JPWO2003005042A1 - 導電性接触子 - Google Patents

Abstract

本発明による導電性接触子にあっては、導電性針状体２にＮｉ下地層７ａを介して金メッキ層８を設け、さらに針状部２ａにおいて金メッキ層８の上にＮｉ下地層７ｂを形成し、スパッタリングによりイリジウム層９（または窒化チタン層またはロジウム層または窒化ハフニウム層）を設けることを特徴とするものであり、針状体の材質に特殊なものを採用することなく、先端部の酸化し難さ及び耐摩耗性を高くして、針状体の耐久性を伸ばし、ランニングコストを低廉化し得るものである。

Description

技術分野
本発明は、プリント配線板や電子素子等との間に於いて電気信号を授受するために用いられる導電性接触子に関するものである。
背景技術
従来、プリント配線板の導体パターンや電子素子などの電気的検査を行うためのコンタクトプローブに用いられる導電性接触子には、導電性針状体と、その針状体を軸線方向に変位自在に受容する筒状のホルダとを有し、針状体の先端をホルダの前端から突出させる向きにコイルばねにて弾発付勢しておき、針状体の先端を被測定物に弾発的に接触させるようにしたものがある。
また、半導体関連でのシリコンウェハやセラミックパッケージ、液晶分野でのガラス製パネルなどは、硬度の高い材料により形成されている。これらには電気配線が設けられており、製造過程において電気的検査が行われる。その検査に導電性接触子（コンタクトプローブ）が用いられており、導電性接触子を電気配線の端子部などに接触させて所定の電気信号を通電している。
しかしながら、被接触体としての被検査体の材質が上記したように硬い場合には、従来のＳＫ材などからなる針状体を用いたコンタクトプローブでは、使用頻度の増大に伴って、コンタクトプローブの被検査体との接触部（先端部）が摩耗したり、変形したりして、安定した接触抵抗が得られなくなることがある。その場合には針状体の早期交換を行うことになり、それにより検査装置のランニングコストが高騰化するという問題があった。
発明の開示
上記課題を解決し、耐摩耗性及び耐久性に優れた導電性接触子を提供するために、本発明においては、導電性針状体と、前記針状体の先端部を被接触体に接触させる向きに前記針状体を弾発付勢するためのコイルばねとを有する導電性接触子であって、前記針状体の前記先端部に、酸化し難く耐摩耗性の高い導電性物質を一体化したことを特徴とするものとした。
これによれば、針状体の先端部を酸化し難くかつ耐摩耗性の高いものとすることができ、被検査体が硬度の高い材料からなる場合でも針状体の先端部が摩耗したり変形したりすることが防止されるため、針状体の耐摩耗性及び耐久性が向上し得る。それにより、安定した接触抵抗も得られる。
特に、前記針状体の少なくとも前記導電性物質を一体化されていない残りの部分が電気伝導率の高い物質によりメッキされていることによれば、酸化し難く耐摩耗性の高い特性を優先して電気伝導率が十分高くない導電性物質を用いたとしても、針状体の先端部からコイルばねとの結合部に至る間を電気伝導率の高い物質でメッキすることができ、針状体からコイルばねに伝わる導電経路の低抵抗化を確保することができる。
また、前記導電性物質が、イリジウム、窒化チタン、ロジウム、窒化ハフニウムのいずれか、またはそれぞれと金またはプラチナとの合金のいずれかであることによれば、硬く、熱や酸の影響を受け難く、また接触抵抗が安定しているというイリジウム、窒化チタン、ロジウム、窒化ハフニウムの特徴を発揮することができ、針状体の先端部の耐摩耗性及び耐久性が向上し、安定した機械的接触による導通状態（接触抵抗が一定化するなど）を得ることができる。
また、前記イリジウム、窒化チタン、ロジウム、窒化ハフニウムのいずれか、またはそれぞれと金またはプラチナとの合金のいずれかが、剥離を防止するための下地層を介して設けられていることによれば、各物質を直接コーティングしたのではその強度が不足する場合でも、針状体に下地層を介して強固に一体化することができ、何ら問題なく耐摩耗性及び耐久性が向上した導電性接触子を提供し得る。
