TWI451092B - Contact probe pin - Google Patents

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TWI451092B
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Takayuki Hirano
Takashi Kobori
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Kobe Steel Ltd
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Description

接觸探針銷
本發明係有關被採用以檢查半導體元件之電性特性，先端被分割成複數個突起的型態之接觸探針銷，特別是有關一種因反覆檢查而導電性不劣化之類的耐久性優之接觸探針銷。
積體電路(IC)、大規模積體電路(LSI)、發光二極體(LED)等之電子零件(亦即，採用半導體元件之電子零件)，係在半導體元件之電極使探針銷接觸以檢查其電性特性。此類之檢查裝置(半導體檢查裝置)所採用之探針銷(接觸探針銷)，除了當然要有良好的導電性(接觸電阻值低)，即使因與作為檢查對象之電極的面(被檢面)反覆接觸也要求安定之電阻值(接觸電阻值不變動)。
接觸探針銷之接觸電阻值，一般上係被設定在100mΩ以下左右。然而，因與被檢面進行反覆檢查，而有從數100mΩ惡化至數Ω之情形。
作為其對策，自從前，就進行接觸端子定期的清洗或交換，但是，該等對策有使檢查工程之可信賴性與運轉率顯著降低之情況，因而檢討其他對策。特別是，焊錫材料或鍍錫電極等方面，具有因柔軟而容易被削掉、附著在接觸端子表面之特性，且因表面容易氧化而變成高電阻，難以讓安定之電阻值維持且使之接觸。
作為對於以焊錫材料(例如，SnAgCu合金之類的無鉛焊錫)或鍍錫電極等之方式，在表面形成電阻高的氧化膜之金屬之接觸探針銷之型態，有將其先端部之形狀作成更為尖銳的傾向，再基於這樣的傾向研究開發。這是考慮到具有尖銳的先端部有利於為了將所接觸的對象電極之氧化膜有效率地除去以維持良好的接觸狀態的緣故。此外，亦考慮到即使在尖銳的形狀讓電極材料附著(以下，以「錫附著」代表)，也容易讓排斥力發揮作用。
作為這樣的技術，例如在專利文獻1提出一種技術，既以特殊的製造方法將先端作成銳利的形狀，又藉由含碳之膜所形成之表面塗層，實現錫附著之減低與有效率地除去對象電極表面氧化膜之技術。此外，在專利文獻2提出一種技術，以銳利的先端構造在對象電極之非導電性層刻上刻痕，防止從對象電極被削掉之粒子往接觸探針銷先端堆積之技術。以該方式，將接觸探針銷先端作成銳利的形狀，如果就有效率地除去對象電極之氧化膜、且防止從對象電極被削掉的粒子之堆積之觀點而言，是有用的型態。
作為接觸探針銷之素材，係在硬度高的鎢(W)或鈹銅合金(Be-Cu)等之基材表面，逐漸使用電鍍金(Au)或鈀(Pd)等之素材。然而，由該等素材所構成之接觸探針銷方面，由於來自焊錫材料或鍍錫等素材之電極材料(特別是錫)，容易附著在接觸探針銷之先端，或已附著之電極材料表面氧化等之理由，而出現接觸探針銷所造成之接觸電阻值變得不安定等問題。
作為減低上述之類因錫附著所造成之問題、使接觸電阻值安定化之方法，也提出一種在接觸探針銷之先端部附近(跟電極接觸之先端部與其附近)塗覆碳膜之技術(例如，專利文獻3～6)。該等之技術，對代表類鑽膜(Diamond Like Carbon：DLC)之碳膜，使鎢(W)等合金元素混入，作成將具有碳膜之對被檢面(對象電極)的附著性低、與使混入之金屬(或者其碳化物)發揮作用所形成之導電性高兩者兼具之類的表面膜，就成為重要的要件。
