JPWO2012067126A1 - コンタクトプローブおよびプローブユニット - Google Patents

Abstract

長手方向に沿って伸縮可能な針状をなす導電性のコンタクトプローブ（２）が、長手方向の少なくとも一方の端部に設けられ、長手方向に沿って錘状または山状をなしてそれぞれ突出し、長手方向における先端の高さが他と異なるものを含む複数の突出部を備えることによって、接触対象の球状電極の表面に存在する酸化被膜を確実に削り落とすことができるとともに、一段と安定した導通を確保することが可能となる。

Description

本発明は、半導体パッケージや液晶パネルなどの検査対象の導通状態検査または動作特性検査に用いられる導電性のコンタクトプローブおよび当該コンタクトプローブを備えたプローブユニットに関する。

従来より、半導体パッケージや液晶パネルなどの検査対象の導通状態検査や動作特性検査を行う際には、その検査対象が有する外部接続用電極の設置パターンに対応して、導電性の複数のコンタクトプローブを所定の位置に配置したプローブユニットが用いられる。プローブユニットでは、コンタクトプローブの両端部が、検査対象の電極と検査用信号を出力する配線基板の電極とにそれぞれ接触することにより、検査対象と配線基板との間を電気的に接続する（例えば、特許文献１を参照）。このようなプローブユニットにおいては、近年の半導体パッケージや液晶パネルの高集積化、微細化の進展に対応可能な技術として、隣り合うコンタクトプローブ間のピッチを狭小化する技術が進歩してきている。

ところで、検査対象の電極は球状をなしている場合がある。このような球状電極との接触に適したコンタクトプローブとして、特許文献１にも示されるように、互いに同じ錘状をなして長手方向へ突出し、該長手方向の中心軸に対して回転対称な位置に配置される複数の突出部が形成されたクラウン形状の先端部を有し、球状電極と接触する第１プランジャと、配線基板と接触する第２プランジャと、この２つのプランジャを連結するコイルばねとを備えたコンタクトプローブが用いられる。このコンタクトプローブのコイルばねは、線材が密着して巻かれ、端部が第１プランジャに取り付けられる密着巻き部と、密着巻き部から延びる線材が所定のピッチで巻かれ、端部が第２プランジャに取り付けられる粗巻き部とを有する。

上述したコンタクトプローブによれば、複数の突出部が球状電極の表面に存在する汚れや酸化被膜を削り落とすことができ、球状電極との間で確実な電気的接続を実現することができる。また、上述したコンタクトプローブによれば、検査時の荷重が外部から加わると、コイルばねの密着巻き部を介して第１および第２プランジャが導通するため、導通経路を短くしてインダクタンスや抵抗の低減、安定化を実現することができる。したがって、上述したコンタクトプローブを備えたプローブユニットを用いることにより、半導体パッケージ等の検査時に安定した導通を確保することができる。

特開２００２−１０７３７７号公報

上述した従来のコンタクトプローブの場合、第１プランジャの先端部では、複数の突出部が長手方向の中心軸に対して回転対称に配設されており、球状電極と接触する際のコンタクトプローブの動きは、長手方向に沿ってほぼ直線的であった。このため、荷重が加わった時のコイルばねの湾曲が少ないと、第２プランジャとコイルばねの密着巻き部との間で十分な接触が得られない可能性があった。このような場合、コイルばねの粗巻き部が導通経路に含まれてしまうため、インダクタンスや抵抗が増大してしまい、安定した導通を確保することができないおそれがあった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、接触対象の球状電極の表面に存在する酸化被膜を確実に削り落とすことができるとともに、安定した導通を確保することができるコンタクトプローブおよび当該コンタクトプローブを備えたプローブユニットを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るコンタクトプローブは、長手方向に沿って伸縮可能な針状をなす導電性のコンタクトプローブであって、前記長手方向の少なくとも一方の端部に設けられ、前記長手方向に沿って錘状または山状をなしてそれぞれ突出し、前記長手方向における先端の高さが他と異なるものを含む複数の突出部を備えたことを特徴とする。