また、前記電気伝導率の高い物質によるメッキが金メッキであることによれば、導電性物質に酸化し難く耐摩耗性の高い特性を優先して電気伝導率が十分高くないものを用いたとしても、針状体としての電気電導率を高くすることができる。
特に、前記金メッキが前記針状体の全体に設けられ、かつ前記イリジウム、窒化チタン、ロジウム、窒化ハフニウムのいずれか、またはそれぞれと金またはプラチナとの合金のいずれかが前記金メッキの上に剥離を防止するための下地層を介して設けられていることによれば、針状体の全体に設けられた金メッキにより針状体全体の良好な電気伝導率を高く安定して保つことができ、下地層を介することによりイリジウムなどの各物質を針状体にコーティングするなどして強固に一体化することができる。また、イリジウムなどの各物質の下層の金メッキによっても通電が可能であり、より一層良好な電気的特性が得られる。
さらに、前記イリジウム、窒化チタン、ロジウム、窒化ハフニウムのいずれか、またはそれぞれと金またはプラチナとの合金のいずれかの上に金メッキ層が設けられていることによれば、イリジウムなどの各物質による耐摩耗性の増大を確保し、かつ金メッキ層により針状体全体の抵抗を低く抑えることができる。金メッキ層が摩耗・変形して下層のイリジウムなどの各物質が露出しても、その露出した回りに直ぐ金メッキ層が存在し得るため、針状体全体の電気伝導率を高く保つことができる。
発明を実施するための最良の形態
以下に本発明の実施の態様を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明が適用されたコンタクトプローブに用いられる導電性接触子１を示す縦断面図である。本導電性接触子１は、単独で用いることもできるが、例えばウェハレベルテストに使用する検査機に取り付けられるボード上に中継基板を介して一体化されたホルダ（ヘッド）に互いに並列に多数配設することにより、多点同時測定用コンタクトプローブとして用いるのに適する。なお、図は模式的に示すものであり、径方向と軸線方向との比が実寸とは異なる。
本導電性接触子１は、導電性針状体２と、圧縮コイルばね３と、それらを受容するべく絶縁材からなるホルダ４に互いに同軸的に設けられた大径ホルダ孔４ａ及び小径ホルダ孔４ｂとからなる。導電性針状体２は、先端を先鋭に形成された針状部２ａと、針状部２ａの後端側にて針状部２ａよりも拡径されたフランジ部２ｂと、フランジ部２ｂから針状部２ａとは相反する向き（図に於ける下方）に突出しかつ小径に形成された軸部２ｃとからなり、それぞれ円形断面にてかつ互いに同軸的に形成されている。
また、導電性針状体２の軸部２ｃのフランジ部２ｂ側には若干拡径された拡径部２ｄが設けられており、その拡径部２ｄに圧縮コイルばね３の一端部が弾発的に巻き付く圧入状態で結合されている。このようにして導電性針状体２に圧縮コイルばね３が連結されている。なお、拡径部２ｄに対する圧縮コイルばね３の一端部の結合にあっては、上記弾発的巻き付き状態に限らず、例えば半田付けしても良い。その圧縮コイルばね３の巻き方にあっては、図に示されるように、上記拡径部２ｄに結合される一端部が密着巻きであり、中間部が粗巻きであり、他方のコイル端部側に所定長の密着巻き部３ａが設けられている。
ホルダ４の小径ホルダ孔４ｂにより針状部２ａの円柱状部分が軸線方向に往復動自在に支持され、大径ホルダ孔４ａ内にフランジ部２ｂ・拡径部２ｄ・軸部２ｃと圧縮コイルばね３とが受容されている。また、ホルダ４の図における下面には、大径ホルダ孔４ａの開口面を塞ぐように中継基板５が取り付けられている。なお、中継基板５は、図示されないねじ等でホルダ４に一体的に固定されている。その中継基板５には、大径ホルダ孔４ａに臨む端子面を有する基板内配線５ａが設けられている。
