JPWO2013018809A1

JPWO2013018809A1 - プローブユニット

Info

Publication number: JPWO2013018809A1
Application number: JP2013526937A
Authority: JP
Inventors: 山田　佳男; 佳男山田; 誠弓野; 充博近藤; 哲荘司
Original assignee: NHK Spring Co Ltd
Current assignee: NHK Spring Co Ltd
Priority date: 2011-08-02
Filing date: 2012-07-31
Publication date: 2015-03-05
Also published as: WO2013018809A1; US20140247065A1; TW201312124A; TWI479156B; US9702905B2

Abstract

接触対象との間で確実な導通を得ることができるプローブユニットを提供すること。長手方向の一方の端部側で被接触体の一つの電極と接触する２以上の数のコンタクトプローブ（２ａ）からなる複数のプローブ群（２）を有し、各コンタクトプローブ（２ａ）は、他方の端部側で基板の異なる電極とそれぞれ接触するプローブユニットであって、コンタクトプローブ（２ａ）は、長手方向の一方の端部側に設けられ、先細な先端形状をなす爪部（２１ｂ）を複数有し、爪部（２１ｂ）によって被接触体の電極と接触する先端部（２１ａ）と、長手方向の他方の端部側に設けられ、基板の対応する電極と接触する第２接触部と、先端部（２１ａ）と第２接触部との間に設けられ、先端部（２１ａ）および第２接触部を付勢するコイルばね（２３）と、を有する。

Description

本発明は、半導体集積回路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プローブユニットに関するものである。

従来、半導体集積回路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、検査対象と検査用信号を出力する信号処理装置との間の電気的な接続を図るために、コンタクトプローブを複数収容するプローブユニットが用いられる。プローブユニットにおいては、近年の半導体集積回路や液晶パネルの高集積化、微細化の進展に伴い、コンタクトプローブ間のピッチを狭小化することにより、高集積化、微細化された検査対象にも適用可能な技術が進歩してきている。

半導体集積回路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として、４端子測定法が挙げられる。この４端子測定法として、ガイドプレートに保持された一組のコンタクトプローブ（プローブ群）によって、各コンタクトプローブの先端を接触対象（被測定体）に接触させて電気特性を測定するプローブユニットの製造方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に示すコンタクトプローブは、一端がリードとそれぞれ接触し、他端で接触対象と接触する。ここで、プローブ群は、同時に接触対象と接触することによって、４端子測定を行う。特許文献１によれば、プローブ群の各コンタクトプローブにおいてガイドプレートに挿通する方向に直交する方向の各々の径を異ならせることによって、効率よくコンタクトプローブを配設できる。

特開２００９−７４９６３号公報

ところで、接触対象には、様々な形状があり、例えば半球状、錘状、平板状をなす。ここで、接触対象が半球状の場合、特許文献１が開示するコンタクトプローブを用いて４端子測定法を行うと、接触対象に対して接触する端部が平面をなす２本のコンタクトプローブを同時に接触させた際に、少なくとも一方のコンタクトプローブが半球状の中心からずれて接触するため、コンタクトプローブが接触対象の表面で滑り落ち、接触対象から脱落する場合があった。コンタクトプローブの接触対象からの脱落によって、接触対象との間で確実な導通を得られなくなるおそれがあった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、接触対象との間で確実な導通を得ることができる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、本発明にかかるプローブユニットは、長手方向の一方の端部側で被接触体の一つの電極と接触する２以上の数のコンタクトプローブからなる複数のプローブ群を有し、各コンタクトプローブは、他方の端部側で基板の異なる電極とそれぞれ接触するプローブユニットであって、前記コンタクトプローブは、前記長手方向の一方の端部側に設けられ、先細な先端形状をなす爪部を複数有し、該爪部によって前記被接触体の電極と接触する第１接触部と、前記長手方向の他方の端部側に設けられ、前記基板の対応する電極と接触する第２接触部と、前記第１接触部と前記第２接触部との間に設けられ、前記第１および第２接触部を付勢するコイルばねと、を有することを特徴とする。