また、本発明に係るコンタクトプローブは、上記発明において、前記複数の突出部を有する第１プランジャと、前記長手方向の端部であって前記第１プランジャが位置する端部と異なる端部に位置する第２プランジャと、前記第１プランジャと前記第２プランジャとを連結し、前記長手方向に沿って伸縮自在なコイルばねと、を備えたことを特徴とする。

また、本発明に係るコンタクトプローブは、上記発明において、前記コイルばねは、線材が密着して巻かれ、一端部が前記第１および第２プランジャの一方に取り付けられる密着巻き部と、前記密着巻き部の他端部から連続して延びる線材が所定のピッチで離間して巻かれ、前記密着巻き部に接続していない側の端部が前記第１および第２プランジャの他方に取り付けられる粗巻き部と、を有し、前記粗巻き部が取り付けられる前記第１および第２プランジャの他方は、少なくとも当該コンタクトプローブに検査時の荷重が加わって前記コイルばねが収縮した状態で、前記密着巻き部の内周側へ進入することを特徴とする。

また、本発明に係るコンタクトプローブは、上記発明において、前記第１プランジャは、前記コイルばねを挿通する第１基端部を有し、前記第２プランジャは、前記第１基端部よりも前記長手方向の長さが短く、前記コイルばねを挿通する第２基端部を有し、前記密着巻き部は前記第１プランジャに取り付けられることを特徴とする。

また、本発明に係るプローブユニットは、上記発明に記載の複数のコンタクトプローブと、前記コンタクトプローブの両端部を外部に表出させつつ抜け止めした状態で保持する保持孔が複数形成され、少なくとも表面が絶縁性を有するプローブホルダと、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、長手方向の少なくとも一方の端部に設けられ、長手方向に沿って錘状または山状をなしてそれぞれ突出し、長手方向に沿った先端の高さが他と異なるものを含む複数の突出部を備えているため、複数の突出部が接触対象の球状電極と接触するタイミングが一様ではなくなり、先に接触した方の突出端が球状電極を引っかきながら移動する。したがって、接触対象の球状電極の表面に存在する酸化被膜を確実に削り落とすことができるとともに、安定した導通を確保することが可能となる。

図１は、本発明の一実施の形態に係るプローブユニットの全体構成を示す斜視図である。 図２は、本発明の一実施の形態に係るプローブユニットの要部の構成を示す図である。 図３は、本発明の一実施の形態に係るコンタクトプローブの第１プランジャの先端部の形状を示す上面図である。

以下、添付図面を参照して本発明を実施するための形態（以下、「実施の形態」という）を説明する。なお、図面は模式的なものであって、各部分の厚みと幅との関係、それぞれの部分の厚みの比率などは現実のものとは異なる場合もあることに留意すべきであり、図面の相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれる場合があることは勿論である。

図１は、本発明の一実施の形態に係るプローブユニットの構成を示す斜視図である。図２は、本実施の形態に係るプローブユニットの要部の構成を示す部分断面図である。これらの図に示すプローブユニット１は、半導体パッケージ１００と半導体パッケージ１００へ検査用信号を出力する配線基板２００との間を電気的に接続するものであり、検査対象物である半導体パッケージ１００の電気特性検査を行う際に使用する装置（テストソケット）である。

プローブユニット１は、長手方向の両端で互いに異なる二つの被接触体である半導体パッケージ１００および配線基板２００とそれぞれ接触する導電性のコンタクトプローブ２と、複数のコンタクトプローブ２を所定のパターンにしたがって収容して保持し、少なくとも表面が絶縁性を有するプローブホルダ３と、プローブホルダ３の外周を包囲するように配置され、プローブホルダ３を固定して保持するとともに検査時における半導体パッケージ１００の位置ずれを抑制する絶縁性のベース部材４と、を備える。