図に示されるようにホルダ４と中継基板５とを一体化して組み付けた状態では、小径ホルダ孔４ｂと大径ホルダ孔４ａとにより形成される肩部４ｃにフランジ部２ｂが衝当することで導電性針状体２が抜け止めされるようになっている。その状態で、圧縮コイルばね３に圧縮変形により所定の初期荷重が発生する程度に大径ホルダ孔４ａの軸線方向長さが設定されていると共に、図の初期状態（非検査状態）で、軸部２ｃの端部（図における下端部）が密着巻き部３ａと接触するように、軸部２ｃと密着巻き部３ａとの各軸線方向長さが設定されている。
そして、図２に示されるように、被接触体としての検査対象である例えばウェハ６のＡｕやＣｕやＡｌ製のパッド６ａに針状部２ａの先端を当接させることにより、ウェハ６側から得られる電気信号Ｉが針状体２から圧縮コイルばね３を介して中継基板５に伝えられる。さらに、例えば中継基板５と結合された図示されないボードを経由して図示されない制御装置に伝えられて、所定の検査を行うことができる。
なお、上記したように初期状態で軸部２ｃが密着巻き部３ａと接触しており、さらに検査時には図２に示されるように軸部２ｃと密着巻き部３ａとが確実に接触する。電気信号Ｉは、図に示されるように導電性針状体２を軸線方向に流れて密着巻き部３ａに伝わり、かつ密着巻き部３ａにおいても圧縮コイルばね３の軸線に沿っても流れることが推測できる。これにより、圧縮コイルばね３の粗巻き部３ｂをすなわち螺旋状に流れることが少ないと推測されるため、低インダクタンス化に有効である。
本発明に基づく導電性接触子１にあっては、その導電性針状体２の全体に図３に示されるようにＮｉ下地層７ａを介して金メッキ層８が設けられ、さらにその針状部２ａには、金メッキ層８の上にＮｉ下地層７ｂを介してイリジウム層９が設けられている。したがって、針状部２ａの外面がイリジウム層９により形成されている。なお、Ｎｉ下地層７ａを介して金メッキ層８を設けているのは金メッキ層８の密着性を高めるためである。また、イリジウム層９は、イリジウムまたはイリジウム合金からなる。
上記各層の形成の一例を示す。先ず、例えば鉄系の高硬度材や銅合金材または貴金属合金材により針状部２ａ・フランジ部２ｂ・軸部２ｃ・拡径部２ｄを同軸に有する針状体２を形成し、その針状体２に、その全体をＮｉメッキして上記Ｎｉ下地層７ａを形成し、さらにその上に電気伝導率の高い物質であり耐食性に優れた金をメッキして金メッキ層８を形成する。
次に、そのようにして金メッキ層８を形成された導電性針状体２を、図４に示されるように、針状部２ａの基端部（フランジ部２ｂ側）を治具１０により支持し、治具１０から露出した針状部２ａに上記と同様にして、例えば厚さ約１μｍ以下のＮｉ下地層７ｂを形成し、治具１０により支持した状態の針状部２ａをＩｒターゲット１１に向けて露出させて、上方及び側方からスパッタリングを行う。このようにして、酸化し難く耐摩耗性の高い導電性物質としてのイリジウムＩｒ（またはイリジウム合金であっても良い）のスパッタリングにより、針状部２ａの全体を覆う例えば厚さ約０．５μｍ以下のイリジウム層９が形成される。なお、治具１０による針状部２ａの支持にあっては、図４では治具１０により針状部２ａを挟むことで良いが、フランジ部２ｂを治具により引っ掛けて支持する場合には、図４を横にした状態にしたり、上下を逆にしたりすることで可能である。
また、上記図示例ではイリジウムについて示したが、本発明によればイリジウムに限られるものではなく、他の同等の効果を奏し得る物質として、窒化チタン（ＴｉＮ）、ロジウム（Ｒｈ）、窒化ハフニウム（ＨｆＮ）のいずれかであって良い。窒化チタンは、上記図示例におけるイリジウムの代わりに窒化チタンをターゲットとして置き換えることで同様に窒化チタン層を形成することができる。また、ロジウムにあっては、プラチナ（Ｐｔ）とロジウムとの混合雰囲気中でスパッタリングすることにより、同様にプラチナとロジウムとの合金層を形成することができる。