また、本発明にかかるプローブユニットは、上記の発明において、前記第１接触部は、４個以上の前記爪部を有することを特徴とする。

また、本発明にかかるプローブユニットは、上記の発明において、前記第１接触部は、６個以上であって１０個以下の前記爪部を有することを特徴とする。

本発明にかかるプローブユニットは、４端子測定において、一方の端部側で同一電極と接触し、他方の端部側で異なる電極とそれぞれ接触する２つのコンタクトプローブが、一方の端部側の電極に対し、複数の爪部を有する先端部によってそれぞれ接触するようにしたので、接触対象との間で確実な導通を得ることができるという効果を奏する。

図１は、本発明の実施の形態にかかるプローブユニットの構成を示す斜視図である。図２は、本発明の実施の形態にかか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。図３は、本発明の実施の形態にかかる半導体集積回路の検査時におけ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。図４は、本発明の実施の形態にかかるプローブユニットの要部の構成を示す図である。図５は、本発明の実施の形態にかかるプローブユニットの要部の構成を示す図である。図６は、本発明の実施の形態にかかるプローブユニットのコンタクトプローブの爪部頂点の軌跡を示す模式図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面と共に詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により本発明が限定されるものではない。また、以下の説明において参照する各図は、本発明の内容を理解でき得る程度に形状、大きさ、および位置関係を概略的に示してあるに過ぎない。すなわち、本発明は各図で例示された形状、大きさ、および位置関係のみに限定されるものではない。

図１は、本発明の実施の形態にかかるプローブユニット１の構成を示す斜視図である。図１に示すプローブユニット１は、検査対象物（被接触体）である半導体集積回路１００の電気特性検査を行う際に使用する装置であって、半導体集積回路１００と半導体集積回路１００へ検査用信号を出力する回路基板２００との間を電気的に接続する装置である。

プローブユニット１は、長手方向の一方の端部側で被接触体である半導体集積回路１００の一つの電極と接触し、他方の端部側で回路基板２００の異なる電極とそれぞれ接触する２以上の数（本実施の形態では２つ）のコンタクトプローブ２ａ（以下、単に「プローブ２ａ」という）からなる複数のプローブ群２と、複数のプローブ群２を所定のパターンにしたがって収容して保持するプローブホルダ３と、プローブホルダ３の周囲に設けられ、検査の際に複数のプローブ群２と接触する半導体集積回路１００の位置ずれが生じるのを抑制するホルダ部材４と、を有する。

図２は、プローブホルダ３に収容されるプローブ群２の詳細な構成を示す図である。図２に示すプローブ群２は、導電性材料を用いて形成される２つのプローブ２ａが、高さが揃うように並列に配設されてなる。プローブ２ａは、半導体集積回路１００の検査を行なうときにその半導体集積回路１００の接続用電極に接触する第１プランジャ２１と、検査回路を備えた回路基板２００の電極に接触する第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との間に設けられて２つの第１プランジャ２１および第２プランジャ２２を伸縮自在に連結するコイルばね２３とを備える。プローブ２ａを構成する第１プランジャ２１および第２プランジャ２２、ならびにコイルばね２３は同一の軸線を有している。プローブ２ａは、半導体集積回路１００をコンタクトさせた際に、コイルばね２３が軸線方向に伸縮することによって半導体集積回路１００の接続用電極への衝撃を和らげるとともに、半導体集積回路１００および回路基板２００に荷重を加える。

第１プランジャ２１は、先細な先端形状をなす爪部２１ｂを複数有する先端部２１ａ（第１接触部）と、先端部２１ａの基端側から延び、先端部２１ａの径と比して大きい径を有するフランジ部２１ｃと、フランジ部２１ｃの先端部２１ａに連なる側と異なる端部から延び、フランジ部２１ｃの径と比して小さい径を有するボス部２１ｄと、ボス部２１ｄのフランジ部２１ｃに連なる側と異なる端部から延び、ボス部２１ｄの径と略同一の径を有する基端部２１ｅとを同軸上に有する。また、基端部２１ｅは、先端がＲ面取りされた形状をなす。