コンタクトプローブ２は、半導体パッケージ１００の球状電極１０１と接触する第１プランジャ２１と、コンタクトプローブ２の長手方向の端部であって第１プランジャ２１が位置する端部と異なる端部に位置し、配線基板２００の電極２０１と接触する第２プランジャ２２と、第１プランジャ２１と第２プランジャ２２とを連結し、コンタクトプローブ２の長手方向に沿って伸縮自在なコイルばね２３とを有する。第１プランジャ２１、第２プランジャ２２およびコイルばね２３は、同一の軸線を有している。

第１プランジャ２１は、半導体パッケージ１００の球状電極１０１と接触する先端部２１ａと、先端部２１ａの基端側に設けられ、先端部２１ａの径よりも大きい径を有するフランジ部２１ｂと、フランジ部２１ｂに対して先端部２１ａと反対側に設けられ、フランジ部２１ｂの径よりも径が小さくかつコイルばね２３の内径とほぼ等しい径を有し、コイルばね２３の一端部が圧入される円柱状のボス部２１ｃと、ボス部２１ｃに対してフランジ部２１ｂと反対側に設けられ、コイルばね２３の内径よりも径が小さい円柱状をなしてボス部２１ｃから延びる基端部（第１基端部）２１ｄとを有する。

図３は、図２の矢視Ａ方向から先端部２１ａを見たときの上面図である。なお、図２に示す先端部２１ａは、図３の矢視Ｂ方向から見たときの側面を表している。図３に示すように、先端部２１ａは、コンタクトプローブ２の長手方向に沿って錘状をなしてそれぞれ突出した４つの突出部２１１ａを有する。４つの突出部２１１ａのうち、図３で中央部より左側に位置する２つの突出部２１１ａの先端の長手方向における高さ（突出量）は、図３で中央部より右側に位置する２つの突出部２１１ａの先端の長手方向における高さよりも大きい。この高さの差は、互いに高さが異なる２つの突出部２１１ａの先端同士の距離の３〜２５％程度であれば好ましい。

第２プランジャ２２は、略円錘状をなす先端部２２ａと、先端部２２ａの基端側に設けられ、先端部２２ａの径よりも大きい径を有するフランジ部２２ｂと、フランジ部２２ｂに対して先端部２２ａと反対側に設けられ、フランジ部２２ｂの径よりも小さくかつコイルばね２３の内径とほぼ等しい径を有し、コイルばね２３の他端部が圧入される円柱状のボス部２２ｃと、ボス部２２ｃに対してフランジ部２２ｂと反対側に設けられ、ボス部２２ｃよりも径が小さくかつコイルばね２３の内径よりも径が小さい円柱状をなしてボス部２２ｃから延びる基端部（第２基端部）２２ｄとを有する。コンタクトプローブ２の長手方向における基端部２２ｄの長さは、第１プランジャ２１の基端部２１ｄの長さよりも長い。

コイルばね２３は、線材が密着して巻かれている密着巻き部２３ａと、密着巻き部２３ａの一端部から連続して延びる線材が所定のピッチで離間して巻かれた粗巻き部２３ｂとを備える。密着巻き部２３ａの端部は第１プランジャ２１のボス部２１ｃに圧入される一方、粗巻き部２３ｂの端部は第２プランジャ２２のボス部２２ｃに圧入されている。なお、第１プランジャ２１および第２プランジャ２２とコイルばね２３とを、ばねの巻き付き力および／または半田付けによって接合してもよい。

以上の構成を有するコンタクトプローブ２において、第２プランジャ２２の基端部２２ｄの長さとコイルばね２３の密着巻き部２３ａの長さは、少なくともコンタクトプローブ２に検査時の荷重が加わってコイルばね２３が収縮した状態で、基端部２２ｄの一部が密着巻き部２３ａの内周側へ進入するように設定される。

