JPWO2008123076A1 - 接続用ボード、プローブカード及びそれを備えた電子部品試験装置 - Google Patents

Abstract

プローブカード５０Ａは、半導体ウェハＷ上に造り込まれたＩＣデバイスの入出力端子に電気的に接触するプローブ針６０と、プローブ針６０が実装されているマウントベース５１と、マウントベース５１を支持する支柱５３と、ボンディングワイヤ５２を介してプローブ針６０に電気的に接続された配線パターンを有する配線基板５５と、プローブカード５０Ａを補強するためのベース部材５６及びスティフナ５７と、を備え、マウントベース５１と配線基板５５とが非接触となっている。

Description

本発明は、半導体集積回路素子等の各種電子部品（以下、代表的にＩＣデバイスとも称する。）を試験装置によりテストする際に、ＩＣデバイスと試験装置とを電気的に接続するための接続用ボード、プローブカード、及び、それを備えた電子部品試験装置に関する。

ＩＣデバイス等の電子部品の製造過程においては、半導体ウェハ上に造り込まれた状態やパッケージングされた状態でＩＣデバイスの性能や機能を試験するために電子部品試験装置が用いられている。

半導体ウェハＷ上に形成されたＩＣデバイスの電気的特性を試験する電子部品試験装置１’として、図８に示すように、プローバ８０によりウェハＷをプローブカード５０’に押し付けて、プローブカード５０’に実装されたプローブ針６０’をＩＣデバイスの入出力端子に電気的に接触させ、プローブカード５０’及びテストヘッド１０を介してテスタ（不図示）によりＩＣデバイスの電気的特性を試験するものが従来から知られている。

こうした試験は、被試験ウェハＷを保持しているプローバステージ８３を加熱することで、ウェハＷに熱ストレスを印加した状態で実施される。この熱ストレスの印加に伴って、プローブカード５０’も温度上昇して熱膨張する。

プローブカード５０’においてプローブ針６０’が実装されている基板５５’は、例えばガラスエポキシ樹脂等の半導体ウェハＷよりも熱膨張率が大きな材料から構成されている。また、同図に示すように、プローブカード５０’はその周縁でカードホルダ７０を介してプローバ８０のトッププレート８１に固定されている。

そのため、ウェハＷに熱ストレスが印加されると、図９Ａ〜図９Ｃに示すように、プローブカード５０’の基板５５’が熱膨張して垂直方向に変形して、プローブ針６０’の先端位置が垂直方向に変動する。これにより、プローブ針６０’がＩＣデバイスの入出力端子に接触する際の針圧（接触圧）が変化するため、プローブ針６０’とＩＣデバイスの入出力端子との間の電気的な特性が変化してしまい、高精度な試験を実施することができない場合がある。

また、プローブカード５０’においてプローブ針６０’を実装している基板５５’が熱膨張すると、プローブ針６０’とＩＣデバイスの入出力端子との間に位置ズレが生じ、プローブ針６０’が入出力端子にミスコンタクトしてしまう場合がある。

本発明が解決しようとする課題は、被試験電子部品の試験を正確且つ高精度に実施することが可能な接続用ボード、プローブカード、及び、それを備えた電子部品試験装置を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明によれば、被試験電子部品を試験する際に前記被試験電子部品と電子部品試験装置とを電気的に接続するための接続用ボードであって、前記被試験電子部品の入出力端子に電気的に接触する接触子と、前記接触子が実装されている第１の基板と、前記接触子と電気的に接続された配線パターンを有する第２の基板と、を備え、前記第１の基板と前記第２の基板とが非接触となっている接続用ボードが提供される。

上記発明においては特に限定されないが、前記第１の基板は、前記第２の基板よりも相対的に小さな熱膨張率を有することが好ましい。

上記発明においては特に限定されないが、前記第１の基板は、前記被試験電子部品が形成された半導体基板よりも相対的に大きな熱膨張率を有することが好ましい。

上記発明においては特に限定されないが、前記第１の基板は、セラミックス基板から構成されていることが好ましい。

上記発明においては特に限定されないが、前記第１の基板を支持する支持部材と、前記接続用ボードを補強するための補強部材と、をさらに備え、前記支持部材は、前記補強部材に固定されていることが好ましい。