第２プランジャ２２は、先細な先端形状を有する先端部２２ａと、先端部２２ａの基端側から延び、先端部２２ａの径と比して大きい径を有するフランジ部２２ｂと、フランジ部２２ｂの先端部２２ａに連なる側と異なる端部から延び、ボス部２１ｄの径と略同一の径を有するボス部２２ｃと、ボス部２２ｃのフランジ部２２ｂに連なる側と異なる端部から延び、ボス部２１ｄ，２２ｃの径と略同一の径を有する基端部２２ｄとを同軸上に有する。この第２プランジャ２２は、コイルばね２３の伸縮作用によって軸線方向に移動が可能であり、コイルばね２３の弾性力によって回路基板２００方向に付勢され、回路基板２００の電極と接触する。なお、第２接触部は、先端部２２ａとフランジ部２２ｂとに対応する。

コイルばね２３は、第１プランジャ２１側がボス部２１ｄの径と略同一の内径で巻回された密着巻き部２３ａである一方、第２プランジャ２２側が基端部２２ｄの径以上の内径で所定ピッチに巻回された粗巻き部２３ｂである。密着巻き部２３ａの端部は、例えばボス部２１ｄと略等しい内径の場合、ボス部２１ｄに圧入されて、フランジ部２１ｃに当接している。一方、粗巻き部２３ｂの端部は、ボス部２２ｃに圧入され、フランジ部２２ｂに当接している。なお、コイルばね２３は、密着巻き部２３ａおよび粗巻き部２３ｂの内径が、同一の内径で巻回されていることが好ましい。このとき、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とは、半田付けによって接合されていてもよい。

コイルばね２３に用いられる線材は、所定荷重が加わったときの粗巻き部２３ｂの縮み量が、初期荷重が加わったとき、例えば、プローブ２ａがプローブホルダ３に収容された状態（図１参照）における基端部２２ｄと密着巻き部２３ａとの最短距離より大きくなるようなばね特性（ストローク）を有する導電性の金属が用いられる。このばね特性を有するコイルばね２３を用いることによって、プローブ２ａに所定荷重を加えた場合に基端部２２ｄを密着巻き部２３ａ内に摺接させ、基端部２２ｄと密着巻き部２３ａとの間の電気的導通が可能となる。

プローブホルダ３は、樹脂、マシナブルセラミック、シリコンなどの絶縁性材料を用いて形成され、図２の上面側に位置する第１部材３１と下面側に位置する第２部材３２とが積層されてなる。第１部材３１および第２部材３２には、複数のプローブ２ａを収容するためのホルダ孔３３および３４が同数ずつ形成され、プローブ２ａを収容するホルダ孔３３および３４は、互いの軸線が一致するように形成されている。ホルダ孔３３および３４の形成位置は、半導体集積回路１００の配線パターンに応じて定められる。

ホルダ孔３３および３４は、ともに貫通方向に沿って径が異なる段付き孔形状をなしている。すなわち、ホルダ孔３３は、プローブホルダ３の上端面に開口を有する小径部３３ａと、この小径部３３ａよりも径が大きい大径部３３ｂとからなる。小径部３３ａは、先端部２１ａの径と比して若干大きい径である。また、大径部３３ｂは、フランジ部２１ｃの径および／またはコイルばね２３の径と比して若干大きい径である。

他方、ホルダ孔３４は、プローブホルダ３の下端面に開口を有する小径部３４ａと、この小径部３４ａよりも径が大きい大径部３４ｂとからなる。小径部３４ａは、先端部２２ａと比して若干大きい径である。また、大径部３４ｂは、フランジ部２２ｃの径および／またはコイルばね２３の径と比して若干大きい径である。これらのホルダ孔３３および３４の形状は、収容するプローブ２ａの構成に応じて定められる。