コンタクトプローブ２は、貴金属または貴金属合金を用いて形成される。ここでいう貴金属とは、例えば金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）などである。本実施の形態で適用する貴金属または貴金属合金は、ビッカース硬さ（ＨＶ）が４００以上であり、かつ電気抵抗率が５．００×１０^-8Ω・ｍ以下であればより好ましい。なお、コンタクトプローブ２の材料として、銅、銅合金、鉄、タングステン、ベリリウム合金などを用いることも可能である。

コンタクトプローブ２の径は数十μｍ〜数百μｍ程度である。また、コンタクトプローブ２の長手方向の長さは、数ｍｍ〜数十ｍｍ程度である。

次に、プローブホルダ３の構成を説明する。プローブホルダ３は、第１基板３１および第２基板３２が厚さ方向（図２の上下方向）に積層されて成る。

第１基板３１には、板厚方向に貫通された複数の保持孔３３が設けられている。保持孔３３の形成位置は、半導体パッケージ１００の配線パターンに応じて定められる。保持孔３３は、第１プランジャ２１の先端部２１ａを挿通可能な円筒状の小径部３３ａと、小径部３３ａよりも径が大きく、かつ小径部３３ａと同軸をなす円筒状の大径部３３ｂとを有する段付き孔である。大径部３３ｂの径はコイルばね２３の外径よりも大きく、コイルばね２３に荷重が加わって収縮する際に湾曲することができる隙間を有している。小径部３３ａの径は、第１プランジャ２１のフランジ部２１ｂの径よりも小さい。このため、図２に示す状態で、フランジ部２１ｂは、小径部３３ａと大径部３３ｂとの境界壁面に当接することにより、プローブホルダ３から抜け止めされている。

第２基板３２には、第１基板３１が有する複数の保持孔３３に対応する複数の保持孔３４が設けられている。保持孔３４は、第１基板３１に設けられた複数の保持孔３３のいずれかと同軸的に連通し、保持孔３３とともにホルダ孔を形成している。保持孔３４は、第２プランジャ２２の先端部２２ａを挿通可能な円筒状の小径部３４ａと、小径部３４ａよりも径が大きく、かつ小径部３４ａと同軸をなす円筒状の大径部３４ｂとを有する段付き孔である。小径部３４ａの径は、第２プランジャ２２のフランジ部２２ｂの径よりも小さい。このため、図２に示す状態で、フランジ部２２ｂは、小径部３４ａと大径部３４ｂとの境界壁面に当接することにより、プローブホルダ３から抜け止めされている。大径部３４ｂの径は、保持孔３３の大径部３３ｂの径と等しく、コイルばね２３の外径よりも大きい。

保持孔３３、３４は、ドリル加工、エッチング、打抜き成形を行うか、あるいはレーザ、電子ビーム、イオンビーム、ワイヤ放電等を用いた加工を行うことによって形成される。

以上の構成を有するプローブホルダ３は、樹脂、マシナブルセラミック、シリコンなどのうちいずれかの絶縁性材料を用いて形成してもよいし、金属または合金を母材とし、その母材の表面に樹脂等の絶縁被膜を設けることによって形成してもよい。

プローブホルダ３において、隣り合うホルダ孔のピッチは、数十μｍ〜数百μｍ程度である。

次に、半導体パッケージ１００の検査時におけるコンタクトプローブ２の動作を説明する。半導体パッケージ１００の球状電極１０１がプローブユニット１に接近してコンタクトプローブ２の第１プランジャ２１と接触し始めたとき、コンタクトプローブ２においては、長手方向に沿って突出量が大きい先端を有する突出部２１１ａ（図３の中央部より左側の２つの突出部２１１ａ）のみが球状電極１０１と接触する。したがって、この状態では、先端部２１ａと球状電極１０１との接触が不安定な状況にある。