另一方面，作為半導體元件之實裝技術，球閘陣列(Ball Grid Array：BGA)封裝正普及。這樣的BGA封裝方面，其電極有一半比例為球狀焊錫之型態。此外，在半導體晶圓上直接形成焊錫之實裝型態也在增加中。對於該等立體的電極而言，可藉由具有2以上複數個突起(特別是3以上之突起)，能夠實現安定的接觸。此外，即使對於如從前的電子零件的電極之方式具有平坦的面，藉由具有複數個頂點(突起之頂部)，而成為具有也能對應位置偏移或難以預料之粒子咬入等之功能。
[專利文獻]
專利文獻1：日本專利特開2006-38641號公報
專利文獻2：日本專利特開2010-73698號公報
專利文獻3：日本專利特開平10-226874號公報
專利文獻4：日本專利特開2002-318247號公報
專利文獻5：日本專利特開2003-231203號公報
專利文獻6：日本專利特開2007-24613號公報
在接觸探針銷之先端附近，塗覆碳膜之技術，作為減低錫附著所造成之問題、使接觸電阻值安定化之方法是有用的。然而，問題在於即使是塗覆碳膜之場合，電子零件變得高溫之條件下，亦即所接觸之對象電極變成高溫之類的條件下，也會發生在碳膜產生錫附著之場合。
碳膜並沒有跟錫等發生反應，而錫即使高溫下也並未於碳膜表面形成合金。因此，與從前的金或鈀合金之接觸探針銷相比較之後，形成碳膜之接觸探針銷具有較不易讓錫附著在表面之傾向。此外，附著在碳膜表面之錫，機械地、化學地除去是比較容易，所以不成問題。然而，室溫下幾乎不發生附著的錫，於90℃或130℃之高溫條件下，則有附著增加之傾向，有錫附著所造成的問題存在明顯化之情形。
錫或焊錫材料，原本於室溫下便是柔軟的，因接觸探針銷的接觸而被削掉並使之附著在接觸探針銷就成為問題，藉由高溫會使硬度更為降低，增加該傾向。這被認為是錫附著會進行的理由。根據本發明人等利用實驗已確認，判明錫於室溫(25℃)下維克氏硬度(Vickers hardness)：8.9Hv，如果溫度成85℃則維克氏硬度會降到6.8Hv。又，錫膜的硬度，並無法以維克氏硬度直接地測定，因而上述所示之硬度係將利用奈米壓痕法(Nanoindentation)所測定之值換算而來(維克氏硬度：8.9Hv及6.8Hv，係相當於依照奈米壓痕法之0.117GPa及0.089GPa)。
本發明著眼於上述之類的情事，其目的在於提供一種接觸探針銷，對先端被分割之基材形成兼具導電性與耐久性之碳膜之接觸探針銷，即使在使用環境為高溫之類的狀況下，也能夠極力減低錫附著、長期間持續保持安定的電性接觸之接觸探針銷。
本發明係提供以下之接觸探針銷。
(1)一種接觸探針銷，具有被分割成2個以上突起之先端，以該突起反覆接觸在被檢面之接觸探針銷，其特徵係在至少前述突起之表面，形成含有金屬元素之碳膜，而且，前述突起之頂部之曲率半徑在30μm以上。
又，上述「曲率半徑」，係意指以包含接觸探針銷之軸心之面(剖面)來看時前述頂部之曲率半徑R。此外，針對該突起之形狀，並非一定要是旋轉對稱，在不是這樣的場合，則以最陡峭的剖面之頂部剖面之曲率半徑R來定義。
此外，上述金屬元素，係以金屬單體或者碳化物之型態(或者，混合之狀態)在碳膜中所含有。
(2)如(1)記載之接觸探針銷，其中，前述金屬元素，係從鎢(W)、鉭(Ta)、鉬(Mo)、鈮(Nb)、鈦(Ti)及鉻(Cr)所構成之群選擇而來之1種以上。
(3)如(1)記載之接觸探針銷，其中，前述金屬元素之含有量係5～30原子%。
(4)如(2)記載之接觸探針銷，其中，前述金屬元素之含有量係5～30原子%。