第１プランジャ２１のフランジ部２１ｃは、ホルダ孔３３の小径部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２ａのプローブホルダ３からの抜止機能を有する。また、第２プランジャ２２のフランジ部２２ｂは、ホルダ孔３４の小径部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２ａのプローブホルダ３からの抜止機能を有する。なお、ホルダ孔３３，３４の各境界壁面は、フランジ部２１ｃ，２２ｂ、コイルばね２３の径にそれぞれ対応した段付き形状でもよい。

図３は、プローブホルダ３を用いた半導体集積回路１００の検査時の状態を示す図である。半導体集積回路１００の検査時には、半導体集積回路１００からの接触荷重により、コイルばね２３は長手方向に沿って圧縮された状態となる。コイルばね２３が圧縮されると、図３に示すように、第２プランジャ２２の基端部２２ｄは、密着巻き部２３ａ内に進入し、密着巻き部２３ａの内周側と摺接する。この際には、第２プランジャ２２の軸線が大きくぶれることはないため、基端部２２ｄと密着巻き部２３ａの内周との摺接が安定するとともに、密着巻き部２３ａがわずかに蛇行するため、基端部２２ｄとコイルばね２３との接触抵抗が安定し、確実な導通が得られる。

検査時に回路基板２００から半導体集積回路１００に供給される検査用信号は、回路基板２００の電極２０１，２０２からそれぞれプローブ２ａを経由して半導体集積回路１００の接続用電極１０１へ到達する。具体的には、プローブ２ａにおいて、第２プランジャ２２、密着巻き部２３ａ、第１プランジャ２１を経由して半導体集積回路１００の接続用電極１０１へ到達する。このように、プローブ２ａでは、第１プランジャ２１と第２プランジャ２２が密着巻き部２３ａを介して導通するため、電気信号の導通経路を最小にすることができる。したがって、検査時に粗巻き部２３ｂに信号が流れるのを防止し、インダクタンスの低減および安定化を図ることができる。なお、２つの電極２０１，２０２は、例えば、電極２０１が測定用の電極（Ｓｅｎｓｅ）であって、電極２０２が送電用の電極（Ｆｏｒｃｅ）である。

また、爪部２１ｂの先端が先細に形成されているため、接続用電極１０１の表面に酸化皮膜が形成されている場合であっても酸化皮膜を突き破り、爪部２１ｂの先端を接続用電極１０１と直接接触させることができる。各プローブ２ａは、プローブ２ａの中心軸Ｎａが半球状の接続用電極１０１の中心を通過する軸Ｎｂからずれて接触する。なお、プローブ２ａの配置は、中心軸Ｎａが接続用電極１０１の半導体集積回路１００側の端部（外縁）よりも軸Ｎｂ側となることが好ましい。

ここで、爪部２１ｂは、先端部２１ａの外縁に沿って複数設けられ、接続用電極１０１の表面に対して、いずれかの頂点が接触する。なお、爪部２１ｂは、先端部２１ａの端部において、爪部２１ｂの形成領域が先端部２１ａの延びる方向に垂直な方向の端面を均等に等分し、４つ以上設けられることが好ましい。

図４，５は、プローブ２ａの先端部２１ａの構成を模式的に示す上面図である。図４は、２つのプローブ２ａにおいて、爪部２１ｂの頂点２１ｆの間の距離が近接している状態を示す図である。また、図５は、２つのプローブ２ａにおいて、爪部２１ｂの頂点２１ｆの間の距離が最も離間している状態を示す図である。なお、図４，５は、先端部２１ａに設けられる爪部２１ｂが８つのものとして説明する。また、図４，５において、２つの先端部２１ａの中心軸Ｎａ（図３参照）の間の距離をｄ１とする。