また、窒化チタン、窒化ハフニウムにあっては、プラチナ（Ｐｔ）または金（Ａｕ）と、窒化チタンまたは窒化ハフニウムとを同時に窒素雰囲気中でスパッタリングすることにより、同様に窒化チタンや窒化ハフニウムと金またはプラチナとの合金層を形成することができる。このようにして上記イリジウム層９の代わりに形成される窒化チタン層またはロジウム層または窒化ハフニウム層においても、上記したイリジウム層９と同等の特性を発揮し、針状体２の先端部を、導電性を有しかつ酸化し難く耐摩耗性の高いものとすることができる。
このようにすることにより、イリジウム、窒化チタン、ロジウム、窒化ハフニウムの特徴である、硬く、熱や酸の影響を受け難く、また接触抵抗が安定しているという効果を発揮することができ、針状部２ａの特に先端部の耐摩耗性及び耐久性が向上し、安定した機械的接触の導通状態（接触抵抗が一定化するなど）を得ることができる。なお、上記したようにメッキやスパッタリングにより合金層や金属層を形成することができ、現状の導電性針状体２の形状を変更（設計変更）することなく、上記効果を奏し得るため、製造コストの上昇を抑えることができる。
また、衝撃や押圧によって摩耗しまたは変形する部分のみの硬化処理（上記例におけるイリジウム層の形成）を行えば良いため、硬化処理を行わない残りの部分としての他の部分に対しては金メッキのように電気伝導率のより高い材質のもので表面を形成することができる。例えば、拡径部２ｄに対する圧縮コイルばね３の圧入状態になる部分にあっては金メッキ層８が設けられていることから、圧縮コイルばね３の圧入部分との接触抵抗が低く抑えられている。したがって、電気信号Ｉの一部が圧縮コイルばね３の圧入部分を流れる場合でも、その接触抵抗による影響を小さくすることができる。
図２で示した電気信号Ｉの流れによれば、針状体２の軸部２ｃとコイルばね３の密着巻き部３ａとの接触部を介して電気信号Ｉが流れる。この場合には、針状体２にあっては表皮効果により金メッキ層８に電気信号が流れることになる。なお、針状部２ａの先端部ではイリジウム層９に電気信号が流れようとするが、針状部２ａの下層には金メッキ層８が設けられており、その金メッキ層８を介しても流れることができる。このように、針状体２の全体に金メッキ層８を設けた効果が発揮される。また、軸部２ｃに金メッキ層８が設けられていることにより、コイルばね３を半田付けする場合の半田付け性が良い。なお、金メッキにより耐食性が確保され、針状体２の材料を、導電性や耐食性を考慮することなく比較的自由に選ぶことができる。
また、上記イリジウム層９の形成前にＮｉ下地層７ｂを形成するようにしたが、これは、酸化し難く耐摩耗性の高い導電性物質としてイリジウムを用いた場合に、金メッキ層８の上に直接イリジウムをコーティング処理することが難しいためである。Ｎｉ下地層７ｂを介在させることにより、イリジウムのコーティング強度（耐剥離性）を大幅に向上させることができた。なお、下地層７ｂは、Ｎｉに限定されるものではなく、イリジウムの耐剥離性を向上し得るものであれば他の材質のものであって良い。
このようにして針状体２の先端部の表面にイリジウム層９を設けたことにより、例えば、ガラス基板に１００万回コンタクトさせた際の摩耗部分の直径が、表面が金メッキのものにあっては約２０μｍ以上になって下地の金属が露呈したのに対して、イリジウムコーティングのものにあっては約５μｍ以下でありかつイリジウム層９の摩耗も少ないという実験結果が得られた。
上記図示例の針状部２ａの先端形状にあっては、図示したように先鋭な円錐状であるが、その形状を限定するものではない。例えば図５に示されるような種々の先端形状に適用可能である。図５（ａ）のものは先端が丸みを帯びた円錐状であり、図５（ｂ）のものは角状部が複数設けられた形状であり、図５（ｃ）のものは平坦面が設けられた形状である。これらは、被接触体の形状に合わせて適宜用いられるものであり、例えば図５（ｃ）のものは半田ボールに当接させるのに適する。