上記発明においては特に限定されないが、前記第２の基板には、表面から裏面に向かって貫通している第１の貫通孔が形成されており、前記支持部材の一端は前記第１の基板に固定され、前記支持部材の他端は前記第１の貫通孔を介して前記補強部材に固定されていることが好ましい。

上記発明においては特に限定されないが、前記第１の基板が前記第２の基板側に変形するのを抑制する変形抑制部材をさらに備えていることが好ましい。

上記発明においては特に限定されないが、前記第２の基板には、表面から裏面に向かって貫通している第２の貫通孔が形成されており、前記変形抑制手段の一端は前記第１の基板の近傍に位置しており、前記変形抑制部材の他端は前記第２の貫通孔を介して前記補強部材に固定されていることが好ましい。

上記発明においては特に限定されないが、前記第１の基板には、表面から裏面に向かって貫通している貫通孔が形成されており、前記接触子と、前記第２の基板が有する前記配線パターンとは、前記貫通孔を通過しているボンディングワイヤを介して電気的に接続されていることが好ましい。

上記発明においては特に限定されないが、前記第２の基板は、前記電子部品試験装置に電気的に接続されるコネクタを有することが好ましい。

上記発明においては特に限定されないが、前記電子部品試験装置に電気的に接続されるコネクタを有する第３の基板と、前記第２の基板と前記第３の基板とを着脱可能に電気的に接続する中継基板と、をさらに備えていることが好ましい。

上記目的を達成するために、本発明によれば、上記何れかの接続用ボードを適用したプローブカードであって、前記被試験電子部品は、半導体ウェハ上に形成された半導体デバイスであり、前記接触子は、前記第１の基板の表面に実装され、前記半導体デバイスの入出力端子に電気的に接触するプローブ針であるプローブカードが提供される。

上記目的を達成するために、本発明によれば、半導体ウェハ上に形成された半導体デバイスを試験するための電子部品試験装置であって、上記のプローブカードと、前記プローブカードに電気的に接続されたテストヘッドと、前記プローブカードに対して前記半導体ウェハを相対移動させるプローバと、を備えた電子部品試験装置が提供される。

本発明では、接触子を実装する基板と、配線パターンを形成する基板と、をそれぞれ別々なものとし、しかも、接触子が実装された第１の基板と、回路パターンが形成された第２の基板とを非接触とする。これにより、第２の基板が熱膨張等により変形しても、第１の基板にその変形が伝達することはなく、接触子の接触圧の変動や位置ズレが抑制されるので、高精度で正確な試験を実施することができる。

図１は、本発明の第１実施形態における電子部品試験装置の構成を示す概略断面図である。 図２は、本発明の第１実施形態におけるプローブカードを示す断面図である。 図３は、本発明の第１実施形態におけるプローブカードを示す下面図である。 図４は、本発明の第１実施形態におけるプローブ針を示す断面図である。 図５は、本発明の第１実施形態におけるプローブ針を示す平面図である。 図６Ａは、本発明の第２実施形態におけるプローブカードを示す部分断面図であり、プローブ針先端までの高さが高いユニットを装着した例を示す。 図６Ｂは、本発明の第２実施形態におけるプローブカードを示す部分断面図であり、プローブ針先端までの高さが低いユニットを装着した例を示す。 図７は、本発明の第２実施形態におけるプローブカードに用いられるインタポーザの断面図である。 図８は、従来の電子部品試験装置の構成を示す概略断面図である。 図９Ａは、プローブカードの熱膨張の過程を示す概略断面図（その１）である。 図９Ｂは、プローブカードの熱膨張の過程を示す概略断面図（その２）である。 図９Ｃは、プローブカードの熱膨張の過程を示す概略断面図（その３）である。

符号の説明

１…電子部品試験装置
１０…テストヘッド
５０Ａ…プローブカード
５１…マウントベース
５２…ボンディングワイヤ
５３…支柱
５４…リミッタ
５５…配線基板
５５ａ…第１の貫通孔
５５ｂ…第２の貫通孔
５５ｃ…コネクタ
５５ｄ…配線パターン
５５ｅ…端子
５６…ベース部材
５７…スティフナ
６０…プローブ針
６１…ベース部
６２…梁部
６３…導電層
８０…プローバ
８３…プローバステージ
Ｗ…半導体ウェハ