図４に示すように、２つのプローブ２ａにおいて、爪部２１ｂの頂点２１ｆの間の距離が最も近づいた場合の距離をｄ２とする。また、図５に示すように、２つのプローブ２ａにおいて、爪部２１ｂの頂点２１ｆの間の距離が最も遠ざかった場合の距離をｄ３とする。このとき、図４に示す距離ｄ２は、先端部２１ａの長手方向に垂直な方向の径（直径）および／または２つのプローブ２ａの配設位置によって決まる。なお、接続用電極１０１との安定した接触を得るには、この距離ｄ２ができるだけ小さくなることが好ましい。

一方、図５に示すように、図４の爪部２１ｂの配置から先端部２１ａ（プローブ２ａ）が中心軸Ｎａのまわりに回転（爪部２１ｂが８つの場合は、２２．５°回転）すると、爪部２１ｂの間の距離が大きくなる。この距離ｄ３は、先端部２１ａの長手方向に垂直な方向の径（直径）および／または２つのプローブ２ａの配設位置によって決まるほか、先端部２１ａに設けられる爪部２１ｂの数によっても変わりうる。

ここで、２つの爪部２１ｂの頂点２１ｆの間の距離は、先端部２１ａが中心軸Ｎａのまわりに回転した際に頂点２１ｆが通過する軌跡Ｌ上の点の間の距離とみなすことができる。このとき、例えば、図６に示すように、先端部２１ａの回転によって頂点２１ｆが軌跡Ｌ上を通過すると仮定し、２つのプローブ２ａの各頂点２１ｆが最近接している位置（各中心軸Ｎａ間を結ぶ直線と軌跡Ｌとが交差する位置）をＡ_０とする。また、この位置Ａ_０から角度θ_１（例えば、θ_１＝２２．５°）回転したときに頂点２１ｆが移動した位置をＡ_１とする。位置Ａ_０から角度θ_２（例えば、θ_２＝４５°）回転したときに頂点２１ｆが移動した位置をＡ_２とする。なお、このときの位置Ａ_２間の距離をｄ４とする。この場合、図６からも明らかなように、位置Ａ_０からの回転角θ（０°＜θ≦９０°）が大きいほど、離間する頂点２１ｆ間の距離は大きくなる（ｄ２＜ｄ３＜ｄ４）。

例えば、爪部２１ｂが４つの場合、２つのプローブ２ａにおいて各爪部２１ｂの頂点２１ｆが最近接している位置から、最も離間する位置までは、先端部２１ａが中心軸Ｎａのまわりに４５°回転することになる。ここで、回転角度が４５°の位置（Ａ_２）における各頂点２１ｆ間の離間距離は、上述したように、回転角度が２２．５°（爪部２１ｂが８つ）の位置（Ａ_１）の場合の各頂点２１ｆ間の離間距離と比して大きい。

したがって、爪部２１ｂは、設けられる数が多いほど、２つのプローブ２ａにおける爪部２１ｂの頂点２１ｆ間の最大離間距離が小さくなり、接続用電極１０１に対して一段と安定した接触状態を維持することができる。一方で、爪部２１ｂの数が多すぎると、本実施の形態で用いられ得る、例えば１００μｍ程度の直径の先端部２１ａでは、この直径に対して１つの爪部２１ｂが占有できる領域が小さくなり、各爪部２１ｂの接続用電極１０１との接触に対する耐久性が低下するおそれがある。このため、本実施の形態にかかる爪部２１ｂは、先端部２１ａに６〜１０個設けられることが好ましい。

上述した実施の形態によれば、４端子測定において、一方の端部側で同一電極である接続用電極１０１と接触し、他方の端部側で異なる電極２０１，２０２とそれぞれ接触する２つのプローブ２ａが、接続用電極１０１に対し、複数の爪部２１ｂを有する先端部２１ａによってそれぞれ接触するようにしたので、接触対象との間で確実な導通を得ることができる。

また、接続用電極と接触する側の先端部が複数の爪部を有することによって、コンタミ等の異物が先端に付着した爪部や、摩耗が激しい爪部が存在しても、これらの影響を受けていない他の爪部の存在確率が増すため、従来のプローブと比して先端部の損傷に対する接触安定性を向上させることができる。