その後、半導体パッケージ１００がコンタクトプローブ２にさらに接近していくと、コイルばね２３は収縮し始める。この際、第１プランジャ２１は、球状電極１０１と接触している突出部２１１ａが球状電極１０１との接触を保つ一方、球状電極１０１と接触していない突出部２１１ａは球状電極１０１へ徐々に近づいていく。その後、全ての突出部２１１ａが球状電極１０１と接触すると、球状電極１０１は、４つの突出部２１１ａによって安定的に保持された状態となる。この状態で、第１プランジャ２１の長手方向は、保持孔３３の長手方向に対してわずかに傾斜する。

先に球状電極１０１と接触する突出部２１１ａは、残りの突出部２１１ａが球状電極１０１と接触するまでの間、球状電極１０１の表面を引っかきながら移動するため、球状電極１０１の表面の酸化被膜を除去することができる。

全ての突出部２１１ａが球状電極１０１と接触した状態において、コイルばね２３は、第１プランジャ２１の回転に伴って湾曲した態様で収縮している。このため、第２プランジャ２２の基端部２２ｄは、密着巻き部２３ａの内周側へ進入するだけでなく、その側面の一部が密着巻き部２３ａの内側面に押し付けられる。この結果、基端部２２ｄと密着巻き部２３ａとの間には、コイルばね２３が湾曲しない場合よりも大きい接触圧が発生することとなり、安定した導通を確保することができる。このようなコンタクトプローブ２においては、検査時に粗巻き部２３ｂに信号が流れるのを防止し、インダクタンスや抵抗の低減および安定化を実現することができる。

以上説明した本発明の一実施の形態によれば、長手方向の少なくとも一方の端部に設けられ、長手方向に沿って錘状をなしてそれぞれ突出し、長手方向に沿った先端の高さが他と異なるものを含む複数の突出部を備えているため、複数の突出部が接触対象の球状電極と接触するタイミングが一様ではなくなり、先に接触した方の突出端が球状電極を引っかきながら移動する。したがって、接触対象の球状電極の表面に存在する酸化被膜を確実に削り落とすことができるとともに、安定した導通を確保することが可能となる。

なお、本発明において、上述した実施の形態と同様に第１プランジャの先端部を形成する際、互いに直交する２つのＶ字状の溝の底部が、加工後に先端部となる部分の端面の円の中心からそれぞれシフトした位置を通過するようにしてもよい。この場合には、長手方向における突出部の先端の高さが３通りとなる。また、２つのＶ字状の溝が互いに直交しないように形成してもよい。

また、本発明において、第１プランジャの先端部が、３つ以上のＶ字状の溝を有するようにしてもよい。この場合にも、少なくとも１つの溝の底部は、先端部の長手方向の中心軸からシフトした位置を通過するようにする。

また、本発明において、第１プランジャの先端部が、長手方向における高さが互いに異なる山状をなす２つの突起部を有するようにしてもよい。

また、本発明において、コンタクトプローブの長手方向における第１基端部の長さを第２基端部の長さより長くし、第１プランジャのボス部に粗巻き部の端部を圧入する一方、第２プランジャのボス部に密着巻き部の端部を圧入した構成としてもよい。この場合には、少なくともコンタクトプローブに検査時の荷重が加わってコイルばねが収縮した状態で、第１基端部が密着巻き部の内周側へ進入するようにする。このような構成を有するコンタクトプローブにおいては、検査時に第１プランジャが回転して傾斜した状態になり、第１プランジャの基端部がコイルばねの密着巻き部の内周部へ進入するため、第１プランジャの基端部の側面の一部が密着巻き部の内側面に押し付けられた状態で接触する。したがって、上記実施の形態と同様に、安定した導通を確保することが可能となる。

また、本発明において、先端部が第１プランジャ２１の先端部２１ａと同様な先端形状を有する第２プランジャを適用することも可能である。この場合には、コイルばね２３の湾曲も考慮して、第１プランジャ２１の先端部２１ａと第２プランジャの先端部の位置関係を定めることが望ましい。