(5)如(1)記載之接觸探針銷，其中，前述碳膜之厚度係0.1～5μm。
(6)如(2)記載之接觸探針銷，其中，前述碳膜之厚度係0.1～5μm。
(7)如(3)記載之接觸探針銷，其中，前述碳膜之厚度係0.1～5μm。
(8)如(4)記載之接觸探針銷，其中，前述碳膜之厚度係0.1～5μm。
(9)如(1)～(8)任一項記載之接觸探針銷，其中，被檢查之被檢面係含有錫(Sn)。
又，本發明之接觸探針銷的效果，在被檢查之被檢面含有錫時特別能有效發揮。
本發明之接觸探針銷，在先端被分割成2個以上之突起之表面，形成含有金屬元素之碳膜，並且，前述突起的頂部之曲率半徑作成30μm以上，因而，能夠實現即使在使用環境變成高溫等種種的狀況下，也能極力減低錫等之附著，能夠長期間持續並保持安定的電性接觸之接觸探針銷。
作為接觸探針銷之構成，習知有將其先端之曲率半徑作成30μm以上到100μm左右，或者具有這以上之曲率半徑，而大多主要是為了確保安定的接觸面積而被採用之場合，被限於傾向金(Au)電極等安定的對象電極，不利於對象電極由焊錫材料或錫等所構成之電極。此外，曲率半徑較大的接觸探針銷，其接觸點僅限於1點之型態(亦即，沒有複數之突起之型態)，而在具有複數個突起之型態(該形狀者一般上被稱作「冠狀」)，係用於曲率半徑小(例如，10～20μm左右，更好是低於10μm)、具有銳利的先端者。
本發明人等，並未受限於上述之類的既成概念，而是針對先端被分割成複數個突起之接觸探針銷，在突起之頂部被形成之碳膜能夠極力減低錫附著之型態，從種種的角度予以檢討。結果發現，若是在前述突起之表面，形成含有金屬元素之碳膜，並且，將前述突起的頂部之曲率半徑作成30μm以上，就能抑制錫附著或因其所造成之電阻變動，能夠實現安定的接觸電阻，完成本發明。
此外，有關先端被分割成複數個突起之接觸探針銷，從所接觸的對象電極之形狀(例如半球形)，或探針加工容易進行等觀點而言，於旋轉對象，其先端最好是被分割成4～8個左右，但並不受限於此。
本發明之接觸探針銷，藉由碳膜形成、與曲率半徑較大的突起形狀之組合，即使在高溫下錫附著容易產生的狀況下，也可一面安定地減低錫附著、且有效率地除去錫系電極之表面氧化膜，一面能繼續實現安定的接觸。
本發明有效之理由，亦即針對曲率半徑與錫附著減低之機制雖不甚明白，然能夠以以下方式思考。典型的冠形接觸探針銷，大多對於焊錫材料或錫，形成5～20μm左右深度之接觸痕。亦即，先端之曲率半徑為10μm左右之典型的冠狀接觸探針銷，有發生比曲率半徑還要大的接觸痕之場合，反覆進行於比探針之平坦部或緩和的傾斜部分還要接近垂直之斜面往對象材接觸。
考慮到，於此類之處，形成讓對象電極對著膜面朝橫方向強力地擦上之類的接觸，以膜面之稍微凹凸(源自基材之物)削掉錫，轉印之可能性就變高。此外，考慮到尖銳狀的探針方面，在基材之機械的切削加工或形成其上的薄膜(也包含鎳(Ni)或金、碳膜)時，與平坦部之條件不同，切削瑕疵或膜質改變等所造成之些微的凹凸之增加是有可能的，而發生錫附著增加。
相對於此，能夠考慮以本發明之接觸探針銷之方式，藉由將突起的頂部之曲率半徑作成30μm以上，所接觸之面係成為接近45°以下之平面之角度，這可抑制錫的附著。此外，含有金屬元素之碳膜，該本身就是高硬度且耐久性高的材料，藉由將突起的頂部之曲率半徑增加，也發揮能夠防止基底金屬基材或金屬膜之塑性變形，更能夠發揮較高的耐久性等之效果。