さらに、スパッタリング方向を図５（ａ）に代表して示す矢印Ｓに限定することにより、スパッタリング方向に向いた各面１２ａ・１２ｂ・１２ｃ（針状体の先端部）のみにイリジウム層を形成することができる。これらの場合には、被接触体に接触させる面にのみイリジウム層を設けることができ、材料コストを低減し得る。
なお、上記図示例では一端可動型の導電性接触子について示したが、本発明にあっては、圧縮コイルばねの両コイル端部にそれぞれ導電性針状体を設けた両端可動型の導電性接触子や、導電性針状体を片持ち梁状にしたものなどにも適用可能であることは言うまでもない。それらの場合には、少なくとも針状体の先端部（被接触体に接触する部分）に、イリジウムなどの酸化し難く耐摩耗性の高い導電性物質を一体化して設ければ良い。
また、図６に示されるように、イリジウム層９を形成した後にさらに金メッキして、最外層に金メッキ層１３を設けても良い。このようにすることにより、耐摩耗性をイリジウム層９により確保することができると共に、金メッキ層１３により針状体２の耐食性及び低抵抗化を図ることができ、耐摩耗性が高くかつ接触抵抗がより一層安定した針状体２を提供し得る。さらに、金メッキ層１３が摩耗・変形して下層のイリジウム層９が露出しても、その露出した回りに直ぐ金メッキ層１３が存在し得るため、針状体２全体の電気伝導率を高く保つことができる。
なお、上記各図示例では金メッキ層８を針状体２の全体に設け、金メッキ層８が全体に設けられている状態の針状体２の先端部にイリジウム層９を形成するようにしたが、イリジウム層９を設ける部分に金メッキ層８を設けなくても良い。すなわち、少なくともイリジウム層９を設けない部分（図示例ではフランジ部２ｂ・拡径部２ｄ・軸部２ｃ）に金メッキ層が設けられていれば良い。
図７にその一例を示す。なお、図７は図３に対応するものであり、同様の部分には同一の符号を付してその詳しい説明を省略する。図に示されるように、針状体２の全体にＮｉ下地層７ａを設け、針状部２ａの部分にイリジウム層９を形成する。そのイリジウム層９を設けない部分（フランジ部２ｂ・拡径部２ｄ・軸部２ｃ）に金メッキ層８を設ける。これら各層８・９の形成の順序は問わず、それぞれの形成において他方の部分をマスキングするなどすれば良い。図７に示されるものの場合には、電気信号は、イリジウム層９を流れた後に金メッキ層８に伝わって流れることができる。なお、図５に対応する場合には、金メッキ層１３から金メッキ層８に伝わることができ、金メッキによる電気的特性が十分に発揮される。
以上、本発明を特定の実施例について説明したが、当業者であれば、請求の範囲に記載された本発明の概念から逸脱することなく、種々の変形・変更が可能である。
産業上の利用可能性
上記した説明から明らかなように、本発明によれば、針状体の材質に特殊なものを採用することなく、その先端部を酸化し難く及び耐摩耗性の高いものとすることができ、導電性接触子の耐摩耗性及び耐久性を容易に向上し得る。また、そのような材料として例えばイリジウムのように電気伝導率が十分高くないものを用いたとしても、針状体の少なくとも残りの部分を電気伝導率の高い物質でメッキすることにより、針状体からコイルばねに伝わる導電経路の低抵抗化を確保することができる。特に、電気伝導率の高い物質でのメッキを金メッキとすることにより、長期に亘って安定した電気的特性が得られる。そのため、針状体の耐久性が伸び、ランニングコストを低廉化し得る。
特に、針状体の全体を金メッキすると共に、剥離を防止するための下地層を介してイリジウム、窒化チタン、ロジウム、窒化ハフニウムのいずれか、またはそれぞれと金またはプラチナとの合金のいずれかを設けることにより、針状体の材質を例えば従来用いられているＳＫ材にした場合であっても、金メッキにより針状体の先端部からコイルばねに至る間を低抵抗化することができると共に、金メッキに対して下地層を介することによりイリジウムなどの各物質を強固にコーティングすることができる。これにより、針状体に、イリジウムなどの各物質の特徴である、硬く、熱や酸の影響を受け難く、また接触抵抗が安定しているという効果が発揮されると共に、金メッキにより電気電導率を高くかつ安定して得ることができる。