また、接続用電極と接触する側の先端部が複数の爪部を有することによって、プローブと接続用電極との接触位置がずれた場合であっても、本来接触する爪部に隣接する爪部を含む１または複数の爪部と接続用電極とが接触するため、プローブと接続用電極との安定した接触が可能となる。

また、接続用電極と接触する側の先端部が複数の爪部を有することによって、接続用電極との接触時の電流値が分散し、爪部１箇所あたりの発熱量が小さくなるため、プローブと接続用電極との間に発生する接触抵抗を下げることができる。

ここで、上述した実施の形態では、接続用電極が半球状をなすものとして説明したが、ＱＦＰ（ＱｕａｄＦｌａｔＰａｃｋａｇｅ）等に用いられる平板状をなすリードであってもよい。リードの接触面にプローブを接触させる場合であっても、複数の爪部を接触させることで、従来のような平面同士の接触と比して接触面積をより一定にすることができ、プローブと接続用電極との間の安定した接触を実現することができる。

また、各フランジ部の各先端部側の端部およびホルダ孔の大径部と小径部との各境界壁面がテーパ状をなすものであってもよい。これにより、プローブをホルダに取り付けた場合のプローブの軸線方向と垂直な方向の位置決めを一段と確実に行うことができる。

なお、第２接触部は、先端部２２ａおよびフランジ部２２ｂであるものとして説明したが、図１に示すようなプローブユニット１の一部として取り付けられる場合、第２接触部は、フランジ部２２ｂのみの構成としてフランジ部２２ｂの先端部で電極と接触するものであってもよい。

また、プローブ群２における一組のプローブ２ａを保持する保持部（ホルダ孔）において、ホルダ孔３３および３４の間に内壁（第１部材３１および第２部材３２の一部）が設けられているものとして説明したが、ホルダ孔３３および３４の間が内壁を有さず、連結した空間内に各プローブ２ａの第１プランジャ２１の一部、第２プランジャ２２の一部およびコイルばね２３を保持するものであってもよい。

なお、プローブ群２に用いられるプローブ２ａは、プランジャとコイルばねで構成されるものに限らず、ポゴピン、またはワイヤーを弓状に撓ませて荷重を得るワイヤープローブでもよい。

以上のように、本発明にかかるプローブユニットは、接触対象との間で確実な導通を得ることに有用である。

１プローブユニット
２プローブ群
２ａコンタクトプローブ（プローブ）
３プローブホルダ
４ホルダ部材
２１第１プランジャ
２１ａ，２２ａ先端部
２１ｂ爪部
２１ｃ，２２ｂフランジ部
２１ｄ，２２ｃボス部
２１ｅ，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部材
３２第２部材
３３，３４ホルダ孔
３３ａ，３４ａ小径部
３３ｂ，３４ｂ大径部
１００半導体集積回路
１０１接続用電極
２００回路基板
２０１，２０２電極

Claims

長手方向の一方の端部側で被接触体の一つの電極と接触する２以上の数のコンタクトプローブからなる複数のプローブ群を有し、各コンタクトプローブは、他方の端部側で基板の異なる電極とそれぞれ接触するプローブユニットであって、
前記コンタクトプローブは、
前記長手方向の一方の端部側に設けられ、先細な先端形状をなす爪部を複数有し、該爪部によって前記被接触体の電極と接触する第１接触部と、
前記長手方向の他方の端部側に設けられ、前記基板の対応する電極と接触する第２接触部と、
前記第１接触部と前記第２接触部との間に設けられ、前記第１および第２接触部を付勢するコイルばねと、
を有することを特徴とするプローブユニット。
前記第１接触部は、４個以上の前記爪部を有することを特徴とする請求項１に記載のプローブユニット。
前記第１接触部は、６個以上であって１０個以下の前記爪部を有することを特徴とする請求項１または２に記載のプローブユニット。