｍ／℃）しても電
極ホルダ５に接着固定されていることから、その熱膨張
は抑制されるようになる。この結果、この熱膨張率の差
による影響度を例えば５インチのシリコンウエハで計算
すると、最大でも５〜１３μｍ程度となり、従来の最大
１７５μｍの位置ずれに比べると大幅に改善されてお
り、電気的接触状態を良好に保持することができるよう
になる。

【００３５】このような本実施例によれば、電極ホルダ
５に、フレキシブル基板６のＡｕバンプ９に対応する部
分の背面部に凹部１１を設け、これに弾性反発部材１１
を収容しているので、アライメント終了後のボルト１３
の締め付け時に、フレキシブル基板６を変形させて弾性
反発部材１１の反発力でウエハ１の電極部２ａと接触さ
せることができるので、ウエハ１に反りが発生している
場合やＡｕバンプ９の高さ寸法にばらつきがある場合で
も、そのばらつきの悪影響を吸収してすべての電極２ａ
にＡｕバンプ９を電気的に接触させることができるよう
になり、安定した状態でバーンインを行うことができる
ようになる。

【００３６】また、電極ホルダ５にアライメント窓５
ａ，５ｂを設けてフレキシブル基板６のアライメントマ
ーク６ａ，６ｂおよびウエハ１のアライメントマーク１
ａ，１ｂを同時に撮影することができる構成としている
ので、アライメント作業を簡単な構成で光学的に認識し
ながら行うことができるようになる。

【００３７】図９は本発明の第２の実施例を示すもの
で、第１の実施例と異なるところは、バーンインを行う
半導体ウエハ２１として、ＩＣチップの電極部側にＡｕ
バンプ２２が形成されているものを用いる場合に適する
ように構成されたところである。すなわち、このもので
は、フレキシブル基板６の電極部７ａにはＡｕバンプ９
を設けず、電極部７ａのパターンのみとして構成したも
のである。これによって、第１の実施例と同様にしてウ
エハ１側にＡｕバンプ２３が設けられていることを除い
て全く同じ構成とすることができるので、第１の実施例
と同様の作用効果を得ることができる。

【００３８】本発明は、上記実施例にのみ限定されるも
のではなく、次のように変形また拡張できる。凹部は溝
状に形成し、弾性反発部材も紐状のものを用いる構成と
しても良い。赤外線カメラに代えて、通常の可視光用の
カメラを使用することもできる。フレキシブル基板のバ
ンプの材料は、Ａｕ以外に、Ａｕ−Ｎｉ合金バンプや半
田バンプなどを用いることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す全体構成の縦断側
面図

【図２】ウエハの概略的な平面図

【図３】フレキシブル基板の平面図

【図４】フレキシブル基板の縦断側面図

【図５】電極ホルダの凹部を拡大して示す縦断側面図

【図６】アライメント装置に装着した状態で示す縦断側
面図

【図７】アライメント装置に装着した状態で示す平面図

【図８】バーンインの状態を示す縦断側面図

【図９】本発明の第２の実施例を示す図１相当図

【符号の説明】

１は半導体ウエハ、１ａ，１ｂはアライメントマーク、
２はＩＣチップ（半導体チップ）、２ａは電極部、３は
ウエハホルダ（ウエハ保持部）、４はクッション部材、
５は電極ホルダ（電極板保持部）、６はフレキシブル基
板（電極フィルム）、７ａは電極部，７ｂは配線パター
ン、８はコネクタ、９はＡｕバンプ、１０は電気的試験
装置、１１は凹部、１２は弾性反発部材、１３はボル
ト、１４は圧縮コイルばね（ばね）、１５ａ，１５ｂは
ワッシャ、１６〜１９はステップモータ、２０は赤外線
カメラ、２１は半導体ウエハである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 21/326 Ｇ０１Ｒ 31/28 Ｈ Ｙ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体ウエハに形成された複数の半導体
   チップに対して、未分割の状態で各半導体チップの所定
   の電極と電気的に接続してバーンインを実行可能に形成
   された半導体試験装置において、 前記半導体ウエハを収容するウエハ保持部と、 可撓性を有するフィルムからなり、その表面に前記半導
   体ウエハの各半導体チップの所定の電極に対応する位置
   に形成された複数の電極部とこれらの電極部から端部側
   に導出された配線部とが形成された電極フィルムと、 この電極フィルムが接着固定されその電極部の各電極の
   背面部に相当する部位に凹部が形成された電極板保持部
   と、 この電極板保持部の各凹部に収容され前記電極フィルム
   の電極に前記半導体ウエハから受ける押圧力に対して反
   発するように設けられた弾性反発部材と、 前記ウエハ保持部と前記電極板保持部とを結合する結合
   手段と、 前記電極フィルムに設けられた前記半導体ウエハに対す
   る位置合わせ用のマークと、 前記電極保持部材に形成され前記電極フィルムのマーク
   を認識可能とする位置合わせ用の窓部とを備えたことを
   特徴とする半導体試験装置。
2. 【請求項２】 前記半導体ウエハの各半導体チップに形
   成された電極は、前記電極フィルムの電極部とバンプを
   介して電気的に接触されるように構成されていることを
   特徴とする請求項１記載の半導体試験装置。
3. 【請求項３】 前記電極板保持部は、Ｆｅ−Ｎｉ系合金
   から構成されていることを特徴とする請求項１または２
   記載の半導体試験装置。
4. 【請求項４】 前記弾性反発部材は、球状体をなすシリ
   コンゴム製であることを特徴とする請求項１ないし３の
   いずれかに記載の半導体試験装置。
5. 【請求項５】 前記ウエハ保持部と前記電極板保持部と
   は、四隅にボルト穴が形成されており、 前記結合部材は、ボルトにより前記ウエハ保持部と前記
   電極板保持部とを結合すると共に、ばねによって圧接状
   態に保持するように構成されていることを特徴とする請
   求項１ないし４のいずれかに記載の半導体試験装置。