根據本發明人等之研究可瞭解，碳膜與對象電極所接觸之面的角度(以下，簡稱「接觸角度」)，相對於原本(塑性變形前)的對象電極成大概45°以下之角度，而這在減低錫附著上是重要的。從此來看角度變得愈陡峻，即使是碳膜也容易發生錫附著。另一方面，接觸探針銷，一般而言，接觸時會加上荷重數克～數十克左右，更具體為5～50g之荷重，對應於此時對象電極素材之硬度，並取決於電極變形最終所接觸之角度。本發明人等，在一面加上5～40g左右之荷重一面改變前述曲率半徑之場合下，用幾何學求出最大的接觸角度。此時，代表性的無鉛焊錫材料為SnAg3.0 Cu0.5 時，判明所接觸之接觸探針銷之先端(頂部)與對象電極之接觸面積約為2000～3000μm2 左右(但，溫度為85℃)，在此種條件下，前述頂部之曲率半徑大概為30μm，接觸角度成為45°以下。
本發明之接觸探針銷，至少突起的頂部之曲率半徑，從如上述之與接觸角度之關係來看必須作成30μm以上，而50μm以上較佳。此外，即使在曲率半徑大的場合，也可發揮本發明之效果，但是，如果從除去對象電極的氧化膜之觀點而言，則曲率半徑最好是100μm以下。只是，該曲率半徑，至少突起的頂部滿足該要件即可，針對突起之頂部以外的部分，則可以是沒有曲率半徑之錐狀(就含接觸探針銷的軸心之面(剖面)來看時為直線狀)。
本發明之接觸探針銷，係藉由在基材表面(先端附近之表面)，形成含有金屬元素之碳膜所構成，而作為所採用之基材，能夠適用由例如鈹銅合金(Be-Cu)、工具碳鋼之任一種所構成之基材。但，並非就受限於該等。此外，也習知基材在其表面或與電極之接觸部份，形成金或鈀、金合金或者鈀合金等之貴金屬，而本發明所採用之基材，能夠適用其任何一種。或者，基材本身，也可以是由金或鈀、金合金或者鈀合金等所構成。
碳膜對於上述各種基材反應性較低，而且較硬、內部應力也大，因而，要在基材上安定地形成是困難的。因為這樣，為了提高基材與碳膜之密貼性，而在兩者之間，介在含鉻(Cr)或鎢(W)之層，再依必要而設置其傾斜組成層，這也是習知有效之方法，也能採用這樣的構成。為了更加改善該含鉻或鎢之層與基材表面之密貼性，最好是作為上述之類的含鉻或鎢之層之基底層，能夠進而藉由使之介在由鎳或者鎳合金所構成之層，以在由金或鈀等所構成之基材表面上使碳膜安定地密貼。
作為在接觸探針銷之基材表面形成碳膜之方法，能夠適用CVD法(化學蒸鍍法)或濺鍍法等。其中CVD法，因為使用含氫氣作為原料氣體，而令碳膜中含有氫，只能形成低的碳膜。相對於此，適用濺鍍法之場合下，能夠形成良好特性之碳膜而較佳。
使碳膜中含有之金屬，為容易形成碳化物之金屬之場合，會在碳膜中均一地分散，保持在非晶質且均一的狀態。從這樣的觀點而言，作為使碳膜中含有之金屬，能例舉鎢(W)、鉭(Ta)、鉬(Mo)、鈮(Nb)、鈦(Ti)、鉻(Cr)等，且採用該等金屬之1種以上。其中，考慮到碳化物之安定性或能使取得成本較低，則以鎢最佳。
碳膜中所含有之金屬，從其製造原理而言，作成金屬單體或者碳化物之型態(或者，混在一起之狀態)，利用其含有量以決定碳膜之電性電阻值。本發明之接觸探針銷被形成之碳膜，係作成發揮上述之類的特性，而其數值係滿足檢查時被要求之接觸電阻值或硬度。接著，從使之滿足上述之類的特性之觀點而言，接觸探針銷的先端之碳膜中金屬元素之含有量，以5～30原子%左右較佳，10～20原子%更佳。
本發明之接觸探針銷，因為碳膜厚度如果太薄，則有形成碳膜之效果不能發揮之虞，所以，膜厚最好是0.1μm以上。然而，因碳膜厚度如果太厚有電阻值變高之虞，所以，膜厚最好是5μm以下。碳膜厚度，在0.2μm以上、2μm以下更好。
由本發明之接觸探針銷所檢查之被檢面(對象電極)，係採用通常焊錫，而這基本上是含錫，這錫係特別地容易附著在接觸探針銷之表面。從而，被檢面是由錫或者錫合金所構成之場合，適用本發明之接觸探針銷時，其效果特別可有效地被發揮。又，作為錫合金並不特別受限定，能夠採用SnAg3.0 Cu0.5 等慣用之錫合金。