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は本発明の第１実施形態における電子部品試験装置の構成を示す概略断面図、図２は本発明の第１実施形態におけるプローブカードを示す断面図、図３は本発明の第１実施形態におけるプローブカードを示す下面図、図４は本発明の第１実施形態におけるプローブ針を示す断面図、図５は本発明の第１実施形態におけるプローブ針を示す平面図である。

本実施形態における電子部品試験装置１は、例えばシリコン（Ｓｉ）等から構成される半導体ウェハＷに造り込まれたＩＣデバイスの電気的特性を試験するための装置である。この電子部品試験装置１は、図１に示すように、ＩＣデバイスの試験を行うテスタ（不図示）にケーブル（不図示）を介して電気的に接続されたテストヘッド１０と、半導体ウェハＷ上のＩＣデバイスとテストヘッド１０とを電気的に接続するためのプローブカード５０Ａと、半導体ウェハＷをプローブカード５０Ａに押し付けるプローバ８０と、を備えている。

プローブカード５０Ａは、図１〜図３に示すように、半導体ウェハＷ上に造り込まれたＩＣデバイスの入出力端子に電気的に接触する多数のプローブ針６０と、このプローブ針６０が実装されたマウントベース５１と、ボンディングワイヤ５２を介してプローブ針６０に電気的に接続された配線パターン（不図示）を有する配線基板５５と、プローブカード５０Ａを補強するためのベース部材５６及びスティフナ５７と、マウントベース５１を支持する支柱５３と、マウントベース５１の変形を抑制するリミッタ５４と、から構成されており、ハイフィックス１１を介してテストヘッド１０に接続されている。

プローブ針６０は、図４及び図５に示すように、マウントベース４１に固定されているベース部６１と、後端側がベース部６１に設けられ、先端側がベース部６１から突出している梁部６２と、梁部６２の表面に形成された導電層６３と、から構成されている。このプローブ針６０のベース部６１及び梁部６２は、フォトリソグラフィ等の半導体製造技術を用いてシリコン基板から製作されており、図５に示すように、一つのベース部６１に対して複数本の梁部６２がフィンガ状（櫛状）に設けられている。このように、半導体製造技術を用いてプローブ針６０を製造することで、梁部６２の間のピッチを被試験ウェハＷ上に造り込まれた入出力端子間の狭小なピッチに容易に合わせることができる。

図４に示すように、ベース部６１の後端には段差６１ａが形成されている。この段差６１ａの深さと長さの比を制御することで、マウントベース５１に対するプローブ針５０の傾斜角度βを任意に設定することが可能となっている。なお、この傾斜角度βは小さいほど好ましい。

梁部６２の上面には、プローブ針６０において導電層６３を他の部分から電気的に絶縁するための絶縁層６２ａが形成されている。この絶縁層５３ａは、例えばＳｉＯ_２層やボロンドープ層から構成されている。

この絶縁層６２ａの表面には導電層６３が形成されている。導電層６３を構成する材料としては、例えば、タングステン、パラジウム、ロジウム、白金、ルテニウム、イリジウム、ニッケル等の金属材料を挙げることができる。

以上のような構成のプローブ針６０は、図４に示すように、接着剤５１ｂによりマウントベース５１上に固定されており、被試験ウェハＷに造り込まれたＩＣデバイスの入出力端子にその先端が対向するようになっている。プローブ針６０をマウントベース５１に固定する接着剤５１ｂとしては、例えば紫外線硬化型接着剤等を挙げることができる。

マウントベース５１は、被試験ウェハＷよりも若干大きな熱膨張率を有する材料から構成される円形状の基板である。マウントベース５１を構成する具体的な材料としては、例えば、セラミックス、コバール、タングステンカーバイト、ステンレスインバー鋼などを挙げることができる。なお、加工が容易であり安価である点において、マウントベース５１をセラミックス基板で構成することが好ましい。被試験ウェハＷに対して適切な熱膨張率を持つ材料でマウントベース５１を構成することで、温度印加により生じるプローブ針６０の接触圧の変動や、プローブ針６０の先端と被試験ウェハＷ上の端子との間の位置ズレを少なくすることができる。