また、本発明において、少なくとも第１および第２突出部の表面を電界メッキや金メッキ等のメッキ被膜で被覆してもよい。これにより、第１および第２突出部の耐久性を向上させることができる。

なお、本発明に係るプローブユニットは、半導体パッケージ検査用のテストソケットにのみ適用が限られるわけではない。すなわち、本発明に係るプローブユニットは、液晶パネルやウェハ等の検査用としても適用可能である。

また、本発明に係るコンタクトプローブは、半導体パッケージ等の検査用として以外にも、例えばハイブリッド自動車の構成部品間を電気的に接続するコネクタとして適用することができる。このようなコネクタとして適用する場合のコンタクトプローブの径は、上記実施の形態で説明したコンタクトプローブの径より大きい。

このように、本発明は、ここでは記載していない様々な実施の形態等を含みうるものであり、特許請求の範囲により特定される技術的思想を逸脱しない範囲内において種々の設計変更等を施すことが可能である。

以上のように、本発明に係るプローブユニットは、接触対象の球状電極の表面に存在する酸化被膜を確実に削り落とすことができるとともに、安定した導通を確保するのに有用である。

１ プローブユニット
２ コンタクトプローブ
３ プローブホルダ
４ ベース部材
２１ 第１プランジャ
２１ａ、２２ａ 先端部
２１ｂ、２２ｂ フランジ部
２１ｃ、２２ｃ ボス部
２１ｄ、２２ｄ 基端部
２２ 第２プランジャ
２３ コイルばね
２３ａ 密着巻き部
２３ｂ 粗巻き部
３１ 第１基板
３２ 第２基板
３３、３４ 保持孔
３３ａ、３４ａ 小径部
３３ｂ、３４ｂ 大径部
１００ 半導体パッケージ
１０１ 球状電極
２００ 配線基板
２０１ 電極
２１１ａ 突出部

Claims (5)

1. 長手方向に沿って伸縮可能な針状をなす導電性のコンタクトプローブであって、
   前記長手方向の少なくとも一方の端部に設けられ、前記長手方向に沿って錘状または山状をなしてそれぞれ突出し、前記長手方向における先端の高さが他と異なるものを含む複数の突出部を備えたことを特徴とするコンタクトプローブ。
2. 前記複数の突出部を有する第１プランジャと、
   前記長手方向の端部であって前記第１プランジャが位置する端部と異なる端部に位置する第２プランジャと、
   前記第１プランジャと前記第２プランジャとを連結し、前記長手方向に沿って伸縮自在なコイルばねと、
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載のコンタクトプローブ。
3. 前記コイルばねは、
   線材が密着して巻かれ、一端部が前記第１および第２プランジャの一方に取り付けられる密着巻き部と、
   前記密着巻き部の他端部から連続して延びる線材が所定のピッチで離間して巻かれ、前記密着巻き部に接続していない側の端部が前記第１および第２プランジャの他方に取り付けられる粗巻き部と、
   を有し、
   前記粗巻き部が取り付けられる前記第１および第２プランジャの他方は、少なくとも当該コンタクトプローブに検査時の荷重が加わって前記コイルばねが収縮した状態で、前記密着巻き部の内周側へ進入することを特徴とする請求項１または２に記載のコンタクトプローブ。
4. 前記第１プランジャは、前記コイルばねを挿通する第１基端部を有し、
   前記第２プランジャは、前記第１基端部よりも前記長手方向の長さが短く、前記コイルばねを挿通する第２基端部を有し、
   前記密着巻き部は前記第１プランジャに取り付けられることを特徴とする請求項３に記載のコンタクトプローブ。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の複数のコンタクトプローブと、
   前記コンタクトプローブの両端部を外部に表出させつつ抜け止めした状態で保持する保持孔が複数形成され、少なくとも表面が絶縁性を有するプローブホルダと、
   を備えたことを特徴とするプローブユニット。

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