以下，舉出實施例更具體地說明本發明，本發明並非比原先受下述實施例所限制，而是在適合前‧後述之旨趣可得之範圍下當然可以適當地加上變更而實施，該等之任何一項都被包含在本發明之技術範圍。
[實施例]
接觸探針銷，如圖1(顯示外觀形狀之一例之概略說明圖)所示方式，製作先端被分割成4個突起，突起頂部之曲率半徑為50μm(R=0.05mm)之內裝彈簧的探針。先端全體之直徑為0.3mm(300μm)。該接觸探針銷，其表面被鍍金，基材係鈹(Be)-銅(Cu)製(市售品)。又，圖1，係模式地顯示從側面投影其先端之狀態，其形狀顯示為3個突起。此外，利用彈簧之功能，在接觸到對象電極並經過指定之衝程後按壓時會發生30gf之荷重(147N/mm2 )。
在磁控管濺鍍裝置，配置各個碳(石墨；graphite)靶、鉻靶、及鎳靶，在對向於該等之位置，配置接觸探針銷(基材)。將濺鍍室真空排氣到6.7×10-4 Pa以下之後，導入氬氣(Ar)將壓力調整成0.13Pa。藉由對基材施加高頻電壓，在施以氬離子蝕刻(Ar ion etching)之後，作為與基材之密貼層而層積形成厚度50nm之鎳、厚度50nm之鉻，進而將含有鉻與鎢之碳膜交互地成膜，慢慢地將碳膜的比例增加之傾斜組成層之中間層予以成膜(厚度：100nm)，最後，在最表面的碳膜成膜時，以投入電力密度5.66W/cm2 使載置鎢片(W chip)之石墨靶直流磁控管放電，對基材施加-100V之偏壓，實施塗覆厚度約400nm(0.4μm)。此時，調整碳膜最表面之鎢含有量成5～10原子%。
採用附上形成碳膜之接觸探針銷(本發明之接觸探針銷)，對著將組成為SnAg3.0 Cu0.5 之無鉛焊錫(千住金屬製)加工成平板之試料，以130℃之條件進行10萬回接觸，觀察先端(突起)之錫附著狀況。此外，為了確認電性電阻值安定性之有無，每次接觸就實施通電100mA，求出電性電阻值之變化(電阻值變動)。可是，電阻之測定為100回實施1回。
此時，為了比較，也針對(A)在冠狀先端突起部之曲率半徑：10μm、以指定之衝程使發生荷重25gf之探針形成碳膜，除此以外係與上述同樣的附上碳膜之接觸探針銷(比較例1)；(B)對與比較例1同樣的探針僅施以鍍金之型態(比較例2)；(C)對先端突起部曲率半徑：80μm之先端突起為單一形狀、以指定之衝程使發生荷重25gf之探針僅施以鍍金之型態(比較例3)等加以製作(基本的形狀係與圖1相同)。接著也針對該等之接觸探針銷，與上述同樣作法，觀察接觸後的先端之狀況，並且，調查電性電阻值安定性之有無。
將採用本發明接觸探針銷(實施例)時之電性電阻值之變化(接觸回數與電性電阻值變動之關係)顯示於圖2。將採用比較例1之接觸探針銷時的電性電阻值之變化(接觸回數與電性電阻值變動之關係)顯示於圖3。將採用比較例2之接觸探針銷時的電性電阻值之變化(接觸回數與電性電阻值變動之關係)顯示於圖4。將採用比較例3之接觸探針銷時的電性電阻值之變化(接觸回數與電性電阻值變動之關係)顯示於圖5。
從該等之結果能夠考察如以下。首先，本發明之接觸探針銷(實施例)方面，可知即使在進行10萬回接觸之後，仍維持與初期大致同等之電性電阻值(圖2)。比較例1之接觸探針銷，電性電阻值之變動小，但可見到電阻逐漸增加之傾向(圖3)。假設，電性電阻值變動之容許值如為200mΩ，可知，本發明接觸探針銷在9萬回以上，而比較例1之接觸探針銷則是到2萬回左右，可能不用進行清潔等付加的作業而可安定的接續。
相對於此，未形成碳膜之比較例2、3之接觸探針銷方面，被認定在接觸後早期電性電阻值便會上昇(圖4、圖5)。因此，圖4、圖5顯示從初期到1萬回之電阻變遷。