マウントベース５１においてプローブ針６０の後方には、図２及び図３に示すように、マウントベース５１を表面から裏面を貫通している矩形状の貫通孔５１ａが形成されている。プローブ針６０の導電層６３に接続されたボンディングワイヤ５２が、マウントベース５１の貫通孔５１ａを介して、配線基板５５上の端子に接続されている。プローブ針６０と配線基板５５とを、余裕を持たせたボンディングワイヤ５２で接続することにより、マウントベース５１と配線基板５５の熱膨張差を許容することができる。

配線基板５５は、例えばガラスエポキシ樹脂から構成される円形状の基板である。配線基板５５の下面には、ボンディングワイヤ５２が接続される端子（不図示）が形成され、配線基板５５の上面には、ハイフィックス１１側のコネクタ１２と連結するコネクタ５５ｃが上面に設けられており、配線基板５５の内部には下面の端子と上面のコネクタ５５ｃとを電気的に接続している配線パターン（不図示）が形成されている。コネクタ１２、５５ｃとしては、例えばＺＩＦ（Zero Insertion Force）コネクタを用いることができる。配線基板５５には、支柱５３を貫通させるための第１の貫通孔５５ａと、リミッタ５４を貫通させるための第２の貫通孔５５ｂとが、表面から裏面に貫通するように形成されている。

配線基板５５の上面には、プローブカード５０Ａを補強するためにベース部材５６及びスティフナ５７が設けられている。ベース部材５６とスティフナ５７は例えばボルト締結により固定されている。また、スティフナ５７と配線基板５５は、当該基板５５の外周部分で例えばボルト締結により固定されている。これに対し、ベース部材５６と配線基板５５は直接固定されていないので、配線基板５５はその中央部分において非拘束な状態となっており、配線基板５５の熱膨張による変形がベース部材５６に直接伝達しないようになっている。ベース部材５６及びスティフ５７を構成する材料としては、例えばステンレス鋼や炭素鋼などを挙げることができる。

支柱５３は、マウントベース５１を支持するための柱状部材であり、図２に示すように、支柱５３の一端はマウントベース５１に固定され、支柱５３の他端は第１の貫通孔５５ａを介してベース部材５６に直接固定されている。支柱５３をベース部材５６に直接固定することで、配線基板５５の熱膨張の影響により支柱５３の位置が変動してしまうのを防止することができる。支柱５３を構成する材料としては、例えばステンレスインバー鋼などを挙げることができる。支柱５３をマウントベース５１やベース部材５６に固定する手法としては、例えばボルト締結や接着などを挙げることができる。

リミッタ５４は、ウェハＷをプローブ針６０に押し付けた際にマウントベース５１が変形するのを防止するための柱状部材であり、図２に示すように、リミッタ５４の一端はマウントベース５１の裏面に接触し、又は、当該裏面の近傍に位置しており、リミッタ５４の他端は第２の貫通孔５５ｂを介してベース部材５６に直接固定されている。リミッタ５４を構成する材料としては、支柱５３と同様に、例えばステンレスインバー鋼などを挙げることができる。リミッタ５４をベース部材５６に固定する手法としては、例えばボルト締結や接着などを挙げることができる。このリミッタ５４は、ウェハＷがプローブカード５０Ａに押し付けられた際に、マウントベース５１の裏面に密着して、マウントベース５１が配線基板５５側に変形するのを抑制するようになっている。なお、ウェハＷをプローブ針６０に押し付けた際に変形しない程度の十分な強度をマウントベース５１が有している場合には、リミッタ５４は不要である。

以上のような構成のプローブカード５０Ａは、図１に示すように、プローブ針６０が中央開口７１を介して下方を臨むような姿勢で、環状のホルダ７０に固定されている。ホルダ７０は、プローブカード５０Ａを保持した状態で環状のアダプタ７５に固定されており、さらに、アダプタ７５は、プローバ８０のトッププレート８１に形成された開口８２に固定されている。このアダプタ７５は、被試験ウェハＷの品種及びテストヘッド１０の形状に対応してサイズの異なるプローブカードを、プローバ８０の開口８２に適合させるためのものである。プローブカード５０Ａ側とハイフィックス１１側とは、図１に示すように、ハイフィックス１１の下面に設けられたフック１３と、アダプタ７５に設けられたフック７６とを互いに係合させることにより機械的に連結されている。