さらに、イリジウムなどの各物質の上に金メッキ層を設けることにより、イリジウムなどの各物質による耐摩耗性の増大を確保し、かつ金メッキ層により針状体全体の抵抗を低く抑えることができる。この場合には、金メッキ層が摩耗・変形して下層のイリジウムなどの各物質が露出しても、その露出した回りに直ぐ金メッキ層が存在し得るため、針状体全体の電気伝導率を高く保つことができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明が適用されたコンタクトプローブに用いられる導電性接触子を示す縦断面図である。
図２は、接触状態を示す図１に対応する図である。
図３は、イリジウム層のコーティング状態を示す針状体の要部拡大部分断面図である。
図４は、スパッタリング要領を示す説明図である。
図５の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ針状体の先端部の形状の違いを示す要部拡大斜視図である。
図６は、本発明に基づく別の例を示す図３に対応する図である。
図７は、図３に対応するさらに別の例を示す図である。

Claims (10)

1. 導電性針状体と、前記針状体の先端部を被接触体に接触させる向きに前記針状体を弾発付勢するためのコイルばねとを有する導電性接触子であって、
   前記針状体の前記先端部に、酸化し難く耐摩耗性の高い導電性物質を一体化したことを特徴とする導電性接触子。
2. 前記針状体の少なくとも前記導電性物質を一体化されていない残りの部分が電気伝導率の高い物質によりメッキされていることを特徴とする請求項１に記載の導電性接触子。
3. 前記導電性物質が、イリジウム、窒化チタン、ロジウム、窒化ハフニウムのいずれか、またはそれぞれと金またはプラチナとの合金のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の導電性接触子。
4. 前記イリジウム、窒化チタン、ロジウム、窒化ハフニウムのいずれか、またはそれぞれと金またはプラチナとの合金のいずれかが、剥離を防止するための下地層を介して設けられていることを特徴とする請求項３に記載の導電性接触子。
5. 前記導電性物質が、イリジウム、窒化チタン、ロジウム、窒化ハフニウムのいずれか、またはそれぞれと金またはプラチナとの合金のいずれかであることを特徴とする請求項２に記載の導電性接触子。
6. 前記イリジウム、窒化チタン、ロジウム、窒化ハフニウムのいずれか、またはそれぞれと金またはプラチナとの合金のいずれかが、剥離を防止するための下地層を介して設けられていることを特徴とする請求項５に記載の導電性接触子。
7. 前記電気伝導率の高い物質によるメッキが金メッキであることを特徴とする請求項２に記載の導電性接触子。
8. 前記導電性物質が、イリジウム、窒化チタン、ロジウム、窒化ハフニウムのいずれか、またはそれぞれと金またはプラチナとの合金のいずれかであることを特徴とする請求項７に記載の導電性接触子。
9. 前記金メッキが前記針状体の全体に設けられ、かつ前記イリジウム、窒化チタン、ロジウム、窒化ハフニウムのいずれか、またはそれぞれと金またはプラチナとの合金のいずれかが、剥離を防止するための下地層を介して設けられていることを特徴とする請求項８に記載の導電性接触子。
10. 前記イリジウム、窒化チタン、ロジウム、窒化ハフニウムのいずれか、またはそれぞれと金またはプラチナとの合金のいずれかの上に金メッキ層が設けられていることを特徴とする請求項９に記載の導電性接触子。

Images