另一方面，若從接觸探針銷形狀(先端突起部之曲率半徑)之效果來看，可知，比較例2與比較例3方面，比較例3之電性電阻值變動較大，而從前的鍍金探針方面，曲率半徑小者，電性電阻值較具安定傾向。然而，若是實施例與比較例1相較之下，可知，形成碳膜之接觸探針銷方面，其先端突起部曲率半徑之效果顯示比從前還要相反的傾向，曲率半徑較大者，電性電阻值較為安定(圖2、圖3)。
此外，針對各接觸探針銷，就先端部之狀態而言，可得到如以下之結果。首先判明，本發明之接觸探針銷(實施例)方面，即使在進行10萬回接觸之後，仍保持有效接觸面積在500μm2 以上(原本的表面露出之狀態)。
此外，比較例1之接觸探針銷方面，在進行1萬回接觸之後保持有效接觸面積在500μm2 以上，但在進行10萬回接觸之後，平坦面幾乎都成為附著之錫化合物所覆蓋之狀態。再者，比較例2、3之接觸探針銷方面，接觸到1萬回，平坦面幾乎就成為附著之錫化合物所覆蓋之狀態。
又，當進行上述之類的評價，要將其基準設成500μm2 ，理由是如果確保接觸面積500μm2 ，即使在形成電性電阻較高於金屬之碳膜之場合，大致也可將接觸部之電阻保持在10mΩ以下之低數值。
此外，參照特定之實施型態並詳細地說明本申請案，但是，業者顯然能夠在不逸脫本發明之精神與範圍而加上種種之變更或修正。
本申請案係根據先行申請之日本專利申請案主張優先權，申請號為特願2010-259507，申請日為2010年11月19日，本案藉由參照而併入該案所有內容。
[產業上之利用可能性]
本發明之接觸探針銷，因為在先端被分割成2個以上的突起之表面，形成含有金屬元素之碳膜，並且，前述突起頂部之曲率半徑是作成30μm以上，所以，能夠實現即使在使用環境變成高溫之類的狀況下，也能極力減低錫等之附著，能夠長期間持續保持安定的電性的接觸之接觸探針銷。
圖1係顯示本發明之接觸探針銷(實施例)外觀形狀之一例之概略說明圖。
圖2係顯示採用本發明之接觸探針銷時之電性電阻值變化圖。
圖3係顯示採用比較例1之接觸探針銷時之電性電阻值變化圖。
圖4係顯示採用比較例2之接觸探針銷時之電性電阻值變化圖。
圖5係顯示採用比較例3之接觸探針銷時之電性電阻值變化圖。

Claims (9)

  1. 一種接觸探針銷，具有被分割成2個以上突起之先端，以該突起反覆接觸在被檢面之接觸探針銷，其特徵係在至少前述突起之表面，形成含有金屬元素之碳膜，而且，前述突起之頂部之曲率半徑在30μm以上、100μm以下。
  2. 如申請專利範圍第1項記載之接觸探針銷，其中，前述金屬元素，係從鎢(W)、鉭(Ta)、鉬(Mo)、鈮(Nb)、鈦(Ti)及鉻(Cr)所構成之群選擇而來之1種以上。
  3. 如申請專利範圍第1項記載之接觸探針銷，其中，前述金屬元素之含有量係5~30原子%。
  4. 如申請專利範圍第2項記載之接觸探針銷，其中，前述金屬元素之含有量係5~30原子%。
  5. 如申請專利範圍第1項記載之接觸探針銷，其中，前述碳膜之厚度係0.1~5μm。
  6. 如申請專利範圍第2項記載之接觸探針銷，其中，前述碳膜之厚度係0.1~5μm。
  7. 如申請專利範圍第3項記載之接觸探針銷，其中，前述碳膜之厚度係0.1~5μm。
  8. 如申請專利範圍第4項記載之接觸探針銷，其中，前述碳膜之厚度係0.1~5μm。
  9. 如申請專利範圍第1~8項任一項記載之接觸探針銷，其中，被檢查之被檢面係含有錫(Sn)。
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