テストヘッド１０の下部にはハイフィックス１１が装着されており、このハイフィックス１１の下面に、同軸ケーブルが接続されたコネクタ１２が設けられている。このテストヘッド１０側のコネクタ１２と、プローブカード５０Ａの配線基板５５の上面に設けられたコネクタ５５ｃとが連結することで、テストヘッド１０とプローブカード５０Ａとが電気的に接続するようになっている。

プローバ８０は、真空チャックによりウェハＷを保持することが可能であると共に、この保持したウェハＷをＸＹＺ方向に移動させることが可能なプローバステージ８３を有している。また、このプローバステージ８３は、保持している被試験ウェハＷを加熱することが可能となっている。

次に作用について説明する。

試験に際して、プローバステージ８３上に被試験ウェハＷが載置されると、プローバステージ８３は当該ウェハＷを吸着保持すると共に加熱を開始する。この際、本実施形態では、プローブカード５０Ａにおいて、プローブ針６０が実装されているマウントベース５１と、配線パターンが形成された配線基板５５と、をそれぞれ別々なものとし、しかもマウントベース５１と配線基板５５とを非接触となっているので、配線基板５５が熱膨張しても、マウントベース５１にその変形が伝達することはない。

次いで、開口８２を介してプローバ８０内に臨むプローブカード５０Ａに対して、プローバステージ８３がウェハＷを対向させて押し付けると、プローブカード５０Ａのプローブ針６０がウェハＷ上に造り込まれたＩＣデバイスの入出力端子に電気的に接触する。この状態で、テスタがテストヘッド１０及びプローブカード５０Ａを介して被試験ＩＣデバイスに試験信号を入出力することで、ＩＣデバイスの試験が実施される。この際、上記の通り、本実施形態では、プローブ針６０を実装しているマウントベース５１が変形し難い構成となっているため、温度印加により生じるプローブ針６０の接触圧の変動や、プローブ針６０の先端と被試験ウェハＷ上の端子との間の位置ズレを少なくすることができる。

図６Ａ及び図６Ｂは本発明の第２実施形態におけるプローブカードを示す部分断面図、図７は本発明の第２実施形態におけるプローブカードに用いられるインタポーザの断面図である。

本実施形態におけるプローブカード５０Ｂは、図６Ａに示すように、プローブ針６０、マウントベース５１、ボンディングワイヤ５２、支柱５３、リミッタ５４、配線基板５５、ベース部材５６及びスティフナ５７を備えている点で第１実施形態と同様であるが、配線基板５５の上面の構成、並びに、固定用基板５８及びインタポーザ５９をさらに備えている点で、第１実施形態と相違する。

本実施形態における配線基板５５は、その上面にコネクタ５５ｃの代わりに、図７に示すように、配線パターン５５ｄに導通している端子５５ｅが設けられている。因みに、配線パターン５５ｄは、配線基板５５の下面においてボンディングワイヤ５２が接続された端子に導通している。

固定用基板５８は、例えばガラスエポキシ樹脂から構成される環状の基板である。図７に示すように、固定用基板５８の下面には、配線パターン５８ｂに導通している端子５８ｃが設けられ、固定用基板５８の上面には、ハイフィックス１１側のコネクタ１２と連結するコネクタ５８ａが上面に設けられており、固定用基板５８の内部には、端子５８ｃとコネクタ５８ａとを電気的に接続している配線パターン５８ｂが形成されている。図６Ａに示すように、固定用基板５８の上部には第２のスティフナ５８ｄが固定されており、さらに、この第２のスティフナ５８ｄには、配線基板５５が固定されたスティフナ５７が固定されている。

インタポーザ５９は、図７に示すように、弾性を有する多数のピン５９ａと、これらのピン５９ａを略中間位置で保持する保持板５９ｂと、から構成されており、これらピン５９ａにより、配線基板５５の端子５５ｅと、固定用基板５８の端子５８ｃとが、着脱可能に電気的に接続されている。なお、他のインタポーザの例として、例えばポゴピンや異方導電性ゴムシート（シリコーンゴム中に金メッキ細線が高密度に埋設されたもの）等を挙げることができ、インタポーザの代わりにコネクタを用いても良い。

本実施形態では、マウントベース５１、支柱５３、リミッタ５４及び配線基板５５から構成されるユニットを、プローブカード５０Ｂから着脱可能となっており、当該ユニットを交換することで、プローブ針６０の先端の高さを変更することが可能となっている。

例えば、図６Ａに示す例では、比較的背の高い支柱５３及びリミッタ５４を有するユニットが用いられているため、固定用基板５９の下面に対するプローブ針６０の先端の高さがｈ_０となっている。これに対し、図６Ｂに示すように、ユニットを比較的背の低い支柱５３’及びリミッタ５４’を有するものに交換することで、プローブ針６０の先端の高さをｈ_１と低くすることができる（ｈ_０＞ｈ_１）。なお、支柱５３やリミッタ５４の高さを変更するだけでなく、例えばマウントベース５１の厚さを変えることで、プローブ針６０の先端の高さを変更するようにしても良い。

なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。

Claims (13)

1. 被試験電子部品を試験する際に前記被試験電子部品と電子部品試験装置とを電気的に接続するための接続用ボードであって、
   前記被試験電子部品の入出力端子に電気的に接触する接触子と、
   前記接触子が実装されている第１の基板と、
   前記接触子と電気的に接続された配線パターンを有する第２の基板と、を備え、
   前記第１の基板と前記第２の基板とが非接触となっている接続用ボード。
2. 前記第１の基板は、前記第２の基板よりも相対的に小さな熱膨張率を有する請求項１記載の接続用ボード。
3. 前記第１の基板は、前記被試験電子部品が形成された半導体基板よりも相対的に大きな熱膨張率を有する請求項１又は２記載の接続用ボード。
4. 前記第１の基板は、セラミックス基板から構成されている請求項１〜３の何れかに記載の接続用ボード。
5. 前記第１の基板を支持する支持部材と、
   前記接続用ボードを補強するための補強部材と、をさらに備え、
   前記支持部材は、前記補強部材に固定されている請求項１〜４の何れかに記載の接続用ボード。
6. 前記第２の基板には、表面から裏面に向かって貫通している第１の貫通孔が形成されており、
   前記支持部材の一端は前記第１の基板に固定され、前記支持部材の他端は前記第１の貫通孔を介して前記補強部材に固定されている請求項５記載の接続用ボード。
7. 前記第１の基板が前記第２の基板側に変形するのを抑制する変形抑制部材をさらに備えた請求項１〜６の何れかに記載の接続用ボード。
8. 前記第２の基板には、表面から裏面に向かって貫通している第２の貫通孔が形成されており、
   前記変形抑制手段の一端は前記第１の基板の近傍に位置しており、前記変形抑制部材の他端は前記第２の貫通孔を介して前記補強部材に固定されている請求項７記載の接続用ボード。
9. 前記第１の基板には、表面から裏面に向かって貫通している貫通孔が形成されており、
   前記接触子と、前記第２の基板が有する前記配線パターンとは、前記貫通孔を通過しているボンディングワイヤを介して電気的に接続されている請求項１〜８の何れかに記載の接続用ボード。
10. 前記第２の基板は、前記電子部品試験装置に電気的に接続されるコネクタを有する請求項１〜９の何れかに記載の接続用ボード。
11. 前記電子部品試験装置に電気的に接続されるコネクタを有する第３の基板と、
    前記第２の基板と前記第３の基板とを着脱可能に電気的に接続する中継基板と、をさらに備えた請求項１〜９の何れかに記載の接続用ボード。
12. 請求項１〜１１の何れかに記載の接続用ボードを適用したプローブカードであって、
    前記被試験電子部品は、半導体ウェハ上に形成された半導体デバイスであり、
    前記接触子は、前記第１の基板の表面に実装され、前記半導体デバイスの入出力端子に電気的に接触するプローブ針であるプローブカード。
13. 半導体ウェハ上に形成された半導体デバイスを試験するための電子部品試験装置であって、
    請求項１２記載のプローブカードと、
    前記プローブカードに電気的に接続されたテストヘッドと、
    前記プローブカードに対して前記半導体ウェハを相対移動させるプローバと、を備えた電子部品試験装置。

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